JP2013072790A - フローセンサ及びフローセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の低いフローセンサを提供する。
【解決手段】裏面に第１の凹部１１が設けられ、第１の凹部１１の上方の表面に第２の凹部１２が設けられた基板１と、第２の凹部１２を覆うように基板１の表面上に配置された膜２と、膜２の裏面に配置され、第２の凹部１２に格納された、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３と、を備えるフローセンサ。
【選択図】図２

Description

本発明は計測技術に関し、特にフローセンサ及びフローセンサの製造方法に関する。

工業炉、ボイラ、及び空調熱源機器等においては、適切な流量の流体が供給されることが求められている。そのため、流量を正確に計測するための流量計に用いられるフローセンサが種々開発されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２０１０−１３３８２９号公報 特開２００９−９２４７５号公報

近年の環境意識の高まりに応じて、フローセンサの消費電力についても、削減されることが望まれている。そこで、本発明は、消費電力の低いフローセンサ及びフローセンサの製造方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）裏面に第１の凹部が設けられ、第１の凹部の上方の表面に第２の凹部が設けられた基板と、（ｂ）第２の凹部を覆うように基板の表面上に配置された膜と、（ｃ）膜の裏面に配置され、第２の凹部に格納された、第１の測温素子、発熱素子、及び第２の測温素子と、を備えるフローセンサが提供される。

また、本発明の態様によれば、（ａ）第１の基板の裏面に第１の凹部を形成し、第１の基板の第１の凹部の上方の表面に第２の凹部を形成することと、（ｂ）第２の基板の裏面に、第１の測温素子、発熱素子、及び第２の測温素子を形成することと、（ｃ）第２の凹部を覆うように第１の基板の表面上に第２の基板を配置し、第１の測温素子、発熱素子、及び第２の測温素子を第２の凹部に格納することと、（ｄ）第２の基板の表面から厚みを減じ、膜とすること、を含むフローセンサの製造方法が提供される。

本発明によれば、消費電力の低いフローセンサ及びフローセンサの製造方法を提供可能である。

本発明の実施の形態に係るフローセンサの上面図である。 本発明の実施の形態に係る図１に示したフローセンサのＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態に係る図１に示したフローセンサのＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程上面図である。 本発明の実施の形態に係る図４のＶ−Ｖ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程上面図である。 本発明の実施の形態に係る図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る図６のＩＸ−ＩＸ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程上面図である。 本発明の実施の形態に係る図１０のＸＩ−ＸＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程裏面図である。 本発明の実施の形態に係る図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程裏面図である。 本発明の実施の形態に係る図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程上面図である。 本発明の実施の形態に係る図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る図１７のＸＩＸ−ＸＩＸ方向から見たフローセンサの工程断面図である。 本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程断面図である。

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。

図１乃至図３に示す実施の形態に係るフローセンサは、裏面に第１の凹部１１が設けられ、第１の凹部１１の上方の表面に第２の凹部１２が設けられた基板１と、第２の凹部１２を覆うように基板１の表面上に配置された膜２と、膜２の裏面に配置され、第２の凹部１２に格納された、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３と、を備える。実施の形態に係るフローセンサは、例えば、流路を流れる流体の流速及び流量等を計測するために使用される。なお、流体は、気体であっても、液体であってもよい。

図２及び図３に示す基板１の厚みは、例えば０．５ｍｍ程度である。また、基板１の縦横の寸法は、例えばそれぞれ２ｍｍ程度である。基板１の材料としては、石英（ＳｉＯ₂）、サファイア等の耐食性材料が使用可能である。例えば、第１の凹部１１は第２の凹部１２より深い。第２の凹部１２の深さは、例えば１０μｍ程度である。また、例えば、基板１の第１の凹部１１の底面と、第２の凹部１２の底面と、で挟まれた部分は、厚さ１０μｍ程度の薄膜をなしている。

膜２の厚みは、例えば１０μｍ程度である。膜２の材料としては、石英（ＳｉＯ２），サファイア等の耐食性材料が使用可能である。発熱素子３１は、例えば抵抗器であり、電力を与えられて発熱し、膜２表面を流れる流体を加熱する。図２に示す第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３は、例えば抵抗器等の受動素子等の電子素子であり、膜２表面を流れる流体の温度に依存した電気信号を出力する。第１の測温素子３２は発熱素子３１より例えば上流側の流体の温度を検出するために用いられ、第２の測温素子３３は発熱素子３１より例えば下流側の流体の温度を検出するために用いられる。発熱素子３１、第１の測温素子３２、及び第２の測温素子３３のそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等の導電性材料が使用可能である。

