CN1846118A

CN1846118A - 流量传感器

Info

Publication number: CN1846118A
Application number: CNA2004800250849A
Authority: CN
Inventors: 池信一; 图师信彦
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: US7185539B2; WO2005024354A1; JP2005077343A; CN100410630C; JP4404297B2; US20060288773A1

Abstract

流量传感器。流量传感器(1)具有耐蚀性金属膜片、在金属膜片的一个面上形成的绝缘膜、以及在该绝缘膜上形成的流量测量用的传感器，且金属膜片的另一个面与被测流体接触，在形成传感器(25)的绝缘膜(122)和金属膜片之间隔着具有该绝缘膜(122)的线膨胀系数和耐蚀性金属的线膨胀系数中间的线膨胀系数的缓冲层(121)，由此提高流量传感器的灵敏度和响应性，并且提高耐热性，从而实现特别适合于测量腐蚀性流体的流量的流量传感器。

Description

流量传感器

技术领域

本发明涉及用于测量在流路中流动的流体的流速或流量的流量传感器，特别涉及热式流量传感器。

背景技术

作为测量流体的流量或流速的热式流量传感器，有两种类型。即，公知的有：通过流体的流动来使作为发热体的加热器的发热所致的流体的空间温度分布产生偏倚，并利用温度传感器检测该偏倚的类型(旁热型)；和检测由流体夺走发热体的热量而导致的功率变化或电阻变化，从而检测流速或流量的类型(自热型)。另外，在前者的现有类型的流量传感器中有在硅的表面上对传感器进行构图、被测流体直接流过该传感器图形的类型。然而，利用硅的传感器芯片虽然灵敏度和响应性良好，但具有容易受到腐蚀性气体腐蚀的缺点。因此，当被测流体是气体时，只流动不会对硅造成化学侵蚀的气体。

但是，除了这样只针对非腐蚀性气体而使用的流量传感器外，最近开始使用具有还能用于液体或腐蚀性气体的结构的旁热型流量传感器(例如，参照专利文献1：日本特开2002-122454号公报)。

如图4所示，这种流量传感器3的结构具有：表面侧朝向被测流体的流路201的基板310；隔着基板310相对配置的流路形成部件220和板230。另外，基板310是由不锈钢形成的，并且形成为板厚约为50～150μm的板状，在与流路侧相反侧的面上形成电绝缘膜，在其上形成有测量流体的流速(流量)用的温度检测单元、周围温度传感器、电极极板和配线用金属薄膜。这样，对于基板310采用板厚较薄的不锈钢板、并且把传感器形成面的相反侧作成流路，从而可以应对被测流体为腐蚀性气体的情况。

作为这种不锈钢板的电极绝缘膜，例如可由厚度约为几千埃至几μm的薄的氧化硅(SiO₂)膜、氮化硅膜、氧化铝、聚酰亚胺膜等形成。另外，氧化硅膜例如可以通过溅射、CVD(Chemical vapor deposition，化学气相沉积法)或SOG(Spin on Glass，旋涂玻璃)等来形成。另一方面，氮化硅膜可以通过溅射、CVD等来形成。

并且，在该电绝缘膜的表面上利用周知的薄膜成型技术来形成有包括多个电极极板和配线用金属薄膜的流速检测单元和周围温度检测单元。具体地说，例如通过在电绝缘膜的表面上蒸镀铂等材料、并蚀刻成预定的图形而形成流速检测单元和周围温度检测单元。另外，流速检测单元和周围温度检测单元通过配线用金属薄膜分别与电极极板电连接。而且，各个电极极板通过未图示的结合线与在传感器芯片的上方隔着垫片设置的印刷配线板的电极端子连接。

专利文献1 日本特开2002-122454号公报

当由不锈钢或哈司特镍合金(Hastelloy)、因康镍合金(Inconel)等的耐蚀性金属构成传感器芯片时，需要通过研磨来修平形成有绝缘膜(氧化膜)的表面。但是，这样的金属不是像半导体那样的单晶体。即，硅的表面按照单晶体严密地形成为一个平面，但由于不锈钢是金属，所以在研磨时无论如何都会在表面留下微小的伤痕，无论多么细致地进行基于研磨的表面加工，都会在表面产生一定程度的粗糙度。

