JP3766290B2

JP3766290B2 - フローセンサ

Info

Publication number: JP3766290B2
Application number: JP2001124034A
Authority: JP
Inventors: 洋志畠山; 尚弘石川
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: JP2002318149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量または流速を計測する熱式のフローセンサに関し、特に流量検出素子の取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量や流速を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている（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】
この種のフローセンサは、温度検出手段を備えたチップ状の流量検出素子を台座の固着面に固着することによりセンサを構成したものが一般的であり、計測する流体の流れに対して水平になるように設置されて使用される。水平な状態での設置、使用は、流量検出素子の近傍に渦が発生するのを防止するためである（渦が発生すると温度分布の乱れにより測定精度が低下する）。
【０００４】
台座の材料としては、熱膨張係数が小さい材料、例えばガラス、セラミックス等が用いられる。また、台座をケース内に封着用ガラスによって封止するタイプのセンサにおいては、封着用ガラスより融点の高い材料であることが要求されることから、金属製の台座が用いられる。また、これによって流量検出素子の水平設置が確保される。金属製台座の材料としては、熱膨張係数がガラス、セラミックスに近いコバール（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２９％、Ｃｏ１７％の合金）が通常用いられる。
【０００５】
台座の固着面に対する流量検出素子の取付け方法としては、通常素子を固着面に密接し接着剤によって固着している。このとき、接着剤が流量検出素子の表面に付着すると素子の不良となる。また、接着の良否とは関係なく外部環境の温度が変化すると、台座と流量検出素子の熱膨張係数の相違により流量検出素子のコーナー部に応力が生じるため、素子自体が破損したり電気的特性が劣化する。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するための方法の一つとして、接着剤の付着防止については例えば実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造が、また応力集中の防止については例えば実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造が知られている。すなわち、実開平５−１８０２９号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品の固着エリアに突部を設け、この突部の上面を前記部品の固着面とするとともに、突部の上面の形状を前記部品の固着面と略同一にし、この突部の上面に部品を接着剤によって固着するようしたものである。このような取付構造によれば、突部と部品との間から流れ出た接着剤が突部の側面に沿って流下するため、部品の表面への付着を防止することができる利点がある。
【０００７】
一方、前記実開平５−１８０３０号公報に記載された取付構造は、半導体ベアーチップ等の部品との固着面を前記部品のコーナー部を避けた形状にし、部品を固着面に固着するようにしたものである。つまり、固着面を部品より小さく形成して部品のコーナー部を固着面に固着しないようにしたものである。このような取付構造によれば、外部環境の温度が変化したとき熱膨張係数の相違により部品に生じる応力が分散され、コーナー部への応力集中を防止することができる利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来は、台座の固着面を部品と略同じかこれより若干小さい平坦面に形成し、この固着面に部品を密接して接着剤により固着していた。しかし、このような取付構造では、固着面と部品との接合面積が大きいため、台座からの熱的影響を受け易く、高精度な測定ができないという問題があった。すなわち、外部環境の温度変化に伴って台座の温度が変化すると、熱伝導により流量検出素子の温度も変化して流体の実際の温度と異なり、その結果として、温度検出手段の抵抗値が流量検出素子自体の温度変化に伴って変化してしまい、流量計測値に誤差が生じることがある。
【０００９】
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、比較的簡単な構造で台座からの熱の影響を緩和または遮断し、精度の高い測定を可能にしたフローセンサを提供することにある。
【００１０】
