JP2006038787A - Flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路中を流れる流体の流量を測定する流量センサに関し、特に微少流量の測定に優れた流量センサに関する。 The present invention relates to a flow sensor for measuring a flow rate of a fluid flowing in a flow path, and particularly to a flow sensor excellent in measuring a minute flow rate.
流体の流量を測定する流量センサとして、流体によりヒータの熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出して流体の流量を検出する熱式流量センサが公知である。そして、このような熱式流量センサであって腐食性の被測定流体の流量を測定するのに適した特別な構造の流量センサも知られている(例えば、特許文献1参照)。かかる特許文献1に記載の流量センサは、図8及び図9に示すように、ベース90と、ベース上に被着されかつ流路の一部をなす凹み部100aを有したセンサチップ100を備えている。そして、この流量センサ9のベース90にはセンサチップ100の凹み部100aと協働して被測定流体の流路をなす第1流路91と第2流路92がセンサチップ100の凹み部底面100bに対して垂直に形成されている。なお、センサチップ100は例えば板厚が20μm〜150μm程度の薄肉部を形成する凹み部を備えた板厚0.2〜3mm程度のステンレス板でできており、薄肉部の流路側と反対側面に電気絶縁膜を形成し、その上に流体の流量測定用の上流側温度センサ111及び下流側温度センサ112が形成されるとともに、これらの温度センサ111,112に挟まれた位置にヒータ113が形成されている。また、電極パッドや配線用金属薄膜(図8及び図9では図示せず)がこれらの温度センサ111,112やヒータ113の適所に形成されている。
As a flow rate sensor for measuring the flow rate of a fluid, a thermal flow rate sensor that detects a flow rate of a fluid by detecting a change in electric power or a change in resistance due to heat deprived by the fluid is known. A flow sensor having a special structure suitable for measuring the flow rate of a corrosive fluid to be measured is also known (see, for example, Patent Document 1). As shown in FIGS. 8 and 9, the flow sensor described in Patent Document 1 includes a
そして、かかる流量センサ9においては、ヒータ113の発熱が主にセンサチップ100の薄肉部を伝わってセンサチップ100の上流側温度センサ形成領域と下流側温度センサ形成領域に熱伝導されるが、被測定流体が流路を流れることで流量に応じて上流側温度センサ111と下流側温度センサ112との間に温度差が生じ、この温度差を出力感度として取り出し、流量を測定するようになっている。なお、このようにセンサチップ100に薄肉部を形成する凹み部を備えたステンレス板を用いるとともにセンサ形成面の反対側を流路とすることで、被測定流体が腐食性流体であっても長期間にわたって流量測定ができるようにしている。
In such a
特許文献1に記載された流量センサでは、図8及び図9に示すように、センサチップ100の上流側温度センサ111よりもさらに上流側に第1流路91のセンサチップ側開口部91aが形成されるとともに、センサチップ100の下流側温度センサ112よりもさらに下流側に第2流路92のセンサチップ側開口部92aが形成されている。そして、流路の一部をなすセンサチップ100の凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分から下流側温度センサ裏側部分においては、被測定流体がセンサチップ凹み部底面(図中凹み部上面)100bに沿って平行に流れるようになっている(図8中、中央の矢印参照)。
In the flow sensor described in Patent Document 1, as shown in FIGS. 8 and 9, the sensor chip side opening 91 a of the
しかしながら、このように被測定流体が流路のセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ111と下流側温度センサ112が形成された裏側部分に沿って平行に流れていると、上流側温度センサ111の温度が比較的低下しにくい一方、下流側温度センサの温度は一旦上昇するが再び低下しやすい傾向にある。すなわち、上流側温度センサ111の温度が流量の増減に応じて変化しにくく、下流側温度センサ112の温度も後述する極大温度に達しやすい。そのため、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112との間に温度差が生じにくい。特に、被測定流体が微少流量の場合、このような流路構造では、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112との温度差が生じにくく、正確な流量測定を行いにくい問題がある。
However, when the fluid to be measured flows in parallel along the back side portion where the
本発明の目的は、流路中を流れる流体の流量を正確に測定する流量センサであって、特に微少流量の測定を正確に行うのに適した流量センサを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a flow sensor that accurately measures the flow rate of a fluid flowing in a flow path, and particularly suitable for accurately measuring a minute flow rate.
上述の課題を解決するために、本発明による流量センサは、ベースと、前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第1流路と第2流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、前記センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に前記第1流路のセンサチップ側開口部が対応するように形成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, a flow sensor according to the present invention is a sensor chip having a base and a dent on one surface, which is attached on the base, on the side surface opposite to the dent of the sensor chip. A first flow path and a second flow path having a heater and a sensor chip including an upstream temperature sensor and a downstream temperature sensor and forming a flow path of the fluid to be measured in cooperation with the recess of the sensor chip. In the flow rate sensor in which the path is formed in the base, the sensor chip side opening of the first flow path is formed so as to correspond to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess or the vicinity thereof. It is characterized by.
