CN1231745C

CN1231745C - 流量传感器

Info

Publication number: CN1231745C
Application number: CN01819360.9A
Authority: CN
Inventors: 上运天昭司; 石仓义之; 池信一; 衣笠静一郎; 田中秀一
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP2002122454A; US7117736B2; WO2002033362A1; CN1476530A; EP1333255A1; JP3825242B2; EP1333255A4; EP1333255B1; US20040045352A1

Abstract

流量传感器(1)包括：基板(4)，它有侧向面对测量目标流体(2)所用通道(3)的前表面(4a)，以及通道形成部件(5)和平板(6)，它们在基板(4)两侧相对设置。用厚度约为50μm到150μm的不锈钢将基板(4)制成薄板状。在基板(4)的表面(4b)上形成电绝缘膜，所述基板与通道(3)侧向相对。所述电绝缘膜上形成测量流体(2)的流速(流率)用的温度检测传感器(7)、环境温度传感器(8)、电极垫片(9)和配线用的金属薄膜(10)。

Description

流量传感器

技术领域

本发明涉及流量传感器，用于测量通道中流动之流体的流速(flowvelocity)或流率(flow rate)，具体地说，涉及一种热流传感器。

背景技术

公知有两类流量传感器，作为测量流体流率或流速的热流传感器。第一类是通过发热体(加热器)发出的热流测定流体的空间温度分布，并由温度传感器(间热型)检测不均匀性。第二类是在因流体使发热体的热量丧失(deprived)时，检测所发生的功率或电阻方面的变化，从而检测流速或流率(自热型)。

按照惯例，这类流速传感器主要用于无腐蚀气体，近来又开发出可用于液体或腐蚀气体的流速传感器。例如，公知的有日本专利未审公开特开平4-295724(现有技术1)公开的流率传感器。还有日本专利未审公开特开平8-146026(现有技术2)公开的热敏电阻流速传感器和液体流率传感器也被公知。

按照现有技术1所述的流率传感器，在硅基板的第一表面上形成第一、第二和第三区域。第一区上形成发热体，而在第二区上形成温度计构成部分。第一和第二区是绝缘的，由通过氧化所述第三区所得的多孔硅区彼此分隔开。与第一表面相对一侧上的第二表面用作接受流体流的表面。将一硅的帽盖固定在第一表面上，以增强硅基板的刚性，并保护随时发热体及温度计构成部分。

按照现有技术2所述的流速/流率传感器，在由氧化铝、SiO₂等制成之板状基板的一个表面上形成发热体和它的电极。该发热体覆盖着绝缘体。该绝缘体上形成热敏电阻，用以测量发热体及其电极的温度。用黏合剂将基板的另一表面固定于封盖(容器)的内表面上。于是，就使这个传感器完全与流体隔绝。所述封盖由比如不锈钢之类(SUS316L)的金属制成，具有对所要测量之流体的良好导热性和很好的抗腐蚀性。因此，能使可靠性较之上述现有技术1愈为提高，而不会引起诸如磨损和腐蚀等任何问题。

不过，按照现有技术1中所述的流率传感器，所述硅基板直接暴露于流体。因此，不能将这种流率传感器用于半导体制造设备等当中所用的腐蚀性气体或液体。

按照现有技术2的流速/流率传感器，通过黏合剂将这种传感器固定在封盖的内表面上。因而，会使流体与传感器之间的导热效率下降，并使传感器的热容量增大，从而使灵敏度和响应速度下降。另外，各种特性随黏合剂的用量而变化。

