JP2005172445A - Flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、流体の流量を測定する熱式のフローセンサに関する。 The present invention relates to a thermal type flow sensor for measuring a flow rate of a fluid.
熱を利用したフローセンサは、流路に1個の発熱抵抗素子又は複数個の発熱及び又は測温抵抗素子を配置して流れによる発熱抵抗素子の熱の流出を電気的に検出して、流量を測定する。特に流れがゼロのときの出力の精度を確保するため、流路の上流側と下流側にヒータを配置し、上流側と下流側で流れ無しで、熱平衡を保ち、流れにより、熱的平衡が崩れると、これを検出して流量を測定するものがある。この種のフローセンサにおいて、従来、シリコン基板上にパターン形成された金属膜からなる2つのヒータを形成し、一方のヒータから他方のヒータへガスを流通するためのガス流路を形成するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 A flow sensor using heat is provided with one heating resistance element or a plurality of heat generation and / or temperature measurement resistance elements arranged in the flow path to electrically detect heat flow of the heating resistance element due to the flow, Measure. In order to ensure the accuracy of output especially when the flow is zero, heaters are arranged on the upstream side and downstream side of the flow path, maintaining thermal equilibrium without flow on the upstream side and downstream side, and thermal equilibrium is achieved by the flow. When it breaks down, there is one that detects this and measures the flow rate. In this type of flow sensor, conventionally, two heaters made of a metal film patterned on a silicon substrate are formed, and a gas flow path for flowing gas from one heater to the other heater is formed. Is known (for example, see Patent Document 1).
また、シリコン基板上に発熱抵抗体、測温抵抗体をパターン形成してなるフローセンサも開示されている(例えば、特許文献2参照)。 Also disclosed is a flow sensor formed by patterning a heating resistor and a resistance temperature detector on a silicon substrate (see, for example, Patent Document 2).
また、熱線を形成した測定チップを基板に実装し、主流路とは別に、センサ流路を測定チップと基板との間に溝で形成し、かつセンサ流路に熱線を橋設したものが知られている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, it is also known that a measurement chip on which heat rays are formed is mounted on a substrate, a sensor flow path is formed as a groove between the measurement chip and the substrate, and a heat line is bridged in the sensor flow path separately from the main flow path. (For example, see Patent Document 3).
また、流路に熱伝導性の良い、一般には金属材の細管に感熱抵抗線を巻設する方式のフローセンサで細管を逆U字状にして、一方の垂直部分に第1と第2の感熱抵抗線を巻設し、他の垂直部分に第3と第4の感熱抵抗線を巻設したものが知られている(例えば、特許文献4参照)。
上記した特許文献1に記載のフローセンサでは、図20の(a)に示すように、上流用ヒータ30aと下流用ヒータ30bを水平に置いたとき、流れ無しで熱分布が平衡しており、流れが生じると、図20の(b)に示すように、熱分布が崩れてブリッジ回路により流量を検出できるが、図20の(c)に示すように、垂直置きにすると、流れ無しの場合でも、対流によって熱分布が崩れるという問題がある。特許文献2に記載のフローセンサでも、同様の問題がある。
In the flow sensor described in
また、特許文献1では、この問題を解決する方法として、ヒータ下方を空洞にせず、シリコンを残すことで温度均一を保ち、外乱影響を回避するようにしている。しかし、これは熱分布のなだらかさをもたらすシリコンの熱伝導性が良いことが、ヒータ温度を上げるには相当のパワーが必要として、この種のセンサの特徴である省電力を実現できない。
In
また、このようなフローセンサを主流路に並設されるセンサ流路に適用したり、特許文献3に記載のフローセンサ等では、図19の(a)に示すように、水平置きにし、流れ無しの場合、熱分布は平衡しているが、図19の(b)に示すように、垂直置きにすると、検出部周辺の温められた流体が垂直上方に移動し、熱分布が崩れ、センサ流路32と主流路31間で対流による循環流が起こる。したがって、上流側と下流側の感熱抵抗体を水平に配置したものでは、設置姿勢に制限を受けるという問題がある。
Further, such a flow sensor is applied to a sensor flow path arranged in parallel with the main flow path, or in the flow sensor described in
また、特許文献4の技術では、姿勢による制限は不要であるが、逆U字状の流路は原理的に良熱伝導性材の細管を用いるので、両抵抗体間の伝導熱対応が問題になる他、抵抗体が巻線であるため抵抗体リード線の処理が実用上煩雑になる、電力消費が大、設置スペースなど小型化に問題がある。