第1流路のセンサチップ側開口部がこのように形成されることで、この開口部からの被測定流体の流れがセンサチップ凹み部底面の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域にあたり、流量が増えるに応じてセンサチップの上流側温度センサを効率的に冷やすことができる。これによって、上流側温度センサの温度が流量の増減に応じて大きく変化するようになる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度が高まり、たとえ微少流量であっても流量に応じた測定を正確に行えるようになる。 By forming the sensor chip side opening of the first flow path in this way, the flow of the fluid to be measured from this opening hits the upstream side temperature sensor back side portion or the vicinity thereof on the bottom surface of the sensor chip recess, and the flow rate As the temperature increases, the temperature sensor upstream of the sensor chip can be efficiently cooled. As a result, the temperature of the upstream temperature sensor changes greatly according to the increase or decrease of the flow rate. As a result, the temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor is likely to change according to the flow rate, the output sensitivity according to the flow rate is increased, and even if the flow rate is very small, the measurement according to the flow rate can be performed accurately. It becomes like this.
また、本発明の請求項2に記載の流量センサは、ベースと、前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第1流路と第2流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、前記第2流路のセンサチップ側開口部の上流側端面が前記下流側温度センサの形成領域よりも上流側となるように前記ベースに形成されたことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a flow rate sensor comprising a base and a sensor chip attached on the base and having a concave portion on one surface, and a heater on a side surface opposite to the concave portion of the sensor chip. And a first flow path and a second flow path that form a flow path of the fluid to be measured in cooperation with the recess portion of the sensor chip. In the flow sensor formed in the base, the upstream end surface of the sensor chip side opening of the second flow path is formed in the base so that it is upstream from the formation region of the downstream temperature sensor. It is characterized by.
第2流路のセンサチップ側開口部がこのように形成されていることで、被測定流体の流速がセンサチップ凹み部底面の下流側温度センサ裏側部分やその近傍領域において急激に低下し、流量が増えてもセンサチップの下流側温度センサが冷やされにくくなる。これによって、下流側温度センサの形成領域が極大温度に達しにくくなるとともに、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。 Since the sensor chip side opening of the second flow path is formed in this way, the flow velocity of the fluid to be measured is rapidly decreased in the downstream side temperature sensor back side portion of the bottom surface of the sensor chip recess and in the vicinity thereof. Even if the temperature increases, the temperature sensor on the downstream side of the sensor chip is hardly cooled. This makes it difficult for the downstream temperature sensor formation region to reach the maximum temperature, and the temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor is likely to change according to the flow rate, increasing the output sensitivity according to the flow rate, Even if the flow rate is very small, accurate flow rate measurement can be performed.
また、本発明の請求項3に記載の流量センサは、請求項1に記載の流量センサにおいて、前記第1流路のセンサチップ側開口部の開口面積が前記上流側温度センサの形成面積とほぼ同等かそれ以下の大きさとすることを特徴としている。
The flow rate sensor according to
このような構成とすることで、被測定流体が第1流路の開口部からセンサチップ凹み部底面に向かって噴流となって噴き出し、センサチップの上流側温度センサに対応する凹み部底面又はその近傍領域に直接当たるようになる。そのため、流量が増えるに応じてセンサチップの上流側温度センサをより効率的に冷やすことができる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じてより変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であってもより正確な流量測定を行えるようになる。 With such a configuration, the fluid to be measured is ejected as a jet from the opening of the first channel toward the bottom surface of the sensor chip recess, and the bottom surface of the recess corresponding to the upstream temperature sensor of the sensor chip or its It hits the neighboring area directly. Therefore, the upstream temperature sensor of the sensor chip can be cooled more efficiently as the flow rate increases. As a result, the temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor is more likely to change according to the flow rate, increasing the output sensitivity according to the flow rate, so that even if the flow rate is very small, more accurate flow rate measurement can be performed. become.
また、本発明の請求項4に記載の流量センサは、請求項1又は請求項3に記載の流量センサにおいて、前記第1流路のセンサチップ側開口部には前記センサチップの凹み部底面近傍まで端面が突出した突き出し部が形成されていることを特徴としている。
The flow rate sensor according to
第1流路のセンサチップ側開口部から流れ出す被測定流体をセンサチップの上流側温度センサに対応する凹み部底面に確実にあてることができ、流量が増えるに従って上流側温度センサを確実に冷やすことができるようになる。 The fluid to be measured flowing out from the sensor chip side opening of the first channel can be reliably applied to the bottom surface of the recess corresponding to the upstream temperature sensor of the sensor chip, and the upstream temperature sensor is reliably cooled as the flow rate increases. Will be able to.
