流量センサーおよび流量検出装置
【課題】液体と気体のどちらにも使用することができ、小型化に適し、電子回路基板などに表面実装することが可能であり、信頼性が高い流量センサーを提供する。
【解決手段】表面実装型のパッケージ１２に流量検出手段を内蔵した流量センサー１０であって、パッケージ１２内に形成され、流体をパッケージ１２の下面に設けた流入口３０から流量検出手段を通してパッケージ１２の下面に設けた流出口３２に導く流体流路７０と、パッケージ１２の外面に設けられ流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子４０と、を備える。
【解決手段】表面実装型のパッケージ１２に流量検出手段を内蔵した流量センサー１０であって、パッケージ１２内に形成され、流体をパッケージ１２の下面に設けた流入口３０から流量検出手段を通してパッケージ１２の下面に設けた流出口３２に導く流体流路７０と、パッケージ１２の外面に設けられ流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子４０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＭＥＭＳセンサーチップを表面実装型のパッケージに収納し、気体や液体の流量を検出することができる流量センサーと、この流量センサーを用いた流量検出装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセス技術を利用して、これに機械加工技術や材料技術などを組み合わせることによって、基板上に三次元的な微細構造を有するシステムを実現するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が、近年センサーやポンプなどのデバイスの小型化、軽量化のために広く用いられている。このＭＥＳ技術を用いたセンサー（ＭＥＭＳセンサー）としては、例えば加速度センサ、角速度センサー、圧力センサーなどが広く用いられている。
【０００３】
近年家庭用（戸建て住宅用）の分散型エネルギープラントとして燃料電池システムの普及と商業化が期待されている。この種の燃料電池では、燃料ガスや液体燃料の流量や、改質器に供給する水量、改質器でできた水素などを燃料電池自体に供給する流量を高精度に検出してその流量を制御することが必要になる。また燃料から必要な水素（Ｈ2）を取り出す改質時に一酸化炭素（ＣＯ）が生成されるが、この一酸化炭素は電池触媒の性能に悪影響を及ぼすため、一酸化炭素濃度低減のため選択酸化用空気の流量制御も同時に求められる。さらに分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）、自動車をはじめとする輸送機械の分野でも、気体や液体の微少量の流量検出が必要になる。従来より種々の流量計が提案されているが、その多くは気体流量のみを計量するものであって、液体の流量計測に適するものはきわめて少ない。
【０００４】
例えば、流体をオリフィスに通し、オリフィスの前後の圧力差をマノメータや２つの圧力センサー等で検出するもの（オリフィス流量計）、流体の流れ内に翼車を設けこの翼車の回転数から流量を検出するもの（タービン流量計）があるが、これらはいずれも大型化する欠点がある。また、流路の管壁から流れに対して斜めに射出した超音波を対向する管壁に設けた超音波センサーで検出し、その時のドップラー効果による検出強度の変化から検出するもの（超音波流量計）、磁界中を通過する流体に発生する磁界直交方向の電圧変化を検出するもの（電磁流量計）、流体をヒータで加熱した時にその前後の流体温度の変化を検出するもの（熱式質量流量計）、等が公知である。
【０００５】
特許文献１、特許文献２には，ＭＥＭＳチップを有する半導体センサーで加速度センサー、角速度センサー、圧力センサーを構成することが開示されているが、これらには流量センサーについての説明はない。特許文献３にはＳi（シリコン）基板に形成したＭＥＭＳチップにマイクロサイズのガラスチューブを接触させ、ガラスチューブに液体を流すようにした熱式質量流量計（熱式フローセンサー）が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、差圧式の流量センサの概念が開示されている。すなわち、半導体微細加工技術を用いＳｉ（シリコン）基板にエッチング技術でメンブレン（ダイヤフラムともいう）を形成し、このメンブレンに形成した絞り（少なくとも１つの開口）に流体を通すことによって、メンブレンの両側に流量に比例する差圧を発生させ、この差圧によってメンブレンに生ずる応力（歪み）を、メンブレンに形成した拡散抵抗（ピエゾ抵抗素子）によって電気的に検出するものである。シリコン単結晶は室温では塑性変形しないため特性が変化せず、またメンブレンが基板と一体であるため安定した特性が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２８０２５
【特許文献２】特開２０１０−１９６９３
【特許文献３】ＵＳ６８１３９４４Ｂ２
【特許文献４】ＵＳ６２５３６０５Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１，２のものはＭＥＭＳ技術を用いて加速度、角速度、圧力を検出するものであり、気体や液体の流量を検出するものではなく、流量計を示唆するものでもない。特許文献３のものは、マイクロチューブ内を流れる液体をヒータで加熱するため、応答性を良くするためにはこのマイクロチューブの肉厚を極端に薄くする必要があり、強度上の問題がある。また低沸点の液体を計量する場合は、ヒータの近傍で気泡が発生し易く正確な検出ができなくなるという問題がある。
【０００９】
特許文献４にはメンブレンの歪みから流量を検出する原理が示されているだけであり、これをどのように実際のセンサに用いるかについては開示されていない。すなわち家庭用燃料電池システムや携帯機器用の燃料電池、医療機器などでは流量センサーの小型化、特に電気回路基板などに実装し易いことが求められ、液体・気体を問わずにどちらにも使用できることや信頼性が高いことが要求されるが、この特許文献４はこの様な要求に応えるものではない。
【００１０】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、液体と気体のどちらにも使用することができ、小型化に適し、電子回路基板などに表面実装することが可能であり、信頼性が高い流量センサーを提供することを第１の目的とする。またこの流量センサーを用いて流量が多い流体の計量を可能にする流量検出装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば第１の目的は、表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、を備えることを特徴とする流量センサー、により達成される。
【００１２】
第２の目的は、請求項1の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明は、流量検出センサーをパッケージに内蔵したものであるから、小型化でき、信頼性が向上する。またパッケージ内に流体流路を設け、この流体流路の流入口と流出口を共にパッケージの１つの面（下面）にまとめて設けたから、電気回路基板などの実装対象物との流体流路の接続を短くしかつコンパクトにまとめることができ、高密度な実装が可能になる。さらにパッケージの外面に外部端子を設けたからパッケージを表面実装できることになり、一層高密度な実装に適する。