In addition, in the technique of
本願発明者等は、上記問題点を解消するために、流路を前記流路ベースの表面、表面から裏面及び裏面にわたり形成し、前記流路ベースの表面あるいは裏面のいずれか一方の流路に上流用の薄膜抵抗体を配置し、前記流路ベースの表面あるいは裏面のいずれか一方の流路に対する他方の流路に下流用の薄膜抵抗体を配置したフローセンサを創出し、すでに出願している(特願2003−002729)。 In order to solve the above problems, the inventors of the present invention form a flow path from the surface of the flow path base, from the front surface to the back surface and the back surface, and to either the front surface or the back surface of the flow path base. Created a flow sensor in which a thin film resistor for upstream is arranged, and a thin film resistor for downstream is arranged in the other flow path with respect to either the front or back surface of the flow path base. (Japanese Patent Application 2003-002729).
この出願に係るフローセンサは、取り付け姿勢に制限を受けることなく、分流構造としても対流を起こすことなく、かつ小型化を実現し得るものが得られたが、フローセンサは、流路ベースとなるシリコン基板の表裏両面に流路及び薄膜抵抗体を形成するか、あるいはシリコン基板の一面に流路及び薄膜抵抗体を形成したものを接合するかの構造を取るものであり、なお、簡素、小型化する道が残されていた。 The flow sensor according to this application is not limited by the mounting posture, and a flow dividing structure that does not cause convection and can achieve downsizing is obtained. However, the flow sensor is a flow path base. It has a structure of forming a flow path and a thin film resistor on both front and back sides of a silicon substrate, or joining a structure in which a flow path and a thin film resistor are formed on one surface of a silicon substrate. There was still a way to turn.
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、取り付け姿勢に制限を受けることなく、分流構造としても対流を起こすことなく、かつ小型化を実現し得るフローセンサを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and is intended to provide a flow sensor that can be reduced in size without being restricted by the mounting posture, without causing convection even as a shunt structure. It is aimed.
この発明のフローセンサは、薄膜基板上に形成された検出を行う薄膜抵抗体の1個又は複数個の組合せを検出流路内に設置して、流体の薄膜抵抗体に対する熱作用を検出するものにおいて、前記検出流路を、前記薄膜基板の平面部を流路に含んでU字状に形成し、このU字状の互いに平行な流路部分の前記平面部分に、それぞれ1組の薄膜抵抗体を設置している。 In the flow sensor of the present invention, one or a plurality of combinations of thin film resistors for detection formed on a thin film substrate are installed in a detection flow path to detect a thermal action of a fluid on the thin film resistor. The detection flow path is formed in a U shape including the flat portion of the thin film substrate in the flow path, and a pair of thin film resistors is provided on the flat portions of the U-shaped parallel flow path portions. The body is installed.
この発明のフローセンサにおいて、平行部分に設置された両薄膜抵抗体組合せは、発熱の形を互いに等しくなるようにする。例えば、双方の対応する薄膜抵抗体の形を同形状にすれば良い。 In the flow sensor of the present invention, the combination of the two thin film resistors installed in the parallel portion makes the heat generation form equal to each other. For example, the shape of the corresponding thin film resistors may be the same.
この発明のフローセンサにおいて、双方の検出出力を互いに加算する。 In the flow sensor of the present invention, both detection outputs are added to each other.
この発明のフローセンサにおいて、薄膜抵抗体は、ヒータ兼検出用であり、自己発熱型のものであっても良い。 In the flow sensor of the present invention, the thin film resistor is for detection as a heater and may be of a self-heating type.
