JP2012208061A - Flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は流体の検査技術に係り、フローセンサに関する。 The present invention relates to a fluid inspection technique and relates to a flow sensor.
ガスの配管等においては、ガスの流量を正確に計測することが重要である。ガス等の流体の流量を計測する機器として、フローセンサがある。フローセンサを配管に設置する際に、必要となる工事を可能な限り省略するために、フローセンサそのものにパッケージ機能をもたせ、配管への設置を容易にしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In gas piping or the like, it is important to accurately measure the gas flow rate. There is a flow sensor as a device for measuring the flow rate of a fluid such as gas. In order to eliminate the necessary work as much as possible when installing the flow sensor on the pipe, a flow sensor has been proposed that has a package function to facilitate installation on the pipe (for example, patents). Reference 1).
しかし、従来のフローセンサは、活性ガス等に弱く、信頼性が低いという問題がある。そこで、本発明は、信頼性の高いフローセンサを提供することを目的の一つとする。 However, the conventional flow sensor has a problem that it is weak against active gas or the like and has low reliability. Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable flow sensor.
本発明者は、鋭意研究の結果、従来の発熱体を用いるフローセンサは、発熱体が計測対象の流体に露出しているため、活性ガス等に弱いことを見出した。そこで、本発明の態様によれば、(a)上面に凹部が設けられた第1の基板と、(b)第1の基板の凹部の一部を覆うように配置された発熱素子と、(c)発熱素子を保護する保護部材と、(d)第1の基板の凹部及び発熱素子を覆うように配置され、それぞれ第1の基板の凹部に連通する流入口及び流出口が設けられた第2の基板と、を備えるフローセンサが提供される。 As a result of intensive studies, the present inventor has found that a conventional flow sensor using a heating element is weak against an active gas or the like because the heating element is exposed to the fluid to be measured. Therefore, according to an aspect of the present invention, (a) a first substrate provided with a recess on the upper surface, (b) a heating element disposed so as to cover a part of the recess of the first substrate, c) a protective member that protects the heat generating element; and (d) a first member that is disposed so as to cover the concave portion and the heat generating element of the first substrate, and is provided with an inlet and an outlet that respectively communicate with the concave portion of the first substrate. There is provided a flow sensor comprising two substrates.
本発明によれば、信頼性の高いフローセンサを提供可能である。 According to the present invention, a highly reliable flow sensor can be provided.
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、同一又は類似の部分には同一又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、具体的な寸法等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。 Embodiments of the present invention will be described below. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in light of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係るフローセンサは、図1乃至図3に示すように、上面に凹部8が設けられた第1の基板1と、第1の基板1の凹部8の一部を覆うように配置された発熱素子6と、発熱素子6を保護する保護部材40と、第1の基板1の凹部8及び発熱素子6を覆うように配置され、それぞれ第1の基板1の凹部8に連通する流入口12及び流出口13が設けられた第2の基板14と、を備える。
(First embodiment)
As shown in FIGS. 1 to 3, the flow sensor according to the first embodiment covers the
第1の基板1の材料としては、パイレックス(登録商標)ガラス等が使用可能である。第1の基板1には凹部8が設けられており、凹部8の両側で発熱素子6をブリッジ状に保持している。発熱素子6には、シリコンフィラメントが使用可能である。第1の基板1には、それぞれ金属膜9を介して底面から上面に貫通する貫通電極2、3が設けられている。貫通電極2、3は、第1の基板1の凹部8の両側で、金属膜9を介して発熱素子6に接触している。
As a material of the
パッシベーション膜等の保護部材40は発熱素子6の全面を覆っている。例えば、保護部材40の材料としては、フッ素系樹脂等の有機材料、並びに酸化ケイ素(SiO)及び窒化ケイ素(SiN)等の無機材料が使用可能である。
A
第2の基板14の材料としても、パイレックス(登録商標)ガラス等が使用可能である。第2の基板14の底面には、凹部11が設けられている。第1の基板1と、第2の基板14と、は、例えば熱圧着接合により結合されている。これにより、発熱素子6の周囲に、第1の基板1に設けられた凹部8と、第2の基板14に設けられた凹部11と、からなる流体室が形成される。
Pyrex (registered trademark) glass or the like can also be used as the material of the
流体室内部には、第2の基板14に設けられた流入口12を介して流体が注入される。注入された流体は、発熱素子6の上下を流れ、第2の基板14に設けられた流出口13を介してフローセンサの外部に排出される。
A fluid is injected into the fluid chamber through an
ここで、貫通電極2、3間に電圧を印加すると、発熱素子6に電流が流れ、ジュール熱が発生する。発熱素子6が発する熱は、フローセンサに注入された流体の流速に応じて奪われる。発熱素子6の電気抵抗は、発熱素子6の発熱温度に相関する。したがって、発熱素子6の電気抵抗の変化を計測することによって、発熱素子6の発熱温度の変化を計測することが可能であり、ひいては、発熱素子6の周囲を流れる流体の流速の変化を計測することが可能となる。
Here, when a voltage is applied between the through
次に、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the flow sensor according to the first embodiment will be described.
