JP2003254806A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力および温度変化による計測出力のドリフ
トを防止するとともに、放出ガスの発生を抑制すること
ができる熱式流量計を提供することを課題とする。 【解決手段】 熱式流量計１において、センサ基板２１
のベースにアルミナ基板２２を使用する。これにより、
センサ基板２１の強度が高められるので、被測定流体の
圧力によるセンサ基板２１の歪みが生じにくい。また、
アルミナ基板２２の線膨張計数は、測定チップ（シリコ
ンウエハ）１１の線膨張係数に近いため、温度の影響に
よるセンサ基板２１の歪みが生じにくい。その結果、圧
力と温度の影響による測定出力のドリフトが防止され
る。さらに、アルミナ基板２１は、放出ガスを発生しに
くいため、熱式流量計１は、放出ガスを嫌う装置にも使
用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱線を用いて流量
を計測する熱式流量計に関する。さらに詳細には、圧力
や温度の変化による測定出力への影響をなくした熱式流
量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から熱線を用いて流量を計測する熱
式流量計の１つとして、半導体マイクロマシニングの加
工技術で製造された測定チップをセンサ部として使用す
るものがある。この種の熱式流量計としては、例えば、
図１４に示すものが挙げられる。図１４の熱式流量計１
０１においては、入口ポート１０２に流入させた被測定
流体を、整流機構１０３で整流させた後に、計測流路１
０４を介して、出口ポート１０５から流出させており、
被測定流体の流量を計測するために、電気回路１０６に
接続された測定チップ１１１を計測流路１０４に露出さ
せている。

【０００３】この点、測定チップ１１１は、図１５に示
すように、シリコンチップ１１６において、上流温度セ
ンサ１１２、ヒータ１１３、下流温度センサ１１４、周
囲温度センサ１１５（上述したセンサ１１２〜１１５
は、「熱線」に相当する）などを、半導体マイクロマシ
ニングの加工技術で設けたものである。

【０００４】従って、図１４の熱式流量計１０１におい
ては、被測定流体が計測流路１０４に流れていないとき
は、図１５の測定チップ１１１の温度分布がヒータ１１
３を中心に対称となる一方、被測定流体が計測流路１０
４に流れているときは、上流温度センサ１１２の温度が
低下し、下流温度センサ１１４の温度が上昇するので、
図１５の測定チップ１１１の温度分布の対称性は、被測
定流体の流量に応じて崩壊することになる。このとき、
この崩壊の程度は、上流温度センサ１１２と下流温度セ
ンサ１１４の抵抗値の差になって現れるので、電気回路
１０６を介して、被測定流体の流量を計測することが可
能となる。

【０００５】しかしながら、図１４の熱式流量計１０１
では、図１５の測定チップ１１１において、６個の電極
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６をシリコンチップ
１１６に設けており、上流温度センサ１１２、ヒータ１
１３、下流温度センサ１１４、周囲温度センサ１１５の
それぞれと電気回路１０６とを接続することを、６個の
電極Ｄ１〜Ｄ６を使用したワイヤーボンディングにより
行っていた。

【０００６】従って、図１４の熱式流量計１０１では、
測定チップ１１１が計測配管１０４の中で露出し、ボン
ディングワイヤーＷが計測配管１０４に介在するので、
大流量の計測対象気体が計測配管１０４に流れると、そ
の風圧などを受けてボンディングワイヤーＷが切れる恐
れがあり、それを防ぐためには、カバー機構を設けるな
ど（例えば、特開平１０−２７７３号の「支持体１３
ａ」）の対策を行う必要があった。

【０００７】そこで、本出願人は、このような問題点を
解決するため、熱線が設けられた測定チップをセンサ部
とするものであって、測定チップの熱線と電気回路との
接続に関し、ワイヤーボンディングの使用を回避した熱
式流量計を、特願２０００−３６８８０１にて提案し
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た特願２０００−３６８８０１で提案した熱式流量計に
おいて、測定チップを実装する基板に、従来から使用さ
れているガラスエポキシ基板を用いると、次のような問
題が発生した。すなわち、被測定流体の圧力や周囲の温
度変化により、測定出力がドリフトしてしまい、正確に
流量を計測することができなかった。これは、ガラスエ
ポキシ基板の強度が不足していることと、測定チップと
ガラスエポキシ基板の線膨張係数とが大きく異なってい
ることから、測定チップを実装する基板に歪みが生じて
しまうためである。また、ガラスエポキシ基板から放出
ガスが発生していた。従って、放出ガスを嫌う装置には
本熱式流量計を使用することが困難であった。

