特開 2024-89195 流量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089195

(43)【公開日】2024-07-03

(54)【発明の名称】流量センサ

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/684 20060101AFI20240626BHJP

【ＦＩ】

G01F1/684 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022204402

(22)【出願日】2022-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】池 信一

【テーマコード（参考）】

2F035

【Ｆターム（参考）】

2F035EA05

2F035EA08

(57)【要約】

【課題】流量センサの流路部分を小型化する。
【解決手段】流量センサ１０は、複数の電極３８Ａ等を備え、被測定流体の流量を測定するためのセンサチップ３０と、被測定流体の流路Ｒを形成する流路内面と流路内面に開口しセンサチップ３０を収容する収容孔２１Ｂとを備えるセンサパッケージ２１と、を備える。流量センサ１０は、流路内面に設けられた複数の電極パッド５１等と、複数の電極３８Ａ等の各表面と複数の電極パッド５１等の各表面とをそれぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤ４１等と、センサパッケージ２１内を通り、複数の電極パッド５１等の各裏面にそれぞれ接続され、複数の電極パッド５１等と処理回路７０とを電気的に接続する複数の導体６１等と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電極を備え、被測定流体の流量を測定するためのセンサチップと、
前記被測定流体の流路を形成する流路内面と前記流路内面に開口し前記センサチップを収容する収容孔とを備えるセンサパッケージと、
前記流路内面の前記収容孔の周囲に設けられた複数の電極パッドと、
前記複数の電極の各表面と前記複数の電極パッドの各表面とをそれぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤと、
前記センサパッケージ内を通り、前記複数の電極パッドの各裏面にそれぞれ接続され、前記複数の電極パッドと処理回路とを電気的に接続する複数の導体と、
を備える流量センサ。

【請求項2】

前記センサチップは、前記流路内面と面一の表面を備える、
請求項１に記載の流量センサ。

【請求項3】

前記センサパッケージは、前記流路内面を内面とする流路凹部を備え、
前記ボンディングワイヤは、前記流路凹部内に配置されている、
請求項１に記載の流量センサ。

【請求項4】

前記センサチップは、前記被測定流体の流量をセンシングするセンシング領域を備え、
前記複数の電極パッドは、前記流路の前記センサチップよりも上流側に配置された一以上の上流側電極パッドを含み、
前記複数のボンディングワイヤのうち前記一以上の上流側電極パッドに接続された一以上のボンディングワイヤは、前記センシング領域の前記被測定流体の流れ方向に沿った上流領域から外れた位置に配置されている、
請求項１に記載の流量センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定流体の流量を測定するための流量センサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、被測定流体の流路を形成する流路部材と、流路の内面上に配置されたセンサチップ及び複数の電極パッドと、センサチップの複数の電極と複数の電極パッドとをそれぞれ接続する複数のボンディングワイヤとを備える流量センサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－６８６４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の流量センサでは、センサチップ上を流れる被測定流体の流量を確保するため、被測定流体の流路の高さ（センサチップが設けられた第１面とこの第１面に対向する第２面との間の距離）を、センサチップの厚さ分余計に確保する必要がある。従って、その分、流量センサの流路部分の小型化が難しい。

【0005】

本発明は、流量センサの流路部分を小型化することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係る流量センサは、複数の電極を備え、被測定流体の流量を測定するためのセンサチップと、前記被測定流体の流路を形成する流路内面と前記流路内面に開口し前記センサチップを収容する収容孔とを備えるセンサパッケージと、前記流路内面の前記収容孔の周囲に設けられた複数の電極パッドと、前記複数の電極の各表面と前記複数の電極パッドの各表面とをそれぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤと、前記センサパッケージ内を通り、前記複数の電極パッドの各裏面にそれぞれ接続され、前記複数の電極パッドと処理回路とを電気的に接続する複数の導体と、を備える。

【0007】

一例として、前記センサチップは、前記流路内面と面一の表面を備えてもよい。

【0008】

一例として、前記センサパッケージは、前記流路内面を内面とする流路凹部を備え、前記ボンディングワイヤは、前記流路凹部内に配置されていてもよい。

【0009】

一例として、前記センサチップは、前記被測定流体の流量をセンシングするセンシング領域を備え、前記複数の電極パッドは、前記流路の前記センサチップよりも上流側に配置された一以上の上流側電極パッドを含み、前記複数のボンディングワイヤのうち前記一以上の上流側電極パッドに接続された一以上のボンディングワイヤは、前記センシング領域の前記被測定流体の流れ方向に沿った上流領域から外れた位置に配置されていてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る流量センサによれば、流路部分が小型化される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る流量センサを断面図である。

