KR100515422B1 - 질량유량센서 - Google Patents

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Abstract

＜ 해결수단 ＞
단결정 규소로 이루어진 프레임(1)과 그 프레임 내에 연장 설치된 다이어프램(2)을 구비한 질량 유량 센서에 있어서, 상기 다이어프램상에 금속층으로 형성된 가열 부재(3)가 배치되고, 다이어프램(2)의 가장자리에 동일한 금속층으로 형성된 열전도 부재(20)가 배치되고 있으며, 상기 열전도 부재는 다이어프램(2)에서 단결정 규소로 이루어진 프레임(1)까지 연장된다.
＜ 효과 ＞
열전도 부재를 가열 부재에 대해 매우 정확하게 위치 결정할 수 있다는 장점이 얻어진다.

Description

질량 유량 센서
＜ 발명이 속하는 기술 분야 ＞
본 발명은 단결정 규소로 이루어진 프레임과 그 프레임 내에 연장 설치된 다이어프램을 구비한 질량 유량 센서(mass flow sensor)에 관한 것이며, 특히, 다이어프램 상에 금속층으로 형성된 가열 부재가 배치되어 있는 형식의 질량 유량 센서에 관한 것이다.
＜ 종래의 기술 ＞
미국특허 제4,888,988호 명세서에 의하면, 단결정 규소로 제조된 프레임을 구비하고, 그 프레임 내에 유도성 재료로 형성된 다이어프램이 연장 설치되어 있는 질량 유량 센서가 공지되어 있다. 다이어프램상에는 1개의 가열 부재와 다수의 온도 측정 부재가 배치되어 있으며, 상기 온도 측정 부재는 금속층으로 형성되어 있다. 다이어프램의 정확한 재생성을 얻기 위해 강하게 도핑된 에칭에 의한 프레임이 설치되며, 그 프레임에 의해서 다이어프램의 외측 치수가 규정된다. 에칭에 의한 프레임에 대한 가열 부재의 위치 결정의 정밀도는 금속층의 사진 평판에 의한 조직 형성에 있어서의 위치 결정 정밀도에 기초하고 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 서두에 기재된 형식의 질량 유량 센서를 개량하고 가열 부재를 정확하게 위치 결정할 수 있게 하는 것이다.
＜ 과제를 해결하기 위한 수단 ＞
상기 과제를 해결한 본 발명에 의하면 다이어프램의 가장자리에 동일한 금속층으로 조직 형성된 열전도 부재가 배치되며, 그 열전도 부재가 다이어프램에서 단결정 규소로 이루어진 프레임까지 연장하고 있다.
본 발명의 청구범위 제 1 항에 의하면 열전도 부재를 가열 부재에 대해서 특히 정확하게 위치 결정할 수 있다는 장점을 얻을 수 있다. 이것에 의해서, 가열 부재에서 다이어프램을 통한 재생 가능한 열 유동이 확실하게 얻어진다. 또한, 센서의 좌우 대칭 구조가 얻어진다.
청구범위 제 2 항 이하에 기재한 수단에 의하면, 제 1 항에 기재한 질량 유량 센서의 유리한 실시예 및 개량이 가능하다. 특히, 간단한 구성에 의하면 다이어프램은 프레임의 윗면에 걸쳐서 연장하는 다이어프램축으로 형성된다. 이 경우, 개구를 설치하면 유리하다. 상기 개구에 의해서 열전도 부재가 프레임의 규소에 열적으로 직접 접속된다. 따라서, 규소 프레임 내로의 열전도 부재의 열 유동이 개선된다. 백금은 금속층을 위해서 특히 적합한 재료이다. 다른 금속층에 의해서 열전도 부재의 열전도율이 개선된다. 다른 금속층이 금속층의 위측 또는 아래측에 직접 배치되면 특히 양호한 개선이 얻어진다. 다른 금속층을 배치하기 위한 다른 가능성은 상기 다른 금속층이 유전층에 의해서 금속층에서 분리된다는 점에 있다.
