JP2000292236A - 感熱式流量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感度が高く、信頼性の高い感熱式流量センサ
およびその製造方法を得る。 【解決手段】 感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗体４および
温度補償抵抗体１５とが互いに離間して平板状基板１の
一面１ａ上に形成され、該発熱抵抗体４の形成領域の該
平板状基板を部分的に除去してダイヤフラム１４ａ、１
４ｂが形成されてなる流量検出素子２１を備え、該発熱
抵抗体の計測流体への熱伝達現象に基づいて計測流体の
流量あるいは流速を計測する感熱式流量センサにおい
て、発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１５の形成領域
を外れた部位の平板状基板１を部分的に除去してキャビ
ティ３０ｃ、３０ｄを形成することによりダイヤフラム
２０ａ、２０ｂを構築している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば内燃機関
の吸入空気量を計測する流量センサおよびそれに用いら
れる流量検出素子の製造方法に関し、特に発熱体を備
え、該発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分か
ら流体への熱伝達現象に基づいて該流体の流速ないしは
流量を計測する感熱式流量センサおよびそれに用いられ
る流量検出素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１６および図１７はそれぞれ例えば特
公平５−７６５９号公報に開示されている従来の流量検
出素子を示す側断面図および平面図である。図１６およ
び図１７において、窒化シリコンからなる絶縁性の支持
膜２がシリコン半導体よりなる平板状基板１の一面上に
形成され、感熱抵抗材であるパーマロイからなる発熱抵
抗体４が支持膜２上に形成されている。そして、感熱抵
抗材であるパーマロイからなる測温抵抗体５、６が発熱
抵抗体４を挟んで相対するように支持膜２上に形成され
ている。さらに、窒化シリコンからなる絶縁性の保護膜
３が発熱抵抗体４および測温抵抗体５、６を覆うように
支持膜２上に形成されている。また、発熱抵抗体４およ
び両測温抵抗体５、６の着膜部近傍において、支持膜２
および保護膜３の一部を除去して開口部８が形成され、
窒化シリコンに損傷を与えないエッチング液を用いて該
開口部８から平板状基板１の一部を除去することにより
空気スペース９が形成されている。これにより、ブリッ
ジ１３が形成されている。両測温抵抗体５、６は、計測
流体の流れ方向１０で発熱抵抗体４を挟んで平面的に並
んでいる。また、感熱抵抗材であるパーマロイからなる
比較抵抗体７が発熱抵抗体４から離れて、計測流体の流
れ方向１０の上流側に、設けられている。

【０００３】このような従来の流量検出素子では、発熱
抵抗体４に通電する加熱電流が、図示していない制御回
路によって、例えば比較抵抗体７で検出された平板状基
板１の温度より２００℃だけ高い一定の温度になるよう
に制御されている。

【０００４】発熱抵抗体４で発生した熱は、支持膜２や
保護膜３あるいは感熱抵抗膜を介して測温抵抗体５、６
に伝達される。測温抵抗体５と測温抵抗体６とは、図１
７に示すように、発熱抵抗体４に対して互いに対称な位
置に配置されているので、空気の流れがない場合は、測
温抵抗体５と測温抵抗体６の抵抗値に差は生じない。し
かしながら、空気の流れがある場合は、上流側の測温抵
抗体は空気によって冷却され、他方下流側の測温抵抗体
は、発熱抵抗体４から空気に伝達された熱の影響により
上流側の測温抵抗体ほど冷却されない。例えば、矢印１
０で示す方向の空気の流れが生じた場合は、上流側の測
温抵抗体５は下流側の測温抵抗体６よりも低温となり、
両者の抵抗値の差は、空気の流速ないしは流量が大きい
ときほど拡大される。したがって、測温抵抗体５と測温
抵抗体６の抵抗値の差を検出することにより、空気の流
速ないしは流量を測定することができる。また、空気の
流れ方向が矢印１０と逆になった場合は、上流側の測温
抵抗体６の方が下流側の測温抵抗体５より低温になるの
で、空気の方向を検出することも可能である。

【０００５】図１６および図１７に示す従来の流量検出
素子はブリッジタイプの感熱式流量検出素子であるが、
このほかダイヤフラムタイプの感熱式流量検出素子も従
来より広く用いられている。図１８および図１９はそれ
ぞれ従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量検出素子を
示す断面図および平面図である。図１８および図１９に
おいて、符号１〜１０の各構成要素は、それぞれ、図１
６および図１７に示すブリッジタイプの流量検出素子の
同一番号を付した構成要素と実質的に同じものである。
この従来の流量検出素子では、平板状基板１の他面（支
持膜２が形成されている表面と反対側の表面）から該平
板状基板１の一部をエッチング等により除去することに
より凹部１２が形成されている。したがって、支持膜２
と保護膜３とは、発熱抵抗体４および両測温抵抗体５、
６を挟んでダイヤフラム１４を構築することになる。こ
のような構成によれば、図１６および図１７に示すブリ
ッジタイプの流量検出素子に比べて、高い強度を得るこ
とができる。従って、自動車用エンジンの吸入空気流量
センサのように、厳しい環境下での使用に適している。
なお、空気の流速ないしは流量の検出原理は、前述のブ
リッジタイプの流量検出素子の場合と同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のダイヤフラム構造を持つ流量センサにおいては、
ダイヤフラム１４が全周で平板状基板１と接触している
ため、発熱抵抗体４で生じる熱のうち、ダイヤフラム１
４を通して平板状基板１へ伝導する熱が多くなり、流量
検出上の感度の低下や、応答性の低下がおきるといった
問題点があった。そこで、ダイヤフラム１４を極力大き
くしたり、薄くすれば、ある程度の感度と応答性の低下
を防止することになるが、その反面、ダイヤフラム１４
の強度が非常に小さくなるという問題があった。さら
に、平板状基板１へ伝導した熱が多くなると、該熱が比
較抵抗体７へも伝導し、比較抵抗体７が昇温して正確な
計測流体温度の検出ができず、流量検出精度に悪影響を
与える場合があった。

