特許 6688059 熱式流量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6688059

(24)【登録日】2020年4月7日

(45)【発行日】2020年4月28日

(54)【発明の名称】熱式流量センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/69 20060101AFI20200421BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/69 A

   G01F1/69 C

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-238038(P2015-238038)

(22)【出願日】2015年12月4日

(65)【公開番号】特開2017-102091(P2017-102091A)

(43)【公開日】2017年6月8日

【審査請求日】2018年11月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(72)【発明者】

【氏名】奥村 勝弥

(72)【発明者】

【氏名】西脇 圭亮

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３００４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−１７２８４２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平４−３４３０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平７−１６１２９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第４５１９２４６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平７−２６５１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２４４８９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ １／００− ９／０２

Ｇ０１Ｋ １／００−１９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が流れる導管に、温度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を巻回したセンシング部を有する熱式流量センサであって、
前記導管の外面に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の外面に形成された溝とを備え、
前記発熱抵抗体が、前記溝に沿って巻回されている熱式流量センサ。

【請求項2】

前記発熱抵抗体を前記導管の外側から覆う第２絶縁層をさらに備え、
前記第２絶縁層の熱伝導率が、前記第１絶縁層の熱伝導率よりも小さい請求項１記載の熱式流量センサ。

【請求項3】

前記絶縁層が、無機材料から形成されている請求項１又は２記載の熱式流量センサ。

【請求項4】

前記導管が、金属から形成されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の熱式流量センサ。

【請求項5】

流体が流れる導管に、温度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を巻回したセンシング部を有する熱式流量センサの形成方法であって、
前記導管の外面に第１絶縁層を形成し、
前記第１絶縁層の外面に溝を形成し、
前記溝に沿って前記発熱抵抗体を巻回することを特徴とする熱式流量センサの形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱式流量センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

熱式流量センサとしては、特許文献１に示すように、流体が流れるメイン流路と、このメイン流路から分岐したセンサ流路と、このセンサ流路に設けられた流量検出機構とを備えたものがある。

【0003】

この流量検出機構は、センサ流路を形成する導管に、温度に応じて抵抗値が変化する一対の発熱抵抗体を巻回して構成されるセンシング部と、このセンシング部の出力信号を用いてメイン流路を流れる流体の質量流量を算出する流量算出部とを備えている。

【0004】

従来の発熱抵抗体は、その外側周面がポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂等の絶縁性樹脂により被覆されている。

【0005】

ここで、熱式流量センサを例えば半導体製造プロセスに用いる場合には、前記センシング部の温度は、通常２００℃未満である。このため、前記絶縁性樹脂の熱劣化による絶縁性の低下を考慮する必要はない。

【0006】

しかしながら、近年の半導体製造プロセスでは、固体材料を昇華させた材料ガスが用いられることなどにより、材料ガスが高温化している。そうすると、前記センシング部の温度が、絶縁性樹脂の耐熱温度を超える場合がある。その結果、絶縁性樹脂が熱劣化して、その絶縁性が低下し、発熱抵抗体同士が短絡する恐れがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００９−３００４０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、熱式流量センサのセンシング部の耐熱温度を上げることをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

すなわち本発明に係る熱式流量センサは、流体が流れる導管に、温度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を巻回したセンシング部を有する熱式流量センサであって、前記導管の外面に設けられた第１絶縁層と、前記第１絶縁層の外面に形成された溝とを備え、前記発熱抵抗体が、前記溝に沿って巻回されていることを特徴とする。

【0010】

この熱式流量センサであれば、発熱抵抗体が第１絶縁層の外面に形成された溝に沿って巻回されているので、ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂により被覆された発熱抵抗体を用いる必要が無い。したがって、第１絶縁層を例えばアルミナなどの無機材料から形成することで、ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂を不要にすることができ、熱式流量センサのセンシング部の耐熱温度を上げることができる。
また、溝に沿って発熱抵抗体が巻回されるので、絶縁性樹脂を用いずに発熱抵抗体同士の短絡を防止することができ、また、発熱抵抗体の巻回作業を容易にすることができる。
さらに、溝に発熱抵抗体の一部が配置されるので、溝内面と発熱抵抗体の接触面積を大きくし、また、発熱抵抗体を導管に近づけることができる。これにより、導管への熱伝達効率を向上させることができ、流量測定の精度を向上させることができる。

