JP2012202818A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出可能範囲の広いフローセンサを提供する。
【解決手段】流体を加熱するヒータ２２とヒータ２２によって生ずる流体の温度差を測定するように構成された上流側温度センサ２３および下流側温度センサ２４とを含む検出部２１が設けられた基板２０と、基板２０の下面側に流体が流通する第１流路４１ａを形成し、基板２０の上面側に流体が流通する第２流路３１ａを形成するように設けられた上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０と、を備え、第１流路４１ａおよび第２流路３１ａのうち少なくとも一方において、流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明に係るいくつかの態様は、流体の速度を検出するための検出部が形成された基板を備えるフローセンサに関する。

従来、この種のフローセンサとして、上面に加熱部および測温部を含む検出部が設けられ、ガラスなどで形成された一の基板を備える熱式流量計において、溝が設けられ、ガラスなどで形成された他の基板を、一の基板の下面で覆うことにより、当該溝を流路として構成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２７６２６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱式流量計では、一の基板および他の基板としてガラスを使用しており、ガラスは熱伝導率が比較的低い材料であるため、流体の速度（以下、流速という）が増加すると、流速に対する感度が飽和してしまうおそれがあった。その結果、高い流速域（高流速域）を検出することができず、検出可能範囲（レンジアビリティ）が狭い、という問題があった。

本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、検出可能範囲の広いフローセンサを提供することを目的の１つとする。

本発明に係るフローセンサは、流体を加熱するヒータとヒータによって生ずる流体の温度差を測定するように構成された測温ユニットとを含む検出部が設けられた基板と、基板の一方の面側に流体が流通する第１の流路を形成し、基板の他方の面側に流体が流通する第２の流路を形成するように設けられた流路形成部材と、を備え、第１の流路および第２の流路のうち少なくとも一方において、流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、ヒータに対して下流側が上流側より大きい。

かかる構成によれば、基板の一方の面側に流体の流通する第１の流路が形成され、基板の他方の面側に流体の流通する第２の流路が形成される。これにより、第１の流路と第２の流路との両方に流体が流通するので、第１の流路と第２の流路との何れか一方を流体が流通する場合と比較して、流体の流通によってヒータによる熱分布が変化しやすくなる。また、このとき、検出部は、第１の流路と第２の流路との間に宙吊りの状態で配置される。さらに、第１の流路および第２の流路のうち少なくとも一方において、流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、ヒータに対して下流側が上流側より大きい。これにより、ヒータの下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、ヒータ２２の下流側の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。

好ましくは、流路形成部材は、第１の流路および第２の流路のうち少なくとも一方において、ヒータに対して下流側に、段差を形成する段差部を有する。

かかる構成によれば、第１の流路および第２の流路のうち少なくとも一方において、ヒータに対して下流側に段差が形成される。これにより、流体が流通する方向に垂直な断面積が、ヒータに対して下流側が上流側より大きい流路を、容易に実現（構成）することができる。

好ましくは、測温ユニットは、ヒータに対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。

かかる構成によれば、測温ユニットが、ヒータに対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。これにより、ヒータに対して上流の流体の温度と下流の流体の温度とをそれぞれ測定することができ、ヒータによって生ずる流体の温度差を容易に測定することができる。

好ましくは、段差部の上流側の端面は、ヒータに対して下流側に配置される温度センサよりも上流側に形成されている。

かかる構成によれば、段差部の上流側の端面が、ヒータに対して下流側に配置される温度センサよりも上流側に形成されている。これにより、ヒータに対して下流側に配置される温度センサの手前で確実に流速が低下する（遅くなる）ので、流速が増加しても、ヒータに対して下流側に配置される温度センサの温度はさらに低下しにくくなる。これにより、高い流速域（高流速域）でも流速に対する感度がさらに飽和しにくくなり、検出可能範囲（レンジアビリティ）をさらに広げることができる。

好ましくは、基板および流路形成部材のそれぞれは、所定の腐食性物質に対して耐食性を有する。

かかる構成によれば、基板および流路形成部材のそれぞれが、所定の腐食性物質に対して耐食性を有する。これにより、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などの所定の腐食性物質に対するフローセンサの耐食性を高めることができる。また、流体に対して露出している部分が耐食性を有するので、流体が所定の腐食性物質を含む場合に好適に用いることができる。

