KR102052463B1 - 유량 센서, 그것을 사용한 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치 및 유량 센서의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

유량 센서(1)의 피복층(4) 중 센서 와이어(3)의 표면에 접하여 형성된 제2 피복층(42)은 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 가지고, 또한 센서 튜브(2)의 표면에 접하여 형성된 제1 피복층(41)의 막 두께가 10㎛ 이상이다. 인접하는 제2 피복층(42)의 간격 d는 10㎛ 이하가 바람직하다. 이에 의해, 응결성 가스의 응결을 방지하기 위하여 높은 온도에서 사용한 경우에도 종래 기술에 관한 유량 센서보다도 오랜 시간 계속하여 사용할 수 있는 유량 센서를 제공한다. 또한, 질량 센서의 형성 후, 불활성 가스 분위기 중 소정의 조건 하에서의 어닐 처리에 의해 고온에서의 사용에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항의 저하를 저감시킨다. 당해 센서 와이어의 표면에 형성되는 제2 피복층의 막 두께를 5㎛ 이하로 함으로써, 상기 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 방지할 수 있다.

Description

유량 센서, 그것을 사용한 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치 및 유량 센서의 제조 방법{FLOW SENSOR, MASS FLOW METER AND MASS FLOW CONTROL DEVICE USING SAME, AND PRODUCTION METHOD FOR FLOW SENSOR}

본 발명은 유량 센서, 그것을 사용한 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치에 관한 발명이며, 특히 고온의 유체에 사용할 수 있는 유량 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 유량 센서의 제조 방법에 관한 발명이며, 특히 고온에 있어서의 사용에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 저하를 억제하기 때문에 어닐 처리를 행할 때에 센서 와이어의 피복층이 소실되어 센서 와이어의 전기 절연 및/또는 열전도가 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 유량 센서의 제조 방법에 관한 것이다.

질량 유량계(매스 플로우 미터)는, 반도체의 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 공급되는 프로세스 가스의 질량 유량을 모니터링할 목적으로 널리 사용되고 있다. 질량 유량계는 단독으로 사용되는 것 이외에, 유량 제어 밸브 및 제어 회로 등의 다른 부재와 조합하여 질량 유량 제어 장치(매스 플로우 컨트롤러)를 구성하는 부품으로서도 사용된다. 질량 유량계에는 다양한 형식의 것이 있지만, 그 중에서도 열식 질량 유량계는, 비교적 간단한 구조로 프로세스 가스의 질량 유량을 정확하게 측정할 수 있는 점에서, 널리 보급되어 있다.

열식 질량 유량계는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 프로세스 가스가 흐르는 유로와, 유로의 중간에 설치된 바이패스와, 바이패스의 상류측에서 유로로부터 분기되고 바이패스의 하류측에서 유로와 다시 합류하는 센서 튜브와, 센서 튜브에 감긴 한 쌍의 센서 와이어와, 센서 와이어 및 다른 저항 소자에 의해 구성된 브리지 회로를 포함하는 센서 회로로 구성되어 있다. 바이패스는 프로세스 가스에 대하여 유체 저항을 가지므로, 유로를 유동하는 프로세스 가스 중 일정한 비율의 프로세스 가스가 센서 튜브로 분기된다. 따라서, 센서 튜브에 흐르는 프로세스 가스의 질량 유량을 측정함으로써, 유로에 흐르는 프로세스 가스의 질량 유량을 구할 수 있다.

센서 와이어에 소정의 전류를 흐르게 하면, 센서 튜브를 흐르는 프로세스 가스에 열이 부여된다. 이 열은 프로세스 가스의 유동에 수반하여 상류측으로부터 하류측으로 이동한다. 열의 이동에 의해 센서 와이어의 온도 분포가 센서 튜브의 길이 방향에 대하여 비대칭이 되어, 상류측과 하류측의 센서 와이어의 전기 저항의 온도차에 의해 브리지 회로의 단말기 사이에 전위차가 발생한다. 이 전위차를 센서 회로에서 검출함으로써, 센서 튜브를 흐르는 프로세스 가스의 질량 유량을 측정할 수 있다. 본 명세서에서는, 질량 유량계 중 센서 튜브와 센서 와이어가 포함되는 부분을 「유량 센서」라고 한다.

도 4는 종래 기술에 관한 유량 센서(1)의 단면의 구조를 도시하는 모식도이다. 센서 튜브(2)에 센서 와이어(3)가 코일 형상으로 감겨, 센서 튜브(2) 및 센서 와이어(3)의 주위에 피복층(4)이 형성되어 있다. 피복층(4)은, 그 위치와 기능에 따라 4개의 부분으로 나눌 수 있다. 제1 피복층(41)은 센서 튜브(2)의 표면에 접하여 형성되어, 센서 튜브(2)와 센서 와이어(3) 사이의 도통을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 제2 피복층(42)은 센서 와이어(3)의 표면에 접하여 형성되어, 센서 와이어(3)끼리의 도통을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 제3 피복층(43)은 제1 피복층(41)과 제2 피복층(42)으로 둘러싸인 공간에 형성되어, 센서 와이어(3)를 센서 튜브(2)에 고정하는 기능을 갖고 있다. 제4 피복층(44)은 센서 튜브(2)에 감긴 센서 와이어(3) 전체를 덮도록 형성되어, 센서 와이어(3)를 서로 고정하는 기능을 갖고 있다. 본 명세서에서는, 제1 피복층부터 제4 피복층까지를 총칭하여 「피복층」이라고 한다.

피복층을 구성하는 재료에는 전기 절연체로서의 기능, 접착제로서의 기능 및 열의 전도체로서의 기능이 요구된다. 또한, 센서 튜브 및 센서 와이어의 표면에 얇게 형성할 수 있고, 피복층을 형성한 후의 센서 와이어를 센서 튜브에 감아도 균열이 발생하거나 하지 않도록 가요성을 갖는 것이 바람직하다. 이들 관점에서, 종래 기술에 관한 유량 센서의 피복층에는, 폴리아미드이미드 또는 폴리이미드가 적절하게 사용된다. 그 중에서도, 폴리이미드는 유기 재료 중에서 가장 내열성이 우수한 것 중 하나이기 때문에, 더 바람직하다.

폴리이미드는, 그 자체 내열성이 우수한 재료이지만, 폴리이미드로 이루어지는 피복층을 피복한 도선의 내열성을 더 높이는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 2에는, 폴리이미드 중에 실리카가 미분산되어 있는 구조의 피복층을 갖는 실리카 미분산 폴리이미드 에나멜선의 발명이 개시되어 있다. 본 발명에 의하면, 폴리이미드만으로 이루어지는 피복층에 비하여 더욱 내열성이 향상되고, 가요성, 권선성, 도체에의 밀착성이 우수한 절연 피복층을 실현할 수 있다.

그런데, 반도체의 기술 분야에서는, 예를 들어 최신의 퍼스널 컴퓨터에 사용되는 마이크로프로세서의 경우, 배선 회로의 폭이 20㎚ 정도까지 미세화되거나, 1개의 마이크로칩에 복수의 코어가 실장되거나 하는 등, 미세화, 고집적화가 극한까지 진행되고 있다. 이러한 치밀하고 복잡한 구조를 갖는 반도체의 성막 프로세스나 가공 프로세스를 고정밀도로 행하기 위하여, 종래는 사용되지 않았던 다양한 종류의 프로세스 가스가 사용되어지고 있다.

예를 들어, 어느 한 종류의 액체 재료의 기화 가스나 고체 재료의 승화 가스는, 증기압이 매우 낮기 때문에 상온의 배관 내에서 응결되어 버릴 우려가 있다(이후, 이러한 가스를 「응결성 가스」라고 호칭하는 경우가 있음). 응결성 가스의 질량 유량을 측정하는 경우, 챔버에 이르는 모든 배관계를 임계 온도 이상의 고온(예를 들어 300℃ 이상)으로 가열 유지함으로써, 응결성 가스를 응결시키지 않고 반도체 제조 장치에 도입하여, 반도체의 제조 프로세스에 사용하는 것이 시도되고 있다.

일본 특허 공개 제2009-192220호 공보 일본 특허 공개(평) 10-289622호 공보

Clarebrough, L.M., Hargreaves, M.E. and West, G.W.," The release of energy during annealing of deformed metals", Proceedings of the Royal Society, 1955, A232, p.252-270.

종래 기술에 관한 유량 센서를 사용하여 응결성 가스의 질량 유량을 측정하고자 하는 경우, 이하와 같은 과제가 발생한다.