【０００７】この発明は上述のような課題を解決するた
めになされたもので、発熱抵抗体および温度補償抵抗体
の形成部以外の部位にダイヤフラムを構築するように平
板状基板の少なくとも一部を除去してキャビティを形成
し、平板状基板の熱抵抗を大きくし、かつ、熱容量を小
さくして、検出感度と応答性が良く、信頼性が高く、さ
らに温度補償抵抗体の計測流体温度検出精度が高い感熱
式流量センサを得ることを目的とするとともに、該流量
センサを簡単な製造工程で製造することができる感熱式
流量センサの製造方法を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る感熱式流
量センサは、感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗体および温度
補償抵抗体とが互いに離間して平板状基板の一面上に形
成され、該発熱抵抗体の形成領域の該平板状基板を該平
板状基板の他面側から部分的に除去して低熱容量部が形
成されてなる流量検出素子を備え、該発熱抵抗体の計測
流体への熱伝達現象に基づいて計測流体の流量あるいは
流速を計測する感熱式流量センサにおいて、上記発熱抵
抗体および温度補償抵抗体の形成領域を外れた部位の上
記平板状基板を該平板状基板の他面側から部分的に除去
してキャビティを形成することによりダイヤフラムを構
築したものである。

【０００９】また、上記ダイヤフラムは、上記発熱抵抗
体の形成領域と上記温度補償抵抗体の形成領域との間に
設けられているものである。

【００１０】また、穴が上記ダイヤフラムを貫通するよ
うに設けられているものである。

【００１１】また、上記温度補償抵抗体が上記平板状基
板の端部に配置されているものである。

【００１２】また、上記キャビティは、上記平版状基板
の一面に対して直交する断面形状が矩形である。

【００１３】また、上記キャビティは上記平板状基板の
他面側から該平板状基板の一面まで達しないように形成
されているものである。

【００１４】また、複数個の上記キャビティが上記平板
状基板に並設され、各キャビティは、上記平板状基板の
一面に対して平行な断面形状が六角形に形成されている
ものである。

【００１５】この発明に係る感熱式流量センサの製造方
法は、感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗体および温度補償抵
抗体とが互いに離間して平板状基板の一面上に形成さ
れ、該発熱抵抗体の形成領域の該平板状基板を該平板状
基板の他面側から部分的に除去して低熱容量部が形成さ
れてなる流量検出素子を備え、該発熱抵抗体の計測流体
への熱伝達現象に基づいて計測流体の流量あるいは流速
を計測する感熱式流量センサの製造方法であって、上記
発熱抵抗体および温度補償抵抗体の形成領域を外れた部
位の上記平板状基板を該平板状基板の他面側から部分的
に除去してキャビティを形成することによりダイヤフラ
ムを構築するステップにおいて、上記平板状基板に１１
０方位のシリコン基板を用い、上記キャビティを異方性
ウェットエッチングにより形成するものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による流
量検出素子を示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視
断面図である。図１および図２において、平板状基板１
は、例えば厚さ約０．４ｍｍの１００方位を持つシリコ
ン基板からなる。そして、例えば厚さ１μｍの窒化シリ
コン等からなる絶縁性の支持膜２が平板状基板１の一面
１ａ上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法で形成されて
いる。

【００１７】さらに、白金等の感熱抵抗膜からなる発熱
抵抗体４が支持膜２上に形成されている。この発熱抵抗
体４は、白金等の感熱抵抗材を支持膜２上にスパッタ又
は蒸着等の方法で例えば０．２μｍの厚さに着膜し、写
真製版、ウエットエッチング又はドライエッチング等の
方法により該感熱抵抗膜をパターニングすることによ
り、電流路を構成するよう形成されている。ここでは、
この発熱抵抗体部の大きさは、例えば１ｍｍ×０．３ｍ
ｍである。

【００１８】さらに、白金等の感熱抵抗膜からなる温度
補償抵抗体１５が支持膜２上に発熱抵抗体４から離れて
形成されている。この温度補償抵抗体１５は、白金等の
感熱抵抗材を支持膜２上にスパッタ又は蒸着等の方法で
例えば０．２μｍの厚さに着膜し、写真製版、ウエット
エッチング又はドライエッチング等の方法により該感熱
抵抗膜をパターニングすることにより、電流路を構成す
るよう形成されている。ここでは、この温度補償抵抗体
部の大きさは、例えば１ｍｍ×０．３ｍｍである。な
お、発熱抵抗体４と温度補償抵抗体１５とが、同じ材料
で、同じ膜厚で形成されるものであれば、同一工程で作
製することができる。