好ましくは、基板は、一方の面側に第１の流路が形成される第１の基板と、一方の面側に第２の流路が形成される第２の基板と、を含み、第１の基板の他方の面と第２の基板の他方の面とは接合されており、検出部は、第１の基板と第２の基板との間に配置される。

かかる構成によれば、第１の基板の他方の面と第２の基板の他方の面とが接合されており、検出部が第１の基板と第２の基板との間に配置される。これにより、検出部は、第１の基板および第２の基板によって覆われるので、外部に対して露出する（さらされる）ことがない。また、第１の基板と第２の基板とが接合されているので、第１の基板と第２の基板との間から流体が浸食（侵入）するのを防止することが可能となる。これにより、基板が耐食性を有する場合に所定の腐食性物質に対するフローセンサの耐食性をさらに高めることができる。

本発明によれば、第１の流路と第２の流路との両方に流体が流通するので、第１の流路と第２の流路との何れか一方を流体が流通する場合と比較して、流体の流通によってヒータによる熱分布が変化しやすくなる。これにより、流速に対して検出部の感度を高めることができる。また、このとき、検出部は、第１の流路と第２の流路との間に宙吊りの状態で配置される。これにより、基板の一方の面側と基板の他方の面側とに流体から圧力を受けるので、基板の両面において、流体から受ける圧力の差（差圧）が小さくなり、基板の内部に発生する応力を低減することができるとともに、応力による検出信号のノイズを低減することができる。さらに、ヒータの下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、ヒータ２２の下流側の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。これにより、高い流速域（高流速域）でも流速に対する感度が飽和しにくくなり、検出可能範囲（レンジアビリティ）を広げることができる。

本発明に係るフローセンサの一例を説明する側方断面図である。 図１に示した上部流路形成部材の下面図である。 図１に示した下部流路形成部材の上面図である。 図１に示した基板の上面図である。 図１に示した基板の製造方法の一例を説明する側方断面図である。 図１に示した基板の製造方法の一例を説明する側方断面図である。 図１に示した基板の製造方法の一例を説明する側方断面図である。 図１に示した基板の製造方法の一例を説明する側方断面図である。 図１に示した基板の製造方法の一例を説明する側方断面図である。 図１に示した上流側温度センサおよび下流側温度センサの温度と流速との関係を説明するグラフである。 図１に示したフローセンサにおける出力と流速との関係を説明するグラフである。 本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。 本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。 本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。 本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。 図１５に示したフローセンサの設置例を説明する側方断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。

図１ないし図１６は、本発明に係るフローセンサの一実施形態を示すためのものである。図１は、本発明に係るフローセンサの一例を説明する側方断面図である。図１に示すように、フローセンサ１０は、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとを含む基板２０と、基板２０の上に設置された上部流路形成部材３０と、基板２０の下に設置された下部流路形成部材４０と、を備える。なお、本実施形態における上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０は、本発明のフローセンサにおける「流路形成部材」の一例に相当する。

図２は、図１に示した上部流路形成部材３０の下面図である。図２に示すように、上部流路形成部材３０の下面には、矩形状の凹部３１が設けられている。凹部３１は、基板２０における対向する面、すなわち、図１に示す第２基板２０ｂの一方の面（図１において上面）との間に第２流路３１ａを形成する。図１に示すように、凹部３１には、左端面に流入口３２が設けられ、右端面に流出口３３が設けられている。また、上部流路形成部材３０には、後述する基板２０の電極部２６，２７に対応する位置に切欠部３４，３５が形成されており、上部流路形成部材３０を基板２０の上に設置したときに、電極部２６，２７が露出するようになっている。

図３は、図１に示した下部流路形成部材４０の上面図である。図３に示すように、下部流路形成部材４０の上面には、矩形状の凹部４１が設けられている。凹部４１は、基板２０における対向する面、すなわち、図１に示す第１基板２０ａの一方の面（図１において下面）との間に第１流路４１ａを形成する。図１に示すように、凹部４１には、左端面に流入口４２が設けられ、右端面に流出口４３が設けられている。また、凹部４１の中央から右寄りには、段差部４５が設けられている。段差部４５は、凹部４１よりさらに深く（低く）へこんでおり、凹部４１との境界には段差をなす端面４５ａが形成されている。

