JP2017026428A - 測定装置の製造方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の流量を正確に測定可能な測定装置の製造方法および測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一側面に係る測定装置の製造方法は、基板１０１上に配置されている電気接続部１０９を覆うように電気絶縁性被覆剤３１を付着する工程と、電気絶縁性被覆剤３１を硬化させる工程と、熱伝導性接着剤４１を介して基板１０１上に配置されているセンサ部１００を配管１１の外壁に固定する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を正確に測定可能な測定装置の製造方法および測定装置に関する。

従来、流体の流量変化を検出するフローセンサとして、特許文献１記載の液体用のフローセンサが知られていた。当該フローセンサは、流体の流れ上流側・下流側のそれぞれに備えられた２つの温度センサ６ａ，６ｂ及び熱源５が組み込まれた半導体モジュール１を有する。当該フローセンサは、液体を導くパイプ２（配管）を備え、半導体モジュール１（センサ）は熱伝導ペースト等の接着剤を介してパイプ２の外面に設けられており、二つの温度センサ６ａ，６ｂ及び熱源５はパイプ２の外面と熱的接触している（特許文献１の図１〜３）。このようなフローセンサの構造は、パイプ２の内径に比べて半導体モジュール１が大きく、パイプ２の内部に半導体モジュール１を配置することができない場合に採用される。

特表２００３−５３２０９９号公報

特許文献１の半導体モジュールは、温度センサが検出した物理量に対応する電気信号を外部に出力する複数の接続パッド１１（電気接続部）を備えている（図３，１０）。また、半導体モジュールをパイプの外面に取り付けるために、接着剤として熱伝導ペースト等が用いられている。熱伝導ペーストは、一般的に電気伝導性を有する。したがって、半導体モジュールをパイプの外面に取り付ける際に、熱伝導ペーストが複数の接続パッド１１に接触すると各接続パッド１１間で導通（短絡）してしまうので、電気信号を正確に取り出すことができず、流体の流量を正しく測定することができないおそれがある。

そこで、本発明は、流体の流量を正確に測定可能な測定装置の製造方法および測定装置を提供することを目的の一つとする。

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る測定装置の製造方法は、基板上に配置されている電気接続部を覆うように電気絶縁性被覆剤を付着する工程と、前記電気絶縁性被覆剤を硬化させる工程と、熱伝導性接着剤を介して前記基板上に配置されているセンサ部を配管の外壁に固定する工程と、を含む。

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る測定装置は、基板上にセンサ部および電気接続部を備えるセンサと、配管と、前記電気接続部を覆う電気絶縁性被覆剤と、前記センサ部と前記配管の外壁との間に介在する熱伝導性接着剤と、を備える。

本発明によれば、電気絶縁性被覆剤により電気接続部を覆い、センサ部と配管の外壁との間に熱伝導性接着剤を介在させることにより、電気接続部の短絡を防止でき、センサ部と流体との間で効率的な熱伝達が実現されるので、流体の流量を正確に測定できる。

本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るフローセンサの図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。 本発明の実施形態に係るフローセンサのセンサ出力と流量との相関関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。

以下、図面を参照して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を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。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がある。

本実施形態においては、測定装置の製造方法は、基板上に配置されている電気接続部を覆うように電気絶縁性被覆剤を付着する工程と、電気絶縁性被覆剤を硬化させる工程と、熱伝導性接着剤を介して基板上に配置されているセンサ部を配管の外壁に固定する工程と、を含む点に特徴がある。まず、上記製造方法において製造された測定装置の構成を以下に説明する。

（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る流量計（測定装置）の概略断面図である。特に、図１は、配管と配管の外壁に取り付けられたフローセンサ（センサ）とを備える流量計を配管の軸心に垂直方向に切断した場合の断面図である。図１に示すように、流量計１は、例示的に、配管１１と、配管１１内を流れる流体の流量を測定するフローセンサ５１と、フローセンサ５１の電気接続部１０９を覆う電気絶縁性被覆剤３１と、フローセンサ５１のセンサ部１００と配管１１の外壁との間に介在する熱伝導性接着剤４１と、を備えて構成されている。

配管１１は、流体を通過させる管状の部材をいい、使用条件から決定される構造を有する。例えば、流体の流量に対応した適切な内径、流体の圧力に耐えうる壁の厚み、および最適な長さを有する。配管１１は、例えば、セラミックス、プラスチック、ステンレスなどの材料で構成される。なお、配管１１の厚さは、熱伝導の障害に殆どならない程度に薄く（例えば、数十マイクロメートル）なるように構成されている。