【００１４】
第２の発明によれば、この流量センサーのパッケージを流体の主流路となる主管材に固定し、この主管材から流体を分流して流量センサーの流入口に導き、流量センサーの流出口から流体を主流路に戻すようにしたので、流量が多い流体の流量を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例である流量センサーの上面側斜視図
【図２】同じく底面側斜視図
【図３】同じく分解斜視図
【図４】同じく側断面図であって、図２における直線３４に沿うIV−IV線断面図
【図５】下基板にセンサーチップを固定した状態を示す斜視図
【図６】下基板に上基板を積層した状態を示す斜視図
【図７】図４におけるVII部の矢視部分の拡大図
【図８】センサーチップの回路パターンを示す平面図
【図９】図８の抵抗素子で形成するホイートストーンブリッジ接続回路
【図１０】本発明の一実施例である流量検出装置の斜視図
【図１１】同じく主管材の中心線に沿って断面した斜視図
【図１２】同じく主管材の中心線に沿った左側面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
請求項１の発明において、流入口と流出口を設ける面は説明の便宜上下面としているが、パッケージを上下面を逆にすればこの下面は上面になるから、実質的には上下どちらの面であっても良い。いずれにしてもこれを実装する対象物（電子回路基板など）に対向する面であればよい。外部端子は、パッケージの外面であればどこに設けても良い。例えばリード付き部品やリードレスのチップ部品のような電極端子を側面に設けたり、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）のような電極端子を下面に設けても良い。
【００１７】
流量検出手段は、流体通路の途中に設けた絞り（開口、オリフィス）の上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレン（ダイヤフラム）を持ち、メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーが適する（請求項２）。メンブレンに設ける絞りは１つであてもよいが複数であっても良い。１つの絞りを設ける場合は、メンブレンの中央に設けるのがよい。後記するように（請求項６）４個の抵抗器でブリッジ回路を形成する場合に、各抵抗器の均衡が取り易いからである。
【００１８】
流量検出手段は、メンブレンと、このメンブレンに固定された歪みゲージとなる抵抗素子とを有するＭＥＭＳセンサーであるセンサーチップとするのが良い（請求項３）。この場合は、Ｓｉ（シリコン）基板の一部（中央部）にエッチングによって薄いメンブレンを形成し、このメンブレンにフォトリソグラフィ技術などによって抵抗素子や回路パターン（内部回路パターン）を形成することができる。すなわち公知の半導体技術を用いてこのセンサーチップを形成する。
【００１９】
パッケージは、下基板と上基板とを重ね、これらの間にセンサーチップの周縁部を保持すると共に、メンブレンの下面に流体流路の流入口を開口させ、上基板に形成した流体流路をメンブレンの上面から流出口に連通させるのがよい（請求項４）。この様にすれば流体流路の流入口側を最短長として、流体流路を実質的に上基板だけに形成すれば済むことになり、加工が簡単になる。なお流入口と流出口を逆にすることも可能である。
【００２０】
メンブレンはセンサーチップの周囲を残してその内側を薄くエッチングすることにより形成し、このメンブレンの片面（例えば上面）に歪みゲージとなる抵抗器を形成する（請求項５）。なおこの抵抗器は絶縁皮膜によってコーティングしておく。この場合はセンサーチップの周縁が厚くなるのでここを上基板と下基板の間に挟んで保持すればよく、メンブレンに組み立て時に不要な応力が加わらず、特性が安定し、組み立てにも都合がよい。
【００２１】
メンブレンは四角形とし、４個の抵抗器を各辺の中央付近に配置しておけば各抵抗器でホイートストーンブリッジを構成する場合に、各抵抗器の条件が揃い都合がよい（請求項６）。上基板にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する突起（突起状の壁）を設けておき、この上基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓を形成しておくことができる（請求項７）。この場合に用いる接着剤は、チクソ性を持つパーフルオロ形の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって間隙に流入させることができる（請求項１０）。
【００２２】
この接着剤は流速を伴った時には粘性が小さくて流動性が良く、流速を伴わない時には粘性が高くなる特性（チクソ性）を有するから、接着剤注入時にはメンブレンに不要な応力を加えることがなく毛管力によって自動的に流速を伴って流動し、間隙に円滑に流入して封止される。封止された後は流速が無くなるので接着剤の粘度は高くなり、メンブレン上に不要な接着剤が流出しなくなる。
【００２３】
上基板に形成する流体流路は、上基板に重ねた蓋板との間に形成することができる（請求項８）。例えば上基板の上面に凹溝を形成し、この凹溝を蓋板で覆うことで流体流路を簡単な加工で形成できる。
【００２４】
センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージとなる抵抗器と、上基板の突起より外周側に形成したパッドとを接続する内部回路パターンを形成し、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンを形成し、これら内部回路パターンと外部回路パターンとをワイヤボンディングで接続することができる（請求項９）。このワイヤボンディングした部分には前記間隙に供給したチクソ性接着剤が硬化した後に前記上基板の窓から他の接着剤を供給しておけば、ワイヤボンディング部分の保護、特に振動に対する耐久性の向上に適する（請求項１１）。
【００２５】
外部端子は前記したように、下基板の側面、あるいは側面から下面に伸びる形状に金属メッキしたものとし、リードレスのチップ部品（表面実装型のコンデンサや抵抗器など）と同様な端子とすることができる（請求項１２）。また全ての外部回路パターンを形成した金属板であるリードフレームをパッケージの外面に突出させて固定しこの突出部分を外部端子としても良い（請求項１３）。
【００２６】
請求項１４の流量検出装置では、主流路と分流路との流路断面積を適切に選定することにより分流比を適切に決定することができる。分流路は主流路に交差（例えば直交）しそれぞれ流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材で形成し、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口を形成し、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口を形成した構造とすることができる（請求項１５）。この場合には、流体の動圧が流量センサに及ぼす影響を防止あるいは抑制できる。ここに開口は複数であっても良い。開口はスリットであってもよい。
【００２７】