図４は、図１に示した基板２０を説明する上面図である。図４に示すように、基板２０の中央部には、検出部２１が設けられている。検出部２１は、例えば、抵抗素子であって、流体を加熱するヒータ２２と、ヒータ２２によって生ずる流体の温度差を測定するように構成された一組の抵抗素子２３，２４と、を含んで構成される。これにより、流体の温度差から当該流体の速度（流速）を検出する熱式のフローセンサ１０を容易に実現（構成）することができる。なお、本実施形態における抵抗素子２３，２４は、本発明のフローセンサにおける「測温ユニット」の一例に相当する。

抵抗素子２３，２４は、基板２０においてヒータ２２を挟んでヒータ２２の左側と右側との両側に、それぞれ設けられる。また、基板２０には、例えば、抵抗素子であって、流体の温度を検出する周囲温度センサ２５と、平面視において基板２０の上辺側と下辺側とに設けられ、複数の電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃを有する一組の電極部２６，２７と、がさらに設けられている。電極部２６，２７の各電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃと、ヒータ２２、抵抗素子２３，２４、および周囲温度センサ２５とは、基板２０に形成された配線によって電気的に接続されている。

このような構成を備えるフローセンサ１０は、例えば図１中にブロック矢印で示すように、測定対象である流体、例えばガスの流通する方向に沿って、抵抗素子２３、ヒータ２２、抵抗素子２４が順に並ぶように配置される。この場合、抵抗素子２３は、ヒータ２２よりも上流側（図１において左側）に設けられた上流側温度センサとして機能し、抵抗素子２４は、ヒータ２２よりも下流側（図１において右側）に設けられた下流側温度センサとして機能する。このように、ヒータ２２に対して上流側に抵抗素子２３を配置し、下流側に抵抗素子２４を配置することにより、ヒータ２２に対して上流の流体の温度と下流の流体の温度とをそれぞれ測定することができ、ヒータ２２によって生ずる後述する流体の温度差を、容易に測定することができる。

基板２０において検出部２１が設けられる部分は、後述するように、熱容量が小さいダイアフラムをなす。周囲温度センサ２５は、フローセンサ１０が設置された管路（図示省略）を流通するガスの温度を測定する。ヒータ２２は、例示的に、基板２０の中心に配置されており、周囲温度センサ２５が計測した温度よりも一定温度高くなるように、加熱される。上流側温度センサ２３は、ヒータ２２よりも上流側の温度を検出するのに用いられ、下流側温度センサ２４は、ヒータ２２よりも下流側の温度を検出するのに用いられる。

ここで、管路内の流体が停止している（流れていない）場合、ヒータ２１で加えられた熱は、上流方向および下流方向へ対称的に分布する。従って、上流側温度センサ２３および下流側温度センサ２４の温度は等しくなり、上流側温度センサ２３および下流側温度センサ２４の抵抗値は等しくなる。これに対し、管路内のガスが上流から下流に流れている場合、ヒータ２２で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、上流側温度センサ２３の温度よりも、下流側温度センサ２４の温度が高くなる。

このような温度差は、上流側温度センサ２３の抵抗値と下流側温度センサ２４の抵抗値との間に差を生じさせる。下流側温度センサ２４の抵抗値と上流側温度センサ２３の抵抗値との差は、管路内のガスの速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側温度センサ２４の抵抗値と上流側温度センサ２３の抵抗値との差を基に、管路を流通する流体の速度（流速）や流量を算出することができる。抵抗素子２２、２３および２４の抵抗値の情報は、図４に示す電極部２６，２７を通じて電気信号として取り出すことができる。

次に、図５ないし図９を参照して基板２０の製造方法の一例を説明する。

図５ないし図９は、図１に示した基板２０の製造方法の一例を説明する側方断面図である。なお、図５ないし図９は、図４に示したＩ−Ｉ線矢視方向断面図である。最初に、図５に示すように、図１に示す第１基板２０ａの基となる部材として、板状のウエハＡを用意する。ウエハＡは、例えば、２５０［μｍ］程度の厚さを有している。

次に、図６に示すように、ウエハＡの下面の中央部に、ドリル・サンドブラストなどを用いた機械加工により座ぐりのような凹みを形成する。次に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法などの方法により、凹みを形成した部分の反対の面（上面）に、白金などの金属を付着させ、検出部２１を構成する各要素を形成（パターニング）する。また、同様の方法により、検出部２１を挟んだ両側（右側と左側）に、電極部２６，２７を構成する各電極を形成（パターニング）するとともに、検出部と電極部２６，２７とを接続する配線を形成（パターニング）する。

