JP2007108031A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測温抵抗体の素子感度を高めることにより、液体の流量測定を可能とした新規な分離タイプの熱式流量センサを提供することを技術課題とした。
【解決手段】平板状の基板２上に対し、薄膜状の発熱体３及び薄膜状の測温抵抗体５が形成され、更にこれら発熱体３及び測温抵抗体５に、薄膜状且つ低抵抗の電極６が接続されて成る流量センサ素子において、前記測温抵抗体５は、三種類以上の金属を含んだ金属酸化物を素材として成るものであることを特徴として成り、測温抵抗体５を素子感度の高いものとして形成することができ、水等、比熱の大きい流体の流量測定が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱式流量センサに関するものであって、特に高感度のセンサ素子を簡易な手法によって形成することにより、分離タイプでありながらも、液体の流量測定を良好に行うことのできる熱式流量センサに係るものである。

流体の流量、流速を測定するための熱式流量センサは、基板上に発熱部と測温部とが形成されて成るものであり、流体の流量（流速）に応じて変化する発熱部または測温部に流れる電流値から、流量（流速）を求めるものである。
このような熱式流量センサには、測温部が発熱部を兼ねた自己発熱タイプのものと、測温部と発熱部とが分離されたタイプのものとがある。
そして後者の分離タイプのうち、比較的安価なものとして図５に示すような熱式流量センサ１′がある。このものは側温抵抗体５Ａ′と５Ｂ′との間に位置する発熱体３′によって流体Ｓに熱を加え、側温抵抗体５Ａ′と５Ｂ′の測定値の差から流量（流速）を導き出すものである。
すなわち流れのない状態では、発熱体３′を中心とした温度分布が左右対称になるが、流れのある状態では、上流側の温度が下降し、下流側の温度が上昇することとなり、測温抵抗体５Ａ′、５Ｂ′に流れる電流値が変化するため、これらの差から流量、流速を求めることができるものである。

ところで上述した分離タイプの熱式流量センサ１′にあっては、発熱体３′によって容易に温度が変化する気体等の流体Ｓ、すなわち比熱の小さな流体Ｓの測定には向いているものの、特に水等の比熱の大きな液体では、発熱体３′による流体の温度変化が微小となるため、これらの測定には不向きであるとされている。
更に、この種の熱式流量センサ１′では、発熱体３′によって発せられた熱が基板２′に奪われてしまい、測定対象である流体Ｓへ効率よく熱が伝導しないことも、流体Ｓの温度変化を充分に得ることができない一つの要因となっている。 このような問題を解決すべく、発熱体３′が位置する個所の基板２′の裏側に凹部を形成して肉薄とし、発熱体３′から流体Ｓへの熱伝導効率を高めるとともに、基板１′による熱損失を低減するための発明が案出され、すでに特許出願がなされている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、発熱体３′から流体Ｓへの熱伝導効率を高め、更に基板１′による熱損失を低減したとしても、既存の測温抵抗体５′は素子感度が低いため、特に水等の比熱の大きな液体の流量測定には不向きであるといった問題の解消には至っていないのが実情である。
特開平９−２１０７４８号（図１）

本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、測温抵抗体の素子感度を高めることにより、液体の流量測定を可能とした新規な分離タイプの熱式流量センサを提供することを技術課題としたものである。

すなわち請求項１記載の熱式流量センサは、平板状の基板上に対し、薄膜状の発熱体及び薄膜状の測温抵抗体が形成され、更にこれら発熱体及び測温抵抗体に、薄膜状且つ低抵抗の電極が接続されて成る流量センサ素子において、前記測温抵抗体は、三種類以上の金属を含んだ金属酸化物を素材として成るものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、測温抵抗体を素子感度の高いものとして形成することができ、水等、比熱の大きい流体の流量測定が可能となる。

また請求項２記載の熱式流量センサは、前記要件に加え、前記金属酸化物は、少なくともランタン、マンガン及び銅を含んでいることを特徴として成るものである。
この発明によれば、測温抵抗体の素子感度を目的に対して充分な値とすることができる。

