WO2005080925A1

WO2005080925A1 - 耐食金属製流体用センサ及びこれを用いた流体供給機器

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Publication number: WO2005080925A1
Application number: PCT/JP2005/000266
Authority: WO
Inventors: Kaoru Hirata; Nobukazu Ikeda; Kouji Nishino; Ryousuke Dohi
Original assignee: Fujikin Incorporated
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2005-09-01
Also published as: US20070168150A1; EP1719981A4; KR20070020203A; CN100520311C; TW200533897A; JP2005241279A; US7654137B2; TWI261667B; CA2554773A1; EP1719981A1; KR100820653B1; IL177153A0; CN1922469A

Abstract

　本発明は、熱式質量流量センサの耐食性を高めると共に、圧力変動に対する測定精度の安定化、応答性の向上、パーティクルフリー、製品品質のバラツキの防止及び圧力測定等を可能にした耐食金属製流体用センサと、これを用いた流体供給機器を提供するものである。　具体的には、本発明の耐食金属製流体用センサは、耐食性金属基板２と、当該耐食性金属基板２の接流体表面の裏面側に設けた温度センサ３ａと加熱用ヒータ３ｂとを形成する薄膜から成る質量流量センサ部１と、耐食性金属基板２の接流体表面の裏面側に設けた歪みセンサ素子４ａを形成する薄膜から成る圧力センサ部４とを備え、流体の質量流量及び圧力を計測するように構成されている。

Description

明細書

耐食金属製流体用センサ及びこれを用いた流体供給機器

技術分野

[0001] 本発明は、半導体製造装置のガス供給ライン等における質量流量及び又は圧力の検出に主として用いられるものであり、センサ部の接ガス面を全てステンレス鋼（S US316U等の耐食性を有する金属材により形成し、腐食性の強い流体に対しても優れた耐食性を具備すると共に、パーティクルフリー及びリークフリーの達成と検出精度の一層の向上とを可能とした耐食金属製流体用センサと、これを用いた流体供給機器に関するものである。

背景技術

[0002] 従前から化学分析装置等の技術分野に於いては、流体の質量流量測定用として、キヤビラリ型熱式質量流量センサやマイクロマシン技術により製作されたシリコン製超小型熱式質量流量センサが多く利用されている。

ところで、前者のキヤビラリ型熱式質量流量センサは、その構造からしてセンサの接ガス面をステンレス鋼で形成することが出来るため、被測定流体に対する耐食性を容易に高めることが出来ると云う特徴を有している。

[0003] し力、し、このキヤビラリ型熱式質量流量センサは、キヤビラリチューブを加熱するために、加熱ヒータ用抵抗線を巻き付けすることを必要とする。そのため、個々の製品センサ間に特性上のバラツキが生じやすいと云う問題がある。

また、キヤビラリチューブやヒータ用抵抗線の熱容量が比較的大きいため、質量流量センサの応答速度が低いと云う問題もある。

[0004] 一方、近年所謂マイクロマシン技術の発展に伴って、後者のシリコン製超小型熱式質量流量センサの開発並びに利用が拡大して来ており、化学関係分野のみならず、自動車等の機械工業の分野に於いても、広く利用に供されている。何故なら、このシリコン製超小型熱式質量流量センサは、一括処理により製造が可能なことから個々の製品センサ間の特性上のバラツキが少ないだけでなぐ小型化によって熱容量が小さくなつてレ、て、センサとしての応答速度が極めて高いとレ、う優れた特徴を有しているからである。

[0005] しかし、当該シリコン製超小型熱式質量流量センサにも解決すべき多くの問題点が残されており、その中でも特に解決を急がれる問題は、耐食性の点である。即ち、このシリコン製超小型熱式質量流量センサでは、接ガス面の構成材としてシリコンを使用しているため、ハロゲン系等の流体によって容易に腐食されると云う基本的な難点が存在する。

[0006] また、この質量流量センサでは、シール材としてエポキシ樹脂や〇リング等の有機材が用いられているため、パーティクルの放出や外部リークの発生が避けられず、その結果、半導体製造装置のガス供給ライン等へは適用することが出来ないと云う問題がある。

[0007] 更に、この質量流量センサでは、被測定流体の圧力が変動することによって質量流量の検出値が変動したり、或いは、質量流量センサをガス供給ラインへ取り付けする際の機械的な締込カ（又は押圧力）によってセンサ自体が歪み、これによつて質量流量の検出値にバラツキが生ずると云う問題がある。

[0008] ところで、上記シリコン製超小型熱式質量流量センサの有する問題点を解決するため、これ迄にも様々な技術が開発されている。

例えば、特開 2001-141540号ゃ特開 2001-141541号等では、図 20に示すようにシリコン基板 Aからなるフレーム Dの上面に形成した膜 Eの最外層に防温層 E を