并且，由于不锈钢表面的构成一定程度的粗糙度的极其细微的凹凸，为了确保膜片和传感器之间的绝缘，需要形成10μm或10μm以上的绝缘膜。

这样，当把以不锈钢的膜片为基础且在其表面上形成具有上述厚度的绝缘膜、在绝缘膜上形成应变仪的膜片用作为压力传感器用膜片时，这样的传感器膜片在传热特性上不出现特别的问题。因此，能够把这种金属膜片用于压力传感器的检测部中。但是，当把具有与此相同结构的氧化膜和传感器装置的膜片应用于流量传感器时，热传导率等热特性变差，所以在实际使用中不是很理想的。

具体地说，把这种压力传感器的膜片结构应用于热式流量传感器时，热传导率较低的绝缘膜对传感器的灵敏度和响应特性带来不良影响。作为一般的绝缘膜的SiO₂的热传导率为1.4[W/mk]，奥氏体不锈钢为16[W/mk]。由此，绝缘膜的厚度1μm相当于奥氏体不锈钢的厚度约为11μm，所以在绝缘膜变厚时，会极度妨碍隔着膜片的厚度部和绝缘膜的厚度部进行的传感器装置和被测流体之间的热传导所产生的热量交换。

另一方面，马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和用作绝缘膜的氧化硅的线膨胀系数如下。

(1)马氏体不锈钢的线膨胀系数(SUS400标号)…10×10^-6/℃左右

(2)奥氏体不锈钢的线膨胀系数(SUS300标号)…16×10^-6/℃左右

(3)氧化硅的线膨胀系数…0.8×10^-6/℃左右

根据这样的马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的线膨胀系数差异可知，当在不锈钢的表面形成单一的绝缘膜时，为了缓和因温度的上升和下降形成的热应力，可应用于膜片的不锈钢限定为马氏体不锈钢，限定了材料选择上的自由度。即，本来优选在耐蚀性更高的奥氏体不锈钢表面上形成氧化硅等的绝缘膜，但根据这样的结构，由于上述的两者的线膨胀系数差异，出现因热应力而在绝缘膜上形成裂纹等的弊端。因此，目前奥氏体不锈钢无法用于流量传感器的金属膜片。

如上所述，关于在由不锈钢等耐蚀性金属作成的膜片的一个面上隔着绝缘膜形成传感器图形、使另一个面与被测流体接触的结构的流量传感器，当绝缘膜只有一层时，需要承受100V或100V以上的耐电压的绝缘膜厚度，相对于此，在流量传感器的特性方面为了提高热传导而需要满足必须使绝缘膜的厚度尽可能薄的相互矛盾的要求。并且，在只形成一层满足双方要求的厚度的绝缘膜的结构中，存在的问题是：无法缓和与不锈钢基板之间的热膨胀系数差异，绝缘膜在高温环境下产生裂纹而使绝缘膜上的传感器图形断线。

即，当由不锈钢等耐蚀性金属材料作成膜片时，此时必不可少的约10μm的绝缘膜成为制作灵敏度和响应性良好的热式流量传感器的障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供提高灵敏度和响应性、而且特别适合于测量腐蚀性流体的流量的流量传感器。

为了解决上述课题，本发明的流量传感器具有耐蚀性金属膜片、在金属膜片的一个面(一侧面)上形成的绝缘膜、和在该绝缘膜上形成的流量测量用传感器，金属膜片的另一个面(另一侧面)与被测流体接触，其中，在形成传感器的绝缘膜和金属膜片之间夹着缓冲部件，该缓冲部件具有该绝缘膜的线膨胀系数和耐蚀性金属的线膨胀系数中间的线膨胀系数。

可通过在绝缘膜和金属膜片之间夹着具有这种线膨胀系数的缓冲部件，缓和形成有传感器图形的绝缘膜和不锈钢基板之间的热膨胀系数差异。由此，即使在高温环境下，绝缘膜也不会产生裂纹，仍能长期获得稳定的传感器检测输出特性。

