(57)【要約】【課題】信頼性の高いフローセンサを提供する。【解決手段】上面に凹部８が設けられた第１の基板１と、第１の基板１の凹部８の一部を覆うように配置された発熱素子６と、発熱素子６を保護する保護部材４０と、第１の基板１の凹部８及び発熱素子６を覆うように配置され、それぞれ第１の基板１の凹部８に連通する流入口及び流出口が設けられた第２の基板１４と、を備えるフローセンサ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に凹部が設けられた第１の基板と、
前記第１の基板の凹部の一部を覆うように配置された発熱素子と、
前記発熱素子を保護する保護部材と、
前記第１の基板の凹部及び前記発熱素子を覆うように配置され、それぞれ前記第１の基板の凹部に連通する流入口及び流出口が設けられた第２の基板と、
を備えるフローセンサ。
【請求項２】
前記第１の基板に少なくとも２つの貫通孔が設けられており、前記発熱素子が前記貫通孔から露出する、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記第１の基板の前記少なくとも２つの貫通孔を介して前記発熱素子に接続された配線を更に備える、請求項２のフローセンサ。
【請求項４】
前記保護部材がガラス基板である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフローセンサ。
【請求項５】
前記保護部材がサファイア基板である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記保護部材がパッシベーション膜である、請求項１に記載のフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の検査技術に係り、フローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの配管等においては、ガスの流量を正確に計測することが重要である。ガス等の流体の流量を計測する機器として、フローセンサがある。フローセンサを配管に設置する際に、必要となる工事を可能な限り省略するために、フローセンサそのものにパッケージ機能をもたせ、配管への設置を容易にしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０９３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のフローセンサは、活性ガス等に弱く、信頼性が低いという問題がある。そこで、本発明は、信頼性の高いフローセンサを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意研究の結果、従来の発熱体を用いるフローセンサは、発熱体が計測対象の流体に露出しているため、活性ガス等に弱いことを見出した。そこで、本発明の態様によれば、（ａ）上面に凹部が設けられた第１の基板と、（ｂ）第１の基板の凹部の一部を覆うように配置された発熱素子と、（ｃ）発熱素子を保護する保護部材と、（ｄ）第１の基板の凹部及び発熱素子を覆うように配置され、それぞれ第１の基板の凹部に連通する流入口及び流出口が設けられた第２の基板と、を備えるフローセンサが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、信頼性の高いフローセンサを提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの上面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第１の工程断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第２の工程断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第３の工程断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第４の工程断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第５の工程断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第６の工程断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第７の工程断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第８の工程断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第９の工程断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第１０の工程断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第１１の工程断面図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係るフローセンサの第１２の工程断面図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの第１の工程断面図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの第２の工程断面図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの第３の工程断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの第４の工程断面図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第１の工程断面図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第２の工程断面図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの工程底面図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第３の工程断面図である。
【図２６】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第４の工程断面図である。
【図２７】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第５の工程断面図である。
【図２８】本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの第６の工程断面図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態の変形例に係るフローセンサの第１の工程断面図である。
【図３０】本発明の第３の実施の形態の変形例に係るフローセンサの第２の工程断面図である。
【図３１】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。
【図３２】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの第１の工程断面図である。
【図３３】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの第２の工程断面図である。
【図３４】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの第３の工程断面図である。