本发明用于解决上述这些惯有的问题，其目的在于提供一种流量传感器，能够应付几乎所有腐蚀性流体，其中可使响应特性和灵敏度得到提高。

发明内容

本发明的流量传感器包括：薄板状的基板，它形成部分流体通道；以及形成于所述基板表面上的温度检测装置，它与所述通道相对并带有发热体。按照这种结构，所述带发热体的温度检测装置形成于基板的表面上，与所述通道相对。因此，流体就不能与温度检测装置直接接触，从而能够根据基板的材料使这种传感器用于测量腐蚀性气体或液体。由于不使温度检测装置暴露于流体，就很少有灰尘沉积在它上面，很少会随着时间的流逝而使其品质变差，从而保持稳定的性能。由于基板是薄板状的，所以就会使流体与稳定检测装置之间的导热性很好。

附图说明

图1A、1B和1C分别表示本发明一种实施例流量传感器的主视图、剖面图和后视图；

图2是传感器部分的主视图；

图3是表示另一种举例传感器部分的主视图；

图4是表示又一种举例传感器部分的主视图；

图5是表示再一种举例传感器部分的主视图；

图6是表示再一种举例传感器部分的主视图；

图7是表示再一种举例传感器部分的主视图；

图8A、8B和8C分别表示本发明另一实施例流量传感器的主视图、剖面图和后视图；

图9是表示在上游或下游温度传感器中每一个的距离变化时，该二愠度传感器和发热体间距离与该二温度传感器间温度差之间的关系曲线；

图10是表示从加热器(Rh)到该二温度传感器(Ru，Rd)距离的曲线；

图11是表示恒定温差电路的电路图；

图12是表示另一个恒定温差电路的电路图；

图13是表示又一个恒定温差电路的电路图；

图14是表示传感器输出电路的电路图；

图15是表示另一个传感器输出电路的电路图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明。

图1A、1B和1C分别表示本发明一种实施例流量传感器的主视图、剖面图和后视图，而图2是传感器部分的主视图。参照图1A-1C以及图2，流量传感器1的构成为：基板4具有前表面4a，它侧向面对用来测量目标流体(以下简称流体)2的通道3；以及通道形成部件5和平板6，二者被相对地置于基板4的两侧。基板4和通道形成部件5形成部分通道3。通道形成部件5和平板6经焊接或铜焊，或者采用螺栓而互相结合。

基板4形成一个纵长的长方形薄板，它的周缘部分与通道形成部件5的背面结合。作为基板4的材料，最好是导热率低、热阻高、耐腐蚀性强并且刚性强。本实施例中的基板4由薄的不锈钢制成，其厚度约为50μm到150μm，并且它的中心部分与平板6分开，与它热绝缘，从而形成具有膜片结构的传感器部分4A。在由不锈钢制成基板4的情况下，如果它的厚度为50μm或者更小，则强度会降低，这不是优选的；如果它的厚度为150μm或者更大，则沿基板厚度方向，即在流体与温度检测装置之间的导热效率下降，而且沿与基板表面平行方向的散热量(热损失)会增大，这也不是优选的。

在传感器4A的后表面4b(与通道3侧向相对)上形成一个电绝缘膜(未示出)。采用公知的薄膜形成工艺，在所述绝缘膜上形成用来测量流体2之流速(流率)的温度检测传感器(温度检测装置)7、环境温度传感器8、电极垫圈9和用来配线的金属薄膜10。比如，将诸如铂之类的材料沉积在所述电绝缘膜的表面上，再蚀刻成预定的图样，于是，形成上述各个组件。温度检测传感器7和环境温度传感器8通过用来配线的金属薄膜10与电极垫圈9相连。

温度检测传感器7形成于传感器部分4A后表面的中心部分处。环境温度传感器8用来补偿周围环境温度，也即流体温度的变化，它形成于传感器部分4A后表面上的紧靠周缘部分。作为电绝缘膜，可以采用比如厚度约为几千埃()的氧化硅(SiO₂)薄膜或者氮化硅膜。通过溅射或者CAD，或者通过使用混有氧化硅的溶剂，将它加热到预定的温度，从而使氧化硅熔融并固化，形成氧化硅薄膜。通过溅射或者CAD形成氮化硅膜。可将环境温度传感器8形成于基板4的除了传感器部分4A的那些部分上，或者形成在基板4以外的部分上。也可将各电极垫圈9形成于基板4的除了传感器部分4A的那些部分上，而且各个电极就可以源自它们。