【００１９】発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１５の
上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶
縁性の保護膜３がスパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で
形成されている。発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１
５は、リードパターン１６ａ〜１６ｄを介して、流量検
出素子２１の外部との電気的接続を行なうための電極１
７ａ〜１７ｄに接続されている。これらのリードパター
ン１６ａ〜１６ｄは、発熱抵抗体４および温度補償抵抗
体１５のパターニング時に同時に形成される。また、電
極１７ａ〜１７ｄ上の保護膜３は、電極１７ａ〜１７ｄ
にボンディングワイヤ等を接続するために除去されてい
る。ただし、図１（図６、図７、図８、図９、図１１、
図１３も同様）では、支持膜２上のパターンを明確にす
るため、保護膜３全体を取り除いて示している。

【００２０】また、キャビティ３０ａ、３０ｂ、３０
ｃ、３０ｄが平板状基板１の他面１ｂ（一面１ａと反対
側の面）側に互いに分離されて設けられて、ダイヤフラ
ム１４ａ、１４ｂ、２０ａ、２０ｂが構築されている。
低熱容量部としてのダイヤフラム１４ａには発熱抵抗体
４が配置され、低熱容量部としてのダイヤフラム１４ｂ
には温度補償抵抗体１５が配置されている。そして、ダ
イヤフラム２０ａ、２０ｂは、発熱抵抗体４および温度
補償抵抗体１５の形成領域以外の部位に設けられてい
る。これらのダイヤフラム１４ａ、１４ｂ、２０ａ、２
０ｂは、裏面保護膜１８が平板状基板１の他面１ｂ上に
形成され、ついでエッチングホール１９ａ、１９ｂ、１
９ｃ、１９ｄが例えば写真製版等の方法で裏面保護膜１
８を除去して形成され、その後キャビティ３０ａ、３０
ｂ、３０ｃ、３０ｄが例えばアルカリエッチング等によ
りエッチングホール１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄか
ら露出する平板状基板１を他面１ｂ側から支持膜２に至
るように台形状に除去することにより形成されて、構築
されている。ここで、ダイヤフラム１４ａ、１４ｂの大
きさは、例えば１．５ｍｍ×０．９ｍｍで、ダイヤフラ
ム２０ａ、２０ｂの大きさは、例えば５ｍｍ×０．２ｍ
ｍである。なお、エッチングホール１９ｂは図２に示さ
れていないが、ダイヤフラム１４ｂを形成するためのも
のである。

【００２１】ついで、このように構成された流量検出素
子２１を用いた流量センサについて説明する。図３はこ
の発明の実施の形態１に係る流量センサを示す正面図、
図４は図３の流量センサの横断面図である。図３および
図４において、この流量センサは、計測流体の通路を構
成する円筒状の主通路管２３と、この主通路管２３内に
同軸に配置された円筒状の検出管２４とから構成されて
いる。そして、図１および図２に示される流量検出素子
２１が、その一面１ａを計測流体の流れ方向１０とほぼ
平行にして検出管２４内に固定されている。

【００２２】主通路管２３の外周部には、ケース２５が
設けられている。ケース２５内には、流量検出素子２１
を制御するための制御回路を含む回路基板２７が収容さ
れている。また、ケース２７の外部には、制御回路を電
源に接続したり、出力信号を外部に取り出したりするた
めのコネクタ２６が設けられている。なお、図３および
図４に示される流量センサの構成は以下に述べる他の実
施の形態においても同様である。

【００２３】このような流量センサに流量検出素子２１
を組み込むことにより、計測流体の流量を安定して検出
することができる。

【００２４】この流量センサにおいては、発熱抵抗体４
は、図５に示される制御回路によって所定の平均温度と
なるような抵抗値に制御されている。この制御回路は、
温度補償抵抗体１５および発熱抵抗体４を含むブリッジ
回路となっている。図中、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ
４、Ｒ５は固定抵抗、ＯＰ１、ＯＰ２は演算増幅器、Ｔ
Ｒ１、ＴＲ２はトランジスタ、ＢＡＴＴは電源である。
また、温度補償抵抗体１５と発熱抵抗体４を除く制御回
路は、回路基板２７上に構成されている。この制御回路
は、図５中のａ点とｂ点の電位を略等しくするように働
き、発熱体４の加熱電流ＩＨを制御する。計測流体の流
速が早くなると、発熱体４から計測流体への熱伝達が多
くなるため発熱体４の平均温度を所定の値に保つ時の加
熱電流ＩＨは増加する。この加熱電流を抵抗Ｒ３の両端
で電圧Ｖｏｕｔとして検出すると、流速あるいは所定の
通路断面積を有する通路内を流れる流量が検出できる。
発熱抵抗体４の抵抗値をＲＨ、発熱抵抗体４の平均温度
をＴＨ、計測流体温度をＴＡ、所定の通路断面積を有す
る通路内を流れる流量Ｑとすると、式（１）が成り立
つ。 ＩＨ²×ＲＨ＝（ａ＋ｂ×Ｑⁿ）×（ＴＨ−Ｔａ） ・・・（１） なお、ａ、ｂ、ｎは流量検出素子の形態によって決まる
定数である。"ａ"は流量に依存しない熱量に相当する係
数であり、その大部分は発熱体４から平板状基板１へ伝
わる熱伝導損失である。一方、"ｂ"は強制対流熱伝達に
相当する係数である。"ｎ"は発熱体４の近傍の流れの様
相によって決まる値であり、その値は０．５程度とな
る。式（１）より明らかなように、係数"ａ"に相当する
熱量は流量検出に寄与しない。従って、他のダイヤフラ
ム２０ａ、２０ｂを設けることで平板状基板１の容積を
低減することは、平板状基板１の熱抵抗を大きくするこ
とになり、結果的に発熱体４から平板状基板１へ伝わる
熱伝導損失を小さくすることができ、流量センサの感度
を向上することができる。また、平板状基板１の熱容量
を小さくできるので、平板状基板１を流れる熱の変化す
る時間は早くなり、流量センサに電源を供給して起動し
てから、流量センサが正確な流量信号を出力するまでの
時間も短くなる。