【図2】図２は、図１のセンサチップ、ワイヤボンディング、及び、電極パッドが設けられた部位を下方から見た図である。

【図3】図３は、変形例に係る流量センサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態及びその変形例について、図面を参照して説明する。各図では、同様の要素には同じ符号を付している。

【0013】

（実施形態）
図１及び図２に示す本実施形態に係る流量センサ１０は、流路部材２０と、センサチップ３０と、ボンディングワイヤ４１～４６と、電極パッド５１～５６と、導体６１～６６と、処理回路７０と、を備える。流量センサ１０は、被測定流体の流量を熱式で測定するように構成されている。なお、流量は、流速の形で測定されてもよい。

【0014】

流路部材２０は、流路Ｒ１～Ｒ３からなる被測定流体の流路Ｒを形成する部材である。流路部材２０は、センサパッケージ２１と、流路筐体２２と、シール部材２３と、を備える。

【0015】

センサパッケージ２１は、その下面に開口し、中間流路Ｒ２を形成する直方体形状の流路凹部２１Ａを備える。センサパッケージ２１は、中間流路Ｒ２を形成する流路内面つまり収容凹部２１Ａの内面のうちの底面に開口してセンサチップ３０を収容する直方体形状の収容孔２１Ｂをさらに備える。収容孔２１Ｂは、ここでは、凹部状の有底孔として形成されているが、貫通孔であってもよい。センサパッケージ２１は、流路筐体２２の上面に、不図示のボルトなどにより取り付けられる。

【0016】

流路筐体２２にセンサパッケージ２１が取り付けられたとき、流路筐体２２の上面がセンサパッケージ２１の流路凹部２１Ａを下側から覆う。流路凹部２１Ａの内面、流路筐体２２の上面、及び、センサチップ３０の表面により中間流路Ｒ２が形成される。流路筐体２２は、その上面の上流側位置及び下流側位置にそれぞれ開口して中間流路Ｒ２と連通する断面Ｌ字状の上流流路Ｒ１及び下流流路Ｒ３を備える。

【0017】

被測定流体は、流量センサ１０の外部（上流配管等）から、上流路Ｒ１、中間流路Ｒ２、下流流路Ｒ３を流れ、流量センサ１０の外部（下流配管等）に流出する。

【0018】

流路筐体２２は、その上面に開口し、上方から見たときに中間流路Ｒ２を取り囲む環状の溝２２Ａを備える。溝２２Ａ内には、Ｏリングなどのシール部材２３が収容される。シール部材２３は、センサパッケージ２１の下面と、溝２２Ａの内面とに挟み込まれ、センサパッケージ２１と流路筐体２２との間をシールする。これにより、被測定流体が、流路部材２０の外部に漏れることが防止される。

【0019】

センサチップ３０は、被測定流体の流量を検出するチップである。センサチップ３０は、被測定流体の流量を熱式で検出するように構成されている。センサチップ３０は、センサパッケージ２１の収容孔２１Ｂに収容された状態で、センサパッケージ２１に接着剤、ボルトなどにより固定される。センサチップ３０の表面は、流路凹部２１Ａの底面と面一に構成され、センサチップ３０の表面（図１では下面）は、流路凹部２１Ａの底面とともに、流路Ｒ２を形成している。

【0020】

センサチップ３０は、被測定流体の流量の測定に使用されるように構成されている。センサチップ３０は、基板３１と、絶縁層３２と、発熱抵抗体３３と、測温抵抗体３４～３６と、導電パターン３７Ａ及び３７Ｂと、電極３８Ａ～３８Ｆと、を備える。

