微小流量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种微小流量传感器，其包括：流过测量对象流体的流路；检测部，具有加热所述流路内的测量对象流体的加热器以及测量所述流路内的测量对象流体的温度的温度传感器；计算部，基于由所述温度传感器测量到的所述测量对象流体的温度，测量流过所述流路的所述测量对象流体的流量；以及节流部，设置在所述流路上，并且位于所述检测部的上游，使所述流路变窄。
【专利说明】微小流量传感器
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2012年05月31日向日本特许厅提交的日本专利申请第2012-124744号的优先权，因此将所述日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及微小流量传感器。
【背景技术】
[0004]微小流量传感器通过检测流体的热量的移动，来测量流体的流量。以往，公开有将流路与检测部一体化的各种微小流量传感器。例如“田中仁章、外3名、"口 V 了夕m今Λ用微小流量七 > 寸”、横河技報、横河電機株式会社、2008年、V O 1.52 N ο.4 (2008) p.39 - 42 (田中仁章，另外三名，“微型反应器系统用微小流量传感器，横河技报，横河电机株式会社，2008年，Vol.52N0.4 (2008) p.39-42)”以及日本专利公开公报特开2010-230388号公开有所述的微小流量传感器。
[0005]图18A和图18B是日本专利公开公报特开2010-230388号中作为现有技术的例子记载的流量传感器a的结构说明图。图18A为立体图，图18B为图18A的B-B剖视图。
[0006]流量传感器a包括流量传感器芯片2和流路形成部件3。流路形成部件3的下侧的面3a与流量传感器芯片2的上侧的面2a接合。在流路形成部件3与流量传感器芯片2之间形成有微小的流路4。流路4中流过气体等测量对象流体。流路形成部件3由透明的玻璃芯片形成。流路4的两端部形成有流体导入口 4a和流体导出口 4b。流体导入口 4a与流体导出口 4b开口于流路形成部件3的上侧的面3b。作为测量对象流体的气体从流体导入口 4a导入流路4内，经过流路4内，从流体导出口 4b导出。
[0007]流量传感器芯片2具备硅基板5。如图18B所示，硅基板5的上侧的面上形成有氮化硅或二氧化硅的绝缘膜(薄膜)6。在绝缘膜6的上侧的面中的、与流路4的中央位置对应的位置处形成有流量检测部7。流量检测部7被氮化硅或二氧化硅的绝缘膜8覆盖。
[0008]在流量传感器芯片2的上侧的面2a的中央位置、且在流量检测部7的下方位置，形成有空洞状的凹部2c。由此，形成有流量检测部7的绝缘膜6中的覆盖凹部2c的部位，形成膜片形状。由此，流量检测部7与硅基板5之间热隔绝。
[0009]流量检测部7包括配置在绝缘膜6上的加热器和温度测量元件。温度测量元件以与加热器等距离的方式配置在加热器的上游和下游。加热器和温度测量元件例如由白金薄膜构成。流量检测部7为热方式检测部。此外，流量检测部7可以具有设置在硅基板5上的未图示的周围温度传感器。如果对流量检测部7的加热器通电，则加热器通过控制电路被加热到比由周围温度传感器测量到的气体的温度高一定温度的温度。由此，加热器加热流过流路4的气体。
[0010]当流路4中没有气体流过时，加热器的上游和下游形成均匀的温度分布。上游的温度测量元件与下游的温度测量元件显示对应于大致相等的温度的电阻值。另一方面，在流路4中流过气体时，加热器的上游和下游均匀的温度分布被破坏。例如，上游的温度变低，下游的温度变高。此外，包括上游的温度测量元件和下游的温度测量元件的惠斯通电桥电路，检测温度测量元件的电阻值差亦即温度差。流量传感器根据所述温度差测量流过流路4内的气体的流量。
[0011]所述流量传感器的测量原理是所谓3线热方式的。3线热方式根据配置在加热器的上游和下游的与加热器等距离的位置处的两个温度传感器的温度差，测量由加热器的加热形成的温度分布。所述温度分布依赖于流量。因此，根据所述温度分布能计算出流量。
[0012]但是，图18所示的流量传感器的流路4的形状为直线状。因此，例如如果在流量传感器的上游发生因配管的影响而造成的流速分布的紊乱等，则所述影响会直接到达流量传感器的检测部。其结果，存在流速分布和流量测量值的再现性大幅恶化的可能性。
