专利名称：：流量传感器及应用此流量传感器的质量流量控制装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及对气体等较小流量的流体的质量流量进行计测的流量传感器及应用它的质量流量控制装置。
背景技术：
：一般说来，为了制造半导体集成电路等半导体制品等，需对于半导体晶片等反复在各种半导体制造装置上进行例如CVD膜形成及腐蚀操作等，此时，因为需要对微量的处理气体的供给量进行高精度的控制，所以，应用了例如质量流量控制器等质量流量控制装置。这里，参照图6及图7说明一般的质量流量控制装置的构成。图6为在气体管线上设置的现行的质量流量控制装置之一例的概略构成图，图7为质量流量控制装置的流量传感器的电路图。如图所示，该质量流量控制装置2设置在使液体及气体等流体流通的流体通路例如气体管4的途中，对该质量流量进行控制。另外，该气体管4的一端所连接的半导体制造装置内，例如已被抽真空。该质量流量控制装置2具有例如由不锈钢等成形的流路6,其两端与上述气体管4相连接。该质量流量控制装置2由位于流路6的前段一侧的流量传感器部8和位于后段一侧流量控制阀机构10构成。首先，上述流量传感器部8具有旁通管组12，其设置在上述流路6的气体流体的流动方向的上游一侧，将多条旁通管捆绑在一起。在上述旁通管组12的两端，迂回地连接着传感器管14，在此与旁通管组12比较，使少量的气体流体能够以一定的比例流过。即，在该传感器管14上，随时使对于全部气体流量而言的一定比例的一部分气体流过。在该传感器管14上，巻绕着串联的一对控制用电阻丝R1、R4，通过与之连接的传感器电路16输出表示质量流量值的流量信号Sl。3该流量信号Sl被导入例如由微电脑等构成的质量流量控制手段18，基于上述流量信号S1求出目前所流动的气体的质量流量，且控制上述流量控制阀机构10，以使该质量流量与自外部输入的流量设定信号Sin所表示的质量流量相一致。该流量控制阀机构10具有设在上述流路6的下游的流量控制阀20，作为直接控制气体流体的质量流量的阀体，该流量控制阀20具有例如由金属板制成的可以弯曲的隔膜22。并且，通过将该隔膜22向阀口24适当弯曲变形、移动，即可任意控制上述阀口24的开度。并且，该隔膜22的上面与例如由多层压电元件(压电元件)构成的执行器26的下端连接，由此可如上所述地调整其阀口开度。该执行器26接收来自上述质量流量控制手段18的驱动信号，根据阀驱动电路28输出的阀驱动电压S2来动作。上述电阻丝R1、R4与传感器电路16的关系如图7所示。即，与上述电阻丝Rl、R4的串联相反，将2个基准电阻R2、R3的串联电路并联，形成所谓的桥式电路。并且，在该桥式电路上，连接着用于使一定的电流通过的恒流源30。并且，将上述电阻丝R1、R4之间的连接点和上述基准电阻R2、R3之间的连接点与输入端连接，设置差动电路32，求出上述两个连接点的电位差，将该电位差作为流量信号S1输出。这里，上述电阻丝Rl、R4由根据温度改变其电阻值的材料构成，电阻丝R1巻绕至气体流动方向的上游，电阻丝R4巻绕至下游。并且，基准电阻R2、R3保持在大体一定的温度。在如此构成的质量流量控制装置2上，当传感器管14中没有气体流体流过时，两电阻丝R1、R4的温度是相同的，因此，桥式电路是平衡的，差动电路32的检测值即电位差例如为零。这里，假设气体流体以质量流量Q流经传感器管14,则该气体流体被位于上游的电阻丝Rl的发热所加温，在此状态下流至下游的巻绕着电阻丝R4位置，其结果，产生热移动，在电阻丝R1、R4之间产生温差，即两电阻丝R1、R4之间的电阻值产生差异，此时产生的电位差与气体的质量流量大体成比例。因此，通过对该流量信号S1加入特定的增益，可求得当时流过的气体的质量流量。并且，为使该检测到的气体的质量流量与流量设定信号Sin(实际上是电压值)所表示的质量流量相一致，例如通过PID控制法控制上述流量控制阀20的开度。不过，上述的流量传感器部8具有由多条细管构成的旁通管组12和迂回于旁通管组12的传感器管14，并将旁通管组12与传感器管14的分流比设置为一定，由在传感器管14检测到的流量测定全体的流量，所以，通过增减旁通管的数量，可改变与传感器管的分流比，构成覆盖小流量区域至大流量区域的流量传感器。因而会增加构成大流量用流量传感器的细管的数量(例如数百只)，导致大型化，且存在着制造旁通管组的成本增加的问题。