JP3655593B2 - フローセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路中を流れる流体の流速または流量計測に用いられるフローセンサ、特に熱式フローセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
流体の流速や流量を計測する熱式のフローセンサは、流速検出手段を備えたセンサチップを配管内に計測すべき流体の流れに対して平行になるように設置し、発熱体(ヒーター)から出た熱による流体の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサで検出(傍熱型)するか、または流体により発熱体の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出(自己発熱型)することで、流速または流量を計測するようにしている(例:特開平4−295724号公報、特公平6−25684号公報、特開平8−146026号公報等)。
【0003】
フローセンサのセンサチップは、基板の一方の面に温度検出手段をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって形成したものが一般的である。基板材料としては、通常シリコン、ガラス等が用いられるが、耐食性および機械的強度が要求される場合は、ステンレス等からなる金属製の基板が用いられる。この場合、センサチップは導電体であるため、絶縁膜形成工程によって電気絶縁膜を形成した後、その上に導体からなる流速検出手段が形成される。本発明は、特にステンレス製のセンサチップを用いた熱式フローセンサに関する。
【0004】
ステンレス製の基板表面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を形成するには、通常シリコン酸化膜、窒化シリコン膜等の電気絶縁膜をプラズマCVD法によって形成し、その上に温度検出手段をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって形成している。基板材料である汎用的なステンレス鋼材は、内部にAl2O3、SiO2 等の不純物(パーティクル)や欠陥(ピンホール)が多数存在して清浄性に欠けるため、歩留りよくかつ絶縁破壊電圧の高いセンサを製作するには、電気絶縁膜の膜厚を厚くする必要がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ステンレス製のセンサチップに流速検出手段を形成したフローセンサは、プラズマCVD法によって基板表面に電気絶縁膜を形成し、その上に流速検出手段をフォトエッチングによって形成していた。一般的に電気絶縁膜は熱伝導率が低いので、センサチップと流速検出手段との電気的絶縁を図れる範囲内で可及的薄く形成することが望ましい。しかしながら、汎用のステンレス鋼材(例えば、SUS304、SUS316系のステンレス鋼)によって形成されたセンサチップは、パーティクルや欠陥が多く、センサチップと電気絶縁膜を介してその上に形成された流速検知部との絶縁性を良好にするには電気絶縁膜を厚くしなければならない。熱式フローセンサの場合は、電気絶縁膜の膜厚を厚くすると板厚方向の伝熱効率が低下するとともに、熱容量が大きくなるため、センサの感度や応答性を向上させることができないという問題があった。
【0006】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、歩留りよく電気絶縁膜の膜厚を十分に薄くすることができ、感度と応答性を向上させるようにしたフローセンサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第1の発明は、被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解法によって溶解・鋳造し、さらに真空アーク再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されているものである。
【0008】
第1の発明において、センサチップは通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解し、続いて真空アーク再溶解することにより形成されたステンレス鋼材を素材としているので、パーティクルや欠陥がきわめて少なく、電気絶縁膜の膜厚を薄くすることが可能である。
【0009】
第2の発明は、被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されているものである。
【0010】
第2の発明において、センサチップは通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって再溶解することにより形成されたステンレス鋼材を素材としているので、パーティクルや欠陥がきわめて少なく、電気絶縁膜の膜厚を薄くすることが可能である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図、図2はセンサチップの平面図である。これらの図において、全体を符号1で示すフローセンサは、センサボディ2と、このセンサボディ2上に設置されたセンサチップ3と、同じく前記センサボディ2上にスペーサ4を介して配設され前記センサチップ3の上方に位置するプリント基板5等で構成されている。