フローセンサ５１は、配管１１内を流通する流体の流量を測定するための測定手段である。図１に示すように、フローセンサ５１は、配管１１の外壁に固定されて用いられる。また、フローセンサ５１は、絶縁膜１０３のキャビティ１０２を覆う部分である断熱性のダイアフラムを基板１０１の下方向から形成するバックサイドエッチング構造を備える。フローセンサ５１の具体的構成を図２および図３を用いて説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るフローセンサの構成例を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係るフローセンサの図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図２及び図３に示すように、フローセンサ５１は、例示的に、キャビティ１０２（図３）が設けられた基板１０１と、基板１０１上にキャビティ１０２を覆うように配置された絶縁膜１０３と、絶縁膜１０３に設けられたセンサ部１００と、周囲温度センサ１０７と、センサ部１００が検出した物理量に対応する電気信号を出力する電気接続部１０９と、を備えて構成されている。

センサ部１００は、例示的に、絶縁膜１０３に設けられたヒータ１０４と、測温抵抗素子１０５，１０６と、を備えて構成される温度検出手段である。センサ部１００は、例えば、フローセンサ５１の絶縁膜１０３に配置されており、センサ部１００は、絶縁膜１０３から上方に突出するように構成されてもよいし、絶縁膜１０３に埋め込まれるように構成されてもよい。なお、センサ部１００は、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５，１０６の他、後述する周囲温度センサ１０７を備えて構成されてもよい。

周囲温度センサ１０７は、配管１１を流通する流体の温度を測定する。ヒータ１０４は、キャビティ１０２を覆う絶縁膜１０３の略中心に配置されており、配管１１を流通する流体を、周囲温度センサ１０７が計測した温度よりも一定温度高くなるように加熱する。

なお、基板１０１の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１０３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)等が使用可能である。また、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、測温抵抗素子１０６及び周囲温度センサ１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能であり、これらは、リソグラフィ法等により形成可能である。

電気接続部１０９は、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、および測温抵抗素子１０６を含む各種抵抗素子に接続され、各抵抗素子の電気抵抗の情報を出力する手段である。電気接続部１０９は、例えば、図２に示すように基板１０１の対角関係にある角部近傍に配置されており、ヒータ１０４、測温抵抗素子１０５、および測温抵抗素子１０６の電気抵抗に対応する電気信号を、ワイヤ等（不図示）を介して取り出し流量測定部（不図示）に出力する。電気接続部１０９は、例えば、絶縁膜１０３に配置されており、センサ部１００は、絶縁膜１０３から上方に突出するように構成されてもよいし、絶縁膜１０３に埋め込まれるように構成されてもよい。

電気絶縁性被覆剤３１は、電気接続部１０９を覆う電気絶縁性の材料である。電気絶縁性被覆剤３１は、例えば、図２に示す絶縁膜形成領域に付着される。電気絶縁性被覆剤３１は、例えば、エポキシ系絶縁性材料、シリコーン系絶縁性材料、アクリル系絶縁性材料等を含む。電気絶縁性被覆剤３１としては、体積固有抵抗率が１０¹⁰Ω・ｃｍ以上であることが好ましいが、これに限られない。

熱伝導性接着剤４１は、センサ部１００と配管の外壁との間に介在する熱伝導性材料である。センサ部１００の熱を効率的に配管内部の流体に伝達し、配管１１内部の熱をセンサ部１００に伝達する、双方向に伝熱が可能な熱伝導性材料である。熱伝導性接着剤４１は、例えば、図２に示す接着剤塗布領域に塗布され、熱伝導性接着剤４１を介して基板１０１上に配置されているセンサ部１００を配管の外壁に設置する。熱伝導性接着剤４１は、硬化されることにより、フローセンサ５１と配管１１とを固定する接着剤である。熱伝導性接着剤４１は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム等の金属粒子を含むペーストを含む。当該ペーストは、例えば、伝導性フィラーとバインダー樹脂とが混合されることにより得られる材料が含まれる。伝導性フィラーには、例えば、銀、銅、鉄、ニッケルなどの金属微粉末やその他、カーボンブラック、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等が含まれる。また、バインダー樹脂には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂及びイミド樹脂等の樹脂が含まれる。

図４は、本発明の実施形態に係るフローセンサのセンサ出力（例えば、消費電力量）と流量との相関関係を示すグラフである。特に、図４の特性（ａ）は、フローセンサと配管との間に介在する接着剤の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋである場合のフローセンサのセンサ出力と流量との相関関係を示している。図４の特性（ｂ）は、フローセンサと配管との間に介在する接着剤の熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋである場合のフローセンサのセンサ出力と流量との相関関係を示している。図４の特性（ｃ）は、フローセンサと配管との間に介在する接着剤の熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋである場合のフローセンサのセンサ出力と流量との相関関係を示している。特性（ａ）乃至特性（ｃ）を比較すれば明らかなように、センサ出力は、接着剤の熱伝導率に依存する。すなわち、接着剤の熱伝導率が大きいと、センサ出力が向上し、接着剤の熱伝導率が小さいと、センサ出力が低下する。なお、熱伝導性接着剤４１としては、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましいが、これに限られない。