【０００９】そこで、本発明は上記した問題点を解決す
るためになされたものであり、圧力および温度変化によ
る計測出力のドリフトを防止するとともに、放出ガスの
発生を抑制することができる熱式流量計を提供すること
を課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めになされた本発明に係る熱式流量計は、熱線と熱線に
接続する熱線用電極とが設けられたシリコンの測定チッ
プと、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接
続する電気回路用電極が設けられるとともに、溝が形成
されたアルミナの基板と、基板が密着することによりバ
イパス流路が形成されるボディとを備え、熱線用電極と
電気回路用電極とを接着して測定チップを基板に実装す
ることによってセンサ流路を測定チップと基板との間に
溝で形成するとともに、センサ流路に熱線を橋設させた
ことを特徴とするものである。

【００１１】この熱式流量計では、基板がボディに対し
て密着されると、ボディの内部において、バイパス流路
が形成される。このとき、基板に溝が設けられているの
で、ボディの内部においてセンサ流路も形成される。そ
して、この熱式流量計においては、流量計に流れ込んだ
被測定流体が、熱線が橋設されたセンサ流路と、センサ
流路に対するバイパス流路とに分流される。このとき、
熱線を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被
測定流体の流量、ひいては熱式流量計の内部を流れる被
測定流体の流量が測定される。

【００１２】ここで、基板としてアルミナ基板を使用し
ているため、基板の強度が高められている。従って、被
測定流体の圧力によって基板に歪みが生じにくくなって
いる。その結果、圧力の影響による測定出力のドリフト
が防止される。また、アルミナ基板の線膨張係数は、シ
リコンの測定チップの線膨張係数に近い。このため、温
度の影響によって基板に歪みが生じにくくなっている。
その結果、温度の影響による測定出力のドリフトが防止
される。さらに、アルミナ基板は、放出ガスを発生しに
くい。このため、熱式流量計を、放出ガスを嫌う装置に
も使用することができる。

【００１３】本発明に係る熱式流量計においては、溝
は、細長い形状であって基板の中央に形成され、前記電
気回路用電極は、基板の溝に沿って形成されていること
が望ましい。こうすることにより、熱線が設けられた測
定チップと熱線を用いた計測原理を行うための電気回路
とを、一つの基板に集約させることが可能となる。その
ため、省スペースやコストダウンに貢献することができ
る。また、測定チップが基板の中央に実装されるので、
基板に歪みが発生したとしても、測定チップはその歪み
の影響を受けにくい。このことによっても、測定出力の
ドリフトが防止される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱式流量計を具体
化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細
に説明する。そこで、実施の形態に係る熱式流量計の概
略構成を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態
に係る熱式流量計１は、大別してボディ４１とセンサ基
板２１とから構成されるものである。そして、ボディ４
１上面に開口する流路空間４４を塞ぐように、センサ基
板２１がシールパッキン４８を介しボディ４１に密着さ
れている。具体的には、センサ基板２１は、基板押さえ
３１がボディ４１にネジ固定されることにより、ボディ
４１に密着するようになっている。これにより、センサ
流路Ｓ、およびセンサ流路Ｓに対するバイパス流路であ
る主流路Ｍが形成されている。すなわち、本実施の形態
に係る熱式流量計１は、センサ流路とバイパス流路とを
備える熱式流量計である。

【００１５】ここで、ボディ４１は、図２および図３に
示すように、直方体形状のものである。なお、図２はボ
ディ４１の平面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断
面図である。このボディ４１には、両端面に入口ポート
４２と出口ポート４６とが形成されている。そして、入
口ポート４２からボディ中央に向かって入口流路４３が
形成され、同様に出口ポート４６からボディ中央に向か
って出口流路４５が形成されている。なお、入口流路４
３および出口流路４５は、流路空間４４の下方に形成さ
れている。

