JP2011185869A

JP2011185869A - フローセンサ

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Publication number: JP2011185869A
Application number: JP2010053549A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ike; 信一池
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】腐食性物質に対する耐食性の高いフローセンサを提供する。
【解決手段】本発明に係るセンサの例によるフローセンサは、ガラス製の基台２０と、基台２０の一方の面（図２において上面）に設けられ、流体の流量を検出するためのセンサ薄膜３０と、を備え、基台２０は、他方の面（図２において下面）に設けられる電極パッド２１と、一方の面から他方の面まで貫通し、センサ薄膜３０と電極パッド２１とを電気的に接続する貫通電極２２と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明に係るいくつかの態様は、基台（基板）と基台の一方の面上に設けられたセンサ薄膜とを備えるフローセンサに関する。

従来、この種のフローセンサとして、例えば、基台（シリコン基板）上に、センシング部位を構成する金属線と、金属線の両端に接続して設けられたボンディングパッド３４が形成されたセンサ薄膜を備えるエアフローセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第０１／０４６７０８号

しかしながら、特許文献に記載のフローセンサでは、シリコン製の基台を用いているので、腐食性物質に対する耐食性が低かった。そのため、このフローセンサは、腐食性物質の流体、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）に使用することが困難であった。

本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、腐食性物質に対する耐食性の高いフローセンサを提供することを目的の１つとする。

本発明に係るセンサは、ガラス製の基台と、前記基台の一方の面に設けられ、流体の流量を検出するためのセンサ薄膜と、を備え、前記基台は、他方の面に設けられる電極と、前記一方の面から前記他方の面まで貫通し、前記センサ薄膜と前記電極とを電気的に接続する接続部材と、を有する。

かかる構成によれば、ガラス製の基台は、他方の面に設けられる電極と、一方の面から他方の面まで貫通し、センサ薄膜と電極とを電気的に接続する接続部材とを有する。ここで、ガラス製の基台は、腐食性物質の流体、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）に対して耐食性を有する。また、ガラス製の基台は、主に異方性エッチングにより成形していた従来のシリコン製などの基台と比較して、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができ、当該貫通孔に設けられた接続部材によって、基台の上面に設けられるセンサ薄膜と基台の下面に設けられる電極とが電気的に接続されるので、従来、センサ薄膜の表面に露出することにより生じていた金製等の電極の腐食を防止することができ、腐食性物質の流体、例えばＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）の測定を可能にする。これにより、フローセンサの耐食性を高めるができる。

好ましくは、基台を設置するための台座をさらに備える。

かかる構成によれば、基台を設置するための台座をさらに備える。これにより、チップ状のセンサ薄膜及び基台（ダイ）を台座（ダイパッド）に設置（ダイボンディング）することができ、フローセンサをパッケージング（パッケージ化）することが可能となる。

好ましくは、基台の他方の面と台座の一方の面とが陽極接合されている。

かかる構成によれば、基台と台座とが陽極接合される。ここで、ガラス製の基台は、ガラスの種類により熱膨張係数が大きく異なるため、熱膨張係数の選択範囲が広い、という特徴を有する。台座の材料として熱膨張係数が５．０［×１０^-6／℃］程度のコバールを用いる場合、基台の材料として熱膨張係数が３．２［×１０^-6／℃］程度のテンパックス（登録商標）を用いることで、基台と台座との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことにより生じていた基台と台座との接合部の腐食を防止することができ、フローセンサの耐食性を維持することができる。

好ましくは、台座は、腐食性物質に対して耐食性を有する合金製である。

かかる構成によれば、台座は、腐食性物質に対して耐食性を有する合金製、例えばハステロイ（登録商標）、インコネル、ステライト（登録商標）などである。これにより、腐食性を有する流体、例えばＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃の気体（ガス）に台座を露出する（さらす）場合に、好適に用いることができ、基台自体が耐食性を有することと相俟って、フローセンサの耐食性を更に高めることができる。例えば、台座の材料としてハステロイ（登録商標）を用いる場合、基台の材料として熱膨張係数が７．２［×１０^-6／℃］程度の硼珪酸ガラスを用いることで、ハステロイ（登録商標）の熱膨張係数が１１．０［×１０^-6／℃］程度であるため、基台と台座との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことで生じていた、基台と台座との接合部の腐食性物質、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃による腐食を防止することができる。