[0013]通常，流过流路的流体具有依赖于流路的状态和流量等的流速分布。在某位置处的流速分布，主要依赖于比该位置更靠上游的流路状态。随着流体流过流路中，流速分布会发生变化。公知的是，流速分布的变化程度，随着向下游去而逐渐变小。此外，变化在某种程度停止，比该处更靠下游的流速分布是确定的。流速分布持续变化的区间被称为“助跑区间”。到变化停止且流速分布确定为止的距离被称为“助跑距离”。
[0014]流量传感器的测量值不论在原理上还是实用上都依赖于流速分布。特别是在日本专利公开公报特开2010-230388号所示方式的流量传感器中，检测部设置在流路壁的一部分上。因此，所述流量传感器的测量值非常依赖于流速分布。例如，紧靠流量传感器上游的配管的配置会影响检测部的流速分布。其结果，流量测量值的再现性恶化。
[0015]因此，为了提高测量的精度或再现性，重要的是确定检测部的流速分布。为了确定流速分布，在流量传感器的上游设置具有助跑距离(直管长度)的助跑区间，所述助跑距离具有一定长度(例如管直径的70倍左右)。如果在所述助跑区间的中途连接有弯管、阀或其他的流体设备，则因所述流体设备而存在流量的测量值产生变化的可能性。助跑区间较长时，组装有流量传感器的装置整体难以小型化。
【发明内容】
[0016]本发明的一个目的是提供一种小型的微小流量传感器，通过检测流体的热量的移动来测量流体的流量，具有优异的流速分布和流量测量值的再现性。
[0017]此外，本发明的另外的目的是提供一种微小流量传感器，具有优异的耐腐蚀性和耐药品性、高稳定性、小的零点变动、以及宽的测量流量范围。
[0018]本发明的微小流量传感器(本流量传感器)，其包括:流路，流过测量对象流体；检测部，具有加热所述流路内的所述测量对象流体的加热器以及测量所述流路内的所述测量对象流体的温度的温度传感器；计算部，基于由所述温度传感器测量到的所述测量对象流体的温度，测量流过所述流路的所述测量对象流体的流量；以及节流部，设置在所述流路上，并且位于所述检测部的上游，使所述流路变窄。
[0019]优选的是，所述温度传感器包括设置在所述加热器上游的上游传感器以及设置在所述加热器下游的下游传感器。在该情况下，优选的是，所述上游传感器与所述加热器的间隔等于所述下游传感器与所述加热器的间隔。此外，优选的是，所述上游传感器包括第一上游传感器和第二上游传感器，所述下游传感器包括第一下游传感器和第二下游传感器。在该情况下，优选的是，所述第一上游传感器与所述加热器的间隔等于所述第一下游传感器与所述加热器的间隔，所述第二上游传感器与所述加热器的间隔等于所述第二下游传感器与所述加热器的间隔。
[0020]优选的是，本流量传感器还包括相互接合的第一基板和第二基板，至少一方的基板具有划定所述流路的槽，所述第一基板具有与所述流路连通的两个孔，所述检测部以与所述流路重叠的方式设置在所述第二基板的外侧。此外，优选的是，所述检测部包括等间隔配置的加热器和多个温度传感器。
[0021]此外，在所述结构中，优选的是，所述孔的一方是用于向所述流路导入流体的流入口。此外，优选的是，所述节流部包括台阶部，所述台阶部形成于所述槽与所述流入口的边界。
[0022]此外，在所述结构中，优选的是，所述第一基板和所述第二基板分别具有用于划定所述流路的槽。此外，所述第二基板的槽的宽度Du与所述第一基板的槽的宽度Dd，满足Du = Dd的关系。
[0023]此外，优选的是，在本流量传感器中，所述流路包括管状体。
[0024]此外，在本流量传感器中，优选的是，所述计算部在基于所述下游传感器的检测结果检测出流量之后，根据所述上游传感器的检测结果对该流量进行修正。
[0025]本流量传感器具有使流路变窄的节流部。由此，在节流部的下游，流体的流速分布稳定。其结果，本流量传感器具有流速分布和流量测量值的很高的再现性。
[0026]在本流量传感器中，从节流部起的上游的流体的流速分布，一度被所述节流部消除。紧靠节流部下游的流速分布依赖于节流部的形状。此外，在节流部的下游，助跑区间从节流部重新开始。本流量传感器利用了所述的流体的性质。