＜ 발명의 실시의 형태 ＞
다음에, 본 발명의 실시 형태를 도면에 도시한 실시예에 대해서 설명한다.
본 발명에 의한 질량 유량 센서의 제 1 도는 평면도, 제 2 도는 횡단면도를 도시한다. 질량 유량 센서는 단결정 규소로 이루어진 프레임(1)을 가지며, 상기 프레임(1) 내에는 다이아프램(2)이 연장 설치된다. 상기 다이어프램(2)상에는 1개의 가열 부재(3)와 2개의 온도 센서(4)가 배치된다. 상기 가열 부재(3)와 온도 센서(4)는 프린트 기판(5)에 의해 접촉되며, 본드 패드(6)에 의해 외부의 운전 및 평가 회로에 접속 가능하다. 다이어프램(2)의 가장자리 영역 내에는 박판 형상(스트립 형상)의 열전도 부재(20)가 설치되며, 상기 열전도 부재(20)는 다이어프램(2)과 규소로 이루어진 프레임(1)을 덮는다.
가열 부재(3)에 의해서 다이어프램(2)은 주위 온도 이상의 온도로 가열된다. 화살표(70)로 표시된 매체 유동, 특히, 공기 유동이 다이어프램(2)의 윗측을 따라 흐르면, 상기 매체 유동에 의해 다이어프램(2)은 냉각된다. 그와 같은 다이어프램(2)의 냉각은 도시된 실시예에 있어서는 2개의 온도 센서(4)에 의해서 평가되며, 이 때, 상류측에 배치된 온도 센서(4)가 하류측에 배치된 온도 센서(4)보다 강하게 냉각된다. 또한, 선택적으로 가열 부재(3)의 저항을 측정함으로써 다이어프램의 냉각을 규정하는 것도 가능하다. 또한, 기타 형상의 모든 온도센서를 개별적으로로 사용해도 좋다. 가열 부재(3)는 유체에 의해서 관류되는 저항체이다. 유체의 흐름은 가열 부재(3)를 가열함으로써 발생된다. 온도 센서(4)는 마찬가지로 저항이 온도에 기초하여 변화하는 재료로 이루어진 저항체이다. 가열 부재(3) 및 온도 센서(4)용으로서 특히 적합한 재료는 백금이다. 백금은 특히 우수한 화학적 내구성 및 저항이 높은 온도 의존성을 갖는다. 그러나 그와 같은 센서를 위해서 다른 금속층을 사용해도 좋다.
가열 부재(3) 및 온도 센서(4)는 유리하게는 완전 평면 금속층을 적층함으로써 제조된다. 이어서, 상기 완전 평면 금속층에서 가열 부재(3) 및 온도 센서(4)는 사진 평판 및 에칭에 의해서 조직 형성된다. 이 때, 동시에 프린트 기판(5) 및 본드 패드(6)가 형성된다. 다이어프램(2)을 위해서는 일반적으로 다이어프램층(7)이 설치되며, 상기 다이어프램층(7)은 우선 규소 기판의 표면 전체를 덮는다. 이어서, 규소 기판에는 뒤측으로부터 절단면(8)이 에칭에 의해서 형성된다. 상기 절단면(8)은 뒤측에서 다이어프램층(7)까지 이른다. 상기 절단면(8)을 취하고 프레임(1)도 형성된다. 그에 따라 규소로 이루어진 프레임(1)이 형성되며, 상기 프레임(1)의 표면에는 다이어프램층(7)이 연장된다. 절단면(8)의 형성은 임의의 정밀도로 행해진다. 따라서, 다이어프램층(2)의 기하학적 치수 또는 다이어프램(2)상의 가열 부재(3)의 정확한 위치는 어느 정도 불균일이 발생한다. 