【0021】

基板３１は、中央にキャビティ３１Ａを備える。基板３１上に、絶縁層３２が形成されている。絶縁層３２は、キャビティ３１Ａを覆っている。図示はしていないが、絶縁層３２は、複数の層からなる積層構造となっている。抵抗体３３～３６及び導電パターン３７Ａ及び３７Ｂは、絶縁層３２を構成する層と層の間に形成され、絶縁層３２により保護される。電極３８Ａ～３８Ｆは、絶縁層３２から露出した状態で設けられる。絶縁層３２のキャビティ３１Ａを覆う部分は、ダイアフラム３２Ａとなっており、当該ダイアフラム３２Ａに抵抗体３３～３５が設けられている。ダイアフラム３２Ａには、キャビティ３１Ａに被測定流体を流す複数のスリットＳが設けられている。

【0022】

発熱抵抗体３３は、被測定流体を加熱するヒータとして機能する。測温抵抗体３４及び３５は、発熱抵抗体３３の上流及び下流の位置にそれぞれ配置されている。測温抵抗体３４及び３５は、その温度により抵抗値が変化するように構成されている。測温抵抗体３４及び３５の各抵抗値は、発熱抵抗体３３により加熱された被測定流体の熱分布を示す。測温抵抗体３６は、その温度により抵抗値が変化する、温度補償用の周囲温度センサとして設けられている。抵抗体３３～３６のそれぞれは、図面では帯状に描かれているが、実際は、長さを稼ぐために蛇行した線状の導体からなる。発熱抵抗体３３は、電流が流れることで発熱しやすい任意の材料により形成されている。測温抵抗体３４～３６は、白金などの任意の材料により形成されている。発熱抵抗体３３も白金から形成されてもよい。

【0023】

導電パターン３７Ａ及び３７Ｂのそれぞれは、複数の配線からなる。導電パターン３７Ａは、発熱抵抗体３３及び測温抵抗体３６と、電極３８Ａ～３８Ｃとを電気的に接続する。導電パターン３７Ｂは、測温抵抗体３４及び３５と、電極３８Ｄ～３８Ｆとを電気的に接続する。導電パターン３７Ａ及び３７Ｂ、電極３８Ａ～３８Ｆは、所定のプロセスにより、一括でパターニングされてもよい。

【0024】

電極３８Ａ～３８Ｆは、抵抗体３３～３５の上流又は下流に位置せずに、抵抗体３３～３５から、被測定流体の流れ方向に直交する方向（流路Ｒの幅方向）に離れた位置に配置されている。電極３８Ａ～３８Ｆは、ボンディングワイヤ４１～４６を介して電極パッド５１～５６とそれぞれ電気的に接続されている。ここでは、ボンディングワイヤ４１～４６の各一端が、電極３８Ａ～３８Ｆの各表面にそれぞれ固定され、各他端が、電極パッド５１～５６の各表面にそれぞれ固定されている。電極パッド５１～５６は、流路凹部２１Ａの底面上の収容孔２１Ｂの周囲の位置に設けられている。電極パッド５１～５６は、センサパッケージ２１内を通って、導体６１～６６とそれぞれ電気的に接続されている。導体６１～６６の下端が、電極パッド５１～５６の各裏面（各上側の面）とそれぞれ接触することで、両者が電気的に接続されている。導体６１～６６は、センサパッケージ２１を貫通する貫通孔内を通っている。導体６１～６６と貫通孔の内壁との間は、所定のシール部材でシールされてもよい。

【0025】

導体６１～６６は、電極パッド５１～５６と、図１においてブロックとして描かれている、センサチップ３０により流量を測定するための処理を行う処理回路７０と、を所定の配線を介して電気的に接続している。導体６１及び６４は、処理回路７０の基準電位に接続される。処理回路７０は、導体６２などを介して発熱抵抗体３３に電流を流す。これにより発熱抵抗体３３が発熱し、被測定流体が加熱される。処理回路７０は、導体６５など、導体６６など、及び、導体６３などを介して、測温抵抗体３４～３６の各抵抗値（例えば、基準電位を基準とした抵抗体３４～３６の各一端の電圧値など）を取り出す。測温抵抗体３４及び３５の各抵抗値により、被測定流体の熱分布が示される。測温抵抗体３６の抵抗値により温度補償の値が示される。処理回路７０は、取り出した各抵抗値に基づいて、被測定流体の流量（流速で表されてもよい）を導出する。この導出により、流量が測定される。処理回路７０は、導出した流量を上位装置などの流量センサ１０の外部装置、又は、流量センサ１０に設けられた表示部などに出力する。処理回路７０は、センサチップ３０により流量を測定するための処理を行えばよく、当該処理として、上記各抵抗値を上位装置などに送信し、上位装置にて流量を導出させる処理を行ってもよい。処理回路７０は、マイクロコンピュータなどから構成されればよい。