第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３と、基板１の凹部１２の底面と、の間には、幅１０μｍ程度の空間が設けられている。

図２に示す膜２表面に接する流体が静止している場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に伝播する。したがって、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の温度は等しくなり、白金等からなる第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、第１の測温素子３２が配置された側から第２の測温素子３３が配置された側に向かって流体に流れている場合、発熱素子３１から流体に加えられた熱は、第２の測温素子３３が配置された側に運ばれる。したがって、第１の測温素子３２の温度よりも、第２の測温素子３３の温度が高くなる。そのため、第１の測温素子３２の電気抵抗と、第２の測温素子３３の電気抵抗と、に差が生じる。第２の測温素子３３の電気抵抗と、第１の測温素子３２の電気抵抗と、の差は、膜２表面に接する流体の速度と相関する。そのため、第２の測温素子３３の電気抵抗と、第１の測温素子３２の電気抵抗と、の差から、膜２表面に接する流体の流量が求められる。

図１及び図３に示すように、膜２の裏面には、電極４１、４２、４３、５１、５２、５３がさらに配置されている。電極４１は発熱素子３１の一方の端部に電気的に接続されており、電極５１は発熱素子３１の他方の端部に電気的に接続されている。電極４２は第１の測温素子３２の一方の端部に電気的に接続されており、電極５２は第１の測温素子３２の他方の端部に電気的に接続されている。電極４３は第２の測温素子３３の一方の端部に電気的に接続されており、電極５３は第２の測温素子３３の他方の端部に電気的に接続されている。基板１には、電極４１、４２、４３を露出させるための配線用貫通孔１３と、電極５１、５２、５３を露出させるための配線用貫通孔１４と、が設けられている。

さらに、図１及び図２に示すように、フローセンサには、膜２の表面から基板１の第１の凹部１１に貫通する流体連通孔２１、２２が、基板１の第２の凹部１２に隣接して設けられている。これにより、膜２表面に加わる圧力と、第１の凹部１１の底面に加わる圧力と、をほぼ等しくすることが可能となる。また、流体連通孔２１、２２のそれぞれの開口面積を適宜設定することにより、流体連通孔２１から第１の凹部１１内部に流入し、流体連通孔２２から流出する流体の速度をほぼゼロにすることが可能となる。

以上説明した実施の形態に係るフローセンサにおいては、図２に示すように、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３が基板１の第２の凹部１２に格納されており、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３と、基板１の凹部１２の底面と、の間に、空間が設けられている。空間は断熱効果を有するため、発熱素子３１が発した熱が、測定対象である流体に接する膜２表面に効率よく伝播する。そのため、発熱素子３１に加えられた電力が効率良く消費されるため、無駄な消費電力を削減することが可能となる。また、流体が発熱素子３１で効率よく加熱されるため、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３による温度変化の検出時間を短縮することが可能となる。さらに、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３を第２の凹部１２に格納することにより、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３が流体にさらされない。そのため、実施の形態に係るフローセンサは、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）などの腐食性を有する流体の測定にも適応可能となる。

次に、図４乃至図２０を参照して、実施の形態に係るフローセンサの製造方法について説明する。
（ａ）まず、図４及び図５に示すように、平坦な第１の基板１を用意する。次に、図６及び図７に示すように、第１の基板１に、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、配線用貫通孔１３、１４を設ける。その後、図８及び図９に示すように、第１の基板１の裏面に、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、第１の凹部１１を設ける。さらに、図１０乃至図１２に示すように、第１の基板１の表面に、エッチング加工等により、第２の凹部１２を設ける。なお、配線用貫通孔１３、１４、第１の凹部１１、及び第２の凹部１２を設ける順序は任意である。

（ｂ）また、図１３及び図１４に示すように、平坦な第２の基板１０２を用意し、第２の基板の裏面に、スパッタリング法、真空蒸着法等の方法により、白金などの金属を付着させ、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３を形成（パターニング）する。次に、図１５及び図１６に示すように、第２の基板の裏面に、同様の方法により、電極４１、４２、４３、５１、５２、５３を形成（パターニング）する。なお、図１４及び図１６は、裏面を上側にして第２の基板１０２を描いている。

（ｃ）図１０乃至図１２に示した配線用貫通孔１３、１４、第１の凹部１１、及び第２の凹部１２が設けられた第１の基板１と、図１５及び図１６に示した第１の測温素子３２、発熱素子３１、第２の測温素子３３、及び電極４１、４２、４３、５１、５２、５３が設けられた第２の基板１０２と、を、図１７乃至図１９に示すように、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３が第２の凹部１２に格納され、電極４１、４２、４３、５１、５２、５３が配線用貫通孔１３、１４から露出するよう、常温活性化接合等の手法により接合する。