[0027]如上所述，在本流量传感器中，流体的流速分布与节流部的形状对应。由此，节流部上游的流速分布的影响被减轻。此外，在本流量传感器中，节流部发挥整流器这样的作用。即，节流部使紧靠其下游的流速分布成为对应于所述节流部的形状的分布。
[0028]在本流量传感器中，优选的是，检测部配置在对应于助跑区间的位置。所述助跑区间是流路中的流速分布持续变化的区间。由检测部检测出的流速分布，按照节流部的形状与距节流部的距离被大体唯一确定。因此，可以排除在本流量传感器的上游的配管的影响。因此，能提高流量测量值的再现性。
[0029]发明的微小流量传感器，其包括:流路，流过测量对象流体；检测部，具有加热所述流路内的所述测量对象流体的加热器以及测量所述流路内的所述测量对象流体的温度的温度传感器；计算部，基于由所述温度传感器测量到的所述测量对象流体的温度，测量流过所述流路的所述测量对象流体的流量；以及节流部，设置在所述流路的所述检测部的上游，使所述流路变窄。
[0030]所述微小流量传感器具有使流路变窄的节流部。由此，在节流部的下游，流体的流速分布稳定。其结果，所述流量传感器具有流速分布和流量测量值的很高的再现性。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1A?图1C是表不基于本发明的一个实施方式的微小流量传感器的一个结构例子的结构说明图。[0032]图2A?图2C是图1B所示的微小流量传感器的孔的内壁部分不同例子的放大图。
[0033]图3A和图3B是表示与有无图2A?图2C所示的台阶部(节流部)对应的流量测量值的再现性的评价特性例子的图。
[0034]图4A和图4B是微小流量传感器的基板之间的接合面上的流路壁槽宽度差的说明图。
[0035]图5是表示图4A和图4B所示的槽宽度差与流量测量值的再现性的关系的评价特性的例子的图。
[0036]图6是以3线热方式进行流量测量的微小流量传感器的简要结构图。
[0037]图7是表示通过图6所示的微小流量传感器得到的温度分布特性的例子的图。
[0038]图8A和图8B是表示3线热方式的流量测量的原理的图。
[0039]图9是以TOF方式进行流量测量的微小流量传感器的简要结构图。
[0040]图1OA和图1OB是用于说明TOF方式的测量原理的图。
[0041]图11是表示根据流量分别使用3线热方式(差/和方式)和TOF方式时的测量结果特性的例子的图。
[0042]图12A和图12B是通过将图1B所示的微小流量传感器及其一部分简化并放大得到的剖视图。
[0043]图13是表示温度传感器的温度信号特性的例子的图。
[0044]图14是表示基于经由测量对象流体传导的热量的温度信号特性的例子的图。
[0045]图15A?图15C是表示本发明其他的实施例的结构说明图。
[0046]图16A和图16B是表示本发明其他的实施例的结构说明图。
[0047]图17是表示本发明其他的实施例的结构说明图。
[0048]图18A和图18B是表示以往的微小流量传感器的一个例子的结构说明图。
【具体实施方式】
[0049]在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。
[0050]图1A?图1C是表不本实施方式的微小流量传感器(本流量传感器)的一个实施例的结构说明图。图1A为俯视图，图1B为图1A的A-A’剖视图。图1C为图1A的B-B’剖视图。
[0051]如图1A?图1C所示，本流量传感器的基板(第一基板)10与基板(第二基板)20通过贴合而接合在一起。
[0052]所述两个基板10和基板20由例如派热克斯(Pyrex,注册商标)这样的玻璃制成。两个基板10和基板20通过半导体加工被分别加工为规定的形状。在本流量传感器中，气体或液体等测量对象流体从流路FP的一端的流入口 IN流入后，沿箭头FLW所示的方向流过流路FP内，从另一端的流出口 OUT流出。
[0053]在一方的基板10上，以规定的间隔设有孔11和孔12。所述两个孔11和孔12在与另一方的基板20接合的接合面上的开口直径，小于在另一个面上的开口直径。此外，在所述两个孔11和孔12的与基板20接合的接合面上设有槽13。槽13具有与孔11和孔12的开口直径大致相同的宽度。所述槽13划定流路FP。此外，孔11划定流路FP的流入口IN，孔12划定流路FP的流出口 OUT。所述孔11、孔12和槽13的加工通过例如喷砂进行。