【００１６】また、ボディ４１の上部には、主流路Ｍお
よびセンサ流路Ｓを形成するための流路空間４４が形成
されている。この流路空間４４の横断面は、長方形の両
短辺を円弧状（半円）にした形状になっており、その中
央部に円弧状の凸部４４Ｃが形成されている。凸部４４
Ｃは、メッシュ板５１の位置決めを行うためのものであ
る。そして、流路空間４４の下面の一部が入口流路４３
および出口流路４５に連通している。すなわち、流路空
間４４と入口流路４４および出口流路４５との連通部
に、それぞれ９０度に屈曲したエルボ部４３Ａおよび４
５Ａが形成されている。

【００１７】そして、この流路空間４４の下面に、図１
に示すように、メッシュ板５１が配設されている。この
メッシュ板５１は、底板３７とともにボディ４１にねじ
固定されている。これにより、主流路Ｍとエルボ部４５
Ａとの連通部にメッシュ部５１Ｍが設けられることにな
る。このように、主流路Ｍとエルボ部４５Ａとの連通部
にメッシュ部５１Ｍを設けることにより、入口流路４３
に流れ込んだ被測定流体の入射角による計測出力への影
響をほとんどなくすことができる。なぜなら、被測定流
体がメッシュ部５１Ｍを通過することにより、被測定流
体の流れに細かな乱れが非常に多く形成されるからであ
る。

【００１８】図２に戻って、ボディ４１の上面には、流
路空間４４の外周に沿うように溝４９が形成されてい
る。この溝４９は、シールパッキン４８を装着するため
のものである。ここで、溝４９に装着されるシールパッ
キン４８について、図４を用いて説明する。なお、図４
（ａ）はシールパッキンの平面図であり、図４（ｂ）は
図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図４（ｃ）は
図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

【００１９】シールパッキン４８は、リング部４８Ａと
シート部４８Ｂとを備える。すなわち、リング部４８Ａ
とシート部４８Ｂとを一体的に成形したものである。こ
のようなリング部４８Ａとシート部４８Ｂとを一体的に
成形したシールパッキン４８を使用するのは、被測定流
体の外部漏れと内部漏れの両方を防止するためである。
なお、シールパッキン４８の材質は、フッ素ゴム、ＮＢ
Ｒ、シリコンゴム等の弾性ゴムであればよい。また、シ
ート部４８Ｂには、後述する測定チップ１１に嵌合する
ように凹部４８Ｃが形成されている。これにより、図５
に示すように、シート部４８Ｂがセンサ基板２１および
測定チップ１１に密着するようになっている。

【００２０】一方、本発明の特徴部であるセンサ基板２
１は、測定流量を電気信号として出力するものである。
このセンサ基板２１について、図６〜図８を用いて説明
する。図６はセンサ基板２１の表面側を表す平面図であ
り、図８はセンサ基板２１の裏面側を表す平面図であ
り、図７はセンサ基板２１の正面図である。センサ基板
２１は、ベースとなるアルミナ基板２２に色々な電気素
子などが設けられている。具体的には、図６に示すよう
に、センサ基板２１の表面側には、ピンＰ１，Ｐ２，Ｐ
３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６（図７参照）を備える端子ＣＳ
１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６と、チッ
プ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とが設けられている。そ
してチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ４と端子ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ
５，ＣＳ６とが電気的に接続されている。

【００２１】また、図８に示すように、センサ基板２１
の裏面側（ボディ４１への装着面側）には、その中央部
に溝２３が形成されている。そして、この溝２３に沿っ
てその両側に、電気回路用電極２４，２５，２６，２７
が設けられている。そして、電気回路用電極２４と端子
ＣＳ２とが電気的に接続されている。電気回路用電極２
５と端子ＣＳ３とが電気的に接続されている。電気回路
用電極２６と端子ＣＳ５とが電気的に接続されている。
電気回路用電極２７と端子ＣＳ４とが電気的に接続され
ている。さらに、センサ基板２１の裏面側には、後述す
る測定チップ１１が実装されている。