【００２５】実施の形態２．図６はこの発明の実施の形
態２に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示す
平面図である。この実施の形態２では、図６に示される
ように、発熱抵抗体４と温度補償抵抗体１５の間の領域
において、平板状基板１を他面１ｂ側から支持膜２に至
るように台形状に除去してキャビティ３０ｅを形成する
ことによりダイヤフラム２０ｃが構築されている。な
お、他の構成は、上記実施の形態１と同様である。

【００２６】このような流量検出素子２１Ａでは、ダイ
ヤフラム２０ａ、２０ｂに加えてダイヤフラム２０ｃが
さらに設けられているので、平板状基板１の容積がさら
に低減され、平板状基板１の熱抵抗を大きくすることが
できる。そこで、結果的に、発熱体４から平板状基板１
へ伝わる熱伝導損失をさらに小さくすることができ、流
量センサの感度を向上することができる。また、平板状
基板１の熱容量をさらに小さくできるので、平板状基板
１を流れる熱の変化する時間は早くなり、流量センサに
電源を供給して起動してから、流量センサが正確な流量
信号を出力するまでの時間も短くなる。

【００２７】さらに、発熱抵抗体４と平板状基板１との
間の熱絶縁が不十分で、熱伝導により平板状基板１が昇
温した場合でも、ダイヤフラム２０ｃにより発熱抵抗体
４と温度補償抵抗体１５の間の熱伝導経路が狭くなるの
で、温度補償抵抗体１５が配置される箇所の昇温が低減
され、正確な流体温度計測ができるようになり、流量検
出精度を向上させることができる。

【００２８】実施の形態３．図７はこの発明の実施の形
態３に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示す
平面図である。この実施の形態３では、図７に示される
ように、発熱抵抗体４と温度補償抵抗体１５との間の領
域にダイヤフラム２０ｃが設けられ、さらにダイヤフラ
ム２０ｃに穴２２が形成されている。なお、他の構成
は、上記実施の形態１と同様である。

【００２９】このような流量検出素子２１Ｂでは、ダイ
ヤフラム２０ａ、２０ｂに加えてダイヤフラム２０ｃが
さらに設けられているので、平板状基板１の容積がさら
に低減され、平板状基板１の熱抵抗を大きくすることが
できる。そこで、結果的に、発熱体４から平板状基板１
へ伝わる熱伝導損失をさらに小さくすることができ、流
量センサの感度を向上することができる。また、平板状
基板１の熱容量をさらに小さくできるので、平板状基板
１を流れる熱の変化する時間は早くなり、流量センサに
電源を供給して起動してから、流量センサが正確な流量
信号を出力するまでの時間も短くなる。

【００３０】さらに、発熱抵抗体４と平板状基板１との
間の熱絶縁が不十分で、熱伝導により平板状基板１が昇
温しても、穴２２により発熱抵抗体４と温度補償抵抗体
１５の間の熱伝導経路が遮断されるので、温度補償抵抗
体１５が配置される箇所の昇温が低減され、正確な流体
温度計測ができるようになり、流量検出精度を向上させ
ることができる。

【００３１】実施の形態４．図８はこの発明の実施の形
態４に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示す
平面図である。この実施の形態４では、図８に示される
ように、温度補償抵抗体１５が電極１７ａ〜１７ｄとは
反対側の平板状基板１の端部に設けられている。また、
発熱抵抗体４と温度補償抵抗体１５との間の領域にダイ
ヤフラム２０ｃが設けられている。さらに、温度補償抵
抗体１５の下部のキャビティ３０ｂは設けられていな
い。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様であ
る。

【００３２】このような流量検出素子２１Ｃでは、ダイ
ヤフラム２０ａ、２０ｂに加えてダイヤフラム２０ｃが
さらに設けられているので、平板状基板１の容積がさら
に低減され、平板状基板１の熱抵抗を大きくすることが
できる。そこで、結果的に、発熱体４から平板状基板１
へ伝わる熱伝導損失をさらに小さくすることができ、流
量センサの感度を向上することができる。また、平板状
基板１の熱容量をさらに小さくできるので、平板状基板
１を流れる熱の変化する時間は早くなり、流量センサに
電源を供給して起動してから、流量センサが正確な流量
信号を出力するまでの時間も短くなる。