6 設け、これによつて膜 Eの安定性を高めるようにしている。尚、図 20に於いて、 E — E

1 は膜 Eを形成する酸化ケィ素層、 E は窒化ケィ素層、 E は白金層、 Cはリード接続

3 4 5

用金具である。

[0009] 上述のように、上記図 20に示すシリコン製超小型熱式質量流量センサに於いては、フレーム Dの下面側に窒化ケィ素層 Eを設けたり、或いは、窒化ケィ素層から成る

4

防温層 E を設けることにより、膜 Eの耐水性や防湿性を高めるようにはしている。しか

6

し、フレーム Dそのものをシリコン基板 Aにより形成しているため、前記腐食等の問題に対して、基本的な解決を与えるには至っていない。

[0010] 特許文献 1 :特開 2001— 141540号公報

特許文献 2 :特開 2001 - 141541号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] 本発明は、従前の質量流量センサに於ける上述の如き問題、即ち（1)キヤビラリ型熱式質量流量センサでは、製品間の特性上のバラツキが生じ易いうえ、応答速度が低いこと、また、（2)シリコン製超小型熱式質量流量センサでは、耐食性に欠けるうえパーティクルの発生や外部リークの発生が避けられなレ、こと、及び被測定流体の圧力やセンサの取付機構の変化によって質量流量の検出値にバラツキが発生すること、等の問題を解決せんとするものであり、（a)マイクロマシン技術を用いて超小型で均一的な品質の製品を製造することができ、更に、（b)流体圧力の変動による検出値のバラツキを自動的に修正できると共に、（c)耐食性に優れ、（d)高応答速度やパーテイタルフリー、（e)外部リークレス、 f質量流量と流体圧力の両方の検出を可能にした耐食金属製流体用センサと、これを用いた流体供給機器を提供することを、発明の主たる目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0012] 本願発明者等は、マイクロマシン技術を活用してステンレス鋼等の耐食性金属基板の上に、質量流量センサ部に必要な 2個の測温抵抗や加熱用ヒータ、各素子間を連結するリード線及び圧力センサ部に必要な歪センサ素子やリード線等を薄膜体により形成することにより、（a)流体用センサの製品間の品質のバラツキを防止すると共に耐食性や応答性を高めること、更に (b)パーティクルフリーと外部リークレス、（c)流体圧力の検出及び流体圧力の変動による質量流量センサ検出値の変動の自動修正を図ること、（d)圧力センサ部により流体圧力のモニタ可能であることを着想し、当該着想に基づいて質量流量センサ部と圧力センサ部とを備えた流体用センサを試作し、その作動試験を重ねて来た。

[0013] 本発明は、上記着想と各種の試験結果をベースにして創作されたものであり、請求項 1の発明は、耐食性金属基板 2と、当該耐食性金属基板 2の接流体表面の裏面側に設けた温度センサ 3aと加熱用ヒータ 3bとを形成する薄膜から成る質量流量センサ部 3と、耐食性金属基板 2の接流体表面の裏面側に設けた歪みセンサ素子 4aを形成する薄膜から成る圧力センサ部 4とを備え、流体の質量流量及び圧力を計測するように構成したことを特徴とするものである。

[0014] 請求項 2の発明は、請求項 1の発明に於いて、耐食性金属基板 2を、その接流体表面を外方へ露出させた状態で耐食金属製のセンサベース 10の取付溝 10a内へ挿着し、耐食金属基板 2の外周縁を気密にセンサベース 10へ溶接する構成としたものである。

[0015] 請求項 3の発明は、請求項 1又は請求項 2の発明に於いて、圧力センサ部 4の出力により、質量流量センサ部 3の圧力に対する出力ドリフトを補正するようにしたものである。

[0016] 請求項 4の発明は、請求項 1、請求項 2又は請求項 3の薄膜 Fを、耐食性金属基板 2の接流体表面の裏面に形成した絶縁膜 5と、その上方に形成した温度センサ 3a、加熱用ヒータ 3b及び歪みセンサ素子 4aを形成する金属膜 Mと、絶縁膜 5及び金属膜 Mを覆う保護膜 6とから構成するようにしたものである。

[0017] 請求項 5の発明は、請求項 1から請求項 4の何れかに記載の耐食金属製流体用センサを流体制御機器に搭載し、流体制御時に流量及び圧力の確認が適宜行えるようにしたものである。

[0018] 請求項 6の発明は、請求項 2に記載の耐食金属製流体用センサ Sのセンサベース 1 0を、流体 Gを流入させる流体流入口 21aと流体を流出させる流体流出口 21c間を連通する流体通路 21bを備えたボディ 21の前記流体通路 21b内に金属ガスケット 27を介設して位置せしめ、前記センサベース 10を介して金属ガスケット 27を押圧することによりボディ 21とセンサベース 10との間の気密を保持すると共に、前記気密を保持するための金属ガスケット 27に対してその真上の部材の剛性を相対的に高くすることにより、当該金属ガスケット 27の押圧による質量流量センサ部 3及び圧力センサ部 4 の歪みを抑える構成としたものである。