[0054]在另一方的基板20的与基板10接合的接合面上设有槽21。槽21通过与槽13重合，由此作为流路FP与槽13成为一体。
[0055]在基板20的另一个面上的、槽21 (流路FP)的中央附近设有检测部30。检测部30包括加热器31和多个温度传感器32?35。
[0056]加热器31和多个温度传感器32?35设置成以加热器31为中心，相互大致为等间隔，并且与槽21大致垂直。加热器31和多个温度传感器32?35由例如白金薄膜构成。另外，所述加热器31和温度传感器32?35的两端设有用于与外部连接的焊盘图案。
[0057]图2A?图2C为孔11的内壁部分的不同例子的放大图。孔11构成流路FP的流入口。图2A和图2B表示了在基板10与基板20之间设有台阶部的情况。图2C表示了在基板10与基板20之间未设有台阶部的情况。图2A和图2B中所示的台阶部作为节流部发挥功能。即，所述台阶部(节流部)发挥功能，使得流路FP变窄(使流路FP的截面面积(直径)减小)。
[0058]在图2A和图2B的例子中，台阶部形成于形成在基板10上的孔11与形成在基板20上的槽21 (参照图1B)的边界(或孔11的内壁)。通过调整槽21或孔11的尺寸，可以将所述的台阶部作为能得到所期望的效果的节流部形成。无需用于制造节流部的特别的设计或加工。
[0059]图3A和图3B是表示与有无图2A?图2C所示的台阶部(节流部)对应的流量测量值的再现性的评价特性的例子的图。图3A表示了具有台阶部(节流部)情况下的评价特性。图3B表示了没有台阶部(节流部)情况下的评价特性。如图3B所示，在例如0.25mL/min的高流量区域，当没有台阶部(节流部)时，测量值的最大的变化量接近40%。与此相对，如图3A所示，当设有台阶部(节流部)时，测量值的最大的变化量收敛到接近2%。因此判明了，通过设置台阶部(节流部)，能够提高再现性。
[0060]由此，根据台阶部的形状和距台阶部的距离而大体唯一确定由检测部30检测的流速分布。由此，可以排除本流量传感器的上游的配管的影响。因此，能提高流量测量值的再现性
[0061]另外，如图1C所示，具有槽13的基板10与具有槽21的基板20相互接合。由此，流路FP被划定。槽13和槽21的截面呈大致半圆形。在此，槽13和槽21的尺寸存在加工上的尺寸公差。因此，如图4A和图4B所示，在基板10与基板20的接合面上，流路壁上出现了台阶。
[0062]所述流路壁的台阶的形成位置和功能，与图1B、图2A和图2B所示的台阶部不同。在图4A所示的例子中，设有检测部30的基板20的槽21的宽度Du，大于未设置检测部30的基板10的槽13的宽度Dd (Du > Dd)。在图4B所示的例子中，基板20的槽21的宽度Du,小于基板10的槽13的宽度Dd (Du < Dd)。
[0063]如图4A或图4B所示，这些流路壁的台阶使得在槽21或槽13中的具有更大宽度的槽中产生涡流。在图4A所示的例子中，所述涡流产生在设有检测部30的基板20的槽21中。此时，流量测量值的偏差变大。
[0064]因此，如图4B所示，使基板20的槽21的宽度Du小于基板10的槽13的宽度Dd(Du<Dd)。由此，涡流发生在未设置有检测部30的基板10的槽13中。由此，能抑制因产生的涡流引起的流量测量值的偏差。
[0065]图5是表示评价特性的例子的图，所述评价特性表示图4A和图4B所示的槽宽度的差(Du-Dd)与流量测量值的再现性的关系。按照所述图5所示的结果，通过以使设有检测部30的基板20的槽21的宽度Du与基板10的槽13的宽度Dd满足Du含Dd的关系的方式形成槽、以及将槽21的宽度Du与槽13的宽度Dd的差(Dd-Du)设置在10 μ m以下，由此能显著提高流量测量值的再现性。
[0066]将两个基板10和基板20接合时，不使用粘接剂。通过例如在比用低熔点玻璃接合时的温度更高的温度下的热熔接工序来实施接合。由此，能够抑制粘接剂溶出到测量对象流体中。其结果，能得到很高的耐药品性和耐压性。
[0067]通过利用热熔接使两个基板10和基板20接合，划定流路FP。而后,采用例如溅射或蒸镀等半导体加工，将例如白金薄膜以规定形状覆盖基板20侧，由此形成检测部30。检测部30包括加热器31和温度传感器32?35。即，在薄膜电阻(检测部30)成膜前，进行基板的接合。因此，作为接合方法，可以选择能实现很高的耐腐蚀性和耐压性的热熔接。
