JP2003532099A - 液体用のフローセンサ - Google Patents

液体用のフローセンサ

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JP2003532099A
JP2003532099A JP2001581063A JP2001581063A JP2003532099A JP 2003532099 A JP2003532099 A JP 2003532099A JP 2001581063 A JP2001581063 A JP 2001581063A JP 2001581063 A JP2001581063 A JP 2001581063A JP 2003532099 A JP2003532099 A JP 2003532099A
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flow sensor
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heat source
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JP2001581063A
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マイアー、フェーリクス
ホルヌンク、マルク・ライナー
シュタイナー・バンハ、ラルフ
Original Assignee
ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、１つの熱源が及びこの熱源に対し対称的に２つの温度センサが設けられている半導体モジュール（１）に関する。 【解決手段】半導体モジュール（１）はパイプ（２）の外面に設けられており、測定される流速を有する液体はパイプ（２）の中を導かれる。温度センサ及び熱源はパイプ（２）の外面と熱的接触している。このタイプの装置によって、高い精度及び感度の流れ測定を実行することができることが明らかである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本願は、夫々２０００年５月４日及び６月１３日に提出されており、関連あり
としてここに記録されるすべての開示内容を含むスイス特許出願第0871/00号及
び第1160/00号の、その優先権を主張する。
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前提部分に記載の液体用のフローセンサ及びこのフローセ
ンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体の流速及び／又は質量の流れ(Massenfluss)を、熱源および少なくとも１
つの温度センサが設けられてなる半導体モジュールによって、測定することは知
られている。流れは、１つの温度センサ又は複数の温度センサによって測定する
ことができる、熱源の温度分布の変化をもたらす。
【０００３】 しかし、このタイプの半導体モジュールは敏感である。液体との接触において
、モジュールの性質に影響を及ぼす物質の、その望ましくない拡散が生じる。更
に、機械的応力が構成要素を損なうことがある。従って、半導体モジュールを、
コストのかかる方法で、例えば保護層によって保護する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、多数の異なった液体を測定することができ、頑丈であり、容易に製造
されることができる、明細書導入部に記載のタイプのフローセンサを用意する課
題が出される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１に記載のフローセンサによって果たされる。
【０００６】 本発明によれば、半導体モジュールはパイプの外面に設けられており、しかも
、この外面と熱的接触している。驚異的なことには、このタイプの装置が依然と
して正確かつ感度の高い測定を可能にすることが明らかになる。液体がパイプ内
を導かれて、半導体モジュールと詳しくは半導体モジュールのパッシベーション
層と接触するので、損傷を回避することができる。
【０００７】 半導体モジュールは、例えば、パイプの外面と直に接触していることができ、
あるいは、例えば金属からなる熱伝導素子によって、外面と接続されていること
ができる。パイプと半導体モジュールとの間には、例えば半田からなる接着層が
設けられていることができるか、あるいは、熱伝導ペーストが用いられることが
できる。