主管材には流量センサーとその制御回路部品とを実装した制御基板を固定し、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーの流入口と流出口に接続することができる（請求項１６）。例えば歪みゲージ（抵抗器）の出力電圧を設定するゲイン調整やオフセット電圧調整を行う増幅回路を制御基板に搭載しておけば、歪みゲージの出力信号が配線のノイズの影響を受けにくくなり検出精度の向上に適する。
【実施例１】
【００２８】
図１〜４において、符号１０は流量センサーであり、表面実装型のパッケージ１２に収納したものである。パッケージ１２は４辺が８mm程度の小さいものであり、図３に示すように、下基板１４と、上基板１６と、蓋板１８と、銘板２０とを積層し固着したものである。下基板１４、上基板１６、蓋板１８は硬質樹脂製である。
【００２９】
下基板１４の上面には、図３、４により明らかなように、中央より一方に偏心した位置に平面視四角形のセンサーチップ収納室２２形成されている。この収納室２２はその底部２４の各辺長が上部２６の各辺長よりも短い四角形であり、２つの四角形の間に水平な段部２８を介して同心に重ねた形状となっている。この段部２８の上には、後記するセンサーチップ４２が固着される。
【００３０】
収納室２２の底の中央には、流体流路の一部となる流入口３０が開口している。この流入口３０の下端は下基板１４の下面に開口している（図４参照）。下基板１４には、前記収納室２２の偏心方向と逆側に、流体流路の一部となる流出口３２が形成されている。従って平面視で、収納部２２と流入口３０と流出口３２は下基板１４の上面中央を通る直線３４（図３）上に位置する。なお下基板１４の下面には、この直線３４に直交する直線上に一対のダボ３６、３６が形成されている（図２、図４）。ダボ３６は、この流量センサー１０を電気回路基板などに搭載する際の位置決め用である。
【００３１】
下基板１４にはまた、前記直線３４を挟んでほぼ対称となるように多数（図３、５では８本）の外部回路パターン３８が形成されている。これらの外部回路パターン３８はフォトリソグラフィ技術によって形成することができる。またこれらの回路パターンを金属板に予め打ち抜き加工したリードフレームを下基板１４に固定して不要部分を除去することによって形成しても良い。これらの外部回路パターン３８は、一端（内端）が収納部２２付近に伸び、他端（外端）は下基板１４の左右の側面に沿って下基板１４の下面に伸びている。この側面に現れた部分が、流量センサー１０の外部端子４０となっている。
【００３２】
次にセンサーチップ４２を説明する。このセンサーチップ４２は、半導体製造工程を利用して４辺が３mm程度の大きさのＳｉ（シリコン）基板４４に形成される。シリコン単結晶のＳｉ基板４４は前記下基板１４の収納部２６に入る寸法の平板であり、その下面中央には四角錐面４６で囲まれた薄いメンブレン４８が形成されている。このメンブレン４８は公知のエッチング、（例えばＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などにより形成できる。このメンブレン４８の中央には、絞りとなる開口５０が形成されている。この開口５０は同様にエッチングやレーザ加工などで形成できる。開口５０の直径は測定レンジ（範囲）や流体種（液体か気体かなど）によっては変更してもよいが、この実施例では直径５０μｍとしている。
【００３３】
なお図８に示す点線はメンブレン４８の外周に形成される前記四角錐面４６であり、この四角錐面４６の外側は図４に示す周囲部５２である。この周囲部５２はエッチングされずに厚く残ったシリコン基板４４の一部である。
【００３４】
メンブレン４８を形成したシリコン基板４４の上面には、４個の抵抗素子（歪みゲージ）Ｒ１〜Ｒ４と、外周縁に沿って形成した多数（６個）のパッド（電極）５４（５４ａ〜５４ｆ）と、これらをつなぐ内部回路パターン５６とが形成されている（図８、９）。これらはフォトリソグラフィなどの半導体製造技術を用いて形成することができる。なお抵抗Ｒ１〜４は図８に示すように、平面視で四角形のメンブレン４８の各辺中央から僅かに内側に位置し、回路パターン５４は抵抗Ｒ１〜４から外周方向に伸びてからメンブレン４８の外周（四角錐面の外周）に沿って形成されたパッド５４にそれぞれ接続されている。
【００３５】
図８でパッド５８ａ、５８ｂは温度センサのパッドであり、これらの間には温度センサーとなる感熱抵抗素子６０が形成されている。センサーチップ４２の上面には、パッド５４、５８の内側に窒化シリコンＳｉＮや、炭化シリコンＳｉＣなどの絶縁皮膜を成膜して、これを保護膜とする。
【００３６】
このように形成されたセンサーチップ４２は、下基板１４の収納部２２に収納される。すなわち図２に示すように、収納部２２に上から装填し、シリコン基板４４の周囲部５２を収納部２２の段部２８に保持する。なおこのセンサーチップ４２は接着剤を用いてこの収納部２２に固定される。この状態でセンサーチップ４２のパッド５４、５８は、下基板１４の外部回路パターン３８の内側の端部にワイヤボンディングされる。すなわち図５に示すように、Ａｕ（金）あるいはＡｌ（アルミ）のワイヤ６２をパッド５４，５８と外部回路パターン３８とに熱圧着あるいは超音波接合により接続する。
【００３７】
前記上基板１６の下面（下基板１４に対向する面）にはにはセンサーチップ４２の上面に間隙６４（図７）を持って対向する突起６６が形成されている。すなわちこの突起６６は平面視で四角錐面４６の上方に位置し、メンブレン４８を囲む垂れ壁状である。この間隙６４には後でチクソ性接着剤６８を毛細管現象あるいは表面張力を利用して流入させる。間隙６４は好ましくは５〜１５マイクロメートルとする。
【００３８】
上基板１６には、メンブレン４８の中央の上方に開口しかつ前記中央の直線３４（図３）に平行な流体流路７０が形成されている。この流体流路７０の他端は前記下基板１４の流出口３２に連通する。この流体流路７０は、上基板１６の上面に形成した凹溝７２（図３参照）を前記蓋板１８で上方から塞ぐことによって、上基板１６の上面と蓋板１８との間に形成することができる。この様にすれば、上基板１６に水平な流体流路７０を半導体加工技術（エッチングなど）で容易に形成することができる。
【００３９】
前記上基板１６を熱硬化性接着シート１７を挟んで下基板１４に重ねることにより（図３）、メンブレン４８の上面に突起６４が所定間隙６４を持って対向し、この状態で上基板１６は下基板１４に接着固定される。なお上基板１６および蓋板１８には、図３、６に示すように、突起６６の外側からセンサーチップ４２の上面周囲に臨む４つの窓７４が形成されている。これらの窓７４は前記したように、センサーチップ４２と突起６６との間にチクソ性接着剤６８を供給する際に利用される。またこの接着剤６８が硬化した後には、この窓７４から他の接着剤を注入し、ワイヤ６２を固定する。
【００４０】
この実施例によれば、流入口３０から流入した流体（気体または液体）は、メンブレン４８の下方に入り、メンブレン４８の絞り５０を通って流体流路７０に入り、流出口３２から流出する。流体が絞りを通る時の絞り効果によってメンブレン４８の両面間に圧力差が生じ、メンブレン４８が低圧側である上側に変位する。この変位により抵抗Ｒ１〜４に加わる応力が変化し、その抵抗値が変化する。この結果図９に示すブリッジ回路の出力が変化する。この出力電圧の変化はメンブレン４８の両面に加わる圧力差に対応する。この圧力差は、ハーゲンポアズイユの法則によれば流体の流量に比例するから、この圧力差を検出することにより流量を検出することができる。
【実施例２】
【００４１】