[0068]在通过热熔接接合的两个基板10和基板20的基板20外侧的面上，通过溅射或蒸镀设置有检测部30。由此，能够得到基于检测部30与基板20的高的紧密附着性的很高的稳定性。此外，能够抑制加热器31和温度传感器32?35直接暴露在测量对象流体中。由此，能够提高检测部30的耐腐蚀性。
[0069]优选的是，所述检测部30设置在本流量传感器的中央部。按照该结构，在流量为零时，由加热器形成的温度分布成为上下游对称。由此，能够抑制零点变动的发生。
[0070]如果检测部30偏离中央部，则流量为零时的温度分布有时在上下游不对称。在该情况下，因周围温度变化等环境变化，非对称的程度也发生变化。其结果，流量测量值的零点发生移动。对此，通过将检测部30设置在中央部从而使温度分布对称，由此即使环境发生变化，也能维持温度分布的对称性。即，能够抑制零点变动的发生。
[0071]在本流量传感器中，流量是微小的。因此，本流量传感器的尺寸小。为此，作为利用了本流量传感器的流量的测量方法，可以举出例如以下所示的三种流量测量方式等利用热量的方式。
[0072]这些方式可以通过设置在流路壁的一部分上的检测器进行测量。因此，通过将所述的方式应用于流入口具有节流部的本流量传感器，能够充分发挥本流量传感器的测量效果O
[0073]S卩，作为流量的测量方法，可以例举:(1)3线热方式(差分方式(差動式))；(2) 3线热方式(差/和方式)；以及(3)热方式(T0F方式)。
[0074]图6是利用(I)和(2)的3线热方式进行流量测量的本流量传感器的简要结构图。在图6中，针对与图1A共通的部分，标注了相同的附图标记。如图6所示，加热器31、温度传感器(下游传感器)33以及温度传感器(上游传感器)34，与计算控制部(计算部)40连接。
[0075]加热器31由计算控制部40控制。S卩，计算控制部40控制加热器31，使得划定流路FP的槽21的温度成为比流过流路FP的测量对象流体的温度高几度的一定的温度。此夕卜，计算控制部40基于温度传感器33和温度传感器34的测量温度，进行在下面说明的规定的计算处理。[0076]图7是表示通过图6所示的本流量传感器得到的温度分布特性的例子的图。在图7中，用实线表示的特性CH1，是流过流路FP的测量对象流体的流量为零时的温度分布。该温度分布具有以加热器31为中心的上下游对称的形状。即，温度传感器33的测量温度与温度传感器34的测量温度成为大致相同的值。
[0077]如果流路FP中流过测量对象流体，则沿测量对象流体的流动方向，特性CHl的温度分布的对称性被破坏。如用虚线表示的特性CH2所示，所述温度分布具有变形。所述温度分布的变形量依赖于流过流路FP的测量对象流体的流量。即，下游的温度传感器33和上游的温度传感器34的测量温度之差(温度差)TD依赖于测量对象流体的流量。
[0078]图8A和图8B是表示流量测量的原理的图。图8A表示了差分方式。图8B表示了差/和方式。在图8A中，横轴为流量，纵轴为图7的温度差TD。在测量对象流体的测量流量进入范围AR的状态下，计算控制部40通过差分计算(差動演算)，计算出测量对象流体的流量。
[0079]可是，由于范围AR比较窄，有时难以进行所期望的流量测量。这时如图SB所示，计算控制部40求出温度传感器33与温度传感器34的测量温度之和(温度和)TA。而后，计算控制部40通过用图7的温度差TD除以所述温度和TA，计算出标准化温度差信号NT。
[0080]由此，可以判明:如果关注测量流量范围，则相比于仅利用温度差TD作为温度差信号的情况，测量流量范围扩大了。
[0081]此外，通过如上所述地将温度差信号标准化，还可以去除周围温度的影响。
[0082]图9是用(3)的热方式(T0F (飞行时间(Time of Flight))方式)进行流量测量的本流量传感器的简要结构图。在图9中，针对与图1A共通的部分，标注了相同的附图标记。如图9所示，加热器31和温度传感器32?35与计算控制部40连接。温度传感器32作为下游传感器和/或第二下游传感器发挥功能。温度传感器33作为下游传感器和/或第一下游传感器发挥功能。温度传感器34作为上游传感器和/或第一上游传感器发挥功能。温度传感器35作为上游传感器和/或第二上游传感器发挥功能。
