JP3878666B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱線を用いて流量を計測する熱式流量計に関する。さらに詳細には、圧力や温度の変化による測定出力への影響をなくした熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から熱線を用いて流量を計測する熱式流量計の１つとして、半導体マイクロマシニングの加工技術で製造された測定チップをセンサ部として使用するものがある。この種の熱式流量計としては、例えば、図１４に示すものが挙げられる。図１４の熱式流量計１０１においては、入口ポート１０２に流入させた被測定流体を、整流機構１０３で整流させた後に、計測流路１０４を介して、出口ポート１０５から流出させており、被測定流体の流量を計測するために、電気回路１０６に接続された測定チップ１１１を計測流路１０４に露出させている。
【０００３】
この点、測定チップ１１１は、図１５に示すように、シリコンチップ１１６において、上流温度センサ１１２、ヒータ１１３、下流温度センサ１１４、周囲温度センサ１１５（上述したセンサ１１２〜１１５は、「熱線」に相当する）などを、半導体マイクロマシニングの加工技術で設けたものである。
【０００４】
従って、図１４の熱式流量計１０１においては、被測定流体が計測流路１０４に流れていないときは、図１５の測定チップ１１１の温度分布がヒータ１１３を中心に対称となる一方、被測定流体が計測流路１０４に流れているときは、上流温度センサ１１２の温度が低下し、下流温度センサ１１４の温度が上昇するので、図１５の測定チップ１１１の温度分布の対称性は、被測定流体の流量に応じて崩壊することになる。このとき、この崩壊の程度は、上流温度センサ１１２と下流温度センサ１１４の抵抗値の差になって現れるので、電気回路１０６を介して、被測定流体の流量を計測することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、図１４の熱式流量計１０１では、図１５の測定チップ１１１において、６個の電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６をシリコンチップ１１６に設けており、上流温度センサ１１２、ヒータ１１３、下流温度センサ１１４、周囲温度センサ１１５のそれぞれと電気回路１０６とを接続することを、６個の電極Ｄ１〜Ｄ６を使用したワイヤーボンディングにより行っていた。
【０００６】
従って、図１４の熱式流量計１０１では、測定チップ１１１が計測配管１０４の中で露出し、ボンディングワイヤーＷが計測配管１０４に介在するので、大流量の計測対象気体が計測配管１０４に流れると、その風圧などを受けてボンディングワイヤーＷが切れる恐れがあり、それを防ぐためには、カバー機構を設けるなど（例えば、特開平１０−２７７３号の「支持体１３ａ」）の対策を行う必要があった。
【０００７】
そこで、本出願人は、このような問題点を解決するため、熱線が設けられた測定チップをセンサ部とするものであって、測定チップの熱線と電気回路との接続に関し、ワイヤーボンディングの使用を回避した熱式流量計を、特願２０００−３６８８０１にて提案した。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特願２０００−３６８８０１で提案した熱式流量計において、測定チップを実装する基板に、従来から使用されているガラスエポキシ基板を用いると、次のような問題が発生した。すなわち、被測定流体の圧力や周囲の温度変化により、測定出力がドリフトしてしまい、正確に流量を計測することができなかった。これは、ガラスエポキシ基板の強度が不足していることと、測定チップとガラスエポキシ基板の線膨張係数とが大きく異なっていることから、測定チップを実装する基板に歪みが生じてしまうためである。また、ガラスエポキシ基板から放出ガスが発生していた。従って、放出ガスを嫌う装置には本熱式流量計を使用することが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、圧力および温度変化による計測出力のドリフトを防止するとともに、放出ガスの発生を抑制することができる熱式流量計を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る熱式流量計は、熱線と熱線に接続する熱線用電極とが設けられたシリコンの測定チップと、熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が設けられるとともに、溝が形成されたアルミナの基板と、基板が密着することによりバイパス流路が形成されるボディとを備え、熱線用電極と電気回路用電極とを接着して測定チップを基板に実装することによってセンサ流路を測定チップと基板との間に溝で形成するとともに、センサ流路に熱線を橋設させたことを特徴とするものである。
【００１１】
この熱式流量計では、基板がボディに対して密着されると、ボディの内部において、バイパス流路が形成される。このとき、基板に溝が設けられているので、ボディの内部においてセンサ流路も形成される。そして、この熱式流量計においては、流量計に流れ込んだ被測定流体が、熱線が橋設されたセンサ流路と、センサ流路に対するバイパス流路とに分流される。このとき、熱線を用いた計測原理に基づき、センサ流路を流れる被測定流体の流量、ひいては熱式流量計の内部を流れる被測定流体の流量が測定される。