【0012】
前記センサボディ2はステンレス製の金属板からなり、上面中央に一体に突設された突出部2Aと、前記センサチップ3の凹部6とともに被測定流体(以下、流体ともいう)7の流路8を形成する2つの流路用孔9,10を有している。流路用孔9,10は貫通孔からなり、一端開口部が前記突出部2Aの長手方向の両端寄りにそれぞれ開口し、他端開口部がセンサボディ2の下面にそれぞれ開口している。
【0013】
前記センサチップ3は、前記センサボディ2の突出部2Aと略同一の大きさからなる矩形の板状に形成され、下面中央に前記凹部6が形成されることにより、この凹部6が形成されている表面側が薄肉のダイアフラム部3Aを形成し、このダイアフラム部3Aの周囲を取り囲む厚肉の固定部3Bが前記突出部2Aの上面にYAGレーザー溶接等によって接合されている。前記ダイアフラム部3Aは、板厚が50〜150μm程度で、表面中央に後述する流速検出手段12が設けられている。前記凹部6は、センサチップ3の長手方向に長い長円形で、両端部において前記各流路用孔9,10と連通している。そして、センサチップ3の前記通路8側とは反対側で前記流速検出手段12が設けられる上面3aは、鏡面研磨されている。
【0014】
前記センサチップ3の材質としては、熱伝導率がシリコンに比べて低く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料、具体的にはステンレス鋼が用いられる。しかし、通常の溶解・精錬法によって製作された汎用のステンレス鋼材は、パーティクルや欠陥、放出ガスの発生量が多く清浄性に欠けるため、半導体製造装置などに用いられるフローセンサ1のチップ材料としては不適である。
【0015】
そこで、本発明においては通常の溶解・精錬法によって製作されたステンレス鋼材を、さらに特殊溶解法によって再溶解して製作したステンレス鋼材をチップ材料として用いている。
【0016】
特殊溶解法によるステンレス鋼材の製造方法としては、
▲1▼真空誘導溶解法(VIM)と、これに続く真空アーク再溶解法(VAR)とによって二重真空溶解を行う
▲2▼エレクトロスラブ再溶解法(ESR)によって溶解・鋳造する
の2通りがある。
【0017】
VIM法は、通常の大気溶解炉によって溶解・鋳造した鋼塊をVIM炉によって再溶解し、鋳型に流し込んで鋼塊を製造する方法である。
【0018】
VAR法は、真空にした水冷銅鋳型内で消耗電極と鋳型内溶鋼との間にアークを発生させ、その発生熱により電極を再溶解し、連続的に鋳型内で凝固させることにより鋼塊を製造する方法である。
【0019】
ESR法は、冷鋳型内で溶融スラグの抵抗熱により電極素材を溶解しながら鋼塊を製造する方法である。
【0020】
このような特殊溶解法によれば、いずれも大気と遮断して溶鋼しているため、脱ガス効果に優れ、酸化物系介在物(パーティクル)を除去することができ、清浄性の高い高品質な鋼材を製作することができるという特長を有している。
【0021】
特殊溶解法によって製造された鋼塊は、鍛造または熱間圧延によって所定の厚さのステンレス鋼材となる。さらに、このステンレス鋼材を所定の大きさに切断して上面3aを鏡面研磨し、下面3bの中央に凹部6を形成することにより、上記したステンレス製のセンサチップ3が製作される。
【0022】
センサチップ3のダイアフラム部3Aは、厚さが50μm以下であると強度が低下するため好ましくない。また、150μm以上であるとセンサチップ3の厚さ方向、つまり流体7と流速検出手段12との間の熱の伝導効率が低下するとともに、センサチップ3の面と平行な方向の伝熱量(熱損出)が増加し熱容量も増すため好ましくない。
【0023】
前記センサチップ3の上面3aには、電気絶縁膜13が全面にわたって形成されており、この電気絶縁膜13の表面に6つの電極パッド14(14a〜14f)および配線用金属薄膜15を含む前記流速検出手段12と周囲温度検出手段16が周知の薄膜成形技術によって形成されている。例えば、白金等の材料を電気絶縁膜13上に成膜し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、流速検出手段12と周囲温度検出手段16が前記電極パッド14に配線用金属薄膜15を介してそれぞれ電気的に接続されている。
【0024】
さらに前記流速検出手段12と前記周囲温度検出手段16を詳述すると、流速検出手段12は、1つの発熱体(抵抗ヒータ)20と2つの温度センサ21A,21Bとからなり、傍熱型の流速検出手段を構成している。発熱体20はダイアフラム部3Aの略中央に位置している。2つの温度センサ21A,21Bは、発熱体20を挟んで流体7の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ位置するように配置されている。周囲温度検出手段16は、周囲温度、つまり流体7の温度が変化したとき、その変化を補償するために用いられるもので、上流側で前記ダイアフラム部3Aの外側に配置されている。ただし、上流側に限らず下流側であったり、センサチップ3の幅方向のいずれかの片側であったり、あるいはダイアフラム部3A上であってもよい。発熱体20のパターン幅は10〜50μm、温度センサ21A,21Bおよび周囲温度検出手段16のパターン幅は5〜10μm程度が好ましい。さらに、ダイアフラム部3Aとその周囲を取り囲む厚肉の固定部3Bを別々に作り、熱拡散接合やレーザー溶接などにより一体化しても良い。