用于测量流速(流率)的温度检测传感器7一般具有以下三种不同的布置：

I)一个发热体也用作温度传感器；

II)两个发热体也用作温度传感器；以及

III)一个发热体用作温度传感器和一个温度传感器。

图2表示的举例中，由一个发热体11形成自热式温度检测传感器7。在上游一侧形成一个环境温度传感器8，它紧靠传感器部分4A后表面上的周缘部分。

图3表示的举例中，由两个发热体11A和11B形成自热式温度检测传感器7。两个发热体l1A和11B被安排在传感器部分4A后表面的中心，沿着流体2流动的方向互相紧靠着。还形成两个环境温度传感器8A和8B。环境温度传感器8A和8B形成在紧靠传感器部分4A的周缘部分，使得它们沿与流体2流动的方向垂直的方向彼此相对。

图4表示的举例中，由一个发热体11和两个温度传感器12A和12B形成间热式温度检测传感器7。在传感器部分4A后表面的中心处形成发热体11。把两个温度传感器12A和12B沿流体2流动的方向安排在所述发热体11上游和下游。一个环境温度传感器8沿流体2流动方向的上游形成于传感器部分4A后表面的周缘部分。发热体11的图样宽度最好为10μm到50μm，温度传感器12A和12B以及环境温度传感器8的图样宽度最好约为5μm到10μm。

图5表示的举例中，由两个发热体11A和11B形成自热式温度检测传感器7。把两个发热体11A和11B安排在传感器部分4A后表面的中心处，沿流体2流动的方向互相紧靠着。沿流体2流动方向的上游形成一个环境温度传感器8。

图6表示的举例中，将两个发热体11A和11B安排在传感器部分4A后表面的中心处，使它们沿流体2流动的方向互相紧靠着，从而形成自热式温度检测传感器7。两个环境温度传感器8A和8B形成在沿流体2流动方向的上游和下游，紧靠着传感器部分4A后表面的周缘部分。

图7表示的举例中，同样也将两个发热体11A和11B安排在传感器部分4A后表面的中心处，使它们沿流体2流动的方向互相紧靠着，从而形成自热式温度检测传感器7。一个环境温度传感器8A和8B沿与流体2流动方向垂直的方向形成在紧靠传感器部分4A后表面的周缘部分。

参照图1，用窄长金属板形成通道形成部件5，并在它的后表面有凹槽14，略小于基板4，深度约为0.5mm到几个毫米。凹槽14与基板4的前表面4a之间所限定的空间形成流体2的一部分通道3。由通道3连通的流体供给部分15和流体排放部分16在通道形成部件5内延伸，使它沿长度方向的两端互相靠近。

用窄长的金属板形成平板6，并与基板4的后表面4b紧密接触，而且二者还在这里结合。通孔17的尺寸实际上与基板4的传感器部分4A尺寸相同，它形成在平板6的中心。电极18被置于通孔17中，用于使温度检测传感器7和环境温度传感器8与外部电连接。通过用密封玻璃21把多个金属销20固定于金属框19上形成电极18。利用铜焊把各金属销20的内端结合到传感器4A部分的各个电极垫片9上。

在加装电极18时，最好使通孔17被抽真空，或者将导热率低的干燥惰性气体封入基板4与电极18之间的不漏气空间内。电极18可以开放在大气中，尽量不使它受到周围风的不利影响。另外，通过利用金线的导线结合，可使传感器的电极垫片与外部电路板互相连接，而不用电极18。

