JP2008039588A - フローセンサおよびマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ等の外部熱源からの影響を低減する。
【解決手段】マスフローコントローラは、流路６ａに配置されたフローセンサ４ａと、流体の流量を制御するバルブ５ａとを有する。フローセンサ４ａは、流体の上流側に配置された温度センサと、下流側に配置された温度センサとを有する。上流側の温度センサと下流側の温度センサとは、外部熱源であるバルブ５ａから等距離に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流速または流量を計測する熱式のフローセンサ、およびこのフローセンサを用いて流体の流量を制御するマスフローコントローラに関するものである。

従来より、流体の流速または流量を計測する熱式のフローセンサが提案されており（例えば、特許文献１、特許文献２参照）、フローセンサとバルブを組み合わせて流体の流量を制御するマスフローコントローラが製品化されている。
図１１（Ａ）は従来のマスフローコントローラの構成を示す平面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のマスフローコントローラのＡ−Ａ線断面図である。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）において、１は本体ブロック、２はセンサパッケージ、３はセンサパッケージ２のヘッド部、４はフローセンサ、５はバルブ、６は本体ブロック１の内部に形成された流路、７は流路６の入口側の開口、８は流路６の出口側の開口である。

流体は、開口７から流路６に流入してバルブ５を通過し、開口８から排出される。このとき、フローセンサ４は流体の流速または流量を計測する。
図１２（Ａ）はフローセンサ４の構成を示す平面図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のフローセンサ４のＢ−Ｂ線断面図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）において、４０は基台となるシリコンチップ、４１はシリコンチップ４０の上面に空間４２を設けて薄肉状に形成された例えば窒化シリコンからなるダイアフラム、４３はダイアフラム４１の上に形成された金属薄膜の発熱体（ヒータ）、４４はダイアフラム４１上のヒータ４３の上流側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体（温度センサ）、４５はダイアフラム４１上のヒータ４３の下流側に形成された温度センサ、４６は周囲温度センサ（金属薄膜の感熱抵抗体）、４７はダイアフラム４１を貫通するスリット、Ｐ１〜Ｐ６は電極パッドである。

ヒータ４３や温度センサ４４〜４６は例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層４８により覆われている。周囲温度センサ４６は、ヒータ４３からの熱の影響を受けずに、流体の温度を検出できるところに配置される。周囲温度センサ４６は、周囲温度、つまり流体の温度が変化したとき、その変化を補償するために用いられるものである。
フローセンサ４は、図１２（Ａ）に示した面が下になるようにしてセンサパッケージ２のヘッダ部３に搭載され、計測対象の流体に晒されるように本体ブロック１に装着される。

フローセンサ４による流量計測の原理を述べる。ヒータ４３は周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ４４，４５は定電流または定電圧で駆動される。計測対象の流体の流速が零のときには温度センサ４４，４５の温度は同一になり、温度センサ４４，４５の抵抗値に差は生じない。計測対象の流体の流れがあるときには、上流に位置する温度センサ４４は、ヒータ４３の方向へ向かう流体の流れにより熱が運び去られるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ４５は、ヒータ４３の方向からの流体の流れによって熱せられる。これにより、温度センサ４４と４５の抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧差として検出することにより、計測対象の流体の流速又は流量に応じた出力が求められる。そこで、予め流路断面平均流速または流量とセンサ出力回路によって検出される電圧差との関係を校正しておけば、センサ出力回路が検出した電圧差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。

マスフローコントローラの図示しない制御回路は、フローセンサ４の電圧出力から流体の流量を求め、この流量の値を予め設定された値と比較し、この比較結果に基づいてバルブ５への駆動電流を出力する。こうして、バルブ５を駆動することにより、流体の流量が設定値と一致するように制御される。

特開平５−９９７２２号公報 特開２００２−３４０６４６号公報

図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示した従来のマスフローコントローラでは、上流側の温度センサ４４と下流側の温度センサ４５とバルブ５とが直線上に配置されている。このような配置構造では、特にバルブ５がソレノイドバルブである場合、バルブ５を駆動したときに発生する熱によって、フローセンサ４が形成する温度分布が歪められてしまい。流量計測に誤差が生じるという問題点があった。

