JP5907688B2 - Flow sensor and method of manufacturing flow sensor - Google Patents
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Description
本発明は計測技術に関し、特にフローセンサ及びフローセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a measurement technique, and more particularly to a flow sensor and a method for manufacturing the flow sensor.
工業炉、ボイラ、及び空調熱源機器等においては、適切な流量の流体が供給されることが求められている。そのため、流量を正確に計測するための流量計に用いられるフローセンサが種々開発されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
In industrial furnaces, boilers, air-conditioning heat source devices, and the like, it is required that a fluid having an appropriate flow rate be supplied. For this reason, various flow sensors used in flow meters for accurately measuring the flow rate have been developed (see, for example,
近年の環境意識の高まりに応じて、フローセンサの消費電力についても、削減されることが望まれている。そこで、本発明は、消費電力の低いフローセンサ及びフローセンサの製造方法を提供することを目的の一つとする。 In response to the recent increase in environmental awareness, it is desired that the power consumption of the flow sensor be reduced. Therefore, an object of the present invention is to provide a flow sensor with low power consumption and a method for manufacturing the flow sensor.
本発明の態様によれば、(a)裏面に第1の凹部が設けられ、第1の凹部の上方の表面に第2の凹部が設けられた基板と、(b)第2の凹部を覆うように基板の表面上に配置された膜と、(c)膜の裏面に配置され、第2の凹部に格納された、第1の測温素子、発熱素子、及び第2の測温素子と、を備えるフローセンサが提供される。 According to an aspect of the present invention, (a) a substrate having a first recess provided on the back surface and a second recess provided on the upper surface of the first recess, and (b) covering the second recess. A film disposed on the front surface of the substrate, and (c) a first temperature measuring element, a heating element, and a second temperature measuring element disposed on the back surface of the film and stored in the second recess Are provided.
また、本発明の態様によれば、(a)第1の基板の裏面に第1の凹部を形成し、第1の基板の第1の凹部の上方の表面に第2の凹部を形成することと、(b)第2の基板の裏面に、第1の測温素子、発熱素子、及び第2の測温素子を形成することと、(c)第2の凹部を覆うように第1の基板の表面上に第2の基板を配置し、第1の測温素子、発熱素子、及び第2の測温素子を第2の凹部に格納することと、(d)第2の基板の表面から厚みを減じ、膜とすること、を含むフローセンサの製造方法が提供される。 According to the aspect of the present invention, (a) the first recess is formed on the back surface of the first substrate, and the second recess is formed on the surface above the first recess of the first substrate. And (b) forming a first temperature measuring element, a heating element, and a second temperature measuring element on the back surface of the second substrate, and (c) first covering the second recess. Disposing a second substrate on the surface of the substrate and storing the first temperature measuring element, the heating element, and the second temperature measuring element in the second recess; and (d) the surface of the second substrate. A method of manufacturing a flow sensor is provided that includes reducing the thickness to form a film.
本発明によれば、消費電力の低いフローセンサ及びフローセンサの製造方法を提供可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a flow sensor with low power consumption and a method for manufacturing the flow sensor.
以下に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で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、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は勿論である。 Embodiments of the present invention will be described below. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in light of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