【００３３】さらに、発熱抵抗体４と平板状基板１との
間の熱絶縁が不十分で、熱伝導により平板状基板１が昇
温した場合でも、ダイヤフラム２０ｃにより発熱抵抗体
４と温度補償抵抗体１５の間の熱伝導経路が狭くなるの
で、温度補償抵抗体１５が配置される箇所の昇温が低減
され、正確な流体温度計測ができるようになり、流量検
出精度を向上させることができる。

【００３４】ここで、流量検出素子は電極１７ａ〜１７
ｄ側の端部を支持されて取り付けられるので、電極１７
ａ〜１７ｄ側の端部の機械的強度が要求される。そこ
で、温度補償抵抗体１５が発熱抵抗体４と電極１７ａ〜
１７ｄとの間に設けられる場合には、電極１７ａ〜１７
ｄ周りの機械的強度を確保するために、温度補償抵抗体
１５（キャビティ３０ｂ）を電極１７ａ〜１７ｄから離
して形成する必要があり、発熱抵抗体４と電極１７ａ〜
１７ｄとの間の距離がその分長くなり、平板状基板１の
大型化を招いていた。この実施の形態４による流量検出
素子２１Ｃでは、温度補償抵抗体１５が発熱抵抗体４を
挟んで電極１７ａ〜１７ｄと反対側の平板状基板１の端
部に配置されているので、上述の制約がなくなり、発熱
抵抗体４と電極１７ａ〜１７ｄとの間の距離が短くな
り、平板状基板１の小型化が図られ、つまり平板状基板
１の容積が低減される。また、図８中、温度補償抵抗体
１５の上側のスペースが著しく少なくなり、その分平板
状基板１の小型化が図られる。その結果、平板状基板１
の熱容量が小さくなり、温度補償抵抗体１５の温度追従
性が向上し、計測流体温度の変化に対する応答性を向上
することができる。

【００３５】実施の形態５．図９はこの発明の実施の形
態５に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示す
平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。この
実施の形態５では、例えば厚さ約０．４ｍｍの１１０方
位を持つシリコンからなる平板状基板１を異方性ウェッ
トエッチングすることで、平板状基板１の一面１ａに対
して直交する断面形状が矩形であるキャビティ３０ａ、
３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを形成して、ダイヤフラム１４
ａ、１４ｂ、２０ａ、２０ｂを構築している。さらに、
ダイヤフラム１４ａ、１４ｂの大きさは、例えば１．５
ｍｍ×０．９ｍｍの菱形形状で、ダイヤフラム２０ａ、
２０ｂの大きさは、例えば５ｍｍ×０．２ｍｍの菱形形
状である。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様
である。

【００３６】このような流量検出素子２１Ｄでは、平板
状基板１のエッチングにより除去されたキャビティ３０
ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが矩形断面形状であるた
め、平板状基板１の所定の面積上で、より多く平板状基
板１を除去でき、平板状基板１の熱抵抗を大きくするこ
とになる。結果的に、発熱抵抗体４から平板状基板１へ
伝わる熱伝導損失を小さくすることにより、流量センサ
の感度を向上することができる。また、平板状基板１の
熱容量を小さくできるので、平板状基板１を流れる熱の
変化する時間は早くなり、流量センサに電源を供給して
起動してから、流量センサが正確な流量信号を出力する
までの時間も短くなる。

【００３７】実施の形態６．図１１はこの発明の実施の
形態６に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示
す平面図、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図
である。この実施の形態６では、例えば厚さ約０．４ｍ
ｍのシリコンからなる平板状基板１を他面１ｂ側から支
持膜２に達するまでドライエッチングすることで、平板
状基板１の一面１ａに直交する断面形状が矩形であるキ
ャビティ３０ａ、３０ｂを形成して、ダイヤフラム１４
ａ、１４ｂを構築する。さらに、平板状基板１を他面１
ｂ側から支持膜２に達する手前まで、例えば平板状基板
１の厚みが１０μｍとなるまでドライエッチングするこ
とで、平板状基板１の一面１ａに直交する断面形状が矩
形であるキャビティ３０ｃ、３０ｄを形成して、ダイヤ
フラム２０ａ、２０ｂを構築する。ここで、ダイヤフラ
ム１４ａ、１４ｂの大きさは、例えば１ｍｍ×０．９ｍ
ｍで、ダイヤフラム２０ａ、２０ｂの大きさは、例えば
５ｍｍ×０．３のｍｍである。なお、他の構成は、上記
実施の形態１と同様である。

【００３８】このような流量検出素子２１Ｅでは、ダイ
ヤフラム２０ａ、２０ｂを厚くすることで、平板状基板
１の強度を落とすことなく該ダイヤフラム２０ａ、２０
ｂを大きくすることができるため、平板状基板１の熱抵
抗を大きくすることになり、結果的に発熱体４から平板
状基板１へ伝わる熱伝導損失を小さくすることにより流
量センサの感度を向上することができる。また、平板状
基板１の熱容量を小さくできるので、平板状基板１を流
れる熱の変化する時間は早くなり、流量センサに電源を
供給して起動してから、流量センサが正確な流量信号を
出力するまでの時間も短くなる。

