KR100820653B1 - 내식 금속제 유체용 센서 및 이것을 이용한 유체 공급 기기 - Google Patents

내식 금속제 유체용 센서 및 이것을 이용한 유체 공급 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 열식 질량 유량 센서의 내식성을 높임과 아울러, 압력변동에 대한 측정 정밀도의 안정화, 응답성의 향상, 파티클 프리, 제품 품질의 불균형의 방지 및 압력측정 등을 가능하게 한 내식 금속제 유체용 센서와, 이것을 이용한 유체 공급 기기를 제공하는 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 내식 금속제 유체용 센서는, 내식성 금속 기판(2)과, 그 내식성 금속 기판(2)의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 온도센서(3a)와 가열용 히터(3b)를 형성하는 박막으로 이루어지는 질량 유량 센서부(1)와, 내식성 금속 기판(2)의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 변형 센서 소자(4a)를 형성하는 박막으로 이루어지는 압력 센서부(4)를 구비하고, 유체의 질량 유량 및 압력을 계측하도록 구성되어 있다.

Description

내식 금속제 유체용 센서 및 이것을 이용한 유체 공급 기기{FLUID SENSOR OF ANTICORROSIVE METAL AND FLUID SUPPLY DEVICE USING SAME}
본 발명은, 반도체 제조장치의 가스공급라인 등에 있어서의 질량 유량 및/또는 압력의 검출에 주로 이용되는 것이며, 센서부의 가스 접촉면을 모두 스테인레스강(SUS316L) 등의 내식성을 갖는 금속재로 형성하고, 부식성이 강한 유체에 대해서도 우수한 내식성을 구비함과 아울러, 파티클 프리(particle free) 및 리크 프리(leak free)의 달성과 검출 정밀도의 더 한층의 향상을 가능하게 한 내식 금속제 유체용 센서와, 이것을 이용한 유체 공급 기기에 관한 것이다.
종전부터 화학분석장치 등의 기술분야에 있어서는, 유체의 질량 유량 측정용으로서, 캐피러리형 열식 질량 유량 센서나 마이크로머신 기술에 의해 제작된 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서가 많이 이용되고 있다.
그런데, 전자의 캐피러리형 열식 질량 유량 센서는, 그 구조로 봐서 센서의 가스 접촉면을 스테인레스강으로 형성하는 것이 가능하므로, 피측정 유체에 대한 내식성을 용이하게 높일 수 있다는 특징을 갖고 있다.
그러나, 이 캐피러리형 열식 질량 유량 센서는, 캐피러리 튜브를 가열하기 위하여, 가열 히터용 저항선을 둘러 감을 필요가 있다. 그 때문에, 개개의 제품 센 서간에 특성상의 불균형이 생기기 쉽다는 문제가 있다.
또한, 캐피러리 튜브나 히터용 저항선의 열용량이 비교적 크기 때문에, 질량 유량 센서의 응답 속도가 낮다는 문제도 있다.
한편, 최근 소위 마이크로머신 기술의 발전에 따라, 후자의 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서의 개발 및 이용이 확대되어 오고 있고, 화학 관계 분야뿐만 아니라, 자동차 등의 기계공업의 분야에 있어서도, 널리 이용되고 있다. 왜냐하면, 이 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서는, 일괄처리에 의해 제조가 가능하기 때문에 개개의 제품 센서간의 특성상의 불균형이 적을 뿐만 아니라, 소형화에 의해 열용량이 작게 되어 있어서, 센서로서의 응답 속도가 매우 높다라는 우수한 특징을 갖고 있기 때문이다.
그러나, 상기 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서에도 해결해야 할 많은 문제점이 남겨져 있고, 그 중에서도 특히 해결이 서둘러지는 문제는, 내식성의 점이다. 즉, 이 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서에서는, 가스 접촉면의 구성재로서 실리콘을 이용하고 있기 때문에, 할로겐계 등의 유체에 의해 용이하게 부식된다는 기본적인 난점이 존재한다.
또한, 이 질량 유량 센서에서는, 시일재로서 에폭시수지나 O링 등의 유기재가 이용되고 있기 때문에, 파티클의 방출이나 외부 누설의 발생이 피해지지 않고, 그 결과, 반도체 제조장치의 가스공급라인 등에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 이 질량 유량 센서에서는, 피측정 유체의 압력이 변동함으로써 질량 유량의 검출값이 변동하거나, 또는, 질량 유량 센서를 가스공급라인에 부착할 때의 기계적인 체결력(또는 가압력)에 의해 센서 자체가 변형되고, 이것에 의해 질량 유량의 검출값에 불균형이 생긴다는 문제가 있다.
그런데, 상기 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서가 갖는 문제점을 해결하기 위해서, 지금까지도 여러가지 기술이 개발되고 있다.
예컨대, 일본 특허공개 2001-141540호나 일본 특허공개 2001-141541호 등에서는, 도 20에 나타내는 바와 같이 실리콘 기판(A)으로 이루어지는 프레임(D)의 상면에 형성한 막(E)의 최외층에 방온층(E6)을 설치하고, 이것으로 의해 막(E)의 안정성을 높이도록 하고 있다. 또한, 도 20에 있어서, E1~E3은 막(E)을 형성하는 산화 규소층, E4는 질화 규소층, E5는 백금층, C는 리드접속용 부재이다.