次に、図１に示した第２基板２０ａの元となる部材として、図５に示したウエハＡと同様の板状のウエハＢを用意し、図７に示すように、ウエハＢの上面の中央部に、ドリル・サンドブラストなどを用いた機械加工により座ぐりのような凹みを形成する。また、後述するウエハＡとウエハＢとの接合の前に、ウエハＢにおいて、ウエハＡの上面に形成された電極部２６，２７に対応する位置に、それぞれ貫通孔を形成する。同様に、ウエハＡとウエハＢとの接合の前に、ウエハＢの下面において、ウエハＡの上面に形成された検出部２１および配線に対応する位置に、それぞれ座ぐりのような所定の深さの凹みを形成する。これにより、ウエハＡとウエハＢとを接合したときに、ウエハＡに設けられた検出部２１および配線によって段差が生じて接合不良となるのを防止することができる。

次に、図８に示すように、図６に示したウエハＡの上面に、図７に示したウエハＢの下面を載置し、ウエハＡの上面とウエハＢの下面とを接合する。これにより、ウエハＡの上面に設けられた検出部２１は、ウエハＡおよびウエハＢによって被覆される。

接合方法としては、例えば、拡散接合、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを用いたイオンビームを接合する両面に照射して活性化してから接合する表面活性化接合（常温接合）、金や銀などのろう材を接合する両面に付けてから接合するろう付け、陽極接合などが挙げられる。

なお、本明細書における「接合」という用語は、物と物とをつなぎ合わせる広義の接合を意味し、ろう付けなどを含む概念である。また、「接合」という用語は、接着剤を用いる方法を除外する意味であることが好ましい。

最後に、図９に示すように、ウエハＡの凹みを形成した部分とウエハＢの凹みを形成した部分に、図９中にブロック矢印で示すエッチングを施して当該部分の厚さをそれぞれ制御する。これにより、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとを含む基板２０が製造される。

この基板２０では、エッチングを施した結果、第１基板２０ａの一方の面（図９において上面）に第１凹部２０１ａが形成され、第２基板２０ｂの一方の面（図９において下面）における第１凹部２０１ａに対向する位置に、第２凹部２０１ｂが形成されている。また、検出部２１は、第１凹部２０１ａと第２凹部２０１ｂとの間に配置されている。これにより、検出部２１は、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂによって覆われるので、外部に対して露出する（さらされる）ことがない。また、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとが接合されているので、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとの間から流体が浸食（侵入）するのを防止することが可能となる。

第１凹部２０１ａおよび第２凹部２０１ｂは、熱容量が小さいダイアフラム２０１を成しており、ダイアフラム２０１は、例えば、１０〜１００［μｍ］程度の厚さを有している。このように、第１基板２０ａの一方の面（図９において上面）に第１凹部２０１ａが形成され、第２基板２０ｂの一方の面（図９において下面）における第１凹部２０１ａに対向する位置に、第２凹部２０１ｂが形成することにより、第１凹部２０１ａおよび第２凹部２０１ｂは、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂの他の部分と比較して、厚さの薄いダイアフラム２０１を形成することが可能となる。

第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂとしては、例えば、ガラス、セラミックス、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）をコーティングしたもの、アルミナセラミックス、サファイア、インコネル、アルミナ、アルミニウム合金、銅などが挙げられる。

また、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂの材料は、所定の腐食性物質、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などに対して耐食性を有するものが好ましい。具体的には、腐食性物質がＣｌ2、ＢＣｌ₃などの塩素（Ｃｌ）を含む場合、シリコン（Ｓｉ）は、この腐食性物質に対して耐食性を有さない（耐食性が低い）ため、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂの材料として用いるのは適切ではない。一方、腐食性物質が塩素（Ｃｌ）を含まないＳＯｘ、ＮＯｘなどである場合、シリコン（Ｓｉ）はこの腐食性物質に対して耐食性を有する（耐食性が高い）ので、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂの材料として好適に用いることができる。これにより、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などの所定の腐食性物質に対するフローセンサ１０の耐食性を高めることができる。また、流体に対して露出している部分が耐食性を有するので、流体が所定の腐食性物質を含む場合に好適に用いることができる。なお、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂは、同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