对此，在专利文献1中，提出了一种层流元件，其以同心地插入套管内的芯为中心，巻绕平板及波形板而构成，并固定在套管内，由此构成廉价而易于制造的高可靠性层流旁通。并且，在专利文献2中，公开了一种将在表面突设了多个肋板的第1带状体和平坦的第2带状体巻绕成筒形而形成的层流元件。专利文献1日本专利实公平3-17226号公报(第1页至第3页)专利文献2日本专利特开平11-101673号公报(第2页至第3页，图4)发明欲解决的技术问题然而，依据专利文献1所述的技术，传感器管入口必须在上游具有足以充分层流化的入口管长度之后才能设置，所以难以实现小型化，且在改变流量的可测定范围(以下称之为流量范围)时，必须改变波形板的高度及斜度，需要逐流量地设置波形板，故存在成本高的问题。并且，依据专利文献2所述的技术，为了得到层流元件的流量与输出信号的直线性，需要增大层流元件的长度，因此存在质量流量控制装置大型化的问题。
发明内容本发明是关注上述事项而完成的，目的在于提供一种大流量用但却不至于大型化的、廉价而简洁的高性能流量传感器以及应用它的质量流5量控制装置。解决问题的技术手段本发明提供一种流量传感器，其将流体以特定的分流比分流至旁通流路和形成桥式电路一部分的发热电阻丝绕制成的传感器流路，将通过上述流体流经上述传感器流路而产生的热移动作为上述桥式电路的不平衡来捕捉，以此求出上述流体的整体流量作为传感器输出。上述旁通流路由多条细流路构成，各条细流路之截面由大体呈直线状的一条边和与该条边相切的曲线形成，上述细流路的等效水力直径(d)与上述细流路的长度(T)的常用对数之比在0.27以下。其中，当上述曲线在y-f(x)、a及b与上述的一条边相切时，曲线的长度l可用式l表示。艮卩，上述曲线与上述的一条边所围绕的细流路的周长L可用式2表示。式2丄=/+(6-a)并且，上述曲线与上述的一条边所围绕的细流路的截面积可用式3表不。式3^二f广(xVx并且，当等效水力直径为d=4XS/L，上述细流路的长度为T时，构成为满足式4。依据上述的构成，当旁通流路构成为满足式4的多条细流路时，可提高使旁通流路流动的流体的整流效果，縮短旁通流路长度。据此可构式1式4<0.27iog(r)传感器。并且，应用它的质量流量控制装置能够大流量用但却不至于大型化，可廉价而简洁地实现。此时，最好将平板和波形板巻绕起来构成上述细流路，上述波形板大体呈正弦波形。并且，本发明还提供一种具有上述流量传感器的质量流量控制装置。发明效果依据本发明的流量传感器及应用它的质量流量控制装置，可发挥出如下优异的作用效果。在构成满足式4的多条细流路时，可提高使旁通流路流动的流体的整流效果，縮短旁通流路长度。据此可构成简洁的流量传感器。并且，应用它的质量流量控制装置能够大流量用但却不至于大型化，可廉价而简洁地实现。图1为用于说明本发明的质量流量控制装置之一例的剖视图。图2为旁通管组的截面图，图2(a)为本发明的一实施例的截面图，图2(b)为比较例的截面图。图3为图2(a)的局部放大图。图4为实施例与比较例的比较试验装置的模式图。图5为对实施例和比较例的流量与流量信号的关系的直线性进行比较的曲线图。图6为用于说明设置在气体管上的现行的质量流量控制装置之一例的概略构成图。图7为质量流量控制装置的流量传感器部的电路图。标号说明2质量流量控制装置，4气体管(流体通路)，6流路，6A流体入口，76B流体出口，8流量传感器部，10流量控制阀机构，12、12A、12C旁通管组，14传感器管，16传感器电路，18质量流量控制手段，20流量控制阀，21阀体，22隔膜，23阀座，24阀口，26执行器，26a电磁线圈，26b柱塞，27板簧，28阀驱动电路，30恒流源，32差动电路，40质量流量控制装置，40a主体，40b、40c分支孔，41接头部，61阶梯部，62密封圈，70、70C波形板，71、71C平板，72芯，73旁通管座，74、74C细流路，77渐近部，80压力控制阀，81质量流量计，S0流量设定信号，51流量信号，52阀驱动电压，S3罐阀开关信号，S4压力信号，S10校正信号。具体实施例方式以下参照附图详细说明本发明的流量传感器及应用它的质量流量控制装置的一实施例。图1为用于说明本发明的质量流量控制装置之一例的剖视图。另外，对于与图6及图7所示的构成部分相同的构成部分，标示以同一标号，省略其说明。如图所示，该质量流量控制装置40通过接头部41连接至使液体及气体等流体流过的流体通路，控制该质量流量(以下也简称为"流量")。另外，连接至该接头部41一端的半导体制造装置内例如已被抽真空。