また、この発明のフローセンサにおいて、薄膜抵抗体は、検出用とヒータ用とを備える傍熱型であっても良い。 In the flow sensor of the present invention, the thin film resistor may be an indirectly heated type including a detector and a heater.
この傍熱型のフローセンサでは、前記ヒータ用の薄膜抵抗体は、上流側と下流側のそれぞれの流路部分で1組の検出用薄膜抵抗体の間に配置すると良い。 In this indirectly heated flow sensor, the thin film resistor for the heater may be disposed between a pair of thin film resistors for detection in the respective flow path portions on the upstream side and the downstream side.
この発明によれば、流路のU字の平行部分に、それぞれ1組の発熱形式の薄膜抵抗体を配置することで、垂直置きにし、流れ無しの場合でも、検出部周辺で温められた流体の垂直方向に移動する力が平衡するので、センサ流路にバイパスなどの流路が並設されても、対流による循環流が起こらない。また、前記姿勢において、平行部分双方の薄膜抵抗体組合せの検出出力を加算することにより、双方の流量感度は倍増し、双方の対流による出力誤差は相殺される。 According to the present invention, a pair of heat generation type thin film resistors are arranged in the U-shaped parallel portion of the flow path, respectively, so that the fluid heated in the vicinity of the detection unit even in the case of no vertical flow. Therefore, even if a flow path such as a bypass is provided in parallel with the sensor flow path, a circulation flow due to convection does not occur. Further, in the above posture, by adding the detection outputs of the combination of the thin film resistors in both the parallel portions, the flow sensitivity of both is doubled, and the output error due to both convections is canceled out.
更に、上流側流路の薄膜抵抗体と下流側流路の薄膜抵抗体を一平面部に形成することで、簡素化ができ、また形成位置を圧倒的に小さくできるので、より小型化が実現できる。 Furthermore, by forming the thin film resistor in the upstream flow channel and the thin film resistor in the downstream flow channel on one flat surface, it can be simplified and the formation position can be overwhelmingly reduced, resulting in further downsizing. it can.
以下、実施の形態により、この発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.
図1、図2、図3は、この発明の一実施形態フローセンサ1の概略構成を示す図であり、図1はこの実施形態フローセンサ1の正面図、図2は同フローセンサ1の裏面図、図3は図1のX−X’で切断した断面図である。この実施形態フローセンサ1は、上部筐体2と下部筐体3が接合される。
1, 2, and 3 are diagrams showing a schematic configuration of a
下部筐体3には表面にシリコン基板(センサチップ)11が設けられるとともに、検出流路10の入口と出口となる貫通孔20が設けられている。一方、上部筐体2には形状が平面視してU字である部分を有した溝穴10が形成され、この上部筐体2の溝穴10の形成面と下部筐体3のシリコン基板11の面とを接合し、U字状の流路10を形成している。U字状の流路10の両端が、下部筐体3の貫通孔20に連通している。したがって、貫通孔20は、フローセンサ1の流体の入口と出口を構成している。この実施形態フローセンサ1の要部を構成するU字状の流路10、シリコン基板11は、図1に破線で示している。