図１０〜１２はこの流量センサー１０を用いた流量検出装置を示している。これらの図において符号８０は流体が通る主流路８２を形成する主管材である。主管材８０の管壁にはその長さ方向に沿う基板収納部８４が一体に形成されている。この基板収納部８４には制御基板８６が収納される。この制御基板８６の上面には流量センサー１０と、その出力信号の増幅回路とが実装され、必要に応じて他の演算回路例えばゲイン調整やオフセット電圧調整を行う回路などを実装しておいても良い。
【００４２】
ここに流量センサー１０は、前記メンブレン４８の中心を通る直線３４（図３）が主流路８２と平行で、かつ流入口３０が流出口３２より主流路８２の上流側に位置するように固定される。また制御基板８６と主管材８０の間には、流量センサー１０の下方に位置する接続部材８８が介在する。
【００４３】
接続部材８８の下面には図１１に示すように、流量センサー１０の流入口３０と流出口３２の距離だけ離して第１および第２の副管材９０、９２の上端が固定されている。接続部材８８は主管材８０の管壁に開けた開口に液密に固定され、この時に第１および第２の副管材９０、９２が主流路８２を横断して固定される。第１および第２の副管材９０、９
２の上端はこの接続部材８８を貫通し、さらに制御基板８６に設けた開口を介して流量センサー１０の流入口３０および流出口３２に液密に接続されるものである。
【００４４】
第１の副管材９０には流体の上流方向を指向する開口としての複数のスリット９４が、第２の副管材９２には流体の下流方向を指向する開口としての複数のスリット９６がそれぞれ形成されている。この結果、主流路８２の流体流の一部が分流路となる副管材９０、９２を介して流量センサー１０に分流される。流量センサー１０は、この分流路に分流された流量を検出することで、主管材８０に流れる全流量を特定することができる。
【００４５】
前記制御基板８６には、流量センサー１０の信号増幅回路と共に、この様な主流路８２と分流路の分流比により流量センサー１０の出力を補正して主流路８２の流量を求めるための演算を行う演算回路、温度補正回路など適宜の回路を搭載しておくことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 流量センサー
１２ パッケージ
１４ 下基板
１６ 上基板
１８ 蓋板
２２ センサーチップ収納部
３０ 流入口（流体流路の一部）
３２ 流出口（流体流路の一部）
３４ 下基板の上面中央を通る直線
３８ 外部回路パターン
４０ 外部端子
４２ センサーチップ（流量検出手段）
４４ シリコン基板
４８ メンブレン
５０ 絞り（開口）
５４ パッド
５６ 内部回路パターン
６２ ワイヤ
６４ 間隙
６６ 突起
６８ チクソ性接着剤
７０ 流体流路
７４ 窓（接着剤注入用）
８０ 主管材
８２ 主流路
８６ 制御基板
８８ 接続部材
９０ 第１の副管材（分流路）
９２ 第２の副管材（分流路）
９４，９６ 開口（スリット）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗素子（歪みゲージ、抵抗器）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＭＥＭＳセンサーチップを表面実装型のパッケージに収納し、気体や液体の流量を検出することができる流量センサーと、この流量センサーを用いた流量検出装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセス技術を利用して、これに機械加工技術や材料技術などを組み合わせることによって、基板上に三次元的な微細構造を有するシステムを実現するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が、近年センサーやポンプなどのデバイスの小型化、軽量化のために広く用いられている。このＭＥＳ技術を用いたセンサー（ＭＥＭＳセンサー）としては、例えば加速度センサ、角速度センサー、圧力センサーなどが広く用いられている。
【０００３】
近年家庭用（戸建て住宅用）の分散型エネルギープラントとして燃料電池システムの普及と商業化が期待されている。この種の燃料電池では、燃料ガスや液体燃料の流量や、改質器に供給する水量、改質器でできた水素などを燃料電池自体に供給する流量を高精度に検出してその流量を制御することが必要になる。また燃料から必要な水素（Ｈ2）を取り出す改質時に一酸化炭素（ＣＯ）が生成されるが、この一酸化炭素は電池触媒の性能に悪影響を及ぼすため、一酸化炭素濃度低減のため選択酸化用空気の流量制御も同時に求められる。さらに分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）、自動車をはじめとする輸送機械の分野でも、気体や液体の微少量の流量検出が必要になる。従来より種々の流量計が提案されているが、その多くは気体流量のみを計量するものであって、液体の流量計測に適するものはきわめて少ない。
【０００４】
例えば、流体をオリフィスに通し、オリフィスの前後の圧力差をマノメータや２つの圧力センサー等で検出するもの（オリフィス流量計）、流体の流れ内に翼車を設けこの翼車の回転数から流量を検出するもの（タービン流量計）があるが、これらはいずれも大型化する欠点がある。また、流路の管壁から流れに対して斜めに射出した超音波を対向する管壁に設けた超音波センサーで検出し、その時のドップラー効果による検出強度の変化から検出するもの（超音波流量計）、磁界中を通過する流体に発生する磁界直交方向の電圧変化を検出するもの（電磁流量計）、流体をヒータで加熱した時にその前後の流体温度の変化を検出するもの（熱式質量流量計）、等が公知である。
【０００５】
特許文献１、特許文献２には，ＭＥＭＳチップを有する半導体センサーで加速度センサー、角速度センサー、圧力センサーを構成することが開示されているが、これらには流量センサーについての説明はない。特許文献３にはＳi（シリコン）基板に形成したＭＥＭＳチップにマイクロサイズのガラスチューブを接触させ、ガラスチューブに液体を流すようにした熱式質量流量計（熱式フローセンサー）が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、差圧式の流量センサの概念が開示されている。すなわち、半導体微細加工技術を用いＳｉ（シリコン）基板にエッチング技術でメンブレン（ダイヤフラムともいう）を形成し、このメンブレンに形成した絞り（少なくとも１つの開口）に流体を通すことによって、メンブレンの両側に流量に比例する差圧を発生させ、この差圧によってメンブレンに生ずる応力（歪み）を、メンブレンに形成した拡散抵抗（ピエゾ抵抗素子）によって電気的に検出するものである。シリコン単結晶は室温では塑性変形しないため特性が変化せず、またメンブレンが基板と一体であるため安定した特性が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２８０２５
【特許文献２】特開２０１０−１９６９３
【特許文献３】ＵＳ６８１３９４４Ｂ２
【特許文献４】ＵＳ６２５３６０５Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１，２のものはＭＥＭＳ技術を用いて加速度、角速度、圧力を検出するものであり、気体や液体の流量を検出するものではなく、流量計を示唆するものでもない。特許文献３のものは、マイクロチューブ内を流れる液体をヒータで加熱するため、応答性を良くするためにはこのマイクロチューブの肉厚を極端に薄くする必要があり、強度上の問題がある。また低沸点の液体を計量する場合は、ヒータの近傍で気泡が発生し易く正確な検出ができなくなるという問題がある。
【０００９】
