(57)【要約】【課題】  流路中を流れる流体の流量を正確に測定する流量センサであって、好ましくは微少流量の測定を正確に行うのに適した流量センサを提供する。【解決手段】  ベース１０と、ベース上に被着され一面に凹み部１００ａを有したセンサチップ１００であって、当該センサチップの凹み部と反対側面にヒータ１１３を備えるとともに上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２を備えたセンサチップとを有し、ベースに形成され、センサチップの凹み部と共に被測定流体の流路をなす第１流路１１と第２流路１２を備えた流量センサにおいて、センサチップの凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域にベースの第１流路のセンサチップ側開口部１１ａが対応するように形成されている。【選択図】  図１
2006038787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、
前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第１流路と第２流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、
前記センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に前記第１流路のセンサチップ側開口部が対応するように形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項２】
ベースと、
前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、
前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第１流路と第２流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、
前記第２流路のセンサチップ側開口部の上流側端面が前記下流側温度センサの形成領域よりも上流側となるように前記ベースに形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項３】
前記第１流路のセンサチップ側開口部の開口面積が前記上流側温度センサの形成面積とほぼ同等かそれ以下の大きさとすることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記第１流路のセンサチップ側開口部には前記センサチップの凹み部底面近傍まで端面が突出した突き出し部が形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載の流量センサ。
【請求項５】
前記第１流路が当該第１流路のセンサチップ側開口部から前記センサチップの凹み部の流路上流方向に対して鋭角をなすように形成されるとともに、当該第１流路の中心軸線が前記センサチップの上流側温度センサの形成面又はその近傍領域と交差するように形成されていることを特徴とする、請求項１、請求項３、請求項４の何れかに記載の流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路中を流れる流体の流量を測定する流量センサに関し、特に微少流量の測定に優れた流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を測定する流量センサとして、流体によりヒータの熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出して流体の流量を検出する熱式流量センサが公知である。そして、このような熱式流量センサであって腐食性の被測定流体の流量を測定するのに適した特別な構造の流量センサも知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる特許文献１に記載の流量センサは、図８及び図９に示すように、ベース９０と、ベース上に被着されかつ流路の一部をなす凹み部１００ａを有したセンサチップ１００を備えている。そして、この流量センサ９のベース９０にはセンサチップ１００の凹み部１００ａと協働して被測定流体の流路をなす第１流路９１と第２流路９２がセンサチップ１００の凹み部底面１００ｂに対して垂直に形成されている。なお、センサチップ１００は例えば板厚が２０μｍ〜１５０μｍ程度の薄肉部を形成する凹み部を備えた板厚０．２〜３mm程度のステンレス板でできており、薄肉部の流路側と反対側面に電気絶縁膜を形成し、その上に流体の流量測定用の上流側温度センサ１１１及び下流側温度センサ１１２が形成されるとともに、これらの温度センサ１１１，１１２に挟まれた位置にヒータ１１３が形成されている。また、電極パッドや配線用金属薄膜（図８及び図９では図示せず）がこれらの温度センサ１１１，１１２やヒータ１１３の適所に形成されている。
【０００３】