상술한 바와 같이, 상기 도 20에 나타내는 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서에 있어서는, 프레임(D)의 하면측에 질화 규소층(E4)을 설치하거나, 또는, 질화 규소층으로 이루어지는 방온층(E6)을 설치함으로써, 막(E)의 내수성이나 방습성을 높이도록 하고 있다. 그러나, 프레임(D) 그 자체를 실리콘 기판(A)으로 형성하고 있기 때문에, 상기 부식 등의 문제에 대하여, 기본적인 해결을 하기에는 이르지 않았다.
특허문헌1: 일본 특허공개 2001-141540호 공보
특허문헌2: 일본 특허공개 2001-141541호 공보
본 발명은, 종전의 질량 유량 센서에 있어서의 상술과 같은 문제, 즉 (1) 캐피러리형 열식 질량 유량 센서에서는, 제품간의 특성상의 불균형이 생기기 쉬운데다가, 응답 속도가 느린 것, 또한, (2) 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서에서는, 내식성이 모자라는데다가 파티클의 발생이나 외부 누설의 발생이 피해지지 않는 것, 및 피측정 유체의 압력이나 센서의 설치기구의 변화에 의해 질량 유량의 검출값에 불균형이 발생하는 것 등의 문제를 해결하고자 하는 것이며, (a) 마이크로머신 기술을 이용하여 초소형이며 균일적인 품질의 제품을 제조할 수 있고, 또한, (b) 유체 압력의 변동에 의한 검출값의 불균형을 자동적으로 수정할 수 있음과 아울러, (c) 내식성이 우수하며, (d) 고응답속도나 파티클 프리, (e) 외부 리크 프리, (f) 질량 유량과 유체 압력 양쪽의 검출을 가능하게 한 내식 금속제 유체용 센서와, 이것을 이용한 유체 공급 기기를 제공하는 것을 발명의 주된 목적으로 하는 것이다.
본원 발명자 등은, 마이크로머신 기술을 활용하여 스테인레스강 등의 내식성 금속 기판 상에, 질량 유량 센서부에 필요한 2개의 측온저항이나 가열용 히터, 각 소자간을 연결하는 리드선 및 압력 센서부에 필요한 변형 센서 소자나 리드선 등을 박막체에 의해 형성함으로써, (a) 유체용 센서의 제품간의 품질의 불균형을 방지함과 아울러 내식성이나 응답성을 높이는 것, 또한 (b) 파티클 프리와 외부 리크 프리, (c) 유체 압력의 검출 및 유체 압력의 변동에 의한 질량 유량 센서 검출값의 변동의 자동수정을 도모하는 것, (d) 압력 센서부에 의해 유체 압력을 모니터할 수 있는 것을 착상하고, 그 착상에 기초하여 질량 유량 센서부와 압력 센서부를 구비한 유체용 센서를 시험 작동하여, 그 작동 시험이 거듭되어 왔다.
본 발명은, 상기 착상과 각종의 시험 결과를 기초로 하여 창작된 것이며, 청구항1의 발명은, 내식성 금속 기판(2)과, 그 내식성 금속 기판(2)의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 온도센서(3a)와 가열용 히터(3b)를 형성하는 박막으로 이루어지는 질량 유량 센서부(3)와, 내식성 금속 기판(2)의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 변형 센서 소자(4a)를 형성하는 박막으로 이루어지는 압력 센서부(4)를 구비하고, 유체의 질량 유량 및 압력을 계측하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항2의 발명은, 청구항1의 발명에 있어서, 내식성 금속 기판(2)을, 그 유체 접촉 표면을 외측에 노출시킨 상태에서 내식 금속제의 센서 베이스(10)의 설치홈(10a) 내에 삽입 장착하고, 내식 금속기판(2)의 외주 가장자리를 기밀하게 센서 베이스(10)에 용접하는 구성으로 한 것이다.
청구항3의 발명은, 청구항1 또는 청구항2의 발명에 있어서, 압력 센서부(4)의 출력에 의해 질량 유량 센서부(3)의 압력에 대한 출력 드리프트를 보정하도록 한 것이다.
청구항4의 발명은, 청구항1 내지 청구항3 중 어느 한 항에 기재된 박막(F)을, 내식성 금속 기판(2)의 유체 접촉 표면의 이면에 형성한 절연막(5)과, 그 상방에 형성한 온도센서(3a), 가열용 히터(3b) 및 변형 센서 소자(4a)를 형성하는 금속막(M)과, 절연막(5) 및 금속막(M)을 덮는 보호막(6)으로 구성하도록 한 것이다.
청구항5의 발명은, 청구항1 내지 청구항4 중 어느 하나에 기재된 내식 금속제 유체용 센서를 유체 제어 기기에 탑재하여, 유체 제어시에 유량 및/또는 압력의 확인을 행하도록 한 것이다.
청구항6의 발명은, 청구항2에 기재된 내식 금속제 유체용 센서(S)의 센서 베이스(10)를, 유체(G)를 유입시키는 유체 유입구(21a)와 유체를 유출시키는 유체 유출구(21c) 사이를 연통하는 유체 통로(21b)를 구비한 보디(21)의 상기 유체 통로(21b) 내에 금속 개스킷(27)을 끼워 설치하여 위치시키고, 상기 센서 베이스(10)를 통해서 금속 개스킷(27)을 가압함으로써 보디(21)와 센서 베이스(10) 사이의 기밀을 유지함과 아울러, 상기 기밀을 유지하기 위한 금속 개스킷(27)에 대하여 그 바로 위의 부재의 강성을 상대적으로 높게 함으로써, 상기 금속 개스킷(27)의 가압에 의한 질량 유량 센서부(3) 및 압력 센서부(4)의 변형을 억제하는 구성으로 한 것이다.