図５は、本発明の実施形態に係る流量計の構成例を示す概略断面図の拡大図である。特に、図５は、図２のフローセンサ５１の中心線Ｃに沿って配管が固定されて構成される流量計において図２のＩＶ−ＩＶ方向から見た断面図である。すなわち、図５は、配管と配管の外壁に取り付けられたフローセンサとを備える流量計を配管の軸心に沿って切断した場合の断面図である。なお、図５は、配管とフローセンサとが固定されている部分を拡大した概略断面図である。図５に示すように、フローセンサ５１のセンサ部１００が、熱伝導性接着剤４１と物理的に接触し、熱的に接続されることによって、矢印Ａ１に示すとおり、センサ部１００のヒータ１０４の熱が熱伝導性接着剤４１を介して配管１１内の流体に伝播する。この伝播した熱によって変化した流体の熱が、熱伝導性接着剤４１を介して測温抵抗素子１０５に伝播し（矢印Ａ２）、測温抵抗素子１０６に伝播する（矢印Ａ３）。この矢印Ａ１方向の熱の伝搬と矢印Ａ２，３方向の熱の伝搬とを合せて双方向に伝熱するという。配管１１内における流体が上流側から下流側へと流通している場合、ヒータ１０４で加えられた熱は下流方向に運ばれる（運搬効果）。従って、測温抵抗素子１０５の温度よりも測温抵抗素子１０６の温度が高くなり、測温抵抗素子１０５の電気抵抗と測温抵抗素子１０６の電気抵抗との間に差が生じる。この電気抵抗の差は、配管１１内を流通する流体の速度や流量と相関関係があることが知られている。このため、測温抵抗素子１０５の電気抵抗と測温抵抗素子１０６の電気抵抗との差に基づいて、配管１１内を流通する流体の速度や流量を測定（算出）することができる。

（製造工程）
図６乃至図９は、本発明の実施形態に係る流量計の製造工程を示した断面図である。特に、図６は、フローセンサの基板上にセンサ部と電気接続部とを形成した後の状態を示した図である。図７は、フローセンサの基板上に配置されている電気接続部を覆うように電気絶縁性被覆剤を付着し、硬化させた後の状態を示した図である。図８は、フローセンサの基板上に配置されているセンサ部を覆うように熱伝導性接着剤を付着した後の状態を示した図である。図９は、熱伝導性接着剤を介して基板上に配置されているセンサ部を配管の外壁に固定した後の状態を示した図である。

本発明の実施形態に係る流量計１は、以下の工程を経て生産される。
（工程１）
まず、図６に示すように、フローセンサ５１の基板１０１にセンサ部１００と電気接続部１０９とを形成する。
工程１において、事前に基板１０１にセンサ部１００と電気接続部１０９とが形成されたフローセンサ５１を納入することにより、工程１を省略し、工程２以降を実施してもよい。

（工程２）
図７に示すように、基板１０１上に配置されている電気接続部１０９を覆うように電気絶縁性被覆剤３１を付着し、電気絶縁性被覆剤３１を硬化させる。
工程２において、所定のカラムを用いて、基板１０１上に配置されている電気接続部１０９を少なくとも覆うように電気絶縁性被覆剤３１を付着する。例えば、電気接続部１０９の表面のみ覆うように電気絶縁性被覆剤３１を付着してもよい。また、熱伝導性接着剤４１と電気接続部１０９との接触をより確実に防止するために、電気接続部１０９の表面のみ覆うように電気絶縁性被覆剤３１を付着した後、基板１０１上の絶縁膜１０３上に漏れ出す程度に電気絶縁性被覆剤３１をさらに付着してもよい。
また、工程２において、付着した電気絶縁性被覆剤３１を硬化させる。電気絶縁性被覆剤３１を硬化させる方法には、特に制限はない。例えば、電気絶縁性被覆剤３１を硬化させる方法として、光照射による硬化方法や加熱による硬化方法等があるがこれに限られない。例えば、電気絶縁性被覆剤３１が自然に硬化する場合は、電気絶縁性被覆剤３１を付着した後、所定期間放置することにより硬化させてもよい。