【００３９】実施の形態７．図１３はこの発明の実施の
形態７に係る流量センサに用いられる流量検出素子を示
す平面図、図１４は図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断面図
である。図１３および図１４において、平板状基板１
は、例えば厚さ約０．４ｍｍの１００方位を持つシリコ
ン基板からなる。そして、例えば厚さ１μｍの窒化シリ
コン等からなる絶縁性の支持膜２が平板状基板１の一面
１ａ上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法で形成されて
いる。

【００４０】さらに、白金等の感熱抵抗膜からなる発熱
抵抗体４および温度補償抵抗体１５が支持膜２上に互い
に離れて形成されている。この発熱抵抗体４および温度
補償抵抗体１５は、白金等の感熱抵抗材を支持膜２上に
スパッタ又は蒸着等の方法で例えば０．２μｍの厚さに
着膜し、写真製版、ウエットエッチング又はドライエッ
チング等の方法により該感熱抵抗膜をパターニングする
ことにより、電流路を構成するよう形成されている。こ
こでは、発熱抵抗体部および温度補償抵抗体部の大きさ
は、例えば１ｍｍ×０．３ｍｍである。

【００４１】発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１５の
上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶
縁性の保護膜３がスパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で
形成されている。発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１
５は、リードパターン１６ａ〜１６ｄを介して、流量検
出素子２１の外部との電気的接続を行なうための電極１
７ａ〜１７ｄに接続されている。これらのリードパター
ン１６ａ〜１６ｄは、発熱抵抗体４および温度補償抵抗
体１５のパターニング時に同時に形成されている。ま
た、電極１７ａ〜１７ｄ上の保護膜３は、電極１７ａ〜
１７ｄにボンディングワイヤ等を接続するために除去さ
れている。

【００４２】また、キャビティ３０ａ、３０ｂ、３０
ｃ、３０ｄが平板状基板１の他面１ｂ側に互いに分離さ
れて設けられて、ダイヤフラム１４ａ、１４ｂ、２０
ａ、２０ｂが構築されている。ダイヤフラム１４ａには
発熱抵抗体４が配置され、ダイヤフラム１４ｂには温度
補償抵抗体１５が配置されている。そして、ダイヤフラ
ム２０ａ、２０ｂは、発熱抵抗体４および温度補償抵抗
体１５の形成領域以外の部位に設けられている。ダイヤ
フラム１４ａ、１４ｂは、裏面保護膜１８が平板状基板
１の他面１ｂ上に形成され、ついでエッチングホール１
９ａ、１９ｂが例えば写真製版等の方法で裏面保護膜１
８を除去して形成され、その後キャビティ３０ａ、３０
ｂが例えばアルカリエッチング等によりエッチングホー
ル１９ａ、１９ｂから露出する平板状基板１を他面１ｂ
側から支持膜２に至るように台形状に除去することによ
り形成されて、構築されている。ダイヤフラム２０ａ、
２０ｂは、ダイヤフラム１４ａ、１４ｂが形成された
後、エッチングホール１９ｃ、１９ｄが例えば写真製版
等の方法で裏面保護膜１８を除去して形成され、その後
キャビティ３０ｃ、３０ｄがＩＢＥ(Ion Beam Etchin
g)、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)、ＩＣＰ(Inductive
ly Coupled Plasma)等のドライエッチングにより、平板
状基板１の一面１ａに対して水平方向が六角形で、か
つ、垂直方向が矩形に除去することにより形成されて、
構築されている。ここで、ダイヤフラム１４ａ、１４ｂ
の大きさは、例えば１．５ｍｍ×０．９ｍｍで、ダイヤ
フラム２０ａ、２０ｂの大きさは、例えば一辺が０．１
ｍｍの六角形状である。なお、エッチングホール１９ｂ
は図１３に示されていないが、ダイヤフラム１４ｂを形
成するためのものである。なお、他の構成は、上記実施
の形態１と同様である。

【００４３】このような流量検出素子２１Ｆでは、平板
状基板１の一面１ａに直交するキャビティ３０ｃ、３０
ｄの断面形状が矩形であるため、平板状基板１の所定の
面積上で、より多く平板状基板１を除去でき、平板状基
板１の熱抵抗を大きくすることになり、結果的に発熱体
４から平板状基板１へ伝わる熱伝導損失を小さくするこ
とにより流量センサの感度を向上することができる。ま
た、平板状基板１の熱容量を小さくできるので、平板状
基板１を流れる熱の変化する時間は早くなり、流量セン
サに電源を供給して起動してから、流量センサが正確な
流量信号を出力するまでの時間も短くなる。さらに、ダ
イヤフラム２０ａ、２０ｂが平板状基板１の一面１ａに
平行な断面形状を六角形とするキャビティ３０ｃ、３０
ｄを並列に多数配置されて構成されているので、強度を
落とすことなく熱絶縁の向上を図ることができる。