<발명의 효과>
본 발명에서는, 종전의 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서의 경우와 마찬가지로, 마이크로머신 기술을 활용하여 유체용 센서를 제조하기 때문에, 제품간의 품질상의 불균형을 매우 작게 할 수 있다. 또한, 센서 기판인 내식성 금속 기판(예컨대 SUS316L제 기판)을 박판으로 가공함과 아울러, 저항선 등을 박막화함으로써, 센서부의 열용량을 매우 작은 것으로 하고 있으므로, 센서로서의 응답 속도가 대폭적으로 빨라진다.
본 발명에서는, 가스 접촉면을 모두 내식성 금속으로 구성함과 아울러, 센서부와 센서 베이스의 조립을 용접으로 행하고, 또한 밸브 보디 등에의 설치를 메탈 캐스킷 시일에 의해 행하도록 하고 있기 때문에, 코로션 프리(corrosion free)나 파티클 프리, 외부 리크 프리의 달성이 가능하게 된다.
아울러서, 본 발명에서는, 질량 유량 센서부와 압력 센서부를 동시에 내식성 금속 기판 상에 형성하고, 압력 센서부의 검출값에 의해, 유체 압력의 변동에 의한 질량 유량의 변화량(드리프트량)을 조정하는 것이 가능하도록 되어 있기 때문에, 보다 고밀도의 질량 유량의 검출을 행할 수 있음과 아울러, 필요에 따라서 압력 검출값을 외부에 출력할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내식 금속제 열식 질량 유량 센서의 센서부의 평면 개요도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 내식 금속제 열식 질량 유량 센서의 작동 원리의 설명도이다.
도 4는 센서부의 제조공정의 설명도이며, (a)는 스테인레스강박판의 준비 공정, (b)는 절연막(5)의 형성 공정, (c)는 Cr/Pt/Cr막(금속막(M))의 형성 공정, (d)는 보호막(6)의 형성 공정, (e)는 전극삽입구멍의 형성 공정, (f)는 스테인레스강박판의 이면 에칭 공정, (g)는 센서부(1)의 분리 에칭 공정을 각각 나타내는 것이다.
도 5는 내식 금속제 유체용 센서의 일례를 나타내는 단면 개요도이다.
도 6은 본 발명에 따른 유체용 센서의 질량 유량검출을 위한 신호검출용 회 로의 블록 구성도이다.
도 7은 유체 압력과 유체 센서 출력/온도 센서의 브릿지회로 출력의 관계를 나타내는 선도이다.
도 8은 본 발명에 따른 센서부의 모든 특성을 나타내는 선도이며, (a)는 가열용 히터 온도와 측온저항의 저항치의 관계, (b)는 가열용 히터 전류와 측온저항의 저항치의 관계, (c)는 가스 유량과 센서 출력의 관계를 각각 나타내는 것이다.
도 9는 압력 센서부(4)를 이용하여 압력변동에 대한 보상을 행한 경우의 센서의 유량특성을 나타내는 선도이다.
도 10은 본 발명에 따른 유체용 센서의 유량 응답 특성의 일례를 나타내는 선도이다.
도 11은 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 유량특성의 측정에 이용한 측정회로의 플로우 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 공급 압력 변동에 대한 유량특성의 측정에 이용한 측정회로의 플로우 구성도이다.
도 13은 도 12의 측정회로에 의해 측정한 본 발명의 유체용 센서(S)의 공급 압력 변동시의 유량특성을 나타내는 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 유체용 센서의 조립도의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 유체용 센서의 조립도의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 유체용 센서의 조립도의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 유체용 센서의 다른 조립 예를 나타내는 평면도이다.
도 18은 도 17의 B-B선 단면도이다.
도 19는 도 17의 측면도이다.
도 20은 종전의 실리콘제 초소형 열식 질량 유량 센서의 개요를 나타내는 단면도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
S : 내식 금속제 유체용 센서 F : 박막
M1 : 질량 유량 센서부를 형성하는 금속막
M2 : 압력 센서부를 형성하는 금속막
W : 내식성 금속재료 G : 피측정가스
1 : 센서부 2 : 내식성 금속 기판
3 : 질량 유량 센서부 3a : 온도센서
3a1,3a2 : 측온저항 3b : 가열용 히터
4 : 압력 센서부 4a : 변형 센서 소자
5 : 절연막 6 : 보호막
6a : 질량 유량 센서부용 보호막 6b : 변형 센서부용 보호막
7 : 전극삽입구멍 9aㆍ9b : 레지스트
10 : 센서 베이스 10a : 설치홈
11 : 히터 구동회로 12a : 압력 오프셋 조정회로
12b : 질량 유량 오프셋 조정회로 13 : 오프셋 조정회로(미세 조정용)
14 : 게인 조정 회로 15a,15b : 차동증폭회로
16 : 질량 유량 출력단자 17 : 유체압력 출력단자
4a1ㆍ4a2 : 변형 센서 소자 18 : 신호처리회로
19 : 승산처리회로 20 : 조인트 커플링부
21 : 보디 22 : 센서 베이스 가압부
23 : 배선용 기판 가압부 24 : 배선용 기판
25ㆍ26 : 가이드핀 27 : 금속 개스킷
28 : 고무 시트 29 : 리드 핀
30 : 리드선(금선) 31 : 보디
32 : 압력 검출기 33 : 컨트롤 밸브
34 : 압전형 밸브 구동장치 35 : 오리피스
36 : 필터 37 : 중계 기판
38 : 베어링 39 : 설치 나사 구멍
40 : He 가스원 41 : 압력조정기
42 : 압력식 유량제어장치 43 : 다이어프램 진공펌프
44 : 유체용 센서(S)의 구동회로 45 : 오실로스코프
46 : 신호발신기 47 : 삼방 스위칭 밸브
48 : 질량 유량계 P1ㆍP2 : 압력계
49 : 압력식 유량제어장치의 2차측 관로(내용적이 15㏄ 또는 50㏄)
50 : 압력조정밸브 S0 : 유체용 센서(S)의 유량 출력
F0 : 압력식 유량제어장치의 유량 출력
M : 질량 유량계의 유량 출력 PT : 2차측 압력계의 출력
51 : 유체 유입구 52 : 유체 유출구
[내식 금속제 유체용 센서의 실시예1]
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 내식 금속제 유체용 센서의 요부인 센서부(1)의 평면 개요도이며, 도 2는 도 1의 A-A선을 따라 바라본 단면 개요도이다.