【０００８】 パイプは例えばガラス又は金属からなってもよく、金属は、その高い熱伝導性
の故に、好ましい。しかし、例えばプラスチックのような他の材料も考えられる
。
【０００９】 パイプは一体的であるか、あるいは、複数の個々のパイプ部分からなることが
できる。
【００１０】 より良好な熱接触を保証するために、パイプの外面は半導体モジュールの領域
で平坦に構成されることができ、及び／又はパイプは薄い壁部領域を有する。
【００１１】 本発明の他の実施の形態、利点及び利用は、従属請求項から及び図面に基づく
以下の記述から明らかである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
フローセンサの本体は図１乃至３に示した第１の実施の形態から明らかである
。本体は、測定される液体が通って流れるパイプ２の、その外面に設けられてい
る半導体モジュール１からなる。半導体モジュール１をパイプ２に取り付けるた
めに、この実施の形態では、糊料の硬化体３が設けられている。
【００１３】 特に図３から見て取れるように、半導体モジュール１は、組み込まれたレジス
タンスの形の熱源５が設けられているサブストレート１ａからなる。熱源５の、
液体の流れ方向において前後に、２つの温度センサ６ａ，６ｂが設けられている
。この好ましい実施の形態では、温度センサはサーモパイルとして構成されてい
る。
【００１４】 サブストレート１には、開口部７がエッチングで形成されており、この開口部
には、誘電薄膜８が被せられている。熱源５と、サーモパイル６ａ，６ｂの、熱
源側のコンタクト列とが膜８に設けられている。この配置によって、熱源５と温
度センサとの間の熱伝導が減少される。
【００１５】 熱源５及びサーモパイル６ａ，６ｂの上面には、例えば酸化ケイ素又は窒化ケ
イ素からなる誘電パッシベーション層（図示せず）が設けられている。
【００１６】 熱源５と、サーモパイル６ａ，６ｂの、少なくとも内側のコンタクト列、又は
サーモパイルのパッシベーション層とは、パイプ２の外面と熱接触している。こ
れらはパイプの外面と直に接触するか、あるいは接着材料、熱伝導ペースト又は
半田の薄層によって外面から分けられていることができる。
【００１７】 サブストレート１には、更に、評価電子機器１０が設けられている。この評価
電子機器は例えば前置増幅器、アナログ・ディジタル変換器及び、例えば、サー
モパイルの信号を直線化及び基準化するための、ディジタル式の処理段並びに熱
源用の駆動装置を有する。外界との電気接続のために、接続パッド１１が設けら
れている。
【００１８】 評価電子機器１０は、熱源５を定電流、定温又は定電圧で駆動するために、構
成されている。更に、評価電子機器は、サーモパイル６ａ，６ｂによって温度差
の差分Δを測定する。サーモパイル６ａ，６ｂの、外側のコンタクト列は実質的
に同一の温度にあるので、差分Δは内側のコンタクト列における温度差に実質的
に対応する。
【００１９】 駆動中に、熱源５はパイプ２の壁部における温度分布を発生させる。パイプ２
に液体を流すことによって、この温度分布は非対称になるので、温度差の差分Δ
は流速の尺度である。
【００２０】 パイプ２は半導体モジュール１と別個に製造されており、自立している。パイ
プは好ましくは金属からなり、０．５ｍｍよりも出来る限り少ない肉厚を有する
ので、良好な感度が達成される。しかし乍ら、半導体モジュールの感度が高い故
に、より厚い壁部を有するパイプも用いることができる。
【００２１】 ガラス又はプラスチック製のパイプも用いることができる。
【００２２】 本発明の第２の実施の形態は図４に示されている。ここでは、半導体モジュー
ル１はパイプ２の外面に直には載っていない。むしろ、半導体モジュール１とパ
イプ２との間には３つの熱伝導素子１２が設けられている。これらの熱伝導素子
は例えば「金属バンプ」、すなわち、金属、例えば金又は銅製の隆起であっても
よい。隆起は、夫々、サーモパイル６ａ，６ｂの及びヒータ５の、内側のコンタ
クト列を覆うように位置しており、夫々、これらのコンタクト列と熱的接触を形
成している。図４に示した配置は、半導体モジュール１が、正確に限定された箇
所でのみ、パイプ２と熱的接触をしているという、利点を有する。
【００２３】 図４に示した半導体モジュール１を、図１に示した半導体モジュールと同様に
、糊料によっても覆うことができる。
【００２４】 図５及び６は本発明の他の実施の形態を示しており、半導体モジュール１はハ
ウジング１３によって保護される。ハウジング１３は好ましくはプラスチックか
らなり、例えば、半導体モジュール１を収容するための適切な凹所を有する。半