The
上部筐体2には、外部からシリコン基板11まで連通する貫通孔13を有する。この貫通孔13より、電極9に接続するためのリード線が挿通され、貫通孔13を導電性接着材等で封止する。図4は同実施形態フローセンサ1のシリコン基板11の表面図、図5は同実施形態フローセンサ1の上部筐体2をシリコン基板11の表面に平行に切断した一部断面図である。シリコン基板11の上面(表面)には、図4、図5に示すように、上流側の薄膜抵抗体6a、6bと下流側の薄膜抵抗体7a、7bが形成配置されている。
The
上部筐体2には、U字状部10aと、U字状先端で外方に向けられた入口10b、出口10cを有する溝10を有し、この上部筐体2の溝10をシリコン基板11の表面とを向かい合わせて接合すると、図1、図3に示すようにU字状の検出流路10が形成される。上部筐体2は、樹脂、ガラス、半導体、金属材他で構成され、機械加工又は金型による成型又は半導体基板をマイクロマシン技術で製作する。シリコン基板11が載置埋設される下部筐体3も同様の材料で構成されている。シリコン基板11の薄膜抵抗体6a、6bは、検出流路10の上流側に、薄膜抵抗体7a、7bは検出流路10の下流側に位置するように配置される。これら薄膜抵抗体6a、6b、7a、7bはヒータ用と検出用を兼用している。 シリコン基板11における薄膜形成は、周知マイクロマシン技術によって製作する。薄膜抵抗体6a、6b及び7a、7bの近傍に、この下方部に空洞を形成するための異方性エッチング用のホール(図4の斜線部)を形成している。このホール8は、保護膜、絶縁膜を、例えばウェットエッチングやRIE等で除去して形成する。その後、例えばTMAHのエッチャントでシリコンの異方性エッチングを行うことで、図6、図7に示される長穴(空洞)12を形成できる。この長穴12の上方に、絶縁膜と保護膜に挟まれた薄膜抵抗体6a、7b、7a、7bが形成されている。シリコン基板11に空洞12を設けることにより、薄膜抵抗体6a、7b、7a、7bを有する薄膜部の熱絶縁性が確保できる。
The
薄膜抵抗体6a、6b、7a、7bは、図4に示すように、上流側流路の上流側の薄膜抵抗体6aと、下流側流路の上流側の薄膜抵抗体7aが直列に接続され、また上流側流路の下流側の薄膜抵抗体6bと下流側流路の下流側の薄膜抵抗体7bが直列に接続されている。これは双方の薄膜抵抗体の検出出力を互いに加算する方法の基本的な一例であり、検出回路を減らし、簡素化できる有効な手段である。但し、この図4の表面図は、薄膜抵抗体から薄膜抵抗体、薄膜抵抗体から電極への配線を簡略化して描いている。実際、この部分の配線は、直接検出には関連しない部分であり、電気的接続機能のため、出来るだけ抵抗値が小さく、上下流の抵抗差の小さくなるように形成するような配線パターンとする。
As shown in FIG. 4, the
この実施形態における薄膜抵抗体6a、6b、7a、7bは、ブリッジ回路接続として、図8の(b)が使用できる。この回路は薄膜抵抗体6a、7aの直列回路と、薄膜抵抗体6b、7bの直列回路とを、一端で直接接続している。もちろん、薄膜抵抗体6a、7aの直列接続と、薄膜抵抗体6b、7bの直列接続で、直接ブリッジ回路を構成しない配線パターンに変更して、図9に示すように、それぞれ上流側と下流側で個別にヒータ駆動兼温度差検出回路を構成しても良い。また、図8の(a)のように、薄膜抵抗6a、6bで上流側流路のブリッジ回路を構成し、下流側流路のブリッジ回路として、図8の(a)に示す回路の6a、6bを、7a、7bに代えた別の回路を使用しても良い。
The
上記のように、上流側流路の上流側薄膜抵抗体と下流側流路の上流側薄膜抵抗体を直列接続し、上流側流路の下流側薄膜抵抗体と下流側流路の下流側薄膜抵抗体を直列接続することによって、直列接続しない場合に比し、電力消費が若干大となるが、感度が倍になる。 As described above, the upstream thin film resistor of the upstream flow channel and the upstream thin film resistor of the downstream flow channel are connected in series, and the downstream thin film resistor of the upstream flow channel and the downstream thin film of the downstream flow channel By connecting the resistors in series, the power consumption is slightly higher than in the case of not connecting them in series, but the sensitivity is doubled.