【0025】
前記電気絶縁膜13は、厚さが1μm程度の酸化シリコン(SiO2 )膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、ポリイミド等によって形成されている。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、CVDあるいはSOG(スピンオングラス)等により形成される。窒化シリコン膜は、スパッタリングやCVD等によって形成される。電気絶縁膜13の膜厚を1μm程度以下にすることができる理由は、センサチップ3を上記した特殊溶解法によって製造したステンレス鋼材によって製作していることによる。すなわち、特殊溶解法によって製造されたステンレス鋼材は清浄性に優れており、一般の鋼材に比べてパーティクルやピンホールが少なく均一に電気絶縁膜が形成できるため、絶縁破壊電圧に耐え得る膜厚以上に厚くする必要がないからである。例えば、センサチップ3と導体からなる流速検出手段12との間に100〜500V程度の耐電圧や数百MΩ以上の絶縁性を確保できる範囲内で、前記電気絶縁膜13を薄く形成すればよい。
【0026】
前記センサボディ2上にスペーサ4を介して配設される前記プリント基板5は、中央に前記第ダイアフラム部3Aより大きな円形の穴26を有し、表面に信号処理回路を形成する複数の配線パターン27が印刷形成されており、これら配線パターン27に前記センサチップ3の前記電極パッド14が図示を省略したボンディングワイヤによって電気的に接続されている。前記スペーサ4は、前記センサボディ2と同じくステンレス、アルミニウムまたは合成樹脂等によって形成され、ねじや接着剤等によってセンサボディ2に固定されている。
【0027】
図3はフローセンサ1の定温度差回路を示す図である。
同図において、発熱体20、周囲温度検出手段16および3つの固定抵抗R1 ,R2 ,R3 はブリッジ回路を形成し、これとオペアンプ(OP1 )とで定温度差回路を構成している。OP1 は、ブリッジ回路の抵抗R1 と発熱体20の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗R2 と抵抗R3 の中点電圧を非反転入力とする。このOP1 の出力は、抵抗R1 ,R2 の一端に共通に接続されている。抵抗R1 ,R2 ,R3 は、発熱体20が周囲温度検出手段16よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
【0028】
図4はフローセンサ1のセンサ出力回路を示す図である。
同図において、2つの温度センサ21A,21Bと2つの固定抵抗R4 ,R5 はブリッジ回路を形成し、これとOP2 とでセンサ出力回路を構成している。
【0029】
このようなフローセンサ1において、図3に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によって発熱体20を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体7を図2の矢印方向に流すと、ダイアフラム部3Aは流体7によってその流速に比例して熱を奪われるため、発熱体20も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、ブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、OP1によってその反転入力・非反転入力間に生じる電圧に応じた電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体7によって奪われた熱を補償するように発熱体20の発熱量が増加する。その結果、発熱体20の抵抗値が上昇することにより、ブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。なお、図3の定温度差回路の用い方としては、ヒータにセンサを共用させると、ブリッジ回路に加えられる電圧のうち発熱体20の端子間電圧を電圧出力として出力させることも可能である。
【0030】
流体7の流れによって発熱体20近傍の温度分布が崩れると、発熱体20の上流側に位置する温度センサ21Aと下流側に位置する温度センサ21Bの間に温度差が生じるので、図4に示すセンサ出力回路によってその電圧差または抵抗値差を検出する。2つの温度センサ21A,21Bの温度差は流体7の流速に比例する。そこで、予め流路断面平均流速または流量と温度差、つまり前記センサ出力回路によって検出された電圧差または抵抗値差との関係を校正しておけば、前記電圧差または抵抗値差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。なお、流速検出手段12と周囲温度検出手段16との構成は、上記した実施の形態に限らず種々の変更が可能である。また、周囲温度検出手段16は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるところに配置する。