好ましくは、前述の電極に電気的に接続される接続線をさらに備え、接続線は、電極との接続部が封止剤で封止されている。

かかる構成によれば、電極と接続線との接続部が封止剤で封止されている。これにより、電極と接続線との接続部を保護することができるとともに、例えば湿度の影響や流体の流入を防止して電気的接続を強化することができる。

本発明の第１実施形態におけるフローセンサの一例を説明する斜視図である。図１に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面である。従来のフローセンサを説明する側方断面図である。本発明の第１実施形態におけるフローセンサの一例を説明する側方断面図である。従来のフローセンサを説明する側方断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。

（第１実施形態）
図１乃至図３は、本発明に係るフローセンサの第１実施形態を示すためのものである。図１は、本発明の第１実施形態におけるフローセンサの一例を説明する斜視図であり、図２は、図１に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面図である。本発明に係るフローセンサは、例えば熱式のフローセンサである。図１及び図２に示すように、フローセンサ１０は、一方の面（図１及び図２において上面）にキャビティ（凹部）２５を有する基台２０と、基台２０の上面の上に設けられたセンサ薄膜３０と、を備える。

センサ薄膜３０は、流体の速度（流速）又は流量を検出するためのものであり、ヒータ（抵抗素子）３１と、センサ薄膜３０においてヒータ３１を挟んでヒータ３１の両側に設けられた一組の抵抗素子３２，３３と、基台２０の一辺側に設けられた周囲温度センサ（抵抗素子）３４と、基台２０のキャビティ２５に通ずる複数のスリット（開口部）３５と、を有する。また、センサ薄膜３０は、各抵抗素子３１，３２，３３，３４と、基台２０のキャビティ２５とを覆うように形成（配置）された絶縁膜３６を表面に有する。これにより、各抵抗素子３１，３２，３３，３４の電気的な絶縁性を高める。なお、絶縁膜の材料としては、例示的に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などが使用可能である。

このような構成を備えるフローセンサ１０は、例えば図１及び図２中にブロック矢印で示すように、測定対象である流体、例えばガスの流れる方向に沿って、抵抗素子３１，３２及び３３が順に並ぶように配置される。この場合、抵抗素子３２は、ヒータ３１よりも上流側（図１及び図２において左側）に設けられた上流側測温抵抗素子として機能し、抵抗素子３３は、ヒータ３１よりも下流側（図１及び図２において右側）に設けられた下流側測温抵抗素子として機能する。

絶縁膜３６におけるキャビティ２５を覆う部分は、熱容量が小さく、基台２０に対して断熱性を有するダイアフラムを成す。絶縁膜の材料としては、例示的に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などが使用可能である。周囲温度センサ３４は、フローセンサ１０が設置された管路（図示省略）を流通するガスの温度を測定する。ヒータ３１は、例示的に、キャビティ２５を覆う絶縁膜３６の中心に配置されており、周囲温度センサ３４が計測したガスの温度よりも一定温度高くなるように、加熱される。上流側測温抵抗素子３２は、ヒータ３１よりも上流側の温度を検出するのに用いられ、下流側測温抵抗素子３３は、ヒータ３１よりも下流側の温度を検出するのに用いられる。

ここで、管路内のガスが静止している場合、ヒータ２１で加えられた熱は、上流方向及び下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、管路内のガスが上流から下流に流れている場合、ヒータ３１で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、上流側測温抵抗素子３２の温度よりも、下流側測温抵抗素子３３の温度が高くなる。

このような温度差は、上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗との間に差を生じさせる。下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差は、管路内のガスの速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差を基に、管路を流れる流体の速度（流速）や流量を算出することができる。抵抗素子３１、３２及び３３の電気抵抗の情報は、後述する電極パッド２１及び接続部材２２を通じて電気信号として取り出すことができる。

図１及び図２に示すセンサ薄膜３０の厚さは、例えば１μｍであり、センサ薄膜３０の縦横の寸法は、例えば基台２０と同一（１．７ｍｍ程度）である。各抵抗素子３１，３２，３３，３４のそれぞれの材料には、白金（Ｐｔ）などが使用可能である。また、各抵抗素子３１，３２，３３，３４の形成には、リソグラフィ法などが適用可能である。