更にまた請求項３記載の熱式流量センサは、前記要件に加え、前記発熱体、測温抵抗体及び電極は、ゾルゲル法またはＭＯＤ法等の液相法によって基板上に製膜された金属酸化物膜が、エッチング法によって所望形状に形成されたものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、発熱体、測温抵抗体及び電極の厚さを自由に設定して形成することができる。

更にまた請求項４記載の熱式流量センサは、前記請求項３記載の要件に加え、前記基板上に製膜された金属酸化物膜は、エッチング処理が行われる前の段階で低温焼成が行われ、更にエッチング処理が行われた後に高温焼成が行われるものであることを特徴として成るものである。
この発明によれば、エッチングによって形成された後の発熱体、測温抵抗体及び電極のエッチング液に対する耐性を増すことができ、エッチングを連続して行う際に、すでに基板上に形成されていた発熱体、測温抵抗体及び電極の浸食を防止して、これらを製作誤差の小さなものとして高精度で形成することができる。

更にまた請求項５記載の熱式流量センサは、前記要件に加え、前記基板はガラスを主成分として形成されたものであることを特徴としてなるものである。
この発明によれば、基板の熱伝導率を低くすることにより、従来行われていた異方性エッチング等による基板への凹部の作成を要することなく基板による熱損失を低減し、発熱体から流体への熱伝導を良好に行うことができる。
そしてこれら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。

本発明によると、測温抵抗体の素子感度を高め、液体の流量測定を可能とした新規な分離タイプの熱式流量センサを提供することができる。

本発明の熱式流量センサの最良の形態の一つは以下の実施例に説明するとおりであって、始めに熱式流量センサの構成及び測定原理について説明し、続いて熱式流量センサの製造プロセスについて説明する。
なお以下の実施例に対して、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更を加えることも可能である。

図中、符号１で示すものが本発明の熱式流量センサであって、このものは、基板２上に発熱体３及び測温抵抗体５並びにこれらに接続された電極６が形成されて成るものである。そして熱式流量センサ１は、測定対象である流体Ｓの流路内に配されるとともに、電極６に対してブリッジ回路を含んだ適宜の電気回路が接続され、流量の測定装置の一部として機能するものである。
またこの実施例では、図１の平面図に示すように、一素子の発熱体３と、これを挟むように両側に配された二素子の測温抵抗体５とが、互いに平行状態で配置されるものである。
以下、熱式流量センサ１の構成要素について詳しく説明する。

まず前記基板２は平板状部材であり、その寸法を一例として２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。またこの実施例では基板２として板ガラスを採用するものであり、その熱伝導率は約１〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕である。
この他にもガラスを主成分とした素材によって基板２を形成することもできるが、熱式流量センサ１を所望の特性で作動させるためには、熱伝導率が１〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕以下とすることが好ましい。
因みに従来この種の基板２として用いられていた素材の熱伝導率は、シリコン素材のものが２００〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕程度、セラミックのものが１００〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕程度である。

次に前記発熱体３は、白金、ニッケル、銅、ニクロム合金等の金属や、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＬａＮｉＯ₃ 等の導電性酸化物を素材とし、所望のパターンで基板２上に形成された薄膜体である。この実施例では発熱体素材３０としてＬａＮｉＯ₃ を採用した。
また、この実施例では発熱体３を、一例として幅５０μｍ、長さ５００μｍの長方形状に形成するようにしたが、測定対象となる流体Ｓの性状や量、あるいは発熱体素材３０の性状に応じて適宜寸法の設定が行われるものである。
また発熱体３の電気抵抗値は、電極６の電気抵抗値よりも高くなるように設定されるものであり、この実施例では発熱体３のパターンを電極６のパターンよりも細く形成することにより、電気抵抗値が高くなるようにした。更にまた、発熱体３の厚さを電極６の厚さよりも薄くすることにより、電気抵抗値が高くなるようにすることもできる。