特許文献４にはメンブレンの歪みから流量を検出する原理が示されているだけであり、これをどのように実際のセンサに用いるかについては開示されていない。すなわち家庭用燃料電池システムや携帯機器用の燃料電池、医療機器などでは流量センサーの小型化、特に電気回路基板などに実装し易いことが求められ、液体・気体を問わずにどちらにも使用できることや信頼性が高いことが要求されるが、この特許文献４はこの様な要求に応えるものではない。
【００１０】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、液体と気体のどちらにも使用することができ、小型化に適し、電子回路基板などに表面実装することが可能であり、信頼性が高い流量センサーを提供することを第１の目的とする。またこの流量センサーを用いて流量が多い流体の計量を可能にする流量検出装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば第１の目的は、表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、を備えることを特徴とする流量センサー、により達成される。
【００１２】
第２の目的は、請求項1の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明は、流量検出センサーをパッケージに内蔵したものであるから、小型化でき、信頼性が向上する。またパッケージ内に流体流路を設け、この流体流路の流入口と流出口を共にパッケージの１つの面（下面）にまとめて設けたから、電気回路基板などの実装対象物との流体流路の接続を短くしかつコンパクトにまとめることができ、高密度な実装が可能になる。さらにパッケージの外面に外部端子を設けたからパッケージを表面実装できることになり、一層高密度な実装に適する。
【００１４】
第２の発明によれば、この流量センサーのパッケージを流体の主流路となる主管材に固定し、この主管材から流体を分流して流量センサーの流入口に導き、流量センサーの流出口から流体を主流路に戻すようにしたので、流量が多い流体の流量を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例である流量センサーの上面側斜視図
【図２】同じく底面側斜視図
【図３】同じく分解斜視図
【図４】同じく側断面図であって、図２における直線３４に沿うIV−IV線断面図
【図５】下基板にセンサーチップを固定した状態を示す斜視図
【図６】下基板に上基板を積層した状態を示す斜視図
【図７】図４におけるVII部の矢視部分の拡大図
【図８】センサーチップの回路パターンを示す平面図
【図９】図８の抵抗素子で形成するホイートストーンブリッジ接続回路
【図１０】本発明の一実施例である流量検出装置の斜視図
【図１１】同じく主管材の中心線に沿って断面した斜視図
【図１２】同じく主管材の中心線に沿った左側面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
請求項１の発明において、流入口と流出口を設ける面は説明の便宜上下面としているが、パッケージを上下面を逆にすればこの下面は上面になるから、実質的には上下どちらの面であっても良い。いずれにしてもこれを実装する対象物（電子回路基板など）に対向する面であればよい。外部端子は、パッケージの外面であればどこに設けても良い。例えばリード付き部品やリードレスのチップ部品のような電極端子を側面に設けたり、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）のような電極端子を下面に設けても良い。
【００１７】
流量検出手段は、流体通路の途中に設けた絞り（開口、オリフィス）の上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレン（ダイヤフラム）を持ち、メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーが適する（請求項２）。メンブレンに設ける絞りは１つであてもよいが複数であっても良い。１つの絞りを設ける場合は、メンブレンの中央に設けるのがよい。後記するように（請求項６）４個の抵抗器でブリッジ回路を形成する場合に、各抵抗器の均衡が取り易いからである。
【００１８】
流量検出手段は、メンブレンと、このメンブレンに固定された歪みゲージとなる抵抗素子とを有するＭＥＭＳセンサーであるセンサーチップとするのが良い（請求項３）。この場合は、Ｓｉ（シリコン）基板の一部（中央部）にエッチングによって薄いメンブレンを形成し、このメンブレンにフォトリソグラフィ技術などによって抵抗素子や回路パターン（内部回路パターン）を形成することができる。すなわち公知の半導体技術を用いてこのセンサーチップを形成する。
【００１９】
パッケージは、下基板と上基板とを重ね、これらの間にセンサーチップの周縁部を保持すると共に、メンブレンの下面に流体流路の流入口を開口させ、上基板に形成した流体流路をメンブレンの上面から流出口に連通させるのがよい（請求項４）。この様にすれば流体流路の流入口側を最短長として、流体流路を実質的に上基板だけに形成すれば済むことになり、加工が簡単になる。なお流入口と流出口を逆にすることも可能である。
【００２０】
メンブレンはセンサーチップの周囲を残してその内側を薄くエッチングすることにより形成し、このメンブレンの片面（例えば上面）に歪みゲージとなる抵抗器を形成する（請求項５）。なおこの抵抗器は絶縁皮膜によってコーティングしておく。この場合はセンサーチップの周縁が厚くなるのでここを上基板と下基板の間に挟んで保持すればよく、メンブレンに組み立て時に不要な応力が加わらず、特性が安定し、組み立てにも都合がよい。
【００２１】
メンブレンは四角形とし、４個の抵抗器を各辺の中央付近に配置しておけば各抵抗器でホイートストーンブリッジを構成する場合に、各抵抗器の条件が揃い都合がよい（請求項６）。上基板にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する突起（突起状の壁）を設けておき、この上基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓を形成しておくことができる（請求項７）。この場合に用いる接着剤は、チクソ性を持つパーフルオロ形の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって間隙に流入させることができる（請求項１０）。
【００２２】
この接着剤は流速を伴った時には粘性が小さくて流動性が良く、流速を伴わない時には粘性が高くなる特性（チクソ性）を有するから、接着剤注入時にはメンブレンに不要な応力を加えることがなく毛管力によって自動的に流速を伴って流動し、間隙に円滑に流入して封止される。封止された後は流速が無くなるので接着剤の粘度は高くなり、メンブレン上に不要な接着剤が流出しなくなる。
【００２３】
上基板に形成する流体流路は、上基板に重ねた蓋板との間に形成することができる（請求項８）。例えば上基板の上面に凹溝を形成し、この凹溝を蓋板で覆うことで流体流路を簡単な加工で形成できる。
【００２４】
センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージとなる抵抗器と、上基板の突起より外周側に形成したパッドとを接続する内部回路パターンを形成し、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンを形成し、これら内部回路パターンと外部回路パターンとをワイヤボンディングで接続することができる（請求項９）。このワイヤボンディングした部分には前記間隙に供給したチクソ性接着剤が硬化した後に前記上基板の窓から他の接着剤を供給しておけば、ワイヤボンディング部分の保護、特に振動に対する耐久性の向上に適する（請求項１１）。
