JP2002162273A - 質量流量センサ - Google Patents

質量流量センサ

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JP2002162273A
JP2002162273A JP2000356726A JP2000356726A JP2002162273A JP 2002162273 A JP2002162273 A JP 2002162273A JP 2000356726 A JP2000356726 A JP 2000356726A JP 2000356726 A JP2000356726 A JP 2000356726A JP 2002162273 A JP2002162273 A JP 2002162273A
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mass flow
heating resistors
temperature
flow sensor
sensor
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Isao Suzuki
鈴木  勲
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NIPPON M K S KK
NIPPON MKS KK
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NIPPON M K S KK
NIPPON MKS KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイナミックレンジの広い質量流量センサを
提供する。 【解決手段】 流体が流れるセンサチューブに2つの発
熱抵抗体Ru、Rdを設けて質量流量を検出する質量流
量センサにおいて、前記2つの発熱抵抗体Ru、Rdを
含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に流れる電流を
制御して前記2つの発熱抵抗体の温度の和を一定に保つ
コンパレータU1とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体製造プロ
セスで用いられるガスやその他の流体の質量流量計測に
用いられる質量流量センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の質量流量センサとしては、例えば
USP3938384 号に代表される定電流タイプのセンサ
と、USP4484932 号、特公昭58−16128 号、特開昭62
−132120号に示される定温度タイプのセンサとが知られ
ている。
【0003】定電流タイプのものは、細いセンサチュー
ブに設けた2つの発熱抵抗体に一定の電流を流し、流体
の流れによりセンサチューブを介して生じる温度分布の
変化を2つの発熱抵抗体における抵抗値の変化として検
出する。抵抗値の変化を検出する手段として定電流ブリ
ッジ回路が用いられる。
【0004】定電流ブリッジ回路の長所は回路構成が簡
単であるほかに、周囲の温度が上昇したときに発熱抵抗
体の温度が自動的に上昇し、感度の低下を防止できるこ
とである。一方短所は、応答が遅く、また、一定の流量
を超えると感度が低下してしまい、何らかの手段で流量
制限をしないと大きな誤差が生じることである。
【0005】これに対し、定温度タイプのセンサは、上
記の欠点がなく、発熱抵抗体の温度を一定にして、それ
ぞれの発熱抵抗体に印加される電力あるいは電圧の差を
検出するものである。この定温度タイプの方式では、応
答時間はきわめて早く、一定の流量以上で流量が低下す
るという問題はない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この定
温度タイプの方式は、周囲の温度が変化すると検出感度
が変化してしまうため、別途何らかの手段により補正す
る必要があり、回路がかなり複雑になり、コストアップ
になる問題があった。
【0007】本発明は上記のような従来の質量流量セン
サが有する問題点を解決せんとしてなされたもので、そ
の目的は、一定の流量を超えると感度が低下する問題点
を除去し、ダイナミックレンジの広い質量流量センサを
提供することである。また、他の目的は、構成が複雑化
することなく周囲温度の変化に拘らず検出感度が低下す
ることのない質量流量センサを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
質量流量センサは、流体が流れるセンサチューブに2つ
の発熱抵抗体を設けて質量流量を検出する質量流量セン
サにおいて、前記2つの発熱抵抗体の温度の和を一定に
保つと共に、前記2つの発熱抵抗体のそれぞれの温度差
から流体の質量を検出することを特徴とする。これによ
って、センサチューブに設けられた2つの発熱抵抗体の
温度の和が一定に保持され、2つの発熱抵抗体の温度差
を検出して質量流量を得ることができる。
【0009】本発明の請求項2に係る質量流量センサで
は、前記2つの発熱抵抗体の温度制御および温度検出に
は、前記2つの発熱抵抗体の直列接続が一辺に接続され
たブリッジ回路で構成される手段を用いることを特徴と
する。ブリッジ回路の一辺の2つの発熱抵抗体の温度の
和が一定に保持され、2つの発熱抵抗体の温度差を検出
して質量流量を得ることができる。
【0010】本発明の請求項3に係る質量流量センサで
は、ブリッジ回路の一辺には、温度検出を行う温度セン
