CN100504312C - 热式质量流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热式质量流量计,其提高了温度传感器芯片的测定灵敏度,提高了热式质量流量计的测定性能。在加热器芯片(4)及温度传感器芯片(6、8)的下面侧通过热传导性粘结剂(10)粘结固定配管(2)。加热器芯片(4)及温度传感器芯片(6、8)被模制树脂覆盖,直至在内部形成的元件的热电阻在下面侧最小。

Description

热式质量流量计
技术领域
本发明涉及一种基于在流体的流动方向上的温度分布对在配管内流 动的流体的质量流量进行测定的热式质量流量计。
背景技术
参照图5对现有的热式质量流量计进行说明。图5是表示现有的热式 质量流量计的一例的图,(A)是截面图,(B)是表示配管表面的温度 分布的图表。在(B)图中,纵轴是温度,横轴是配管的流动方向上的位 置。另外,虚线表示的曲线表示流体不在配管内流动的状态下的温度分布, 实线表示的曲线表示流体在配管内流动的状态下的温度分布。
如图5 (A)所示,加热器32接触在配管31的圆周面的表面上,而 且在配管31的流动方向上的加热器32的上游侧和下游侧的等距离的位置 上配置有1对测定配管的表面温度的温度传感器对34 (34a、 34b)。此例 中,例如利用通过MEMS (Micro Electro Mechanical System)技术在一块 基板上嵌入了加热器32和温度传感器对34的流量测定用芯片36,将该流 量测定用芯片36安装在配管31上,对在配管31内流动的流体流量进行 测定(例如,参照专利文献l)。
上述热式质量流量计,通过加热器32将配管内的流体加热到规定的 温度,用从加热器32只离开一定距离的温度传感器对34分别对配管31 的表面温度进行测定。若以由加热器32加热了的流体的温度分布遵从高 斯分布为前提,则流体静止时如图5 (B)虚线所示,由两个温度传感器 34a和34b测出的温度相等,两者的测定温度差为O。如图5 (B)的实线 所示,若流体在配管31内流动,则温度分布向下游侧移动,由温度传感 器34a和34b测出的温度产生差。在配管31内流动的流体的流量越增大, 配管31表面的温度分布越向下游侧移动,因此,在配管31表面的温度分布的顶点位于温度传感器34a和34b之间时,在配管31内流动的流体的 流量越增大,温度传感器对34的测定温度差的值变得越大。因此,在配 管31内流动的流体的流量和温度传感器对34的测定温度差之间相关关系 成立,根据该相关关系,利用温度传感器对34的测定温度差,可算出在 配管31内流动的流体的流量。
在利用了嵌入有像这样的加热器32和一对的温度传感器34a和34b 的流量测定用芯片36的热式质量流量计中,通过MEMS技术能使成对的 温度传感器对34接近加热器而配置,因此,即使在温度分布的移动量小 的情况下,在表示温度传感器芯片温度分布的曲线(参照图5 (B))的 倾斜急剧的位置,温度传感器34a和34b也能对温度进行测定,即使在流 量为微量的情况下,作为测定温度差也能获得大值,能以高灵敏度进行流
、但是,利用MEMS技术在一块基板上嵌入发热元件32和温度传感器 对34,由于制造设备等的问题无法廉价地实现。因此,本申请的发明者们 提案如下:将发热元件即片型的加热器芯片和构成温度传感器对的一对温 度传感器芯片分别配置在配管的圆周面上,构成热式质量流量计。由此, 不用采用MEMS技术就可以廉价地构成热式质量流量计。 专利文献l:美国特许第6813944号
对于像这样的热式质量流量计,若温度传感器芯片的测定敏感度降 低,则将直接地影响到流量的测定结果,通过提高温度传感器芯片的测定 敏感度能提高热式质量流量计的测定性能。
发明内容
因此,本发明的目的在于提高温度传感器芯片的测定敏感度,来提高 热式质量流量计的测定性能。
