JP4709499B2 - 熱式の質量流量計 - Google Patents

Description

本発明は、熱式の質量流量計に関する。

熱の原理によって作動する各種の質量流量計が、既知である。

その質量流量を測定すべき気体または液体の流れが、層流または乱流として、流管を通過する時、流管の内壁に沿って、境界層が形成される。例えば、流管の周りにコイル状に巻かれた抵抗線による流管の局部加熱により、熱は、熱伝導によって、管壁および境界層を通して、気体または液体の流れに伝えられる。供給される熱の効果が求められる。流管の熱伝導係数は、材料の組成およびその表面を通して伝えられる熱の量に左右される可変値として求められ、気体または液体の境界層の熱伝導係数は、測定すべき流体中の比熱容量に関係する値として求められる。

一方では、流管の熱伝導係数が、このように、その構成材料、管寸法などに関するデータから計算され、他方では、流体の熱伝導係数が、その密度および流量から計算される。従来のタイプの流量計は、流体の流れに干渉することなしに、上記の動作原理に基づいて、既知のタイプの流体の質量流量を求めることができる簡単な質量流量計として使用することができる。

既知の熱式の質量流量計の一つが、例えば、特許文献１に記述されている。この既知の質量流量計は、流管の周りにコイル状に巻かれた抵抗線から構成されている上流および下流の温度センサーが設けられている熱伝導性の流管と、センサー間の温度差を一定に保つための制御回路と、を含んでおり、管内を流れる流体の質量流量が、制御回路のデータから求められる。
ＥＰ第０１２０１１５６．５号

流管の周りに設けられている巻線を有するかかる測定システムの欠点は、それが、流れを非常に局部的に測定するのに適しておらず、非常に低い流量を測定することができず、比較的遅い応答を有し、かつ、小さな空間で使用することができないことである。

本発明は、上記の欠点のうちの少なくともいくつかを有さない質量流量計を提供することをその目的とする。

本発明によれば、流れている流体の質量流量を測定するための熱式の質量流量計であって、該流量計は、流れている流体と直接的または間接的に接触できる感知面を有し低い熱伝導率の材料で作られている平面状の薄い基板または膜と、プレーナ技法により、上記基板の上記感知面上に設けられた加熱手段および温度センサー手段とを有し、上記温度センサー手段は、選ばれた位置に関して、流体の流れの方向で見た場合、対称な上流位置と下流位置との間の温度差を求めるために配設され、流量計は、良好な熱伝導率を有する材料から作られていて、かつ、その上に上記薄い基板または膜が配置されている穴を有する厚い基板をさらに含み、温度センサー手段が、加熱手段のどちらかの側に存在する二つのサーモパイルを含み、それらの熱接点が上記穴の上方に、そして、それらの冷接点が上記厚い基板の上方に有り、これによって、温度差が二つのサーモパイルの熱接点間で決定可能とされ、上記加熱手段が、上記選ばれた位置に関して、上流および下流に、対称に配置された二つの部分から構成されていて、該二つの部分が電気的励起手段に接続されており、上記電気的励起手段は、対称的な上流および下流位置での間で、温度センサー手段が、ゼロ温度差を記録するように、流れの不在下で、上記加熱手段の上記二つの部材を励起することを可能としており、これによって流量ゼロにおけるオフセットが除去されることを特徴とする。

要約すると、本発明は、チップ流量センサーを提供する。

プレーナ技法により、平坦な薄い基板上に設けられたチップ流量センサーの利点の一つは、それが、（超小型寸法で）非常に小さくすることができ、かつ、流管の周りに配置すべき巻線を有していないことである。これは、以下のことを可能にする。

（ａ） 非常に局部的に測定すること。

（ｂ） 従来の熱式センサーで可能なものよりもはるかに低い流量を測定すること。
（ｃ） より速い応答を得ること。小さな、薄い基板（膜）上のセンサーは、流れにおける変化をはるかに高速に記録する。
（ｄ） 計器をはるかに小さくして、それらが使用される機器も、より小さくすることができること。
（ｅ） 従来の方法では、各センサーを個別に製造しなければならないが、一つの操作で数百のセンサーを製造することができる大量生産方法（「微細加工」）を使用すること。

（ｆ） 非常に小さな空間内（例えば、微細流路内）で測定すること。

チップ流量センサーの感知面には、例えば、どちらかの側に温度センサーが横付けされている、中央に配置された加熱手段が設けられていてよい。かかるシステムにおけるゼロオフセットの発生を補償するため、センサー手段の出力信号は、電子的に補償することができる。

しかしながら、本発明による質量流量計の好適な一実施形態は、加熱手段が、前記選ばれた位置に関して、上流および下流に、対称に配置された二つの部分から構成されており、かつ、温度センサー手段がゼロ温度差を記録するような流れの不在下で、加熱手段の二つの部分を励起することができる電気的励起手段に接続することができることを特徴とする。