优选为，在上述流量传感器中，绝缘膜由液体源构成。

根据该优选方式，绝缘膜由液体源构成，尽管金属膜片的表面上必然存在一定程度的粗糙度，但仍能修平绝缘膜表面，能以最佳状态在绝缘膜上形成传感器图形。其结果是，稳定了传感器图形的输出特性。

并且，优选为，所述金属膜片由奥氏体不锈钢作成。

通过把耐蚀性较高的奥氏体不锈钢用作为金属膜片的材质，可以提高现有结构中比较困难的、与流量传感器的金属膜片相关的材料选择的自由度。

并且，优选为，所述金属膜片由哈司特镍合金、因康镍合金、镍中的任意一种作成。

哈司特镍合金的线膨胀系数为14～16[×10^-6/℃]，热传导率为10.4[Wm/k]，因康镍合金的线膨胀系数为13～16[×10^-6/℃]，热传导率为10.6[Wm/k]，镍的线膨胀系数为13.3[×10^-6/℃]，热传导率为70.4[Wm/k]。金属膜片由具有这样的线膨胀系数的材质作成，由此发挥与上述相同的效果，所以能够提高与流量传感器的金属膜片相关的材料选择的自由度。

并且，优选为，所述缓冲部件由氮化硅或氧化铝作成。

氮化硅的线膨胀系数为3～4[×10^-6/℃]，氧化铝的线膨胀系数为5～9[×10^-6/℃]。缓冲部件由具有这样的线膨胀系数的材质作成，由此发挥与上述相同的效果，所以能够提高与流量传感器的缓冲部件相关的材料选择的自由度。

并且，优选为，所述缓冲部件利用由具有所述绝缘膜的线膨胀系数和耐蚀性金属的线膨胀系数中间的线膨胀系数的、至少两种或两种以上的材质构成的多个层来形成。

通过这样形成缓冲部件，可以分阶段地改变缓冲部件的线膨胀系数，能够更进一步发挥上述的作用。

附图说明

图1是表示本发明的一种实施方式的流量传感器的结构的剖面图。

图2是图1所示的流量传感器的传感器芯片的部分剖面图。

图3是表示本发明的一种实施方式的流量传感器的传感器装置的电路图。

图4是表示现有的流量传感器的结构以及将其应用于本发明中的流量传感器的结构的剖面图。

具体实施方式

下面，对本发明的一种实施方式的流量传感器进行说明。

如图1和图2所示，本发明的一种实施方式的流量传感器1具有：金属制的传感器芯片110，其在里面具有形成流路用的凹部112，并在表面隔着缓冲层(缓冲部件)121和绝缘膜122(仅在图2中示出)形成有流量测量用的传感器装置125；和金属制的流路形成部件130，其与传感器芯片110的里面成为一体而形成流路。

并且，这种流量传感器1的特征是，把结构与以往不同的传感器芯片110焊接在流路形成部件上。

具体地说，传感器芯片110由(特别是SUS316L等的)不锈钢构成、形成为薄且细长的矩形板状，在其一个面(在图1中为上面)整体上如图2所示那样以层叠状态依次形成缓冲层121和绝缘膜122。

并且，在传感器芯片110的里面侧中央部形成有椭圆形的凹部112。并且，通过该凹部112在传感器芯片110上形成有薄壁部113。由此，被测流体接触到传感器芯片110的另一个面。另外，薄壁部113形成有壁厚约为50μm至150μm的膜片结构的传感器部。并且，薄壁部的垂直于流动方向的方向上的长度(宽度)从确保强度方面考虑而优选为约1mm至3mm。并且，传感器芯片110的厚壁部111在本实施方式中，板厚约为0.6mm。