図１に示すように、フローセンサ１０は、図１中にブロック矢印で示す流体の流通する方向に対し、流入口３２および流入口４２を向けて配置される。第２流路３１ａは、流入口３２および流出口３３を介して、フローセンサ１０の外部と連通されているので、図１中に矢印で示すように、流体は流入口３２および流出口３３を通って第２流路３１ａを流通する。同様に、第１流路４１ａは、流入口４２および流出口４３を介して、フローセンサ１０の外部と連通されているので、図１中に矢印で示すように、流体は流入口４２および流出口４３を通って第１流路４１ａを流通する。このように、下部流路形成部材４０が、第１基板２０ａの一方の面（図１において下面）側に流体が流通する第１流路４１ａを形成し、上部流路形成部材３０が、第２基板２０ｂの一方の面（図１において上面）側に流体が流通する第２流路３１ａを形成することにより、第１流路４１ａと第２流路３１ａとの両方に流体が流通するので、第１流路４１ａと第２流路３１ａとのいずれか一方を流体が流通する場合と比較して、流体の流通によってヒータ２２による熱分布が変化しやすくなる。また、このとき、検出部２１が第１流路４１ａと第２流路３１ａとの間に宙吊りの状態で配置される。

図１０は、図１に示した上流側温度センサ２３および下流側温度センサ２４の温度と流速との関係を説明するグラフであり、図１１は図１に示したフローセンサ１０の出力と流速との関係を説明するグラフである。なお、図１０および図１１において、横軸はヒータ２２における流体の平均速度（平均流速）［ｍ／ｓ］である。また、図１０において、縦軸は流速０（ゼロ）［ｍ／ｓ］における基準温度ｔ₀を基準とする相対温度である。

ここで、従来のフローセンサのように、基板の材料として、例えばガラスを使用する場合、ヒータの熱は流体により下流側に拡散されるので、図１１において実線で示すように、上流側温度センサの温度は、流速の増加に応じて、基準温度ｔ₀から低下する。一方、図１１において実線で示すように、下流側温度センサは流体を介してヒータの熱が与えられるので、下流側温度センサの温度は基準温度ｔ₀から一時的に上昇する。しかしながら、ガラス製の基板は熱伝導率が低いため、ヒータと下流側温度センサの熱結合が弱く、ある程度の流速に達すると、下流側温度センサが流体から熱を受け取ることができなくなるため、流速の増加に応じて、下流側温度センサの温度も上流側温度センサとほぼ同等の割合で低下していた。この結果、上流側温度センサと下流側温度センサとの温度差が生じなくなり、図１１において実線で示すように、従来のフローセンサでは、平均流速が１０［ｍ／ｓ］程度で出力が飽和してしまい、平均流速が１０［ｍ／ｓ］以上の高流速範囲の流速を検出することができなかった。

これに対し、本発明のフローセンサ１０では、図１に示すように、第１流路４１ａにおいて、図１中に矢印で示す流体が流通する方向に垂直な断面積は、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きくなっている。これにより、ヒータ２２の下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、図１０において太線で示すように、ヒータ２２の下流側に配置された下流側温度センサ２４の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。この結果、図１１において太線で示すように、フローセンサ１０の出力は平均流速が２０［ｍ／ｓ］以上まで飽和せず、検出可能となる。

具体的には、図１に示すように、下部流路形成部材４０に形成された段差部４５が、基板２０に設けられたヒータ２２に対して下流側に配置されている。このため、第１流路４１ａは、ヒータ２２の上流側が径（高さ）ｄ１であるのに対し、ヒータ２２の下流側が径（高さ）ｄ２に拡大される（ｄ１＜ｄ２）。このように、第１流路４１ａにおいて、ヒータ２２に対して下流側に、段差を形成する段差部４５を有することにより、図１中に矢印で示す流体が流通する方向に垂直な断面積が、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きい流路を、容易に実現（構成）することができる。

なお、段差部４５の端面４５ａは、下流側温度センサ２４よりも上流側に形成されていることが好ましい。これにより、下流側温度センサ２４の手前で確実に流速が低下する（遅くなる）ので、流速が増加しても、下流側温度センサ２４の温度はさらに低下しにくくなる。