また、本発明の請求項5に記載の流量センサは、請求項1、請求項3、請求項4の何れかに記載の流量センサにおいて、前記第1流路が当該第1流路のセンサチップ側開口部から前記センサチップ凹み部の流路上流方向に対して鋭角をなすように形成されるとともに、当該第1流路の中心軸線が前記センサチップの上流側温度センサの形成面又はその近傍領域と交差するように形成されていることを特徴としている。 A flow rate sensor according to a fifth aspect of the present invention is the flow rate sensor according to any one of the first, third, and fourth aspects, wherein the first flow path is a sensor chip of the first flow path. A side opening is formed so as to form an acute angle with respect to the upstream direction of the flow path of the sensor chip recess, and the central axis of the first flow path is formed on the upstream side of the sensor chip or in the vicinity thereof It is characterized by being formed so as to intersect the region.
第1流路がこのように形成されていることで、第1流路のセンサチップ側開口部から流れ出た被測定流体がセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に吹き付けられた後にセンサチップ凹み部にとどまることなく流路の下流側に円滑に流れていく。これによって、センサチップの凹み部において流路の上流側に被測定流体の滞留が生じることもなくなる。その結果、上流側温度センサと下流側温度センサの温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。 Since the first flow path is formed in this way, the fluid to be measured flowing out from the sensor chip side opening of the first flow path is sprayed to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess or the vicinity thereof. After that, it flows smoothly downstream of the flow path without staying in the sensor chip recess. As a result, the fluid to be measured does not stay on the upstream side of the flow path in the recess of the sensor chip. As a result, the temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor is likely to change according to the flow rate, increasing the output sensitivity according to the flow rate, and enabling accurate flow measurement even at very small flow rates. .
本発明の流量センサによると、流路中を流れる流体の流量を正確に測定でき、特に微少流量の測定を正確に行うことが可能となる。 According to the flow rate sensor of the present invention, it is possible to accurately measure the flow rate of the fluid flowing in the flow path, and in particular, it is possible to accurately measure a minute flow rate.
以下、本発明の一実施形態にかかる流量センサについて図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる流量センサ1は、図1及び図2に示すようにベース10と、ベース上にレーザー溶接等によって被着されかつ流路の一部をなす凹み部100aを有したセンサチップ100を備えている。そして、ベース10にはセンサチップ100の凹み部100aと協働して被測定流体の流路をなす第1流路11と第2流路12がセンサチップの凹み部底面100b(図1においては凹み部上面)に対して垂直に形成されている。すなわち、センサチップ100をベース10に被着させることで、ベース10の第1流路11、センサチップ100の凹み部100a、ベース10の第2流路12の順に被測定流体が流れるようになっている(図1中、矢印参照)。なお、本実施形態及びその変形例においては、流量センサの流路を流れる被測定流体は、例えば半導体製造プロセスに使用するプロセスガスなどの気体とする。
Hereinafter, a flow sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the flow sensor 1 according to an embodiment of the present invention has a
センサチップ100は板厚が20μm〜150μm程度の薄肉部を形成する凹み部を備えたステンレス板でできており、薄肉部の流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を形成し、その上に流量測定用の上流側温度センサ111、下流側温度センサ112が形成されるとともに、これらの温度センサ111,112に挟まれた位置にヒータ113が形成されている。また、これらの温度センサ111,112やヒータ113の適所に電極パッド及び配線用金属薄膜(図示せず)が形成されている。
The
センサチップ100の凹み部100aは図2に示すように、上面視で両端が半円弧状をなすいわゆるトラック形状を有しており、例えばフォトリソグラフィー技術とエッチング技術、エンドミルまたその複合技術によって形成されている。フォトリソグラフィー技術とエッチング技術による場合、まず、ステンレス製のウエハの裏面全体にレジストをスピンコートなどによって塗布するか、ドライフィルムレジストを貼り付け、紫外線又は、電子線を照射してレジストにマスクパターンを転写露光する。次いで、露光されたレジストを現像液で現像し、レジストの不要部分を除去する。そして、露光された部分を残すか除去するかでネガ型レジスト又はポジ型レジストを選択する。レジストが除去された部分はウエハが露出しており、この露出している部分をウエットエッチング又はドライエッチングによって厚さが20μm〜150μm程度になるまで除去する。そして、残ったレジストを剥離、除去して洗浄し、凹み部100aを形成する。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬又はスプレーして少しずつ溶解させる。ドライエッチングの場合は、スパッタ、プラズマ等によってイオンや電子をウエハの裏面に照射し、少しずつ削っていくことで形成する。