まず、第1の基板1を用意し、図4に示すように、エッチング法等により、第1の基板1の上面に凹部8を設ける。次に、図5に示すように、サンドブラスト法等により、第1の基板1に貫通孔16、17を設ける。また、図6に示すように、シリコン基板18を用意し、エピタキシャル成長により、シリコン基板18の表面にボロン高濃度層19を形成する。次に、図7に示すように、エッチング法等により、ボロン高濃度層19を適当な大きさに整形する。
First, a
図8に示すように、ボロン高濃度層19が凹部8の一部、及び貫通孔16、17を覆うように、第1の基板1と、ボロン高濃度層19と、を陽極接合により結合する。なお、第1の基板1と、ボロン高濃度層19と、を直接接合で結合してもよい。次に、ヒドラジンや水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)等のアルカリ液を用いて、シリコン基板18を除去し、図9に示すように、ボロン高濃度層19を発熱素子6とする。その後、図10に示すように、スピン塗布法、ディッピング法、スパッタ法、蒸着法、化学気相成長(CVD)法、又は原子層堆積(ALD)法等の任意の方法によって、発熱素子6表面に保護部材40を形成する。
As shown in FIG. 8, the
第2の基板14を用意し、図11に示すように、エッチング法等により、第2の基板14の底面に凹部11を設ける。また、図12に示すように、サンドブラスト法等により、第2の基板14に流入口12及び流出口13を設ける。次に、図13に示すように、発熱素子6が配置された第1の基板1と、第2の基板14と、を、熱圧着接合により結合する。その後、図14に示すように、スパッタ法等により、第1の基板1の底面と、貫通孔16、17の内部と、に金属膜9を成膜する。
A
図15に示すように、第1の基板1に溝10の加工をダイシング法等で行うことにより、金属膜9を分割し、電気的に分離する。その後、貫通孔16、17内部に金属を充填して、それぞれ発熱素子6に通電する図2に示した貫通電極2、3を形成し、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を終了する。なお、この金属膜9の分離・分割は、フォトリソグラフィやハードマスクなどで行なうこともできる。
As shown in FIG. 15, the
以上説明した第1の実施の形態に係るフローセンサによれば、発熱素子6が保護部材40で覆われているため、不活性な流体のみならず、活性な流体の流量をも安定して計測することが可能となる。また、発熱素子6を保護部材40で覆うことにより、耐電圧を向上させることも可能となる。さらに、発熱素子6を保護部材40で覆うことにより、ごみの付着による発熱素子6の出力のドリフトを抑制することが可能となる。
According to the flow sensor according to the first embodiment described above, since the
(第2の実施の形態)
図16に示すように、第2の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子7は、保護部材としてのガラス基板41に埋め込まれている。発熱素子7を埋め込まれたガラス基板41は、ガラス基板42と貼りあわされている。ガラス基板42には、貫通電極106、206が設けられている。ガラス基板42の貫通電極106、206を介して、発熱素子7は、第1の基板1の貫通電極2、3に電気的に接続される。第2の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第1の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 16, in the flow sensor according to the second embodiment, the