作为通道形成部件5的材料，最好具有较高的导热率、较高的热阻，耐腐蚀性强并且刚性好，因为它用作结构材料和热接收器。为将流量传感器1用于腐蚀性流体，流量传感器1与流体2接触的部分最好完全由耐腐蚀材料制成。使每个部件的结合最好不使用任何不同类型的结合材料。为此，本实施例中用不锈钢(特别是SUS316L)制成所述通道形成部件5，这是与基板4相同的材料。采用这种方式，在用不锈钢制成基板4和通道形成部件5时，可以采用YAG激光器焊接等使每个部件结合，而不用任何不同的金属。

不锈钢具有上乘的可加工性，因此适于作为传感器的材料。通道形成部件5的材料并不限于不锈钢，如果因为要能减少向表面散热而将通道形成部件5相应地做得较薄，则可被采用其它材料，如具有高导热率的兰宝石或陶瓷材料。在300K下，不锈钢、兰宝石以及陶瓷材料的导热率虽然与它们的成分有关，但分别约为16、46和36[W/mK]。

作为平板6的材料，最好具有较高的导热率、较高的热阻，并且刚性好，因为它用作结构材料，并且最好也作为热接收器。由于平板6不与要测量的流体接触，所以不太要求耐腐蚀性。

在图2所示的流量传感器1中，采用一个发热体11。当采用如图11所示的恒定温差电路时，可将流速转换成电压信号。

如图11所示，恒定温差电路具有由电阻R1和R2的串联电路、发热体11(电阻发热器)、电阻R3以及环境温度传感器8形成的桥式电路，运算放大器OP1用于接收作为倒相输入端之电阻R1与发热体11接点的电压和作为同相输入端之电阻R2和R3接点的电压。运算放大器OP1输出端与形成桥式电路之电阻R1和R2中每一个的一端相连。电阻R1、R2和R3的阻值被设定成使电阻R1、R2和R3的温度恒高于环境温度传感器8预定的温度。

在这种电路结构中，当流体2沿箭号所指的方向流动时，流体2夺取发热体11的热量，使它的电阻降低，从而使桥式电路失去平衡。于是，使与运算放大器OP1的倒相输入端和同相输入端之间的电压差对应的电压从运算放大器OP1被加给式桥电路，从而使发热体11的发热量增多，以补偿被流体2所夺去的热量。因此，发热体11的电阻增大，桥式电路恢复平衡状态。于是，与流速相应的电压被加给处于平衡状态的桥式电路。在加给桥式电路电压的同时，图11的恒定温差电路输出发热体11两端的电压，作为电压输出。

按照这种方式，恒定温差电路控制电流或电压，使发热体11的温度高于环境温度传感器8所测得的环境温度以预定的温度。从而在恒定的电压下保持这个温度差。检测电压、电流或电功率的变化，就能测量流体2的流速或流率。

图3和图6组合了两个图2所示的流量传感器。在这种安排下，由图13所示的电路检测上游发热体11A与下游发热体11B之间的电压差，使得能够测量流体2的流速、流率以及流动方向。在图13所示的电路中，采用两个图11所示的恒定温差电路，发热体11A两端电压和发热体11B两端电压之间的差被运算放大器OP3所放大，从而得到一个电压输出。从这个电压输出的值可以得到流速，从这个电压输出的极性可以得到所述的方向。虽然检测电压方面的差别，但也可代替检测电流或电功率方面的差别。

图5和图7中每一个所表示的流量传感器都采用两个发热体11A和11B，利用图12所示的恒定温差电路可以检测流体的流速和流动方向。图12所示的电路与图11所示的恒定温差电路相似，其中包括由电阻R1和R2、发热体(电阻发热器)11A和11B、电阻R3以及环境温度传感器8组成的桥式电路，运算放大器OP1用于保持桥式电路处于平衡状态。图12所示的电路具有运算放大器OP2A和OP2B，分别用于放大串联连接的两个发热体11A和11B两端的电压，还有运算放大器OP3，用于接收运算放大器OP2A和OP2B输出之间的差。运算放大器OP3的输出形成与流体2之流速对应的电压输出。