As shown in FIG. 2, the
一方、凹み部100aの被測定流体と接しない反対側面(図1中、センサチップ100の上面)は鏡面研磨され、図示しない電気絶縁膜が所定の領域に形成されている。電気絶縁膜は、例えば厚さが数千オングストロームから数μm程度の薄い酸化シリコン(SiO2)膜、窒化シリコン膜、アルミナ、ポリイミド膜等によって形成される。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、CVDあるいはSOG(スピンオングラス)等により形成される。また、窒化シリコン膜は、スパッタリングやCVD等によって形成される。
On the other hand, the opposite side surface (the upper surface of the
また、電気絶縁膜の表面には、複数の電極パット及び配線用金属薄膜を含む上流側温度センサ111、下流側温度センサ112、ヒータ113に加えて周囲温度センサ(図示せず)がセンサデバイス110として周知の薄膜成型技術によって形成されている。センサデバイス110は、例えば、白金等の材料を電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成される。また、上流側温度センサ111、下流側温度センサ112、ヒータ113及び周囲温度センサは、配線用金属薄膜を介して電極パットにそれぞれ電気的に接続されている。なお、各電極パットは、ここでは詳細には図示しないが、センサチップ100とベース10との当接部周囲を例えばレーザーなどで溶接した後、センサチップ100の近傍に設けたプリント配線板の電極端子にボンディングワイヤを介して接続されるようになっている。
In addition to the
ヒータ113は(周知の制御回路により)周囲温度センサで検出された温度よりも、ある一定温度高く制御されるようになっている。上流側温度センサ111及び下流側温度センサ112はブリッジ回路をなし、ヒータ113の発熱による熱が熱伝導によってセンサチップ100の薄肉部を介して温度センサ111,112に伝わり、被測定流体の流れに伴う強制対流(熱伝達)によって上流側温度センサ111の形成領域と下流側温度センサ112の形成領域とで両温度センサ111,112における熱バランスが崩れ、各温度センサ111,112の抵抗値が互いに異なって変化することで、この抵抗値変化量の差を上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差すなわち被測定流体の流量として検出するようになっている。
The
一方、ベース10は、センサチップ100と同様にステンレスでできており、図1及び図2に示すように、厚さが例えば5mmの細長い上面視矩形の板体からなる。そして、上述したように流路の一部をなす2つの貫通孔である第1流路11及び第2流路12がセンサチップ凹み部裏面100bに垂直な向きで並行して穿設されている。なお、第1流路11及び第2流路12は、例えばドリルなどを用いた機械加工によって形成されている。また、第1流路11のセンサチップ側開口部11aはセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分101b(図1参照)に対応する位置に形成されている。そして、第1流路11のセンサチップ側開口部11aは上面視で円形を有し(図2参照)、上流側温度センサ111及びその近傍領域を含む開口面積を有している。一方、第2流路12のセンサチップ側開口部12aは上面視で楕円に近いトラック形状をなし、その開口面積は第1流路11のセンサチップ側開口部11aの開口面積よりもかなり大きくなっている。そして、第2流路12のセンサチップ側開口部12aの上流側端面12b(図2参照)は下流側温度センサ112の形成領域よりも上流側に形成され、かつそのセンサチップ側開口部12aの下流側端面12c(図2参照)は下流側温度センサ112の形成領域よりもかなり下流側に形成されている。これによって、被測定流体は第1流路11のセンサチップ側開口部11aから上流側温度センサ111に向かって噴流となって勢い良く吹き出し、このセンサチップ側開口部11aからの噴流がセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分101b又はその近傍領域に吹き付けられ、センサチップ凹み部100aのヒータ裏側部分103b(図1参照)に沿って流れ、一部が下流側温度センサ裏側部分102b(図1参照)に達するととともに、残りが第2流路12のセンサチップ側開口部12aから第2流路内に流れ込む。その結果、被測定流体の流れが下流側温度センサ裏側部分102bにおいて緩流となる。
On the other hand, the
第1流路11のセンサチップ側開口部11aがこのように形成されていることで、被測定流体の流量が増えるに応じて上流側温度センサ111への噴流の吹き付け作用によって上流側温度センサ111を効率的に冷やすことができるようになる。
Since the sensor
また、第2流路12のセンサチップ側開口部12aがこのように形成されていることで、センサチップ凹み部100aの下流側温度センサ裏側部分102bにおける被測定流体の流速が低下し、流量が増えても下流側温度センサ112が冷やされにくくなる。その結果、下流側温度センサ112の形成部分が極大温度に達しにくくなり、測定可能な流量域が従来に比べて広くなる。なお、ここでいう極大温度とは以下の温度、すなわち流量の増加に応じて下流側温度センサ112の温度はいったん上昇するが、さらに流量が増加することで、下流側温度センサ112も上流側温度センサと同様に被測定流体によって冷やされて温度上昇しなくなり、下降に転じる温度である。
In addition, since the sensor
これによって、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても流量に応じた正確な測定が可能となる。
As a result, the temperature difference between the
続いて、上述した実施形態の様々な変形例について説明する。まず、上述した実施形態の第1の変形例について図3に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の構成は対応する符号を付して詳細な説明を省略する。 Subsequently, various modifications of the above-described embodiment will be described. First, a first modification of the above-described embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the structure similar to embodiment mentioned above attaches | subjects a corresponding code | symbol, and abbreviate | omits detailed description.