첫번째, 센서 튜브의 내부에서 응결성 가스가 응결될 우려가 있다. 유량 센서를 구성하는 센서 튜브는 가늘고 긴 관이기 때문에, 응결성 가스의 유량을 그다지 크게 할 수는 없다. 유량 센서의 열 용량에 비하여 응결성 가스가 갖는 열량이 충분히 크지 않으므로, 응결성 가스가 센서 튜브의 내부를 통과하는 동안에 응결성 가스의 온도가 임계 온도 이하로 저하되어, 응결되기 쉬워진다. 센서 튜브의 내부에서 응결성 가스의 응결이 일어나, 액체 또는 고체가 되어 내벽에 부착되면, 센서 튜브의 단면적이 저하되고, 유로로부터 센서 튜브로 분기되는 응결성 가스의 비율이 저하되므로, 유로를 흐르는 응결성 가스의 질량 유량을 정확하게 측정할 수 없게 된다.

두번째, 피복층이 폴리이미드로 구성되어 있는 경우, 유량 센서를 계속하여 가열하면 전기 절연을 유지할 수 없게 된다. 제1 과제를 해소할 목적으로 유량 센서를 약 300℃ 정도로 가열했다고 하자. 피복층을 구성하는 폴리이미드는, 대기 중에서 300℃ 이상으로 장시간 가열되면 대기 중의 산소와 화학 반응하여, 가스가 되어 서서히 소실된다. 인접하는 센서 와이어의 사이를 격리하고 있는 제2 피복층이 소실되면, 인접하는 센서 와이어의 사이에서 전기적 접촉이 일어날 우려가 있다. 또한, 센서 튜브와 센서 와이어 사이를 격리하고 있는 제1 피복층도 소실되면, 센서 튜브와 센서 와이어 사이에서도 전기적 접촉이 일어날 우려가 있다. 이들 전기적 접촉이 일어나면 센서 와이어의 전기 저항값이 저하되므로, 센서 와이어에의 통전에 의한 프로세스 가스의 가열이 곤란해지거나, 유량 센서의 감도가 저하되거나 한다.

세번째, 피복층이 폴리이미드로 구성되어 있는 경우, 유량 센서를 계속하여 가열하면 센서 튜브와 센서 와이어의 열전도가 나빠진다. 상기한 바와 같이, 피복층을 구성하는 폴리이미드의 소실이 진행되면, 센서 튜브와 인접하는 센서 와이어로 둘러싸인 간극에 충전된 제3 피복층이 소실되거나, 센서 튜브와 센서 와이어 사이를 격리하고 있는 제1 피복층의 막 두께가 얇아지거나 한다. 그렇게 하면, 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 전기적 접촉까지는 일어나지 않더라도, 센서 튜브와 센서 와이어 사이에 간극이 생겨 열의 이동이 방해되므로, 센서 와이어에의 통전에 의한 프로세스 가스의 가열이 곤란해지거나, 유량 센서의 감도가 저하되거나 한다.

본 발명은 상기한 여러 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 응결성 가스의 응결을 방지하기 위하여 높은 온도에서 사용한 경우에도, 종래 기술에 관한 유량 센서보다도 오랜 시간 계속하여 사용할 수 있는 유량 센서의 제공을 하나의 목적으로 하고 있다.

그런데, 상기 제2 및 제3 과제는, 응결성 가스의 질량 유량을 측정하고자 하는 경우 이외에도 발생할 수 있다. 구체적으로는, 센서 와이어는, 금속 재료를 열간 및/또는 냉간에서 드로잉 다이 등을 사용하여 가공함으로써 제조된다. 이때, 드로잉 과정에 있어서의 소성 변형에 수반하여, 센서 와이어를 구성하는 금속 재료의 결정 격자에 다수의 전위(dislocation)가 도입된다. 또한, 센서 튜브의 주위에 센서 와이어를 감을 때에도 소성 변형이 일어나, 결정 격자에 있어서의 전위가 증대된다(전위 밀도가 높아진다).

상기한 바와 같이 결정 격자에 다수의 전위가 도입된 상태에서는, 결정 격자의 주기성이 손상되므로, 센서 와이어의 전기 저항값은 재료 본래의 전기 저항값보다도 크게 되어 있다. 그러나, 금속 재료의 결정 격자 중에 도입된 전위는, 당해 금속 재료를 소정의 온도 이상으로 가열하면 소실되어, 금속 재료의 전기 저항값이 재료 본래의 전기 저항값에 접근하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 비특허문헌 1을 참조). 따라서, 상술한 바와 같이 응결성 가스의 응결을 방지하기 위하여 높은 온도에 있어서 유량 센서를 사용하면, 유량 센서의 사용 시간의 경과와 함께, 센서 와이어의 소성 가공 시 및/또는 센서 튜브에의 센서 와이어의 감기 시에 도입된 전위가 서서히 소실되어, 센서 와이어의 전기 저항값도 서서히 저하되어 가는 경우가 있다.

상기한 바와 같이 결정 격자 중의 전위의 소실에 수반하여 센서 와이어의 전기 저항값이 저하되면, 실제로는 가스의 유량에 변화가 없어도 유량 센서의 출력이 변화한다. 이 문제는 「스판 변화」라고 호칭된다. 또한, 상류측의 센서 와이어 및 하류측의 센서 와이어의 전기 저항값의 저하율이 동등하지 않은 경우, 상류측의 센서 와이어와 하류측의 센서 와이어의 전기 저항값의 차가 시간의 경과와 함께 커진다. 그 결과, 실제로는 가스가 흐르지 않아도, 유량 센서의 출력이 제로가 되지 않는다. 이 문제는 「제로 시프트」라고 호칭된다. 유량계 또는 질량 유량 장치의 유량 센서에 있어서, 이러한 스판 변화 및/또는 제로 시프트가 일어나면, 유량 센서의 출력이 변화되거나 제로점이 어긋나거나 하여, 가스의 유량을 정확하게 측정하는 것이 곤란해진다.

상기와 같은 센서 와이어의 소성 가공에 기인하는 스판 변화나 제로 시프트를 억제하기 위해서는, 센서 와이어를 어떠한 수단으로 가열 승온하여 소위 「어닐(소둔) 처리」를 행하여, 소성 가공 시에 도입된 전위를 미리 소실시키는 것이 효과적이다. 어닐 처리는, 전위를 소실시키려고 하는 재료에 있어서 회복(recovery)이 일어나는 온도(회복 온도)부터 재결정(recrystallization)이 일어나는 온도까지의 범위의 온도에 있어서 실시할 수 있다. 구체적으로는, 어닐 처리는, 예를 들어 300℃ 이상의 고온에 있어서 행하여진다.

따라서, 상술한 피복층이 형성된 후에 어닐 처리를 대기 중에서 행하면, 응결성 가스의 질량 유량을 고온에 있어서 측정하고자 하는 경우와 마찬가지로, 피복층의 소실 등이 일어나, 피복층에 의한 전기 절연을 유지할 수 없게 되거나, 센서 튜브와 센서 와이어의 열전도가 나빠지거나 할 우려가 있다. 그렇게 하면, 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 전기적 접촉까지는 일어나지 않더라도, 센서 와이어에의 통전에 의한 프로세스 가스의 가열이 곤란해지거나, 유량 센서의 감도가 저하되거나 한다.

본 발명은 상기 과제에 대해서도 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명은, 고온에 있어서의 사용에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 저하를 억제하기 위해 어닐 처리를 행할 때에 센서 와이어의 피복층이 소실되어 센서 와이어의 전기 절연 및/또는 열전도가 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 유량 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 하고 있다.

본 발명자들은, 유량 센서에 있어서, 폴리이미드를 포함하는 피복층의 내열성을 향상시켜, 피복층이 소실되는 속도를 가능한 한 늦추는 것이 상기 하나의 목적의 달성에 유효하다고 생각했다. 피복층의 내열성을 향상시키기 위해서는 폴리이미드 등의 유기 재료 대신에 무기 재료를 채용하는 것이 효과적이지만, 무기 재료에 의한 피복층은 가요성이 부족하여, 유량 센서에 채용하면 조립 공정을 대폭 변경해야만 했다. 따라서, 발명자들은, 먼저, 유량 센서를 구성하는 피복층 중 제2 피복층(센서 와이어의 표면에 형성되어, 센서 와이어끼리의 도통을 방지하는 피복층)에 대하여 특허문헌 2에 개시된 실리카 미분산 폴리이미드를 채용한 바, 조립 시의 가요성에 문제는 없고, 또한, 300℃ 이상의 고온에 방치했을 때의 센서 와이어의 절연 저항의 저하가 종래품에 비하여 느리게 진행되는 것을 알아내었다.