そして、かかる流量センサ９においては、ヒータ１１３の発熱が主にセンサチップ１００の薄肉部を伝わってセンサチップ１００の上流側温度センサ形成領域と下流側温度センサ形成領域に熱伝導されるが、被測定流体が流路を流れることで流量に応じて上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２との間に温度差が生じ、この温度差を出力感度として取り出し、流量を測定するようになっている。なお、このようにセンサチップ１００に薄肉部を形成する凹み部を備えたステンレス板を用いるとともにセンサ形成面の反対側を流路とすることで、被測定流体が腐食性流体であっても長期間にわたって流量測定ができるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２４５４号公報（３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された流量センサでは、図８及び図９に示すように、センサチップ１００の上流側温度センサ１１１よりもさらに上流側に第１流路９１のセンサチップ側開口部９１ａが形成されるとともに、センサチップ１００の下流側温度センサ１１２よりもさらに下流側に第２流路９２のセンサチップ側開口部９２ａが形成されている。そして、流路の一部をなすセンサチップ１００の凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分から下流側温度センサ裏側部分においては、被測定流体がセンサチップ凹み部底面（図中凹み部上面）１００ｂに沿って平行に流れるようになっている（図８中、中央の矢印参照）。
【０００６】
しかしながら、このように被測定流体が流路のセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２が形成された裏側部分に沿って平行に流れていると、上流側温度センサ１１１の温度が比較的低下しにくい一方、下流側温度センサの温度は一旦上昇するが再び低下しやすい傾向にある。すなわち、上流側温度センサ１１１の温度が流量の増減に応じて変化しにくく、下流側温度センサ１１２の温度も後述する極大温度に達しやすい。そのため、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２との間に温度差が生じにくい。特に、被測定流体が微少流量の場合、このような流路構造では、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２との温度差が生じにくく、正確な流量測定を行いにくい問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、流路中を流れる流体の流量を正確に測定する流量センサであって、特に微少流量の測定を正確に行うのに適した流量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明による流量センサは、ベースと、前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第１流路と第２流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、前記センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に前記第１流路のセンサチップ側開口部が対応するように形成されていることを特徴としている。
【０００９】
第１流路のセンサチップ側開口部がこのように形成されることで、この開口部からの被測定流体の流れがセンサチップ凹み部底面の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域にあたり、流量が増えるに応じてセンサチップの上流側温度センサを効率的に冷やすことができる。これによって、上流側温度センサの温度が流量の増減に応じて大きく変化するようになる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度が高まり、たとえ微少流量であっても流量に応じた測定を正確に行えるようになる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の流量センサは、ベースと、前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第１流路と第２流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、前記第２流路のセンサチップ側開口部の上流側端面が前記下流側温度センサの形成領域よりも上流側となるように前記ベースに形成されたことを特徴としている。
【００１１】
第２流路のセンサチップ側開口部がこのように形成されていることで、被測定流体の流速がセンサチップ凹み部底面の下流側温度センサ裏側部分やその近傍領域において急激に低下し、流量が増えてもセンサチップの下流側温度センサが冷やされにくくなる。これによって、下流側温度センサの形成領域が極大温度に達しにくくなるとともに、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
【００１２】
また、本発明の請求項３に記載の流量センサは、請求項１に記載の流量センサにおいて、前記第１流路のセンサチップ側開口部の開口面積が前記上流側温度センサの形成面積とほぼ同等かそれ以下の大きさとすることを特徴としている。