具体地说，该质量流量控制装置40例如在不锈钢等的本体40a内部具有流路6，在流体入口6A和中间流路6B之间设有流量传感器部8，在中间流路6B与流体出口6C之间设有流量控制阀机构10。上述流量传感器部8具有旁通管组12A、传感器管14、传感器电路16等，将在这里检测到的流量信号Sl向质量流量控制手段18输出。旁通管组12A是在圆筒状的旁通管座73上巻绕并容纳着后述的波形板70和平板71的结构，从接头部41一侧受弹簧63的按压，通过密封圈62将旁通管座73的端部气密地固定在流路6内形成的阶梯部61。在本体40a的流路6上，传感器管14是与形成于旁通管组12A的上游及下游的分支孔40b、40c相连接的例如内径为0.5mm左右的细管。上述流量控制阀机构10具有流量控制阀20及驱动它的执行器26。流量控制阀20可调整螺合在本体40a上并具有阀口24的阀座23同与阀座23相对的阀体21之间的开度。执行器26具有电磁线圈26a及可通过电磁线圈26a上下移动的柱塞26b，柱塞26b的下端通过板簧27连接至阀体21。该流量控制阀机构10是所谓的常幵流量控制阀，其在电磁线圈26a未励磁的状态下，通过板簧27使阀座23与阀体21分离。并且，从质量流量控制手段18直接将阀驱动电压S2施加在电磁线圈26a上，通过阀驱动电压S2使电磁线圈26a励磁，在柱塞26b上产生下降方向的电磁力。板簧27具有抵抗该力的弹力，将阀体21驱动至上述电磁力与上述弹力平衡的位置，调整阀口的开度。并且，上述质量流量控制手段18例如可以PID控制法控制上述流量控制阀20的开度，以便使例如从主机等外部向其输入的由流量设定信号SO表示的流量和由上述流量信号Sl表示的流量相一致。另外，在图示的例子中，上述流量控制阀机构10虽然设定在上述流量传感器部8的下游，但是也可以使其位于上述流量传感器部8的上游。并且，勿庸讳言，执行器26不仅限于采用电磁线圈26a者，也可以是上述的采用多层压电元件者。接着，参照附图详细说明旁通管组的一实施例。图2为旁通管组的截面图，图2(a)为本发明的一实施例的截面图，图2(b)为比较例的截面图。图3为图2(a)的局部放大图，图4为实施例与比较例的比较试验装置的模式图，图5为对实施例和比较例的流量与流量信号的关系的直线性进行比较的曲线图。如图2(a)所示，旁通管组12A将例如使厚度0.03mm的不锈钢制薄板成形为节距P=1.68mm，高度H-0.25mm的大体呈正弦波曲线的波形板70与同样不锈钢制的平板71相重合，以圆柱形的芯72为中心进行巻绕，收容在内径为①15.4mm的圆筒形的旁通管座73上。并且，由波形板70与平板71所围绕，以2500cell/英寸2的密度形成的空间构成细流路74，向轴向(图纸深处的方向)延伸。如图3所示，细流路74在波形板70与平板71相切的附近部分形成渐近部77，与细流路74的流体流动的截面积相比较，与流体相切的面积(图3所示的细流路74的周长)增大。因而，由于从细流路74的壁面接受流体的耐摩擦性增大，所以，可以认为其受到了层流式效果，能够稳定旁通管组12A与传感器管14的分流比。如果波形板70不是矩形及三角形，而是形成平板71和渐近部77的形状，则不仅限于正弦波曲线，也可以形成连续地连接半圆形的波形及连续地连接二维、三维曲线的一部分而形成波形。反之，由图2(b)可知，比较例中的旁通管组12C将例如使厚度0.03mm的不锈钢制薄板成形为节距P-1.68mm，髙度H=0.4mm的大体呈正弦波曲线的波形板70C与平板71C所围绕的细流路74C构成接近正三角形的形状，縮小了与流体接触的面积，层流式效果较小。〈实施例〉在质量流量控制装置40上分别安装图2(a)所示的旁通管组12A和图2(b)所示的旁通管组12C，如图4所示，串联地配置压力控制阀80、质量流量控制装置40和事前校准的质量流量计81，从上游以最大流量10SLM的流量供给一定压力的气体，对质量流量控制装置40的流量控制的直线性进行了比较。供给气体采用0.05MPa的氮气，使向质量流量控制装置40输入的流量设定信号SP从最大流量(满标流量)Qfs20。/。依次交化至100%，用质量流量计81对其时的质量流量Qsp进行了测定。图5所示的对实施例和比较例的流量与流量信号的关系的直线性进行比较的曲线图显示出了图2(a)所示的旁通管组12A和图2(b)所示的旁通管组12C的层流式效果。