그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 상기한 구성의 센서 와이어를 사용하여 유량 센서를 조립한 경우에도, 300℃ 이상으로 가열했을 때의 제1 피복층(센서 튜브의 표면에 형성되어, 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 도통을 방지하는 피복층)이 소실되는 속도를 충분히 늦출 수 없어, 과제의 해결이 곤란한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명자들은, 제1 피복층의 두께를 종래의 것보다도 두껍게 하여 제1 피복층의 소실에 필요로 하는 시간을 길게 한 바, 유량 센서로서의 감도를 크게 손상시키지 않고 종래품에 비하여 내용 시간을 길게 할 수 있음을 알아내었다.

또한, 제1 피복층의 두께를 종래의 것보다도 두껍게 하면, 유기 재료만(실리카를 포함하지 않는 폴리이미드)을 포함하는 제2 피복층을 채용해도, 유량 센서로서의 감도를 크게 손상시키지 않고 종래품에 비하여 내용 시간을 길게 할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은, 1개의 센서 튜브와, 센서 튜브에 감긴 한 쌍의 센서 와이어와, 센서 튜브 및 센서 와이어의 주위에 형성된 피복층을 갖고, 피복층은, 센서 튜브의 표면에 접하여 형성된 제1 피복층과, 센서 와이어의 표면에 접하여 형성된 제2 피복층과, 제1 피복층과 제2 피복층으로 둘러싸인 공간에 형성된 제3 피복층과, 센서 튜브에 감긴 센서 와이어 전체를 덮도록 형성된 제4 피복층을 포함하고, 피복층은 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로부터 선택되는 1 또는 2의 유기 재료를 포함하면서, 또한 제1 피복층의 막 두께가 10㎛ 이상인 유량 센서의 발명이다.

또한, 본 발명은 상기한 유량 센서를 갖는 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치의 발명이다.

본 발명에 관한 유량 센서의 피복층 중 제1 피복층은 막 두께가 10㎛ 이상이다. 이로 인해, 대기 중에서 300℃ 이상으로 가열해도 전부 소실될 때까지 오랜 시간을 필요로 한다.

본 발명에 관한 유량 센서의 피복층 중 제2 피복층은, 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는 것이어도 된다. 이 제2 피복층은 유기 재료만을 포함하는 피복층과 동등한 가요성을 갖고 있으므로, 센서 와이어의 표면에 형성된 경우에도, 센서 와이어를 센서 튜브에 감을 때에 균열이 발생하거나 할 일은 없다. 또한, 화학적으로 안정된 무기 재료를 많이 포함하고 있으므로, 대기 중에서 300℃ 이상으로 장시간 가열해도 유기 재료만을 포함하는 피복층과 비교하여 소실되는 속도가 느려진다.

한편, 본 발명은, 상술한 바와 같이, 고온에 있어서의 사용에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 저하를 억제하기 위해 어닐 처리를 행할 때에 센서 와이어의 피복층이 소실되어 센서 와이어의 전기 절연 및/또는 열전도가 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 유량 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 하고 있다.

일반적인 어닐 처리에 있어서는, 센서 와이어가 300℃ 이상의 온도에 있어서 10시간 이상 유지된다. 본 발명에 관한 유량 센서의 제조 방법에 있어서도, 센서 와이어의 표면에 피복층이 형성되면서 또한 센서 와이어가 센서 튜브에 감긴 후에, 센서 와이어를 300℃ 이상의 온도에 있어서 10시간 이상 유지하는 어닐 처리를 행하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 예를 들어 응결성 가스의 질량 유량을 측정하는 경우 등, 고온에 있어서 질량 유량 측정을 행하는 경우가 있다. 이러한 경우에 있어서도 센서 와이어의 전기 저항값이 경시적으로 저하되는 것을 저감시키기 위해서는, 더 높은 온도에서의 어닐 처리가 바람직하다. 따라서, 어닐 처리의 온도는, 350℃ 이상이 바람직하고, 400℃ 이상이 보다 바람직하다. 어닐 처리의 기간은, 40시간 이상이 바람직하고, 96시간 이상이 보다 바람직하다.

어닐 처리는 대기 분위기 중에서도 실시 가능하지만, 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 방지하는 관점에서는, 수분 및 산소를 포함하지 않는 불활성 가스 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는, 예를 들어 건조된 질소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 1종의 가스 또는 2종 이상의 가스 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 어닐 처리는, 센서 와이어의 표면에 피복층(즉, 제2 피복층)이 형성되면서 또한 센서 와이어가 센서 튜브에 감긴 후에 실시된다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 상기한 바와 같이 불활성 가스 분위기 중에서 어닐 처리를 실시하는 경우, 놀랍게도, 제2 피복층의 막 두께를 5㎛ 이하로 함으로써, 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 관한 유량 센서의 구성에 의하면, 종래 기술에 관한 유량 센서에 비하여 300℃ 이상으로 가열했을 때의 피복층이 소실되는 속도를 늦출 수 있다. 이로 인해, 응결성 가스의 응결을 방지하기 위하여 높은 온도에서 사용한 경우에도 종래 기술에 관한 유량 센서보다도 오랜 시간 계속하여 사용할 수 있으므로, 반도체의 제조 프로세스의 비용 절감 및 작업성의 향상에 이바지한다.

또한, 본 발명에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의하면, 유량 센서의 사용 전에 적절한 조건 하에서 어닐 처리를 행함으로써, 센서 와이어의 소성 가공 및/또는 센서 튜브에의 감기에 의해 도입된 전위가 소실되어 센서 와이어의 전기 저항값이 시간의 경과와 함께 저하되는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 또한, 어닐 처리를 불활성 가스 분위기 중에서 행함으로써, 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 효과적으로 방지할 수 있다. 그 외에, 제2 피복층의 막 두께를 5㎛ 이하로 함으로써, 불활성 가스 분위기 중에서의 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 더 효과적으로 방지할 수 있다.

이들 효과에 의해, 본 발명은 어닐 처리 및/또는 고온에서의 사용에 수반하는 전기 절연 및/또는 열전도의 저하가 저감된 유량 센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 유량 센서의 단면의 구조를 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 관한 유량 센서의 단면의 구조를 도시하는 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명에 관한 유량 센서의 가열 온도와 절연 열화 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 관한 유량 센서의 단면의 구조를 도시하는 모식도이다.
도 5는 각종 조건 하에서의 어닐 처리 후의 310℃에서의 유지에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 각종 조건 하에서의 어닐 처리 후의 350℃에서의 유지에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 또한, 여기에서 설명하는 실시 형태는 본 발명의 실시 형태를 예시하는 것에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 형태는 여기에 예시하는 형태에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 관한 유량 센서의 단면의 구조를 도시하는 모식도이다. 본 발명에 관한 유량 센서의 기본적인 구조는, 도 4에 도시된 종래 기술에 관한 유량 센서의 기본적인 구조와 공통되어 있다. 즉, 본 발명에 관한 유량 센서(1)는 1개의 센서 튜브(2)와, 센서 튜브(2)에 감긴 한 쌍의 센서 와이어(3)와, 센서 튜브(2) 및 센서 와이어(3)의 주위에 형성된 피복층(4)으로 구성되어 있다. 본 명세서에 있어서 「한 쌍의 센서 와이어」란, 1개의 센서 튜브(2)의 상이한 위치에 감긴 2개의 센서 와이어(3)를 의미한다. 이들 2개의 센서 와이어(3)는 1개의 센서 튜브(2)의 내부를 흐르는 프로세스 가스를, 상류측과 하류측의 2개의 상이한 위치에서 각각 가열한다. 또한, 도 1에서는, 2개의 센서 와이어 중 1개의 센서 와이어만이 도시되어 있다.

본 발명에 관한 유량 센서의 피복층은, 종래 기술과 마찬가지로, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로부터 선택되는 1 또는 2의 유기 재료를 포함하고 있다. 이들 유기 재료는 전기 저항값이 높고 절연성이 우수하므로, 센서 튜브와 센서 와이어 사이 및 인접하는 센서 와이어 사이를 격리하여 도통을 방지하는 절연층으로서의 기능을 갖는다. 또한, 이들 유기 재료는, 용액에 녹여 도포한 후에 가열함으로써 견고하고 간극이 없는 막을 형성할 수 있으므로, 유량 센서를 조립할 때의 접착제로서의 기능을 갖는 동시에, 센서 튜브와 센서 와이어 사이에서 열을 전도하는 매체로서의 기능도 갖는다.