【図３５】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの第４の工程断面図である。
【図３６】本発明の第４の実施の形態に係るフローセンサの第５の工程断面図である。
【図３７】本発明のその他の実施の形態に係るフローセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００９】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るフローセンサは、図１乃至図３に示すように、上面に凹部８が設けられた第１の基板１と、第１の基板１の凹部８の一部を覆うように配置された発熱素子６と、発熱素子６を保護する保護部材４０と、第１の基板１の凹部８及び発熱素子６を覆うように配置され、それぞれ第１の基板１の凹部８に連通する流入口１２及び流出口１３が設けられた第２の基板１４と、を備える。
【００１０】
第１の基板１の材料としては、パイレックス（登録商標）ガラス等が使用可能である。第１の基板１には凹部８が設けられており、凹部８の両側で発熱素子６をブリッジ状に保持している。発熱素子６には、シリコンフィラメントが使用可能である。第１の基板１には、それぞれ金属膜９を介して底面から上面に貫通する貫通電極２、３が設けられている。貫通電極２、３は、第１の基板１の凹部８の両側で、金属膜９を介して発熱素子６に接触している。
【００１１】
パッシベーション膜等の保護部材４０は発熱素子６の全面を覆っている。例えば、保護部材４０の材料としては、フッ素系樹脂等の有機材料、並びに酸化ケイ素（ＳｉＯ）及び窒化ケイ素（ＳｉＮ）等の無機材料が使用可能である。
【００１２】
第２の基板１４の材料としても、パイレックス（登録商標）ガラス等が使用可能である。第２の基板１４の底面には、凹部１１が設けられている。第１の基板１と、第２の基板１４と、は、例えば熱圧着接合により結合されている。これにより、発熱素子６の周囲に、第１の基板１に設けられた凹部８と、第２の基板１４に設けられた凹部１１と、からなる流体室が形成される。
【００１３】
流体室内部には、第２の基板１４に設けられた流入口１２を介して流体が注入される。注入された流体は、発熱素子６の上下を流れ、第２の基板１４に設けられた流出口１３を介してフローセンサの外部に排出される。
【００１４】
ここで、貫通電極２、３間に電圧を印加すると、発熱素子６に電流が流れ、ジュール熱が発生する。発熱素子６が発する熱は、フローセンサに注入された流体の流速に応じて奪われる。発熱素子６の電気抵抗は、発熱素子６の発熱温度に相関する。したがって、発熱素子６の電気抵抗の変化を計測することによって、発熱素子６の発熱温度の変化を計測することが可能であり、ひいては、発熱素子６の周囲を流れる流体の流速の変化を計測することが可能となる。
【００１５】
次に、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を説明する。
【００１６】
まず、第１の基板１を用意し、図４に示すように、エッチング法等により、第１の基板１の上面に凹部８を設ける。次に、図５に示すように、サンドブラスト法等により、第１の基板１に貫通孔１６、１７を設ける。また、図６に示すように、シリコン基板１８を用意し、エピタキシャル成長により、シリコン基板１８の表面にボロン高濃度層１９を形成する。次に、図７に示すように、エッチング法等により、ボロン高濃度層１９を適当な大きさに整形する。
【００１７】
図８に示すように、ボロン高濃度層１９が凹部８の一部、及び貫通孔１６、１７を覆うように、第１の基板１と、ボロン高濃度層１９と、を陽極接合により結合する。なお、第１の基板１と、ボロン高濃度層１９と、を直接接合で結合してもよい。次に、ヒドラジンや水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ液を用いて、シリコン基板１８を除去し、図９に示すように、ボロン高濃度層１９を発熱素子６とする。その後、図１０に示すように、スピン塗布法、ディッピング法、スパッタ法、蒸着法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、又は原子層堆積（ＡＬＤ）法等の任意の方法によって、発熱素子６表面に保護部材４０を形成する。
【００１８】
第２の基板１４を用意し、図１１に示すように、エッチング法等により、第２の基板１４の底面に凹部１１を設ける。また、図１２に示すように、サンドブラスト法等により、第２の基板１４に流入口１２及び流出口１３を設ける。次に、図１３に示すように、発熱素子６が配置された第１の基板１と、第２の基板１４と、を、熱圧着接合により結合する。その後、図１４に示すように、スパッタ法等により、第１の基板１の底面と、貫通孔１６、１７の内部と、に金属膜９を成膜する。
【００１９】
図１５に示すように、第１の基板１に溝１０の加工をダイシング法等で行うことにより、金属膜９を分割し、電気的に分離する。その後、貫通孔１６、１７内部に金属を充填して、それぞれ発熱素子６に通電する図２に示した貫通電極２、３を形成し、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を終了する。なお、この金属膜９の分離・分割は、フォトリソグラフィやハードマスクなどで行なうこともできる。
【００２０】
以上説明した第１の実施の形態に係るフローセンサによれば、発熱素子６が保護部材４０で覆われているため、不活性な流体のみならず、活性な流体の流量をも安定して計測することが可能となる。また、発熱素子６を保護部材４０で覆うことにより、耐電圧を向上させることも可能となる。さらに、発熱素子６を保護部材４０で覆うことにより、ごみの付着による発熱素子６の出力のドリフトを抑制することが可能となる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図１６に示すように、第２の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子７は、保護部材としてのガラス基板４１に埋め込まれている。発熱素子７を埋め込まれたガラス基板４１は、ガラス基板４２と貼りあわされている。ガラス基板４２には、貫通電極１０６、２０６が設けられている。ガラス基板４２の貫通電極１０６、２０６を介して、発熱素子７は、第１の基板１の貫通電極２、３に電気的に接続される。第２の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第１の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
【００２２】
第２の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、凹部が設けられたガラス基板４１を用意し、ガラス基板４１の凹部に導電物質を充填して、図１７に示すように、発熱素子７をガラス基板４１の内部に形成する。また、貫通孔が設けられたガラス基板４２を用意し、ガラス基板４２の貫通孔を導電物質で充填して、図１８に示すように、貫通電極１０６、２０６をガラス基板４２に形成する。その後、図１９に示すように、発熱素子７と、貫通電極１０６、２０６と、が電気的に接触するように、ガラス基板４１と、ガラス基板４２と、を貼りあわせる。さらに、図２０に示すように、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第１の基板１に、ガラス基板４１、４２にはさまれた発熱素子７を配置する。その後、第１の実施の形態と同様の工程により、第２の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