この好適な実施形態は、いわゆる平衡加熱を可能にする。平衡加熱方法は、流れがない時に出力信号（オフセット）が与えられる問題を解決する。また、ゼロ流量時にオフセットがない場合、オフセットドリフトはあり得ず、したがって、ゼロ点は、きわめて安定的である。後者は、広範な流れにわたって測定するためには重要である。１：１００の代わりに、今や、例えば、１：１０，０００の範囲にわたって測定することが可能である（したがって、チップの最大容量が１０ｌｎ／ｍｉｎの場合、従来の場合は、せいぜい１００ｍｌｎ／ｍｉｎであろうが、１ｍｌｎ／ｍｉｎの流れを測定することさえできる）。

本発明は、以上のように、流量計が、流れている流体と直接的または間接的に接触させることができる感知面を有する平面状の薄い基板を含み、かつ、加熱手段および温度センサー手段が、プレーナ技法により、基板の感知面上に設けられていることとしたので、本発明は、チップ流量センサーを提供し、プレーナ技法により、平坦な薄い基板上に設けられたチップ流量センサーの利点の一つとして、超小型寸法で非常に小さくすることができ、かつ、流管の周りに配置すべき巻線を有していないようにすることができる。

以下、本発明による流量計のいくつかの実施形態を示す図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、中央ヒーターＨ、および、それに対して対称に、上流および下流に配置された温度センサーＳ_１およびＳ_２を有する、その上に流体を方向Фに通すことができる薄い平坦なキャリヤー１を示す。流量は、センサー素子のかかる構成を用いて、各種の方法で求めることができる。いかなるゼロオフセットも、電子的に補償することができる。

温度センサーＳ_１およびＳ_２が、感温抵抗材料から作られている場合は、ゼロオフセットは、センサーＳ_１とセンサーＳ_２のうちのどちらが冷たいかが測定されることにより、かつ、それぞれが、他方と同じ温度を有するまで加熱されることにより、補償することもできる。

図２（Ａ）は、中央ヒーターＨを有する平坦な薄いキャリヤー３を示す。中央ヒーターＨは、サーモパイルＴＰ_１およびＴＰ_２によって横付けされている。サーモパイルは、差し込み図（図２（Ａ）にみられる破線で囲まれた図）内により詳しく見られるように、直列に配置した熱電対と見なすことができる。サーモパイルＴＰ_１およびＴＰ_２は、ヒーターＨとは反対を向いた側に、それらの「冷接点」４，５，６，７などを有し、ヒーターＨと対面する側に、それらの「熱接点」８，９などを有する。低い熱伝導率を有する材料から（例えば、パイレックス（登録商標）または窒化シリコンから）作られている薄い基板３は、シリコンなど、良好な熱伝導率を有する材料のより厚いベース基板２（図２（Ｂ））上に設けられている。ベース基板２は、薄い基板３によって橋かけされた穴Ｏを有する。穴Ｏの寸法および薄い基板３の寸法、並びに、それらの相互の位置は、ＴＰ_１およびＴＰ_２の熱接点が、穴Ｏの上方にあり、かつ、冷接点４，５，６，７などが、ベース基板２の上方にあるようなものである。その結果、両方のサーモパイルの冷接点は、基板温度を呈し、したがって、同じ温度を有する。これは、それらの熱接点間の温度差を求めることを可能にする。

ヒーターＨ、並びに、サーモパイルＴＰ_１およびＴＰ_２の部分からは、厚い基板２ができるだけ少なく「見える」べきである。したがって、望ましくは、穴Ｏの壁１１，１２，１３，および１４は、上向き方向に、すなわち、その上に薄い基板３が載ることになる表面に向かって、しだいに細くなっている。それが望ましい場合は、他のサーモパイル（図示せず）が、付加的に存在し、かつ、それらの熱接点が穴Ｏの上方にあり、かつ、それらの冷接点が基板の上方にあるよう配置されていてよい。