導体モジュール１はボンディングワイヤ１８によってプリント回路１５に接続さ
れている。プリント回路１５は接続ワイヤ１６を取り付けるために用いられ、ハ
ウジング１３と機械的に接続されている。それ故に、接続ワイヤ１６に作用する
力を半導体モジュール１に直に伝達することがない。
【００２５】 半導体モジュール１を覆うために及びハウジング１３をパイプ２に取り付ける
ために、同様に、糊料の成形体３が設けられている。
【００２６】 上記の実施の形態では、パイプ２はシリンダ状の外面を有する。半導体モジュ
ール１とパイプ２との間の出来る限り良好な熱伝導を達成するために、パイプ２
の外面は、半導体モジュール１の領域に、好ましくは平坦に構成されている。
【００２７】 このタイプの２つの実施の形態は図７及び８に示されている。
【００２８】 図７に示した実施の形態では、パイプ２はシリンダ状であるが、領域１７では
平坦にされた。
【００２９】 図８にではパイプ２は実質的に矩形であり、半導体モジュール１が設けられる
凹所１９を有する。凹所１９の領域に、パイプ２は他の壁部よりも薄い壁部の厚
さを有する。このようなデザインによって、半導体モジュール１はより良く保護
されており、パイプ２の壁部の熱抵抗はより少ない。換言すれば、パイプ２は種
々の厚さの壁部領域を有し、半導体モジュール１は最少の厚さを有する当の壁部
領域に設けられている。
【００３０】 ここまで示した実施の形態では、パイプ２は一体的に示されており、すなわち
、センサの領域でのパイプの横断面は１つの部分によって形成される。しかし、
パイプ２は複数構成で形成されていてもよいので、パイプの横断面を形成するパ
イプ壁部は複数の部分から形成されている。
【００３１】 このタイプの実施の形態は図９に示されている。ここでは、パイプ２は第１の
パイプ部分２ａ及び第２のパイプ部分２ｂによって形成される。パイプ部分２ｂ
は、凹所すなわち溝２０が設けられている材料ブロックからなる。パイプ部分２
ａは薄いプレート又はフォイルの形を有し、溝２０に亘って延びている。半導体
モジュール１はパイプ部分２ａと熱接触しており、このパイプ部分の外面に設け
られている。
【００３２】 この実施の形態では、パイプ部分２ａはパイプ２の壁部を形成し、このパイプ
の内部空間を半導体モジュール１から分離している。
【００３３】 図９に示した実施の形態は種々の利点を有する。パイプ部分２ａをパイプ部分
２ｂと別個に製造することができることは好都合である。このことは、パイプ部
分２ａを、非常に上手く限定された厚さを有するプレート又はフォイルとして製
造することを可能にする。パイプ部分２ａは、別個に製造されるので、自立でな
ければならない。
【００３４】 パイプ部分２ａを、その製造後に、例えば、貼着又は接合によって、シール状
態でパイプ部分２ｂと結合することができる。パイプ部分２ａと別個に製造され
た半導体モジュール１は、パイプ部分２ａ及び２ｂの結合の前又は結合後にパイ
プ部分２ａに取り付けられる。
【００３５】 パイプ部分２ａが、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、テフロ
ン（登録商標）、ポリアリールスルホン（ＰＳＵ）又はポリイミド樹脂のような
プラスチックからなることは好ましい。パイプ部分の厚さは所望の剛性及び熱伝
導性によって与えられている。しかし、このパイプ部分は、自立しているために
は、少なくとも１０μｍ、好ましくは少なくとも２５μｍの厚さを有するほうが
よい。
【００３６】 図９に示した実施の形態の他の特徴は、パイプの内部が製造の際に出入り可能
であり、従って、例えば、硬化性の、非付着性の及び／又はパッシベーションす
る層、例えばＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）を用いて、全体に又は
部分的に容易に被覆されることができることにある。パイプ部分２ａ及びパイプ
部分２ｂは被覆されていてもよい。
【００３７】 複数のパイプ部分２ａ，２ｂを別個に製造する更なる利点は、半導体モジュー
ル１をパイプの内部から分離するパイプ部分２ａを、所望の測定範囲及び／又は
所望の測定媒体に関して適切に選択することができることにある。
【００３８】 更に、複数のパイプ部分の使用は、種々の材料の使用を可能にするので、例え
ば、パイプ部分２ａはプラスチックから、パイプ部分２ｂは金属からなっていて
もよい。
【００３９】 図９に示した実施の形態では、このことは、例えば、異なった厚さの異なった
プレート又はフォイルがパイプ部分２ａとして準備されることを意味する。次に
、測定範囲及び／又は測定される媒体に従って、半導体モジュール１の力学を十