这里，横轴SP为最大流量(满标流量)Qps所对应的比例，纵轴的直线性为将所测定的质量流量Qsp代入下面的式5中求出的值。式5直线性(％尺&)=w八100x100QSP:所测定的质量流量QFS:质量流量控制装置的最大流量SP:与最大流量(满标流量)Qrs相对应的比例并且，图5(a)为图2(b)所示的旁通管组12C(比较例)的实验结果，图5(b)至图5(e)为图2(a)所示的旁通管组12A(实施例)的实验结果，是将大体呈正弦波形的波形板和平板巻绕为外径4)15.4mm，成表1所示的形状。表1单位smm实验结果波形板的节距(P)波形板的高度(H)细流路的长度(T)比较例图5(a)1.680.424实施例1图5(b)1.680.324实施例2图5(c)1.680.316实施例3图5(d)1.680.2516实施例4图5(e)1.680.258对图5(a)和图5(b)进行比较可知，图5(a)在SP二40。/。附近表现出大约3.5。/。的直线性，而在图5(b)中，无论在SP为从20至100的任何流量，其直线性均不超过0.5%，表现出了良好的直线性。此外，由图5(c)可知，即使将细流路的长度(T)设为16mm，也几乎不影响层流式效果，表现出良好的直线性。并且，如图5(d)所示，在实施例3中，也表现出了良好的直线性。在图5(d)所示的实施例4中，在SP-40。/。附近表现出了2%弱的直线性。然而，对于作为流量传感器的实用精度来说，几乎不产生影响。这里，回到式1至式4进行考察。因为实施例、比较例中均使用正弦波形的波形板，所以，若从表1所示的形状代入式1至式4去计算d/log(T)，则如表2所示。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>从而可知，如果d/log(T)为0.27以下，则可縮短旁通流路长度，构成简洁的流量传感器。这是流体从细流路74的壁面受到的耐摩擦性增大，可以认为是受到了层流式效果，能够稳定旁通管组12A与传感器管14的分流比。并且，还将气体压力设置为从0.1MPa至0.3MPa，将气体种类设置为He、SF6进行了比较，与旁通管组12C相比，可以确认旁通管组12A的层流效果同样显著。并且，安装采用旁通管组12A的流量传感器，还能简洁地提供最大流量39SLM的质量流量控制装置。另外，在对流量传感器要求更高精度时，d/log(T)最好在0.24以下。不过，d/log(T)越小，流体的压力损失越大，所以其下限保持在0.15左右为宜。并且，虽然还存在着制造上的难点及压力损失的问题，但是只要捆绑多个中实线，收容在旁通管座内，在中实线之间的缝隙中建立细流路，即能实现细流路长度更短的简洁的旁通管组。权利要求1.一种流量传感器，其将流体以特定的分流比分流至旁通流路和由形成桥式电路一部分的发热电阻丝绕制成的传感器流路，将通过上述流体流经上述传感器流路而产生的热移动作为上述桥式电路的不平衡来捕捉，以此求出上述流体的整体流量作为传感器输出，该流量传感器的特征在于，上述旁通流路由多条细流路构成，各条细流路之截面由大体呈直线状的一条边和与该条边相切的曲线形成，上述细流路的等效水力直径(d)与上述细流路的长度(T)的常用对数之比在0.27以下。2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，上述旁通流路将平板和波形板巻绕起来构成上述细流路，上述波形板大体呈正弦波形。3.—种质量流量控制装置，其具有权利要求1或2所述的流量传感器。全文摘要本发明目的在于提供一种用于大流量但却不至于大型化的、廉价而简洁的高性能流量传感器以及应用此传感器的质量流量控制装置。其特征在于，流量传感器(8)将流体以特定的分流比分流至旁通流路(12)和由形成桥式电路一部分的发热电阻丝绕制成的传感器流路(14)，将通过上述流体流经上述传感器流路(14)而产生的热移动作为上述桥式电路的不平衡来捕捉，以此求出上述流体的整体流量作为传感器输出。上述旁通流路由多条细流路(74)构成，各条细流路之截面由大体呈直线状的一条边和与该条边相切的曲线形成，上述细流路(74)的等效水力直径(d)与上述细流路(74)的长度(T)的常用对数之比在0.27以下。并且，该流量传感器安装在质量流量控制装置内。文档编号H01L21/66GK101509796SQ200910006350公开日2009年8月19日申请日期2009年2月10日优先权日2008年2月12日发明者杉本真乡,林明史申请人:日立金属株式会社