JP2013072791A

JP2013072791A - フローセンサ及びフローセンサの製造方法

Info

Publication number: JP2013072791A
Application number: JP2011213042A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22

Abstract

【課題】計測精度の高いフローセンサを提供する。
【解決手段】表面に開口を有する穴が設けられた基板１と、穴を覆うように基板１の表面上に配置された膜２と、穴を覆う膜２に設けられた電気抵抗素子３１、３２、３３と、を備え、基板１に、基板１の外部と、基板１に設けられた穴の内部と、を結ぶ流路１２が設けられている、フローセンサ。
【選択図】図１

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。）。

米国特許第７８９２４８８号明細書国際公開第００／０７７４７８号パンフレット

フローセンサには、様々な環境要因により、計測誤差が生じる場合がある。そこで、本発明は、計測精度の高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）表面に開口を有する穴が設けられた基板と、（ｂ）穴を覆うように基板の表面上に配置された膜と、（ｃ）穴を覆う膜に設けられた電気抵抗素子と、を備え、（ｄ）基板に、基板の外部と、基板に設けられた穴の内部と、を結ぶ流路が設けられている、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）基板を用意することと、（ｂ）基板の表面上に膜を形成することと、（ｃ）膜に電気抵抗素子を形成することと、（ｄ）基板に、当該基板の表面に開口を有する穴を電気抵抗素子の下方に形成し、当該基板の外部と、当該基板に設けられた穴の内部と、を結ぶ流路を形成することと、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、計測精度の高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斜視図である。本発明の実施の形態に係る図１のＩＩ−ＩＩ方向から見たフローセンサの断面図である。本発明の実施の形態に係る図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見たフローセンサの断面図である。本発明の実施の形態に係るフローセンサの工程斜視図である。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図４のＶI−ＶI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斜視図である。本発明の実施の形態に係る図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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７のＩＸ−ＩＸ方向から見た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、表面に開口を有する穴１１が設けられた基板１と、穴１１を覆うように基板１の表面上に配置された膜２と、穴１１を覆う膜２に設けられた第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。ここで、基板１に、基板１の外部と、基板１に設けられた穴１１の内部と、を結ぶ流路１２が設けられている。実施の形態に係るフローセンサは、例えば、管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、計測対象である流体は、気体であっても、液体であってもよい。

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１．５ｍｍ程度である。基板１の材料としては、シリコン（Ｓｉ）結晶やガラス等が使用可能である。基板１に設けられた穴１１は、基板１の表面から裏面に貫通している。膜２の厚みは、例えば１乃至１０μｍ程度である。膜２の材料としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、及びガラス等が使用可能である。膜２の穴１１を覆う部分は、例えばダイアフラム３をなしている。

ダイアフラム３上に設けられた発熱素子３１は、例えば抵抗器であり、電力を与えられて発熱し、ダイアフラム３表面を流れる流体を加熱する。第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３は、抵抗器等の電気抵抗素子であり、ダイアフラム３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。発熱素子３１、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３は、保護膜４で覆われている。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。

ダイアフラム３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、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、ダイアフラム３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、ダイアフラム３表面に接する流体の流量が求められる。

実施の形態に係るフローセンサは、例えば平坦な部材上に配置される。そのため、基板１に設けられた穴１１の裏面側の開口は、部材によって塞がれる。しかし、基板１の裏面に、基板１の外部と、基板１に設けられた穴１１の内部と、を結ぶ溝である流路１２が設けられているため、穴１１の内部に、計測対象の流体が流入する。そのため、流体によってダイアフラム３の上面に加えられる圧力と、流体によってダイアフラム３の下面に加えられる圧力と、がほぼ等しくなる。

ダイアフラム３の上面と、下面と、に加わる圧力が異なる場合、ダイアフラム３は撓み得る。ダイアフラム３が撓むと、第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の電気抵抗が変化し得る。温度に依存しない、ダイアフラム３の撓みによる第１の測温素子３２及び第２の測温素子３３の電気抵抗が変化は、計測対象である流体の流れの検出に誤差をもたらし得る。これに対し、実施の形態に係るフローセンサは、上述したように、基板１の裏面に設けた流路１２によって、ダイアフラム３の上面と、下面と、に加わる圧力をほぼ等しくすることが可能となる。そのため、正確に流体の流れを検出することが可能となる。