分に活用し及び／又は測定範囲を適合させることを可能にする厚さが選択される
。
【００４０】 上記の実施の形態では、対称的に組み立てられかつ２つの温度センサ６ａ，６
ｂを有するセンサ装置が用いられる。しかし乍ら、１つの温度センサのみを用い
ることも考えられる。しかし、２つの温度センサ６ａ，６ｂを有する装置の方が
高い感度及び精度を有する。
【００４１】 半導体モジュール１の、図３に示した実施の形態では、開口部７及び膜８を有
する。この膜には、ヒータ５と、サーモパイル６ａ，６ｂの、内側のコンタクト
とが位置している。他の実施の形態は図１０に示されている。ここでは、３つの
開口部が半導体モジュール１設けられており、そのうちの中央の開口部はヒータ
５の下に位置し、外側の開口部はサーモパイル６ａ，６ｂの、外側のコンタクト
の下に位置しており、開口部の各々は膜８ａ，８ｂ及び８ｃによって覆われてい
る。このような構造でも、温度センサとヒータの間の良好な断熱が生じる。
【００４２】 半導体モジュールにおける開口部及び膜の使用を省略して、ヒータと、熱素子
のコンタクト列をサブストレート全体の上面に設けることも考えられる。このこ
とによって、モジュールの感度は減少されるが、機械的安定性は高められる。
【００４３】 センサの製造の際に、半導体モジュール１及びパイプ２又は２つのパイプ部分
２ａ，２ｂは互いに別個に製造される。次に、これらの部分が纏められる。図９
に示した実施の形態では、まず、２つのパイプ部分２ａ，２ｂを互いに結合する
ことができるか、あるいは、パイプ部分２ａをその製造後にまず半導体モジュー
ル１と結合し、そのときはじめて、第１のパイプ部分２ａを有する半導体モジュ
ール１を第２のパイプ部分に取り付けることも可能である。
【００４４】 本願には本発明の好ましい実施の形態が記載されているが、本発明がこれらの
実施の形態に限定されないし、前記の請求項の範囲内で他の方法で実施されるこ
とができることを、明確に指摘しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 フローセンサの第１の実施の形態の断面図を示している。
【図２】 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図を示している。
【図３】 フローセンサの半導体モジュールの平面図を示している。
【図４】 熱伝導素子を有するフローセンサの側面図を示している。
【図５】 フローセンサの第３の実施の形態の断面図を示している。
【図６】 図５の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図を示している。
【図７】 フローセンサの第４の実施の形態の断面図を示している。
【図８】 フローセンサの第５の実施の形態の断面図を示している。
【図９】 フローセンサの第６の実施の形態の断面図を示している。
【図１０】 半導体モジュールの第２の実施の形態の平面図を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F035 AA06 EA01 EA08

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの温度センサ（６ａ、６ｂ）及び熱源（５）
    が組み込まれてなる半導体モジュール（１）を有する、液体用のフローセンサに
    おいて、 液体を導くパイプ（２）を具備し、前記半導体モジュール（１）は前記パイプ
    （２）の外面に設けられており、前記温度センサ（６ａ、６ｂ）及び前記熱源（
    ５）は前記パイプ（２）の外面と熱的接触していることを特徴とするフローセン
    サ。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも１つの温度センサ（６ａ、６ｂ）及び前記熱
    源（５）は、前記パイプ（２）の外面と直に接触している、請求項１に記載のフ
    ローセンサ。
  3. 【請求項３】 前記少なくとも１つの温度センサ（６ａ、６ｂ）及び前記熱
    源は、熱伝導素子（１２）によって、特に、金属製の熱伝導素子によって、前記
    パイプ（２）の外面と接触している、請求項１に記載のフローセンサ。
  4. 【請求項４】 前記半導体モジュール（１）と前記パイプ（２）との間には
    接着層が設けられている、請求項１又は３に記載のフローセンサ。
  5. 【請求項５】 前記接着層は硬化された半田である、請求項４に記載のフロ
    ーセンサ。
  6. 【請求項６】 前記半導体モジュール（１）と前記パイプ（２）との間には