第2の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、凹部が設けられたガラス基板41を用意し、ガラス基板41の凹部に導電物質を充填して、図17に示すように、発熱素子7をガラス基板41の内部に形成する。また、貫通孔が設けられたガラス基板42を用意し、ガラス基板42の貫通孔を導電物質で充填して、図18に示すように、貫通電極106、206をガラス基板42に形成する。その後、図19に示すように、発熱素子7と、貫通電極106、206と、が電気的に接触するように、ガラス基板41と、ガラス基板42と、を貼りあわせる。さらに、図20に示すように、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第1の基板1に、ガラス基板41、42にはさまれた発熱素子7を配置する。その後、第1の実施の形態と同様の工程により、第2の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
When manufacturing the flow sensor according to the second embodiment, a
シリコンフィラメント等からなる図16に示す発熱素子7を、ガラス基板41、42ではさむことにより、フローセンサの機械的強度を上げることが可能となる。また、発熱素子7が硬いガラス基板41、42で覆われているため、第1の基板1に貫通電極2、3を形成することが容易になる。なお、ガラス基板の代わりに、サファイア基板等で発熱素子7を保護してもよい。
By sandwiching the
(第3の実施の形態)
図21に示すように、第3の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子37は、第1の基板1に接する保護部材としてのガラス基板44に埋め込まれている。発熱素子7を埋め込まれたガラス基板44上には、平坦なガラス基板43が貼りあわされている。ガラス基板44には、貫通電極126、226が設けられている。ガラス基板44の貫通電極126、226を介して、発熱素子7は、第1の基板1の貫通電極2、3に電気的に接続される。第3の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第2の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 21, in the flow sensor according to the third embodiment, the
第3の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、まず、図22に示すように、平坦なガラス基板43を用意する。次に、図23に示すように、スパッタ法や蒸着法により、発熱体37となる金属膜をガラス基板43の底面に形成する。図24に示すように、発熱体37の長さを確保するために、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、発熱体37をメアンダ状に整形してもよい。
When manufacturing the flow sensor according to the third embodiment, first, a
図25に示すように、凹部と、二つの貫通孔が設けられたガラス基板44を用意する。次に、図26に示すように、ガラス基板44の凹部の内部に発熱体37が格納されるように、ガラス基板44と、ガラス基板43と、を直接接合により結合する。その後、図27に示すように、ガラス基板44の貫通孔を導電物質で充填して、それぞれ発熱体37と電気的に接触する貫通電極126、226をガラス基板44に形成する。さらに、図28に示すように、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第1の基板1に、ガラス基板43、44にはさまれた発熱素子7を配置する。その後、第1の実施の形態と同様の工程により、第3の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
As shown in FIG. 25, a
第3の実施の形態に係るフローセンサにおいても、機械的強度の向上を図ることが可能となる。 Also in the flow sensor according to the third embodiment, it is possible to improve the mechanical strength.