피복층에 포함되는 유기 재료는, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 어느 한 화합물이어도 되고, 양자의 혼합물이어도 된다. 또한, 피복층체가 동일한 유기 재료로 구성되어 있어도 되고, 피복층의 부분마다 상이한 유기 재료로 구성되어 있어도 된다. 폴리아미드이미드 및 폴리이미드는 모두 내열성이 우수한 유기 재료이지만, 폴리이미드는 유기 재료 중에서 가장 내열성이 우수한 재료의 하나이므로, 내열성을 중시하는 경우, 유기 재료는 폴리이미드를 선택하는 것이 바람직하다. 한편, 폴리아미드이미드는 폴리이미드에 비하여 내열성이 약간 떨어지지만, 용액으로 한 경우의 점성이 낮으므로, 도포할 때의 작업성을 중시하는 경우, 폴리아미드이미드를 선택하는 것이 바람직하다.

다시 도 1로 되돌아가면, 피복층(4)은, 그 위치와 기능에 따라, 제1 피복층(41), 제2 피복층(42)(도 1에서 도트 표시된 부분), 제3 피복층(43) 및 제4 피복층(44)의 4개의 부분으로 나눌 수 있다. 제1 피복층(41)은 센서 튜브(2)의 표면에 접하여 형성되어, 센서 튜브(2)와 센서 와이어(3) 사이의 도통을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 센서 튜브(2)와 센서 와이어(3) 사이에 도통이 일어나면, 센서 와이어(3)의 전기 저항값이 단락에 의해 저하되거나, 센서 튜브(2)에 통전하여 예기치 못한 발열이 일어나거나 하여, 질량 유량을 정확하게 측정할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 제1 피복층(41)의 막 두께를 10㎛ 이상으로 함으로써 소실에 필요로 하는 시간을 길게 하여, 장시간에 걸쳐 절연을 유지하는 동시에, 열의 전도에 지장을 초래하지 않도록 한다. 바람직한 막 두께의 하한값은 12㎛이다.

제1 피복층의 막 두께를 종래 기술보다도 두껍게 하기 위해서는, 유기 재료의 용액을 한번 도포하여 베이킹한 후, 베이킹된 막의 표면에 재차 용액을 도포하여 베이킹하는 작업을 필요에 따라 반복하면 된다. 단, 제1 피복층의 막 두께를 너무 지나치게 두껍게 하면, 제1 피복층 자체의 열 용량이 증가하여 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 열의 전도가 오히려 방해되어 유량 센서로서의 감도가 저하된다. 또한, 베이킹을 반복하면 막의 위치에 의해 열 이력이 상이해 버리므로 균질한 막을 형성하는 것이 곤란해져, 바람직하지 않다. 따라서, 제1 피복층의 막 두께는 30㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직한 막 두께의 상한값은 20㎛ 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 제1 피복층은, 후술하는 제2 피복층과 마찬가지로, 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는 피복층으로 한다. 제1 피복층을 유기 재료와 무기 재료의 복합 재료로 구성함으로써, 제1 피복층의 소실이 더 억제된다.

제2 피복층(42)은, 센서 와이어(3)의 표면에 접하여 형성되어, 센서 와이어(3)끼리의 도통을 방지하는 절연층을 구성하고 있다. 제2 피복층이 소실되어, 인접하는 센서 와이어(3) 사이에 도통이 일어나면, 센서 와이어(3)의 전기 저항값이 단락에 의해 저하되어, 질량 유량을 정확하게 측정할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 제2 피복층도 또한 제1 피복층과 마찬가지로, 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로부터 선택되는 1 또는 2의 유기 재료를 포함하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 제2 피복층은, 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는다. 무기 재료는 유기 재료에 비하여 화학적으로 안정되어, 대기 중에서 300℃ 이상으로 가열해도 소실되지 않는다. 제2 피복층에 무기 재료가 소정의 비율로 포함됨으로써, 소실되기 쉬운 유기 재료의 체적비가 감소되므로, 제2 피복층의 소실이 방해된다. 또한, 유기 재료를 포함하는 모재 중에 미세하게 분산된 무기 재료는 골재로서 기능하여, 무기 재료끼리를 결합하는 유기 재료가 조금이라도 남아 있으면, 제2 피복층의 형상은 크게 무너지지 않는다. 제2 피복층의 바람직한 막 두께의 범위는 1.5 내지 10㎛이다.

제2 피복층에 사용하는 무기 재료에는, 열적으로 안정되고 전기 저항이 높은 재료를 사용할 수 있어, 예를 들어 세라믹스를 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 무기 재료는 실리카(산화규소)이다. 본 발명에 있어서, 무기 재료는, 유기 재료를 포함하는 모재 중에 미세하게 분산되어 있을 필요가 있다. 무기 재료는 경도가 높아 가요성이 부족하므로, 무기 재료를 주체로 하는 피복층을 센서 와이어의 표면에 접하여 형성하면, 센서 와이어를 구부렸을 때에 무기 재료를 주체로 하는 피복층에 균열이 생기거나 박리되거나 한다. 그러나, 무기 재료가 유기 재료를 포함하는 모재 중에 미세하게 분산되어 있으면, 유기 재료가 갖는 가요성을 크게 손상시키는 일이 없으므로, 제2 피복층을 형성한 후에도 센서 와이어를 굽힘 가공하는 것이 가능해져, 유량 센서의 조립이 용이해진다.

본 발명에 있어서, 「유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산되어 있다」란, 유기 재료를 포함하는 매트릭스 중에 무기 재료를 포함하는 미립자가 혼합되어 있어서, 그 분포가 한 곳에 편재되지 않고 균질하게 분산되어 있는 것을 의미한다. 무기 재료를 포함하는 미립자는 평균 입경이 0.1㎛ 정도인 구상의 것이 바람직하고, 또한, 그 입경이 정렬된 것이 바람직하다. 본 발명에 관한 제2 피복층을 형성하는 방법은, 이것에 제한하지 않지만, 예를 들어 특허문헌 2에 개시되어 있는 졸겔법을 사용할 수 있다. 이 방법에서는, 폴리이미드 전구체인 폴리이미드산의 용액에 실리카의 원료가 되는 테트라에톡시실란과 물을 혼합하여, 도체에 도포한 후에 베이킹함으로써, 폴리이미드 중에 실리카가 미세하게 분산된 복합체를 포함하는 피복층을 형성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 센서 튜브의 중심선을 포함하는 평면으로 절단된 단면에 있어서, 센서 와이어의 하나의 단면의 주위에 형성된 제2 피복층과, 하나의 단면에 인접하는 센서 와이어의 다른 단면의 주위에 형성된 제2 피복층의 간격이 10㎛ 이하이다. 도 2는 본 발명에 관한 유량 센서의 단면의 구조를 도시하는 부분 확대도이다. 이 도면에서는, 상기한 간격이 기호 d로 표현되어 있다. 이 간격 d가 10㎛ 이하이면, 인접하는 센서 와이어(3)의 표면에 형성된 제2 피복층(42)이 서로 거의 밀착되어 있으므로, 센서 튜브(2)에 코일 형상으로 감긴 센서 와이어(3)의 표면에 형성된 제2 피복층(42) 전체를 하나의 연속된 집합체라고 간주할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 집합체(도트 표시된 제2 피복층(42))는, 전체적으로, 제1 피복층(41)의 표면과 제3 피복층(43)의 전부를 덮도록 배치되어 있으므로, 제1 피복층(41) 및 제3 피복층(43)의 소실을 방지하는 장벽으로서 기능한다.

간격 d를 10㎛ 이하로 하기 위해서는, 예를 들어 제2 피복층(42)을 형성한 센서 와이어(3)를 센서 튜브(2)에 감을 때 가능한 한 간극이 없도록 감고, 감은 상태를 유지하면서 제3 피복층(43) 및 제4 피복층(44)을 도포, 베이킹에 의해 형성하여 센서 와이어(3)를 센서 튜브(2)에 고정함으로써, 실현할 수 있다. 더 바람직한 간격 d의 상한값은 5.0㎛이다. 바람직한 간격 d의 하한값은 제로(접촉 상태)이다.