【００２５】
外部端子は前記したように、下基板の側面、あるいは側面から下面に伸びる形状に金属メッキしたものとし、リードレスのチップ部品（表面実装型のコンデンサや抵抗器など）と同様な端子とすることができる（請求項１２）。また全ての外部回路パターンを形成した金属板であるリードフレームをパッケージの外面に突出させて固定しこの突出部分を外部端子としても良い（請求項１３）。
【００２６】
請求項１４の流量検出装置では、主流路と分流路との流路断面積を適切に選定することにより分流比を適切に決定することができる。分流路は主流路に交差（例えば直交）しそれぞれ流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材で形成し、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口を形成し、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口を形成した構造とすることができる（請求項１５）。この場合には、流体の動圧が流量センサに及ぼす影響を防止あるいは抑制できる。ここに開口は複数であっても良い。開口はスリットであってもよい。
【００２７】
主管材には流量センサーとその制御回路部品とを実装した制御基板を固定し、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーの流入口と流出口に接続することができる（請求項１６）。例えば歪みゲージ（抵抗器）の出力電圧を設定するゲイン調整やオフセット電圧調整を行う増幅回路を制御基板に搭載しておけば、歪みゲージの出力信号が配線のノイズの影響を受けにくくなり検出精度の向上に適する。
【実施例１】
【００２８】
図１〜４において、符号１０は流量センサーであり、表面実装型のパッケージ１２に収納したものである。パッケージ１２は４辺が８mm程度の小さいものであり、図３に示すように、下基板１４と、上基板１６と、蓋板１８と、銘板２０とを積層し固着したものである。下基板１４、上基板１６、蓋板１８は硬質樹脂製である。
【００２９】
下基板１４の上面には、図３、４により明らかなように、中央より一方に偏心した位置に平面視四角形のセンサーチップ収納室２２形成されている。この収納室２２はその底部２４の各辺長が上部２６の各辺長よりも短い四角形であり、２つの四角形の間に水平な段部２８を介して同心に重ねた形状となっている。この段部２８の上には、後記するセンサーチップ４２が固着される。
【００３０】
収納室２２の底の中央には、流体流路の一部となる流入口３０が開口している。この流入口３０の下端は下基板１４の下面に開口している（図４参照）。下基板１４には、前記収納室２２の偏心方向と逆側に、流体流路の一部となる流出口３２が形成されている。従って平面視で、収納部２２と流入口３０と流出口３２は下基板１４の上面中央を通る直線３４（図３）上に位置する。なお下基板１４の下面には、この直線３４に直交する直線上に一対のダボ３６、３６が形成されている（図２、図４）。ダボ３６は、この流量センサー１０を電気回路基板などに搭載する際の位置決め用である。
【００３１】
下基板１４にはまた、前記直線３４を挟んでほぼ対称となるように多数（図３、５では８本）の外部回路パターン３８が形成されている。これらの外部回路パターン３８はフォトリソグラフィ技術によって形成することができる。またこれらの回路パターンを金属板に予め打ち抜き加工したリードフレームを下基板１４に固定して不要部分を除去することによって形成しても良い。これらの外部回路パターン３８は、一端（内端）が収納部２２付近に伸び、他端（外端）は下基板１４の左右の側面に沿って下基板１４の下面に伸びている。この側面に現れた部分が、流量センサー１０の外部端子４０となっている。
【００３２】
次にセンサーチップ４２を説明する。このセンサーチップ４２は、半導体製造工程を利用して４辺が３mm程度の大きさのＳｉ（シリコン）基板４４に形成される。シリコン単結晶のＳｉ基板４４は前記下基板１４の収納部２６に入る寸法の平板であり、その下面中央には四角錐面４６で囲まれた薄いメンブレン４８が形成されている。このメンブレン４８は公知のエッチング、（例えばＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などにより形成できる。このメンブレン４８の中央には、絞りとなる開口５０が形成されている。この開口５０は同様にエッチングやレーザ加工などで形成できる。開口５０の直径は測定レンジ（範囲）や流体種（液体か気体かなど）によっては変更してもよいが、この実施例では直径５０μｍとしている。
【００３３】
なお図８に示す点線はメンブレン４８の外周に形成される前記四角錐面４６であり、この四角錐面４６の外側は図４に示す周囲部５２である。この周囲部５２はエッチングされずに厚く残ったシリコン基板４４の一部である。
【００３４】
メンブレン４８を形成したシリコン基板４４の上面には、４個の抵抗素子（歪みゲージ）Ｒ１〜Ｒ４と、外周縁に沿って形成した多数（６個）のパッド（電極）５４（５４ａ〜５４ｆ）と、これらをつなぐ内部回路パターン５６とが形成されている（図８、９）。これらはフォトリソグラフィなどの半導体製造技術を用いて形成することができる。なお抵抗Ｒ１〜４は図８に示すように、平面視で四角形のメンブレン４８の各辺中央から僅かに内側に位置し、回路パターン５４は抵抗Ｒ１〜４から外周方向に伸びてからメンブレン４８の外周（四角錐面の外周）に沿って形成されたパッド５４にそれぞれ接続されている。
【００３５】
図８でパッド５８ａ、５８ｂは温度センサのパッドであり、これらの間には温度センサーとなる感熱抵抗素子６０が形成されている。センサーチップ４２の上面には、パッド５４、５８の内側に窒化シリコンＳｉＮや、炭化シリコンＳｉＣなどの絶縁皮膜を成膜して、これを保護膜とする。
【００３６】
このように形成されたセンサーチップ４２は、下基板１４の収納部２２に収納される。すなわち図２に示すように、収納部２２に上から装填し、シリコン基板４４の周囲部５２を収納部２２の段部２８に保持する。なおこのセンサーチップ４２は接着剤を用いてこの収納部２２に固定される。この状態でセンサーチップ４２のパッド５４、５８は、下基板１４の外部回路パターン３８の内側の端部にワイヤボンディングされる。すなわち図５に示すように、Ａｕ（金）あるいはＡｌ（アルミ）のワイヤ６２をパッド５４，５８と外部回路パターン３８とに熱圧着あるいは超音波接合により接続する。
【００３７】
前記上基板１６の下面（下基板１４に対向する面）にはにはセンサーチップ４２の上面に間隙６４（図７）を持って対向する突起６６が形成されている。すなわちこの突起６６は平面視で四角錐面４６の上方に位置し、メンブレン４８を囲む垂れ壁状である。この間隙６４には後でチクソ性接着剤６８を毛細管現象あるいは表面張力を利用して流入させる。間隙６４は好ましくは５〜１５マイクロメートルとする。
【００３８】
上基板１６には、メンブレン４８の中央の上方に開口しかつ前記中央の直線３４（図３）に平行な流体流路７０が形成されている。この流体流路７０の他端は前記下基板１４の流出口３２に連通する。この流体流路７０は、上基板１６の上面に形成した凹溝７２（図３参照）を前記蓋板１８で上方から塞ぐことによって、上基板１６の上面と蓋板１８との間に形成することができる。この様にすれば、上基板１６に水平な流体流路７０を半導体加工技術（エッチングなど）で容易に形成することができる。