なお、特許文献１に開示されているフローセンサおいては、基板に設けられたキャビティの一部を、ブリッジ状の薄膜で覆っている。しかし、ブリッジ状の薄膜は、両縁にダスト等が衝突し、付着しやすく、それによって破損が生じたり、出力に異常が生じたりするという問題がある。

また、特許文献２に開示されているフローセンサにおいては、基板に設けられたキャビティを覆う薄膜に多数の微小スリットを設けている。しかし、例えば薄膜の厚みが１０μｍ程度ある場合、薄膜に微小スリットを形成するのは困難である。さらに、薄膜に設けられたスリットは、クラックの原因にもなりうる。

これに対し、実施の形態に係るフローセンサにおいては、ダイアフラム３は基板１に設けられた穴１１の開口総てを覆っており、縁がないため、ダスト等が付着しにくい。また、ダイアフラム３にスリットが設けられていないため、クラックが生じにくい。そのため、実施の形態に係るフローセンサは、長い製品寿命を実現し、計測精度を向上させることが可能となる。

さらに、実施の形態に係るフローセンサによれば、特開２００３―１７２６４６号公報の図１に開示されたチップのように、縦長な構造をとる必要がなくなる。そのため、設置に必要な面積を削減することが可能となり、フローセンサが搭載される器具の製造コストを低下させることが可能となる。

次に、図４乃至図９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乃至図６に示すように、シリコン結晶等からなる基板１を用意する。次に、基板１の表面を酸化させて、二酸化ケイ素等からなる膜２を基板１の表面に形成する。なお、石英ガラス又はサファイア等からなる基板１に、石英ガラス又はサファイア等からなる膜２を貼り合わせてもよい。その後、例えば、蒸着法又はスパッタ法によって膜２表面に白金（Ｐｔ）等の導電性材料からなる導電膜を形成し、フォトリソグラフィ法によって導電膜をパターニングすることによって、第１の測温素子３２、発熱素子３１、及び第２の測温素子３３を膜２上に形成する。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を覆う保護膜４を、膜２上に形成する。

（ｂ）次に、図７乃至図９に示すように、基板１の裏面に、ダイシング法、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、又はエッチング法等により、溝である流路１２を設ける。なお、流路１２は、基板１の裏面の輪郭をなす平行な二辺を結ぶように設けてもよいし、基板１の裏面の輪郭をなす一辺から基板１の裏面の中央付近まで設けてもよい。その後、基板１の裏面から表面に到達する図１乃至図３に示した穴１１を、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、又はエッチング法等により形成して、膜２の下面を露出させ、ダイアフラム３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。

実施の形態に係るフローセンサの製造方法において、流路１２と、穴１１と、を形成する順序は任意である。例えば、穴１１を先に形成して、流路１２を後に形成してもよい。

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。よって、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
２膜
３ダイアフラム
４保護膜
１１穴
１２流路
３１発熱素子
３２第１の測温素子
３３第２の測温素子

Claims

表面に開口を有する穴が設けられた基板と、
前記穴を覆うように前記基板の表面上に配置された膜と、
前記穴を覆う前記膜に設けられた電気抵抗素子と、
を備え、
前記基板に、当該基板の外部と、当該基板に設けられた前記穴の内部と、を結ぶ流路が設けられている、
フローセンサ。
前記流路が、前記基板の裏面に設けられた溝である、請求項１に記載のフローセンサ。
前記穴が、前記基板の表面から裏面に貫通している、請求項１又は２に記載のフローセンサ。
基板を用意することと、
前記基板の表面上に膜を形成することと、
前記膜に電気抵抗素子を形成することと、
前記基板に、当該基板の表面に開口を有する穴を前記電気抵抗素子の下方に形成し、当該基板の外部と、当該基板に設けられた前記穴の内部と、を結ぶ流路を形成することと、
を含む、フローセンサの製造方法。
前記流路が、前記基板の裏面に設けられた溝である、請求項４に記載のフローセンサの製造方法。
前記穴が、前記基板の表面から裏面に貫通している、請求項４又は５に記載のフローセンサの製造方法。
前記基板に前記穴を形成した後、前記流路を形成する、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフローセンサの製造方法。
前記基板に前記流路を形成した後、前記穴を形成する、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のフローセンサの製造方法。