第1の変形例にかかる流量センサ2は、上述の実施形態とは異なり、第1流路21にステンレスでできた細長円筒体25を圧入し、細長円筒体25のセンサチップ側端部をセンサチップ側開口部21aから若干突出させて突き出し部25aを形成させている。そして、突き出し部25aの先端はセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分101bに当接することなくわずかな隙間をあけて位置している。なお、この突き出し部25aを、ベース20の第1流路21に細長円筒体25をそのセンサチップ側端面を上述した位置まで圧入することによって形成する代わりに、ベース20のセンサチップ側接合面を例えばエンドミルなどを用いて機械加工により円筒状の突き出し部のみを残すように形成しても良い。
Unlike the above-described embodiment, the
このような構造を有することによって、第1流路21から流れ出る噴流をセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分101bに効率的に吹き付けることができ、流量の増加に応じて上流側温度センサ111を効果的に冷やすことができるようになる。その結果、流量の増加に応じて上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差を大きくすることができ、これによってたとえ微少流量であっても正確な流量測定を可能とする。
By having such a structure, the jet flow flowing out from the
続いて、上述した本実施形態の第2の変形例について図4に基づいて説明する。第2の変形例にかかる流量センサ3は第1流路31が当該第1流路31の開口部31aより上流側に向けてセンサチップ凹み部100aの流路上流方向に対して鋭角をなすように形成されるとともに(図4中、90°より小さい鋭角である角度α参照)、第1流路31の中心軸線がセンサチップ100の上流側温度センサ111の形成位置(上流側温度センサ裏側部分101b)と交差するように形成されている(図4中の中心軸線CL参照)。
Next, a second modification of the present embodiment described above will be described with reference to FIG. In the
第1流路31がこのように形成されていることで、第1流路31のセンサチップ側開口部31aから流れ出る被測定流体がセンサチップ凹み部底面100bの上流側温度センサ裏側部分101bにあたった後にその場にとどまることなく下流側に円滑に流れていく。これによって、センサチップの凹み部100aの上流側に被測定流体の滞留が生じることがなくなる。その結果、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
By forming the
続いて、上述した実施形態の第3の変形例について図5に基づいて説明する。第3の変形例にかかる流量センサ4は、ベース40に形成された第2流路42が、上述の実施形態及びその変形例とは異なりセンサチップ100の凹み部底面100bに沿って延在形成されている。そして、下流側温度センサ112とヒータ113との間に段部42sを設けることによって、この第2流路42の流路断面積が段部42sから下流側に急激に大きくなっている。これによって、被測定流体が同一流量であってもその流速がこの段部から下流側において急激に低下し、センサチップ凹み部底面100bの下流側温度センサ裏側部分102bにおける被測定流体の流速も低下し、下流側温度センサ112が冷やされにくくなる。また、ベース40の第1流路41は上述の実施形態と同様にそのセンサチップ側開口部41aの開口面積が上流側温度センサ111の形成面積とほぼ同等の大きさに形成されているので、第1流路41のセンサチップ側開口部41aから流れ出る被測定流体が噴流となってセンサチップ凹み部底面100bの上流側温度センサ裏側部分101bに吹き付けられ、上流側温度センサ111を効果的に冷やすことができる。これらによって、下流側温度センサ112の形成部分が極大温度に達しにくくなるとともに、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差が流量に応じて変化しやすくなり、流量に応じた出力感度を高め、たとえ微少流量であっても正確な流量測定を行えるようになる。
Then, the 3rd modification of embodiment mentioned above is demonstrated based on FIG. In the
上述した図1に示す実施形態にかかる流量センサ1と従来例として記載した流量センサとの流量検出特性を比較する評価試験シミュレーションを行ったので、このシミュレーション結果について説明する。図6はかかるシミュレーション結果を示した流量検出特性図であり、この検出特性図において横軸は各流量センサの流路を流れる流量を示し、縦軸は下流側温度センサの測定温度と上流側温度センサの測定温度の温度差を示している。なお、この温度差が全流量域において大きければ大きいほど、流量の増減に応じた検出感度が優れていることを表している。 Since the evaluation test simulation for comparing the flow rate detection characteristics of the flow rate sensor 1 according to the embodiment shown in FIG. 1 and the flow rate sensor described as the conventional example was performed, the simulation result will be described. FIG. 6 is a flow rate detection characteristic diagram showing the simulation results. In this detection characteristic diagram, the horizontal axis indicates the flow rate flowing through the flow path of each flow sensor, and the vertical axis indicates the measured temperature and upstream temperature of the downstream temperature sensor. The temperature difference of the measured temperature of the sensor is shown. In addition, it shows that the detection sensitivity according to the increase / decrease in flow volume is excellent, so that this temperature difference is large in the whole flow area.