この実施形態フローセンサ1において、図18は従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサの形状であるが、この実施形態フローセンサ1に当てはめて検討すると、30aに6a、6bが、30bに7a、7bが位置され、薄膜抵抗体6a、7aが上流、薄膜抵抗体6b、7bが下流抵抗体となる。ここで、18の(b)に示すようU字流路が水平となるよう配置した場合の(b)は当然問題なし。18の(a)に示すようにU字流路が垂直となるように設置した場合は、薄膜抵抗体6a、6b及び7a、7bによって暖められた周囲の流体は対流により垂直上部ほど高い温度となるが、周囲検出出力は薄膜抵抗体6a、6bではプラス側へシフトし、薄膜抵抗体7a、7bではマイナス側にシストする。それぞれ1組の薄膜抵抗体は同形状で、発熱状態も等しくしているので、この出力を加算することで、検出出力全体のシフトがキャンセルされる。
In the
この実施形態フローセンサと本発明者が比較用に作成したフローセンサ〔図16の(b)〕とを比較するため、図13に示すガスラインで、それぞれ感度特性と応答特性を測定した。図13は、テスト用流体をMFC(マス・フロー・コントローラ)41、パイプ42を介して、サンプルフローセンサ(被測定フローセンサ)43に与え、特性測定を行う場合を示している。その測定結果は、応答特性が図12に示すように、ほとんど変わらない(a:本実施形態フローセンサ、b:比較用フローセンサ)のに、感度特性では、図11に示すように(特性a)、この実施形態フローセンサの方が高感度の結果が得られた。
In order to compare the flow sensor of this embodiment with the flow sensor [FIG. 16 (b)] created by the present inventor for comparison, the sensitivity characteristic and the response characteristic were measured with the gas lines shown in FIG. FIG. 13 shows a case where a test fluid is supplied to a sample flow sensor (measured flow sensor) 43 via an MFC (mass flow controller) 41 and a
また、図14に示す図18形状の従来の、設置姿勢に制限を持たせないフローセンサの感度特性と、図11の感度特性を比較すると、図14では低流速域での感度が低いのに対し、この実施形態フローセンサでは、低流速域での感度が非常に高くなっている。これは従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサは1組の薄膜抵抗体が形状的に接近して形成するのが難しいため、低流速域では上流側の薄膜抵抗体で奪われた熱が下流側の薄膜抵抗体へ伝わる前に冷めてしまうことが原因にある。しかし、この実施形態フローセンサは1組の薄膜抵抗体が接近して形成できるため、低流速域でも十分に熱授受が可能となり、高感度となる。これは低流速域での精度向上には非常に有利となる。 In addition, when comparing the sensitivity characteristics of the conventional flow sensor having the shape of FIG. 18 shown in FIG. 14 that does not restrict the installation posture with the sensitivity characteristics of FIG. 11, the sensitivity in the low flow velocity region is low in FIG. On the other hand, in the flow sensor of this embodiment, the sensitivity in the low flow velocity region is very high. This is because it is difficult for a conventional flow sensor that has no restrictions on the installation posture to form a pair of thin film resistors close to each other in shape. This is due to cooling before being transmitted to the thin film resistor on the downstream side. However, since the flow sensor of this embodiment can be formed close to a pair of thin film resistors, it can sufficiently transfer heat even in a low flow rate region, and has high sensitivity. This is very advantageous for improving the accuracy in the low flow velocity region.