상기 센서부(1)는, 얇은 내식성 금속 기판(2)과, 기판(2)의 상면에 형성한 절연막(5)과, 절연막(5)의 상면에 형성한 질량 유량 센서부(3) 및 압력 센서부(4)와, 질량 유량 센서부(3) 및 압력 센서부(4) 등의 상면에 형성한 보호막(6) 등으로 형성되어 있다.
또한, 상기 질량 유량 센서부(3)는 온도센서(3a) 및 가열용 히터(3b) 등으로, 상기 압력 센서부(4)는 변형 센서 소자(4a) 등으로 각각 형성되어 있다.
또한, 절연막(5)과, 온도센서(3a)의 측온저항(3a1,3a2)이나 가열용 히터(3b), 도전용 리드부분(도시생략), 변형 센서 소자(4a) 등을 형성하는 금속막(M)과, 보호막(6)으로, 내식성 금속 기판(2)의 상면측(유체 접촉 표면의 이면측)에 박막(F)이 형성되어 있고, 상기 보호막(6)에는, 적절한 치수를 갖는 전극삽입구멍(7)이 에칭 가공에 의해 형성되어 있다.
그런데, 피측정가스(G)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 센서부(1)의 하면측(유체 접촉 표면측)을 내식성 금속 기판(2)을 따라, 도 2의 화살표방향으로 흐른다. 이 때 내식성 금속 기판(2)에는, 가스(G)가 갖는 열량의 일부가 주어지게 되고, 그 결과, 내식성 금속 기판(2)의 온도분포(Tt)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 가스(G)가 흐르고 있지 않을 때의 온도분포(To)로부터 온도분포(Tt)와 같이 변화된다.
상기와 같이, 가스(G)가 흐름으로써 생긴 내식성 금속 기판(2)의 온도분포의 변화는, 온도센서(3)를 형성하는 각 측온저항(3a1,3a2)의 저항치의 변화를 통해서 측온저항(3a1,3a2)의 양단의 전압값의 변화로서 나타나고, 이 전압값의 변화를 출력차로서 검출함으로써, 가스(G)의 질량 유량을 검출할 수 있다.
또한, 상술과 같은 열식 질량 유량 센서의 동작 원리는, 공지의 실리콘제 열식 질량 유량 센서의 경우로 동일하므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
마찬가지로, 피측정가스(G)의 압력은, 변형 센서 소자(4a)의 출력을 통해서 연속적으로 검출되어 있고, 가스(G)의 압력변동은 변형 센서 소자(4a)의 출력변동 으로서 검출된다.
또한, 후술하는 바와 같이, 질량 유량 센서부(3)의 출력은 피측정가스(G)의 압력에 대략 비례해서 변동하기 때문에, 상기 압력 센서부(4)의 검출 압력값을 이용하여, 질량 유량 센서부(3)에서 검출 질량 유량의 검출값의 보정이 행해진다.
상기 센서부(1)를 형성하는 내식성 금속재료(W)는, 두께에 의해 센서부(1)의 열용량이 변화되기 때문에, 질량 유량 센서부(3)의 응답 속도 및 센서 감도에 영향을 준다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시형태에 있어서는, 두께 150㎛ 이하의 스테인레스강박판(SUS316L)을 사용하고 있다. 150㎛ 이하로 함으로써 센서부(1)의 열용량이 작아지고, 응답 속도나 센서 감도를 상승시킬 수 있지만, 충분한 응답 속도나 센서 감도가 얻어지는 것이면 150㎛ 이상이여도 좋은 것은 물론이다.
상기 절연막(5)은, 후술하는 바와 같이 소위 CVD법에 의해 형성된 두께 1.2㎛~1.8㎛의 산화 피막으로서, 본 실시형태에 있어서는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 형성한 두께 1.5㎛의 SiO2막이 절연막(5)으로서 이용되고 있다.
상기 측온저항(3a1,3a2) 및 가열용 히터(3b)는, 상기 절연막(5) 상에 질량 유량 센서부용 마스크 패턴(도시생략)을 이용하여 형성된 금속막(M1)으로 형성되어 있고, 본 실시형태에서는 Cr/Pt/Cr(두께 10/10O/10㎛)을 증착법에 의해 순차 적층하여 이루어지는 금속막으로, 측온저항(3a1,3a2) 및 가열용 히터(3b) 등이 각각 형성되어 있다.