제3 피복층(43)은, 제1 피복층(41)과 제2 피복층(42)으로 둘러싸인 공간에 형성되어, 센서 와이어(3)를 센서 튜브(2)에 고정하는 기능을 갖고 있다. 제4 피복층(44)을 형성할 때에, 센서 와이어(3)의 표면의 제2 피복층(42)의 전체를 덮도록 하여 유기 재료의 전구체를 포함하는 용액이 도포된다. 도포된 용액의 일부는, 간격 d의 간극으로부터 제1 피복층(41)과 제2 피복층(42)으로 둘러싸인 공간에 침입한다. 이것이 베이킹에 의해 화학 반응을 일으켜, 유기 재료가 공간에 충전된 제3 피복층(43)이 형성된다. 제3 피복층(43)은, 공간에 간극 없이 충전되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 센서 와이어(3)와 센서 튜브(2)의 고정을 보다 견고하게 할 수 있음과 함께, 간격 d의 간극으로부터 산소가 침입했을 때에 제3 피복층(43)이 모두 소실되어 제1 피복층(41)에 산소가 도달할 때까지 시간이 걸리므로, 유량 센서의 내용 기간을 길게 할 수 있다.

제4 피복층(44)은, 센서 튜브(2)에 감긴 센서 와이어(3) 전체를 덮도록 형성되어, 센서 와이어(3)를 서로 고정하는 기능을 갖고 있다. 제4 피복층(44)이 형성됨으로써, 센서 튜브(2)에 코일 형상으로 감긴 센서 와이어(3)가 뿔뿔이 흩어지지 않고 센서 튜브(2)의 표면에 확실히 고정된다. 또한, 제2 피복층(42)의 외측에 제4 피복층(44)이 형성됨으로써, 제4 피복층(44)이 모두 소실되어 제2 피복층(42)에 산소가 도달할 때까지 시간이 걸리므로, 유량 센서의 내용 기간을 길게 할 수 있다. 제4 피복층(44)의 바람직한 막 두께의 범위는 8.0 내지 20㎛이다. 더 바람직한 막 두께의 범위는 10 내지 15㎛이다. 또한, 간격 d가 제로가 아닌(비접촉인) 경우에는 제3 피복층(43)과 제4 피복층(44)은 연속되어 있는 경우가 있지만, 본 발명에서는 편의상, 간격 d의 위치보다도 외측에 위치하는 부분을 제4 피복층(44)에 간격 d의 위치보다도 내측에서 제1 피복층(41)과 제2 피복층(42)으로 둘러싸인 공간에 위치하는 부분을 제3 피복층(43)으로, 각각 분류한다. 센서 튜브(2)에 코일 형상으로 감긴 센서 와이어(3) 중 양단부에 위치하는 센서 와이어(3)에 있어서는, 센서 와이어(3) 및 제2 피복층(42)의 표면을 따라 제1 피복층(41)의 위치까지 돌아 들어간 부분도 제4 피복층(44)에 속한다.

본 발명의 바람직한 실시의 형태에 있어서, 피복층의 표면은 비산화성의 분위기 가스로 덮여 있다. 피복층을 구성하는 유기 재료는, 대기 중에서 300℃ 이상으로 가열되면 산소와 반응하여 서서히 소실된다. 피복층의 표면을 비산화성의 분위기 가스로 덮으면, 유기 재료와 산소의 반응이 억제되어, 피복층의 소실을 더 효과적으로 방지할 수 있다. 비산화성의 분위기 가스로서는, 산소 그 밖의 산화성의 성분 가스를 포함하지 않는 분위기 가스를 사용할 수 있는데, 구체적으로는 질소 및 아르곤 그 밖의 불활성 가스 등을 사용할 수 있다. 피복층의 표면을 이들 분위기 가스로 덮기 위해서는, 예를 들어 개구부를 갖는 금속제의 밀폐 용기를 준비하고, 분위기 가스를 채운 글로브 박스 내에서 유량 센서를 개구부로부터 삽입한 후에 개구부를 용접하여 폐쇄함으로써 분위기 가스를 밀폐 용기 내에 봉입한다는 방법을 채용할 수 있다.

본 발명에 관한 질량 유량계는, 프로세스 가스가 흐르는 유로와, 유로의 중간에 설치된 바이패스와, 본 발명에 관한 유량 센서와, 센서 와이어 및 다른 저항 소자에 의해 구성된 브리지 회로를 포함하는 센서 회로를 갖고 있다. 또한, 본 발명에 관한 질량 유량 제어 장치는, 본 발명에 관한 질량 유량계와, 유로를 흐르는 프로세스 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브와, 유량 제어 밸브를 구동하는 제어 회로를 갖고 있다. 본 발명에 관한 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치는, 모두 본 발명에 관한 유량 센서를 그 필수 구성 요소로서 갖고 있으므로, 종래 기술에 관한 유량 센서를 사용하여 응결성 가스의 질량 유량을 측정, 제어하고자 하는 경우에 유량 센서의 부분에 발생하는 과제를 해결할 수 있다. 여기서, 센서 회로 및 제어 회로를 포함하는 전기 회로의 내열 온도는 300℃에 미치지 않는 경우가 있으므로, 전기 회로를 질량 유량계 또는 질량 유량 제어 장치의 고온부로부터 이격하여 설치해도 된다.

본 발명에 관한 유량 센서, 질량 유량계 또는 질량 유량 제어 장치의 사용 시에, 센서 와이어에의 통전에 의한 프로세스 가스의 온도 상승폭을 30℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 통상의 사용 형태에 있어서, 한 쌍의 센서 와이어의 양쪽에 통전이 행하여져, 프로세스 가스는 센서 튜브를 흐르는 동안 온도가 약 50℃ 상승한다. 그러나, 온도 상승폭이 50℃이면, 최종적으로 가열된 프로세스 가스의 온도는 300℃보다도 상당히 높아져, 유량 센서를 구성하는 피복층의 소실이 빨리 진행되어 버릴 우려가 있다. 프로세스 가스의 온도 상승폭을 30℃ 이하로 제한함으로써, 프로세스 가스의 과대한 온도 상승이 없어, 피복층의 소실을 억제할 수 있다. 또한, 온도 상승폭이 30℃ 이하이면 50℃인 경우에 비하여 열식 질량 유량계로서의 감도에 크게 영향을 미치지 않는다. 더 바람직한 온도 상승폭의 상한은 20℃이다.

본 발명은, 종래는 반도체 제조 프로세스에 사용되지 않았던 응결성 가스를 사용하는 것을 직접적인 목적으로 하고 있지만, 본 발명에 관한 유량 센서, 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치의 용도는 응결성 가스의 질량 유량의 측정, 제어에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 응결성이 아닌 통상의 프로세스 가스를 300℃ 이상으로 가열한 상태에서 반도체 제조 장치에 공급하고 싶은 경우 등에도, 본 발명에 관한 유량 센서, 질량 유량계 및 질량 유량 제어 장치를 그대로 적용할 수 있는 것은 물론이다.

한편, 전술한 바와 같이, 본 발명은, 유량 센서의 제조 방법에도 관한 것이다. 본 발명에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조되는 유량 센서는, 모두에서 설명한 「열식 질량 유량계」에 있어서 사용되는 유량 센서이다. 구체적으로는, 당해 유량 센서는, 1개의 센서 튜브와, 상기 센서 튜브에 감긴 한 쌍의 센서 와이어와, 상기 센서 튜브 및 상기 센서 와이어의 주위에 형성된 피복층을 갖는 유량 센서이다. 또한, 본 발명에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조되는 유량 센서의 구성에 관한 사항 중, 지금까지 설명해 온 사항 및/또는 당해 기술 분야에 있어서 주지의 사항에 대해서는, 이하의 설명에 있어서 생략한다.

본 발명의 일 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법은,

상기 센서 튜브의 표면의 일부에 상기 피복층을 구성하는 제1 피복층을 형성하는 제1 공정과,

상기 센서 와이어의 표면에, 상기 피복층을 구성하는 제2 피복층을 형성하는 제2 공정과,

상기 제1 공정에 의해 얻어진 상기 센서 튜브의 표면 중 상기 제1 피복층이 형성된 부분의 상기 센서 튜브의 일단부측 및 타단부측의 각 영역에, 상기 제2 공정에 의해 얻어진 상기 센서 와이어를 각각 감는 제3 공정과,

상기 제1 피복층과 상기 제2 피복층에 의해 둘러싸인 공간에, 상기 피복층을 구성하는 제3 피복층을 형성하는 제4 공정과,

상기 센서 와이어의 상기 센서 튜브에 감긴 부분의 전체를 덮도록, 상기 피복층을 구성하는 제4 피복층을 형성하여, 유량 센서를 제작하는 제5 공정과,

상기 제5 공정에 의해 얻어진 상기 유량 센서를 불활성 가스 분위기 중에서 300℃ 이상의 온도에 있어서 10시간 이상의 기간에 걸쳐 유지한 후에 냉각하는 제6 공정을 포함한다.