【００２３】
シリコンフィラメント等からなる図１６に示す発熱素子７を、ガラス基板４１、４２ではさむことにより、フローセンサの機械的強度を上げることが可能となる。また、発熱素子７が硬いガラス基板４１、４２で覆われているため、第１の基板１に貫通電極２、３を形成することが容易になる。なお、ガラス基板の代わりに、サファイア基板等で発熱素子７を保護してもよい。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図２１に示すように、第３の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子３７は、第１の基板１に接する保護部材としてのガラス基板４４に埋め込まれている。発熱素子７を埋め込まれたガラス基板４４上には、平坦なガラス基板４３が貼りあわされている。ガラス基板４４には、貫通電極１２６、２２６が設けられている。ガラス基板４４の貫通電極１２６、２２６を介して、発熱素子７は、第１の基板１の貫通電極２、３に電気的に接続される。第３の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第２の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
【００２５】
第３の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、まず、図２２に示すように、平坦なガラス基板４３を用意する。次に、図２３に示すように、スパッタ法や蒸着法により、発熱体３７となる金属膜をガラス基板４３の底面に形成する。図２４に示すように、発熱体３７の長さを確保するために、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、発熱体３７をメアンダ状に整形してもよい。
【００２６】
図２５に示すように、凹部と、二つの貫通孔が設けられたガラス基板４４を用意する。次に、図２６に示すように、ガラス基板４４の凹部の内部に発熱体３７が格納されるように、ガラス基板４４と、ガラス基板４３と、を直接接合により結合する。その後、図２７に示すように、ガラス基板４４の貫通孔を導電物質で充填して、それぞれ発熱体３７と電気的に接触する貫通電極１２６、２２６をガラス基板４４に形成する。さらに、図２８に示すように、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第１の基板１に、ガラス基板４３、４４にはさまれた発熱素子７を配置する。その後、第１の実施の形態と同様の工程により、第３の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
【００２７】
第３の実施の形態に係るフローセンサにおいても、機械的強度の向上を図ることが可能となる。
【００２８】
（第３の実施の形態に変形例）
第３の実施の形態の変形例に係るフローセンサの製造方法を説明する。まず、第３の実施の形態と同様に、図２６に示すように、ガラス基板４４の凹部の内部に発熱体３７が格納されるように、ガラス基板４４と、ガラス基板４３と、を直接接合により結合する。次に、ガラス基板４４に貫通電極を形成することなく、図２９に示すように、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第１の基板１に、ガラス基板４３、４４にはさまれた発熱素子７を配置する。ガラス基板４４の二つの貫通孔は、それぞれ第１の基板１の貫通孔１６、１７に連通する。その後、ガラス基板４４の二つの貫通孔及び第１の基板１の貫通孔１６、１７を導電材で充填し、図３０に示すように、第１の基板１の底面から発熱素子７までそれぞれ貫通する貫通電極１０２、１０３を形成する。
【００２９】
発熱素子７がガラス基板で保護されているため、第１の基板１の底面から直接、発熱素子７までそれぞれ貫通する貫通電極１０２、１０３を形成することが容易となる。
【００３０】
（第４の実施の形態）
図３１に示すように、第４の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子３７は、第１の基板１上に配置された平坦なガラス基板４６と、平坦なガラス基板４３と、で挟まれている。また、ガラス基板４６と、ガラス基板４３と、の間において、発熱素子３７は充填部材４７で囲まれている。ガラス基板４６には、貫通電極１２６、２２６が設けられている。ガラス基板４６の貫通電極１２６、２２６を介して、発熱素子７は、第１の基板１の貫通電極２、３に電気的に接続される。第４の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第２の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
【００３１】
第４の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、まず、図３２に示すように、二つの貫通孔が設けられたガラス基板４６を用意する。次に、図２３で説明したように底面に発熱体３７が形成されたガラス基板４３を用意し、図３３に示すように、発熱体３７の底面と、ガラス基板４６の上面と、を貼り合わせる。その後、ガラス基板４６と、ガラス基板４３と、の間に、接着剤や溶融したガラスフリット等を充填し、図３４に示すように、充填部材４７を形成する。
【００３２】
図３５に示すように、ガラス基板４６の貫通孔を導電物質で充填して、それぞれ発熱体３７と電気的に接触する貫通電極１２６、２２６をガラス基板４４に形成する。さらに、図３６に示すように、第１の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第１の基板１に、ガラス基板４３、４６にはさまれた発熱素子７を配置する。その後、第１の実施の形態と同様の工程により、第４の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
【００３３】
第４の実施の形態に係るフローセンサにおいても、機械的強度の向上を図ることが可能となる。
【００３４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、図３７に示すように、発熱素子７をガラス基板４１、４２等の硬い保護部材で覆った場合、貫通電極を第１の基板１に設けなくとも、ワイヤ１１６、２１６で発熱素子７に通電してもよい。これにより、フローセンサの製造コストを下げることも可能となる。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
【符号の説明】
【００３５】
１      第１の基板
２、３  貫通電極
６、７、３７  発熱素子
８、１１  凹部
９      金属膜
１０    ダイシング溝
１２    流入口
１３    流出口
１４    第２の基板
１６、１７  貫通孔
１８    シリコン基板
１９    ボロン高濃度層
４０    保護部材
４１、４２、４３、４４、４６  ガラス基板
４７    充填部材
１０２、１０３、１０６、２０６、１２６、２２６  貫通電極
１１６、２１６  ワイヤ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2012208061.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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