つまり、温度センサ４５はバルブ５の近くにあり、温度センサ４４は温度センサ４５に比べてバルブ５から遠くなっている。このため、バルブ５から発生する熱が温度センサ４４，４５に与える影響は同一ではなく、バルブ５に近い温度センサ４５の方が影響を受けやすい。バルブ５から発生する熱の影響がない場合には、温度センサ４４と４５の温度差は流体の流量（流速）に比例するが、バルブ５から発生する熱の影響がある場合には、温度センサ４４と４５の温度差は流量のみを反映したものではなくなるので、流量計測に誤差が発生する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バルブ等の外部熱源からの影響を低減することができるフローセンサおよびマスフローコントローラを提供することを目的とする。

本発明は、発熱手段を有し、流体の流れに起因する熱の授受による２点間の温度差又は奪われる熱量の差を求めることによって前記流体の流速又は流量を計測するフローセンサにおいて、前記流体の上流側に配置された温度センサと、前記流体の下流側に配置された温度センサとを有し、前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したものである。
また、本発明のマスフローコントローラは、前記フローセンサと、前記流体の流量を制御する、前記外部熱源であるバルブと、前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサの温度差から前記流体の流量を求めて、この流量の値に基づいて前記バルブを駆動する制御回路とを有するものである。

本発明によれば、上流側の温度センサと下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したことにより、外部熱源の熱が２つの温度センサに与える影響はほぼ同一となるので、外部熱源の熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のマスフローコントローラのＩ−Ｉ線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のマスフローコントローラのＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１において、１ａは本体ブロック、２ａはセンサパッケージ、３ａはセンサパッケージ２ａのヘッド部、４ａはフローセンサ、５ａはバルブ、６ａは本体ブロック１ａの内部に形成された流路、７ａは流路６ａの入口側の開口、８ａは流路６ａの出口側の開口である。

流体は、開口７ａから流路６ａに流入してバルブ５ａを通過し、開口８ａから排出される。後述のように、バルブ５ａは流体の流量を制御する。
フローセンサ４ａの構成は図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示したフローセンサ４と同一である。フローセンサ４ａは、図１２（Ａ）に示した面が下になるようにしてセンサパッケージ２ａのヘッダ部３ａに搭載される。そして、フローセンサ４ａを搭載したセンサパッケージ２ａは、本体ブロック１ａに装着される。このとき、フローセンサ４ａは、計測対象の流体に晒されるように、流路６ａの内部に突き出すようにして配置される。

図２はフローセンサ４ａの定温度差回路の回路図である。ヒータ４３と周囲温度センサ４６と３つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１とオペアンプＯＰ１とで定温度差回路を構成している。オペアンプＯＰ１は、ブリッジ回路の抵抗Ｒ１とヒータ４３の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端に共通に接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、ヒータ４３が周囲温度センサ４６よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。

図３はフローセンサ４ａのセンサ出力回路の回路図である。２つの温度センサ４４，４５と２つの固定抵抗Ｒ５，Ｒ６とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路とオペアンプＯＰ２とでセンサ出力回路を構成している。なお、温度センサ４４と固定抵抗Ｒ６の位置を入れ替えても良い。

図２に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によってヒータ４３を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体を図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）の矢印方向に流すと、ダイアフラム４１は流体によってその流速に比例して熱を奪われるため、ヒータ４３も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、定温度差回路のブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、オペアンプＯＰ１によってその反転入力と非反転入力間に生じる電圧に応じた出力電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体によって奪われた熱を補償するようにヒータ４３の発熱量が増加する。その結果、ヒータ４３の抵抗値が上昇することにより、定温度差回路のブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。

流体の流れによってヒータ４３近傍の温度分布が崩れると、ヒータ４３の上流側に位置する温度センサ４４と下流側に位置する温度センサ４５との間に温度差が生じるので、温度センサ４４と４５の抵抗値に差が生じる。図３に示すセンサ出力回路は、この抵抗値の差を電圧差として検出する。２つの温度センサ４４，４５の温度差は流体の流速に比例する。そこで、予め流路断面平均流速または流量とセンサ出力回路によって検出される電圧差との関係を校正しておけば、センサ出力回路が検出した電圧差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。