かかるシミュレーション結果から明らかなように、従来例の流量センサに較べて本実施形態にかかる流量センサの方が全ての流量域において2倍以上の検出感度を有することが分かった。そして、特に微少流量においては両者の間でこの検出感度が大きく異なり、被測定流体が微少流量の場合には、本実施形態における流量センサを用いれば極めて高感度な測定が可能であることが分かった。 As is apparent from the simulation results, it was found that the flow rate sensor according to the present embodiment has a detection sensitivity that is twice or more higher in all flow ranges than the conventional flow rate sensor. The detection sensitivity differs greatly between the two, especially at a very small flow rate. When the fluid to be measured has a very small flow rate, it can be seen that the flow sensor in this embodiment can be used for extremely high sensitivity measurement. It was.
なお、上述の実施形態及びその変形例においては、第1流路のセンサチップ側開口面積がセンサチップの上流側温度センサの形成面積より若干大きい程度となる構成であったが、必ずしもこのように限定されず、第1流路のセンサチップ側開口面積が例えば上流側温度センサの形成面積と同等の開口面積を有するようにしても良く、若しくは図7に示すようにセンサチップ100の上流側温度センサ111及びその近傍領域を十分含む程度まで大きくても良い。このような構成であっても、第1流路51のセンサチップ側開口部51aから流れ出る被測定流体がセンサチップ凹み部100aの上流側温度センサ裏側部分101b及びその近傍領域に吹き付けられ、図8及び図9に示す従来の流量センサ9よりも上流側温度センサ111をより冷やすことが可能となる。これによって、上流側温度センサ111と下流側温度センサ112の温度差をいかなる流量域においても十分に生じさせることができ、正確な流量測定を可能とする。
In the above-described embodiment and its modification, the sensor chip side opening area of the first flow path is slightly larger than the formation area of the upstream side temperature sensor of the sensor chip. Without limitation, the sensor chip side opening area of the first flow path may have, for example, an opening area equivalent to the formation area of the upstream temperature sensor, or the upstream temperature of the
なお、図7に示す構成は、第1流路51と第2流路52がセンサチップ100のヒータ形成部に関して図中左右対称に形成されている。また、センサチップ上の上流側温度センサ111と下流側温度センサ112もセンサチップ100のヒータ形成部に関して図中左右対称に形成されている。このような対称構造を有することで、被測定流体が逆流した場合(図中矢印の逆方向から被測定流体が流れた場合)であっても、逆流した被測定流体の流量を測定可能である。
In the configuration shown in FIG. 7, the
以上説明したように、本発明にかかる流量センサの基本原理はセンサチップの上流側温度センサ形成領域に対応するセンサチップ凹み部底面に被測定流体の流れを積極的にあてるとともに、下流側温度センサ形成領域に対応するセンサチップ凹み部底面では流速を低くしたことにある。また、ベースの流路断面積を変えることで、センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分にあたる被測定流体の流速をセンサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分における流速よりも高くした。このように上流側温度センサにおける流速が高くなることで上流側温度センサにおける強制対流伝達が大きくなり、下流側温度センサにおける流速が低くなることで下流側温度センサにおける強制対流伝達が小さくなる。 As described above, the basic principle of the flow sensor according to the present invention is that the flow of the fluid to be measured is positively applied to the bottom surface of the sensor chip recess corresponding to the upstream temperature sensor formation region of the sensor chip, and the downstream temperature sensor This is because the flow velocity is lowered at the bottom surface of the sensor chip recess corresponding to the formation region. In addition, by changing the cross-sectional area of the flow path of the base, the flow rate of the fluid to be measured corresponding to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess is made higher than the flow rate of the downstream temperature sensor back side portion of the sensor chip recess. Thus, the forced convection transmission in the upstream temperature sensor increases as the flow velocity in the upstream temperature sensor increases, and the forced convection transmission in the downstream temperature sensor decreases as the flow velocity in the downstream temperature sensor decreases.
これによって、上流側温度センサは冷やされやすく、下流側温度センサが冷やされにくくなり、下流側温度センサの形成領域が極大温度に達しにくくするとともに、上流側温度センサと下流側温度センサとの流量に応じた検出温度差を大きくとれるようになった。 As a result, the upstream temperature sensor is easily cooled, the downstream temperature sensor is less likely to be cooled, the downstream temperature sensor formation region is less likely to reach the maximum temperature, and the flow rate between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor is low. The detected temperature difference according to the value can be increased.