给图12所示恒定温差电路的桥式电路提供电功率，使两个发热体11A和11B形成一个发热体。在这种情况下，当被加热到高于周围环境温度之恒定温度的流体2沿着箭号所指流动时，位于上游侧的发热体11A被冷却，它的温度下降。由于上游侧的发热体11A通过流体2的流动作为媒体传导热量，使位于下游侧的发热体11B的温度增高。相应地，在两个发热体11A和11B之间产生温度差。按发热体11A和11B电阻变化的形式检测这个温度差。检测各发热体的电阻或两端电压的变化，形成传感器的输出，从而测量流体2的流速或流率。

在这种情况下，当用两个发热体11A和11B检测温度差时，可以比使用一个发热体情况下有更高的重复性和精确度。另外，可以从发热体11A和11B电阻的变化检测流体2的流动方向。

在图4所示的流量传感器中，采用一个发热体11和两个温度传感器12A和12B，将电功率提供给图11所示恒定温差电路的桥式电路，使发热体11被加热到高于周围环境温度的恒定温度。在这种情况下，当流体2沿箭号方向流动时，分别在发热体11的上游和下游的温度传感器12A和12B之间产生温度差。由图14或15所示的电路检测电压差或电阻差，从而测量流体2的流速或流率。

图14所示的电路利用包含两个温度传感器12A和12B的桥式电路给出电压输出。在图15所示的电路中，由运算放大器OP1和OP2分别放大串联连接的两个温度传感器12A和12B两端的电压，并由运算放大器OP3放大所述两个被放大的电压之间的差，从而形成一个电压输出。在这种情况下，因为采用两个温度传感器12A和12B，所以能够检测流体2的流动方向。这种安排具有更高的精确度和更好的重复性。

在流量传感器1中，温度检测传感器7形成于薄板状基板4上，它与流体2要与之接触的表面相对。因而，温度检测传感器7、环境温度传感器8、电极垫片9等都将不会与流体2接触而受到腐蚀或性质变差，或者灰尘等也不会与它们接触。于是，这种流量传感器1可用于测量半导体制造设备等所要使用的腐蚀性气体或液体，并可使传感器的可靠性及耐用性都得到提高。

由于基板4是由导热率低的不锈钢薄片制成的，所以沿与基板4表面平行方向的热传导就很小，而沿基板厚度方向，即在流体2与温度检测传感器7之间的热传导就是良好的，因而提高响应特性。不锈钢的热阻高、耐腐蚀性强、可加工性好，并且刚性强，因此适于作为传感器的材料。

图8A、8B和8C分别表示本发明另一实施例流量传感器的主视图、剖面图和后视图。与图1和2所示同样的结构部件用相同的参考标号表示，必要时，将省略对它们的描述。本实施例中，在构成流体2的通道3的通道形成部件30内形成传感器安装孔31；流量传感器32被装在传感器安装孔31内。通道形成部件30由不锈钢制成。流量传感器32由包壳35和基板4形成。包壳35的前表面中心处有开口33，还有一个开口的后表面。在包壳35外表面的后端上整体地形成一个边缘34。基板4的周缘部分与包壳35的前表面结合，使基板4盖住开口33。基板4由不锈钢薄板制成。在基板4后表面的中心处，通过电绝缘膜形成温度检测传感器7、环境温度传感器8、电极垫片9以及图4中所示配线用的金属薄膜10。

基板4并不限于正方形，而可有其它形状，如圆形。温度检测传感器7和环境温度传感器8的布置也不限于图4所示的一种，而可为图2、3、5、6或7所示的那样。可以在除基板4以外的部分形成环境温度传感器8。

包壳35由不锈钢制成，并安装在通道形成部件30的传感器安装孔31内，并用YAG激光焊接等，使它的边缘34与通道形成部件30的后表面结合。使包壳35的前表面和基板4的表面与通道形成部件30的内壁面30a一样平齐，构成部分通道3。从包壳35后表面中的开口使电极18与包壳35结合在一起，并通过铜焊使各金属销20与电极垫片9连接在一起。可以通过使用金线的配线结合，使传感器的各电极垫片与电路板连接在一起。