마찬가지로, 변형 센서 소자(4a)는, 상기 절연막(5) 상에 변형 센서부용 마스크 패턴(도시생략)을 이용하여 형성한 금속막(M1)으로 형성되어 있고, 본 실시형태에서는 Cr/Cr-Ni/Cr(두께 10㎛/100㎛/10㎛)을 증착법에 의해 순차 적층하여 이루어지는 금속막(M2)으로, 변형 센서 소자(4a) 등이 형성되어 있다.
상기 보호막(6)은, 측온저항(3a1,3a2)이나 가열용 히터(3b), 변형 센서 소자(4a) 등의 상방을 덮는 막체이며, 본 실시형태에서는 CVD법에 의해 형성한 두께 0.4~0.7㎛(질량 유량 센서부(3) 및 압력 센서부(4))의 SiO2피막이 이용되고 있다.
또한, 상기 보호막(6)에는, 플라즈마 에칭법에 의해 적절한 형상의 전극삽입구멍(7)이 형성되어 있고, 그 전극삽입구멍(7)을 통해서 전극봉 등의 인출이 행해지고 있다.
또한, 센서부(1)를 형성하는 내식성 금속 기판(2)의 이면측은, 두께 150㎛ 이하로 마무리되어 있다.
또한, 센서부(1)는, 최종적으로 소위 관통 에칭 가공에 의해 내식성 금속재료(W)로부터 분리되고, 이 분리된 센서부(1)가, 후술하는 바와 같이 별도로 형성한 내식 금속제의 유량 센서 베이스(10)에 용접 등에 의해 기밀상으로 고정됨으로써, 도 5에 나타내는 구조의 본 발명에 따른 내식 금속제 유체용 센서(S)가 구성된다. 또한, 10a는 센서 베이스(10)에 형성한 설치홈이다.
[센서부의 가공 공정]
다음에, 상기 센서부(1)를 형성하는 질량 유량 센서부(3)의 제작 가공 공정 을 설명한다.
도 4는, 본 발명에서 사용하는 센서부(1)를 형성하는 질량 유량 센서부(3) 및 압력 센서부(4)의 제조공정의 설명도이다.
우선, 내식성 금속재료(W)로서 적절한 형상치수, 예컨대 직경 70mmΦ~150mmΦ, 두께 150㎛ 이하의 스테인레스강박판(SUS316L)을 준비한다(도 4(a)). 또한, 내식성 금속재료(W)로서는, 스테인레스강박판 이외의 금속박판(예컨대 Cr-Ni합금으로 이루어지는 녹슬지 않는 강판)이어도 좋은 것은 물론이다.
다음에, 상기 준비한 스테인레스강박판의 외측 이면에, TEOS(Tetra-Ethoxy-Silane)를 이용하는 플라즈마 CVD장치(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition Device)에 의해 두께 약 1.5㎛의 SiO2막(절연막)(5)을 형성한다(도 4(b)).
그 후, 상기 SiO2막(5) 상에, 전자빔 가열형 증착 장치와 질량 유량 센서부 형성용 포토 마스크 패턴(도시생략)을 이용하여, Cr/Pt/Cr막(두께 10/10O/10㎛)으로 이루어지는 측온저항(3a1,3a2) 및 가열용 히터(3b) 등의 패턴을 금속막(M1)으로 형성하는 (도 4(c)).
또한, 상기 질량 유량 센서부(3)를 형성하는 금속막(M1)의 형성이 끝나면, 질량 유량 센서부 형성용 포토 마스크 패턴으로 바꾸어서 압력 센서부 형성용 포토 마스크 패턴(도시생략)을 이용하고, SiO2막(5) 상에 상기 전자빔 가열형 증착 장치에 의해 Cr/Cr-Ni합금/Cr막(두께 10/100/10㎛)으로 이루어지는 변형 센서 소자(4a) 등의 패턴을 금속막(M2)으로 형성한다(도 4(d)).
그 후, 상기 도 4(c) 및 도 4(d)의 공정에서 형성한 질량 유량 센서부(3)를 형성하는 측온저항(3a1,3a2) 및 가열용 히터(3b) 및 압력 센서부(4)를 형성하는 변형 센서 소자(4a) 등 위에, 상기 TEOS를 이용하는 플라즈마 CVD장치에 의해, 두께 약 0.5㎛의 SiO2막(보호막)(6)을 형성한다(도 4(e)).
계속해서, CF4가스를 이용하는 플라즈마 에칭장치에 의해, 전극삽입구멍의 형성용 포토 마스크 패턴(도시생략)을 이용하여, 상기 보호막(6)에 측온저항(3a1,3a2)이나 가열용 히터(3b)용의 구경 200㎛의 전극취출용 구멍(전극삽입구멍(7)) 및 변형 센서 소자(4a)용의 구경 약 100㎛의 전극취출용의 구멍(도시생략)을 형성한다(도 4(f)).
또한, SUS316L재나 Cr은 CF4가스에 의한 플라즈마에 대해서 높은 내성을 갖고 있기 때문에, SiO2막(6)의 에칭이 완료되면, 진행 중인 에칭은 자동적으로 정지한다. 그 결과, 소위 오버 에칭에 이르는 위험성은 전혀 없다.