上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０の材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）をコーティングしたもの、アルミナセラミックス、ガラス、サファイア、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、インコネル、ステライト（登録商標）などが挙げられる。

また、上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０の材料は、所定の腐食性物質、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ2、ＢＣｌ₃などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などに対して耐食性を有するものが好ましい。具体的には、腐食性物質がＣｌ2、ＢＣｌ₃などの塩素（Ｃｌ）を含む場合、シリコン（Ｓｉ）は、この腐食性物質に対して耐食性を有さない（耐食性が低い）ため、上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０の材料として用いるのは適切ではない。一方、腐食性物質が塩素（Ｃｌ）を含まないＳＯｘ、ＮＯｘなどである場合、シリコン（Ｓｉ）はこの腐食性物質に対して耐食性を有する（耐食性が高い）ので、上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０の材料として好適に用いることができる。これにより、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などの所定の腐食性物質に対するフローセンサ１０の耐食性を高めることができる。また、流体に対して露出している部分が耐食性を有するので、流体が所定の腐食性物質を含む場合に好適に用いることができる。なお、上部流路形成部材３０および下部流路形成部材４０は、同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

図１２は、本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。図１ないし図１１に示したフローセンサ１０は、本発明に係るフローセンサの一例に過ぎない。第１流路４１ａおよび第２流路３１ａのうち少なくとも一方において、流体が流通する方向に垂直な断面積がヒータ２２に対して下流側が上流側より大きくなっていればよい。例えば、図１２に示すように、フローセンサ１０Ａは、下部流路形成部材４０の段差部４５に加え、上部流路形成部材３０にも段差部３６が形成されている。

段差部３６は、図２に示す凹部３１よりさらに深くへこんでおり、凹部３１との境界には段差をなす端面３６ａを有する。このため、第２流路３１ａは、ヒータ２２の上流側が径（高さ）ｄ３であるのに対し、ヒータ２２の下流側が径（高さ）ｄ４に拡大される（ｄ３＜ｄ４）。

この場合、フローセンサ１０Ａは、第１流路４１ａおよび第２流路３１ａの両方において、図１２中に矢印で示す流体が流通する方向に垂直な断面積は、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きくなっている。これにより、ヒータ２２の下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、ヒータ２２の下流側に配置された下流側温度センサ２４の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。この結果、図１１において太線で示した場合と同様に、フローセンサ１０Ａの出力は平均流速が２０［ｍ／ｓ］以上まで飽和せず、検出可能となることが実験などで分かっている。

なお、後述するように、下部流路形成部材４０に段差部４５が形成されず、上部流路形成部材３０に段差部３６を有する場合も、図１１において太線で示した場合と同様に、フローセンサの出力は平均流速が２０［ｍ／ｓ］以上まで飽和せず、検出可能となることが実験などで分かっている。

図１３は、本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。また、流体は、流入口３２および流出口３３を通って第１流路４１ａを流通し、流入口３２および流出口３３を通って第２流路３１ａを流通する場合に限定されない。例えば、図１３に示すように、フローセンサ１０Ｂは、上部流路形成部材３０の上面に、流入口３２および流出口３３が設けられている。流入口３２および流出口３３は、上部流路形成部材３０の上面から図２に示す凹部３１の底面まで貫通しており、フローセンサ１０の外部と第２流路３１ａとを連通している。

また、基板２０には、検出部２１を挟んで検出部２１の左側と右側の両側に一組の貫通孔２８，２９が設けられている。貫通孔２８，２９は、基板２０の上面から下面まで貫通しており、貫通孔２８は検出部２１に対して上流側（図１３において左側）に配置されて上流側貫通孔として機能し、貫通孔２９は検出部２１に対して下流側（図１３において右側）に配置されて下流側貫通孔として機能する。これにより、流体が第２流路３１ａを流通する場合、当該流体は上流側貫通孔２８を通って第１流路４１ａを流通し、下流側貫通孔２９を通って再び第２流路３１ａに戻ることが可能となる。

この場合、図１３中に矢印で示すように、流入口３２から流入した流体が、上部流路形成部材３０によって形成された第２流路３１ａを流通するとともに、上流側貫通孔２８を通って下部流路形成部材４０によって形成された第１流路４１ａを流通する。また、第２流路３１ａを流通した流体は流出口３３から流出し、第１流路４１ａを流通した流体は、下流側貫通孔２９を通って流出口３３から流出する。