【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、流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座とを備えたフローセンサにおいて、前記流量検出素子は、正方形のチップ状に形成されて２つの対角線のうちのいずれか１つが流体の流れ方向と平行になるように前記台座に設けられ、下面側には流体の流入、通過を可能にする流路用溝が流体の流れ方向と一致するように形成されているものである。
【００１１】
第２の発明は、上記第１の発明において、流量検出素子の基板がシリコンで、流路用溝がエッチングによって形成されているものである。
【００１２】
本発明において、流路用溝は台座と流量検出素子との接触面積が少なくなる。したがって、外部環境の温度変化により台座の温度が変化しても、流量検出素子への熱的影響を軽減することができる。また、流路用溝の形成により流量検出素子の下面も流体に接触することになるので、瞬時の温度変化にも対応できる。
流路用溝はシリコンのエッチング工程内で形成できるので、流量検出素子を安価に製造できる。
【００１３】
【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外観斜視図、図２は同フローセンサの断面図、図３は流量検出素子を拡大して示す斜視図、図４は同流量検出素子の断面図である。
【００１４】
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、封着用ガラス２によってケース３内に封着された金属製の台座４および複数本のリードピン５と、台座４の上面に固着された流量検出素子７等で構成されている。
【００１５】
前記ケース３は、熱膨張係数の小さい金属、例えばコバール等によって両端が開放する筒体に形成され、基端部外周面に突起９付きのフランジ１０が一体に設けられ、このフランジ１０が流体１１が流れる配管１２の内壁にシール部材１３を介して密接され、ねじ、接着剤、溶接等によって固定されている。
【００１６】
前記台座４は、熱膨張係数がガラスやセラミックスに近い金属、具体的にはコバールによって細長い角棒状に形成されてケース３の中央に軸線を略一致させて配設され、上端部が前記封着用ガラス２を貫通してケース３の上方に突出し、下端部が同じく封着用ガラス２を貫通してケース３の下方に突出し、さらに前記配管１２に設けた孔１４より配管１２の外部に突出している。台座４の上面４ａは、前記流量検出素子７と略同一の大きさで、台座４の軸線に対して略垂直な平坦面に形成され、前記流量検出素子７の固着面を形成している。
【００１７】
前記リードピン５も封着用ガラス２を貫通して設けられ、上端が前記流量検出素子７にボンディングワイヤ１５によって電気的に接続され、下端部が配管１２の外部に突出している。
【００１８】
前記流量検出素子７は、前記台座４の固着面４ａに載置され接着剤によって固着されるシリコン基板２０を有している。シリコン基板２０は、１辺の長さが１．７ｍｍ程度、厚さが０．５ｍｍ程度の正方形のチップ状に形成され、上面中央部に多数の開口部２１ａを有するダイアフラム２７（図１の点線で囲った六角形の部分）が形成されている。ダイアフラム２７の下方は、異方性エッチングによって空間部１８が形成されており、前記開口部２７ａを介して流体１１の流通を可能にしている。なお、このような空間部１８を有するセンサチップは、特公平６−２５６８４号公報に開示されており、従来公知である。
【００１９】
前記ダイアフラムの上面には、傍熱型の温度検出手段２２を構成する１つの発熱体（抵抗ヒータ）２３と、２つの温度センサ２４Ａ，２４Ｂが周知の薄膜成形技術によって形成されている。さらに、シリコン基板２０の上面外周部には、複数の電極パッド２６と配線用金属薄膜２７が薄膜成形技術により前記発熱体２３、温度センサ２４Ａ，２４Ｂの形成と同時に形成されている。例えば、白金等の材料をシリコン基板２０の表面に形成した電気絶縁膜の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、発熱体２３と温度センサ２４Ａ，２４Ｂが電極パッド２６に配線用金属薄膜２７を介してそれぞれ電気的に接続されている。また、各電極パッド２６は、前記リードピン５にボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。
【００２０】
前記２つの温度センサ２４Ａ，２４Ｂは、発熱体２３を挟んで流体１１の上流側と下流側にそれぞれ配列されている。発熱体２３のパターン幅は１０〜１５μｍ、温度センサ２４Ａ，２４Ｂのパターン幅は５〜１０μｍである。
【００２１】
さらに、前記シリコン基板２０の下面には、前記流体１１の流入、通過を可能にする流路用溝３０がエッチングによって形成され、未加工分が前記台座４との固定部３１を形成している。
【００２２】
前記流路用溝３０は、シリコン基板２０の下面の四隅部を未加工部分として残し各辺の中央に開放するように十字状に形成された溝からなり、四隅部の未加工部分が厚肉の固定部３１を構成している。このような流路用溝３０は、前記ダイアフラム２１の形成時にエッチングによって容易に形成することができるが、これに限らず研削加工によって形成されるものであってもよいことは勿論である。
【００２３】