また前記測温抵抗体５は、三種類以上の金属を含んだ金属酸化物を素材とし、所望のパターンで基板２上に形成された薄膜体である。この実施例では、測温抵抗体素材５０として、ランタン、マンガン、銅を含んだ金属酸化物を採用するものであり、具体的には一例としてランタンを約２５％、マンガンを約１２．５％、銅を約１２．５％含んだ金属酸化物を採用した。
なお、この実施例では測温抵抗体５を、一例として幅５０μｍ、長さ５００μｍの長方形状に形成するようにしたが、測定対象となる流体Ｓの性状や量、あるいは測温抵抗体素材５０の性状に応じて適宜寸法の設定が行われるものである。
また測温抵抗体５の電気抵抗値は、測温抵抗体５のパターンを電極６のパターンよりも細く形成することにより、あるいは測温抵抗体５の厚さを電極６の厚さよりも薄くすることにより電極６の電気抵抗値よりも高くなるように設定される。
なお複数の測温抵抗体５を区別するときには、測温抵抗体５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・とアルファベットの副番を付けて呼称する。

また前記電極６は、金属あるいは金属酸化物等を素材とし、所望のパターンで基板２上に形成された薄膜体である。この実施例では電極素材６０として金属酸化物溶液であるＬａ（ＮＯ₃ ）₃ と（ＣＨ₃ ＣＯＯ）₂ Ｎｉを採用し、これらから生成されるＬａＮｉＯ₃ によって電極６を形成するようにした。

本発明の熱式流量センサ１は、一例として上述したように構成されるものであり、以下、この熱式流量センサ１の製造プロセスについて説明する。なおこの実施例では液相法の一つであるゾルゲル法を採用するが、同じく液相法の一つであって前記ゾルゲル法と同様の製法であるＭＯＤ法や、他の手法を採用してもよい。
〔１．発熱体の形成〕
〔発熱体素材の成膜〕
まず図２（ａ）（ｂ）に示すように、基板２に対して発熱体３を薄膜状に形成する。この実施例では一例としてスピンコーティング法（ディップコーティング法、スプレーコーティング法でも可）により、発熱体素材３０の薄膜を基板２上に製膜するものであり、基板２を回転させ、その上から発熱体素材３０を滴下し、遠心力によって均等な厚さの薄膜を形成させる。
そして製膜された薄膜を一例として４００℃（５００℃以下）で加熱することにより、酸化物薄膜を得る。ここで加熱温度を４００℃（５００℃以下）としたのは、５００℃以下の低温で焼成された発熱体素材３０は多孔質となるためエッチングを迅速に進行させることができ、所望パターンの発熱体３を迅速に形成することができるからである。
なおこのような製膜操作を繰り返すことにより、薄膜を積層させて厚みを増すことができる。

〔エッチング〕
次に図２（ｃ）に示すように、薄膜状の発熱体素材３０上に紫外線感光性樹脂であるレジストをコーティングしてレジスト膜４を形成する。そして図２（ｄ）に示すように、発熱体３の形状が形成されたパターニングマスクＭを用い、光源Ｌからレジスト膜４に対して紫外線を照射する。これにより、レジスト膜４の紫外線が照射された個所において重縮合反応または分解反応が起き、パターニングマスクＭにおける発熱体３の形状がレジスト膜４上に転写される。
なおレジスト材料にはポジ型、ネガ型の二種類が存在し、各種条件に応じて適宜選択されるものであるが、この実施例ではポジ型のレジスト材料を使用した。
そして図２（ｅ）に示すように現像液によって紫外線照射部分を溶かし出し、続いて図２（ｆ）に示すようにレジスト膜４に保護されていない個所の発熱体素材３０をエッチング液によって溶解させ、所望のパターンの発熱体３が形成される。このとき、５００℃以下で焼成された発熱体素材３０は多孔質となっているためエッチングが迅速に進行する。
なお前記エッチング液としては、塩酸、硫酸、硝酸等の酸及びこれら酸類に添加物を加えたもの並びにアルカリ類が適用される。
また発熱体３上に残存していたレジスト膜４は有機溶媒等によって除去される。

〔焼成〕
次いで発熱体素材３０を一例として６５０℃（５００℃以上）で加熱することにより緻密化させ、金属酸化物（ＬａＮｉＯ₃ ）から成る発熱体３が完成されるものであり、ここで加熱温度を６５０℃（５００℃以上の高温）としたのは、エッチング液に対する耐性を高めるためであり、緻密化前の状態の１／１０以下の浸食速度とすることができる。