【0031】
図5は本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
この実施の形態は、ヘッダ型と呼ばれるタイプのフローセンサに適用したものである。ヘッダ型フローセンサ30は、流体7が流れる配管31の管壁に設けたセンサ用取付孔32に外部から嵌挿し、溶接等によって固定されるもので、センサボディ33、センサチップ34および取付板35とで容器を構成し、内部にプリント基板36を収納している。センサボディ33は、ステンレス鋼によって両端が開放する筒状に形成され、配管31内に臨む裏面側開口部が前記センサチップ34によって閉塞されている。
【0032】
前記センサチップ34は、ステンレス鋼によって板厚が50〜150μm程度の薄肉板状に形成され、前記センサボディ33の裏面側開口部に外周縁部がYAGレーザー溶接等によって接合され、被接合部分がダイアフラム部34Aを形成している。ダイアフラム部34Aの流体7が接する面とは反対側の面には、上記した実施の形態と同様に電気絶縁膜13が形成され、その上に1つの発熱体(抵抗ヒータ)と2つの温度センサとからなる傍熱型の流速検出手段12、電極パッド、配線用金属薄膜、周囲温度検出手段16が形成されている。このようなセンサチップ34の材質としては、上記した実施の形態におけるセンサチップ3と同様に、通常の溶解・精錬法によって製作されたステンレス鋼材を、さらに▲1▼真空誘導溶解法(VIM)と、これに続く真空アーク再溶解法(VAR)とによって二重真空溶解を行うか、または▲2▼エレクトロスラブ再溶解法(ESR)によって溶解・鋳造することにより製作されるステンレス鋼材が用いられる。なお、周囲温度検出手段16は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるように配置する。
【0033】
前記プリント基板36には、配線パターンが形成されており、この配線パターンに前記センサチップ34上に形成された前記流速検出手段12および周囲温度検出手段16が配線用金属薄膜と電極パッドを介してワイヤーボンド等で接続されている。また、配線パターンには、外部取出し用のリードピン38が接続されている。
【0034】
前記取付板35は、前記センサボディ33の表面側に一体形成されており、外周縁部が前記配管31の管壁に溶接されている。なお、Oリングを用いてねじなどで取付けても良い。また、前記センサボディ33とセンサチップ34も一体に形成されていてもよい。
【0035】
このような構造からなるヘッダ型フローセンサ30においても上記した実施の形態と同様な効果が得られることは明きらかであろう。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサによれば、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を特殊溶解法によって再溶解・鋳造して製作したステンレス鋼材をセンサチップの材料として用いているので、センサチップからのパーティクルや欠陥が少なく、センサチップの表面に形成される電気絶縁膜の膜厚を、例えば1μm程度以下に薄くすることができる。したがって、センサチップの板厚方向の伝熱効率が改善され、熱容量も小さくできることからセンサの感度および応答性を向上させることができ。特に、半導体製造装置や超高真空装置に用いて好適なフローセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図である。
【図2】 センサチップの平面図である。
【図3】 フローセンサの定温度差回路を示す図である。
【図4】 センサ出力回路を示す図である。
【図5】 本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
1…フローセンサ、2…センサボディ、3…センサチップ、4…スペーサ、5…プリント基板、6…凹部、7…流体、8…流路、12…流速検出手段、13…電気絶縁膜、16…周囲温度検出手段、20…発熱体(ヒータ)、21A,21B…温度センサ、30…フローセンサ、31…配管、32…センサ用取付孔、33…センサボディ、34…センサチップ、35…取付板。
Claims (2)
- 被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、
前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解法によって溶解・鋳造し、さらに真空アーク再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されていることを特徴とするフローセンサ。 - 被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、
前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されていることを特徴とするフローセンサ。
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