また、その変形例として、薄肉部を形成する凹み部を備えたセンサチップにヒータや温度センサを備え、上流側温度センサに流速の高い被測定流体が直接あたるようにベースのセンサチップ側開口部を細く絞り、この開口部をセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分に対応するように配置した。 Further, as a modification, a sensor chip having a hollow part forming a thin part is provided with a heater or a temperature sensor, and the sensor chip side opening of the base so that the fluid to be measured having a high flow rate directly hits the upstream temperature sensor The opening was arranged so as to correspond to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess.
また、更なる変形例としてセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分に被測定流体をあてるために、ベースの第1流路のセンサチップ側開口部に突き出し部を備え、被測定流体の流出部を温度センサにより接近させた形状にすることで、上流側温度センサの強制対流による熱伝達を促進するようにした。 Further, as a further modification, in order to apply the fluid to be measured to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess, a protruding portion is provided at the sensor chip side opening of the first flow path of the base, and the fluid to be measured flows out. The heat transfer by forced convection of the upstream temperature sensor is promoted by making the part closer to the temperature sensor.
また、ベースの下流側流路である第2流路の流路構造を変えることで、下流側温度センサ近傍の被測定流体の流速を低くするようにした。 Further, the flow rate of the fluid to be measured in the vicinity of the downstream temperature sensor is lowered by changing the flow channel structure of the second flow channel that is the downstream flow channel of the base.
これらの変形例によってもセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分における強制対流による熱伝達が促進されるとともに、センサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分における強制対流による熱伝達が低減され、上流側温度センサと下流側温度センサの流量変化に対する温度差を大きくして出力感度を向上できるようになった。 These modifications also promote heat transfer by forced convection in the upstream temperature sensor backside portion of the sensor chip recess, and reduce heat transfer by forced convection in the downstream temperature sensor backside portion of the sensor chip recess, The output sensitivity can be improved by increasing the temperature difference with respect to the flow rate change between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor.
なお、上述した実施形態及びその第1の変形例、第3の変形例においては、第1流路をセンサチップ凹み部や第2流路に比べて全体的に絞った構成となっていたが、このように第1流路を全体的に絞る代わりに、センサチップ側開口部である吹き出し口のみを絞っても良い。いずれの絞り方でもセンサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分やその近傍領域に噴流を吹き付けることができる。 In the above-described embodiment and the first and third modifications thereof, the first flow path is configured to be generally reduced as compared with the sensor chip recess and the second flow path. Instead of restricting the first flow path as a whole in this way, only the outlet that is the sensor chip side opening may be restricted. In any way, it is possible to spray a jet on the upstream side temperature sensor rear side portion of the sensor chip recess and the vicinity thereof.
また、ベースやセンサチップの材質はステンレスには限定されず、サファイア、セラミックスなどの耐腐食性材料、流体が非腐食性の場合であればシリコン、ガラスなど、いずれの材質でも良い。 The material of the base and the sensor chip is not limited to stainless steel, and any material such as a corrosion-resistant material such as sapphire or ceramics, or silicon or glass may be used if the fluid is non-corrosive.
また、センサチップ上に形成されたヒータ(発熱部)は、白金薄膜部等の金属薄膜抵抗体に限定されるものではなく、ポリシリコンやサーミスタ等の発熱が可能な素子であれば何れでもかまわない。また、上流側温度センサや下流側温度センサ、周囲温度センサをなす温度センサも白金薄膜抵抗体限定されるものではなく、ポリシリコン、サーミスタ、サーモパイル、表面弾性波デバイス(Surface Acoustic Wave Device)等の電気的に温度情報を出力できる感温体であればどのようなものでもかまわない。 The heater (heat generating part) formed on the sensor chip is not limited to a metal thin film resistor such as a platinum thin film part, and any element capable of generating heat such as polysilicon or thermistor may be used. Absent. Also, the temperature sensors that form the upstream temperature sensor, downstream temperature sensor, and ambient temperature sensor are not limited to platinum thin film resistors, but include polysilicon, thermistors, thermopiles, and surface acoustic wave devices. Any temperature sensor that can output temperature information electrically can be used.
また、センサチップに形成されるヒータと温度センサとは、上述のように3エレメントタイプの代わりに2エレメントタイプであっても良い。具体的には、上述のように、ヒータを上流側温度センサと下流側温度センサとの間に3エレメントタイプとして独立して形成しても良く、2つの温度センサをそれぞれヒータとして自己発熱させる2エレメントタイプとして形成しても良い。
Further, the heater and the temperature sensor formed on the sensor chip may be a two-element type instead of the three-element type as described above. Specifically, as described above, the heater may be formed independently as a three-element type between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor, and each of the two temperature sensors may self-heat as a
また、センサチップの凹み部の形状は、細長矩形形状であっても良く、又は上述したようにいわゆるトラック形状と呼ばれる両端が半円状をなす異形楕円形状であっても良い。 In addition, the shape of the recess of the sensor chip may be an elongated rectangular shape, or may be a deformed elliptical shape having a semicircular shape at both ends, which is called a track shape as described above.