【0011】

発熱抵抗体から外部への放熱を低減して、流量測定の精度を向上させるためには、前記発熱抵抗体を前記導管の外側から覆う第２絶縁層をさらに備え、前記第２絶縁層の熱伝導率が、前記第１絶縁層の熱伝導率よりも小さいことが望ましい。また、この第２絶縁層は、発熱抵抗体を導管に固定する機能も奏する。

【0012】

前記導管が、金属から形成されていることが望ましい。これならば、前記第２絶縁層による被覆の効果を一層顕著にすることができる。つまり、発熱抵抗体からの熱を、導管を介して、流体へ効率良く伝えることができる。

【発明の効果】

【0013】

このように構成した本発明によれば、発熱抵抗体が第１絶縁層の外面に形成された溝に沿って巻回されているので、ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂により被覆された発熱抵抗体を用いる必要が無い。したがって、熱式流量センサのセンシング部の耐熱温度を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態のマスフローコントローラの構成を示す模式図である。

【図2】同実施形態のセンシング部の構成を示す断面図である。

【図3】同実施形態のセンシング部の製造工程を示す模式図である。

【図4】センシング部の変形例を示す断面図である。

【図5】センシング部の別の変形例を示す断面図である。

【図6】本発明の熱式流量センサを用いたマスフローコントローラの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に本発明に係る熱式流量センサの一実施形態について図面を参照して説明する。

【0016】

本実施形態の熱式流量センサ１００は、例えば半導体製造装置に組み込まれて半導体製造プロセスに用いられるものである。
具体的にこの熱式流量センサ１００は、図１に示すように、流体である試料ガスＧが流れるメイン流路２と、このメイン流路２から分岐して試料ガスＧを分流させるセンサ流路３と、試料ガスＧの流量を検出する流量検出機構４と、メイン流路２におけるセンサ流路３の分岐点Ｐと合流点Ｑの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する流体抵抗としての層流素子５とを備える。試料ガスとしては、例えばＳＦ_６等の半導体処理用ガスや半導体材料ガス等である。

【0017】

なお、層流素子５は、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比が所定の設計値となるようにするものである。この層流素子５は、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材から構成されている。
具体的に層流素子５としては、複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を用いることができる。

【0018】

メイン流路２は、流体導入ポート２１及び流体導出ポート２２を有する概略直管状のメイン流路管２０により形成されている。なお、メイン流路２は、概略直方体形状をなすブロック体に形成された内部流路であっても良い。

【0019】

センサ流路３は、メイン流路管２０に接続されたセンサ流路管３０により形成されている。センサ流路管３０は、概略逆Ｕ字形状をなす中空細管（導管）である。本実施形態のセンサ流路管３０は、ステンレス等の金属製である。なお、センサ流路管３０は、金属以外の他の素材を用いて形成することができる。

【0020】

流量検出機構４は、メイン流路２を流れる試料ガスＧの流量を検出するものである。この流量検出機構４は、センサ流路３に分流した流量を検出するためのセンシング部４１と、当該センシング部４１の出力信号を取得してメイン流路２を流れる試料ガスＧの少なくとも質量流量を算出する流量算出部４２とを備えている。

【0021】

センシング部４１は、センサ流路３における上流側に設けられた上流側コイル４１１と、センサ流路３における下流側に設けられた下流側コイル４１２とを有する。

【0022】

上流側コイル４１１は、センサ流路３の上流側におけるセンサ流路管３０の外側周面３０ａに発熱抵抗体６を巻き付けて構成されている。また、下流側コイル４１２は、センサ流路３の下流側におけるセンサ流路管３０の外側周面３０ａに発熱抵抗体６を巻き付けて構成されている。

【0023】

上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２の発熱抵抗体６は、温度に応じて電気抵抗値が変化する金属線から形成されている。

【0024】

流量算出部４２は、前記上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２が構成の一部とされた電気回路であり、ブリッジ回路、増幅回路及び補正回路等を備えている。この流量算出部４２は、試料ガスＧの瞬時流量をセンサ部４１１、４１２によって電気信号（電圧値）として検出してセンサ流路３中の試料ガスＧの流量を算出する。そして、流量算出部４２は、メイン流路２とセンサ流路３との分流比に基づいて、メイン流路２中の試料ガスＧの流量を算出する。また、流量算出部４２は、その算出流量に応じたセンサ出力信号（流量測定信号）を出力する。