（ｄ）第２の基板１０２の厚みを、研削法、研磨法、又はエッチング法等により減じて、図２０に示すように、膜２とする。その後、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、図２に示す基板１及び膜２を貫通する流体連通孔２１、２２を形成し、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、第２の基板１０２及び第１の基板１を貫通する流体連通孔２１、２２を形成後、第２の基板１０２の厚みを減じて、膜２としてもよい。

以上説明した製造方法により、図１乃至図３に示した実施の形態に係るフローセンサを製造可能である。

（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２に示す第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３と、基板１の凹部１２の底面と、の間の空間を真空にしてもよい。これにより、空間の断熱効果をさらに向上させることが可能となる。また、上述した実施の形態では、３つの電極４１、４２、４３に対して１つの配線用貫通孔１３が設けられ、３つの電極５１、５２、５３に対して１つの配線用貫通孔１４が設けられる例を示したが、例えば６つの電極４１、４２、４３、５１、５２、５３のそれぞれに対して６つの配線用貫通孔を個別に設け、貫通電極をさらに形成してもよい。また、発熱素子３１、第１の測温素子３２、及び第２の測温素子３３に対する電極４１、４２、４３、５１、５２、５３の配置、接続方法は、上述した実施の形態に限定されない。例えば、電４２と、電極４３と、は、配線により電気的に接続されていてもよい。このように、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。

１ 基板（第１の基板）
２ 膜
１１ 第１の凹部
１２ 第２の凹部
１３、１４ 配線用貫通孔
２１、２２ 流体連通孔
３１ 発熱素子
３２ 第１の測温素子
３３ 第２の測温素子
４１、４２、４３、５１、５２、５３ 電極
１０２ 第２の基板

Claims (14)

1. 裏面に第１の凹部が設けられ、前記第１の凹部の上方の表面に第２の凹部が設けられた基板と、
   前記第２の凹部を覆うように前記基板の表面上に配置された膜と、
   前記膜の裏面に配置され、前記第２の凹部に格納された、第１の測温素子、発熱素子、及び第２の測温素子と、
   を備えるフローセンサ。
2. 前記第２の凹部の底面と、前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子と、の間に空間が設けられている、請求項１に記載のフローセンサ。
3. 前記膜の表面から前記基板の第１の凹部に貫通する流体連通孔が、前記第２の凹部の隣に設けられている、請求項１又は２に記載のフローセンサ。
4. 前記第１の凹部が、前記第２の凹部より深い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフローセンサ。
5. 前記基板の前記第１の凹部の底面と、前記第２の凹部の底面と、で挟まれた部分が、薄膜をなしていている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフローセンサ。
6. 前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子のそれぞれに接続された電極を更に備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフローセンサ。
7. 前記電極を露出させる配線用貫通孔が前記基板に設けられている、請求項６に記載のフローセンサ。
8. 第１の基板の裏面に第１の凹部を形成し、前記第１の基板の前記第１の凹部の上方の表面に第２の凹部を形成することと、
   第２の基板の裏面に、第１の測温素子、発熱素子、及び第２の測温素子を形成することと、
   前記第２の凹部を覆うように前記第１の基板の表面上に前記第２の基板を配置し、前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子を前記第２の凹部に格納することと、
   前記第２の基板の表面から厚みを減じ、膜とすること、
   を含むフローセンサの製造方法。
9. 前記第２の凹部の底面と、前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子と、の間に空間が設けられるように、前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子を前記第２の凹部に格納する、請求項８に記載のフローセンサの製造方法。
10. 前記膜の表面から前記第１の基板の第１の凹部に貫通する流体連通孔を、前記第２の凹部の隣に形成することを更に含む、請求項８又は９に記載のフローセンサの製造方法。
11. 前記第１の凹部が、前記第２の凹部より深い、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のフローセンサの製造方法。
12. 前記第１の基板の前記第１の凹部の底面と、前記第２の凹部の底面と、で挟まれた部分が、薄膜をなすよう、前記第１の凹部と、前記第２の凹部と、を形成する、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載のフローセンサの製造方法。
13. 前記第１の測温素子、前記発熱素子、及び前記第２の測温素子のそれぞれに接続された電極を形成することを更に含む、請求項８乃至１２のいずれか１項に記載のフローセンサの製造方法。
14. 前記電極を露出させる配線用貫通孔を前記第１の基板に形成することをさらに含む、請求項１３に記載のフローセンサの製造方法。

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