図３に示すマスフローコントローラの制御回路９は、フローセンサ４ａのセンサ出力回路の電圧出力から上記のようにして流体の流量を求め、この流量の値を予め設定された値と比較し、この比較結果に基づいてバルブ５ａへの駆動電流を出力する。こうして、バルブ５ａを駆動することにより、流体の流量が設定値と一致するように制御される。

前述のとおり、本実施の形態においても、フローセンサ４ａの構成は従来のフローセンサ４と同一である。ただし、本実施の形態では、フローセンサ４ａの温度センサ４４，４５を外部熱源であるバルブ５ａから等距離に配置した点が従来と異なる。このような配置に応じて、流路６ａはフローセンサ４ａに達する前に９０度折れ曲がり、フローセンサ４ａを通過したところで再び９０度折れ曲がるといったように、いわゆるクランク状の形状をしている。これにより、温度センサ４４は上流側に配置され、温度センサ４５は下流側に配置される。つまり、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示した従来のマスフローコントローラと図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示した本実施の形態のマスフローコントローラでは、センサパッケージ２ａを配置する角度が９０度異なり、図１（Ａ）では温度センサ４４が上側に配置され、温度センサ４５が下側に配置されることになる。

本実施の形態では、温度センサ４４，４５をバルブ５ａから等距離に配置したので、バルブ５ａの駆動時に熱が発生しても、この熱が温度センサ４４，４５に与える影響はほぼ同一となる。したがって、温度センサ４４と４５の温度差は流体の流量のみを反映したものとなるので、バルブ５ａから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができる。
なお、本実施の形態では、温度センサとして感熱抵抗体を用いたが、サーモパイルを用いてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサ４ａの構成を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のフローセンサ４ａのＢ−Ｂ線断面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、５０は基台となるシリコンチップ、５１はシリコンチップ５０の上面に空間５２を設けて薄肉状に形成された例えば窒化シリコンからなるダイアフラム、５３，５４はダイアフラム５１の上に形成された金属薄膜の発熱体、５５，５６は周囲温度センサ、５７はダイアフラム５１を貫通するスリット、Ｐ１〜Ｐ６は電極パッドである。発熱体５３，５４は、ヒータと温度センサを兼ねている。

本実施の形態は、第１の実施の形態で用いたフローセンサ４ａの別の例を示すものである。フローセンサ４ａの配置は第１の実施の形態で説明したとおりである。したがって、発熱体５３は上流側に配置され、発熱体５４は下流側に配置される。つまり、図１（Ａ）の場合で説明すれば、発熱体５３が上側に配置され、発熱体５４が下側に配置されることになる。

図５は図４のフローセンサ４ａの定温度差回路及びセンサ出力回路の回路図である。発熱体５３と周囲温度センサ５５と固定抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗Ｒ１０とコンデンサＣ２とオペアンプＯＰ３とで定温度差回路を構成している。オペアンプＯＰ３は、ブリッジ回路の抵抗Ｒ７と発熱体５３の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプＯＰ３の出力は、抵抗Ｒ７，Ｒ８の一端に共通に接続されている。抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９は、発熱体５３が周囲温度センサ５５よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。

同様に、発熱体５４と周囲温度センサ５６と固定抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗Ｒ１４とコンデンサＣ３とオペアンプＯＰ４とで定温度差回路を構成している。オペアンプＯＰ４は、ブリッジ回路の抵抗Ｒ１１と発熱体５４の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプＯＰ４の出力は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の一端に共通に接続されている。抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３は、発熱体５４が周囲温度センサ５６よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。

そして、オペアンプＯＰ５は、センサ出力回路を構成している。オペアンプＯＰ５は、抵抗Ｒ７と発熱体５３の中点電圧を非反転入力とするとともに、抵抗Ｒ１１と発熱体５４の中点電圧を反転入力とする。

２つのブリッジ回路への通電によって発熱体５３，５４を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体を図４（Ａ）、図４（Ｂ）の矢印方向に流すと、発熱体５３は流体によって熱が奪われ、発熱体５３の抵抗値は下がり、発熱体５３と周囲温度センサ５５と固定抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９とからなるブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、オペアンプＯＰ３の出力電圧がブリッジ回路に加えられることにより、流体によって奪われた熱を補償するように発熱体５３の発熱量が増加する。その結果、発熱体５３の抵抗値が上昇し、ブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。発熱体５４と周囲温度センサ５６と固定抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３とからなるブリッジ回路についても同様である。