传感器芯片110的凹部112及其周围的厚壁部111通过光刻技术和蚀刻技术、端面铣及其复合技术来形成。当采用光刻技术和蚀刻技术时，首先，通过旋涂等对不锈钢制薄片的里面整体涂布抗蚀剂，或者粘贴干膜抗蚀剂，照射紫外线(或电子线)，把掩模图形转印到抗蚀剂上进行曝光。然后，利用显影液对曝光后的抗蚀剂进行显影，去除抗蚀剂的多余部分。根据是保留还是去除曝光的部分，选择负性抗蚀剂或正性抗蚀剂。去除了抗蚀剂的部分露出薄片，通过湿式蚀刻或干式蚀刻来去除该露出的部分直到厚度达到约为50μm～150μm为止。并且，在剥离并去除剩余的抗蚀剂而进行清洗时，形成薄壁部113和凹部112。在湿式蚀刻的情况下，浸渍于蚀刻液中或进行喷射而一点一点地溶解。在干式蚀刻的情况下，通过溅射、等离子等向薄片的里面照射离子或电子，从而可通过一点一点地切削而形成。

传感器芯片110的薄壁部113的不与被测流体接触的相反侧面如上述那样被镜面研磨，如图2所示那样，隔着缓冲层121而在整个面上形成绝缘膜122。并且，在其上构图出铂的传感器装置125。

更详细地说明这一点，在不锈钢基板的薄壁部上，形成在本实施方式中还具有作为绝缘膜的功能的缓冲层121，在其上形成有以液体源为原料的氧化硅等的绝缘膜122。即，具有下述的两层绝缘膜层结构：在具有绝缘性的缓冲层121上再形成绝缘膜122，而且在其上形成1个或1个以上的测温电阻用铂图形。

作为绝缘膜122，例如由厚度约为几千埃至几μm的薄的氧化硅(SiO₂)膜、氮化硅膜、氧化铝、聚酰亚胺等材质构成。作为绝缘膜的氧化硅膜例如可通过溅射、CVD或SOG等来形成。并且，当绝缘膜是氮化硅膜时，也可以通过溅射、CVD等来形成。并且，作为例如聚硅氮烷(polysilazane)等由液体源构成的绝缘膜，也可以利用旋涂或喷射法等来形成绝缘膜。可通过形成这样的由液体源构成的绝缘膜，廉价地形成对于伴随着不锈钢表面的表面研磨而不可避免的细微凹凸具有良好被覆性的致密的膜。

并且，缓冲层121由线膨胀系数在不锈钢和绝缘膜122之间的氮化硅(线膨胀系数为3～4[×10^-6/℃])、氧化铝(线膨胀系数为5～9[×10^-6/℃])等材质构成。缓冲层通过CVD或溅射等形成，但是，该缓冲层也可以由多层形成。

即，绝缘膜122和缓冲层121从上述材料中适当选择，使得按照由不锈钢构成的薄壁部113的线膨胀系数、缓冲层121的线膨胀系数、绝缘膜122的线膨胀系数的顺序变小。这样，本发明的本质在于，使缓冲层的线膨胀系数为形成流量测量用的传感器装置的绝缘膜的线膨胀系数和由耐蚀性金属构成的薄壁部的线膨胀系数中间的线膨胀系数。

另一方面，通过周知的薄膜成型技术在该绝缘膜122的表面上形成由包括多个电极极板和配线用金属薄膜的流速检测单元和周围温度检测单元构成的传感器装置125。传感器装置125例如通过在电绝缘膜的表面上蒸镀铂等的材料、并蚀刻成预定的图形而形成。并且，构成传感器装置125的流速检测单元和周围温度检测单元通过配线用金属薄膜分别与电极极板电连接。而且，如图1所示，各个电极极板通过未图示的结合线与在传感器芯片110的上方隔着垫片140设置的印刷配线板150的电极端子连接。

如图3所示，构成传感器装置125的流速检测单元和周围温度检测单元在使用一个发热体HT的传感器装置125中，可使用恒温差电路来把流速转换为电压信号。该恒温差电路如该图所示，具有：由电阻R1、R2、发热体(电阻加热器)HT、电阻R3以及周围温度传感器TS构成的桥接电路；和将电阻R1与发热体HT的中点电压作为反转输入、并将电阻R2与电阻R3的中点电压作为非反转输入的运算放大器OP1，该运算放大器OP1的输出同时与构成桥接电路的电阻R1、R2的一端连接。这里，电阻R1、R2、R3的电阻值设定为发热体HT总比周围温度传感器TS高出一定温度。