サ抵抗が含まれており、前記2つの発熱抵抗体の温度の
和が前記温度センサ抵抗の温度より所定温度高くなるよ
うに制御を行うことを特徴とする。これにより、2つの
発熱抵抗体の温度の和が温度センサ抵抗の温度より所定
温度高くなるように制御が行われ、僅かな構成で周囲温
度による影響を防止できる。
【0011】本発明の請求項4に係る質量流量センサで
は、前記2つの発熱抵抗体に印加される電圧の和の中点
を0ボルトにするようオフセット電位を調整するオフセ
ット電位調整手段が備えられていることを特徴とする。
これにより、流体が流れていないときに2つの発熱抵抗
体の接続点の電位を0ボルトにできる。また、本発明の
請求項5に係る質量流量センサは、前記2つの発熱抵抗
体は、薄膜で構成された抵抗素子であることを特徴とす
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
に係る質量流量センサを説明する。図1に本発明の実施
の形態に係る質量流量センサの回路構成を示す。この実
施例においては、発熱抵抗体Ru、Rdが図3に示され
るようにセンサチューブ52またはチップガイドに白金
蒸着素子70−1、70−2として設けられる。
【0013】抵抗R3と発熱抵抗体Ru、Rdが直列に
接続され、抵抗R4と周囲温度測定用の測温抵抗体(温
度センサ抵抗)Rrが直列に接続されている。これらの
直列回路が並列に接続され、ブリッジ回路を構成してい
る。このブリッジ回路において、電流のほとんどが抵抗
R3と発熱抵抗体Ru、Rdが直列に接続されが経路を
流れるように各抵抗値が設計されている。
【0014】ブリッジ回路における抵抗R3と抵抗R4
との接続点には、トランジスタQ1を介して電圧+Vc
が印加されており、このトランジスタQ1はコンパレー
タU1の出力により制御されてブリッジ回路へ電流を流
す。
【0015】コンパレータU1は、反転入力端子が抵抗
R3と抵抗Ruの接続点に接続され、非反転入力端子が
抵抗R4と測温抵抗体Rrの接続点に接続されている。
そして、コンパレータU1は、上記入力端子から供給さ
れる電圧に基づき、出力を制御して2つの発熱抵抗体R
u、Rdの温度の和が所定温度となるように制御を行
う。この実施の形態では、測温抵抗体Rrの温度より5
゜C高くなるように制御を行う。
【0016】そして、発熱抵抗体Ru、Rdの接続点か
ら出力信号を取り出し、オペアンプU3により構成され
る非反転増幅器の非反転入力端子へ導き、出力端子OU
Tから出力を得る。非反転増幅器の反転入力端子とグラ
ンドの間に抵抗R15が接続され、非反転増幅器の反転
入力端子と出力端子の間に抵抗R16が接続され、この
増幅器の増幅率が(R15+R16)/R15となる。
【0017】係る構成により、周囲温度が変化しても2
つの発熱抵抗体Ru、Rdの温度の和が周囲温度より必
ず5゜C高いのであるから、流体流量の増加に拘らず感
度が低下せずダイナミックレンジの広い質量流量センサ
を実現できる。ちなみに、定電流タイプのセンサによる
出力特性をAとし、本願発明による質量流量センサの出
力特性をBとしてグラフに示すと図2のようになり、本
願発明による質量流量センサでは、出力低下が流量の大
きな範囲おいても見られない。なお、図2における出力
電圧は、増幅後の出力(V)であり、流量の単位はcc
/分である。
【0018】更に、本発明の実施の形態では、2つの発
熱抵抗体Ru、Rdに並列に、抵抗R1、R2の直列接
続回路を接続し、双方が30KΩの抵抗R1、R2の接
続点の信号を取り出してコンパレータU2に導き、その
出力にてブリッジ回路の測温抵抗体Rrと発熱抵抗体R
dの接続点に接続されたトランジスタQ2を制御し、2
つの発熱抵抗体Ru、Rdに印加される電圧の和の中点
を0ボルトにするようオフセット電位を調整する。
【0019】これにより、流体が流れていない状態にお
いてはRu=Rdであり、発熱抵抗体Ru、Rdに印加
される電圧の和の中点が0ボルトであり、オペアンプU
3の出力も0ボルトとなる。
【0020】また、センサチューブに流体が流れると、
センサチューブ上の温度分布が変化し、抵抗値Ru、R
dに差が生じ、結果として発熱抵抗体Ru、Rdの接続
点の電位が変化するので流体流量を検出可能である。
【0021】図3、図4に本発明の実施の形態に係る質
量流量センサの構成が示されている。それぞれ略同一形
状の直方体状の上ケースと下ケース11Bが重ねられ
て、ネジ止めされてケースが構成される。上ケースと下
ケース11B内には、図5に単一部品として示すU字状
のセンサチューブ52を収納するため、チューブガイド
60が収納される。センサチューブ52は、材質がSU
S316で、外径4mm、内径3mmである。
【0022】センサーチューブ52を覆うチューブガイ
ド60は、図6に示されるように構成されている。チュ
ーブガイド60は、上ケースと下ケースとから構成さ
れ、これら上ケースと下ケースは基本的に同様の形状の
ものである。チューブガイド60の下ケース(上ケー
ス)は、一端が半円状であり、他端が台座状とされた長
尺の板状をなし、アルミニュームにより作成されてい
る。
【0023】チューブガイド60の上ケースと下ケース
は共に、U字状のセンサチューブ52を接触して収納す
るためのU字状の溝部61と、センサチューブ52の両
端部に嵌合して設けられる円盤状のフランジ3を収納す
る凹部62と、センサチューブ52を上ケースと下ケー
スで覆うように接着材で一体に固定した後にケースにネ
ジ止めするためのネジ穴63が設けられている。また、