【００１２】
ここで、基板としてアルミナ基板を使用しているため、基板の強度が高められている。従って、被測定流体の圧力によって基板に歪みが生じにくくなっている。その結果、圧力の影響による測定出力のドリフトが防止される。また、アルミナ基板の線膨張係数は、シリコンの測定チップの線膨張係数に近い。このため、温度の影響によって基板に歪みが生じにくくなっている。その結果、温度の影響による測定出力のドリフトが防止される。さらに、アルミナ基板は、放出ガスを発生しにくい。このため、熱式流量計を、放出ガスを嫌う装置にも使用することができる。
【００１３】
本発明に係る熱式流量計においては、溝は、細長い形状であって基板の中央に形成され、前記電気回路用電極は、基板の溝に沿って形成されていることが望ましい。こうすることにより、熱線が設けられた測定チップと熱線を用いた計測原理を行うための電気回路とを、一つの基板に集約させることが可能となる。そのため、省スペースやコストダウンに貢献することができる。また、測定チップが基板の中央に実装されるので、基板に歪みが発生したとしても、測定チップはその歪みの影響を受けにくい。このことによっても、測定出力のドリフトが防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱式流量計を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。そこで、実施の形態に係る熱式流量計の概略構成を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態に係る熱式流量計１は、大別してボディ４１とセンサ基板２１とから構成されるものである。そして、ボディ４１上面に開口する流路空間４４を塞ぐように、センサ基板２１がシールパッキン４８を介しボディ４１に密着されている。具体的には、センサ基板２１は、基板押さえ３１がボディ４１にネジ固定されることにより、ボディ４１に密着するようになっている。これにより、センサ流路Ｓ、およびセンサ流路Ｓに対するバイパス流路である主流路Ｍが形成されている。すなわち、本実施の形態に係る熱式流量計１は、センサ流路とバイパス流路とを備える熱式流量計である。
【００１５】
ここで、ボディ４１は、図２および図３に示すように、直方体形状のものである。なお、図２はボディ４１の平面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。このボディ４１には、両端面に入口ポート４２と出口ポート４６とが形成されている。そして、入口ポート４２からボディ中央に向かって入口流路４３が形成され、同様に出口ポート４６からボディ中央に向かって出口流路４５が形成されている。なお、入口流路４３および出口流路４５は、流路空間４４の下方に形成されている。
【００１６】
また、ボディ４１の上部には、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓを形成するための流路空間４４が形成されている。この流路空間４４の横断面は、長方形の両短辺を円弧状（半円）にした形状になっており、その中央部に円弧状の凸部４４Ｃが形成されている。凸部４４Ｃは、メッシュ板５１の位置決めを行うためのものである。そして、流路空間４４の下面の一部が入口流路４３および出口流路４５に連通している。すなわち、流路空間４４と入口流路４４および出口流路４５との連通部に、それぞれ９０度に屈曲したエルボ部４３Ａおよび４５Ａが形成されている。
【００１７】
そして、この流路空間４４の下面に、図１に示すように、メッシュ板５１が配設されている。このメッシュ板５１は、底板３７とともにボディ４１にねじ固定されている。これにより、主流路Ｍとエルボ部４５Ａとの連通部にメッシュ部５１Ｍが設けられることになる。このように、主流路Ｍとエルボ部４５Ａとの連通部にメッシュ部５１Ｍを設けることにより、入口流路４３に流れ込んだ被測定流体の入射角による計測出力への影響をほとんどなくすことができる。なぜなら、被測定流体がメッシュ部５１Ｍを通過することにより、被測定流体の流れに細かな乱れが非常に多く形成されるからである。
【００１８】
図２に戻って、ボディ４１の上面には、流路空間４４の外周に沿うように溝４９が形成されている。この溝４９は、シールパッキン４８を装着するためのものである。ここで、溝４９に装着されるシールパッキン４８について、図４を用いて説明する。なお、図４（ａ）はシールパッキンの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００１９】
シールパッキン４８は、リング部４８Ａとシート部４８Ｂとを備える。すなわち、リング部４８Ａとシート部４８Ｂとを一体的に成形したものである。このようなリング部４８Ａとシート部４８Ｂとを一体的に成形したシールパッキン４８を使用するのは、被測定流体の外部漏れと内部漏れの両方を防止するためである。なお、シールパッキン４８の材質は、フッ素ゴム、ＮＢＲ、シリコンゴム等の弾性ゴムであればよい。また、シート部４８Ｂには、後述する測定チップ１１に嵌合するように凹部４８Ｃが形成されている。これにより、図５に示すように、シート部４８Ｂがセンサ基板２１および測定チップ１１に密着するようになっている。
【００２０】