제1 공정에 있어서 센서 튜브의 표면의 일부에 제1 피복층을 형성하는 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 피복층을 구성하는 재료 및/또는 그 전구체의 용액(예를 들어, 희석액, 분산액 등)을 센서 튜브의 표면의 일부에 도포하고, 이 도포된 용액을 건조시키고, 이와 같이 하여 형성된 막을 가열에 의해 경화시킴으로써 제1 피복층을 형성할 수 있다. 또한, 이러한 공정을 반복함으로써, 원하는 막 두께를 갖는 제1 피복층을 형성할 수도 있다.

제2 공정에 있어서 센서 와이어의 표면에 제2 피복층을 형성하는 구체적인 방법도 또한 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 예를 들어 제2 피복층을 구성하는 재료 및/또는 그 전구체의 용액(예를 들어, 희석액, 분산액 등)을 센서 와이어의 표면에 도포하고, 이 도포된 용액을 건조시키고, 이와 같이 하여 형성된 막을 가열에 의해 경화시킴으로써 제2 피복층을 형성할 수 있다. 또한, 이러한 공정을 반복함으로써, 원하는 막 두께를 갖는 제2 피복층을 형성할 수도 있다.

제3 공정에 있어서, 제1 공정에 의해 얻어진 센서 튜브의 표면 중 제1 피복층이 형성된 부분의 센서 튜브의 일단부측 및 타단부측의 각 영역에, 제2 공정에 의해 얻어진 센서 와이어를 각각 감는다. 바꾸어 말하면, 제1 공정에 있어서 제1 피복층이 형성된 센서 튜브의 표면에, 제2 피복층이 형성된 2개의 센서 와이어가 직렬로 감긴다. 즉, 이들 2개의 센서 와이어는, 당해 유량 센서가 사용될 때에 센서 튜브 내에 있어서의 가스의 흐름에 있어서 상류측 및 하류측에 각각 감긴다.

제4 공정에 있어서, 제1 피복층과 제2 피복층에 의해 둘러싸인 공간에, 피복층을 구성하는 제3 피복층을 형성한다. 또한, 제5 공정에 있어서, 센서 와이어의 센서 튜브에 감긴 부분의 전체를 덮도록, 피복층을 구성하는 제4 피복층을 형성한다. 이에 의해, 「열식 질량 유량계」에 있어서 사용되는 유량 센서가 제작된다.

상기에 있어서, 제1 피복층과 제2 피복층에 의해 둘러싸인 공간에 제3 피복층을 형성하기 위한 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않는다. 도 2를 참조하면, 예를 들어 제4 피복층(44)을 형성할 때에, 센서 와이어(3)의 표면의 제2 피복층(42)의 전체를 덮도록 하여 제4 피복층(44)을 구성하는 유기 재료의 전구체를 포함하는 용액을 도포한다. 이에 의해, 도포된 용액의 일부를 간격 d의 간극으로부터 제1 피복층(41)과 제2 피복층(42)으로 둘러싸인 공간에 침입시킴으로써, 제3 피복층(43)을 형성할 수 있다. 혹은, 예를 들어 제3 피복층(43)을 구성하는 유기 재료의 전구체를 포함하는 페이스트를 제1 피복층(41)의 표면에 미리 도포해 두고, 센서 와이어(3)를 센서 튜브(2)의 표면에 감는다. 그리고, 센서 와이어(3)의 표면의 제2 피복층(42)의 전체를 덮도록 하여 제4 피복층(44)을 구성하는 유기 재료의 전구체를 포함하는 용액을 도포한다. 이에 의해, 제3 피복층(43)을 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 피복층은, 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 도통을 방지하는 절연층으로서 기능하는 제1 피복층, 센서 와이어(3)끼리의 도통을 방지하는 절연층으로서 기능하는 제2 피복층, 센서 와이어를 센서 튜브에 고정하는 기능을 갖는 제3 피복층 및 센서 튜브에 감긴 센서 와이어를 서로 고정하는 기능을 갖는 제4 피복층을 갖는다.

제6 공정에 있어서, 제5 공정에 의해 얻어진 유량 센서를 불활성 가스 분위기 중에서 300℃ 이상의 온도에 있어서 10시간 이상의 기간에 걸쳐 유지한다. 즉, 제4 공정에 있어서는, 전술한 바와 같이, 센서 와이어의 소성 가공 시 및/또는 센서 튜브에의 감기 시에 센서 와이어를 구성하는 금속 재료의 결정 격자에 도입된 전위를 소실시키기 위한 어닐 처리가 행하여진다. 또한, 전술한 바와 같이, 어닐 처리의 온도는, 350℃ 이상이 바람직하고, 400℃ 이상이 보다 바람직하다. 어닐 처리의 기간은 40시간 이상이 바람직하고, 96시간 이상이 더 바람직하다.

또한, 이들 피복층을 구성하는 재료로서는, 전술한 바와 같이 폴리아미드이미드 및/또는 폴리이미드가 바람직하다. 따라서, 상기 피복층은 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2의 유기 재료를 포함한다. 그 외에, 전술한 바와 같이, 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 도통을 장시간에 걸쳐 방지(절연을 유지)하는 동시에, 열의 전도에 지장을 초래하지 않도록 하기 위해서는, 제1 피복층의 막 두께를 10㎛ 이상으로 함으로써, 제1 피복층의 소실에 필요로 하는 시간을 길게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제1 피복층의 막 두께가 10㎛ 이상이다. 보다 바람직하게는, 제1 피복층의 막 두께는 12㎛ 이상이다.

당해 기술 분야에 있어서의 일반적인 지견에 의하면, 가열에 수반하는 피복층의 소실을 저감시키기 위해서는, 상기한 바와 같이 불활성 가스 분위기 중에 있어서 어닐 처리를 행하는 것이 유효한 것이 알려져 있다. 그러나, 현실에서는 비록 불활성 가스 분위기 중이라도, 상기한 바와 같이 고온으로 가열한 경우, 비교적 두꺼운 (수십㎛) 피복층을 사용해도, 그 소실을 완전히 방지할 수는 없다.

그런데, 전술한 바와 같이, 본 발명자들에 의한 예의 연구한 결과, 놀랍게도 센서 와이어의 표면에 형성되는 제2 피복층의 막 두께를 5㎛ 이하로 함으로써, 불활성 가스 분위기 중에 있어서의 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 더 효과적으로 저감시킬 수 있는 것을 발견했다.

따라서, 당해 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법이 적용되는 유량 센서에 있어서는, 제2 피복층의 막 두께가 5.0㎛ 이하이다. 이에 의해, 불활성 가스 분위기 중에 있어서 어닐 처리를 행하는 것과 더불어, 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실을 효과적으로 방지할 수 있다.

추가로, 본 발명에 관한 유량 센서에 관한 설명에 있어서 이미 설명한 바와 같이 본 발명의 각종 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법에 있어서도 또한,이하에 열거하는 구성 요건을 단독 또는 조합하여 채용할 수 있다.

·상기 센서 튜브의 중심선을 포함하는 평면으로 절단된 단면에 있어서, 센서 와이어의 하나의 단면의 주위에 형성된 상기 제2 피복층과, 상기 하나의 단면에 인접하는 센서 와이어의 다른 단면의 주위에 형성된 상기 제2 피복층의 간격이 10㎛ 이하이다.

·상기 제2 피복층은, 상기 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는다.

·상기 제1 피복층은, 상기 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는다.

·상기 무기 재료가 실리카이다.

·상기 유기 재료가 폴리이미드이다.

·상기 피복층의 표면이 비산화성의 분위기 가스로 덮여 있다.

그런데, 본 발명의 범위는, 상술한 본 발명의 각종 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조되는 유량 센서에도 미치는 것은 물론이다.

또한, 본 발명의 범위는, 상술한 본 발명의 각종 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조되는 유량 센서를 사용하는 질량 유량계에 미친다.

구체적으로는, 본 발명은,

상술한 본 발명의 각종 실시의 형태에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조되는 유량 센서와,

프로세스 가스가 흐르는 유로와,

상기 유로의 중간에 설치된 바이패스와,

상기 센서 와이어 및 다른 저항 소자에 의해 구성된 브리지 회로를 포함하는 센서 회로를 갖고,

상기 유량 센서가 갖는 상기 센서 튜브가, 상기 바이패스의 상류측에서 상기 유로로부터 분기되고, 상기 바이패스의 하류측에서 상기 유로와 다시 합류하는 질량 유량계에도 미친다.

추가로, 본 발명의 범위는, 상술한 질량 유량계를 사용하는 질량 유량 제어 장치에도 미친다.