이 경우에 문제로 되는 것은 질량 유량 센서의 특성 곡선, 즉 센서신호가 흐름의 기능으로서 다이어프램(2)의 치수에 의해서 영향을 받는다는 점이다. 이것은 가열 부재(3)에 의해서 발생된 열의 대부분이 관통하는 매체에 의해 냉각되지 않고 다이어프램층(7)을 거쳐 또는 센서의 윗측면에 설치된 부동태층(passivation layer)(9)을 거쳐 규소로 이루어진 프레임(1)을 향해 흐르게 되기 때문이다. 이와 같은 부위는 다이어프램(2)의 기하학적 치수가 변화하면 바뀐다. 센서 신호의 평가가 온도 센서(4)에 의해 행해지면, 센서 신호는 프레임(1)에 대한 온도 센서(4)의 상태 위치와도 관련된다. 이 경우, 어느 한 형상에 있어서 2개의 온도 센서(4)에 의해서 신호차가 형성되는 경우에는 방해가 된다. 그 이유는 그 경우에는 프레임(1)에 대한 온도 센서(4)의 비대칭적인 배치가 센서의 특성 곡선에 상응하는 비대칭성에 있어서 두드러지게 되기 때문이다. 따라서, 센서의 질적으로 높은 가치를 갖는 특성 곡선을 확실히 얻기 위해서, 열의 흐름을 다이어프램(2)에 의해서 정확하게 제어할 수 있게 되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 다이어프램(2)의 가장자리 영역 내에 열전도 부재(20)가 설치된다. 제 1 도 및 제 2 도에 스트립상의 열전도 부재로서 구성된 열전도 부재(20)는 다이어프램(2) 및 프레임(1)의 가장자리 영역을 덮는다. 열전도 부재(20)는 가열 부재(3) 및 온도 센서(4)를 제조하는 것과 마찬가지의 제조 단계에서 금속층에서 사진 평판에 의해 그 조직이 형성된다. 모든 조직은 각 마스크(mask)상에 설치되어 있으므로, 온도 센서(4) 또는 가열 부재(3)에 대한 열전도부재(20)의 높은 정밀도의 상대 위치가 얻어진다. 제 2 도에 도시된 바와 같이 제조시에 절단면(8)에 대한 금속층의 조직을 형성하기 위한 마스크의 소정의 조정 어긋남이 발생할 경우도, 다이어프램 내에 있어서의 열도출을 위한 조건은 일정하다. 이것은 다이어프램층(7)의 열전도율이 열전도 부재(20)의 열전도율보다 낮기 때문이다. 이것은 특히, 재료의 선택에 의한다. 다이어프램층(7)을 위해서는 1.6 또는 15 ㎉/mh℃의 열전도율을 갖는 규소산화물 및 규소질화물로 이루어진 얇은 층이 사용된다. 다이어프램층(7)의 전형적인 두께는 1-2㎛, 또는 금속층의 두께는 0.1-0.3㎛, 프레임(1)의 두께는 1-2㎛, 또, 금속층의 두께는 0.1-0.3㎛, 프렘임(1)의 두께는 수 100㎛이다. 따라서 프레임(1)의 열전도율은 다이어프램(2) 또는 금속층에 대해서 임의의 크기를 갖는다. 금속층의 두께는 얇음에도 불구하고 다이어프램과 비교해서 금속의 열전도율이 높은 것에 의해 양호한 열전도율이 얻어진다. 가열 부재(3) 또는 온도 센서(4)에 대한 열전도 부재(20)의 상대적인 배치에서 얻어지는 높은 정밀도에 의해서 특성 곡선의 개선이 얻어진다. 이 경우, 특히 제 1 도 및 제 2 도에 도시된 가열 부재가 센서를 제조할 때 부가적인 비용을 필요로 하지 않으므로 유리하다.