【００１３】
このような構成とすることで、被測定流体が第１流路の開口部からセンサチップ凹み部底面に向かって噴流となって噴き出し、センサチップの上流側温度センサに対応する凹み部底面又はその近傍領域に直接当たるようになる。そのため、流量が増えるに応じてセンサチップの上流側温度センサをより効率的に冷やすことができる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じてより変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であってもより正確な流量測定を行えるようになる。
【００１４】
また、本発明の請求項４に記載の流量センサは、請求項１又は請求項３に記載の流量センサにおいて、前記第１流路のセンサチップ側開口部には前記センサチップの凹み部底面近傍まで端面が突出した突き出し部が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
第１流路のセンサチップ側開口部から流れ出す被測定流体をセンサチップの上流側温度センサに対応する凹み部底面に確実にあてることができ、流量が増えるに従って上流側温度センサを確実に冷やすことができるようになる。
【００１６】
また、本発明の請求項５に記載の流量センサは、請求項１、請求項３、請求項４の何れかに記載の流量センサにおいて、前記第１流路が当該第１流路のセンサチップ側開口部から前記センサチップ凹み部の流路上流方向に対して鋭角をなすように形成されるとともに、当該第１流路の中心軸線が前記センサチップの上流側温度センサの形成面又はその近傍領域と交差するように形成されていることを特徴としている。
【００１７】
第１流路がこのように形成されていることで、第１流路のセンサチップ側開口部から流れ出た被測定流体がセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に吹き付けられた後にセンサチップ凹み部にとどまることなく流路の下流側に円滑に流れていく。これによって、センサチップの凹み部において流路の上流側に被測定流体の滞留が生じることもなくなる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の流量センサによると、流路中を流れる流体の流量を正確に測定でき、特に微少流量の測定を正確に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態にかかる流量センサについて図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる流量センサ１は、図１及び図２に示すようにベース１０と、ベース上にレーザー溶接等によって被着されかつ流路の一部をなす凹み部１００ａを有したセンサチップ１００を備えている。そして、ベース１０にはセンサチップ１００の凹み部１００ａと協働して被測定流体の流路をなす第１流路１１と第２流路１２がセンサチップの凹み部底面１００ｂ（図１においては凹み部上面）に対して垂直に形成されている。すなわち、センサチップ１００をベース１０に被着させることで、ベース１０の第１流路１１、センサチップ１００の凹み部１００ａ、ベース１０の第２流路１２の順に被測定流体が流れるようになっている（図１中、矢印参照）。なお、本実施形態及びその変形例においては、流量センサの流路を流れる被測定流体は、例えば半導体製造プロセスに使用するプロセスガスなどの気体とする。
【００２０】
センサチップ１００は板厚が２０μｍ〜１５０μｍ程度の薄肉部を形成する凹み部を備えたステンレス板でできており、薄肉部の流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を形成し、その上に流量測定用の上流側温度センサ１１１、下流側温度センサ１１２が形成されるとともに、これらの温度センサ１１１，１１２に挟まれた位置にヒータ１１３が形成されている。また、これらの温度センサ１１１，１１２やヒータ１１３の適所に電極パッド及び配線用金属薄膜（図示せず）が形成されている。
【００２１】
センサチップ１００の凹み部１００ａは図２に示すように、上面視で両端が半円弧状をなすいわゆるトラック形状を有しており、例えばフォトリソグラフィー技術とエッチング技術、エンドミルまたその複合技術によって形成されている。フォトリソグラフィー技術とエッチング技術による場合、まず、ステンレス製のウエハの裏面全体にレジストをスピンコートなどによって塗布するか、ドライフィルムレジストを貼り付け、紫外線又は、電子線を照射してレジストにマスクパターンを転写露光する。次いで、露光されたレジストを現像液で現像し、レジストの不要部分を除去する。そして、露光された部分を残すか除去するかでネガ型レジスト又はポジ型レジストを選択する。レジストが除去された部分はウエハが露出しており、この露出している部分をウエットエッチング又はドライエッチングによって厚さが２０μｍ〜１５０μｍ程度になるまで除去する。そして、残ったレジストを剥離、除去して洗浄し、凹み部１００ａを形成する。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬又はスプレーして少しずつ溶解させる。ドライエッチングの場合は、スパッタ、プラズマ等によってイオンや電子をウエハの裏面に照射し、少しずつ削っていくことで形成する。