【0025】

しかして、本実施形態の熱式流量センサ１００では、図２に示すように、前記センサ流路管３０の外側周面３０ａに螺旋溝７が形成されている。

【0026】

この螺旋溝７は、前記上流側コイル４１１及び前記下流側コイル４１２の設置範囲に亘って形成されている。螺旋溝７のピッチは、発熱抵抗体６を螺旋溝７に沿って巻回した場合に、互いに隣接する巻回単位要素（発熱抵抗体の一巻き分）が互いに接触しない程度としてある。

【0027】

なお、螺旋溝７の断面形状は、前記発熱抵抗体６の断面に対応する形状である。本実施形態では、発熱抵抗体６の断面形状は円形であり、前記螺旋溝７の断面形状は部分円弧状である。螺旋溝７の深さは、発熱抵抗体６の少なくとも一部を収容する深さであればよい。なお、螺旋溝７の断面形状としては、Ｖ字形状、Ｕ字形状、矩形状、又は、底に向かって幅が小さくなる台形状等であっても良い。

【0028】

また、この螺旋溝７は、絶縁層８（以下、第１絶縁層８という。）により被覆されている。第１絶縁層８は、螺旋溝７全体を被覆しており、螺旋溝７の内面だけでなく、螺旋溝７の内面に連続したセンサ流路管３０の外側周面３０ａの一部も被覆している。本実施形態の第１絶縁層８は、センサ流路管３０の流路方向に沿って螺旋溝７全体を含む範囲において、センサ流路管３０の外側周面３０ａ全周を被覆している。
この第１絶縁層８は、例えばアルミナ等の電気絶縁性を有する無機材料から形成されている。また、第１絶縁層８は、例えば蒸着又は溶射等により形成された薄膜であり、略均一の膜厚を有するものである。

【0029】

前記第１絶縁層８によって螺旋溝７を被覆することによって、第１絶縁層８の外側周面には、前記螺旋溝７に対応した螺旋溝９が形成される。

【0030】

そして、発熱抵抗体６は、第１絶縁層８の外側周面に形成された螺旋溝９に沿って巻回されることにより、第１絶縁層８を介して螺旋溝７に沿って巻回されている。

【0031】

本実施形態では、前記螺旋溝７（螺旋溝９）に巻回された発熱抵抗体６（上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２）が、センサ流路管３０の外側から第２絶縁層１０により被覆されている。つまり、発熱抵抗体６（上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２）は、第１絶縁層８及び第２絶縁層１０の２層により全体が覆われている。
この第２絶縁層１０は、例えばアルミナ等の電気絶縁性を有する無機材料から形成されている。また、第２絶縁層１０は、例えば蒸着又は溶射等により形成された薄膜である。

【0032】

次に、このセンシング部４１の形成方法の一例について、図３を参照して説明する。
センサ流路管３０の外側周面３０ａに、例えば切削加工等の機械加工によって、螺旋溝７を形成する（図３（Ａ））。
次に、螺旋溝７全体を覆うように、例えば蒸着又は溶射によって、例えばアルミナ等の無機材料からなる絶縁膜（第１絶縁層８）を形成する（図３（Ｂ））。
そして、第１絶縁層８の外側周面に形成された螺旋溝９に、絶縁性樹脂が被覆されていない発熱抵抗体６を巻回して、上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２を形成する（図３（Ｃ））。
その後、発熱抵抗体６及び第１絶縁層８を覆うように、例えば蒸着又は溶射によって、例えばアルミナ等の無機材料からなる絶縁膜（第２絶縁層１０）を形成する（図３（Ｄ））。この第２絶縁層１０を形成することにより、上流側コイル４１１及び下流側コイル４１２が、センサ流路管３０に固定される。
以上により、センシング部４１が形成される。

【0033】

このように構成した熱式流量センサ１００によれば、発熱抵抗体６が第１絶縁層８の外面に形成された螺旋溝９に沿って巻回されているので、ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂により被覆された発熱抵抗体６を用いる必要が無い。本実施形態では、第１絶縁層８を例えばアルミナなどの無機材料から形成することで、ポリイミド樹脂等の絶縁性樹脂を不要にすることができ、熱式流量センサ１００のセンシング部４１の耐熱温度を上げることができる。特に、第１絶縁層８としてアルミナを用いれば、熱伝導率が高いことから、熱式流量センサ１００の応答速度を速くすることができる。
また、螺旋溝９に沿って発熱抵抗体６が巻回されるので、絶縁性樹脂を用いずに発熱抵抗体６同士の短絡を防止することができ、また、発熱抵抗体６の巻回作業を容易にすることができる。
さらに、螺旋溝９に発熱抵抗体６の一部が配置されるので、溝９内面と発熱抵抗体６の接触面積を大きくし、また、発熱抵抗体６をセンサ流路３に近づけることができる。これにより、センサ流路３を流れる流体への熱伝達効率を向上させることができ、流量測定の精度を向上させることができる。