〔２．測温抵抗体の形成〕
〔測温抵抗体素材の成膜〕
続いて基板２に対して測温抵抗体５を形成する。この実施例では発熱体３の形成と同様に、一例としてスピンコーティング法（ディップコーティング法、スプレーコーティング法でも可）により、測温抵抗体素材５０の薄膜を基板２上に製膜するものであり、基板２を回転させ、その上から測温抵抗体素材５０を滴下し、遠心力によって均等な厚さの薄膜を形成させる（図２（ａ）（ｂ）参照）。
そして製膜された薄膜を４００℃（５００℃以下）で加熱することにより、酸化物薄膜を得る。
なおこのような製膜操作を繰り返すことにより、薄膜を積層させて厚みを増すことができる。

〔エッチング〕
次に図２（ｃ）に示すように、薄膜状の測温抵抗体素材５０上に紫外線感光性樹脂であるレジストをコーティングしてレジスト膜４を形成する。そして図２（ｄ）に示すように、測温抵抗体５の形状が形成されたパターニングマスクＭを用い、光源Ｌからレジスト膜４に対して紫外線を照射する。これにより、レジスト膜４の紫外線が照射された個所において重縮合反応または分解反応が起き、パターニングマスクＭにおける測温抵抗体５の形状がレジスト膜４上に転写される。 そして図２（ｅ）に示すように現像液によって紫外線照射部分を溶かし出し、続いて図２（ｆ）に示すようにレジスト膜４に保護されていない個所の測温抵抗体素材５０をエッチング液によって溶解させ、所望のパターンの測温抵抗体５が形成される。
このとき、５００℃以下で焼成された測温抵抗体素材５０は多孔質となっているためエッチングが迅速に進行する一方、すでに緻密化している発熱体３はエッチング液に対する耐性が高まっており、エッチング液によってパターンが浸食されてしまうことが防止される。
また測温抵抗体５上に残存していたレジスト膜４は有機溶媒等によって除去される。

〔焼成〕
次いで測温抵抗体素材５０を一例として６５０℃（５００℃以上）で加熱することにより緻密化させ、金属酸化物から成る測温抵抗体５が完成される。なおここで加熱温度を６５０℃（５００℃以上）としたのは、発熱体３のときと同様に、エッチング液に対する耐性を高めるためである。

〔３．電極の形成〕
〔電極素材の成膜〕
続いて基板２に対して電極６を形成する。この実施例では発熱体３及び測温抵抗体５の形成と同様に、一例としてスピンコーティング法（ディップコーティング法、スプレーコーティング法でも可）により、電極素材６０の薄膜を基板２上に製膜するものであり、基板２を回転させ、その上から電極素材６０を滴下し、遠心力によって均等な厚さの薄膜を形成させる（図３（ａ）参照）。
そして製膜された薄膜を４００℃（５００℃以下）で加熱することにより、酸化物薄膜を得る。
なおこのような製膜操作を繰り返すことにより、薄膜を積層させて厚みを増すことができる。

〔エッチング〕
次に図３（ｂ）に示すように、薄膜状の電極素材６０上に紫外線感光性樹脂であるレジストをコーティングしてレジスト膜４を形成する。そして図３（ｃ）に示すように、電極６の形状が形成されたパターニングマスクＭを用い、光源Ｌからレジスト膜４に対して紫外線を照射する。これにより、レジスト膜４の紫外線が照射された個所において重縮合反応または分解反応が起き、パターニングマスクＭにおける電極６の形状がレジスト膜４上に転写される。
そして図３（ｄ）に示すように現像液によって紫外線照射部分を溶かし出し、続いて図３（ｅ）に示すようにレジスト膜４に保護されていない個所の電極素材６０をエッチング液によって溶解させ、所望のパターンの電極６が形成される。このとき、５００℃以下で焼成された電極素材６０は多孔質となっているためエッチングが迅速に進行する一方、すでに緻密化している発熱体３及び測温抵抗体５はエッチング液に対する耐性が高まっており、エッチング液によってパターンが浸食されてしまうことが防止される。
なお電極６は図１及び図３（ｅ）に示すように、前記発熱体３または測温抵抗体５と密接し、電気的に導通した状態で形成される。
そして図３（ｆ）に示すように電極６上に残存していたレジスト膜４を有機溶媒等によって除去する。