発明の効果

[0019] 本発明では、従前のシリコン製超小型熱式質量流量センサの場合と同様に、マイクロマシン技術を活用して流体用センサを製造するため、製品間の品質上のバラツキを極めて小さなものにすることが出来る。また、センサ基板である耐食性金属基板 (例えば SUS316L製基板）を薄板に加工すると共に、抵抗線等を薄膜化することにより、センサ部の熱容量を極く小さなものにしているため、センサとしての応答速度が大幅に速くなる。

[0020] 本発明では、接ガス面を全て耐食性金属で構成すると共に、センサ部とセンサべースとの組立を溶接により行レ、、更にバルブボディ等への取付けをメタルガスケットシールにより行うようにしているため、コロージヨンフリーやパーティクルフリー、外部リークフリーの達成が可能となる。

[0021] カロえて、本発明では、質量流量センサ部と圧力センサ部とを同時に耐食性金属基板上に形成し、圧力センサ部の検出値により、流体圧力の変動による質量流量の変化量 (ドリフト量)を調整することが可能なようにしているため、より高精度な質量流量の検出が行なえると共に、必要に応じて圧力検出値を外部へ出力することができる。図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明に依る耐食金属製熱式質量流量センサのセンサ部の平面概要図である [図 2]図 1の A— A断面概要図である。

[図 3]本発明に依る耐食金属製熱式質量流量センサの作動原理の説明図である。

[図 4]センサ部の製造工程の説明図であり、（a)はステンレス鋼薄板の準備工程、（b) は絶縁膜 5の形成工程、（c)は CrZPtZCr膜 (金属膜 M)の形成工程、（d)は保護膜 6の形成工程、（e)は電極揷入孔の形成工程、（f)はステンレス鋼薄板の裏面エツチング工程、（g)はセンサ部 1の切り離しエッチング工程を夫々示すものである。

[図 5]耐食金属製流体用センサの一例を示す断面概要図である。

[図 6]本発明に依る流体用センサの質量流量検出のための信号検出用回路のブロック構成図である。

[図 7]流体圧力と流体センサ出力 Z温度センサのブリッジ回路出力との関係を示す線図である。

[図 8]本発明に依るセンサ部の諸特性を示す線図であり、 (a)は加熱用ヒータ温度と測温抵抗の抵抗値の関係、（b)は加熱用ヒータ電流と測温抵抗の抵抗値の関係、（c )はガス流量とセンサ出力の関係を夫々示すものである。

[図 9]圧力センサ部 4を用いて圧力変動に対する補償を行なった場合のセンサの流量特性を示す線図である。

[図 10]本発明に係る流体用センサの流量応答特性の一例を示す線図である。

[図 11]本発明に係る流体用センサ Sの流量特性の測定に用いた測定回路のフロー構成図である。

[図 12]本発明に係る流体用センサ Sの供給圧力変動に対する流量特性の測定に用いた測定回路のフロー構成図である。

[図 13]図 12の測定回路により測定した本発明の流体用センサ Sの供給圧力変動時の流量特性を示すものである。

[図 14]本発明に依る流体用センサの組付図の一例を示す断面図である。

[図 15]本発明に依る流体用センサの組付図の他の例を示す断面図である。

[図 16]本発明に係る流体用センサの組付図の更に他の例を示す断面図である。

[図 17]本発明に係る流体用センサの他の組付例を示す平面図である。

[図 18]図 17の B— B断面図である。

[図 19]図 17の側面図である。

[図 20]従前のシリコン製超小型熱式質量流量センサの概要を示す断面図である。符号の説明

Sは耐食金属製流体用センサ、 Fは薄膜、 M は質量流量センサ部を形成する金属

1

膜、 M は圧力センサ部を形成する金属膜、 Wは耐食性金属材料、 Gは被測定ガス、

2

1はセンサ部、 2は耐食性金属基板、 3は質量流量センサ部、 3aは温度センサ、 3a

1

、 3a は測温抵抗、 3bは加熱用ヒータ、 4は圧力センサ部、 4aは歪みセンサ素子、 5

2

は絶縁膜、 6は保護膜、 6aは質量流量センサ部用保護膜、 6bは歪みセンサ部用保護膜、 7は電極揷入孔、 9a ' 9bはレジスト、 10はセンサベース、 10aは取付け溝、 11 はヒーター駆動回路、 12aは圧力オフセット調整回路、 12bは質量流量オフセット調整回路、 13はオフセット調整回路 (微調整用）、 14はゲイン調整回路、 15a， 15bは差動増幅回路、 16は質量流量出力端子、 17は流体圧力出力端子、 4a -4a は歪