こうして、図５のような回路で上流側の発熱体５３と下流側の発熱体５４の電圧差を検出することにより、流体の流速または流量および流れの方向が計測できる。図５に示す回路では、定温度差回路を２つ用い、発熱体５３および発熱体５４の端子間電圧の差をオペアンプＯＰ５で増幅して電圧出力とする。電圧出力の大きさで流速がわかり、その極性で方向を知ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は本発明の第３の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す断面図、図７は本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの構成を示す平面図である。なお、図７では、フローセンサ２１とバルブ５ａとの位置関係を説明するために、バルブ５ａの外形を模式的に描いている。
本実施の形態のマスフローコントローラは、フローセンサ２１と、このフローセンサ２１とともに流体の流路３０を形成する流路形成部材２２と、バルブ５ａと、制御回路（不図示）とを有する。

フローセンサ２１は、基板２４と、この基板２４の表面に形成された流速検出手段（ヒータ４３と温度センサ４４，４５と周囲温度センサ４６と電極パッドＰ１〜Ｐ６）とから構成される。このフローセンサ２１は、基板２４の表面に図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示したフローセンサの構成素子を形成したものである。したがって、このフローセンサ２１の定温度差回路とセンサ出力回路はそれぞれ図２、図３に示したとおりとなる。なお、基板２４の表面に図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した発熱体５３，５４と周囲温度センサ５５，５６と電極パッドＰ１〜Ｐ６とを流速検出手段として形成してもよく、この場合の定温度差回路及びセンサ出力回路は図５に示したとおりとなる。

基板２４は、矩形の板状に形成され、外周縁部が厚肉の固定部２４Ａを形成し、流路形成部材２２の表面に接合されている。基板２４の中央部は、裏面側に長円形の凹部２６が形成されることにより薄肉部２４Ｂを形成している。この薄肉部２４Ｂは、膜厚が５０〜１５０μｍ程度で、ダイアフラム構造のセンサ部を形成している。基板２４の材質としては、熱伝導率がシリコンに比べて低く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料、例えばステンレス、サファイアまたはセラミックスが用いられる。本実施の形態においては、板厚が０．５〜３ｍｍ程度のステンレスの薄板によって基板２４を形成した例を示している。基板２４がステンレス製の場合、１５０μｍ以上の厚さになると、基板２４の厚さ方向、つまり流体２と流速検出手段との間の熱の伝導効率が低下するとともに、基板２４の面と平行な方向の伝熱量（熱損出）が増加するため好ましくない。

基板２４の表面は鏡面研磨され、電気絶縁膜１３が全面にわたって形成されている。この電気絶縁膜１３の表面に、ヒータ４３と温度センサ４４，４５と周囲温度センサ４６と電極パッドＰ１〜Ｐ６とからなる流速検出手段が形成されている。電気絶縁膜１３としては、例えば厚さが数千オングストロームから数ミクロン程度の薄い酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、アルミナ膜、ポリイミド膜等がある。

流路形成部材２２は、基板２４と同様にステンレス製の細長い金属板からなり、表面中央に突設された外形が基板２４と略等しい凸部２２Ａと、２つの貫通孔４０，４１を有し、凸部２２Ａの上面に基板２４の固定部２４Ａが接合され、貫通孔４０，４１と基板２４の凹部２６が互いに連通して流体の流路３０を形成している。このような流路形成部材２２を基板２４と同一材料であるステンレスによって形成すると、ＹＡＧレーザー溶接等により異種金属を使用せずに両部材を溶接することができる。なお、流路形成部材２２は、アルミニウム、セラミックスなどでもよく、その場合はＯリングとボルト等を使用して接合する。勿論、流路形成部材２２がステンレスの場合でも、同様にＯリングとボルト等を使用して接合してもよい。