    熱伝導ペーストが設けられている、請求項１又は３に記載のフローセンサ。
  7. 【請求項７】 前記半導体モジュール（１）は前記パイプ（２）に貼着され
    ている、請求項１乃至６のいずれか１に記載のフローセンサ。
  8. 【請求項８】 前記パイプ（２）は金属からなり及び／又は精々０．５ｍｍ
    の壁部の厚さを有する、請求項１乃至７のいずれか１のフローセンサ。
  9. 【請求項９】 前記半導体モジュールには少なくとも１つの窪み又は開口部
    が設けられており、この上面には膜（８；８ａ，８ｂ）が設けられていること、
    及び前記少なくとも１つの温度センサ（６ａ、６ｂ）及び前記熱源（５）は前記
    膜（８；８ａ，８ｂ）に設けられている、請求項１乃至８のいずれか１に記載の
    フローセンサ。
  10. 【請求項１０】 ２つの温度センサ（６ａ、６ｂ）は前記半導体モジュール
    （１）に設けられており、前記熱源（５）は複数の前記温度センサ（６ａ、６ｂ
    ）の間に設けられており及び／又は前記半導体モジュール（１）には１つの温度
    センサ又は複数の温度センサの信号用の評価電子機器（１０）が設けられている
    、請求項１乃至９のいずれか１に記載のフローセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記パイプ（２）の外面は前記半導体モジュール（１）の
    領域（１７）で平坦になっている、請求項１乃至１０のいずれか１に記載のフロ
    ーセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記パイプ（２）の外面は、前記半導体モジュール（１）
    が設けられてなる窪み（１９）を有する、請求項１乃至１１のいずれか１に記載
    のフローセンサ。
  13. 【請求項１３】 前記パイプ（２）は一体的であることを特徴とする請求項
    １乃至１２のいずれか１に記載のフローセンサ。
  14. 【請求項１４】 前記パイプ（２）は複数構成であり、複数のパイプ部分（
    ２ａ，２ｂ）を有し、前記半導体モジュール（１）は前記パイプ部分のうちの第
    １のパイプ部分（２ａ）と熱接触している、請求項１乃至１３のいずれか１に記
    載のフローセンサ。
  15. 【請求項１５】 前記第１のパイプ部分（２ａ）はプレート又はフォイルの
    形を有し、窪み（２０）に亘って延びている、請求項１４に記載のフローセンサ
    。
  16. 【請求項１６】 前記第１のパイプ部分（２ａ）は自立しており、少なくと
    も１０μｍ、好ましくは少なくとも２５μｍの厚さを有する、請求項１５に記載
    のフローセンサ。
  17. 【請求項１７】 前記第１のパイプ部分（２ａ）はプラスチックからなる、
    請求項１５又は１６に記載のフローセンサ。
  18. 【請求項１８】 前記パイプ（２）は種々の厚さの壁部領域を有し、前記半
    導体モジュールは最少の厚さの壁部領域に設けられている、請求項１乃至１７の
    いずれか１に記載のフローセンサ。
  19. 【請求項１９】 少なくとも１つの温度センサ（６ａ、６ｂ）及び熱源（５
    ）が組み込まれてなる半導体モジュール（１）を製造すること、パイプ（２）を
    形成すべく少なくとも１つのパイプ部分（２，２ａ，２ｂ）を製造すること、及
    び、前記半導体モジュール（１）が前記パイプ部分（２，２ａ，２ｂ）の外面と
    接触しているように、前記半導体モジュール（１）及び前記少なくとも１つのパ
    イプ部分（２，２ａ，２ｂ）を纏めること、を特徴とする、特に、請求項１乃至
    １８のいずれか１に記載のフローセンサを製造する方法。
  20. 【請求項２０】 前記パイプ部分（２，２ａ，２ｂ）を前記半導体モジュー
    ルと別個に製造する、請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記パイプ（２）を、少なくとも、第１のパイプ部分（２
    ａ）及び第２のパイプ部分（２ｂ）から組み合わせ、前記半導体モジュール（１
    ）を前記第１のパイプ部分（２ａ）の外面と結合させ、以下の段階、すなわち、
    異なった厚さの複数の第１のパイプ部分（２ａ）を準備すること、及び前記パイ
    プ部分（２ａ）の１を、所望の測定範囲及び／又は所望の測定される液体に従っ
    て選択することを含む、請求項１９又は２０に記載の方法。
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