1 2 みセンサ素子、 18は信号処理回路、 19は乗算処理回路、 20は接手部、 21はボディ、 22はセンサベース押え、 23は配線用基板押え、 24は配線用基板、 25 · 26はガイドビン、 27は金属ガスケット、 28はゴムシート、 29はリードピン、 30はリード線（金線）、 31はボディ、 32は圧力検出器、 33はコントローノレ弁、 34は圧電型弁駆動装置、 3 5はオリフィス、 36はフィルタ、 37は中継基板、 38はベアリング、 39は取付ねじ穴、 4 0は Heガス源、 41は圧力調整器、 42は圧力式流量制御装置、 43はダイヤフラム真空ポンプ、 44は流体用センサ Sの駆動回路、 45はオシロスコープ、 46は信号発信器、 47は三方切換弁、 48はマスフローメータ、 P ·Ρ は圧力計、 49は圧力式流量制御

1 2

装置の 2次側管路（内容積が 15cc又は 50cc)、 50は圧力調整弁、 S は流体用セン

0

サ Sの流量出力、 F は圧力式流量制御装置の流量出力、 M はマスフローメータの

0 0

流量出力、 PTは 2次側圧力計の出力、 51は流体流入口、 52は流体流出口。

発明を実施するための最良の形態

[0024] [耐食金属製流体用センサの実施例 1]

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

図 1は、本発明に係る耐食金属製流体用センサの要部であるセンサ部 1の平面概要図であり、図 2は図 1の A— A視断面概要図である。

[0025] 当該センサ部 1は、薄い耐食性金属基板 2と、基板 2の上面に形成した絶縁膜 5と、絶縁膜 5の上面に形成した質量流量センサ部 3及び圧力センサ部 4と、質量流量センサ部 3及び圧力センサ部 4等の上面に形成した保護膜 6等とから形成されている。また、前記質量流量センサ部 3は温度センサ 3a及び加熱用ヒータ 3b等から、前記圧力センサ部 4は歪みセンサ素子 4a等から夫々形成されてレ、る。

更に、絶縁膜 5と、温度センサ 3aの測温抵抗 3a 、 3aや加熱用ヒータ 3b、導電用リ

1 2

ード部分（図示省略）、歪みセンサ素子 4a等を形成する金属膜 Mと、保護膜 6とから、耐食性金属基板 2の上面側 (接流体表面の裏面側）に薄膜 Fが形成されており、前記保護膜 6には、適宜の寸法を有する電極揷入孔 7がエッチング加工により形成されている。

[0026] ところで、被測定ガス Gは、図 2及び図 3に示すようにセンサ部 1の下面側（接流体表面側）を耐食性金属基板 2に沿って、図 2の矢印方向に流れる。この時耐食性金属基板 2には、ガス Gの有する熱量の一部が与えられることになり、その結果、耐食性金属基板 2の温度分布 Ttは、図 3に示すように、ガス Gの流れていないときの温度分布 Toから温度分布 Ttのように変化する。 [0027] 上記のように、ガス Gが流れることにより生じた耐食性金属基板 2の温度分布の変化は、温度センサ 3を形成する各測温抵抗 3a 、 3a の抵抗値の変化を介して測温抵

1 2

抗 3a 、 3a の両端の電圧値の変化として現れ、この電圧値の変化を差出力として検

1 2

出することにより、ガス Gの質量流量を検出することが出来る。

尚、上述の如き熱式質量流量センサの動作原理は、公知のシリコン製熱式質量流量センサの場合と同一であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

[0028] 同様に、被測定ガス Gの圧力は、歪みセンサ素子 4aの出力を介して連続的に検出されており、ガス Gの圧力変動は歪みセンサ素子 4aの出力変動として検出される。尚、後述するように、質量流量センサ部 3の出力は被測定ガス Gの圧力に略比例して変動するため、当該圧力センサ部 4の検出圧力値を用いて、質量流量センサ部 3 で検出質量流量の検出値の補正が行なわれる。

[0029] 前記センサ部 1を形成する耐食性金属材料 Wは、厚さによってセンサ部 1の熱容量が変化するため、質量流量センサ部 3の応答速度及びセンサ感度に影響を与える。図 1及び図 2を参照して、本実施形態に於いては、厚さ 150 μ ΐη以下のステンレス鋼薄板（SUS316L)を使用している。 150 μ ΐη以下にすることによってセンサ部 1の熱容量が小さくなり、応答速度やセンサ感度を上昇させることが出来るが、十分な応答速度やセンサ感度が得られるのであれば 150 μ m以上であっても良いことは勿論である。

[0030] 前記絶縁膜 5は、後述するように所謂 CVD法により形成された厚さ 1. 2 μ ΐη— 1. 8

/i mの酸化皮膜であって、本実施形態に於いては CVD (Chemical Vapor Depo sition)法により形成した厚さ 1. 5 111の310膜が絶縁膜 5として用いられている。