図１４は、本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図である。また、流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、ヒータに対して下流側が上流側より大きくなっていれば、流路形成部材が段差部を有する場合に限定されない。例えば、フローセンサ１０Ｃは、図１３に示す基板２０を上下逆さまに配置し、第１基板２０ａの上に上部流路形成部材３０が設置され、第２基板２０ｂの下に下部流路形成部材４０が設置されている。また、下部流路形成部材４０の下面には、流入口４２および流出口４３が設けられている。流入口４２および流出口４３は、下部流路形成部材３０の下面から図３に示す凹部４１の底面まで貫通しており、フローセンサ１０Ｃの外部と第２流路３１ａとを連通している。

流出口４３の開口は、流入口４２の開口よりも大きくなっており、流出口４３の上流側（図１４において左側）の端面４３ａは、基板２０に設けられた下流側温度センサ２４よりも上流側に形成されている。このため、第２流路３１ａにおいて、流体が流通する方向に垂直な断面積は、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きくなっている。これにより、ヒータ２２の下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、ヒータ２２の下流側に配置された下流側温度センサ２４の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。この結果、図１１において太線で示した場合と同様に、フローセンサ１０Ｃの出力は平均流速が２０［ｍ／ｓ］以上まで飽和せず、検出可能となることが実験などで分かっている。

図１５は、本発明に係るフローセンサの他の例を説明する側方断面図であり、図１６は、図１５に示したフローセンサ１０Ｄの設置例を説明する側方断面図である。流路形成部材は、第１基板２０ａの一方の面側および第２基板２０ｂの一方の面側に、流路を形成するように設けられていればよく、流路形成部材自体が流路を形成する場合に限定されない。例えば、図１５に示すように、フローセンサ１０Ｄは、図１３に示す基板２０を上下逆さまに配置し、第１基板２０ａの上に上部流路形成部材３０が設置されている。

上部流路形成部材３０には段差部３６が形成されており、段差部３６は、図２に示す凹部３１との境界に端面３６ａを有する。このため、第１流路４１ａは、ヒータ２２の上流側の径（高さ）に対し、ヒータ２２の下流側が径（高さ）が拡大される。

この場合、フローセンサ１０Ｄは、図１６に示すように、流体が所定方向（図１６において左側から右側方向）に流れ、上面の一部が開口した本体Ｗに、当該開口を覆うように設置される。これにより、本体Ｗと図１５に示す第２基板２０ｂの一方の面（図１６において下面）との間に、第２流路３１ａが形成される。

このように、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄによれば、基板２０の一方の面側（図１、図１２、および図１３において下面側、図１４および図１５において上面側）に流体の流通する第１流路４１ａが形成され、基板２０の他方の面側（図１、図１２、および図１３において上面側、図１４および図１５において下面側）に流体の流通する第２流路３１ａが形成される。これにより、第１流路４１ａと第２流路３１ａとの両方に流体が流通するので、第１流路４１ａと第２流路３１ａとのいずれか一方を流体が流通する場合と比較して、流体の流通によってヒータ２２による熱分布が変化しやすくなる。これにより、流速に対する検出部２１の感度を高めることができる。

また、このとき、検出部２１は、第１流路４１ａと第２流路３１ａとの間に宙吊りの状態で配置される。これにより、基板２０の一方の面側（図１、図１２、および図１３において下面側、図１４および図１５において上面側）と基板２０の他方の面側（図１、図１２、および図１３において上面側、図１４および図１５において下面側）とに流体から圧力を受けるので、基板２０の両面において、流体から受ける圧力の差（差圧）が小さくなり、基板２０の内部に発生する応力を低減することができるとともに、応力による検出信号のノイズを低減することができる。