図１及び図２に示す基台２０の厚さは、例えば５２５μｍであり、基台２０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．７ｍｍ程度である。但し、基台２０の寸法及び形状は、これらに限られない。キャビティ２５は、異方性エッチングやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを用いて形成することができる。図２には、一例として断面形状が舟形凹状のキャビティ２５が形成された様子を例示している。

図２に示すように、基台２０は、下面（裏面）に設けられた電極パッド（電極）２１と、上面から下面まで貫通する貫通電極（接続部材）２２とを有する。電極パッド２１は、外部の回路などに電気的に接続するためのものである。貫通電極２２は、センサ薄膜３０、特に各抵抗素子３１，３２，３３，３４と電極パッド２１とを電気的に接続するためのものである。電極パッド２１及び接続部材２２のそれぞれの材料には、銅（Ｃｕ）、銅合金、タングステン（Ｗ）、タングステン合金などが使用可能である。

図３は、従来のフローセンサを説明する側方断面図である。ここで、本発明のフローセンサとの比較のために、従来のフローセンサの構成を説明する。図３に示すように、従来のフローセンサ９０は、フローセンサ１０と同様に、上面にキャビティ９１ａを有する基台９１と、基台９１の上面に設けられたセンサ薄膜９２と、を備える。センサ薄膜９２は、上面（表面）に電極パッド９３が設けられており、電極パッド９３は、外部の回路などに接続されるリードピン９４に、ボンディングワイヤ９５を介して電気的に接続されている。なお、フローセンサ１０との比較を容易にするために、フローセンサ９０も熱式のフローセンサであり、センサ薄膜９２は、図示を省略するヒータ、各抵抗素子、及び絶縁膜などを有する。

このような構成を備えるフローセンサ９０は、例えば図３中にブロック矢印で示す方向に流れる流体に対し、電極パッド９３、リードピン９４、及びボンディングワイヤ９５が露出している。また、基台９１の材料としては、通常、シリコン（Ｓｉ）などが使用される。このため、シリコン（Ｓｉ）を腐食する流体、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）の流量（又は流速）を検出する場合、従来のフローセンサ９０では、耐食性の低いシリコン製の基台９１が腐食してしまうおそれがあった。また、流体に露出する金製の電極パッド９３、リードピン９４、及びボンディングワイヤ９５は、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃ＳＯｘ、ＮＯｘなどを含有する気体（ガス）によって、腐食してしまうおそれがあった。

一方、本実施形態のフローセンサ１０では、図２に示す基台２０の材料として、ガラス、具体的には硼珪酸ガラス（ホウケイ酸ガラス）、テンパックス（登録商標）などを用いる。ここで、ガラス製の基台２０は、腐食性物質の流体、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃ＳＯｘ、ＮＯｘなどを含有する気体（ガス）に対して耐食性を有する。また、ガラス製の基台２０は、主に異方性エッチングにより成形していた従来のシリコン製などの基台と比較して、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。

本実施形態では、フローセンサ１０の一例として熱式のフローセンサを示したが、これに限定されず、他の方式のフローセンサであってもよい。

このように、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、ガラス製の基台２０は、下面（裏面）に設けられる電極パッド２１と、上面から下面まで貫通し、センサ薄膜３０と電極パッド２１とを電気的に接続する接続部材２２とを有する。ここで、ガラス製の基台２０は、腐食性物質の流体、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）に対して耐食性を有する。また、ガラス製の基台２０は、主に異方性エッチングにより成形していた従来のシリコン製などの基台と比較して、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができ、当該貫通孔に設けられた接続部材２２によって、基台２０の上面に設けられるセンサ薄膜３０と基台２０の下面に設けられる電極パッド２１とが電気的に接続されるので、従来、センサ薄膜の表面に露出することにより生じていた金製等の電極の腐食を防止することができ、腐食性物質の流体、例えばＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などを含有する気体（ガス）の測定を可能にする。これにより、フローセンサ１０の耐食性を高めるができる。

（第２実施例）
図４及び図５は、本発明に係るフローセンサの第２実施形態を示すためのものである。なお、特に記載がない限り、前述した第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、図示しない構成部分は、前述した実施形態と同様とする。