前記シリコン基板２０に形成される流路用溝３０としては、図３および図４に示した十字状の溝に限らず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように直線状の流路用溝３２，３３であってもよい。すなわち、図５（ａ）に示す流路用溝３２は、シリコン基板２０の４つの辺のうち流体１１の流れ方向と直交する２つの辺の中央に開放するように形成した溝で、同図（ｂ）に示す流路用溝３３は流体１１の流れ方向と平行な対角線方向に開放するように形成した溝である。
【００２４】
このような流量検出素子７を備えたフローセンサ１は、配管１２内に流量検出素子７の上面が流体１１の流れ方向（矢印方向）と平行になるように取付けられる。また、取付けに際しては、流体１１の流れを乱さないために流路用溝３０，３２または３３が流体１１の流れ方向と一致するように取付ける。図３および図４に示した十字状の流路用溝３０の場合は、流量検出素子７の２つの対角線のうちいずれか一方が流体１１の流れ方向と平行になるように、言い換えれば流路用溝３０が流体１１の流れ方向に対して略４５°の角度で交差するように、配管１２内に取付けられることが望ましい。
【００２５】
このような構造からなるフローセンサ１において、通電によって発熱体２３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１１を図３の矢印方向に流すと、発熱体２３の上流側温度センサ２４Ａと下流側温度センサ２４Ｂの間に温度差が生じるので、図６に示すようなブリッジ回路によってその電圧差または抵抗値差を検出することにより、流体１１の流速または流量を計測する。
【００２６】
ここで、図６に示す回路は２つの温度センサ２４Ａ，２４Ｂを含むブリッジ回路を用いて電圧出力を供給するものである。この場合、２つの温度センサ２４Ａ，２４Ｂを用いているので、流体１１の流れの方向を検出することができる利点がある。なお、Ｒ1 ，Ｒ2 は抵抗、ＯＰはオペアンプである。
【００２７】
上記した構造からなるフローセンサ１によれば、流量検出素子７の下面に流路用溝３０（３２，３３）を形成し、固定部３１を台座４に接合しているので、台座４と流量検出素子７との接触面積を小さくすることができる。したがって、外部環境の温度変化に伴い台座４の温度が変化しても、流量検出素子７に対する熱的影響を軽減することができ、精度の高い流量測定を行うことができる。また、流量検出素子７は、上面のみならず下面も流体１１に接しているので、流体１１の温度が急激に変化したときでも、これに追従して変化し速やかに流体１１の温度と等しくなるので、より一層精度の高い測定を行うことができる。
【００２８】
なお、上記した実施の形態においては、発熱体２３から出た熱による流体１１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２４Ａ，２４Ｂで検出する傍熱型のセンサを示したが、これに限らず流体１１により発熱体２３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し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。また、温度センサは２つに限らず、１つであってもよい。
【００２９】
また、上記した実施の形態においては、流量検出素子７の基板材料としてシリコンを用いたが、これに限らず種々の材料を用いることが可能である。例えば、熱伝導率が低く、耐熱性、耐食性および剛性の高いステンレスを用い、その表面全体を電気絶縁膜によって覆ったものを用いたり、あるいはサファイア、アルミナセラミックス等を用いることも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流量検出素子に対する台座からの熱的影響を軽減することができるので、測定精度を向上させることができる。また、流量検出素子と流体との接触面積が増大するため、瞬時の流体の温度変化にも対応でき、一層精度の高い測定を行うことができる。
【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外観斜視図である。
【図２】同フローセンサの断面図である。
【図３】流量検出素子の斜視図である。
【図４】同流量検出素子の断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ流路用溝の他の実施の形態を示す流量検出素子の斜視図である。
【図６】流量検出素子の電気回路図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…封着用ガラス、３…ケース、４…台座、５…リードピン、７…流量検出素子、１１…流体、２２…温度検出手段、３０，３２，３３…流路用溝。

Claims

流体の温度を検出する温度検出手段が設けられた流量検出素子と、この流量検出素子が装着される台座とを備えたフローセンサにおいて、
前記流量検出素子は、正方形のチップ状に形成されて２つの対角線のうちのいずれか１つが流体の流れ方向と平行になるように前記台座に設けられ、下面側には流体の流入、通過を可能にする流路用溝が流体の流れ方向と一致するように形成されていることを特徴とするフローセンサ。
請求項１記載のフローセンサにおいて、
流量検出素子の基板がシリコンで、流路用溝がエッチングによって形成されていることを特徴とするフローセンサ。