（工程３）
図８に示すように、基板１０１上に配置されているセンサ部１００を覆うように熱伝導性接着剤４１を付着する。
工程３において、所定のカラムを用いて、基板１０１上に配置されているセンサ部１００を覆うように熱伝導性接着剤４１を付着する。例えば、センサ部１００の表面のみ覆うように熱伝導性接着剤４１を付着してもよい。また、フローセンサ５１と配管１１とをより強固に固定するために、センサ部１００の表面のみ覆うように熱伝導性接着剤４１を付着した後、基板１０１上の絶縁膜１０３上に漏れ出す程度に熱伝導性接着剤４１をさらに付着してもよい。なお、熱伝導性接着剤４１は、センサ部１００の全てを必ずしも覆う必要はなく、フローセンサ５１から配管１１の壁を介して流体へ伝わる熱、及び、流体から配管１１の壁を介してフローセンサ５１へ伝わる熱を効率的に伝達できる程度にセンサ部１００を覆えばよい。

（工程４）
図９に示すように、熱伝導性接着剤４１を介して基板１０１上に配置されているセンサ部１００を配管１１の外壁に設置し、熱伝導性接着剤４１を硬化させる。
工程４において、熱を効率的に双方向に伝熱可能に、熱伝導性接着剤４１を介して基板１０１上に配置されているセンサ部１００を配管１１の外壁に固定する。具体的には、基板１０１上に配置されているセンサ部１００を、熱伝導性接着剤４１を介して配管１１の外壁に設置し、熱伝導性接着剤４１を硬化させる。熱伝導性接着剤４１を硬化させる方法には、特に制限はない。例えば、熱伝導性接着剤４１を硬化させる方法として、光照射による硬化方法や加熱による硬化方法等があるがこれに限られない。例えば、熱伝導性接着剤４１が自然に硬化する場合は、熱伝導性接着剤４１を付着した後、所定期間放置することにより硬化させてもよい。なお、熱伝導性接着剤４１の接着力が低い場合には、例えば、フローセンサ５１を配管１１により強固に固定するためのなんらかの取り付け具（不図示）を用いてもよい。

（効果）
本実施形態によれば、電気絶縁性被覆剤３１により電気接続部１０９を覆い、センサ部１００と配管１１の外壁との間に熱伝導性接着剤４１を介在させることにより、電気接続部１０９の短絡を防止でき、センサ部１００と流体との間で効率的な熱伝達が実現されるので、流体の流量を正確に測定できる。

（他の実施形態）
上記した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するものではない。また、上記した実施形態は、あくまでも例示であり、上記で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施形態を組み合わせる等）して実施することができる。

本実施形態においては、図８に示すように、所定のカラムを用いて、基板１０１上に配置されているセンサ部１００を覆うように熱伝導性接着剤４１を付着した。しかしながら、熱伝導性接着剤４１を付着する前に基板１０１上にスペーサーを設置し、スペーサーを設置することにより形成された、フローセンサ５１と配管１１との間の隙間を埋めるように熱伝導性接着剤４１を付着し、硬化させてもよい。その結果、センサ感度を向上させる程度に熱伝導性接着剤４１の厚さを薄く制御できるので、流体の流量をより正確に測定できる。

上記各実施形態においては、測定装置として流量計、センサとしてフローセンサを例に挙げて説明したが、これに限られず、配管の外壁にセンサを設置して構成される測定装置であればよく、例えば、測定装置として熱量計、センサとして熱量センサであってもよく、測定装置として温度計、センサとして温度センサであってもよい。

１ 流量計
１１ 配管
３１ 電気絶縁性被覆剤
４１ 熱伝導性接着剤
５１ フローセンサ
１００ センサ部
１０１ 基板
１０２ キャビティ
１０３ 絶縁膜
１０４ ヒータ
１０５，１０６ 測温抵抗素子
１０７ 周囲温度センサ
１０９ 電気接続部

Claims (3)

1. 基板上に配置されている電気接続部を覆うように電気絶縁性被覆剤を付着する工程と、
   前記電気絶縁性被覆剤を硬化させる工程と、
   熱伝導性接着剤を介して前記基板上に配置されているセンサ部を配管の外壁に固定する工程と、を含む、
   測定装置の製造方法。
2. 前記センサ部を前記配管の外壁に固定する工程は、
   前記センサ部を覆うように前記熱伝導性接着剤を付着する工程と、
   前記外壁と前記熱伝導性接着剤とが接触するように前記センサ部を配置する工程と、
   前記熱伝導性接着剤を硬化させる工程と、を含む、
   請求項１に記載の測定装置の製造方法。
3. 基板上にセンサ部および電気接続部を備えるセンサと、
   配管と、
   前記電気接続部を覆う電気絶縁性被覆剤と、
   前記センサ部と前記配管の外壁との間に介在する熱伝導性接着剤と、を備える、
   測定装置。