また、上述の実施形態及びその変形例において被測定流体は気体として記載したが、必ずしもこれに限定されず、液体であってもかまわない。被測定流体が液体であっても、センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分やその近傍領域に液体を積極的にあてることでこの部分を十分に冷やすことができるととともに、ベースの第2流路の形状や配置を工夫することでセンサチップ凹み部の下流側温度センサ裏側部分が冷やされにくくでき、上述した本発明の作用を十分発揮することが可能となる。 Moreover, although the fluid to be measured has been described as a gas in the above-described embodiment and its modifications, the fluid to be measured is not necessarily limited to this and may be a liquid. Even if the fluid to be measured is a liquid, the liquid can be sufficiently cooled by positively applying the liquid to the upstream side temperature sensor back side part of the sensor chip recess part and the vicinity thereof, and the second of the base By devising the shape and arrangement of the flow path, the downstream side temperature sensor back portion of the sensor chip recess can be hardly cooled, and the above-described effects of the present invention can be sufficiently exhibited.
本実施形態に関するフローセンサは、上述のとおり、微少流量の測定に優れるが、必ずしもこれに限定されることなく様々な流量域の流量測定が可能である。また、その構造上腐食性流体の流量測定に適するが、必ずしもこのような流体の流量測定に限定されるものではない。 As described above, the flow sensor according to the present embodiment is excellent in measuring minute flow rates, but is not necessarily limited to this, and can measure flow rates in various flow ranges. Moreover, although it is suitable for the flow measurement of corrosive fluid because of its structure, it is not necessarily limited to such fluid flow measurement.
1,2,3,4 流量センサ
9 流量センサ
10 ベース
11 第1流路
11a センサチップ側開口部
12 第2流路
12a センサチップ側開口部
12b 上流側端面
12c 下流側端面
20 ベース
21 第1流路
21a センサチップ側開口部
25 細長円筒体
25a 突き出し部
31 第1流路
31a 開口部
40 ベース
41 第1流路
41a センサチップ側開口部
42 第2流路
42s 段部
51 第1流路
51a センサチップ側開口部
52 第2流路
52a センサチップ側開口部
90 ベース
91 第1流路
91a センサチップ側開口部
92 第2流路
92a センサチップ側開口部
100 センサチップ
100a (センサチップ)凹み部
100b (センサチップ)凹み部底面
101b 上流側温度センサ裏側部分
102b 下流側温度センサ裏側部分
103b ヒータ裏側部分
110 センサデバイス
111 上流側温度センサ
112 下流側温度センサ
113 ヒータ
1, 2, 3, 4
Claims (5)
前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、
前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第1流路と第2流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、
前記センサチップ凹み部の上流側温度センサ裏側部分又はその近傍領域に前記第1流路のセンサチップ側開口部が対応するように形成されていることを特徴とする流量センサ。 Base and
A sensor chip deposited on the base and having a recess on one surface, the sensor chip including a heater on the opposite side of the sensor chip from the recess and an upstream temperature sensor and a downstream temperature sensor; Have
In the flow sensor in which the first flow path and the second flow path that form the flow path of the fluid to be measured in cooperation with the recess of the sensor chip are formed in the base,
The flow rate sensor, wherein the sensor chip side opening of the first flow path is formed to correspond to the upstream side temperature sensor back side portion of the sensor chip recess or the vicinity thereof.
前記ベース上に被着され一面に凹み部を有したセンサチップであって、当該センサチップの前記凹み部と反対側面にヒータを備えるとともに上流側温度センサと下流側温度センサを備えたセンサチップとを有し、
前記センサチップの凹み部と協働して被測定流体の流路をなす第1流路と第2流路が前記ベースに形成された流量センサにおいて、
前記第2流路のセンサチップ側開口部の上流側端面が前記下流側温度センサの形成領域よりも上流側となるように前記ベースに形成されていることを特徴とする流量センサ。 Base and
A sensor chip deposited on the base and having a recess on one surface, the sensor chip including a heater on the opposite side of the sensor chip from the recess and an upstream temperature sensor and a downstream temperature sensor; Have
In the flow sensor in which the first flow path and the second flow path that form the flow path of the fluid to be measured in cooperation with the recess of the sensor chip are formed in the base,
The flow rate sensor according to claim 1, wherein the upstream end surface of the sensor chip side opening of the second flow path is formed on the base so as to be on the upstream side of the formation region of the downstream temperature sensor.
The first flow path is formed so as to form an acute angle from the sensor chip side opening of the first flow path to the flow path upstream direction of the recess of the sensor chip, and the central axis of the first flow path 5. The flow rate sensor according to claim 1, wherein the flow rate sensor is formed so as to intersect with a formation surface of the upstream side temperature sensor of the sensor chip or a region in the vicinity thereof. .
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