【００３９】
前記上基板１６を熱硬化性接着シート１７を挟んで下基板１４に重ねることにより（図３）、メンブレン４８の上面に突起６４が所定間隙６４を持って対向し、この状態で上基板１６は下基板１４に接着固定される。なお上基板１６および蓋板１８には、図３、６に示すように、突起６６の外側からセンサーチップ４２の上面周囲に臨む４つの窓７４が形成されている。これらの窓７４は前記したように、センサーチップ４２と突起６６との間にチクソ性接着剤６８を供給する際に利用される。またこの接着剤６８が硬化した後には、この窓７４から他の接着剤を注入し、ワイヤ６２を固定する。
【００４０】
この実施例によれば、流入口３０から流入した流体（気体または液体）は、メンブレン４８の下方に入り、メンブレン４８の絞り５０を通って流体流路７０に入り、流出口３２から流出する。流体が絞りを通る時の絞り効果によってメンブレン４８の両面間に圧力差が生じ、メンブレン４８が低圧側である上側に変位する。この変位により抵抗Ｒ１〜４に加わる応力が変化し、その抵抗値が変化する。この結果図９に示すブリッジ回路の出力が変化する。この出力電圧の変化はメンブレン４８の両面に加わる圧力差に対応する。この圧力差は、ハーゲンポアズイユの法則によれば流体の流量に比例するから、この圧力差を検出することにより流量を検出することができる。
【実施例２】
【００４１】
図１０〜１２はこの流量センサー１０を用いた流量検出装置を示している。これらの図において符号８０は流体が通る主流路８２を形成する主管材である。主管材８０の管壁にはその長さ方向に沿う基板収納部８４が一体に形成されている。この基板収納部８４には制御基板８６が収納される。この制御基板８６の上面には流量センサー１０と、その出力信号の増幅回路とが実装され、必要に応じて他の演算回路例えばゲイン調整やオフセット電圧調整を行う回路などを実装しておいても良い。
【００４２】
ここに流量センサー１０は、前記メンブレン４８の中心を通る直線３４（図３）が主流路８２と平行で、かつ流入口３０が流出口３２より主流路８２の上流側に位置するように固定される。また制御基板８６と主管材８０の間には、流量センサー１０の下方に位置する接続部材８８が介在する。
【００４３】
接続部材８８の下面には図１１に示すように、流量センサー１０の流入口３０と流出口３２の距離だけ離して第１および第２の副管材９０、９２の上端が固定されている。接続部材８８は主管材８０の管壁に開けた開口に液密に固定され、この時に第１および第２の副管材９０、９２が主流路８２を横断して固定される。第１および第２の副管材９０、９
２の上端はこの接続部材８８を貫通し、さらに制御基板８６に設けた開口を介して流量センサー１０の流入口３０および流出口３２に液密に接続されるものである。
【００４４】
第１の副管材９０には流体の上流方向を指向する開口としての複数のスリット９４が、第２の副管材９２には流体の下流方向を指向する開口としての複数のスリット９６がそれぞれ形成されている。この結果、主流路８２の流体流の一部が分流路となる副管材９０、９２を介して流量センサー１０に分流される。流量センサー１０は、この分流路に分流された流量を検出することで、主管材８０に流れる全流量を特定することができる。
【００４５】
前記制御基板８６には、流量センサー１０の信号増幅回路と共に、この様な主流路８２と分流路の分流比により流量センサー１０の出力を補正して主流路８２の流量を求めるための演算を行う演算回路、温度補正回路など適宜の回路を搭載しておくことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 流量センサー
１２ パッケージ
１４ 下基板
１６ 上基板
１８ 蓋板
２２ センサーチップ収納部
３０ 流入口（流体流路の一部）
３２ 流出口（流体流路の一部）
３４ 下基板の上面中央を通る直線
３８ 外部回路パターン
４０ 外部端子
４２ センサーチップ（流量検出手段）
４４ シリコン基板
４８ メンブレン
５０ 絞り（開口）
５４ パッド
５６ 内部回路パターン
６２ ワイヤ
６４ 間隙
６６ 突起
６８ チクソ性接着剤
７０ 流体流路
７４ 窓（接着剤注入用）
８０ 主管材
８２ 主流路
８６ 制御基板
８８ 接続部材
９０ 第１の副管材（分流路）
９２ 第２の副管材（分流路）
９４，９６ 開口（スリット）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗素子（歪みゲージ、抵抗器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、
前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、
前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、
を備えることを特徴とする流量センサー。
【請求項２】
流量検出手段は、流体流路の途中に設けた絞りの上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレンを持ち、前記メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーである請求項１の流量センサー。
【請求項３】
流量検出手段は、メンブレンと、このメンブレンに固定され前記メンブレンの変位に対応して生じる歪みを検出する歪みゲージとを有するセンサーチップで形成されたＭＥＭＳセンサーである請求項２の流量センサー。
【請求項４】
パッケージは、流体の流入口と流出口が下面に開口する下基板と、この下基板に重ねられ下基板との間にセンサーチップの周囲部を保持する上基板とを備え、前記流入口はメンブレンの下面に開口し、前記メンブレンの上面は上基板に形成した流体流路によって前記流出口に連通している請求項３の流量センサー。
【請求項５】
メンブレンは、センサーチップの周囲部を残してその内側を薄くエッチングすることにより形成され、前記メンブレンの片面には歪みゲージとなる抵抗器が形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項６】
メンブレンは四角形であり、４個の抵抗器がメンブレンの各辺の中央に配置され、各抵抗器はブリッジ回路を形成する請求項５の流量センサー。
【請求項７】
上基板にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する突起が形成され、この基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓が形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項８】
上基板に形成される流体流路は、上基板の上面に重ねた蓋板との間に形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項９】
センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージと上基板の突起より外周側に形成されたパッドとを接続する内部回路パターンが形成され、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンが形成され、前記内部回路パターンと外部回路パターンとはワイヤボンディングによって接続されている請求項６の流量センサー。