구체적으로는, 본 발명은,

상술한 질량 유량계와,

상기 유로를 흐르는 프로세스 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브와,

상기 유량 제어 밸브를 구동하는 제어 회로를 갖는 질량 유량 제어 장치에도 미친다.

실시예 1

스테인리스강(SUS316)으로 이루어지는 1개의 센서 튜브(외경 0.6㎜, 두께 0.04㎜)를 소정의 길이와 형상으로 가공한 후, 중앙부 표면에 폴리이미드 전구체인 폴리이미드산의 N-메틸피롤리돈 용액(이하 「용액 A」라고 함)을 길이 26㎜에 걸쳐 도포, 건조한 후, 베이킹을 행했다. 그 후, 용액 A를 다시 도포, 건조한 후, 베이킹을 행하여, 막 두께 14㎛의 제1 피복층을 형성했다.

이어서, 용액 A에 테트라에톡시실란 및 물을 혼합한 용액(이하 「용액 B」라고 함)을 Fe-Ni 합금을 포함하는 2개의 센서 와이어(직경 35㎛)의 표면에 도포, 건조한 후, 베이킹을 행하여, 막 두께 6.0㎛의 제2 피복층을 형성했다.

이어서, 센서 튜브의 표면 중 제1 피복층이 형성된 부분에, 제2 피복층이 표면에 형성된 2개의 센서 와이어를 인접하는 위치에 1개씩 코일 형상으로 간극없이 감고, 빠지지 않도록 임시 고정했다. 감긴 센서 와이어의 표면의 제2 피복층의 간격은, 가장 넓은 곳에서 3.0㎛이었다.

이어서, 센서 와이어의 표면으로부터 용액 A를 도포, 건조한 후, 베이킹을 행하여, 제3 피복층 및 제4 피복층을 형성하고, 센서 와이어를 센서 튜브에 고정했다. 제3 피복층은, 제1 피복층 및 제2 피복층으로 둘러싸인 공간에 간극없이 충전되어 있었다. 또한, 제4 피복층의 막 두께는 10수㎛이었다.

얻어진 유량 센서를 대기 중 350℃, 375℃ 및 400℃에서 소정의 시간만큼 가열 유지한 후, 실온에서 센서 튜브와 센서 와이어 사이의 누설 전류를 측정하고, 이것을 반복함으로써, 각각의 가열 유지 온도에 있어서 누설 전류의 값이 30nA를 초과할 때까지의 절연 열화 시간(h)을 구했다. 375℃에서의 절연 열화 시간은 100h이었다. 횡축을 가열 유지의 절대 온도(K)의 역수, 종축을 절연 열화 시간의 대수로 아레니우스 플롯을 행한 바, 도 3에 도시한 바와 같이 3개의 플롯은 직선 위에 놓여졌다. 직선의 외부 삽입에 의해 가열 유지 온도가 320℃일 때의 절연 열화 시간을 추정한 바, 약 26,000h(3년간)로 추정되었다.

(종래예)

제1 피복층의 막 두께를 7.0㎛(1회 도포)로 하고, 제2 피복층의 형성에 용액 A를 사용하여 막 두께를 4.0㎛로 한 것을 제외하고, 실시예와 마찬가지의 공정에서 종래예에 관한 유량 센서를 제작했다.

얻어진 유량 센서를 대기 중 375℃에서 가열 유지한 바, 절연 열화 시간은 40h이었다.

(참고예)

제1 피복층의 막 두께를 7.0㎛(1회 도포)로 한 것을 제외하고, 실시예와 마찬가지의 공정으로 유량 센서를 제작했다.

얻어진 유량 센서를 대기 중 375℃에서 가열 유지한 바, 절연 열화 시간은 42h이었다.

상기한 실시예 및 종래예의 결과로부터, 본 발명의 구성을 갖는 유량 센서에 의하면 375℃에서의 절연 열화 시간은 100h이며, 종래 기술에 관한 유량 센서에 비하여 2배 이상 길게 하는 것이 가능하다. 또한, 프로세스 가스의 온도에 센서 와이어에 의한 온도 상승폭을 더한 온도가 320℃일 때의 절연 열화 시간은 3년간으로 추정되므로, 센서 와이어에 의한 온도 상승폭의 설정에 따라서는, 280℃ 이하의 임계 온도를 갖는 응결성 가스에 대하여 장기간에 걸쳐 사용할 수 있을 가능성이 있는 것을 알 수 있다. 한편, 본 발명에 관한 유량 센서의 구성 중 제1 피복층의 막 두께가 10㎛ 이상인 구성을 빠뜨린 것(참고예)에서는, 375℃에서의 절연 열화 시간은 고작해야 42h이며, 응결성 가스에 사용하기에는 내열성이 불충분한 것을 알 수 있다.

실시예 2

(1) 어닐 처리의 조건과 어닐 효과 및 피복층의 소실의 관계

직경 7㎛의 센서 와이어를 사용한 점을 제외하고 전술한 실시예 1과 마찬가지로 하여, 소정의 피복층을 구비한 복수의 유량 센서를 제작했다. 이들 유량 센서를, 이하의 표 1에 열거하는 어닐 처리 A 내지 C에 부쳤다.

어닐 처리 A에 있어서는, 종래 조건(대기 분위기 중 350℃에서 96시간)에서 어닐 처리를 행한 후, 불활성 가스(Ar) 분위기 중 400℃에서 40시간에 걸쳐 어닐 처리를 행했다.

어닐 처리 B에 있어서는, 종래 조건에서의 어닐 처리는 행하지 않고, 불활성 가스(Ar) 분위기 중 400℃에서 120시간에 걸치는 어닐 처리만을 행했다.

어닐 처리 C에 있어서도, 종래 조건에서의 어닐 처리는 행하지 않고, 불활성 가스(Ar) 분위기 중 420℃에서 120시간에 걸치는 어닐 처리만을 행했다.

각각의 조건 하에서의 어닐 처리 전후에 있어서, 센서 와이어의 전기 저항값 및 센서 튜브의 표면 위의 제1 피복층의 막 두께를 측정하여, 어닐 처리에 수반하는 전기 저항의 저하율(센서 와이어 저항 저하율[％]) 및 제1 피복층의 막 두께의 감소량(막 두께 감소량[㎛])을 각각 산출했다. 또한, 표 1의 각주에도 기재한 바와 같이, 막 두께 감소량에 대해서는, 제1 피복층만을 형성한 센서 튜브를 별도로 준비하고, 이들을 유량 센서와 동시에 각 조건 하에서 어닐 처리하여, 외경의 감소량을 측정했다. 또한, 각각의 조건 하에서의 어닐 처리 후의 유량 센서에 있어서, 센서 튜브와 센서 와이어 사이에 20V의 직류 전압을 인가하여, 양자간에 흐르는 전류(처리 후 누설 전류[nA])의 값을 측정했다.

센서 와이어 저항 저하율은, 어느 조건 하에서의 어닐 처리에 있어서도, 약 10％ 전후의 저하율을 나타냈다. 이것은, 소성 가공 및/또는 센서 튜브에의 감기에 의해 센서 와이어에 도입된 전위가 어느 조건 하에서의 어닐 처리에 의해서도 유효하게 소실되었기 때문이라고 생각되어진다. 단, 어닐 처리 온도가 높으면서, 또한 유지 시간이 길수록, 센서 와이어 저항의 저하율이 큰 경향이 확인되었다. 따라서, 센서 와이어에 있어서의 전위를 더욱 소실시켜, 고온에서의 사용에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항 저하를 보다 유효하게 저감시키기 위해서는, 더 높은 온도 및/또는 더욱 긴 유지 시간을 채용하는 것이 바람직하다고 생각되어진다.

또한, 막 두께 감소량에 대해서는, 어닐 처리 A 및 B에 부쳐진 제1 피복층에 있어서는 0㎛이며, 어닐 처리 C에 부쳐진 제1 피복층에 있어서만, 0.1㎛의 감소가 확인되었다. 그러나, 처리 후 누설 전류에 대해서는 어느 조건 하에서의 어닐 처리에 있어서도 0.1nA 미만이었다. 이러한 점에서, 어느 조건 하에서의 어닐 처리에 있어서도, 어닐 처리에 수반하는 피복층의 소실이 있었다고 해도, 센서 와이어와 센서 튜브 사이에서의 전기 절연성을 손상시키는 데에는 이르지 못했음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 유량 센서의 제조 방법에 의하면, 소성 가공 및/또는 센서 튜브에의 감기에 의해 센서 와이어에 도입된 전위를 충분히 소실시킬 수 있는 조건 하에서의 어닐 처리에 부쳐도, 피복층의 소실을 저감시켜, 피복층에 의한 전기 절연성의 저하를 유효하게 방지할 수 있다.