一方、本発明の特徴部であるセンサ基板２１は、測定流量を電気信号として出力するものである。このセンサ基板２１について、図６〜図８を用いて説明する。図６はセンサ基板２１の表面側を表す平面図であり、図８はセンサ基板２１の裏面側を表す平面図であり、図７はセンサ基板２１の正面図である。センサ基板２１は、ベースとなるアルミナ基板２２に色々な電気素子などが設けられている。具体的には、図６に示すように、センサ基板２１の表面側には、ピンＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６（図７参照）を備える端子ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６と、チップ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とが設けられている。そしてチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ４と端子ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ５，ＣＳ６とが電気的に接続されている。
【００２１】
また、図８に示すように、センサ基板２１の裏面側（ボディ４１への装着面側）には、その中央部に溝２３が形成されている。そして、この溝２３に沿ってその両側に、電気回路用電極２４，２５，２６，２７が設けられている。そして、電気回路用電極２４と端子ＣＳ２とが電気的に接続されている。電気回路用電極２５と端子ＣＳ３とが電気的に接続されている。電気回路用電極２６と端子ＣＳ５とが電気的に接続されている。電気回路用電極２７と端子ＣＳ４とが電気的に接続されている。さらに、センサ基板２１の裏面側には、後述する測定チップ１１が実装されている。
【００２２】
このようなセンサ基板２１は、図９に示すようにして製造される。まず、溝加工および穴加工を施したグリーンシート（焼結前の生材）と穴加工のみを施したグリーンシートとを圧着する。続いて、圧着した２枚のグリーンシートを焼成する。そして、焼成後に回路パターンの印刷を行い、各種の電気素子を実装する。かくして、センサ基板２１が得られる。なお、センサ基板２１は、１つずつ製造してもよいが、生産効率の観点からは図１０に示すように、多数のセンサ基板を一度に製造するのがよい。図１０に波線で示すものが１つのセンサ基板に相当する。
【００２３】
続いて、センサ基板２１に実装される測定チップ１１について、図１１を用いて説明する。測定チップ１１は、図１１に示すように、シリコンウエハ１２に対して、半導体マイクロマシニングの加工技術を実施したものである。この加工により、熱線用電極１４，１５，１６，１７が設けられている。また、温度センサ用熱線１８が熱線用電極１４，１５から延設され、流速センサ用熱線１９が熱線用電極１６，１７から延設されている。
【００２４】
そして、測定チップ１１の熱線用電極１４，１５，１６，１７を、図１２に示すように、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路用電極２４，２５，２６，２７のそれぞれと、半田リフロー又は導電性接着剤などで接合することによって、測定チップ１１をセンサ基板２１に実装している。従って、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、測定チップ１１に設けられた温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９は、測定チップ１１の熱線用電極１４〜１７と、センサ基板２１の電気回路用電極２４〜２７（図８参照）とを介して、センサ基板２１の表面側に設けられた端子ＣＳ１〜ＣＳ６およびチップ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（図６参照）に接続されることになる。
【００２５】
また、測定チップ１１がセンサ基板２１に実装されると、センサ基板２１に形成された溝２３の中央部が塞がれる。そして、この状態のセンサ基板２１をボディ４１にシールパッキン４８を介して密着すると、図１に示すように、ボディ４１の流路空間４４において、センサ基板２１と測定チップ１１との間に、センサ基板２１の溝２３などからなる細長い形状のセンサ流路Ｓが形成される。そのため、センサ流路Ｓには、温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９とが橋を渡すように設けられることになる。
【００２６】
次に、上記した構成を有する熱式流量計１の作用について説明する。熱式流量計１においては、図１に示すように、入口ポート４２を介して入口流路４３へ流れ込んだ被測定流体（図１のＦ）は、流路空間４４にて、主流路Ｍへ流れ込むもの（図１のＦ１）と、センサ流路Ｓへ流れ込むもの（図１のＦ２）とに分流される。そして、主流路Ｍおよびセンサ流路Ｓから流れ出した被測定流体は、合流して、出口流路４５を介して出口ポート４６からボディ４１の外部に流れ出す（図１のＦ）。
【００２７】
そして、センサ流路Ｓを流れる被測定流体（図１のＦ２）は、センサ流路Ｓに橋設された温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９とから熱を奪う。そうすると、センサ基板２１の裏面側に設けられた電気回路が、温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９などの出力を検知しながら、温度センサ用熱線１８と流速センサ用熱線１９とが一定の温度差になるように制御する。