在该状态下使流体向预定方向流过时，发热体HT的热量被流体夺走而发热体HT的电阻值降低，桥接电路的平衡状态被打破，但由于运算放大器OP1在桥接电路上施加与其反转输入/非反转输入之间产生的电压相对应的电压，所以发热体HT的发热量增加，以补偿被流体夺走的热量。其结果是，发热体HT的电阻值上升，桥接电路恢复平衡状态。因此，在处于平衡状态的桥接电路上施加有与该流速对应的电压。图3中的恒温差电路把此时施加在桥接电路上的电压中的发热体HT的端子间电压作为电压输出而输出。

这样，恒温差电路把电流或电压控制为发热体HT的温度比周围温度传感器TS测量出的周围温度高出一定温度，从而把温度差保持恒定，可通过检测该电压、电流或功率变化，测量流体的流速或流量。

另一方面，如图1所示，流路形成部件130与传感器芯片110一样，由不锈钢制的细长金属板构成，具有：在表面中央突出设置、而且外形与传感器芯片110的外缘大致一致的凸部135；和在凸部135的上面具有一方的开口部、并且相互平行地穿通设置的两个通孔131、132。

并且，在流路形成部件上对传感器芯片进行定位，使得传感器芯片110的外缘与流路形成部件的凸部135对齐，即，使得凸部135的侧壁和传感器芯片110的侧壁在整个圆周上处于一个平面上，在该状态下，通过激光束焊接等适当的焊接手段来接合传感器芯片110和流路形成部件130，由此作成流量传感器1。

接着，下面说明如上所述那样构成的流量传感器1的作用。

本实施方式的流量传感器1在传感器芯片110的一个面上具有还作用为绝缘膜的缓冲层121和对于不锈钢表面的凹凸具有被覆性的绝缘膜122的两层结构，而且使缓冲层121的线膨胀系数为形成传感器装置125的绝缘膜122的线膨胀系数和由不锈钢构成的薄壁部113的线膨胀系数中间的线膨胀系数，由此可维持流量传感器的耐电压，而且使绝缘膜122的厚度较薄，例如约为1μm～5μm。因此，可通过厚度较薄的绝缘膜122和缓冲层121高效地向被测流体侧传递来自传感器装置125的加热器HT的热量。其结果是，提高了流量传感器的灵敏度和响应性。

并且，由于能够在一定程度上缓和加热时所产生的热膨胀系数差，所以能够把耐蚀性较高的奥氏体不锈钢用作为传感器芯片110的金属部分的材质。由此，可以提高现有的结构中比较困难的、传感器芯片110的金属部分的材料选择的自由度。并且，即使在高温下，也难以引起由线膨胀系数的差异所致的绝缘膜中的裂纹产生，所以能够把耐热性提高到500℃附近，能够提供耐环境性良好的流量传感器。

并且，由于由液体源来形成绝缘膜122，所以对于随着不锈钢表面的表面研磨而不可避免的细微凹凸具有良好的被覆性。由此，尽管必然存在一定程度的金属膜片的表面上的粗糙度，仍能将绝缘膜表面修平。其结果是，能够以最佳状态在绝缘膜上形成传感器图形，稳定传感器图形的输出特性。

另外，也可以把上述实施方式的与流量传感器1的传感器芯片110相关的缓冲层和氧化膜的两层结构应用于现有技术中所说明的流量传感器3。具体地说，也可以取代流量传感器3所具有的现有的基板，而使用具有缓冲层和氧化膜的两层结构的基板来形成新的流量传感器2。如图4所示，该流量传感器2的结构具有：表面侧朝向被测流体的流路的基板210；以及隔着基板210相对配置的流路形成部件230和板250。并且，基板210可以由不锈钢作成，并且形成为板厚约为50～150μm的板状，在与流路侧的相反侧的面上形成电绝缘膜，在其上形成有测量流体的流速(流量)用的温度检测单元、周围温度传感器、电极极板和配线用金属薄膜。