센서의 제조는 먼저 규소 기판에서 시작한다. 규소로 이루어진 기판의 표면측에 규소산화물, 규소질화물 또는 이것과 유사한 재료로 이루어진 다이어프램(7)이 적층된다. 이어서, 다이어프램층(7)상에 전면적으로 금속층이 도포된다. 이 금속층으로부터 사진 평판 및 에칭에 의해 가열 부재(3), 온도 센서(4), 프린트 기판(5), 본드 패드 및 열전도 부재(20)가 조직 형성된다. 프린트 기판(5)과 본드 패드(6)는 다른 재료로 구성되어도 좋다. 프린트 기판(5)과 본드 패드(6)는 금속층을 형성하기 전 또는 후에 도포 및 형성된다. 이어서, 선택적으로 센서의 표면이 유전적인 보호층(9)에 의해서 덮힌다. 다른 처리 단계에 있어서, 절단면(8)이 뒤측으로부터 에칭에 의해 형성된다. 그에 따라 프레임(1)이 얻어지며, 다이어프램(2)의 치수가 확정된다. 이 때, 절단면(8)의 절대 치수 또는 가열 부재(3)에 대한 위치를 고정하는 것은 곤란하다.
제 3 도에는 센서의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이와 같은 센서의 구성은 거의 제 1 도 및 제 2 도에 도시한 것에 상당하므로 동일 작용을 갖는 부분은 동일 부호를 갖는다. 그러나 상기 제 3 도에 도시한 센서는 제 1 도 및 제 2 도에 도시한 센서와는 다르며, 프레임(1)의 규소에 직접 접촉하는 열전도 부재(21)가 설치된다. 이 때문에 다이어프램층(7)에는 프레임(1)에 개구가 설치되며, 이 개구 내에 열전도 부재(21)의 금속층이 규소상에 직접 적재된다. 상기 개구는 열전도 부재(21) 또는 가열 부재(3) 및 온도 센서(4)가 조직 형성되는 금속층을 적층하기 전에 제조된다. 열전도 부재(21)와 규소 사이에는 열전도율이 낮은 다이어프램층(7)이 설치되므로, 열전도 부재(21)의 열전도율은 개선되며, 그에 따라 센서의 특성 곡선도 개선된다.
제 4 도에는 열전도 부재의 다른 구성의 평면도가 도시되어 있다. 간략화를 위해서 가열 부재(3) 및 그 가열 부재(3)를 적어도 3개 장소에서 완전히 에워싸는 U자형의 열전도 부재(22)만이 도시되어 있다. 오직 프린트 기판(5)이 가열부재(3)에 접근되는 장소에서만, 열전도 부재(22)에 틈이 제공된다.
제 5 도 내지 제 7 도에는 다른 실시예에 의한 센서의 횡단면도가 도시되어 있다. 이들 센서는 단결정 규소로 이루어진 각각 1개의 프레임(1)을 가지며, 상기 프레임(1) 내에는 다이어프램층(7)으로 이루어진 다이어프램(2)이 연장 설치된다. 또한 다시 각각 1개의 가열 부재(3)와 2개의 온도 센서(4)가 설치된다. 제 2 도에 도시한 실시예와 비교해서 제 5 도 내지 제 7 도의 센서는 열전도 부재의 구성만이 도시되어 있다.
제 5 도에는 열전도 부재(20)상에 다른 금속층(30)이 설치되어 있다. 상기 금속층(30)은 열전도 부재(20)를 통해 흐르는 열 유동의 일부를 수용한다. 제 6 도에는 열전도 부재(20)가 부동태층(9)에 의해 덮혀 있고, 상기 부동태층(9)의 위측에서, 열전도 부재(20)의 위에는 다른 금속층(30)이 설치된다. 제 7 도에는 다른 금속층(30)이, 다이어프램층(7)의 바로 아래측에서, 열전도 부재(20)의 아래에 배치된다.