2

[0031] 前記測温抵抗 3a 、 3a及び加熱用ヒータ 3bは、前記絶縁膜 5上に質量流量セン

1 2

サ部用マスクパターン（図示省略）を用いて形成された金属膜 M力形成されており

1

、本実施形態では CrZPtZCr (厚さ 1 OZ 100/ 10 μ m)を蒸着法により順次積層して成る金属膜から、測温抵抗 3a 、 3a及び加熱用ヒータ 3b等が夫々形成されてい

1 2

る。

[0032] 同様に、歪みセンサ素子 4aは、前記絶縁膜 5上に歪みセンサ部用マスクパターン（図示省略）を用いて形成した金属膜 Mから形成されており、本実施形態では CrZC r Ni/Cr (厚さ 10 /i m/100 μ m/10 μ m)を蒸着法により順次積層して成る金属膜 Mから、歪みセンサ素子 4a等が形成されている。

2

[0033] 前記保護膜 6は、測温抵抗 3a 、 3aや加熱用ヒータ 3b、歪みセンサ素子 4a等の

1 2

上方を覆う膜体であり、本実施形態では CVD法により形成した厚さ 0. 4-0. 7 _M m ( 質量流量センサ部 3及び圧力センサ部 4)の SiO皮膜が用いられてレ、る。

2

また、当該保護膜 6には、プラズマエッチング法により適宜の形状の電極揷入孔 7 が設けられており、当該電極揷入孔 7を通して電極棒等の引出しが行われている。

[0034] 尚、センサ部 1を形成する耐食性金属基板 2の裏面側は、厚さ 150 μ m以下に仕上げられている。

また、センサ部 1は、最終的に所謂貫通エッチングカ卩ェによって耐食性金属材料 W から切り離され、この切り離されたセンサ部 1が、後述するように別途に形成した耐食金属製の流量センサベース 10へレーザ溶接等により気密状に固定されることにより、図 5に示す如き構造の本発明に依る耐食金属製流体用センサ Sが構成される。尚、 1 Oaはセンサベース 10に設けた取付溝である。

[センサ部の加工工程]

[0035] 次に、前記センサ部 1を形成する質量流量センサ部 3の製作加工工程を説明する。

図 4は、本発明で使用するセンサ部 1を形成する質量流量センサ部 3及び圧力センサ部 4の製造工程の説明図である。

[0036] 先ず、耐食性金属材料 Wとして適宜の形状寸法、例えば直径 70mm φ一 150mm

φ、厚さ 150 /i m以下のステンレス鋼薄板（SUS316L)を準備する（図 4 (a) )。尚、耐食性金属材料 Wとしては、ステンレス鋼薄板以外の金属薄板（例えば Cr Ni合金力成る不銹鋼板）でも良いことは勿論である。

[0037] 次に、前記準備したステンレス鋼薄板の外裏面に、 TE〇S (Tetra-Ethoxy-Sila ne) 用レヽるフフズマ CVD装處 (Plasma—Enhanced Chemical Vapor Depos ition Device)により厚さ約 1. の SiO 膜（絶縁膜） 5を形成する（図 4 (b) )。

2

[0038] その後、前記 Si〇膜 5の上に、電子ビーム加熱型蒸着装置と質量流量センサ部形

2

成用のフォトマスクパターン（図示省略）を用いて、 CrZPtZCr膜 (厚さ 10/100Z 10 z m)から成る測温抵抗 3a 、 3a及び加熱用ヒータ 3b等のパターンを金属膜 M により形成する（図 4 (c) )。

[0039] また、前記質量流量センサ部 3を形成する金属膜 M の形成が終れば、質量流量

1

センサ部形成用のフォトマスクパターンに替えて圧力センサ部形成用のフォトマスクパターン（図示省略)を用い、 SiO 膜 5上に前記電子ビーム加熱型蒸着装置により C

2

rZCr_Ni合金/ Cr膜（厚さ l OZ l OOZ l O x m)から成る歪みセンサ素子 4a等のパターンを金属膜 M により形成する（図 4 (d) )。

2

[0040] その後、前記図 4 (c)及び図 4 (d)の工程で形成した質量流量センサ部 3を形成する測温抵抗 3a 、 3a及び加熱用ヒータ 3b並びに圧力センサ部 4を形成する歪みセ

1 2

ンサ素子 4a等の上に、前記 TEOSを用いるプラズマ CVD装置により、厚さ約 0. 5 μ mの SiO膜 (保護膜) 6を形成する（図 4 (e) )。

2

[0041] 引き続き、 CFガスを用いるプラズマエッチング装置により、電極揷入孔の形成用フ

4

オトマスクパターン（図示省略）を用いて、前記保護膜 6に測温抵抗 3a 、 3aや加熱

1 2 用ヒータ 3b用の口径 200 μ mの電極取り出し用の孔（電極揷入孔 7)並びに歪みセンサ素子 4a用の口径約 100 μ mの電極取出し用の孔（図示省略）を穿設する（図 4 ( f) )。