并且，基板210具有与本实施方式的传感器芯片110相同的、由缓冲层和氧化膜构成的两层结构。即，如图2所示，使用了如下结构的基板：在不锈钢的薄壁上隔着缓冲层(缓冲部件)221形成绝缘膜222，在该绝缘膜上形成传感器图形225。

更具体地说，由不锈钢构成的基板210的表面被进行镜面研磨，在基板上形成在本实施方式中具有作为绝缘膜的功能的缓冲层221，在其上形成有以液体源作为原料的氧化硅等的绝缘膜222。并且，通过上述周知的薄膜成型技术，在绝缘膜222的表面上形成有由包括多个电极极板及配线用金属薄膜的流速检测单元和周围温度检测单元构成的传感器装置225。另外，在构成传感器装置225的流速检测单元和周围温度检测单元中具有电极极板。而且，各个电极极板通过未图示的结合线与在传感器芯片的上方隔着垫片设置的印刷配线板的电极端子连接。

作为绝缘膜222，例如利用厚度约为几千埃至几μm的较薄的氧化硅(SiO₂)膜、氮化硅膜、氧化铝、聚酰亚胺膜等形成。并且，缓冲层221与上述实施方式相同，具有处于形成传感器装置225的绝缘膜222的线膨胀系数和基板(膜片)210的线膨胀系数中间的线膨胀系数。即，缓冲层221由线膨胀系数处于不锈钢和绝缘膜222之间的氮化硅(3～4[×10^-6/℃])、氧化铝(5～9[×10^-6/℃])等的材质构成。

通过具有这种基板，与上述实施方式的情况一样，可以充分确保流量传感器2的耐电压，而且使绝缘膜的厚度较薄，约为1μm～5μm。因此，能够高效地从基板210的一个面上形成的加热器向与基板210的另一个面接触的被测流体传递热量，提高流量传感器2的灵敏度和响应性。并且，可以实现现有的结构中比较困难的、使传感器芯片的金属材料成为奥氏体不锈钢，可以提高金属材料选择的自由度。除此之外，即使在高温下，也难以引起由线膨胀系数的差异所致的绝缘膜中的裂纹产生，所以能够把耐热性提高到500℃附近。

另外，作为不锈钢以外的耐蚀性金属，一般可以列举哈司特镍合金、因康镍合金、镍。因康镍合金的线膨胀系数为13～16[×10^-6/℃]，热传导率为10.4[Wm/k]，哈司特镍合金的线膨胀系数为14～16[×10^-6/℃]，热传导率为10.6[Wm/k]，镍的线膨胀系数为13.3[×10^-6/℃]，热传导率为70.4[Wm/k]。

因此，基板210的金属部分所使用的材质如上面所述那样不限于不锈钢，而即使是哈司特镍合金、因康镍合金、镍等的耐蚀性金属也能够起到相同效果。

产业上的可利用性

本实施方式的流量传感器特别适合于测量在流路中流动的腐蚀性流体的流速或流量。

Claims

1.一种流量传感器，具有：耐蚀性金属膜片、在所述金属膜片的一个面上形成的绝缘膜、以及在该绝缘膜上形成的流量测量用的传感器，所述金属膜片的另一个面与被测流体接触，其特征在于，

在形成所述传感器的绝缘膜和所述金属膜片之间隔着具有该绝缘膜的线膨胀系数和耐蚀性金属的线膨胀系数中间的线膨胀系数的缓冲部件。

2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述绝缘膜由液体源构成。

3.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述金属膜片由奥氏体不锈钢作成。

4.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述金属膜片由哈司特镍合金、因康镍合金、镍中的任意一种作成。

5.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述缓冲部件由氮化硅或氧化铝作成。

6.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述缓冲部件利用由具有所述绝缘膜的线膨胀系数和耐蚀性金属的线膨胀系数中间的线膨胀系数的、至少两种或两种以上的材质构成的多个层来形成。