[0083]图1OA和图1OB是用于说明TOF方式的测量原理的图。图1OA表示了加热器31的驱动波形。图1OB表示了温度传感器32和温度传感器33的输出信号波形。
[0084]通过计算控制部40，图9的加热器31以如图1OA所示的矩形的驱动波形被驱动。加热器31对流过流路FP的测量对象流体进行局部加热。
[0085]如图1OB所示，下游的两个温度传感器32和温度传感器33，检测由加热器31局部加热的测量对象流体的温度上升部分。温度传感器32检测到温度上升部分的时间与温度传感器33检测到温度上升部分的时间之差，依赖于测量对象流体的流量。另外，作为所述时间差的测量方法，例如可以举出(a)相互相关法以及(b)阈值法。
[0086]计算控制部40基于位于下游的温度传感器32、33这两个温度传感器的测量温度，进行前述的规定的计算处理。由此，计算控制部40计算出测量对象流体的流量。
[0087]在所述三个方式中，(I)的3线热方式(差分方式)最适合于低流量区域的测量。(2)的3线热方式(差/和方式)，适合于比低流量区域更高流量范围的测量。在(3)的TOF方式中，低流量区域中的由测量对象流体运送的热量的到达变慢。因此，TOF方式基本上不适合低流量区域的流量测量。TOF方式适合于流量比适合3线热方式(差/和方式)测量的流量区域高的高流量区域中的测量。因此，优选的是，根据流量范围分别使用所述的三种方式。由此,可以将本流量传感器应用于更大的流量范围。
[0088]图11是表示根据流量分别使用(2)的3线热方式(差/和方式)和(3)的TOF方式时的测量结果特性的例子的图。图11是双对数图，横轴为设定流量，纵轴为测量流量。如“〇”所示，在设定流量为0.0lmL/min-0.3mL/min的范围内，流量通过(2)的3线热方式(差/和方式)测量。如“▲”所示，在设定流量为0.3mL/min-50mL/min的范围内，流量通过(3)的TOF方式测量。所述的测量结果沿着具有45度倾角的直线。
[0089]图1A-图1C所示的本流量传感器，具有流路内设有节流部(台阶部)的结构。检测部30包括加热器31和温度传感器32-35。此外，在本流量传感器中，可以将检测部30设在基板20的与基板10接合的接合面不同的另一个面上，所述基板20上形成有构成流路FP的槽21。因此，本流量传感器可以抑制检测部30接触到测量对象流体。由此,本流量传感器具有很高的耐腐蚀性和耐药品性。
[0090]另外，本流量传感器按照以下的步骤进行与加热器31的发热相关的温度信号的修正。由此，本流量传感器能够以高精度测量流过流路FP的测量对象流体的流量。
[0091]图12A和图12B为将图1B简化并放大得到的剖视图。图12A是整体结构图。图12B是检测部30周边的放大图。沿测量对象流体的流向，以夹持加热器31的方式在加热器31的前后设有温度传感器33和温度传感器34。温度传感器33和温度传感器34的温度信号的特性，成为例如图13所示的特性。
[0092]例如，当用TOF方式测量流过流路FP的测量对象流体的流量时，计算控制部40根据温度传感器32和温度传感器33输出的温度信号来计算流量。温度传感器32和温度传感器33设置在加热器31的下游。在此，关注温度传感器33测量的、起因于加热器31的发热的温度信息。温度传感器33的温度信号是通过在经由测量对象流体传导的热量thl的信号成分上叠加经由基板20直接传导的热量th2的信号成分而得到的。可是，经由基板20直接传导的热量th2的信号成分是与测量对象流体的流量无关的、成为误差的主要原因的信号成分(误差成分)。所以，为了以高精度对测量对象流体的流量进行测量，计算控制部40修正所述误差成分。
[0093]另一方面，温度传感器34位于加热器31的上游。温度传感器34和加热器31的距离与温度传感器33和加热器31的距离大致相等。因此，经由测量对象流体传导的热量thl不会到达温度传感器34。经由基板20直接传导的热量th2到达温度传感器34。即，温度传感器34的温度信号可以被视为与经由基板20直接传导的热量th2的信号成分大致相同。