【００２２】
一方、凹み部１００ａの被測定流体と接しない反対側面（図１中、センサチップ１００の上面）は鏡面研磨され、図示しない電気絶縁膜が所定の領域に形成されている。電気絶縁膜は、例えば厚さが数千オングストロームから数μｍ程度の薄い酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜、窒化シリコン膜、アルミナ、ポリイミド膜等によって形成される。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成される。また、窒化シリコン膜は、スパッタリングやＣＶＤ等によって形成される。
【００２３】
また、電気絶縁膜の表面には、複数の電極パット及び配線用金属薄膜を含む上流側温度センサ１１１、下流側温度センサ１１２、ヒータ１１３に加えて周囲温度センサ（図示せず）がセンサデバイス１１０として周知の薄膜成型技術によって形成されている。センサデバイス１１０は、例えば、白金等の材料を電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成される。また、上流側温度センサ１１１、下流側温度センサ１１２、ヒータ１１３及び周囲温度センサは、配線用金属薄膜を介して電極パットにそれぞれ電気的に接続されている。なお、各電極パットは、ここでは詳細には図示しないが、センサチップ１００とベース１０との当接部周囲を例えばレーザーなどで溶接した後、センサチップ１００の近傍に設けたプリント配線板の電極端子にボンディングワイヤを介して接続されるようになっている。
【００２４】
ヒータ１１３は（周知の制御回路により）周囲温度センサで検出された温度よりも、ある一定温度高く制御されるようになっている。上流側温度センサ１１１及び下流側温度センサ１１２はブリッジ回路をなし、ヒータ１１３の発熱による熱が熱伝導によってセンサチップ１００の薄肉部を介して温度センサ１１１，１１２に伝わり、被測定流体の流れに伴う強制対流（熱伝達）によって上流側温度センサ１１１の形成領域と下流側温度センサ１１２の形成領域とで両温度センサ１１１，１１２における熱バランスが崩れ、各温度センサ１１１，１１２の抵抗値が互いに異なって変化することで、この抵抗値変化量の差を上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差すなわち被測定流体の流量として検出するようになっている。
【００２５】
一方、ベース１０は、センサチップ１００と同様にステンレスでできており、図１及び図２に示すように、厚さが例えば５ｍｍの細長い上面視矩形の板体からなる。そして、上述したように流路の一部をなす２つの貫通孔である第１流路１１及び第２流路１２がセンサチップ凹み部裏面１００ｂに垂直な向きで並行して穿設されている。なお、第１流路１１及び第２流路１２は、例えばドリルなどを用いた機械加工によって形成されている。また、第１流路１１のセンサチップ側開口部１１ａはセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂ（図１参照）に対応する位置に形成されている。そして、第１流路１１のセンサチップ側開口部１１ａは上面視で円形を有し（図２参照）、上流側温度センサ１１１及びその近傍領域を含む開口面積を有している。一方、第２流路１２のセンサチップ側開口部１２ａは上面視で楕円に近いトラック形状をなし、その開口面積は第１流路１１のセンサチップ側開口部１１ａの開口面積よりもかなり大きくなっている。そして、第２流路１２のセンサチップ側開口部１２ａの上流側端面１２ｂ（図２参照）は下流側温度センサ１１２の形成領域よりも上流側に形成され、かつそのセンサチップ側開口部１２ａの下流側端面１２ｃ（図２参照）は下流側温度センサ１１２の形成領域よりもかなり下流側に形成されている。これによって、被測定流体は第１流路１１のセンサチップ側開口部１１ａから上流側温度センサ１１１に向かって噴流となって勢い良く吹き出し、このセンサチップ側開口部１１ａからの噴流がセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂ又はその近傍領域に吹き付けられ、センサチップ凹み部１００ａのヒータ裏側部分１０３ｂ（図１参照）に沿って流れ、一部が下流側温度センサ裏側部分１０２ｂ（図１参照）に達するととともに、残りが第２流路１２のセンサチップ側開口部１２ａから第２流路内に流れ込む。その結果、被測定流体の流れが下流側温度センサ裏側部分１０２ｂにおいて緩流となる。
【００２６】
第１流路１１のセンサチップ側開口部１１ａがこのように形成されていることで、被測定流体の流量が増えるに応じて上流側温度センサ１１１への噴流の吹き付け作用によって上流側温度センサ１１１を効率的に冷やすことができるようになる。
【００２７】