(2) 어닐 처리 후의 310℃에서의 유지에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 변화

이어서, 어닐 처리 후의 고온 유지에 있어서의 센서 와이어의 전기 저항값의 경시 변화에 대하여 설명한다. 이 실험에 있어서는, 이하의 조건 하에서 어닐 처리를 실시한 실기 및 센서 엘리먼트를 310℃의 시험 온도에 있어서 유지한 경우에 있어서의 시간의 경과에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 추이를 조사했다.

조건 X1: 불활성 가스 분위기 중 420℃에서 120시간 샘플을 유지함.

조건 Y: 대기 분위기 중 350℃에서 96시간 샘플을 유지함.

또한, 「센서 엘리먼트 단체」란, 단자를 구비하는 케이스에 내장한 유량 센서뿐인 형태의 샘플을 가리키고, 「실기(實機)」란 유량 센서를 질량 유량 제어 장치에 내장한 형태의 샘플을 가리킨다. 또한, 이 실험에 있어서는, 센서 엘리먼트 단체의 경우에는 310℃의 항온조 중에 샘플을 유지하고, 실기의 경우에는, 실기의 주위 온도를 280℃로 하고 실기를 310℃에서 동작시켰다. 또한, 센서 엘리먼트 단체의 경우에는, 동일 조건에서의 실험을 3회 행했다(N=3). 이때의 각 샘플에 있어서의 센서 와이어의 전기 저항값의 경시 변화를 도 5에 도시한다.

상기 실험의 결과, 도 5에 도시한 바와 같이 처리 온도가 상대적으로 낮고, 유지 시간도 상대적으로 짧은 조건 Y에서의 어닐 처리에 비하여, 처리 온도가 상대적으로 높고, 유지 시간도 상대적으로 긴 조건 X1에서의 어닐 처리쪽이, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 변화가 보다 작은 것이 확인되었다. 조건 X1에서의 어닐 처리 후의 센서 와이어에 대해서는, 310℃에서의 유지에 있어서의 전기 저항값의 저하율의 수렴값은 -1.1％로 추정되었다. 또한, 조건 X1 및 조건 Y의 어느 조건 하에서의 어닐 처리로도, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 저하 억제 효과는 충분했다. 단, 조건 Y에서의 어닐 처리는 대기 분위기 중에서 행했기 때문에, 피복층의 소실 억제라는 관점에서는 바람직하지 않다.

또한, 사각의 플롯에 의해 나타낸 실기 및 동그라미 표시의 플롯에 의해 나타낸 센서 엘리먼트는, 모두 조건 X1에서의 어닐 처리에 부쳤지만, 도 5로부터도 명확한 바와 같이, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 추이에 대해서는, 실기와 센서 엘리먼트 사이에서 큰 상이는 확인되지 않았다. 즉, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 추이에 대해서는, 센서 엘리먼트를 샘플로서 사용하는 실험에 의해, 충분히 검증할 수 있음을 확인할 수 있었다.

(3) 어닐 처리 후의 350℃에서의 유지에 수반하는 센서 와이어의 전기 저항값의 변화

또한, 상기 (2)와 마찬가지의 실험을, 어닐 처리 후의 유지 온도를 350℃로 변경하여 행했다. 또한, 이 실험에 있어서는, 샘플로서 실기는 사용하지 않고, 모두 센서 엘리먼트의 형태의 것을 사용했다. 또한, 이하에 열거하는 어닐 처리 조건을 채용했다. 이때의 각 샘플에 있어서의 센서 와이어의 전기 저항값의 경시 변화를 도 6에 나타낸다.

조건 X1: 불활성 가스 분위기 중 420℃에서 120시간 샘플을 유지함.

조건 X2: 불활성 가스 분위기 중 400℃에서 120시간 샘플을 유지함.

조건 X3: 불활성 가스 분위기 중 375℃에서 2840시간 샘플을 유지함.

조건 Y: 대기 분위기 중 350℃에서 96시간 샘플을 유지함.

상기 실험의 결과, 도 6에 도시한 바와 같이, 처리 온도가 상대적으로 낮고, 유지 시간도 상대적으로 짧은 조건 Y에서의 어닐 처리에 비하여, 처리 온도가 상대적으로 높고, 유지 시간도 상대적으로 긴 조건 X1 내지 X3에서의 어닐 처리쪽이, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 변화가 보다 작은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 조건 X1 내지 X3 및 조건 Y의 어느 조건 하에서의 어닐 처리로도, 어닐 처리 후의 센서 와이어의 전기 저항값의 저하 억제 효과는 충분했다. 단, 조건 Y에서의 어닐 처리는 대기 분위기 중에서 행했기 때문에, 피복층의 소실 억제라는 관점에서는 바람직하지 않다.

1: 유량 센서
2: 센서 튜브
3: 센서 와이어
4: 피복층
41: 제1 피복층
42: 제2 피복층
43: 제3 피복층
44: 제4 피복층
d: 제2 피복층의 간격

Claims (19)

1개의 센서 튜브와,
상기 센서 튜브에 감긴 한 쌍의 센서 와이어와,
상기 센서 튜브 및 상기 센서 와이어의 주위에 형성된 피복층을 갖는 유량 센서의 제조 방법이며,
상기 센서 튜브의 표면의 일부에, 상기 피복층을 구성하는 제1 피복층을 형성하는 제1 공정과,
상기 센서 와이어의 표면에, 상기 피복층을 구성하는 제2 피복층을 형성하는 제2 공정과,
상기 제1 공정에 의해 얻어진 상기 센서 튜브의 표면 중 상기 제1 피복층이 형성된 부분의 상기 센서 튜브의 일단부측 및 타단부측의 각 영역에, 상기 제2 공정에 의해 얻어진 상기 센서 와이어를 각각 감는 제3 공정과,
상기 제1 피복층과 상기 제2 피복층에 의해 둘러싸인 공간에, 상기 피복층을 구성하는 제3 피복층을 형성하는 제4 공정과,
상기 센서 와이어의 상기 센서 튜브에 감긴 부분의 전체를 덮도록, 상기 피복층을 구성하는 제4 피복층을 형성하여, 유량 센서를 제작하는 제5 공정과,
상기 제5 공정에 의해 얻어진 상기 유량 센서를 불활성 가스 분위기 중에서 300℃ 이상의 온도에 있어서 10시간 이상의 기간에 걸쳐 유지한 후에 냉각하는 제6 공정을 포함하고,
상기 피복층은 폴리아미드이미드 및 폴리이미드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 또는 2의 유기 재료를 포함하고, 또한,
상기 제1 피복층의 막 두께가 10㎛ 이상이고, 또한
상기 제2 피복층의 막 두께가 6.0㎛ 이하인, 유량 센서의 제조 방법.

제1항에 있어서, 상기 센서 튜브의 중심선을 포함하는 평면으로 절단된 단면에 있어서, 센서 와이어의 하나의 단면의 주위에 형성된 상기 제2 피복층과, 상기 하나의 단면에 인접하는 센서 와이어의 다른 단면의 주위에 형성된 상기 제2 피복층의 간격이 10㎛ 이하인, 유량 센서의 제조 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 피복층은, 상기 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는, 유량 센서의 제조 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 피복층은, 상기 유기 재료를 포함하는 모재 중에 무기 재료가 미세하게 분산된 형태를 갖는, 유량 센서의 제조 방법.

제3항에 있어서, 상기 무기 재료가 실리카인, 유량 센서의 제조 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유기 재료가 폴리이미드인, 유량 센서의 제조 방법.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복층의 표면이 비산화성의 분위기 가스로 덮여 있는, 유량 센서의 제조 방법.

제1항 또는 제2항에 기재된 유량 센서의 제조 방법에 의해 제조된 유량 센서.

프로세스 가스가 흐르는 유로와,
상기 유로의 중간에 설치된 바이패스와,
제8항에 기재된 유량 센서와,
상기 센서 와이어 및 다른 저항 소자에 의해 구성된 브리지 회로를 포함하는 센서 회로를 갖고,
상기 유량 센서가 갖는 상기 센서 튜브가, 상기 바이패스의 상류측에서 상기 유로로부터 분기되고, 상기 바이패스의 하류측에서 상기 유로와 다시 합류하는, 질량 유량계.

제9항에 기재된 질량 유량계와,
상기 유로를 흐르는 프로세스 가스의 유량을 제어하는 유량 제어 밸브와,
상기 유량 제어 밸브를 구동하는 제어 회로를 갖는, 질량 유량 제어 장치.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

Images