【００２２】このようなセンサ基板２１は、図９に示す
ようにして製造される。まず、溝加工および穴加工を施
したグリーンシート（焼結前の生材）と穴加工のみを施
したグリーンシートとを圧着する。続いて、圧着した２
枚のグリーンシートを焼成する。そして、焼成後に回路
パターンの印刷を行い、各種の電気素子を実装する。か
くして、センサ基板２１が得られる。なお、センサ基板
２１は、１つずつ製造してもよいが、生産効率の観点か
らは図１０に示すように、多数のセンサ基板を一度に製
造するのがよい。図１０に波線で示すものが１つのセン
サ基板に相当する。

【００２３】続いて、センサ基板２１に実装される測定
チップ１１について、図１１を用いて説明する。測定チ
ップ１１は、図１１に示すように、シリコンウエハ１２
に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施
したものである。この加工により、熱線用電極１４，１
５，１６，１７が設けられている。また、温度センサ用
熱線１８が熱線用電極１４，１５から延設され、流速セ
ンサ用熱線１９が熱線用電極１６，１７から延設されて
いる。

【００２４】そして、測定チップ１１の熱線用電極１
４，１５，１６，１７を、図１２に示すように、センサ
基板２１の裏面側に設けられた電気回路用電極２４，２
５，２６，２７のそれぞれと、半田リフロー又は導電性
接着剤などで接合することによって、測定チップ１１を
センサ基板２１に実装している。従って、測定チップ１
１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１に
設けられた温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１
９は、測定チップ１１の熱線用電極１４〜１７と、セン
サ基板２１の電気回路用電極２４〜２７（図８参照）と
を介して、センサ基板２１の表面側に設けられた端子Ｃ
Ｓ１〜ＣＳ６およびチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（図６参照）
に接続されることになる。

【００２５】また、測定チップ１１がセンサ基板２１に
実装されると、センサ基板２１に形成された溝２３の中
央部が塞がれる。そして、この状態のセンサ基板２１を
ボディ４１にシールパッキン４８を介して密着すると、
図１に示すように、ボディ４１の流路空間４４におい
て、センサ基板２１と測定チップ１１との間に、センサ
基板２１の溝２３などからなる細長い形状のセンサ流路
Ｓが形成される。そのため、センサ流路Ｓには、温度セ
ンサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９とが橋を渡すよ
うに設けられることになる。

【００２６】次に、上記した構成を有する熱式流量計１
の作用について説明する。熱式流量計１においては、図
１に示すように、入口ポート４２を介して入口流路４３
へ流れ込んだ被測定流体（図１のＦ）は、流路空間４４
にて、主流路Ｍへ流れ込むもの（図１のＦ１）と、セン
サ流路Ｓへ流れ込むもの（図１のＦ２）とに分流され
る。そして、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓから流れ出し
た被測定流体は、合流して、出口流路４５を介して出口
ポート４６からボディ４１の外部に流れ出す（図１の
Ｆ）。

【００２７】そして、センサ流路Ｓを流れる被測定流体
（図１のＦ２）は、センサ流路Ｓに橋設された温度セン
サ用熱線１８と流速センサ用熱線１９とから熱を奪う。
そうすると、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気
回路が、温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９
などの出力を検知しながら、温度センサ用熱線１８と流
速センサ用熱線１９とが一定の温度差になるように制御
する。

【００２８】ここで、センサ基板２１のベースにアルミ
ナ基板２２を使用している。また、測定チップ１１のベ
ースにシリコンウエハ１２を使用している。そこで、ア
ルミナ基板、シリコンウエハ、およびガラスエポキシ基
板（従来のセンサ基板のベース）の線膨張係数、曲げ強
度、およびヤング率の値を、図１３に示す。図１３から
明らかなように、アルミナ基板はガラスエポキシ基板に
比べ約１．４倍の強度を持っている。すなわち、センサ
基板２１は、強度が高められている。これにより、セン
サ基板２１は、被測定流体の圧力による歪みが発生しに
くくなり、圧力の影響による測定出力のドリフトが防止
された。

【００２９】また、線膨張係数に着目すると、シリコン
ウエハとガラスエポキシ基板とでは１０倍以上の差があ
るが、シリコンウエハとアルミナ基板とであれば３倍程
度の差になっている。すなわち、センサ基板２１のベー
スと測定チップ１１の線膨張係数がかなり近い値になっ
ている。これにより、センサ基板２１は、周囲温度の変
化による歪みが発生しにくくなり、温度の影響による測
定出力のドリフトが防止された。