[0042] 尚、 SUS316L材ゃ Crは CFガスによるプラズマに対して高い耐性を有しているた

4

め、 SiO 膜 6のエッチングが完了すれば、進行中のエッチングは自動的にストップす

2

る。その結果、所謂オーバーエッチングに至る危険性は全く無い。

[0043] 最後に、レジスト 9a, 9bを塗布したあと、塩化第 2鉄溶液（FeCl ' 40wt%)でもつ

3

てエッチング処理することにより円形に貫通させ、センサ部 1を材料 Wから切り離す。

[0044] 尚、材料 W力切り離した円形のセンサ部 1は、レジスト 9a、 9bを除去したあと、図 5 に示すような形状に形成されたセンサベース 10の取付溝 10a内へ嵌合され、外周縁部をレーザ溶接することによりセンサベース 10へ気密状に溶接固定される。これにより、本発明による耐食金属製流体用センサ Sが構成されることになる。

[0045] 図 6は、前記図 5に示した本発明に依る流体用センサ Sの質量流量検出のための信号検出用回路のブロック構成図であり、当該信号検出用回路は、質量流量センサ部 3と圧力センサ部 4とから成るセンサ部 1、ヒータ駆動回路 1 1、圧力オフセット調整回路 12a、質量流量オフセット調整回路 12b、オフセット調整回路 (微調整用） 13、ゲイン調整回路 14、差動増幅回路 15a, 15b、質量流量出力端子 16、流体圧力出力端子 17、信号処理回路 18及び乗算処理回路 19等から構成されている。尚、図 6に於いて、 3a 、 3a は温度センサ素子、 4a 、 4a は歪みセンサ素子である。

1 2 1 2

[0046] 図 6を参照して、ヒータ駆動回路 11の作動により、質量流量センサ部 3の加熱が行われ、被測定ガス Gの流通により、質量流量センサ部 3の温度センサ素子 3aを形成する上流側測温抵抗 3a及び下流側測温抵抗 3a の温度変化によって抵抗値が変

1 2

化すると、その変化が出力電圧の変化として差動増幅回路 15bへ入力され、その差動増幅出力が質量流量オフセット調整回路 12b、オフセット調整回路 13及び乗算処理回路 19を介して質量流量出力端子 16へ出力される。

[0047] 本発明のセンサ部 1を形成する耐食性金属基板 2は薄膜化されているため、ガス G が流れることにより、そのガス圧によってセンサ部 1が歪み、その結果温度センサ 3a の測温抵抗 3a 、 3a の抵抗値が変化し、これによつて温度センサ 3aのブリッジ出力

1 2

が変動することになる。

[0048] 図 7は、本発明の流体用センサ Sに於いて、圧力センサ部 4による調整 (即ち、図 6 における圧力オフセット調整回路 12aによるゲイン調整、信号処理回路 18からの出力によるオフセット調整回路 13による調整及びゲイン調整回路 14によるゲイン調整）をしない場合の流体圧力と、センサ Sの質量流量出力（出力端子 16の出力 mV)の関係を示すものであり、曲線 A、 B、 Cは三個のサンプルについての実測値（測温抵抗 3a 、 3aへの電流値 5mAの場合）を示すものである。

1 2

[0049] 尚、加熱用ヒータ 3bを作動させた場合と加熱用ヒータ 3bを作動させない場合の何れに於いても、流体圧力の変動によりセンサ Sの出力が変動し、また、同じヒータ作動電流であっても、上流側測温抵抗 3a と下流側測温抵抗 3a の流体圧力 Pに対する

1 2

抵抗値の変化量が、夫々異なることが実験により確認されてレ、る。

[0050] 上述の如ぐ通常の抵抗ブリッジ回路を用いた場合には、センサ部 1の出力が歪みの発生によって変化するという問題を生じるが、本発明で用いる信号検出用回路では、圧力センサ部 4からの出力により、その歪みセンサ素子 4a 、4a 、圧力オフセット

1 2

調整回路 12a及び信号処理回路 18等を介して上流側測温抵抗 3a及び下流側測

1

温抵抗 3a力出力される電圧値の増幅率及びオフセットを微調整する構成としているため、流体圧力 Pの印加により生じた各測温抵抗 3a 、 3a の出力電圧値の変化が

1 2

、前記各増幅率及びオフセットの調整によって消去されることになる。

その結果、ガス圧力によるセンサ部 1の出力変動を完全に抑えることが可能となり、高精度な質量流量の検出が可能となる。

[0051] 図 8は、本発明に依る流体用センサ Sの特性を示すものであり、図 8の（a)は加熱用ヒータ 3bの温度と抵抗値の関係、（b)は加熱用ヒータ 3bの電流値と抵抗値の関係、（ c)はガス流量（SCCM)と検出出力値 (V)との関係を夫々示すものである。