[0094]因此，通过从温度传感器33的温度信号减去温度传感器34的温度信号，抽出经由测量对象流体传导的热量thl的温度信号。图14表示了如上所述地抽出的、经由测量对象流体传导的热量thl的温度信号的一个例子。通过所述的修正，能得到更准确的测量对象流体的流量测量结果。[0095]另外，温度传感器32和温度传感器35的位置关系，与温度传感器33和温度传感器34的位置关系相同。即，温度传感器32位于加热器31的下游。另一方面，温度传感器35位于加热器31的上游。温度传感器35和加热器31的距离，与温度传感器32和加热器31的距离大致相等。
[0096]因此，计算控制部40可以按照与上述相同的步骤，通过从温度传感器32的温度信号减去温度传感器35的温度信号，抽出经由测量对象流体向温度传感器32直接传导的热量的温度信号。可以更准确地进行测量对象流体的流量测量。
[0097]在所述实施例中，基板10和基板20这两个基板上分别设有截面为半圆形的槽13和槽21。通过将基板10和基板20这两个基板接合，在检测部30上游的流入口 IN的部分形成台阶部。但是不限于此，例如如图15A所示，本流量传感器也可以具有图1A和图1B所示的具备孔11的基板(第一基板)10以及成为基板10的盖的平板状的基板(第二基板)20。通过将基板10与基板20接合，可以在检测部30上游的流入口 IN的部分设置节流部。
[0098]在图15A所示的例子中，基板10上设有孔11和槽13，基板20形成为平板状。但是，所述的槽的形成不限于基板10。在图15B和图15C所示的例子中，基板10为平板状，尽管有孔11但是没有槽。另一方面，基板50具有台阶部51和槽52。在图15B所示的例子和图15C所示的例子中，基板50的台阶部51和槽52的尺寸不同。
[0099]此外，如图16A和图16B所示，本流量传感器还可以具有三个基板10、50、60。通过将所述三个基板接合来设置节流部。在图16A和图16B所示的例子中，基板(第一基板)10具有孔11。基板(第二基板)50是配置在基板10与基板60之间的中间层。基板(第三基板)60形成为平板状。基板60成为基板10和基板50的盖。
[0100]如图16A和图16B所示，基板50具有锥台面。在图16A的例子中，所述锥台面与设置在基板10上的孔11的内壁一起，形成没有台阶部的节流部。在图16B的例子中，基板50的锥台面与设置在基板10上的孔11的内壁一起形成台阶部。
[0101]图15A、图15B、图15C、图16A和图16B所示的任意一个本流量传感器，都在流路的
检测部30的上游设有节流部。其结果，相比于不具备节流部的流量传感器，本流量传感器的流速分布和流量测量值的再现性得到提高。
[0102]另外，所述各实施例所示的基板10、20、50、60，都是实施了规定的加工的玻璃基板。但是，所述基板不限于玻璃基板。所述的基板也可以是例如陶瓷基板。
[0103]此外，在所述各实施例中，通过层叠粘合基板形成流路。但是不限于此，例如如图17所示，流路也可以是管道或导管等管状体70。管状体70由例如具有优异的耐腐蚀性和耐药品性的材质制成。在图17所示的例子中，管状体70中形成有节流部80。通过例如将环体嵌装固定在管状体70的上游端部的内壁上，由此形成节流部80。
[0104]本发明中的流路和形成(划定)于流路的检测部上游的节流部，不限于所述的实施例。流路和节流部可以采用各种方式。
[0105]如上所述，本流量传感器是通过检测流体中的热量的移动来测量流体的流量的小型的微小流量传感器。按照本流量传感器，能够实现流速分布和流量测量值的很高的再现性。
[0106]此外，本流量传感器具有优异的耐腐蚀性和耐药品性以及很高的稳定性。此外,本流量传感器的零点变动变小，并且测量流量范围变大。本流量传感器特别适于微小流量的测量。
[0107]另外，本发明的微小流量传感器，也可以是以下的第一微小流量传感器?第六微小流量传感器。
[0108]第一微小流量传感器，根据由检测部检测出的热量的移动，测量流过微小流路的测量对象流体的流量，所述检测部包括设置在流路外侧的加热器和多个温度传感器，流路的上游设有节流部。
[0109]第二微小流量传感器是在第一微小流量传感器中，将在至少任意一个基板上设置有形成流路的槽且在任意一个基板上设有与流路连通的孔的至少两个基板接合，在接合后的基板的外侧以与流路重叠的方式设置有检测部，并在位于检测部上游的流路内部设置有节流部。
[0110]第三微小流量传感器是在第二微小流量传感器中，在流路的流入口的内壁上形成有作为节流部发挥作用的台阶部。