作为热式质量流量计的温度传感器使用的接触式的温度传感器芯片, 由于覆盖测温元件的被覆树脂引起的热电阻,测定灵敏度因与测定对象物 接触的接触位置的不同而存在偏差。即,通过使测定对象物与芯片的热电 阻最小的位置接触,能获得高的测定灵敏度,若相反地使测定对象物与热 电阻高的位置接触,则测定灵敏度下降。
5因此本发明提供一种热式质量流量计,其具有测定部和计算部,
所述测定部由如下部分构成,即:加热器芯片,其配置在内部有流体 流动的配管的周面上,用于加热配管内的流体;和温度传感器芯片对,其 在配管的周面上,相对于配管在与加热器芯片同侧,沿着配管内的流体的 流动方向配置在加热器芯片的上游侧和下游侧的等距离的位置上,所述温 度传感器芯片对由结构与加热器芯片不同的芯片类型的温度传感器芯片 构成,所述计算部根据温度传感器芯片对的各个温度传感器芯片的温度差 求出在该配管中流动的流体的流量,所述热式质量流量计的特征在于,温 度传感器芯片,其表面被模制树脂覆盖,具有从模制树脂的下面侧向侧方 延伸的输入输出端子,在温度传感器芯片的下面侧粘结固定有所述配管。
另外,在本发明的热式质量流量计中,加热器芯片的表面被模制树脂 覆盖,具有从模制树脂的下面侧向侧方延伸的输入输出端子,在加热器芯 片的下面侧粘结固定有配管也可。
一般的,在热式质量流量计中,在温度传感器芯片对之间配置的加热
器芯片被驱动,以将周围温度(室温)维持在零上数'c〜数十'c。热式质
量流量计根据加热器芯片的上游侧和下游侧的温度传感器芯片的温度差 测出流量,因此即使周围的温度变动,两温度传感器芯片受到的温度变化 的影响也应该相抵。但是实际上,有时用于将各个温度传感器芯片粘结固 定在配管上的粘结剂的量不均匀,作为温度传感器芯片使用的芯片的模制 树脂的厚度不同,在温度传感器芯片之间对于周围温度的变动的响应速度 不同。像这样的情况,作为流量计对于周围温度缺乏稳定性,不能获得足 够的测定性能。
因此在本发明的热式质量流量计的优选方式下,测定部具有独立于温 度传感器芯片对来测定测定部的周围温度用的测温元件,计算部具有修正 部,所述修正部基于由该测温元件测定的周围温度对温度传感器芯片对的 温度差进行修正,根据修正后的温度传感器芯片对的温度差求出在配管中
流动的流体的流量也可。
另外,在更优选的方式下,测定部具有基板,所述基板形成有用于嵌 入加热器芯片及温度传感器芯片的槽,加热器芯片及温度传感器芯片从上 面侧嵌入基板的所述槽,配管在与加热器芯片及温度传感器芯片的下面接触了的状态下,通过热传导性粘结剂粘结固定在加热器芯片及温度传感器 芯片的下面,并且配管通过粘结剂粘结固定在基板上也可。 发明效果
在本发明的热式质量流量计中,在温度传感器芯片的下面侧、即在直 至在内部形成的元件的热电阻最小的位置上粘结固定配管,因此,能检测 出更接近于配管表面温度的温度,配管表面的热损失减少,流量测定的灵 敏度提高。
并且,若加热器芯片也将下面侧、即直至在内部形成的元件的热电阻 最小的位置粘结固定到配管上,则能降低从加热器芯片内部的发热元件到 配管内的流体的热损失,使配置有加热器芯片的部分的配管温度成为更接 近于设定温度的温度。
如果测定部具有独立于温度传感器芯片对来测定测定部的周围温度 用的测温元件,计算部具有修正部,所述修正部基于由该测温元件测定的 周围温度对温度传感器芯片对的温度差进行修正,根据修正后的温度传感 器芯片对的温度差求出在配管中流动的流体的流量,则周围温度即使发生 变化也能进行稳定的流量测定。
附图说明
图1是表示一实施例的热式质量流量计的图,(A)是俯视图,(B) 是在(A)的X—X位置上的截面图,(C)是在(A)的Y—Y位置上的 截面图;
图2是表示利用了基板的热式质量流量计的测定部的一例的图,(A) 是俯视图,(B)是在(A)的X—X位置上的截面图,(C)是在(A) 的Y—Y位置上的截面图;
图3是表示其它的实施例的框图;
图4是用于说明修正由温度传感器芯片对产生的测出温度差的方法的 图,(A)是热式质量流量计的截面图,(B)和(C)是表示室温和配管 表面温度的关系的图表;