上ケースと下ケースの中央部には、U字状のセンサチュ
ーブ52の形状に合わせて、センサチューブ52が存在
しない部分に長孔64が形成されている。
【0024】上記のチューブガイド60は、熱平衡状態
へ素早く移行させるための構成である。つまり、センサ
チューブ52は、耐蝕性を高める目的のために、SUS
316で構成されている。係る耐蝕性の合金は熱伝導率
が低く、また、センサチューブ52は比較的大径であ
り、出力応答性が悪い。そこで、上記のようにアルミニ
ューム等の熱伝導率の良好な材料により構成されるチュ
ーブガイド60によりセンサチューブ52を一体に覆う
ことで熱平衡が早まり、出力応答性の改善が図られる。
【0025】上記のチューブガイド60は、図7に示さ
れる直方体状の本体のケースの上ケースと下ケース11
Bに収容される。これらの本体のケースの上ケースと下
ケース11Bが重ねられて、ネジ止めされてケースが構
成される。上ケースと下ケース11B共に、チューブガ
イド60の外形に対応する凹部55が形成されており、
チューブガイド60を収納する。
【0026】図3に示されるように本実施の形態では、
チューブガイド60に、2枚の白金蒸着素子70−1、
70−2を貼着する。白金蒸着素子70−1、70−2
は、セラミック基板上に白金抵抗を蒸着した白金抵抗チ
ップ(薄膜で構成された抵抗素子)であり、各白金蒸着
素子70−1、70−2の抵抗値は共に100Ωであ
り、白金蒸着素子70−1は図1発熱抵抗体Ruに相当
し、白金蒸着素子70−2は図1の発熱抵抗体Rdに相
当している。ケース1には、センサーチューブ52を加
熱するときの基準温度を計測するため温度センサ7であ
る1KΩの白金チップ抵抗(測温抵抗体Rr)が接着さ
れている。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項1に
係る質量流量センサによれば、流体が流れるセンサチュ
ーブに2つの発熱抵抗体を設けて質量流量を検出する質
量流量センサにおいて、前記2つの発熱抵抗体の温度の
和を一定に保つと共に、前記2つの発熱抵抗体のそれぞ
れの温度差から流体の質量を検出するので、流体流量の
増加に拘らず感度が低下せずダイナミックレンジの広い
質量流量センサを実現できる。
【0028】また、本発明の請求項3に係る質量流量セ
ンサによれば、ブリッジ回路の一辺には、温度検出を行
う温度センサ抵抗が含まれており、前記2つの発熱抵抗
体の温度の和が前記温度センサ抵抗の温度より所定温度
高くなるように制御を行うので、僅かな構成で周囲温度
による影響を防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る質量流量センサの回
路構成図。
【図2】定電流タイプのセンサと本願発明による質量流
量センサとによる、流量−出力特性を示す図。
【図3】本発明の実施の形態に係る流量センサの上ケー
スを取った状態の平面図。
【図4】本発明の実施の形態に係る流量センサの断面
図。
【図5】本発明の実施の形態に係る流量センサに用いら
れるセンサーチューブの長手方向の断面図。
【図6】本発明の実施の形態に係る流量センサに用いら
れるチューブガイドを示す図であり、(a)はその平面
図、(b)は底面図。
【図7】本発明の実施の形態に係る流量センサに用いら
れる下ケースを示す図であり、(a)はその平面図、
(b)は底面図。
【符号の説明】
1 ケース 11B 下ケース 2、 溝部 3 フランジ 7 温度センサ 9 ターミナル 10 チューブ 52 センサチュ
ーブ Ru、Rd 発熱抵抗体 60 チューブガイド

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流体が流れるセンサチューブに2つの発
    熱抵抗体を設けて質量流量を検出する質量流量センサに
    おいて、 前記2つの発熱抵抗体の温度の和を一定に保つと共に、
    前記2つの発熱抵抗体のそれぞれの温度差から流体の質
    量を検出することを特徴とする質量流量センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の質量流量センサにおい
    て、 前記2つの発熱抵抗体の温度制御および温度検出には、
    前記2つの発熱抵抗体の直列接続が一辺に接続されたブ
    リッジ回路で構成される手段を用いることを特徴とする
    質量流量センサ。
  3. 【請求項3】 ブリッジ回路の一辺には、温度検出を行
    う温度センサ抵抗が含まれており、 前記2つの発熱抵抗体の温度の和が前記温度センサ抵抗
    の温度より所定温度高くなるように制御を行うことを特
    徴とする請求項2に記載の質量流量センサ。
  4. 【請求項4】 前記2つの発熱抵抗体に印加される電圧
    の和の中点を0ボルトにするようオフセット電位を調整
    するオフセット電位調整手段が備えられていることを特
    徴とする請求項1または請求項2に記載の質量流量セン
    サ。
  5. 【請求項5】 前記2つの発熱抵抗体は、薄膜で構成さ
    れた抵抗素子であることを特徴とする請求項1乃至3の
    いずれか1項に記載の質量流量センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006258434A (ja) * 2005-03-15 2006-09-28 Kofurotsuku Kk 熱式流量計

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