[0052] 尚、図 8の諸特性の測定に供した温度センサ 3aの加熱用ヒータ 3bの抵抗値は約 2

. 4k Q、測温抵抗 3a 、 3a の抵抗値は 2. Ok Q (両者は同一値）であり、加熱用ヒー

1 2

タ 3bに 10mAの電流を流すと共に測温抵抗 3a 、 3a には 1. 2mAの電流を流した。

1 2

また、流体圧力は lOOKPaGの一定値に保持している。

[0053] 更に、ガス流量を 0— 100SCCMの範囲で変化させた時のセンサ部 1の出力値の変化は約 1. 0Vであった（但し、出力値は OPアンプにより 500倍に増幅）。

[0054] 力 Qえて、センサ部 1の出力値は、後述する図 14に示した流体用センサ Sの流量センサベース 10と流体通路との間隙 (流路高さ）に依存するため、前記流路高さを調整することにより、流量測定可能範囲を適宜に切換えすることが出来る。

[0055] 図 9は、本発明に於ける圧力センサ部 4を作動させ、前記図 6に於ける圧力センサ部 4による調整を行なった場合の流体流量とセンサ出力の関係を示すものである。図 9に於いて、曲線 Aは流体圧力 lOOKPaGで圧力センサ部 4を作動させない場合（

1

即ち、前記図 8の曲線 C)を、曲線 A は流体圧力を 150KPaGに上昇させた場合を（

2

圧力センサ部 4は不作動、他の試験条件は曲線 Aの場合と同一）、曲線 A は流体

1 3 圧力 150KPaGで圧力センサ部 4を作動させた場合 (他の試験条件は曲線 Aの場

1 合と同一）を夫々示すものであり、本発明の流体用センサ Sに於いては、 lOOKPaG 力 150KPaGに流体圧力が変動しても、圧力センサ部 4を作動させることにより、流量一出力特性の変動をほぼ完全に防止できることが確認されている。

[0056] 図 10は、本発明に係る流体用センサ Sの流量応答特性の一例を示すものであり、ガス流量を 0— 100SCCMに設定した場合の特性を示すものである。

尚、図 10に於いて、曲線 SAは本発明に係る流体用センサ Sの流量応答特性であり、横軸の 1目盛は 250msecである。又、曲線 SFは、従前の圧力式流量制御装置に於ける質量流量センサの同一条件下での流量応答特性を示すものである。

[0057] 図 11は、前記本発明に係る流体用センサ Sのガス流量（SCCM)と検出出力値 (V )の関係（図 9)の測定に用いた測定回路のフロー構成図であり、 Heガス源 40から圧力調整器 41を通して圧力式流量制御装置 42へ Heガスを供給し、ダイヤフラム真空ポンプ 43により排気しつつその排気流量を圧力式流量制御装置 42により測定する。

[0058] 尚、被測定センサである本発明の流体用センサ Sは、圧力式流量制御装置 42の 1 次側流路に介揷されている。

また、図 11に於いて、 44は流体用センサ S (流量センサ）の駆動回路、 45はオシ口スコープ、 46は信号発信器であり、流体用センサ Sの流量出力 S はオシロスコープ 4

0

5へ入力され、圧力式流量制御装置 42による流量測定値 F と対比される。

0

[0059] 図 12は、前記本発明に係る流体用センサ Sの供給圧力が変動した場合のガス流量の測定回路のフロー構成図である。

図 12に於いて、 47は三方切換弁、 48はマスフローメータ、 49は 2次側管路（内容積 15cc又は 50cc)、 50は圧力調整弁（He流量 20SCCMで P 力 SlOOToorとなるよ

2

うに開度を調整）、 P ·Ρ は圧力計である。

1 2

[0060] 測定に際しては、三方切換弁 47を開閉することによりマスフローメータ 48、流体用センサ S (本発明品 *被測定センサ)及び圧力式流量制御装置 42へ供給する Heガスの圧力を変動させる。

尚、圧力式流量制御装置 42の 2次側管路 49は、その内容積が 15cc (又は 50cc) に選定されており、真空ポンプ 43を全負荷運転中に於いて Heガス流量が 20SCC Mの時に、圧力 P 力 SlOOTorrとなるように圧力調整弁 50により 2次側圧力 P が調整

2 2 されている。

また、オシロスコープ 45へは流体用センサ Sの検出流量 S とマスフローメータ 48の

0

検出流量 M 、圧力式流量制御装置 42の検出流量 F及び圧力測定値 P · Ρ が夫

0 0 1 2 々入力されており、夫々記録されている。

[0061] 図 13は、前記図 12の測定回路により測定した結果を示すものであり、供給圧力を 2 OOKPa' absから 150KPa' absへ変化させたときの各検出値 F 、 P 、 S 、M の変化の状態を示す。本発明の流体用センサ Sの流量検出値 S とマスフローメータ 48の

0

流量検出値 M とを対比した場合、供給圧力の変動に対して両者の流量検出値 S 、

0 0

M (流量信号）は夫々追随してレ、ることが判る。

0

[流体供給機器の実施例 1]