また、第２流路１２のセンサチップ側開口部１２ａがこのように形成されていることで、センサチップ凹み部１００ａの下流側温度センサ裏側部分１０２ｂにおける被測定流体の流速が低下し、流量が増えても下流側温度センサ１１２が冷やされにくくなる。その結果、下流側温度センサ１１２の形成部分が極大温度に達しにくくなり、測定可能な流量域が従来に比べて広くなる。なお、ここでいう極大温度とは以下の温度、すなわち流量の増加に応じて下流側温度センサ１１２の温度はいったん上昇するが、さらに流量が増加することで、下流側温度センサ１１２も上流側温度センサと同様に被測定流体によって冷やされて温度上昇しなくなり、下降に転じる温度である。
【００２８】
これによって、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても流量に応じた正確な測定が可能となる。
【００２９】
続いて、上述した実施形態の様々な変形例について説明する。まず、上述した実施形態の第１の変形例について図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の構成は対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３０】
第１の変形例にかかる流量センサ２は、上述の実施形態とは異なり、第１流路２１にステンレスでできた細長円筒体２５を圧入し、細長円筒体２５のセンサチップ側端部をセンサチップ側開口部２１ａから若干突出させて突き出し部２５ａを形成させている。そして、突き出し部２５ａの先端はセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂに当接することなくわずかな隙間をあけて位置している。なお、この突き出し部２５ａを、ベース２０の第１流路２１に細長円筒体２５をそのセンサチップ側端面を上述した位置まで圧入することによって形成する代わりに、ベース２０のセンサチップ側接合面を例えばエンドミルなどを用いて機械加工により円筒状の突き出し部のみを残すように形成しても良い。
【００３１】
このような構造を有することによって、第１流路２１から流れ出る噴流をセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂに効率的に吹き付けることができ、流量の増加に応じて上流側温度センサ１１１を効果的に冷やすことができるようになる。その結果、流量の増加に応じて上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差を大きくすることができ、これによってたとえ微少流量であっても正確な流量測定を可能とする。
【００３２】
続いて、上述した本実施形態の第２の変形例について図４に基づいて説明する。第２の変形例にかかる流量センサ３は第１流路３１が当該第１流路３１の開口部３１ａより上流側に向けてセンサチップ凹み部１００ａの流路上流方向に対して鋭角をなすように形成されるとともに（図４中、９０°より小さい鋭角である角度α参照）、第１流路３１の中心軸線がセンサチップ１００の上流側温度センサ１１１の形成位置（上流側温度センサ裏側部分１０１ｂ）と交差するように形成されている（図４中の中心軸線ＣＬ参照）。
【００３３】
第１流路３１がこのように形成されていることで、第１流路３１のセンサチップ側開口部３１ａから流れ出る被測定流体がセンサチップ凹み部底面１００ｂの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂにあたった後にその場にとどまることなく下流側に円滑に流れていく。これによって、センサチップの凹み部１００ａの上流側に被測定流体の滞留が生じることがなくなる。その結果、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
【００３４】
続いて、上述した実施形態の第３の変形例について図５に基づいて説明する。第３の変形例にかかる流量センサ４は、ベース４０に形成された第２流路４２が、上述の実施形態及びその変形例とは異なりセンサチップ１００の凹み部底面１００ｂに沿って延在形成されている。そして、下流側温度センサ１１２とヒータ１１３との間に段部４２ｓを設けることによって、この第２流路４２の流路断面積が段部４２ｓから下流側に急激に大きくなっている。これによって、被測定流体が同一流量であってもその流速がこの段部から下流側において急激に低下し、センサチップ凹み部底面１００ｂの下流側温度センサ裏側部分１０２ｂにおける被測定流体の流速も低下し、下流側温度センサ１１２が冷やされにくくなる。また、ベース４０の第１流路４１は上述の実施形態と同様にそのセンサチップ側開口部４１ａの開口面積が上流側温度センサ１１１の形成面積とほぼ同等の大きさに形成されているので、第１流路４１のセンサチップ側開口部４１ａから流れ出る被測定流体が噴流となってセンサチップ凹み部底面１００ｂの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂに吹き付けられ、上流側温度センサ１１１を効果的に冷やすことができる。これらによって、下流側温度センサ１１２の形成部分が極大温度に達しにくくなるとともに、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
【実施例】
【００３５】