【0026】

この実施の形態では、上述のように、センサチップ３０が、流路凹部２１Ａの底面に開口した収容孔２１Ｂに収容されている。これにより、センサチップ３０が収容孔２１Ｂに収容された分だけ、中間流路Ｒ１の高さＨ（流路凹部２１Ａの底面と流路筐体２２の上面との距離）を、センサチップ３０を流路凹部２１Ａの底面にそのまま設置した従来構造よりも、低くすることができる。従って、流量センサ１０のうち、中間流路Ｒ２が設けられた流路部分が小型化され、結果として流量センサ１０も小型化される。また、このような小型化により、流量センサ１０内を流れる被測定流体の全体流量を少なくすることができ、微小な量の被測定流体の流量も測定可能となる。

【0027】

この実施の形態では、センサチップ３０の表面（下面）が、センサパッケージ２１の流路凹部２１Ａの底面と面一となっている。これにより、センサチップ３０の、流路凹部２１Ａの底面から突出した部分が無くなり、中間流路Ｒ２の高さＨを最大限低くできる。

【0028】

上記面一により、センサチップ３０の外縁部分と流路凹部２１Ａの底面との間に段差が形成されることが防止され、当該段差によって被測定流体の流れが乱れるなどの不都合が抑制される。これにより、流量の測定精度が高くなる。なお、面一は、実質的な面一、つまり、寸法誤差などがあるが完全な面一と略同様の効果を得ることができる面一といえる範囲を含む。実質的な面一は、センサチップ３０の表面の高さ（下側に向く高さ）が、電極パッド５１～５６の高さ以下であることを含む。この程度の高さであれば、電極パッド５１～５６と同様にセンサチップ３０も被測定流体の流れを乱さないと考えられる。

【0029】

なお、収容孔２１Ｂをより浅くすることで、センサチップ３０の表面部（下部）を流路凹部２１Ａの底面から突出させてもよい。これによっても、上記面一ほどではないが、中間流路Ｒ２の高さＨを低くできる。収容孔２１Ｂをより深くすることで、センサチップ３０の表面を流路凹部２１Ａの底面よりも引っ込んだ状態としてもよい。

【0030】

さらに、この実施の形態では、図１に示すように、電極パッド５１～５６のうちの電極パッド５３及び５５がセンサチップ３０の上流側に配置されている。ここで、流量センサ１０の表面のうち、被測定流体の流量をセンシングする抵抗体３３～３５が設けられた領域をセンシング領域Ｐ１とする。さらに、センシング領域Ｐ１の、被測定流体の流れ方向つまり上下流方向に沿った上流の領域を上流領域Ｐ２とする。このとき、電極パッド５３及び５５にそれぞれ接続されたボンディングワイヤ４３及び４５が上流領域Ｐ２から外れた位置に配置される。これにより、センシング領域Ｐ１上（図１では、センシング領域Ｐ１の下方領域）を通過する被測定流体の流れがボンディングワイヤによって乱されることが抑制され、流量の測定精度が高くなる。なお、測温抵抗体３６をさらに含んだ領域をセンシング領域Ｐ１として考えてもよい。これにより、測温抵抗体３６の周囲の被測定流体の流れの乱れも抑制でき、温度補償のための温度測定の精度ないし流量の測定精度が向上することがある。

【0031】

電極パッド５１～５６のうちセンサチップ３０よりも下流側の電極パッド５１、５２、５４、及び５６にそれぞれ接続されるボンディングワイヤ４１、４２、４４、及び４６は、センシング領域Ｐ１の、上下流方向に沿った下流の領域である下流領域Ｐ３に入り込んでもよい。図２の例では、ボンディングワイヤ４２が下流領域Ｐ３に入り込んでいる。このような下流領域Ｐ３への入り込みが許容されるのは、センシング領域Ｐ１上を通過する被測定流体の流れへの影響が限定的であるためである。これにより、流量センサ１０の設計時における、センサチップ３０の下流側に配置される電極パッドの配置の自由度が確保される。電極パッド５１～５６のすべてを下流側に設けることも可能であるが、この場合、設計時における電極パッドの配置の自由度が低くなるため、一部の電極パッドについては、センサチップ３０の上流側に配置するとよい。