[0062] 図 14は、本発明の流体用センサ Sを設けた流体供給機器の一例を示すものであり、流体用センサ Sをガス流路に設けた接手部 20へ組み付けした状態を示すものである。図 14に於いて、 21は接手部 20のボディ、 22はセンサベース押え、 23は配線用基板押え、 24は配設用基板、 25はガイドピン、 26はガイドピン、 27は金属ガスケット、 28はゴムシート、 29はリードピン、 30はリード線（金線）である。

尚、前記ガイドピン 25 · 26は、ボディ 22内へ質量流量センサ Sを取り付けする際の位置決めをするためのものであり、センサベース 10とボディ 21間は金属ガスケット 27 により気密が保持されている。

[0063] また、流体流入口 21aから流入した流体ガス Gは、流体通路 21b内を流通する間にセンサ部 1によってその質量流量が検出され、流体流出口 21cから外部へ流出して行く。

本発明では、被測定ガス Gが SUS316L製の基板 2に接触しつつ流通するため、従前のシリコン製基板の場合のようにガス Gによって基板 2が腐食されることは全く無レ、。

[実施例 2]

[0064] 図 15は、本発明の流体用センサ Sを圧力式流量制御装置の本体部へ組付けした場合を示すものであり、図 15に於いて、 Sは流体用センサ、 31はボディ、 32は圧力検出器、 33はコントローノレ弁、 34は圧電型弁駆動装置、 35はオリフィス、 36はフィノレタである。

[実施例 3]

[0065] 図 16は、本発明の流体用センサ Sの組付け位置を変更したものであり、実質的には図 15の場合と略同一である。

尚、圧力式流量制御装置やその本体部の構成は、例えば特許第 3291161号、特開平 11—345027号等によって公知であるため、ここではその説明を省略する。また、流体用センサ Sの取付け方法は、図 14の場合と同様であるため、説明を省略する。

[実施例 4]

[0066] 図 17乃至図 19は、本発明の流体用センサ Sを流体制御器を構成する部材へ組み付けした他の例を示すものであり、図 17は平面図、図 18は断面図、図 19は側面図である。

尚、図 17乃至図 19に於いて、 37は中継基板、 38はベアリング、 39はセンサ Sの取付ねじ穴、 51は流体流入口、 52は流体流出口である。また、流体用センサ Sの取付け方法は、図 14や図 16の場合と同様であるため、説明を省略する。

産業上の利用可能性

[0067] 本発明は、半導体製造装置や各種化学品製造装置等のガス供給ラインにおける流体の質量流量及び又は圧力の検出に主として利用されるものである力 S、各種の産業分野に於けるガス供給ラインのガスの質量流量や圧力の検出に利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 耐食性金属基板と、当該耐食性金属基板の接流体表面の裏面側に設けた温度センサと加熱用ヒータとを形成する薄膜から成る質量流量センサ部と、耐食性金属基板の接流体表面の裏面側に設けた歪みセンサ素子を形成する薄膜力成る圧力センサ部とを備え、流体の質量流量及び圧力を計測するように構成したことを特徴とする耐食金属製流体用センサ。

[2] 耐食性金属基板を、その接流体表面を外方へ露出させた状態で耐食金属製のセンサベースの取付溝内へ挿着し、耐食金属基板の外周縁を気密にセンサベースへ溶接する構成とした請求項 1に記載の耐食金属製流体用センサ。

[3] 圧力センサ部の出力により、質量流量センサ部の圧力に対する出力ドリフトを補正するようにした請求項 1又は請求項 2に記載の耐食金属製流体用センサ。

[4] 薄膜を、耐食性金属基板の接流体表面の裏面に形成した絶縁膜と、その上方に形成した温度センサ、加熱用ヒータ及び歪みセンサ素子を形成する金属膜と、絶縁膜及び金属膜を覆う保護膜とから構成するようにした請求項 1、請求項 2又は請求項 3 に記載の耐食金属製流体用センサ。

[5] 請求項 1から請求項 4の何れかに記載の耐食金属製流体用センサを流体制御機器に搭載し、流体制御時に流量及び又は圧力の確認が適宜行える構成としたことを特徴とする耐食金属製流体用センサを用いた流体供給機器。

[6] 請求項 2に記載の耐食金属製流体用センサのセンサベースを、流体を流入させる流体流入口と流体を流出させる流体流出口間を連通する流体通路を備えたボディの前記流体通路内に金属ガスケットを介設して位置せしめ、前記センサベースを介して金属ガスケットを押圧することによりボディとセンサベースとの間の気密を保持すると共に、前記気密を保持するための金属ガスケットに対してその真上の部材の剛性を相対的に高くすることにより、当該金属ガスケットの押圧による質量流量センサ部及び圧力センサ部の歪みを抑える構成としたことを特徴とする耐食金属製流体用センサを用いた流体供給機器。