上述した図１に示す実施形態にかかる流量センサ１と従来例として記載した流量センサとの流量検出特性を比較する評価試験シミュレーションを行ったので、このシミュレーション結果について説明する。図６はかかるシミュレーション結果を示した流量検出特性図であり、この検出特性図において横軸は各流量センサの流路を流れる流量を示し、縦軸は下流側温度センサの測定温度と上流側温度センサの測定温度の温度差を示している。なお、この温度差が全流量域において大きければ大きいほど、流量の増減に応じた検出感度が優れていることを表している。
【００３６】
かかるシミュレーション結果から明らかなように、従来例の流量センサに較べて本実施形態にかかる流量センサの方が全ての流量域において２倍以上の検出感度を有することが分かった。そして、特に微少流量においては両者の間でこの検出感度が大きく異なり、被測定流体が微少流量の場合には、本実施形態における流量センサを用いれば極めて高感度な測定が可能であることが分かった。
【００３７】
なお、上述の実施形態及びその変形例においては、第１流路のセンサチップ側開口面積がセンサチップの上流側温度センサの形成面積より若干大きい程度となる構成であったが、必ずしもこのように限定されず、第１流路のセンサチップ側開口面積が例えば上流側温度センサの形成面積と同等の開口面積を有するようにしても良く、若しくは図７に示すようにセンサチップ１００の上流側温度センサ１１１及びその近傍領域を十分含む程度まで大きくても良い。このような構成であっても、第１流路５１のセンサチップ側開口部５１ａから流れ出る被測定流体がセンサチップ凹み部１００ａの上流側温度センサ裏側部分１０１ｂ及びその近傍領域に吹き付けられ、図８及び図９に示す従来の流量センサ９よりも上流側温度センサ１１１をより冷やすことが可能となる。これによって、上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２の温度差をいかなる流量域においても十分に生じさせることができ、正確な流量測定を可能とする。
【００３８】
なお、図７に示す構成は、第１流路５１と第２流路５２がセンサチップ１００のヒータ形成部に関して図中左右対称に形成されている。また、センサチップ上の上流側温度センサ１１１と下流側温度センサ１１２もセンサチップ１００のヒータ形成部に関して図中左右対称に形成されている。このような対称構造を有することで、被測定流体が逆流した場合（図中矢印の逆方向から被測定流体が流れた場合）であっても、逆流した被測定流体の流量を測定可能である。
【００３９】
以上説明したように、本発明にかかる流量センサの基本原理はセンサチップの上流側温度センサ形成領域に対応するセンサチップ凹み部底面に被測定流体の流れを積極的にあてるとともに、下流側温度センサ形成領域に対応するセンサチップ凹み部底面では流速を低くしたことにある。また、ベースの流路断面積を変えることで、センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分にあたる被測定流体の流速をセンサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分における流速よりも高くした。このように上流側温度センサにおける流速が高くなることで上流側温度センサにおける強制対流伝達が大きくなり、下流側温度センサにおける流速が低くなることで下流側温度センサにおける強制対流伝達が小さくなる。
【００４０】
これによって、上流側温度センサは冷やされやすく、下流側温度センサが冷やされにくくなり、下流側温度センサの形成領域が極大温度に達しにくくするとともに、上流側温度センサと下流側温度センサとの流量に応じた検出温度差を大きくとれるようになった。
【００４１】
また、その変形例として、薄肉部を形成する凹み部を備えたセンサチップにヒータや温度センサを備え、上流側温度センサに流速の高い被測定流体が直接あたるようにベースのセンサチップ側開口部を細く絞り、この開口部をセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分に対応するように配置した。
【００４２】
また、更なる変形例としてセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分に被測定流体をあてるために、ベースの第１流路のセンサチップ側開口部に突き出し部を備え、被測定流体の流出部を温度センサにより接近させた形状にすることで、上流側温度センサの強制対流による熱伝達を促進するようにした。
【００４３】
また、ベースの下流側流路である第２流路の流路構造を変えることで、下流側温度センサ近傍の被測定流体の流速を低くするようにした。
【００４４】
これらの変形例によってもセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分における強制対流による熱伝達が促進されるとともに、センサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分における強制対流による熱伝達が低減され、上流側温度センサと下流側温度センサの流量変化に対する温度差を大きくして出力感度を向上できるようになった。
【００４５】