마지막으로, 레지스트(9a,9b)를 도포한 후, 염화 제2철용액(FeCl3ㆍ40wt%)으로 에칭처리함으로써 원형으로 관통시켜, 센서부(1)를 재료(W)로부터 분리한다.
또한, 재료(W)로부터 분리된 원형의 센서부(1)는, 레지스트(9a,9b)를 제거한 후, 도 5에 나타내는 형상으로 형성된 센서 베이스(10)의 설치홈(10a) 내에 끼워 맞춰지고, 외주 가장자리부를 레이저 용접함으로써 센서 베이스(10)에 기밀상으로 용접 고정된다. 이것에 의해, 본 발명에 의한 내식 금속제 유체용 센서(S)가 구성되게 된다.
도 6은, 상기 도 5에 나타낸 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 질량 유량검출을 위한 신호검출용 회로의 블록 구성도이며, 상기 신호검출용 회로는, 질량 유량 센서부(3)와 압력 센서부(4)로 이루어지는 센서부(1), 히터 구동회로(11), 압력 오프셋 조정회로(12a), 질량 유량 오프셋 조정회로(12b), 오프셋 조정회로(미세 조정용)(13), 게인 조정 회로(14), 차동증폭회로(15a,15b), 질량 유량 출력단자(16), 유체압력 출력단자(17), 신호처리회로(18) 및 승산처리회로(19) 등으로 구성되어 있다. 또한, 도 6에 있어서, 3a1,3a2는 온도 센서 소자, 4a1,4a2는 변형 센서 소자이다.
도 6을 참조하여, 히터 구동회로(11)의 작동에 의해, 질량 유량 센서부(3)의 가열이 행해지고, 피측정가스(G)의 유통에 의해, 질량 유량 센서부(3)의 온도 센서 소자(3a)를 형성하는 상류측 측온저항(3a1) 및 하류측 측온저항(3a2)의 온도변화에 의해 저항치가 변화하면, 그 변화가 출력전압의 변화로서 차동증폭회로(15b)에 입력되고, 그 차동 증폭 출력이 질량 유량 오프셋 조정회로(12b), 오프셋 조정회로(13) 및 승산처리회로(19)를 통해서 질량 유량 출력단자(16)에 출력된다.
본 발명의 센서부(1)를 형성하는 내식성 금속 기판(2)은 박막화되어 있기 때문에, 가스(G)가 흐름으로써, 그 가스압에 의해 센서부(1)가 변형되고, 그 결과 온도센서(3a)의 측온저항(3a1,3a2)의 저항치가 변화되고, 이것에 의해 온도센서(3a)의 브리지 출력이 변동하게 된다.
도 7은, 본 발명의 유체용 센서(S)에 있어서, 압력 센서부(4)에 의한 조정(즉, 도 6에 있어서의 압력 오프셋 조정회로(12a)에 의한 이득 조정, 신호처리회로(18)로부터의 출력에 의한 오프셋 조정회로(13)에 의한 조정 및 게인 조정 회로(14)에 의한 이득 조정)을 하지 않을 경우의 유체 압력과, 센서(S)의 질량 유량 출력(출력단자(16)의 출력㎷)의 관계를 나타내는 것이며, 곡선(A,B,C)은 3개의 샘플에 관한 실측치(측온저항(3a,3a)에의 전류값 5㎃의 경우)를 나타내는 것이다.
또한, 가열용 히터(3b)를 작동시킨 경우와 가열용 히터(3b)를 작동시키지 않은 경우 중 어떠한 경우에 있어서도, 유체 압력의 변동에 의해 센서(S)의 출력이 변동하고, 또한, 동일한 히터 작동 전류이여도, 상류측 측온저항(3a1)과 하류측 측온저항(3a2)의 유체 압력(P)에 대한 저항치의 변화량이, 각각 다른 것이 실험에 의해 확인되고 있다.
전술한 바와 같이, 통상의 저항 브릿지회로를 이용한 경우에는, 센서부(1)의 출력이 변형의 발생에 의해 변화된다는 문제가 생기지만, 본 발명에서 이용하는 신호검출용 회로에서는, 압력 센서부(4)로부터의 출력에 의해, 그 변형 센서 소자(4a1,4a2), 압력 오프셋 조정회로(12a) 및 신호처리회로(18) 등을 통해서 상류측 측온저항(3a1) 및 하류측 측온저항(3a2)으로부터 출력되는 전압값의 증폭률 및 오프셋을 미조정하는 구성으로 하고 있기 때문에, 유체 압력(P)의 인가에 의해 생긴 각 측온저항(3a1,3a2)의 출력전압값의 변화가, 상기 각 증폭률 및 오프셋의 조정에 의해 소거되게 된다.
그 결과, 가스압력에 의한 센서부(1)의 출력변동을 완전히 억제할 수 있게 되어, 고밀도의 질량 유량의 검출이 가능하게 된다.
도 8은, 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 특성을 나타내는 것이며, 도 8의 (a)는 가열용 히터(3b)의 온도와 저항치의 관계, (b)는 가열용 히터(3b)의 전류값과 저항치의 관계, (c)는 가스 유량(SCCM)과 검출 출력값(V)의 관계를 각각 나타내는 것이다.
또한, 도 8의 모든 특성의 측정에 제공한 온도센서(3a)의 가열용 히터(3b)의 저항치는 약 2.4㏀, 측온저항(3a1,3a2)의 저항치는 2.0㏀(양자는 동일값)이며, 가열용 히터(3b)에 10㎃의 전류를 흘림과 아울러 측온저항(3a1,3a2)에는 1.2㎃의 전류를 흘렸다. 또한, 유체 압력은 100KPaG의 일정값으로 유지하고 있다.