図15は、この発明の他の実施形態を示す図である。この図15は上記図1〜図3の実施形態フローセンサの図5に対応するものであり、この実施形態フローセンサ1のシリコン基板11に平行に上部筐体2を切断した横断面図である。この実施形態フローセンサ1は、シリコン基板(下部筐体3の上面に埋設された)11と上部筐体2とから構成される点、上部筐体2にはU字状部10aとし、U字状先端で外方に向けられた入口10b、出口10cの溝10を有し、この上部筐体2の溝10をシリコン基板11の表面に向かい合わせて接合することは、図4、図5に示すフローセンサと同様である。
FIG. 15 is a diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 15 corresponds to FIG. 5 of the embodiment flow sensor of FIGS. 1 to 3 described above, and is a cross-sectional view in which the
この実施形態フローセンサでは、図4、図5に示すフローセンサと相違して、シリコン基板11の上面の検出流路10の上流側に薄膜抵抗体6a、6b、6cと、下流側に薄膜抵抗体7a、7b、7cを形成したことである。上流側と下流側で、それぞれの中心にヒータ用の薄膜抵抗体6c、7cを配置し、その同薄膜上の上下流に温度検出用の薄膜抵抗体6a、6b、7a、7bを配置している。この実施形態フローセンサの薄膜抵抗体6a、6b、6c及び7a、7b、7cは、例えば図10に示す検出、駆動回路を使用すると良い。
In the flow sensor of this embodiment, unlike the flow sensors shown in FIGS. 4 and 5, the
これにより、設置姿勢の垂直水平に係わらず、熱分布を平衡に保つことができる。また、上流同士の薄膜抵抗体6aと7a、下流同士の薄膜抵抗体6bと7b、更にヒータ同士の薄膜抵抗体6cと7cを直列に接続することで、駆動回路を簡素化できる。
As a result, the heat distribution can be kept in balance regardless of the vertical and horizontal orientation of the installation posture. Moreover, the drive circuit can be simplified by connecting the
ここで、実施形態フローセンサと従来のフローセンサの設置姿勢による影響を比較するために、図16の(a)に示す実施形態フローセンサと図16の(b)に示す比較用フローセンサ(いずれも分流型)を用い、傾斜影響が大きく現れる流体SF6(六フッ化イオウ)を用い、封入圧力:0.1MPaと、0.2MPaで、図16の辺A、B、C、Dに着目し、(1)C手前−A奥〔水平、基準姿勢〕、(2)B上−D下〔垂直〕、(3)D上−B下〔垂直〕、(4)A上−C下〔垂直〕の4つの姿勢で、その影響を調べたところ、図17に示す結果が得られた。 Here, in order to compare the influence of the installation flow sensor of the embodiment and the conventional flow sensor, the embodiment flow sensor shown in FIG. 16A and the comparison flow sensor shown in FIG. Is also used. Fluid SF6 (sulfur hexafluoride) in which the influence of inclination appears greatly is used, and the enclosure pressures are 0.1 MPa and 0.2 MPa, and attention is paid to sides A, B, C, and D in FIG. , (1) C front-A back [horizontal, standard posture], (2) B top-D bottom [vertical], (3) D top-B bottom [vertical], (4) A top-C bottom [vertical] When the influences were investigated in the four postures, the results shown in FIG. 17 were obtained.
その結果は、基準姿勢であるC手前−A奥が0のとき、A上−C下の場合は、影響無しであるが、B上−D下、B下−D上の場合には、図16の(b)の従来の場合の影響を1とすると、図16の(a)の本発明の実施形態では−0.16、0.16と、実施形態のフローセンサの方が設置姿勢の影響が少ないという確認が得られた。 As a result, there is no effect in the case where the reference posture, C front-A back, is 0, and A up-C down, but in the case of B up-D down, B down-D, Assuming that the influence of the conventional case of 16 (b) is 1, in the embodiment of the present invention of FIG. 16 (a), −0.16 and 0.16, the flow sensor of the embodiment has an installation posture. It was confirmed that the impact was small.
1 フローセンサ
2 上部筐体
3 下部筐体
4 固定用穴
6、7 一対の薄膜抵抗体
6a、6b、6c、7a、7b、7c 薄膜抵抗体
8 エッチングホール
9 電極
10 流路
11 シリコン基板
12 空洞部
20 流路入口、出口用貫通穴
22 シール材
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記検出流路を、前記薄膜基板の平面部を流路に含んでU字状に形成し、このU字状の互いに平行な流路部分の前記平面部分に、それぞれ1組の薄膜抵抗体を設置したことを特徴とするフローセンサ。 In a flow sensor for detecting a thermal action of a fluid on a thin film resistor by installing one or more combinations of thin film resistors for detection formed on a thin film substrate in a detection flow path,
The detection flow path is formed in a U shape including the flat surface portion of the thin film substrate in the flow path, and a pair of thin film resistors are provided on the flat surface portions of the U-shaped parallel flow path portions. A flow sensor characterized by installation.
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