なお、上述した実施形態及びその第１の変形例、第３の変形例においては、第１流路をセンサチップ凹み部や第２流路に比べて全体的に絞った構成となっていたが、このように第１流路を全体的に絞る代わりに、センサチップ側開口部である吹き出し口のみを絞っても良い。いずれの絞り方でもセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分やその近傍領域に噴流を吹き付けることができる。
【００４６】
また、ベースやセンサチップの材質はステンレスには限定されず、サファイア、セラミックスなどの耐腐食性材料、流体が非腐食性の場合であればシリコン、ガラスなど、いずれの材質でも良い。
【００４７】
また、センサチップ上に形成されたヒータ（発熱部）は、白金薄膜部等の金属薄膜抵抗体に限定されるものではなく、ポリシリコンやサーミスタ等の発熱が可能な素子であれば何れでもかまわない。また、上流側温度センサや下流側温度センサ、周囲温度センサをなす温度センサも白金薄膜抵抗体限定されるものではなく、ポリシリコン、サーミスタ、サーモパイル、表面弾性波デバイス（Surface Acoustic Wave Device）等の電気的に温度情報を出力できる感温体であればどのようなものでもかまわない。
【００４８】
また、センサチップに形成されるヒータと温度センサとは、上述のように３エレメントタイプの代わりに２エレメントタイプであっても良い。具体的には、上述のように、ヒータを上流側温度センサと下流側温度センサとの間に３エレメントタイプとして独立して形成しても良く、２つの温度センサをそれぞれヒータとして自己発熱させる２エレメントタイプとして形成しても良い。
【００４９】
また、センサチップの凹み部の形状は、細長矩形形状であっても良く、又は上述したようにいわゆるトラック形状と呼ばれる両端が半円状をなす異形楕円形状であっても良い。
【００５０】
また、上述の実施形態及びその変形例において被測定流体は気体として記載したが、必ずしもこれに限定されず、液体であってもかまわない。被測定流体が液体であっても、センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分やその近傍領域に液体を積極的にあてることでこの部分を十分に冷やすことができるととともに、ベースの第２流路の形状や配置を工夫することでセンサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分が冷やされにくくでき、上述した本発明の作用を十分発揮することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本実施形態に関するフローセンサは、上述のとおり、微少流量の測定に優れるが、必ずしもこれに限定されることなく様々な流量域の流量測定が可能である。また、その構造上腐食性流体の流量測定に適するが、必ずしもこのような流体の流量測定に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる流量センサの部分的断面図である。
【図２】図１に示した流量センサをセンサチップ上面側から見た平面図である。
【図３】図１に示した流量センサの第１の変形例を示す部分的断面図である。
【図４】図１に示した流量センサの第２の変形例を示す部分的断面図である。
【図５】図１に示した流量センサの第３の変形例を示す部分的断面図である。
【図６】本発明の実施例において本実施形態の流量センサと従来の流量センサとの検出特性をシミュレーションによって比較した流量検出特性図である。
【図７】本発明の範囲に含まれる流量センサの部分的断面図である。
【図８】従来の流量センサを示した部分的断面図である。
【図９】図８に示した従来の流量センサをセンサチップ上面側から見た平面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，２，３，４    流量センサ
９    流量センサ
１０    ベース
１１    第１流路
１１ａ    センサチップ側開口部
１２    第２流路
１２ａ    センサチップ側開口部
１２ｂ    上流側端面
１２ｃ    下流側端面
２０    ベース
２１    第１流路
２１ａ    センサチップ側開口部
２５    細長円筒体
２５ａ    突き出し部
３１    第１流路
３１ａ    開口部
４０    ベース
４１    第１流路
４１ａ    センサチップ側開口部
４２    第２流路
４２ｓ    段部
５１    第１流路
５１ａ    センサチップ側開口部
５２    第２流路
５２ａ    センサチップ側開口部
９０    ベース
９１    第１流路
９１ａ    センサチップ側開口部
９２    第２流路
９２ａ    センサチップ側開口部
１００    センサチップ
１００ａ    （センサチップ）凹み部
１００ｂ    （センサチップ）凹み部底面
１０１ｂ    上流側温度センサ裏側部分
１０２ｂ    下流側温度センサ裏側部分
１０３ｂ    ヒータ裏側部分
１１０    センサデバイス
１１１    上流側温度センサ
１１２    下流側温度センサ
１１３    ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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