図４は、本発明の第２実施形態におけるフローセンサの一例を説明する側方断面図である。フローセンサは、通常、流体が流通する管路の内壁に設置される。図４に示すように、本実施形態におけるフローセンサ１００は、第１実施形態のフローセンサ１０と同様の構成を備えるセンサ本体１００Ａと、センサ本体１００Ａの基台２０を設置するためのヘッダー（台座）４０を備える。これにより、チップ状のセンサ本体１０（ダイ）をヘッダー４０（ダイパッド）に設置（ダイボンディング）することができ、フローセンサ１００をパッケージング（パッケージ化）することが可能となる。

ヘッダー４０は、一例として両端が開放する筒体に形成されている。ヘッダー４０の一端部（図４において下端部）には、外側（図４において左右両側）に屈曲した環状の外フランジ４１が一体に形成され、ヘッダー４０の他端部（図４において上端部）には、内側（図４において中央側）に屈曲した環状の内フランジ４２が一体に形成されている。外フランジ４１は、例えば、流体が流通する管路（図示両略）の内壁に、シール部材などを介して内面が密接され、ねじ、溶接などによりヘッダー４０が固定される。内フランジ４２は、上端の開口が覆われるように基台２０が設置され、センサ本体１０が固定される。

基台２０の下面に設けられた電極パッド２１には、ハンダ４３などを介してリードピン（接続線）４４の一端（図４において上端）が電気的に接続されており、リードピン４４の他端（図４において下端）は、例えば外部の回路などに電気的に接続される。ヘッダー４０の内部は、樹脂などの封止剤４５で充填されており、ハンダ４３、及び電極パッド２１とリードピン４４との接続部が封止剤４５で封止される。これにより、電極パッド２１とリードピン４４との接続部を保護することができるとともに、例えば湿度の影響や流体の流入を防止して電気的接続を強化することができる。

図５は、従来のフローセンサを説明する側方断面図である。ここで、本発明のフローセンサとの比較のために、従来のフローセンサの構成を説明する。図５に示すように、従来のフローセンサ１９０は、図３に示したフローセンサ９０と同様の構成を備えるセンサ本体９０Ａと、センサ本体９０Ａの基台９１を設置するためのヘッダー１９１とを備える。ヘッダー１９１は、例えば、センサ本体９０が設置され固定される台座部１９２と、外周部１９３とを有しており、台座部１９２と外周部１９３との間には、上面から下面まで貫通する貫通孔（図示省略）が形成されている。センサ本体９０のリードピン９４は、ヘッダー１９１の貫通孔を通っており、貫通孔は、例えばハーメチックシールなどのシール部材１９４によって気密封止されている。

このような構成を備えるフローセンサ１９０では、ヘッダー１９１の材料として、シール部材１９４として用いられるガラスに近いコバールなどが使用される。シール部材のガラス及びコバールの熱膨張係数は、４．５〜５．０［×１０^-6／℃］程度である。また、センサ本体９０と台座部１９２との間は、接着剤やハンダ材を介して固着される。このため、腐食性物質の流体、例えばＳＯ_x、ＮＯ_xなどを含有する気体（ガス）の流量（又は流速）を検出する場合、従来のフローセンサ１９０では、センサ本体９０に加え、耐食性の低いコバール製のヘッダー１９１と、耐食性の低い有機材料などから構成される接着剤やハンダ材とが腐食するおそれがあった。

一方、本実施形態のフローセンサ１００では、図４に示す内フランジ４２の一方の面（図４において上面）と基台２０の他方の面（図４において下面）とが陽極接合されている。ここで、ガラス製の基台２０は、ガラスの種類により熱膨張係数が大きく異なるため、熱膨張係数の選択範囲が広い、という特徴を有する。ヘッダー４０の材料として熱膨張係数が５．０［×１０^-6／℃］程度のコバールを用いる場合、基台２０の材料として熱膨張係数が３．２［×１０^-6／℃］程度のテンパックス（登録商標）を用いることで、基台２０とヘッダー４０との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことにより生じていた基台２０とヘッダー４０との接合部の腐食を防止することができ、フローセンサ１００の耐食性を維持することができる。