〔焼成〕
次いで一例として６５０℃（５００℃以上）で加熱することにより緻密化させ、金属酸化物（ＬａＮｉＯ₃ ）から成る電極６が完成される。

そして上述のようにして形成された発熱体３、測温抵抗体５及び電極６の表面を電気絶縁膜によって被覆するものであり、この実施例ではレジスト膜４を発熱体３、測温抵抗体５及び電極６の表面に残しておくようにした。
上述のようにして製造された熱式流量センサ１は、熱伝導率が低い基板２に対して、発熱体３、測温抵抗体５及び電極６を容易に形成することができるものであり、発熱体３と基板２との間の断熱構造を格別形成することなく、発熱体３から基板２への熱損失を低減することが可能となるものである。
また測温抵抗体５自体を素子感度の高いものとして形成することができる。
更にまたエッチングによって形成された後の発熱体３、測温抵抗体５及び電極６のエッチング液に対する耐性を増すことができ、エッチングを連続して行う際に、既存の発熱体３、測温抵抗体５及び電極６の浸食を防止して、これらを製作誤差の小さなものとして高精度で形成することができる。
このように本発明によると、液体の流量測定を可能とした新規な分離タイプの熱式流量センサ１を提供することができる。

〔他の実施例〕
本発明は上述した実施例を基本となる実施例とするものであるが、本発明の技術的思想の範囲内において、適宜変更を加えることも可能である。
以下、本発明の熱式流量センサ１の他の実施例について説明する。

まず発熱体３と測温抵抗体５の数及び配置個所は、電極６に対して接続される電気回路に応じて適宜選択されるものであり、一例として図４（ａ）の平面図に示すように、一素子の発熱体３と、これを挟むように両側に配された四素子の測温抵抗体５とが、互いに平行状態で配置され、発熱体３を中心として左右対称となるパターン等を採用することができる。また図４（ｂ）の平面図に示すように、測温抵抗体５と発熱体３とがそれぞれ一素子のみ設けられ、発熱体３を中心として左右対称とならないパタ−ン等を採用することもできる。

また上述した基本となる実施例では、水等の流量を測定することを前提としたが、空気の流量を測定することを目的とした熱式流量センサ１を製作する場合には、基板２をガラス以外の素材により形成することもできる。

更にまた本発明は測温抵抗体５の素材として、三種類以上の金属を含んだ金属酸化物（一例としてランタンを約２５％、マンガンを約１２．５％、銅を約１２．５％含んだ金属酸化物）を採用したが、この素材は、温度計、赤外線センサ等の素子として適用することもできる。

本発明の熱式流量センサを一部拡大して示す平面図である。 熱式流量センサにおける発熱体及び測温抵抗体の製造プロセスを示す工程図である。 熱式流量センサにおける電極の製造プロセスを示す工程図である。 測温抵抗体の数及び配置パターンを異ならせた実施例を示す平面図である。 既存の分離タイプの熱式流量センサを示す平面図である。

符号の説明

１ 熱式流量センサ
２ 基板
３ 発熱体
３０ 発熱体素材
４ レジスト膜
５ 測温抵抗体
５０ 測温抵抗体素材
６ 電極
６０ 電極素材
Ｌ 光源
Ｍ パターニングマスク
Ｓ 流体

Claims (5)

1. 平板状の基板上に対し、薄膜状の発熱体及び薄膜状の測温抵抗体が形成され、更にこれら発熱体及び測温抵抗体に、薄膜状且つ低抵抗の電極が接続されて成る流量センサ素子において、前記測温抵抗体は、三種類以上の金属を含んだ金属酸化物を素材として成るものであることを特徴とする熱式流量センサ。
2. 前記金属酸化物は、少なくともランタン、マンガン及び銅を含んでいることを特徴とする請求項１記載の熱式流量センサ。
3. 前記発熱体、測温抵抗体及び電極は、ゾルゲル法またはＭＯＤ法等の液相法によって基板上に製膜された金属酸化物膜が、エッチング法によって所望形状に形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の熱式流量センサ。
4. 前記基板上に製膜された金属酸化物膜は、エッチング処理が行われる前の段階で低温焼成が行われ、更にエッチング処理が行われた後に高温焼成が行われるものであることを特徴とする請求項３記載の熱式流量センサ。
5. 前記基板はガラスを主成分として形成されたものであることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱式流量センサ。

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