또한, 가스 유량을 0~100SCCM의 범위에서 변화시켰을 때의 센서부(1)의 출력값의 변화는 약 1.0V이었다(단, 출력값은 OP앰프에 의해 500배로 증폭).
아울러, 센서부(1)의 출력값은, 후술하는 도 14에 나타낸 유체용 센서(S)의 유량 센서 베이스(10)와 유체 통로의 간극(유로 높이)에 의존하기 때문에, 상기 유로 높이를 조정함으로써, 유량측정가능범위를 적절하게 바꿀 수 있다.
도 9는, 본 발명에 있어서의 압력 센서부(4)를 작동시켜, 상기 도 6에 있어서의 압력 센서부(4)에 의한 조정을 행한 경우의 유체 유량과 센서 출력의 관계를 나타내는 것이다. 도 9에 있어서, 곡선(A1)은 유체 압력 100KPaG에서 압력 센서부(4)를 작동시키지 않을 경우(즉, 상기 도 8의 곡선(C))를, 곡선(A2)은 유체 압력을 150KPaG로 상승시킨 경우를(압력 센서부(4)는 불작동, 다른 시험 조건은 곡선(A1)의 경우와 동일), 곡선(A3)은 유체 압력 150KPaG에서 압력 센서부(4)를 작동시킨 경우(다른 시험 조건은 곡선(A1)의 경우와 동일)를 각각 나타내는 것이며, 본 발명의 유체용 센서(S)에 있어서는, 100KPaG에서 150KPaG로 유체 압력이 변동하더라도, 압력 센서부(4)를 작동시킴으로써, 유량-출력 특성의 변동을 거의 완전히 방지할 수 있는 것이 확인되어 있다.
도 10은, 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 유량 응답 특성의 일례를 나타내는 것이며, 가스 유량을 0~100SCCM으로 설정한 경우의 특성을 나타내는 것이다.
또한, 도 10에 있어서, 곡선(SA)은 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 유량 응답 특성이며, 가로축의 1눈금은 250msec이다. 또한, 곡선(SF)은, 종전의 압력식 유량제어장치에 있어서의 질량 유량 센서의 동일 조건 하에서의 유량 응답 특성을 나타내는 것이다.
도 11은, 상기 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 가스 유량(SCCM)과 검출 출력값(V)의 관계(도 9)의 측정에 이용한 측정회로의 플로우 구성도이며, He가스원(40)으로부터 압력조정기(41)를 통해서 압력식 유량제어장치(42)에 He가스를 공급하고, 다이어프램 진공펌프(43)에 의해 배기하면서 그 배기 유량을 압력식 유량제어장치(42)에 의해 측정한다.
또한, 피측정 센서인 본 발명의 유체용 센서(S)는, 압력식 유량제어장치(42)의 1차측 유로에 끼워져 삽입되어 있다.
또한, 도 11에 있어서, 44는 유체용 센서(S)(유량 센서)의 구동회로, 45는 오실로스코프, 46은 신호발신기이며, 유체용 센서(S)의 유량 출력(S0)은 오실로스코프(45)에 입력되고, 압력식 유량제어장치(42)에 의한 유량측정값(F0)과 대비된다.
도 12는, 상기 본 발명에 따른 유체용 센서(S)의 공급 압력이 변동된 경우의 가스 유량의 측정회로의 플로우 구성도이다.
도 12에 있어서, 47은 삼방 스위칭 밸브, 48은 질량 유량계, 49는 2차측 관로(내용적 15㏄ 또는 50㏄), 50은 압력조정밸브(He 유량 20SCCM에서 P2가 100Torr로 되도록 개방도를 조정), P1ㆍP2는 압력계이다.
측정에 있어서는, 삼방 스위칭 밸브(47)를 개폐함으로써 질량 유량계(48), 유체용 센서(S)(본 발명품ㆍ피측정 센서) 및 압력식 유량제어장치(42)에 공급하는 He가스의 압력을 변동시킨다.
또한, 압력식 유량제어장치(42)의 2차측 관로(49)는, 그 내용적이 15㏄(또는 50㏄)로 선정되어 있고, 진공펌프(43)를 전체 부하운전 중에 있어서 He가스 유량이 20SCCM일 때에, 압력(P2)이 100Torr로 되도록 압력조정밸브(50)에 의해 2차측 압력(P2)이 조정되어 있다.
또한, 오실로스코프(45)에는 유체용 센서(S)의 검출 유량(S0)과 질량 유량 계(48)의 검출 유량(M0), 압력식 유량제어장치(42)의 검출 유량(F0) 및 압력측정값(P1ㆍP2)이 각각 입력되어 있고, 각각 기록되어 있다.
도 13은, 상기 도 12의 측정회로에 의해 측정한 결과를 나타내는 것이며, 공급 압력을 200KPaㆍabs에서 150KPaㆍabs로 변화시켰을 때의 각 검출값(F0,P2,S0,M0)의 변화의 상태를 나타낸다. 본 발명의 유체용 센서(S)의 유량검출값(S0)과 질량 유량계(48)의 유량검출값(M0)을 대비한 경우, 공급 압력의 변동에 대하여 양자의 유량검출값(S0,M0)(유량 신호)은 각각 추종하고 있는 것으로 판명되었다.