また、ヘッダー４０の材料には、腐食性物質に対して耐食性を有する合金、例えばハステロイ（登録商標）、インコネル、ステライト（登録商標）などが好ましい。これにより、腐食性を有する流体、例えばＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃の気体（ガス）にヘッダー４０を露出する（さらす）場合に、好適に用いることができ、基台２０自体が耐食性を有することと相俟って、フローセンサ１００の耐食性を更に高めることができる。例えば、ヘッダー４０の材料としてハステロイ（登録商標）を用いる場合、基台２０の材料として熱膨張係数が７．２［×１０^-6／℃］程度の硼珪酸ガラスを用いることで、ハステロイ（登録商標）の熱膨張係数が１１．０［×１０^-6／℃］程度であるため、基台２０とヘッダー４０との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことで生じていた、基台２０とヘッダー４０との接合部の腐食性物質、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃による腐食を防止することができる。

このように、本実施形態におけるフローセンサ１００によれば、基台２０を設置するための台座４０をさらに備える。これにより、チップ状のセンサ本体１０（ダイ）をヘッダー４０（ダイパッド）に設置（ダイボンディング）することができ、フローセンサ１００をパッケージング（パッケージ化）することが可能となる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１００によれば、基台２０とヘッダー４０とが陽極接合される。ここで、ガラス製の基台２０は、ガラスの種類により熱膨張係数が大きく異なるため、熱膨張係数の選択範囲が広い、という特徴を有する。ヘッダー４０の材料として熱膨張係数が５．０［×１０^-6／℃］程度のコバールを用いる場合、基台２０の材料として熱膨張係数が３．２［×１０^-6／℃］程度のテンパックス（登録商標）を用いることで、基台２０とヘッダー４０との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことにより生じていた基台２０とヘッダー４０との接合部の腐食を防止することができ、フローセンサ１００の耐食性を維持することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１００によれば、ヘッダー４０は、腐食性物質に対して耐食性を有する合金製、例えばハステロイ（登録商標）、インコネル、ステライト（登録商標）などである。これにより、腐食性を有する流体、例えばＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃の気体（ガス）にヘッダー４０を露出する（さらす）場合に、好適に用いることができ、基台２０自体が耐食性を有することと相俟って、フローセンサ１００の耐食性を更に高めることができる。例えば、ヘッダー４０の材料としてハステロイ（登録商標）を用いる場合、基台２０の材料として熱膨張係数が７．２［×１０^-6／℃］程度の硼珪酸ガラスを用いることで、ハステロイ（登録商標）の熱膨張係数が１１．０［×１０^-6／℃］程度であるため、基台２０とヘッダー４０との陽極接合が可能となる。これにより、従来、有機材料によって接着（接合）していたことで生じていた、基台２０とヘッダー４０との接合部の腐食性物質、例えば、ＳＯｘ、ＮＯｘ、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃による腐食を防止することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１００によれば、電極パッド２１とリードピン４４との接続部が封止剤４５で封止されている。これにより、電極パッド２１とリードピン４４との接続部を保護することができるとともに、例えば湿度の影響や流体の流入を防止して電気的接続を強化することができる。

なお、前述の各実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

１０…フローセンサ
１０Ａ…センサ本体
２０…基台
２１…電極パッド（電極）
２２…貫通電極（接続部材）
３０…センサ薄膜
４０…ヘッダー（台座）
４４…リードピン（接続線）
４５…封止剤
１００…フローセンサ
１００Ａ…センサ本体

Claims

ガラス製の基台と、
前記基台の一方の面に設けられ、流体の流量を検出するためのセンサ薄膜と、を備え、
前記基台は、他方の面に設けられる電極と、前記一方の面から前記他方の面まで貫通し、前記センサ薄膜と前記電極とを電気的に接続する接続部材と、を有する
ことを特徴とするフローセンサ。
前記基台を設置するための台座をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
前記基台の他方の面と前記台座の一方の面とが陽極接合されている
ことを特徴とする請求項２に記載のフローセンサ。
前記台座は、腐食性物質に対して耐食性を有する合金製である
ことを特徴とする請求項２又は３に記載のフローセンサ。
前記電極に電気的に接続される接続線をさらに備え、
前記接続線は、前記電極との接続部が封止剤で封止されている
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のフローセンサ。