【請求項１０】
上基板の突起と下基板との間に形成される間隙に供給する接着剤は、チクソ性を持つパーフルオロ系の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって前記間隙に流入する請求項７の流量センサー。
【請求項１１】
上基板の突起と下基板との間隙に供給した接着剤の硬化後に、前記間隙の外側に他の接着剤が供給されている請求項７の流量センサー。
【請求項１２】
外部端子は、下基板の少なくとも側面に形成した金属メッキ層である請求項１の流量センサー。
【請求項１３】
外部端子は、外部回路パターンと一体であるリードフレームで形成される請求項８の流量センサー。
【請求項１４】
請求項１の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置。
【請求項１５】
分流路は、主流路に交差しそれぞれ前記流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材を備え、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口が形成され、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口が形成されている請求項１３の流量検出装置。
【請求項１６】
主管材には、流量センサーとその制御回路部品とが実装された制御基板が固定され、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーに接続されている請求項１５の流量検出装置。
【請求項１】
表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、
前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、
前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、
を備えることを特徴とする流量センサー。
【請求項２】
流量検出手段は、流体流路の途中に設けた絞りの上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレンを持ち、前記メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーである請求項１の流量センサー。
【請求項３】
流量検出手段は、メンブレンと、このメンブレンに固定され前記メンブレンの変位に対応して生じる歪みを検出する歪みゲージとを有するセンサーチップで形成されたＭＥＭＳセンサーである請求項２の流量センサー。
【請求項４】
パッケージは、流体の流入口と流出口が下面に開口する下基板と、この下基板に重ねられ下基板との間にセンサーチップの周囲部を保持する上基板とを備え、前記流入口はメンブレンの下面に開口し、前記メンブレンの上面は上基板に形成した流体流路によって前記流出口に連通している請求項３の流量センサー。
【請求項５】
メンブレンは、センサーチップの周囲部を残してその内側を薄くエッチングすることにより形成され、前記メンブレンの片面には歪みゲージとなる抵抗器が形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項６】
メンブレンは四角形であり、４個の抵抗器がメンブレンの各辺の中央に配置され、各抵抗器はブリッジ回路を形成する請求項５の流量センサー。
【請求項７】
上基板にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する突起が形成され、この基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓が形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項８】
上基板に形成される流体流路は、上基板の上面に重ねた蓋板との間に形成されている請求項４の流量センサー。
【請求項９】
センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージと上基板の突起より外周側に形成されたパッドとを接続する内部回路パターンが形成され、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンが形成され、前記内部回路パターンと外部回路パターンとはワイヤボンディングによって接続されている請求項６の流量センサー。
【請求項１０】
上基板の突起と下基板との間に形成される間隙に供給する接着剤は、チクソ性を持つパーフルオロ系の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって前記間隙に流入する請求項７の流量センサー。
【請求項１１】
上基板の突起と下基板との間隙に供給した接着剤の硬化後に、前記間隙の外側に他の接着剤が供給されている請求項７の流量センサー。
【請求項１２】
外部端子は、下基板の少なくとも側面に形成した金属メッキ層である請求項１の流量センサー。
【請求項１３】
外部端子は、外部回路パターンと一体であるリードフレームで形成される請求項８の流量センサー。
【請求項１４】
請求項１の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置。
【請求項１５】
分流路は、主流路に交差しそれぞれ前記流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材を備え、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口が形成され、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口が形成されている請求項１３の流量検出装置。
【請求項１６】
主管材には、流量センサーとその制御回路部品とが実装された制御基板が固定され、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーに接続されている請求項１５の流量検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２０９１３０（Ｐ２０１１−２０９１３０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７６９９（Ｐ２０１０−７７６９９）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「新エネルギー技術研究開発／新エネルギーベンチャー技術革新事業（燃料電池・蓄電池）／マイクロフローセンサーパッケージの技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９１１１７４１３）株式会社菊池製作所 (33)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「新エネルギー技術研究開発／新エネルギーベンチャー技術革新事業（燃料電池・蓄電池）／マイクロフローセンサーパッケージの技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５９１１１７４１３）株式会社菊池製作所 (33)
【Ｆターム（参考）】
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