図1乃至図3に示す実施の形態に係るフローセンサは、裏面に第1の凹部11が設けられ、第1の凹部11の上方の表面に第2の凹部12が設けられた基板1と、第2の凹部12を覆うように基板1の表面上に配置された膜2と、膜2の裏面に配置され、第2の凹部12に格納された、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33と、を備える。実施の形態に係るフローセンサは、例えば、流路を流れる流体の流速及び流量等を計測するために使用される。なお、流体は、気体であっても、液体であってもよい。
The flow sensor according to the embodiment shown in FIG. 1 to FIG. 3 includes a
図2及び図3に示す基板1の厚みは、例えば0.5mm程度である。また、基板1の縦横の寸法は、例えばそれぞれ2mm程度である。基板1の材料としては、石英(SiO2)、サファイア等の耐食性材料が使用可能である。例えば、第1の凹部11は第2の凹部12より深い。第2の凹部12の深さは、例えば10μm程度である。また、例えば、基板1の第1の凹部11の底面と、第2の凹部12の底面と、で挟まれた部分は、厚さ10μm程度の薄膜をなしている。
The thickness of the
膜2の厚みは、例えば10μm程度である。膜2の材料としては、石英(SiO2),サファイア等の耐食性材料が使用可能である。発熱素子31は、例えば抵抗器であり、電力を与えられて発熱し、膜2表面を流れる流体を加熱する。図2に示す第1の測温素子32及び第2の測温素子33は、例えば抵抗器等の受動素子等の電子素子であり、膜2表面を流れる流体の温度に依存した電気信号を出力する。第1の測温素子32は発熱素子31より例えば上流側の流体の温度を検出するために用いられ、第2の測温素子33は発熱素子31より例えば下流側の流体の温度を検出するために用いられる。発熱素子31、第1の測温素子32、及び第2の測温素子33のそれぞれの材料には白金(Pt)等の導電性材料が使用可能である。
The thickness of the
第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33と、基板1の凹部12の底面と、の間には、幅10μm程度の空間が設けられている。
A space having a width of about 10 μm is provided between the first
図2に示す膜2表面に接する流体が静止している場合、発熱素子31から流体に加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に伝播する。したがって、第1の測温素子32及び第2の測温素子33の温度は等しくなり、白金等からなる第1の測温素子32及び第2の測温素子33の電気抵抗は等しくなる。これに対し、第1の測温素子32が配置された側から第2の測温素子33が配置された側に向かって流体に流れている場合、発熱素子31から流体に加えられた熱は、第2の測温素子33が配置された側に運ばれる。したがって、第1の測温素子32の温度よりも、第2の測温素子33の温度が高くなる。そのため、第1の測温素子32の電気抵抗と、第2の測温素子33の電気抵抗と、に差が生じる。第2の測温素子33の電気抵抗と、第1の測温素子32の電気抵抗と、の差は、膜2表面に接する流体の速度と相関する。そのため、第2の測温素子33の電気抵抗と、第1の測温素子32の電気抵抗と、の差から、膜2表面に接する流体の流量が求められる。
When the fluid in contact with the surface of the
図1及び図3に示すように、膜2の裏面には、電極41、42、43、51、52、53がさらに配置されている。電極41は発熱素子31の一方の端部に電気的に接続されており、電極51は発熱素子31の他方の端部に電気的に接続されている。電極42は第1の測温素子32の一方の端部に電気的に接続されており、電極52は第1の測温素子32の他方の端部に電気的に接続されている。電極43は第2の測温素子33の一方の端部に電気的に接続されており、電極53は第2の測温素子33の他方の端部に電気的に接続されている。基板1には、電極41、42、43を露出させるための配線用貫通孔13と、電極51、52、53を露出させるための配線用貫通孔14と、が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 3,
さらに、図1及び図2に示すように、フローセンサには、膜2の表面から基板1の第1の凹部11に貫通する流体連通孔21、22が、基板1の第2の凹部12に隣接して設けられている。これにより、膜2表面に加わる圧力と、第1の凹部11の底面に加わる圧力と、をほぼ等しくすることが可能となる。また、流体連通孔21、22のそれぞれの開口面積を適宜設定することにより、流体連通孔21から第1の凹部11内部に流入し、流体連通孔22から流出する流体の速度をほぼゼロにすることが可能となる。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the flow sensor has fluid communication holes 21 and 22 penetrating from the surface of the
以上説明した実施の形態に係るフローセンサにおいては、図2に示すように、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33が基板1の第2の凹部12に格納されており、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33と、基板1の凹部12の底面と、の間に、空間が設けられている。空間は断熱効果を有するため、発熱素子31が発した熱が、測定対象である流体に接する膜2表面に効率よく伝播する。そのため、発熱素子31に加えられた電力が効率良く消費されるため、無駄な消費電力を削減することが可能となる。また、流体が発熱素子31で効率よく加熱されるため、第1の測温素子32及び第2の測温素子33による温度変化の検出時間を短縮することが可能となる。さらに、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33を第2の凹部12に格納することにより、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33が流体にさらされない。そのため、実施の形態に係るフローセンサは、SOx、NOx、Cl2、BCl3などを含有するガス(気体)や、硫酸や硝酸を含む薬液(液体)などの腐食性を有する流体の測定にも適応可能となる。
In the flow sensor according to the embodiment described above, as shown in FIG. 2, the first
次に、図4乃至図20を参照して、実施の形態に係るフローセンサの製造方法について説明する。
(a)まず、図4及び図5に示すように、平坦な第1の基板1を用意する。次に、図6及び図7に示すように、第1の基板1に、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、配線用貫通孔13、14を設ける。その後、図8及び図9に示すように、第1の基板1の裏面に、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、第1の凹部11を設ける。さらに、図10乃至図12に示すように、第1の基板1の表面に、エッチング加工等により、第2の凹部12を設ける。なお、配線用貫通孔13、14、第1の凹部11、及び第2の凹部12を設ける順序は任意である。
Next, a method for manufacturing a flow sensor according to the embodiment will be described with reference to FIGS.