【００３０】さらに、アルミナ基板はガラスエポキシ基
板に比べ放出ガスを発生しにくい。このため、センサ基
板２１から放出ガスが発生しにくくなった。これによ
り、熱式流量計１は放出ガスを嫌う装置にも使用するこ
とができた。

【００３１】以上、詳細に説明したように実施の形態に
係る熱式流量計１によれば、センサ基板２１のベースに
アルミナ基板２２を使用しているため、センサ基板２１
の強度が高められた。従って、被測定流体の圧力による
センサ基板２１の歪みが生じにくい。その結果、圧力の
影響による測定出力のドリフトが防止される。また、ア
ルミナ基板２２の線膨張計数は、測定チップ（シリコン
ウエハ）１１の線膨張係数に近い。このため、温度の影
響によるセンサ基板２１に歪みが生じにくい。その結
果、温度の影響による測定出力のドリフトが防止され
る。さらに、アルミナ基板２１は、放出ガスを発生しに
くい。このため、熱式流量計１は、放出ガスを嫌う装置
にも使用することができる。

【００３２】なお、上記した実施の形態は単なる例示に
すぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であるこ
とはもちろんである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した通り本発明に係る熱式流量
計によれば、測定チップが実装される基板として、溝が
形成されたアルミナ基板を使用した。このことにより、
熱式流量計の計測出力が、圧力および温度変化の影響を
受けにくくなった。すなわち、圧力および温度変化によ
る計測出力のドリフトが防止されている。また、基板か
らの放出ガスの発生が抑制された。これにより、放出ガ
スを嫌う装置にも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成
図である。

【図２】ボディの平面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】シールパッキンを示す図であり、（ａ）が平面
図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図、（ｃ）がＢ−Ｂ断面図であ
る。

【図５】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図６】センサ基板の表面側を示す平面図である。

【図７】センサ基板の正面図である。

【図８】センサ基板の裏面側を示す平面図である。

【図９】センサ基板の製造方法を説明する図である。

【図１０】一度に多数のセンサ基板を製造したときの状
態を示した図である。

【図１１】測定チップの平面図である。

【図１２】測定チップをセンサ基板に実装するときの状
態を示す図である。

【図１３】ガラスエポキシ基板とアルミナ基板とシリコ
ンウエハの各種物性値を示す図である。

【図１４】従来の熱式流量計の断面図である。

【図１５】従来の熱流量計で使用された測定素子の斜視
図である。

【符号の説明】

１ 熱式流量計 １１ 測定チップ １４，１５，１６，１７ 熱線用電極 １８ 温度センサー用熱線 １９ 流速センサー用熱線 ２１ センサ基板 ２２ アルミナ基板 ２３ 溝 ２４，２５，２６，２７ 電気回路用電極 ４１ ボディ Ｍ 主流路（バイパス流路） Ｓ センサ流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 世古 尚嗣 愛知県小牧市応時二丁目250番地 シーケ ーディ株式会社内 (72)発明者 北川 昭市 愛知県小牧市応時二丁目250番地 シーケ ーディ株式会社内 (72)発明者 吉島 秀樹 愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号 株式会社ノリタケカンパニーリミテド 内 Ｆターム(参考） 2F035 EA03 EA04 EA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱線と前記熱線に接続する熱線用電極と
   が設けられたシリコンの測定チップと、 前記熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続
   する電気回路用電極が設けられるとともに、溝が形成さ
   れたアルミナの基板と、 前記基板が密着することによりバイパス流路が形成され
   るボディとを備え、 前記熱線用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記
   測定チップを前記基板に実装することによってセンサ流
   路を前記測定チップと前記基板との間に前記溝で形成す
   るとともに、前記センサ流路に前記熱線を橋設させたこ
   とを特徴とする熱式流量計。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する熱式流量計におい
   て、 前記溝は、細長い形状であって前記基板の中央に形成さ
   れ、 前記電気回路用電極は、前記基板の前記溝が形成された
   面に設けられていることを特徴とする熱式流量計。