图5是用于说明现有的热式质量流量计的图,(A)是截面图,(B) 是表示配管表面的温度分布的图表。
7图中,2—配管;4一加热器芯片;6、 8—温度传感器芯片;7—二极 管部;4a、 6a、 8a—端子;9~~接合线(bonding wire) ; 10~热传导性粘 结剂;.ll一模制树脂;12—基板;14一凹部;16—配线图案;18—绝热性 粘结剂;20—测定部;22—测温元件;24—电路部;26—计算部;28—温 度差修正部;30—流量计算部。
具体实施方式
图1是表示本发明的热式质量流量计的一实施例的图,(A)是俯视 图,(B)是在(A)的X—X位置上的截面图,(C)是表示(A)的Y 一Y截面的详细图。在作为输送微量试料的配管的毛细管2的下侧以相接 的状态配置有作为发热元件的加热器芯片4。在这里,以图1 (B)的状态 为基础定义"下侧",但并不是特别限定在该状态下配置。也可是毛细管 2配置在垂直方向上的情况,此时,与元件4、 6、 8的毛细管2相反侧的 凸部一侧也称为下侧。作为加热器芯片4,可以采用例如芯片二极管 ISS387(株式会社东芝的产品)或芯片电阻RK73H1JT (CORE株式会社的 产品)。在加热器芯片4的上游侧和下游侧的离加热器芯片4相等的位置 上,以和配管2相接了的状态配置有构成一对温度传感器芯片对的温度传 感器芯片6和8。采用芯片型二极管作为温度传感器芯片6、 8。加热器芯 片4和温度传感器芯片6、 8构成该热式质量流量计的测定部。
加热器芯片4和温度传感器芯片6、 8通过热传导性粘结剂10粘结固 定。这些芯片4、 6、 8,在直到形成于覆盖外周的模制树脂的内部的内部 元件的热电阻变成最小的部分、在此为各芯片4、 6、 8的下面侧,与配管 2接触、粘结固定。
图1 (C)所示的温度传感器芯片6的构造是一例,该图中的温度传 感器芯片6成为如下的组件(package),即,形成有PN接合部的二极管 部7通过接合线9与端子6a电连接,二极管部7例如被由环氧树脂构成 的模制树脂11覆盖。端子6a从由模制树脂11构成的组件的下面侧(图 中为上侧)端部向外侧拉出。配管2在与由模制树脂11构成的组件的下 面接触了的状态下通过热传导性粘结剂IO粘结固定。另外,这里> 将温 度传感器芯片6的端子6a拉出的一侧的面作为下面,其相反侧的面作为上面。对于加热器芯片4和温度传感器芯片8也是同样。
在图1 (C)的温度传感器芯片6中,在从二极管部7到温度传感器 芯片6的上面侧(图中为下侧)表面之间只存在由环氧树脂构成的模制树脂 11,在从二极管部7到温度传感器芯片6的下面侧(图中为上侧)表面之间 存在构成端子6a的金属和模制树脂11。 一般的,金属的热传导率为数十 (W/m*K)〜数百(W/m*K)左右,环氧树脂的热传导率为零点几 (W/m*K)〜几(W/m.K)左右。即,与环氧树脂相比,金属是数十 倍〜数千倍的容易导热。
热电阻RT能由下式(1)表示。
<formula>formula see original document page 9</formula> (1)
L为距离,A为面积,入为热传导率。
从二极管部7到温度传感器芯片6的上面侧表面的距离和到下面侧表 面的距离相同,若上表面和下表面的面积也相同,则来自二极管部7的热 电阻RT的直到温度传感器芯片6的下面侧表面的部分,只降低了夹有构 成端子6a的金属的量。
因此,在具有像这样的构造的温度传感器芯片6中,在下面侧粘结固 定配管2的情况比在上面侧粘结固定配管2的情况,从配管2到二极管部 7的热损失更小,因此,二极管部7能检测出与配管2的表面温度更接近 的温度。另外,这里,只对温度传感器芯片6进行了说明,但对于加热器 芯片4和温度传感器芯片8也同样。
对于加热器芯片4,通过使从在内部形成的内部发热元件到与配管2 接触的部分的热电阻变得最小,从内部发热元件到配管2的热损失变小, 内部发热元件的热容易传导到配管2上,因此将加热器控制在一定温度的 情况下能提高配管2表面的温度控制的精度。