図３は、非常に興味深い実施形態（その目的が、ゼロに対するオフセットを低減すること、ゼロのできるだけ近くから流量を測定することができること、並びに、したがって、広範な動的測定範囲、高い安定性、および高い正確性を実現することである、平衡加熱を有する流量センサー）を示す。平坦な薄い板または膜１６が、基板２のように、穴１７が設けられている厚い基板１５によって支持されている。基板１５の大きさは、例えば、３ｘ６ｍｍである。膜１６上には、例えば、１ｘ１ｍｍの大きさの能動流量センサー素子が存在する。この場合、膜１６上の中央に、二つのヒーター素子Ｈ_１およびＨ_２（それを用いて熱平衡化を実現することができる）が存在する。二つのサーモパイルＴＰ_１およびＴＰ_２は、膜のどちらかの側に温度センサーとして配置されており、それぞれ、熱接点は、穴１７の上方に、かつ、冷接点は、基板の上方に有る。膜１６は、パイレックス（登録商標）ガラス（熱伝導率約１Ｗ／ｍＫ）から作られており、かつ、約５０ミクロンの厚さを有するが、それは、別法として、例えば、１Ｗ／ｍＫの熱伝導率および約１ミクロンの厚さを有する窒化シリコンから作られていてよい。基板１５（チップのキャリヤー）は、シリコン（熱伝導率約１５０Ｗ／ｍＫ）から作られており、かつ、約５００ミクロンの厚さを有する。二つのサーモパイルＴＰ_１およびＴＰ_２の熱接点間に、膜１６上に温度差が生じる場合もあれば、生じない場合もある。

流れがない場合、温度差が生じることは望ましくない。しかしながら、これは、とりわけチップ製造プロセスにおける欠陥のため、生じる可能性がある。ゼロ流量時のオフセットは、二つのヒーター素子Ｈ_１およびＨ_２（熱平衡化）により除去することができる。

流れがある場合、温度差が流量の目安であることが望ましい。温度差は、膜１６が（パイレックス（登録商標）などの）不良な熱導体である材料から作られており、かつ、膜が比較的薄い（１〜１００ミクロン；薄い膜の付加的な利点は、流れにおける変化に対するセンサーの比較的高速な応答である）場合のみ、生じることができる。しかしながら、冷接点は、まったく同じ温度を有していなければならない（これは、チップのキャリヤーが、（シリコンなどの）良好な熱伝導率を有する材料から作られており、かつ、比較的厚い（１００〜１０００ミクロン）場合のみ、可能である）。

上述した小型化された流量センサーの大量生産の欠点の一つは、厚い（シリコン）基板が、センサー間でかなりの厚さのばらつきを示す可能性があることである。熱は、より薄い部分よりも、より厚い部分において、より高速に消失する。これは、不平衡またはオフセットにつながる。しかしながら、これは一定ではなく、温度に、あるいは、媒体に左右され、したがって、補償することは困難である。平衡加熱原理の使用は、今や、製造プロセスによって生じる厚さのばらつきの欠点を除去することを可能にする。

図４は、例えば、定温（ＣＴ）または定電力（ＣＰ）法に従って、測定するための流量センサー構成を示す。図４は、その上にヒーター／センサー素子Ｈ_１およびＨ_２が設けられている、パイレックス（登録商標）の薄い平面状のキャリヤー１８の線図的な平面図である。Ｈ_１およびＨ_２は、可能性としては蛇行している、導体トラックの形態で設けられていてよい。Ｈ_１の位置とＨ_２の位置との間の温度差は、各種の方法で測定することができる。ここでは、サーモパイルＴＰが、Ｈ_１とＨ_２との間に設けられている。ＴＰが省略される別法は、Ｈ_１およびＨ_２が、感温抵抗材料から作られており、かつ、同時に、温度センサーとして作用する。センサー構成要素Ｈ_１およびＨ_２（およびＴＰ）を有するキャリヤー１８は、その上に測定すべき流れを方向Фに通すことができるチップ流量センサーを形成する。

図５は、その中を流体が軸方向Фに流れることができ、かつ、その内部に上述したタイプのチップセンサー２０が、その感知面が軸に平行な状態で吊り下げられている流管１９を示す。センサー２０は、ピンなどの支持手段上に取り付けてよく、該手段は、測定が、測定管路の内部で非常に局部的に生じることができるよう、壁（の開口２２）に通される。センサー２０は、制御および測定回路への電気的接続の可能性が得られるよう、導体トラック２３を有するホイル上に、あるいは、ＰＣＢ２１上に取り付けてよい。流量センサーのこの後者の実施形態は、いかなる空間であっても、流管の外部での測定をも可能にする。センサー構成要素は、望ましくは、攻撃性の気体または蒸気からの保護物として、不動態化層で被覆されている。これは、例えば、ガラス、窒化シリコン、または酸化シリコンの薄い層であってよい。

図６は、その中を流体が軸方向Фに流れることができ、かつ、その上に上述したようなタイプのチップ流量センサー２５が、（例えば、糊付けにより）それと熱交換接触しているよう、外壁に締結されている管２４を示す。これは、センサー２５が、その感知面が能動センサー素子を担った状態で、管壁に対面していることを意味する。管２４は、数ミリメートルの直径を有していてよく、かつ、例えば、ステンレス鋼、ＰＥＥＫ、または融解石英から製造されていてよい。これの利点の一つは、センサー２５が、攻撃性の、あるいは、腐食性の液体と接触しないことである。