流体は、貫通孔４０から流路３０に流入して、貫通孔４１から排出される。貫通孔４１から出た流体をバルブ５ａに導き、フローセンサ２１のセンサ出力回路の電圧出力に基づいて、図３又は図５に示した制御回路９がバルブ５ａの開度を制御すれば、第１の実施の形態と同等のマスフローコントローラを実現することができる。
本実施の形態においても、図７に示すように温度センサ４４，４５をバルブ５ａから等距離に配置することにより、バルブ５ａから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができる。このように、フローセンサ２１が流体と接触しないタイプのマスフローコントローラにおいても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態では、第１の実施の形態に比べてフローセンサが流体の流れ方向に長く、流路形成部材２２との接触面積が大きいため、温度センサ４４と４５の温度差が外部熱源からの影響をより受け易くなる。また、本実施の形態では、基板２４が熱伝導率の高いシリコンではなく、ステンレス、サファイア、セラミックス等の熱伝導率の低い材料で作られているため、基板２４の面内での温度差ができ易い。したがって、上流側の温度センサ４４と下流側の温度センサ４５とを外部熱源から等距離に配置する効果は、本実施の形態においてより顕著となる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図８は本発明の第４の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す斜視図、図９は本発明の第４の実施の形態に係るセンサチップの構成を示す平面図、図１０は図９のセンサチップのＢ−Ｂ線断面図である。なお、図９では、センサチップとバルブ５ａとの位置関係を説明するために、バルブ５ａの外形を模式的に描いている。

本実施の形態のマスフローコントローラは、センサチップ１０２と、下面がこのセンサチップ１０２の上面に接合されたカバー部材としてのガラスチップ１０３と、センサチップ１０２の上面に形成された流量検出部１１０と、バルブ５ａと、制御回路（不図示）とを有する。ガラスチップ１０３は、透明なガラスで形成されており内部が透けて見えている。そのため、流量検出部１１０も透かして描いてある。また、ガラスチップ１０３と図１に示すマスフローコントローラの本体ブロック１ａの内部に形成された流路６ａとは、Ｏリングやパッキンなどのシール材を介して接続されている。あるいは、ガラスチップ１０３は、低融点ガラスや樹脂製接着シートなどで図１に示す本体ブロック１ａに気密接合されて、内部に形成された流路６ａに接続されている。

センサチップ１０２は、図９に示すように例えばシリコン基板１０４の上面１０４ａの中央に幅方向に全幅に亘り窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜１０５が形成されており、この絶縁膜１０５の中央位置に、ヒータ４３と温度センサ４４，４５と周囲温度センサ４６とが形成されている。このセンサチップ１０２は、絶縁膜１０５の表面に図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示したフローセンサの構成素子を形成したものである。したがって、このフローセンサ２１の定温度差回路とセンサ出力回路はそれぞれ図２、図３に示したとおりとなる。なお、絶縁膜１０５の表面に図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示した発熱体５３，５４と周囲温度センサ５５，５６とを形成してもよく、この場合の定温度差回路及びセンサ出力回路は図５に示したとおりとなる。

そして、これらのヒータ４３と温度センサ４４，４５と周囲温度センサ４６とは、図９、図１０に示すように窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜１０９により全体が被覆されている。ヒータ４３と温度センサ４４，４５と周囲温度センサ４６により流量検出部１１０が形成されている。
シリコン基板１０４の上面１０４ａにはヒータ４３と温度センサ４４，４５の下方位置に凹部１０４ｂが形成されており、絶縁膜１０５の凹部１０４ｂを覆う部位はダイアフラムとされている。これにより、ヒータ４３と温度センサ４４，４５とシリコン基板１０４とが熱的に遮断されている。

ガラスチップ１０３は、シリコン基板１０４と略同じ大きさの透明なガラス例えば硼珪酸ガラスで形成され、図８に示すように下面の中央に長手方向に沿って流量検出部１１０上に流体を流すための流路１１１が形成されている。流路１１１は、両端部１１１ａ，１１１ｂがガラスチップ１０３の上面に開口しており、センサチップ１０２に形成されている流量検出部１１０上を温度センサ４４側から温度センサ４５側に向かって流体を流すようになっている。従って、ガラスチップ１０３は、流体を流すための流路形成部材としての機能を有している。