【0032】

ボンディングワイヤ４３及び４５が上流領域Ｐ２から外れた位置に配置されるのは、電極３８Ｃ及び３８Ｅが、少なくとも上流領域Ｐ２から外れた位置にあることにも起因している。ボンディングワイヤ４１などが下流領域Ｐ３に入り込むことが許容される電極３８Ａなどは、例えば、下流領域Ｐ３に形成されてもよい。

【0033】

図１に示すように、ボンディングワイヤ４１～４６は、センサチップ３０及び電極パッド５１～５６に対向する流路筐体２２の上面に接触しない高さに設けられる。つまり、流路凹部２１Ａ内にボンディングワイヤ４１～４６が配置される。なお、ボンディングワイヤ４１～４６のいずれかが流路筐体２２の上面に接触してもいいように、流路筐体２２は、絶縁体とすることができる。流路凹部２１Ａ内にボンディングワイヤ４１～４６が配置されることで、ボンディングワイヤ４１～４６は、センサパッケージ２１のうち、流路凹部２１Ａを形成している側壁で保護される。これにより、センサパッケージ２１を流路筐体２２に取り付けるときに、ボンディングワイヤ４１～４６が流路筐体２２に接触して断線するといった不都合が生じ難い。

【0034】

（変形例１）
センサパッケージ２１は、半田、接着剤などで流路筐体２２に取り付けられてもよい。この場合、センサパッケージ２１と流路筐体２２との間を半田、接着剤などによりシールできる場合、シール部材２３は不要である。

【0035】

（変形例２）
流量センサ１０は、流路部材２０のうちのセンサパッケージ２１のみを有し、流路筐体２２は、流量センサ１０の外部の要素であってもよい。

【0036】

（変形例３）
流量センサ１０を構成する各要素の形状などは任意である。その一例を図３に示す。図３の本変形例に係る流量センサ１１０は、流路部材２０の代わりに流路部材１２０を備える。流路部材１２０は、センサパッケージ２１に対応するセンサパッケージ１２１と、流路筐体２２に対応する流路筐体１２２と、を備える。

【0037】

センサパッケージ１２１は、流路凹部２１Ａの代わりに、下方に突出した凸部１２１Ａを備える。センサチップ３０を収容する収容孔２１Ｂは、凸部１２１Ａの下面に開口している。

【0038】

流路筐体１２２は、直線状の流路Ｒを備える。また、流路筐体１２２は、当該流路筐体１２２の上方空間と、流路Ｒとを連通させる貫通孔１２２Ａを備える。流路筐体１２２の上面には、センサパッケージ１２１が、その凸部１２１Ａが貫通孔１２２Ａに挿入された状態でボルトなどにより固定される。

【0039】

凸部１２１Ａの下面は、流路筐体１２２の流路Ｒを形成している天井面と面一となっており、流路Ｒの一部を形成する流路内面となっている。センサチップ３０の表面は、凸部１２１Ａの下面と面一に形成されている。

【0040】

他の部材の説明については、上記実施形態の説明に準じる。本変形例においても、上記実施形態と同様の効果が適宜得られる。ただし、上記実施形態のように流路凹部２１Ａ内にボンディングワイヤ４１～４６が配置された方が、センサパッケージ２１を流路筐体２２に固定するときに、ボンディングワイヤ４１～４６が流路筐体２２に接触して断線するといった不都合が生じ難い。

【0041】

（本発明の範囲）
以上、実施形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記実施形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0042】

１０…流量センサ、２０…流路部材、２１…センサパッケージ、２１Ａ…流路凹部、２１Ｂ…収容孔、２２…流路筐体、２２Ａ…溝、２３…シール部材、３０…センサチップ、３１…基板、３１Ａ…キャビティ、３２…絶縁層、３２Ａ…ダイアフラム、３３…発熱抵抗体、３４～３６…測温抵抗体、３７Ａ，３７Ａ…導電パターン、３８Ａ～３８Ｆ…電極、４１～４６…ボンディングワイヤ、５１～５６…電極パッド、６１～６６…導体、７０…処理回路、１１０…流量センサ、１２０…流路部材、１２１…センサパッケージ、１２１Ａ…凸部、１２２…流路筐体、１２２Ａ…貫通孔。

【図1】

【図2】

【図3】