[0111]第四微小流量传感器是在第一微小流量传感器中，分别设有形成流路的槽且在任意一个基板上设有与流路连通的孔的两个基板，以通过槽形成流路的方式接合，以使在设有检测部的基板上设置的槽的宽度Du与在另一方的玻璃基板上设置的槽的宽度Dd满足Du ≤ Dd的关系的方式，形成以与流路重叠的方式设置于接合后的基板外侧的检测部。
[0112]第五微小流量传感器是在第一微小流量传感器中，通过管状体形成流路。
[0113]第六微小流量传感器是在第一微小流量传感器~第五微小流量传感器中的任一个微小流量传感器中，使用设置在加热器上游的温度传感器的输出信号进行流量的修正计算。
[0114]按照第一微小流量传感器~第六微小流量传感器，通过在流路的内部设置节流部，节流部下游的流速分布稳定。由此，第一微小流量传感器~第六微小流量传感器具有流速分布和流量测量值的很高的再现性。
[0115]按照所述的微小流量传感器，通过在流路内部设置节流部，节流部下游的流速分布变得稳定，从而能实现流速分布和流量测量值的再现性。
[0116]当在流路内设置节流部时，进入节流部的流速分布在节流部一度被消除、且紧靠节流部下游的流速分布依赖于节流部的形状。此外，在节流部的下游，助跑区间从该处重新开始。利用所述性质，通过在流量传感器内部设置节流部，使流速分布与节流部的形状对应，能减小节流部上游的流速分布的影响，并且使节流部发挥整流器的作用，所述整流器使紧靠节流部下游的流速分布成为由节流部的形状决定的流速分布。
[0117]在此，尽管检测部位于助跑区间内且流速分布处于持续变化的状态，但是检测部的流速分布由节流部的形状和距节流部的距离唯一确定，因此可以排除流量传感器上游的配管的影响，从而能够提高作为流量测量值的再现性。
[0118]出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。
【权利要求】
1.一种微小流量传感器，其特征在于包括: 流路,流过测量对象流体； 检测部，具有加热所述流路内的所述测量对象流体的加热器以及测量所述流路内的所述测量对象流体的温度的温度传感器； 计算部，基于由所述温度传感器测量到的所述测量对象流体的温度，测量流过所述流路的所述测量对象流体的流量；以及 节流部，设置在所述流路上，并且位于所述检测部的上游，使所述流路变窄。
2.根据权利要求1所述的微小流量传感器，其特征在于，所述温度传感器包括设置在所述加热器上游的上游传感器以及设置在所述加热器下游的下游传感器。
3.根据权利要求2所述的微小流量传感器，其特征在于，所述上游传感器与所述加热器的间隔等于所述下游传感器与所述加热器的间隔。
4.根据权利要求2所述的微小流量传感器，其特征在于， 所述上游传感器包括第一上游传感器和第二上游传感器， 所述下游传感器包括第一下游传感器和第二下游传感器， 所述第一上游传感器与所述加热器的间隔等于所述第一下游传感器与所述加热器的间隔， 所述第二上游传感器与所述加热器的间隔等于所述第二下游传感器与所述加热器的间隔。
5.根据权利要求1所述的微小流量传感器，其特征在于， 所述微小流量传感器还包括相互接合的第一基板和第二基板， 至少一方的基板具有划定所述流路的槽， 所述第一基板具有与所述流路连通的两个孔， 所述检测部以与所述流路重叠的方式设置在所述第二基板的外侧。
6.根据权利要求5所述的微小流量传感器，其特征在于， 所述孔的一方是用于向所述流路导入流体的流入口， 所述节流部包括台阶部，所述台阶部形成于所述槽与所述流入口的边界。
7.根据权利要求6所述的微小流量传感器，其特征在于， 所述第一基板和所述第二基板分别具有用于划定所述流路的槽， 所述第二基板的槽的宽度Du与所述第一基板的槽的宽度Dd，满足Du ^ Dd的关系。
8.根据权利要求1所述的微小流量传感器，其特征在于，所述流路包括管状体。
9.根据权利要求2所述的微小流量传感`器，其特征在于，所述计算部在基于所述下游传感器的检测结果检测出流量之后，根据所述上游传感器的检测结果对该流量进行修正。
【文档编号】G01F1/68GK103453959SQ201310204632
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】田中仁章, 寺尾美菜子, 田中宏明 申请人:横河电机株式会社