図７は、流れている媒体のためのフィード管路２９およびドレン管路３０を含んでいるベース部分２８を有する測定モジュール２６を、部分的に立面図で、かつ、部分的に横断面図で示す。管路２９および３０は、その内部にチップ流量センサー３２が存在するキャップ２７内に形成された空洞内に、入り込む。この場合、センサー３２の能動センサー素子のキャリヤーは、センサー３２が流体の流れをできるだけ乱さないよう、ベース部分２８の表面３１の一部を形成している。別の構成が、図８に示されている。

図８は、ベース部分３５、管路３６，３７，およびキャップ３４を有する同様の測定モジュール３３を示す。ここでは、チップ流量センサー３９が、管路３６，３７に対面する側で、キャップ３４の内面３８内に埋め込まれている。流量センサーチップは、上記のケースすべてにおいて、それらの能動センサー手段が、流れている媒体の流れの方向に対して横方向に伸長しているよう配置されている。

要約すると、本発明は、熱式の質量流量計であって、測定中に流れている流体と直接的または間接的に接触させることができる感知面を有する平面状の薄い基板を含み、温度差を求めるための電気的に制御可能な加熱手段および温度センサー手段が、プレーナ技法によって、上記感知面上に設けられている熱式の質量流量計に関する。その感知面を有する基板は、より詳しくは、その中に、流体のためのフィード管路およびドレン管路が入り込む、モジュールの空洞内に存在する。

二つの温度センサーが横付けされた中央ヒーターを有する薄い平面状のキャリヤーを示す。 図２（Ａ）は流量センサー構成を有する薄い平面状のキャリヤーを示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のキャリヤーと組み合わせられるよう設計された穴が設けられている基板を示す。 より厚い基板上に取り付けられた、平衡加熱による流量センサー構成を有する薄い平面状のキャリヤーを示す。 二つのヒーターおよびその間にサーモパイルを有する薄い平面状のキャリヤーを示す。 流管内に吊り下げられたチップ流量センサーを示す。 流管の外側に取り付けられたチップ流量センサーを示す。 その内部に設けられているチップ流量センサーを有する測定モジュールを、部分的に立面図で、かつ、部分的に横断面図で示す。 その内部に設けられているチップ流量センサーを有する測定モジュールを、部分的に立面図で、かつ、部分的に横断面図で示す。

符号の説明

１ 基板（キャリヤー）
２６，３３ 測定モジュール
２９ フィード開口
３０ ドレン開口
Ｈ，Ｈ_１，Ｈ_２ 加熱手段
Ｓ_１，Ｓ_２ センサー手段
ＴＰ_１，ＴＰ_２ サーモパイル

Claims (5)

1. 流れている流体の質量流量を測定するための熱式の質量流量計であって、該流量計は、流れている流体と直接的または間接的に接触できる感知面を有し低い熱伝導率の材料で作られている平面状の薄い基板または膜と、プレーナ技法により、上記基板の上記感知面上に設けられた加熱手段および温度センサー手段とを有し、上記温度センサー手段は、選ばれた位置に関して、流体の流れの方向で見た場合、対称な上流位置と下流位置との間の温度差を求めるために配設され、流量計は、良好な熱伝導率を有する材料から作られていて、かつ、その上に上記薄い基板または膜が配置されている穴を有する厚い基板をさらに含み、温度センサー手段が、加熱手段のどちらかの側に存在する二つのサーモパイルを含み、それらの熱接点が上記穴の上方に、そして、それらの冷接点が上記厚い基板の上方に有り、これによって、温度差が二つのサーモパイルの熱接点間で決定可能とされ、上記加熱手段が、上記選ばれた位置に関して、上流および下流に、対称に配置された二つの部分から構成されていて、該二つの部分が電気的励起手段に接続されており、上記電気的励起手段は、対称的な上流および下流位置での間で、温度センサー手段が、ゼロ温度差を記録するように、流れの不在下で、上記加熱手段の上記二つの部材を励起することを可能としており、これによって流量ゼロにおけるオフセットが除去されることを特徴とする熱式の質量流量計。
2. 流量計は、流体の通過を可能にするよう設計された測定モジュールを含み、かつ、基板の感知面は、上記測定モジュールの壁面の一部を形成することとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。
3. 流量計は、流体の通過を可能にするよう設計された測定モジュールを含み、かつ、基板は、上記測定モジュールの内面上に設けられていることとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。
4. 測定モジュールは、その中に流れている媒体のためのフィード開口およびドレン開口が入り込む空洞を含み、該空洞内に、感知面が設けられていることとする請求項２または請求項３に記載の熱式の質量流量計。
5. 加熱手段は、膜上の中央に、互いに他から短い距離を隔てて、かつ、互いに他に平行に、配置された二つの部分から構成されていることとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。

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