[유체 공급 기기의 실시예1]
도 14는, 본 발명의 유체용 센서(S)를 설치한 유체 공급 기기의 일례를 나타내는 것이며, 유체용 센서(S)를 가스 유로에 설치한 조인트 커플링부(20)에 장착한 상태를 나타내는 것이다. 도 14에 있어서, 21은 조인트 커플링부(20)의 보디, 22는 센서 베이스 가압부, 23은 배선용 기판 가압부, 24는 배치용 기판, 25는 가이드핀, 26은 가이드핀, 27은 금속 개스킷, 28은 고무 시트, 29는 리드 핀, 30은 리드선(금선)이다.
또한, 상기 가이드핀(25ㆍ26)은, 보디(22) 내에 질량 유량 센서(S)를 부착할 때의 위치 결정을 하기 위한 것이고, 센서 베이스(10)와 보디(21) 사이는 금속 개스킷(27)에 의해 기밀이 유지되어 있다.
또한, 유체 유입구(21a)로부터 유입된 유체 가스(G)는, 유체 통로(21b) 내를 유통하는 사이에 센서부(1)에 의해 그 질량 유량이 검출되고, 유체 유출구(21c)로부터 외부로 유출되어 간다.
본 발명에서는, 피측정가스(G)가 SUS316L제의 기판(2)에 접촉하면서 유통하기 때문에, 종전의 실리콘제 기판의 경우와 같이 가스(G)에 의해 기판(2)이 부식되는 일은 전혀 없다.
[실시예2]
도 15는, 본 발명의 유체용 센서(S)를 압력식 유량제어장치의 본체부에 장착한 경우를 나타내는 것이며, 도 15에 있어서, S는 유체용 센서, 31은 보디, 32는 압력 검출기, 33은 컨트롤 밸브, 34는 압전형 밸브 구동장치, 35는 오리피스, 36은 필터이다.
[실시예3]
도 16은, 본 발명의 유체용 센서(S)의 장착 위치를 변경한 것이며, 실질적으로는 도 15의 경우와 대략 동일하다.
또한, 압력식 유량제어장치나 그 본체부의 구성은, 예컨대 일본 특허 제3291161호, 일본 특허공개 평11-345027호 등에 의해 이미 알려져 있으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다. 또한, 유체용 센서(S)의 설치방법은, 도 14의 경우와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
[실시예4]
도 17 내지 도 19는, 본 발명의 유체용 센서(S)를 유체 제어기를 구성하는 부재에 엇걸어 한 다른 예를 게시하는 것이며, 도 17은 평면도, 도 18은 단면도, 도 19는 측면도이다.
또한, 도 17 내지 도 19에 있어서, 37은 중계 기판, 38은 베어링, 39는 센서(S)의 설치 나사 구멍, 51은 유체 유입구, 52는 유체 유출구이다. 또한, 유체용 센서(S)의 설치방법은, 도 14나 도 16의 경우와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
본 발명은, 반도체 제조장치나 각종 화학품 제조장치 등의 가스공급라인에 있어서의 유체의 질량 유량 및/또는 압력의 검출에 주로 이용되는 것이지만, 각종의 산업분야에 있어서의 가스공급라인의 가스의 질량 유량이나 압력의 검출에 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 내식성 금속 기판과, 그 내식성 금속 기판의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 온도센서와 가열용 히터를 형성하는 박막으로 이루어지는 질량 유량 센서부와, 내식성 금속 기판의 유체 접촉 표면의 이면측에 설치한 변형 센서 소자를 형성하는 박막으로 이루어지는 압력 센서부를 구비하고, 유체의 질량 유량 및 압력을 계측하도록 구성한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서.
  2. 제1항에 있어서, 내식성 금속 기판을, 그 유체 접촉 표면을 외측으로 노출시킨 상태에서 내식 금속제의 센서 베이스의 설치홈에 삽입 장착하고, 내식 금속기판의 외주 가장자리를 기밀하게 센서 베이스에 용접하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압력 센서부의 출력에 의해 질량 유량 센서부의 압력에 대한 출력 드리프트를 보정하도록 한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 박막을, 내식성 금속 기판의 유체 접촉 표면의 이면에 형성한 절연막과, 그 상방에 형성한 온도센서, 가열용 히터 및 변형 센서 소자를 형성하는 금속막과, 절연막 및 금속막을 덮는 보호막으로 구성하도록 한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 기재된 내식 금속제 유체용 센서를 유체 제어 기기에 탑재하여, 유체 제어시에 유량 및/또는 압력의 확인을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서를 이용한 유체 공급 기기.
  6. 제2항에 기재된 내식 금속제 유체용 센서의 센서 베이스를, 유체를 유입시키는 유체 유입구와 유체를 유출시키는 유체 유출구 사이를 연통하는 유체 통로를 구비한 보디의 상기 유체 통로 내에 금속 개스킷을 끼워 설치하여 위치시키고, 상기 센서 베이스를 통해서 금속 개스킷을 가압함으로써 보디와 센서 베이스 사이의 기밀을 유지함과 아울러, 상기 기밀을 유지하기 위한 금속 개스킷에 대하여 그 바로 위의 부재의 강성을 상대적으로 높게 함으로써, 상기 금속 개스킷의 가압에 의한 질량 유량 센서부 및 압력 센서부의 변형을 억제하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 내식 금속제 유체용 센서를 이용한 유체 공급 기기.
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