虽然省略了图示,但温度传感器芯片6和8分别与计算部连接,计算 部将温度传感器芯片6和8的测定温度作为信号进行读取,通过其温度差 基于预先求出并保存的测量线算出在毛细管2内流动的移动相的流量。即, 在计算部中作为测量线存储有预先测定的温度传感器芯片6和8的测出温 度差和流体的流量的相关关系,由温度传感器芯片6和8的测出温度差自 动地计算出在毛细管2内流动的流体的流量。计算部通过CPU或个人电脑实现。
图1所示的热式质量流量计的测定部优选利用基板粘结固定在毛细管
2上。图2是表示利用了基板的热^量流量计的测定部的一例的图,(A) 是俯视图,(B)是在(A)的X—X位置上的截面图,(C)是在(A) 的Y—Y位置上的截面图。
在该实施例中采用的基板12为从中央向外侧形成有配线图案16的配 线基板,在中央部形成有凹部"。在凹部14中,将加热器芯片4和温度 传感器芯片6、 8在以它们与毛细管2的接触面朝上的状态下插入。4a是 加热器芯片4的输入输出端子,6a是温度传感器芯片6的输入输出端子, 8a是温度传感器芯片8的输入输出端子。输入输出端子4a、 6a、 8a与凹 部14的边缘接触,例如通过软钎焊固定在从凹部14的边缘向外侧被拉出 的配线图案16上,进行电连接。毛细管2例如通过绝热性粘结剂18在四 点上与基板12粘结固定。作为绝热性粘结剂18,例如可举出RTV硅酮橡 胶(Dow Coming Toray Silicone株式会社的产品,SE9175)。该情况下的 RTV硅酮橡胶粘结剂优选为低分子硅氧垸降低品。
如此通过利用基板12,毛细管2和加热器芯片4及温度传感器芯片6、 8的粘结固定变得容易,另外,可由基板12保护加热器芯片4和温度传感 器芯片6、 8。而且,通过利用配线基板作为基板12,能利用配线基板12 的配线图案16,将加热器芯片4及温度传感器芯片6、 8的输入输出端子 向外部机器拉出,因此配线的绕回被简略化。
另外,通过由绝热性粘结剂18粘结固定配管2和基板12,应力不会 集中在配管2和加热器芯片4及温度传感器芯片6、 8的粘结固定部分, 因此能防止加热器芯片4及温度传感器芯片6、 8从配管2脱落。
图3是表示热式质量流量计的其他的实施例的框图。
24是用于驱动加热器芯片4的电路部。加热器芯片4的加热温度通过 电路部24驱动,以将室温维持在零上数度〜数十度。
测定部20除了具有加热器芯片4或温度传感器芯片对6、 8外,还具 有测定周围温度(室温)的测温元件22。作为测定部20的构造,与图2 所示的构造是相同的构造,测温元件22被设置在例如基板12上。
计算部26除了具有根据温度传感器芯片对6、 8的测定温度差算出流量的流量算出部30外,还具有基于由测温元件22测定的室温来修正温度 传感器芯片对6、 8的测定温度差的温度差修正部28。
利用图4对温度差修正部28的修正方法进行说明。
在安装在加热器芯片4的上游侧和下游侧的温度传感器芯片6、 8的 热容量没有差值的情况下,在配管2内的流体处于静止的状态下,理论上, 通过两温度传感器芯片6、 8检测出的温度应该没有差。但是实际上,由 于制造的机械误差等,有时在加热器芯片4的上游侧和下游侧热容量有差 值,有时安装温度传感器芯片6和温度传感器芯片8的位置的配管2表面 温度产生差。若加热器芯片4的上游侧和下游侧热容量有差值,则如图4 (B)所示,例如若比较室温为A (°C) 、 B (。C) 、 C ('C)的情况(关 系为C>B>A),则由于温度传感器芯片6和温度传感器芯片8的测定位 置的热容量的不同,导致通过两温度传感器芯片6、 8测出的测出温度的 差ATa、厶Tb、 ATc不同,若基于此进行流量测定,则由于室温的变化就 导致流量变动。
因此,基于利用测温元件22测定的室温,对由于室温产生的温度传 感器芯片6和8的测出温度差的变动进行修正。