【００４４】実施の形態８．図１５はこの発明の実施の
形態８に係る流量センサに用いられる流量検出素子の製
造工程を説明する工程断面図であり、図１５の（ａ）は
裏面保護膜が形成された状態を示す図、図１５の（ｂ）
はエッチングホールが形成された状態を示す図、図１５
の（ｃ）はキャビティが形成された状態を示す図であ
る。まず、窒化シリコンを厚さ約０．４ｍｍの１１０方
位を持つシリコン基板からなる平板状基板１の一面１ａ
上に１μｍの厚さにスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法で
着膜することにより、支持膜２が平板状基板１の一面１
ａ上に形成される。ついで、白金を支持膜２上に０．２
μｍの厚さにスパッタ、蒸着等の方法で着膜した後、写
真製版、ウエットエッチング又はドライエッチング等の
方法により該白金膜をパターニングすることにより、感
熱抵抗膜からなる発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１
５が支持膜２上に互いに離れて形成される。さらに、窒
化シリコンを支持膜２上に１μｍの厚さにスパッタ、蒸
着、ＣＶＤ等の方法で着膜することにより、保護膜３が
発熱抵抗体４および温度補償抵抗体１５を覆うように支
持膜２上に形成される。さらにまた、窒化シリコンを平
板状基板１の他の面１ｂ上に１μｍの厚さにスパッタ、
蒸着、ＣＶＤ等の方法で着膜することにより、図１５の
（ａ）に示されるように、裏面保護膜１８が平板状基板
１の他面１ｂ上に形成される。

【００４５】ついで、例えば写真製版等の方法で裏面保
護膜１８を部分的に除去して、図１５の（ｂ）に示され
るように、エッチングホール１９が形成される。その
後、アルカリ異方法性エッチングを施して、エッチング
ホール１９から露出する平板状基板１を他面１ｂ側から
支持膜２に至るように矩形形状に除去することにより、
図１５の（ｃ）に示されるように、キャビティ３０が形
成される。これにより、ダイヤフラムが構築される。こ
こで使われるエッチャントとしては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ
（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）、ＮａＯＨ等が
ある。

【００４６】かくして、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うに、平板状基板１でエッチングにより除去されるキャ
ビティ３０の断面形状が矩形であるため、エッチングに
よって低減される平板状基板１の容積が拡大し、発熱体
４から平板状基板１へ伝わる熱伝導損失を小さくするこ
とにより流量センサの感度を向上することができる。ま
た、アルカリ異方性ウェットエッチングは、ドライエッ
チングに比べてエッチングの選択比が非常に大きく、シ
リコンは窒化シリコンに対して１００から１０００倍あ
る。そこで、ドライエッチングで基板を除去する場合、
均一性を出すためにかなりオーバーエッチングを行う必
要があり、支持膜２（ダイヤフラム）が薄くなってしま
う危険性があるのに対して、アルカリ異方性ウェットエ
ッチングでは、少々オーバーエッチングを行っても支持
膜２（ダイヤフラム）はほとんど溶けない。よって、１
１０方位を持つシリコンウェハからなる基板１をアルカ
リ異方性ウェットエッチングすることで、矩形状のキャ
ビティが容易に製造できる。

【００４７】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に示すような効果を奏する。

【００４８】この発明によれば、感熱抵抗膜よりなる発
熱抵抗体および温度補償抵抗体とが互いに離間して平板
状基板の一面上に形成され、該発熱抵抗体の形成領域の
該平板状基板を該平板状基板の他面側から部分的に除去
して低熱容量部が形成されてなる流量検出素子を備え、
該発熱抵抗体の計測流体への熱伝達現象に基づいて計測
流体の流量あるいは流速を計測する感熱式流量センサに
おいて、上記発熱抵抗体および温度補償抵抗体の形成領
域を外れた部位の上記平板状基板を該平板状基板の他面
側から部分的に除去してキャビティを形成することによ
りダイヤフラムを構築したので、平板状基板の容積が低
減されて、感熱抵抗体で発熱した熱量のうちの平板状基
板に伝わる量が少なくなり、熱絶縁性が高まり、検出感
度および応答性が向上された感熱式流量センサが得られ
る。

【００４９】また、上記ダイヤフラムが上記発熱抵抗体
の形成領域と上記温度補償抵抗体の形成領域との間に設
けられているので、発熱抵抗体で発熱した熱量のうちの
平板状基板を通って温度補償抵抗体に伝わる熱量が低減
されて、測定精度を向上させることができる。

【００５０】また、穴が上記ダイヤフラムを貫通するよ
うに設けられているので、発熱抵抗体と温度補償抵抗体
との間の熱伝達経路が遮断され、正確な計測流体温度が
温度補償抵抗体により計測される。

【００５１】また、上記温度補償抵抗体が上記平板状基
板の端部に配置されているので、平板状基板の容積を少
なくでき、平板状基板の熱抵抗を大きくし、かつ、熱容
量を小さくすることができる。

【００５２】また、上記キャビティは、上記平版状基板
の一面に対して直交する断面形状が矩形であるので、除
去される平板状基板の容積を増大でき、強度を落とすこ
となく熱絶縁の向上を図ることができる。

【００５３】また、上記キャビティは上記平板状基板の
他面側から該平板状基板の一面まで達しないように形成
されているので、平板状基板の強度を大きくすることが
できる。

【００５４】また、複数個の上記キャビティが上記平板
状基板に並設され、各キャビティは、上記平板状基板の
一面に対して平行な断面形状が六角形に形成されている
ので、除去される平板状基板の容積を増大でき、強度を
落とすことなく熱絶縁の向上を図ることができる。