さらに、第１流路４１ａおよび第２流路３１ａのうち少なくとも一方において、流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きい。これにより、ヒータ２２の下流側で流速が低下する（遅くなる）ので、図１０において太線で示すように、ヒータ２２の下流側に配置された下流側温度センサ２４の温度は、従来のフローセンサと比較して、流速が増加しても低下しにくくなる。これにより、高い流速域（高流速域）でも流速に対する感度が飽和しにくくなり、検出可能範囲（レンジアビリティ）を広げることができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄによれば、第１流路４１ａおよび第２流路３１ａのうち少なくとも一方において、ヒータ２２に対して下流側に段差が形成される。これにより、流体が流通する方向に垂直な断面積が、ヒータ２２に対して下流側が上流側より大きい流路を、容易に実現（構成）することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄによれば、測温ユニットが、ヒータ２２に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される上流側温度センサ２３および下流側温度センサ２４を有する。これにより、ヒータ２２に対して上流の流体の温度と下流の流体の温度とをそれぞれ測定することができ、ヒータによって生ずる流体の温度差を容易に測定することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄによれば、段差部３６，４５の上流側の端面３６ａ，４５ａが、ヒータ２２に対して下流側に配置される下流側温度センサ２４よりも上流側に形成されている。これにより、下流側温度センサ２４の手前で確実に流速が低下する（遅くなる）ので、流速が増加しても、下流側温度センサ２４の温度はさらに低下しにくくなる。これにより、高い流速域（高流速域）でも流速に対する感度がさらに飽和しにくくなり、検出可能範囲（レンジアビリティ）をさらに広げることができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄによれば、基板２０、上部流路形成部材３０、および下部流路形成部材４０のそれぞれが、所定の腐食性物質に対して耐食性を有する。これにより、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ２、ＢＣｌ３などを含有するガス（気体）や、硫酸や硝酸を含む薬液（液体）などの所定の腐食性物質に対するフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの耐食性を高めることができる。また、流体に対して露出している部分が耐食性を有するので、流体が所定の腐食性物質を含む場合に好適に用いることができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄによれば、第１基板２０ａの他方の面（図１、図１２、および図１３において上面、図１４および図１５において下面）と第２基板２０ｂの他方の面（図１、図１２、および図１３において下面、図１４および図１５において上面）とが接合されており、検出部２１が第１基板２０ａと第２基板２０ｂとの間に配置される。これにより、検出部２１は、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂによって覆われるので、外部に対して露出する（さらされる）ことがない。また、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとが接合されているので、第１基板２０ａと第２基板２０ｂとの間から流体が浸食（侵入）するのを防止することが可能となる。これにより、第１基板２０ａおよび第２基板２０ｂが耐食性を有する場合に、所定の腐食性物質に対するフローセンサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの耐食性をさらに高めることができる。

なお、前述した実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…フローセンサ
２０…基板
２０ａ…第１基板
２０ｂ…第２基板
２１…検出部
２２…ヒータ（抵抗素子）
２３…上流側温度センサ（抵抗素子）
２４…下流側温度センサ（抵抗素子）
３０…上部流路形成部材
３１ａ…第２流路
３６…段差部
３６ａ…端面
４０…下部流路形成部材
４１ａ…第１流路
４３…流出口
４３ａ…端面
４５…段差部
４５ａ…端面

Claims (6)

1. 流体を加熱するヒータと前記ヒータによって生ずる前記流体の温度差を測定するように構成された測温ユニットとを含む検出部が設けられた基板と、
   前記基板の一方の面側に前記流体が流通する第１の流路を形成し、前記基板の他方の面側に前記流体が流通する第２の流路を形成するように設けられた流路形成部材と、を備え、
   前記第１の流路および前記第２の流路のうち少なくとも一方において、前記流体が流通する方向に垂直な断面の面積は、前記ヒータに対して下流側が上流側より大きい
   ことを特徴とするフローセンサ。
2. 前記流路形成部材は、前記第１の流路および前記第２の流路のうち少なくとも一方において、前記ヒータに対して下流側に、段差を形成する段差部を有する
   ことを特徴とする請求項１にフローセンサ。
3. 前記測温ユニットは、前記ヒータに対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する
   ことを特徴とする請求項２にフローセンサ。
4. 前記段差部の上流側の端面は、前記ヒータに対して下流側に配置される前記温度センサよりも上流側に形成されている
   ことを特徴とする請求項３にフローセンサ。
5. 前記基板および前記流路形成部材のそれぞれは、所定の腐食性物質に対して耐食性を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフローセンサ。
6. 前記基板は、一方の面側に前記第１の流路が形成される第１の基板と、一方の面側に前記第２の流路が形成される第２の基板と、を含み、
   前記第１の基板の他方の面と前記第２の基板の他方の面とは接合されており、
   前記検出部は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかにフローセンサ。

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