(第3の実施の形態に変形例)
第3の実施の形態の変形例に係るフローセンサの製造方法を説明する。まず、第3の実施の形態と同様に、図26に示すように、ガラス基板44の凹部の内部に発熱体37が格納されるように、ガラス基板44と、ガラス基板43と、を直接接合により結合する。次に、ガラス基板44に貫通電極を形成することなく、図29に示すように、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第1の基板1に、ガラス基板43、44にはさまれた発熱素子7を配置する。ガラス基板44の二つの貫通孔は、それぞれ第1の基板1の貫通孔16、17に連通する。その後、ガラス基板44の二つの貫通孔及び第1の基板1の貫通孔16、17を導電材で充填し、図30に示すように、第1の基板1の底面から発熱素子7までそれぞれ貫通する貫通電極102、103を形成する。
(Modification to the third embodiment)
A method for manufacturing a flow sensor according to a modification of the third embodiment will be described. First, as in the third embodiment, as shown in FIG. 26, the
発熱素子7がガラス基板で保護されているため、第1の基板1の底面から直接、発熱素子7までそれぞれ貫通する貫通電極102、103を形成することが容易となる。
Since the
(第4の実施の形態)
図31に示すように、第4の実施の形態に係るフローセンサにおいて、発熱素子37は、第1の基板1上に配置された平坦なガラス基板46と、平坦なガラス基板43と、で挟まれている。また、ガラス基板46と、ガラス基板43と、の間において、発熱素子37は充填部材47で囲まれている。ガラス基板46には、貫通電極126、226が設けられている。ガラス基板46の貫通電極126、226を介して、発熱素子7は、第1の基板1の貫通電極2、3に電気的に接続される。第4の実施の形態に係るフローセンサのその他の構成要素は、第2の実施の形態に係るフローセンサと同様である。
(Fourth embodiment)
As shown in FIG. 31, in the flow sensor according to the fourth embodiment, the
第4の実施の形態に係るフローセンサを製造する際、まず、図32に示すように、二つの貫通孔が設けられたガラス基板46を用意する。次に、図23で説明したように底面に発熱体37が形成されたガラス基板43を用意し、図33に示すように、発熱体37の底面と、ガラス基板46の上面と、を貼り合わせる。その後、ガラス基板46と、ガラス基板43と、の間に、接着剤や溶融したガラスフリット等を充填し、図34に示すように、充填部材47を形成する。
When manufacturing the flow sensor according to the fourth embodiment, first, as shown in FIG. 32, a
図35に示すように、ガラス基板46の貫通孔を導電物質で充填して、それぞれ発熱体37と電気的に接触する貫通電極126、226をガラス基板44に形成する。さらに、図36に示すように、第1の実施の形態に係るフローセンサの製造方法と同様に加工した第1の基板1に、ガラス基板43、46にはさまれた発熱素子7を配置する。その後、第1の実施の形態と同様の工程により、第4の実施の形態に係るフローセンサを製造する。
As shown in FIG. 35, the through holes of the
第4の実施の形態に係るフローセンサにおいても、機械的強度の向上を図ることが可能となる。 Also in the flow sensor according to the fourth embodiment, it is possible to improve the mechanical strength.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、図37に示すように、発熱素子7をガラス基板41、42等の硬い保護部材で覆った場合、貫通電極を第1の基板1に設けなくとも、ワイヤ116、216で発熱素子7に通電してもよい。これにより、フローセンサの製造コストを下げることも可能となる。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, embodiments, and operation techniques should be apparent to those skilled in the art. For example, as shown in FIG. 37, when the
1 第1の基板
2、3 貫通電極
6、7、37 発熱素子
8、11 凹部
9 金属膜
10 ダイシング溝
12 流入口
13 流出口
14 第2の基板
16、17 貫通孔
18 シリコン基板
19 ボロン高濃度層
40 保護部材
41、42、43、44、46 ガラス基板
47 充填部材
102、103、106、206、126、226 貫通電極
116、216 ワイヤ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の基板の凹部の一部を覆うように配置された発熱素子と、
前記発熱素子を保護する保護部材と、
前記第1の基板の凹部及び前記発熱素子を覆うように配置され、それぞれ前記第1の基板の凹部に連通する流入口及び流出口が設けられた第2の基板と、
を備えるフローセンサ。 A first substrate having a recess on the upper surface;
A heating element arranged to cover a part of the recess of the first substrate;
A protective member for protecting the heating element;
A second substrate provided so as to cover the concave portion of the first substrate and the heating element, and provided with an inlet and an outlet that respectively communicate with the concave portion of the first substrate;
A flow sensor comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011075136A JP2012208061A (en) | 2011-03-30 | 2011-03-30 | Flow sensor |
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- 2011-03-30 JP JP2011075136A patent/JP2012208061A/en active Pending
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