流路１１１は、例えば、溶融成型やフッ酸エッチング等、或いはエンドミルやサンドブラスト等により加工しても良い。
ガラスチップ１０３に使用するガラスとしては、センサチップ１０２の基板（シリコン）と熱膨張係数が近いものが好ましく、例えば、硼珪酸ガラスなどが適している。
以上のセンサチップ１０２とガラスチップ１０３とを接合するには、流路１１１が流量検出部１１０の上方で、かつヒータ４３及び温度センサ４４，４５の配列方向に沿うようにガラスチップ１０３を配置し、ガラスチップ１０３の下面とシリコン基板１０４の上面１０４ａの間にフリットガラスと呼ばれる低融点ガラスを配して接合する。

他の接合方法として、陽極接合あるいは陽極接合と低融点ガラスの併用がある。陽極接合と低融点ガラスの併用でセンサチップ１０２とガラスチップ１０３とを接合するには、流路１１１が流量検出部１１０の上方で、かつヒータ４３及び温度センサ４４，４５の配列方向に沿うようにガラスチップ１０３を配置し、ガラスチップ１０３の下面をシリコン基板１０４の上面１０４ａに当接する。
続いて、ガラスチップ１０３の下面とシリコン基板１０４の上面１０４ａとを陽極接合によって接合する。絶縁膜１０５，１０９及び流量検出部１１０と対向するガラスチップ１０３の下面の部分には、逃げとなる溝を予め形成しておき、この溝に低融点ガラスを塗布して、仮焼成しておけばよい。陽極接合の際にかける熱により低融点ガラスを溶融させ、ガラスチップ１０３の溝とシリコン基板１０４の上面１０４ａとの隙間の間にある絶縁膜１０５，１０９及び流量検出部１１０からの薄膜配線パターンによる凹凸を埋めて確実に密着させる。陽極接合を行なうためには、ガラスチップ１０３がイオン伝導性を持っていることが必要であり、例えば、硼珪酸ガラスなどが適している。

流体は、端部１１１ａからガラスチップ１０３の流路１１１に流入して、端部１１１ｂから排出される。端部１１１ｂから出た流体をバルブ５ａに導き、センサチップ１０２のセンサ出力回路の電圧出力に基づいて、図３又は図５に示した制御回路９がバルブ５ａの開度を制御すれば、第１の実施の形態と同等のマスフローコントローラを実現することができる。
本実施の形態においても、図９に示すように温度センサ４４，４５をバルブ５ａから等距離に配置することにより、バルブ５ａから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は、マスフローコントローラに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るマスフローコントローラの構成を示す平面図および断面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるフローセンサの定温度差回路の回路図である。 本発明の第１の実施の形態におけるフローセンサのセンサ出力回路の回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係るフローセンサの構成を示す平面図および断面図である。 本発明の第２の実施の形態におけるフローセンサの定温度差回路及びセンサ出力回路の回路図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るフローセンサの構成を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係るセンサチップの構成を示す平面図である。 図９のセンサチップの断面図である。 従来のマスフローコントローラの構成を示す平面図および断面図である。 従来のフローセンサの構成を示す平面図および断面図である。

符号の説明

１ａ…本体ブロック、２ａ…センサパッケージ、３ａ…ヘッド部、４ａ，２１…フローセンサ、５ａ…バルブ、６ａ…流路、７ａ，８ａ…開口、９…制御回路、４０，５０…シリコンチップ、４１，５１…ダイアフラム、４３，５３，５４…ヒータ、４４，４５…温度センサ、４６，５５，５６…周囲温度センサ。

Claims (2)

1. 発熱手段を有し、流体の流れに起因する熱の授受による２点間の温度差又は奪われる熱量の差を求めることによって前記流体の流速又は流量を計測するフローセンサにおいて、
   前記流体の上流側に配置された温度センサと、
   前記流体の下流側に配置された温度センサとを有し、
   前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したことを特徴とするフローセンサ。
2. 請求項１記載のフローセンサと、
   前記流体の流量を制御する、前記外部熱源であるバルブと、
   前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサの温度差から前記流体の流量を求めて、この流量の値に基づいて前記バルブを駆動する制御回路とを有することを特徴とするマスフローコントローラ。

Images