【００５５】この発明によれば、感熱抵抗膜よりなる発
熱抵抗体および温度補償抵抗体とが互いに離間して平板
状基板の一面上に形成され、該発熱抵抗体の形成領域の
該平板状基板を該平板状基板の他面側から部分的に除去
して低熱容量部が形成されてなる流量検出素子を備え、
該発熱抵抗体の計測流体への熱伝達現象に基づいて計測
流体の流量あるいは流速を計測する感熱式流量センサの
製造方法であって、上記発熱抵抗体および温度補償抵抗
体の形成領域を外れた部位の上記平板状基板を該平板状
基板の他面側から部分的に除去してキャビティを形成す
ることによりダイヤフラムを構築するステップにおい
て、上記平板状基板に１１０方位のシリコン基板を用
い、上記キャビティを異方性ウェットエッチングにより
形成するので、除去される平板状基板の容積を増大で
き、強度を落とすことなく優れた熱絶縁を有する流量検
出素子を簡単なプロセスで得ることができる感熱式流量
センサの製造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る流量センサに
用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る流量センサを
示す正面図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る流量センサを
示す断面図である。

【図５】 この発明の実施の形態１に係る流量センサに
用いられる流量検出素子の制御回路を示す回路図であ
る。

【図６】 この発明の実施の形態２に係る流量センサに
用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図７】 この発明の実施の形態３に係る流量センサに
用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図８】 この発明の実施の形態４に係る流量センサに
用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図９】 この発明の実施の形態５に係る流量センサに
用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１０】 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。

【図１１】 この発明の実施の形態６に係る流量センサ
に用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１２】 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図であ
る。

【図１３】 この発明の実施の形態７に係る流量センサ
に用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１４】 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断面図であ
る。

【図１５】 この発明の実施の形態８に係る流量センサ
に用いられる流量検出素子の製造工程を説明する工程断
面図である。

【図１６】 従来のブリッジタイプの感熱式流量検出素
子を示す断面図である。

【図１７】 図１６に示す従来の感熱式流量検出素子の
保護膜を取り除いた状態を示す平面図である。

【図１８】 従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量検
出素子を示す断面図である。

【図１９】 図１８に示す従来の感熱式流量検出素子の
保護膜を取り除いた状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 平板状基板、４ 発熱抵抗体、１４ａ、１４ｂ ダ
イヤフラム（低熱容量部）、１５ 温度補償抵抗体、２
０ａ、２０ｂ、２０ｃ ダイヤフラム、２１、２１Ａ、
２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ 流量検出素
子、２２ 穴、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ キャビティ。

フロントページの続き (72)発明者 山下 彰 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 坂井 裕一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA03 EA04 EA08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗体および温
   度補償抵抗体とが互いに離間して平板状基板の一面上に
   形成され、該発熱抵抗体の形成領域の該平板状基板を該
   平板状基板の他面側から部分的に除去して低熱容量部が
   形成されてなる流量検出素子を備え、該発熱抵抗体の計
   測流体への熱伝達現象に基づいて計測流体の流量あるい
   は流速を計測する感熱式流量センサにおいて、 上記発熱抵抗体および温度補償抵抗体の形成領域を外れ
   た部位の上記平板状基板を該平板状基板の他面側から部
   分的に除去してキャビティを形成することによりダイヤ
   フラムを構築したことを特徴とする感熱式流量センサ。
2. 【請求項２】 上記ダイヤフラムは、上記発熱抵抗体の
   形成領域と上記温度補償抵抗体の形成領域との間に設け
   られていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量
   センサ。
3. 【請求項３】 穴が上記ダイヤフラムを貫通するように
   設けられていることを特徴とする請求項２記載の感熱式
   流量センサ。
4. 【請求項４】 上記温度補償抵抗体が上記平板状基板の
   端部に配置されていることを特徴とする請求項２記載の
   感熱式流量センサ。
5. 【請求項５】 上記キャビティは、上記平版状基板の一
   面に対して直交する断面形状が矩形であることを特徴と
   する請求項１記載の感熱式流量センサ。
6. 【請求項６】 上記キャビティは上記平板状基板の他面
   側から該平板状基板の一面まで達しないように形成され
   ていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量セン
   サ。
7. 【請求項７】 複数個の上記キャビティが上記平板状基
   板に並設され、各キャビティは、上記平板状基板の一面
   に対して平行な断面形状が六角形に形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の感熱式流量センサ。
8. 【請求項８】 感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗体および温
   度補償抵抗体とが互いに離間して平板状基板の一面上に
   形成され、該発熱抵抗体の形成領域の該平板状基板を該
   平板状基板の他面側から部分的に除去して低熱容量部が
   形成されてなる流量検出素子を備え、該発熱抵抗体の計
   測流体への熱伝達現象に基づいて計測流体の流量あるい
   は流速を計測する感熱式流量センサの製造方法であっ
   て、 上記発熱抵抗体および温度補償抵抗体の形成領域を外れ
   た部位の上記平板状基板を該平板状基板の他面側から部
   分的に除去してキャビティを形成することによりダイヤ
   フラムを構築するステップにおいて、 上記平板状基板に１１０方位のシリコン基板を用い、上
   記キャビティを異方性ウェットエッチングにより形成す
   ることを特徴とする感熱式流量センサの製造方法。