温度传感器芯片6及温度传感器芯片8的测出温度和室温的关系,以 图4 (C)的图表表示。
首先,事先测定温度传感器芯片6、 8的测出温度差和室温的相关关系。
作为一例,对于由下式(2)的二次函数来近似室温为X rc)时的 温度传感器芯片6、 8测出的测出温度差AT (X)的情况进行说明。 AT (X) =aX2 + bX + c (2) 其中,a、 b、 c为每个流量计所求的个别参数。
通过将由测温元件22获得的室温带入到上述(2)式的X来算出AT, 求出由该室温产生的温度传感器芯片6、 8的测出温度差AT。
可以将从测定时获得的温度传感器芯片6、 8的测出温度差△ t减去△ T后的值(At—AT),视为由在配管2内流动的流体产生的温度传感器 芯片6、 8的测出温度差。
艮口,图3所示的温度差修正部28,基于由测温元件22测定的室温算出AT,将从温度传感器芯片6、 8的测出温度差At减去AT后的值作为 修正后的温度差向流量计算部30输出。流量计算部30根据来自温度差修 正部28的修正后的温度差(At—AT)算出流量。
如此,事先测定在配管2内没有流体流动的状态下的温度传感器芯片 6、 8的测出温度差和室温的相关关系,在测定时测定室温,算出由室温产 生的温度传感器芯片6、8的测出温度差,采用从实际的温度传感器芯片6、 8的测出温度差减去由室温产生的温度传感器芯片6、8的测出温度差后的 值作为流量算出用的测出温度差,由此,能减小因加热器芯片4的上游侧 和下游侧的热容量的差等引起的流量测定的误差。

Claims (5)

1. 一种热式质量流量计,其具有测定部和计算部,所述测定部由如下部分构成,即:加热器芯片,其配置在内部有流体流动的配管的周面上,用于加热配管内的流体;和温度传感器芯片对,其在所述配管的周面上,相对于配管在与所述加热器芯片同侧,沿着配管内的流体的流动方向配置在所述加热器芯片的上游侧和下游侧的等距离的位置上,所述温度传感器芯片对由结构与所述加热器芯片不同的芯片类型的温度传感器芯片构成,所述计算部根据所述温度传感器芯片对的各个温度传感器芯片的温度差求出在该配管中流动的流体的流量,所述热式质量流量计的特征在于,所述温度传感器芯片,其表面被模制树脂覆盖,具有从所述模制树脂的下面侧向侧方延伸的输入输出端子,在所述温度传感器芯片的下面侧粘结固定有所述配管。
2. 如权利要求1所述的热式质量流量计,其中,所述加热器芯片,其表面被模制树脂覆盖,具有从所述模制树脂的下 面侧向侧方延伸的输入输出端子,在所述加热器芯片的下面侧粘结固定有 所述配管。
3. 如权利要求1或2所述的热式质量流量计,其中, 所述测定部,具有独立于所述温度传感器芯片对来测定所述测定部的周围温度用的测温元件,所述计算部具有修正部,所述修正部基于由所述测温元件测定的周围 温度对所述温度传感器芯片对的温度差进行修正,根据在所述修正部获得 的修正后的所述温度传感器芯片对的温度差求出在所述配管中流动的流 体的流量。
4. 如权利要求1或2所述的热式质量流量计,其中, 所述测定部具有基板,所述基板形成有用于嵌入所述加热器芯片及温度传感器芯片的槽,所述加热器芯片及温度传感器芯片从上面侧嵌入所述基板的所述槽, 所述配管在与所述加热器芯片及温度传感器芯片的下面接触了的状态下, 通过热传导性粘结剂粘结固定在所述加热器芯片及温度传感器芯片的下 面,并且所述配管通过粘结剂粘结固定在所述基板上。
5.如权利要求3所述的热式质量流量计,其中,所述测定部具有基板,所述基板形成有用于嵌入所述加热器芯片及温 度传感器芯片的槽,所述加热器芯片及温度传感器芯片从上面侧嵌入所述基板的所述槽, 所述配管在与所述加热器芯片及温度传感器芯片的下面接触了的状态下, 通过热传导性粘结剂粘结固定在所述加热器芯片及温度传感器芯片的下 面,并且所述配管通过粘结剂粘结固定在所述基板上。
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