【0034】

発熱抵抗体６が、センサ流路管３０の外側から第２絶縁層１０により被覆されているので、発熱抵抗体６から外部への放熱を低減して、流量測定の精度を向上させることができる。

【0035】

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、第１絶縁層８が、螺旋溝７の内面及びそれに連続するセンサ流路管３０の外側周面３０ａの一部に亘って形成されているが、図４に示すように、螺旋溝７の内面のみに形成されたものであっても良い。この場合であっても、第１絶縁層８の外面に溝９が形成される。第２絶縁層１０を設けた場合には、第２絶縁層１０がセンサ流路管３０の外側周面３０に接触する。

【0036】

また、前記実施形態では、センサ流路管３０の外面に螺旋溝７が形成されることによって第１絶縁層８の外面に螺旋溝９が形成されているが、図５に示すように、センサ流路管３０に螺旋溝７を形成することなく、第１絶縁層８の外面に螺旋溝９を形成しても良い。

【0037】

さらに、第１絶縁層８に形成される溝は、螺旋溝に限られず、第１絶縁層８の外側周面の全周に亘って形成された複数の環状溝であっても良い。この環状溝は、互いにセンサ流路の流れ方向に離間して形成される。このとき、発熱抵抗体６は、この環状溝の周方向の一部に部分的に収容されてセンサ流路管３０に螺旋状に巻回される。その他、前記溝は、第１絶縁層８の外側周面の一部に亘って形成された複数の部分溝であっても良い。このとき、発熱抵抗体６は、この部分溝の周方向の全部又は一部に部分的に収容されてセンサ流路管３０に螺旋状に巻回される。

【0038】

また、第１絶縁層８及びセンサ流路管３０の間又は第１絶縁層８及び発熱抵抗体６の間に、その他の中間層を設ける構成としても良い。

【0039】

また、前記実施形態の第１絶縁層８及び第２絶縁層１０はともに、アルミナ等の同一の無機材料から形成しているが、両者を互いに異なる無機材料から形成しても良い。例えば、第２絶縁層１０の熱伝導率が、第１絶縁層８の熱伝導率よりも小さい材料とすれば、センサ流路管３０及び発熱抵抗体６の熱交換効率を妨げることなく、放熱を抑えることができる。

【0040】

前記実施形態のセンシング部は、上流側コイル及び下流側コイルの間にヒータを設けた構成としても良い。このセンシング部は、前記ヒータにより生じる温度分布の変化を、上流側コイル及び下流側コイルの温度差から検出して、流体の質量流量を検出する。この場合、上流側コイル及び下流側コイルを、前記実施形態のように第１絶縁層に形成された溝に沿って巻回する構成とする。また、ヒータを発熱抵抗体で構成する場合には、当該ヒータを絶縁層に形成された溝に沿って巻回する構成としても良い。なお、ヒータのみを絶縁層に形成された溝に沿って巻回する構成としても良い。

【0041】

前記実施形態の質量流量センサ１００をマスフローコントローラＺに用いても良い。この場合、低真空領域において高精度且つ高感度に流量を測定することができるため、非常に高精度な流量制御を実現し得るマスフローコントローラＺを提供することができる。

【0042】

この質量流量センサ１００を組み込むマスフローコントローラＺの具体的態様としては、例えば、図６に示すように、前記実施形態の質量流量センサ１００と、メイン流路２の合流点ＭＰより下流側に設けた流量制御バルブＺ１と、質量流量センサ１００の出力する流量測定信号の示す信号値（測定流量値）及び入力手段（図示しない）により入力される流量設定信号の示す目標流量である設定流量値に基づいて流量制御バルブＺ１の弁開度を制御する弁制御部Ｚ２と、を具備する。

【0043】

前記実施形態の質量流量センサ及びマスフローコントローラを半導体製造プロセス以外にも用いることができる。

【0044】

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0045】

１００・・・熱式流量センサ
３０ ・・・導管（センサ流路管）
４１ ・・・センシング部
６ ・・・発熱抵抗体
８ ・・・第１絶縁層
９ ・・・溝（螺旋溝）
１０ ・・・第２絶縁層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】