在上述结构的流量传感器32中，传感器安装孔31形成于通道形成部件30内，并将流量传感器32安装在传感器安装孔31内，使基板4的表面与流体2接触。由于只需要将包壳35与通道形成部件30结合，所以很容易安装，而无需使用任何特别的部件、组件等。在使边缘34与通道形成部件30互相结合时，可以使用密封件，如O形圈，以螺栓固定它们。

采用图4所示传感器部分4A的结构，先通过把发热体11的温度设定得比周围空气中的环境温度高30℃，并通过改变上游或下游的温度传感器12A和12B与发热体11的距离进行模拟。图9是表示这个距离与两个温度传感器12A和12B间的温度差之间的关系。图10表示从加热器Rh(发热体)到该二温度传感器(Ru，Rd)的距离。有如图9所显示的，在这些条件下，所述温度差变成最大的位置是离发热体11的中心650μm处。

如上所述，按照本发明，包含发热体的温度检测装置形成于构成部分通道之薄板状基板的表面上，该检测装置与所述通道相对。这样，流体就不与温度检测装置、电极垫片、配线用的金属薄膜等直接接触。通过适当选择基板的材料，传感器能够应付液体或腐蚀性气体测量，并可因此而提供高可靠性和高耐用性。

作为基板的材料，可以使用不锈钢、蓝宝石、陶瓷材料等。这些材料中，不锈钢在耐腐蚀性、易加工性、导热率以及刚性等方面都是非常适宜的。如果耐腐蚀性必须特别高，则蓝宝石是适宜的。

基板的厚度最好尽可能小，以便改善流体与温度检测装置之间的热传导，降低基板内沿横断方向的热传导。必须通过考虑制造中的外部因素如易加工性、强度、处理等来确定这些条件。为此，在用不锈钢制造基板时，它的最佳厚度约为50μm到150μm。

按照本发明，由于可将部分通道形成为流量传感器，所以只须结合通道内的传感器就能测量流率。因此，可使薄板状基板得到稳定的结合，提高可靠性。由于可以根据测量范围等将基板做得很小而具有高精度，所以可以实现高精度或低流率传感器。

按照本发明，在要被安装在传感器安装孔内之包壳的前表面中形成开口，所述安装孔形成在通道形成部件中，该通道形成部件用于形成流体通道，所述包壳与所述通道相对，并与流体接触。该开口由薄板状的基板所覆盖，而且包含发热体的温度检测装置形成于基板的表面上，它与所述通道相对。因此，可以很容易地将这种传感器装入通道形成部件中，而无需任何特别的部件或组件。

Claims

1.一种流量传感器，其特征在于，包括：薄板状的基板，它形成部分流体通道；以及包含发热体的温度检测装置，所述发热体设在与该基板的通道的相对侧，并通过薄膜形成工艺形成；分别设在基板相对两侧的通道形成部件和平板；

所述平板的材质是导热率、热阻、刚性高的材料。

2.按照权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，由选自不锈钢、蓝宝石和陶瓷材料中任何一种的部件制成所述基板和通道形成部件。

3.按照权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，由厚度为50μm到150μm的不锈钢制成所述基板。

4.一种流量传感器，其特征在于，所述传感器包括：被装在安装孔内的杯状包壳，所述安装孔形成在流体通道上；面向所述包壳的通道内在与流体相接的前面形成的开口；该开口被薄板状基板覆盖；包含发热体的温度检测装置，所述发热体设在该基板的通道相对侧，并通过薄膜形成工艺形成。

5.按照权利要求4所述的流量传感器，其特征在于，由选自不锈钢、蓝宝石和陶瓷材料中任何一种的部件制成所述基板。

6.按照权利要求4所述的流量传感器，其特征在于，由厚度为50μm到150μm的不锈钢制成所述基板。