(A) First, as shown in FIGS. 4 and 5, a flat
(b)また、図13及び図14に示すように、平坦な第2の基板102を用意し、第2の基板の裏面に、スパッタリング法、真空蒸着法等の方法により、白金などの金属を付着させ、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33を形成(パターニング)する。次に、図15及び図16に示すように、第2の基板の裏面に、同様の方法により、電極41、42、43、51、52、53を形成(パターニング)する。なお、図14及び図16は、裏面を上側にして第2の基板102を描いている。
(B) Also, as shown in FIGS. 13 and 14, a flat
(c)図10乃至図12に示した配線用貫通孔13、14、第1の凹部11、及び第2の凹部12が設けられた第1の基板1と、図15及び図16に示した第1の測温素子32、発熱素子31、第2の測温素子33、及び電極41、42、43、51、52、53が設けられた第2の基板102と、を、図17乃至図19に示すように、第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33が第2の凹部12に格納され、電極41、42、43、51、52、53が配線用貫通孔13、14から露出するよう、常温活性化接合等の手法により接合する。
(C) The
(d)第2の基板102の厚みを、研削法、研磨法、又はエッチング法等により減じて、図20に示すように、膜2とする。その後、サンドブラスト加工法、超音波加工法、ドリル加工法、レーザー加工法、又はエッチング法等により、図2に示す基板1及び膜2を貫通する流体連通孔21、22を形成し、実施の形態に係るフローセンサの製造方法を終了する。なお、第2の基板102及び第1の基板1を貫通する流体連通孔21、22を形成後、第2の基板102の厚みを減じて、膜2としてもよい。
(D) The thickness of the
以上説明した製造方法により、図1乃至図3に示した実施の形態に係るフローセンサを製造可能である。 With the manufacturing method described above, the flow sensor according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 can be manufactured.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、図2に示す第1の測温素子32、発熱素子31、及び第2の測温素子33と、基板1の凹部12の底面と、の間の空間を真空にしてもよい。これにより、空間の断熱効果をさらに向上させることが可能となる。また、上述した実施の形態では、3つの電極41、42、43に対して1つの配線用貫通孔13が設けられ、3つの電極51、52、53に対して1つの配線用貫通孔14が設けられる例を示したが、例えば6つの電極41、42、43、51、52、53のそれぞれに対して6つの配線用貫通孔を個別に設け、貫通電極をさらに形成してもよい。また、発熱素子31、第1の測温素子32、及び第2の測温素子33に対する電極41、42、43、51、52、53の配置、接続方法は、上述した実施の形態に限定されない。例えば、電42と、電極43と、は、配線により電気的に接続されていてもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, embodiments, and operation techniques should be apparent to those skilled in the art. For example, the space between the first
1 基板(第1の基板)
2 膜
11 第1の凹部
12 第2の凹部
13、14 配線用貫通孔
21、22 流体連通孔
31 発熱素子
32 第1の測温素子
33 第2の測温素子
41、42、43、51、52、53 電極
102 第2の基板
1 substrate (first substrate)
2
Claims (12)
前記第2の凹部を覆うように前記基板の表面上に配置された膜と、
前記膜の裏面に配置され、前記第2の凹部に格納された、第1の測温素子、発熱素子、及び第2の測温素子と、
を備えるフローセンサであって、
前記膜の表面から前記基板の第1の凹部に貫通する流体連通孔が、前記第2の凹部の隣に設けられている、
フローセンサ。 A substrate having a first recess provided on the back surface and a second recess provided on the upper surface of the first recess;
A film disposed on the surface of the substrate so as to cover the second recess;
A first temperature measuring element, a heating element, and a second temperature measuring element disposed on the back surface of the film and stored in the second recess;
A flow sensor comprising :
A fluid communication hole penetrating from the surface of the membrane to the first recess of the substrate is provided next to the second recess.
Flow sensor .
第2の基板の裏面に、第1の測温素子、発熱素子、及び第2の測温素子を形成することと、
前記第2の凹部を覆うように前記第1の基板の表面上に前記第2の基板を配置し、前記第1の測温素子、前記発熱素子、及び前記第2の測温素子を前記第2の凹部に格納することと、
前記第2の基板の表面から厚みを減じ、膜とすることと、
前記膜の表面から前記第1の基板の第1の凹部に貫通する流体連通孔を、前記第2の凹部の隣に形成することと、
を含むフローセンサの製造方法。 Forming a first recess on a back surface of the first substrate, and forming a second recess on a surface above the first recess of the first substrate;
Forming a first temperature measuring element, a heating element, and a second temperature measuring element on the back surface of the second substrate;
The second substrate is disposed on the surface of the first substrate so as to cover the second recess, and the first temperature measuring element, the heating element, and the second temperature measuring element are arranged in the first Storing in the two recesses;
And to reduce the thickness, a film from the surface of the second substrate,
Forming a fluid communication hole penetrating from the surface of the film to the first recess of the first substrate next to the second recess;
The manufacturing method of the flow sensor containing this.
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