다른 금속층(30)은 열전도 부재(20)를 통해 흐르는 열 유동의 일부를 수용할 수 있는 부재를 형성한다. 다른 금속층(30)이 열전도 부재(20)와 같은 정밀도로 형성할 수 있다면, 상기 다른 금속층(30)도 같은 정도로 특성 곡선을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 다른 금속층(30)은 일반적으로 별개의 제조 단계에서 제조되므로, 이와 같은 다른 금속층(30)의 위치 결정 정밀도는 일반으로 낮다. 이와 같은 다른 금속층의 제조 정밀도가 절단면(8)을 형성할 수 있는 정밀도보다 높은 경우에 있어서, 다른 금속층(30)에 의해 센서의 특성 곡선의 개선이 얻어진다. 일반적으로 제조 단계에 있어서, 여러 가지 이유로 인해, 예컨대, 프린트 기판(5), 본드 패드(6)를 위해서 또는 기타의 이유에 의해서 다른 금속층을 사용할 필요가 있는 경우에는 다른 금속층이 설치된다.
본 발명에 의하면 열전도 부재를 가열 부재에 대해서 특히 정확하게 위치 결정할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 그에 따라 가열 부재에서 다이어프램을 통한 재생 가능한 열 유동이 확실하게 얻어질 수 있으며, 또한, 센서의 좌우 대칭 구조가 얻어진다.
또한, 프레임에 개구를 설치함으로써, 열전도 부재가 프레임의 규소에 열적으로 직접 접속되어, 규소 프레임 내로의 열전도 부재의 열 유동이 개선된다.
제 1 도는 본 발명의 1 실시예에 의한 센서의 평면도.
제 2 도는 제 1 도에 도시한 센서의 횡단면도.
제 3 도는 다른 실시예에 의한 센서의 횡단면도.
제 4 도는 다른 실시예에 의한 센서의 평면도.
제 5 도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 센서의 횡단면도.
제 6 도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 센서의 횡단면도.
제 7 도는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 센서의 횡단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 프레임 2 : 다이어프램
3 : 가열 부재 4 : 온도 센서
5 : 프린트 기판 6 : 본드 패드
7 : 다이어프램층 8 : 절단면
9 : 부동태화층 20, 21, 22 : 열전도 부재
30 : 금속층

Claims (10)

  1. 단결정 규소로 이루어지는 프레임(1)과, 상기 프레임(1) 내에 연장 설치된 다이어프램(2)을 구비하며, 상기 다이어프램(2)상에 금속층으로 형성된 가열 부재(3)가 배치되는 질량 유량 센서에 있어서,
    상기 다이어프램(2)의 가장자리부에 동일한 금속층으로 조직 형성된 열전도 부재(20, 21, 22)가 배치되고, 상기 열전도 부재는 다이어프램(2)으로부터 단결정 규소로 이루어진 프레임(1)까지 연장되며,
    상기 가열 부재(3)와 열전도 부재(20, 21, 22)는 상기 다이어프램(2)의 동일 측면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 질량 유량 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다이어프램(2)은 다이어프램층(7)으로 형성되며, 상기 다이어프램층(7)은 프레임(1)의 상측으로도 연장되는 질량 유량 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다이어프램층(7)은 프레임(1) 영역 내에 개구를 가지며, 상기 개구를 통해 열전도 부재(21)가 프레임(1)의 규소에 직접 접촉하는 질량 유량 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층은 백금으로 이루어지는 질량 유량 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이어프램은 규소산화물 및/또는 규소질화물로 이루어지는 질량 유량 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도 부재(20, 21, 22)상에는 다른 금속층(30)이 설치되는 질량 유량 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도 부재(20, 21, 22)상에는 유전성 부동태화층(不動態化層)과, 그 위에 다른 금속층(30)이 설치되는 질량 유량 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도 부재(20, 21, 22)의 하측에는 다른 금속층(30)이 설치되는 질량 유량 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 부재(3)의 각각의 측부에서는 다이어프램에 온도 센서(4)가 설치되며, 상기 온도 센서(4)는 동일한 금속층으로 형성되는 질량 유량 센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임(1)과 상기 열전도 부재(20, 21, 22)는 다른 재료들로 구성되는 질량 유량 센서.
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