【００２８】
ここで、センサ基板２１のベースにアルミナ基板２２を使用している。また、測定チップ１１のベースにシリコンウエハ１２を使用している。そこで、アルミナ基板、シリコンウエハ、およびガラスエポキシ基板（従来のセンサ基板のベース）の線膨張係数、曲げ強度、およびヤング率の値を、図１３に示す。図１３から明らかなように、アルミナ基板はガラスエポキシ基板に比べ約１．４倍の強度を持っている。すなわち、センサ基板２１は、強度が高められている。これにより、センサ基板２１は、被測定流体の圧力による歪みが発生しにくくなり、圧力の影響による測定出力のドリフトが防止された。
【００２９】
また、線膨張係数に着目すると、シリコンウエハとガラスエポキシ基板とでは１０倍以上の差があるが、シリコンウエハとアルミナ基板とであれば３倍程度の差になっている。すなわち、センサ基板２１のベースと測定チップ１１の線膨張係数がかなり近い値になっている。これにより、センサ基板２１は、周囲温度の変化による歪みが発生しにくくなり、温度の影響による測定出力のドリフトが防止された。
【００３０】
さらに、アルミナ基板はガラスエポキシ基板に比べ放出ガスを発生しにくい。このため、センサ基板２１から放出ガスが発生しにくくなった。これにより、熱式流量計１は放出ガスを嫌う装置にも使用することができた。
【００３１】
以上、詳細に説明したように実施の形態に係る熱式流量計１によれば、センサ基板２１のベースにアルミナ基板２２を使用しているため、センサ基板２１の強度が高められた。従って、被測定流体の圧力によるセンサ基板２１の歪みが生じにくい。その結果、圧力の影響による測定出力のドリフトが防止される。また、アルミナ基板２２の線膨張計数は、測定チップ（シリコンウエハ）１１の線膨張係数に近い。このため、温度の影響によるセンサ基板２１に歪みが生じにくい。その結果、温度の影響による測定出力のドリフトが防止される。さらに、アルミナ基板２１は、放出ガスを発生しにくい。このため、熱式流量計１は、放出ガスを嫌う装置にも使用することができる。
【００３２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る熱式流量計によれば、測定チップが実装される基板として、溝が形成されたアルミナ基板を使用した。このことにより、熱式流量計の計測出力が、圧力および温度変化の影響を受けにくくなった。すなわち、圧力および温度変化による計測出力のドリフトが防止されている。また、基板からの放出ガスの発生が抑制された。これにより、放出ガスを嫌う装置にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略構成図である。
【図２】ボディの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】シールパッキンを示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡ−Ａ断面図、（ｃ）がＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図６】センサ基板の表面側を示す平面図である。
【図７】センサ基板の正面図である。
【図８】センサ基板の裏面側を示す平面図である。
【図９】センサ基板の製造方法を説明する図である。
【図１０】一度に多数のセンサ基板を製造したときの状態を示した図である。
【図１１】測定チップの平面図である。
【図１２】測定チップをセンサ基板に実装するときの状態を示す図である。
【図１３】ガラスエポキシ基板とアルミナ基板とシリコンウエハの各種物性値を示す図である。
【図１４】従来の熱式流量計の断面図である。
【図１５】従来の熱流量計で使用された測定素子の斜視図である。
【符号の説明】
１ 熱式流量計
１１ 測定チップ
１４，１５，１６，１７ 熱線用電極
１８ 温度センサー用熱線
１９ 流速センサー用熱線
２１ センサ基板
２２ アルミナ基板
２３ 溝
２４，２５，２６，２７ 電気回路用電極
４１ ボディ
Ｍ 主流路（バイパス流路）
Ｓ センサ流路

Claims (2)

1. 熱線と前記熱線に接続する熱線用電極とが設けられたシリコンの測定チップと、
   前記熱線を用いた計測原理を行うための電気回路に接続する電気回路用電極が設けられるとともに、溝加工を施したグリーンシートと溝加工を施していないグリーンシートとを圧着して焼成することによって形成した溝を備えるアルミナの基板と、
   前記基板が密着することによりバイパス流路が形成されるボディとを備え、
   前記熱線用電極と前記電気回路用電極とを接着して前記測定チップを前記基板に実装することによってセンサ流路を前記測定チップと前記基板との間に前記溝で形成するとともに、前記センサ流路に前記熱線を橋設させたことを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載する熱式流量計において、
   前記溝は、細長い形状であって前記基板の中央に形成され、
   前記電気回路用電極は、前記基板の前記溝が形成された面に設けられていることを特徴とする熱式流量計。

Images