JP2002202168A

JP2002202168A - フローセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002202168A
Application number: JP2000400407A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fujiwara; 剛史藤原; Akira Sasaki; 昌佐々木; Kenichi Nakamura; 健一中村; Norihiro Konda; 徳大根田
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP3658321B2; US6684694B2; US20020121137A1

Abstract

(57)【要約】【課題】熱式のフローセンサの温度特性（周囲温度依
存性）を改善し、従来必要であった温度補正回路を不要
にする。【解決手段】シリコン基板３２の空隙部３３の上に張
られた絶縁薄膜３４の中央部にヒータ３６を設け、その
両側にサーモパイル３７、３８を設け、シリコン基板３
２の上面で周囲温度測温抵抗体３９を設ける。サーモパ
イル３７、３８はポリシリコンとアルミニウムからな
り、ボリシリコンには燐（Ｐ）がドープされる。ここ
で、燐のドーピング量は、サーモパイル３７、３８の温
度特性が、サーモパイル３７、３８以外の要因による温
度特性と絶対値がほぼ等しく、正負が逆となるようにし
てあり、サーモパイル３７、３８の温度特性によりサー
モパイル３７、３８以外の要因による温度特性を打ち消
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や流速
を検知するためのフローセンサ及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【背景技術】従来構造のフローセンサ１の概念図を図１
及び図２に示す。ここで、図２は図１のＸ１−Ｘ１線断
面を表している。ただし、図１ではヒーターや測温体を
露出させた状態で表しており、図２ではその上を保護膜
１０等で覆った状態で表している。このフローセンサ１
にあっては、シリコン基板２の上面に凹状の空隙部３を
形成し、この空隙部３を覆うようにしてシリコン基板２
の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜４の一部によ
って空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５を形成してい
る。このブリッジ部５は空隙部３内の空間（空気）によ
ってシリコン基板２と断熱されている。ブリッジ部５の
表面においては、その中央部にヒータ６を設け、ヒータ
６を挟んで対称な位置にそれぞれ測温体７、８を設けて
いる。ブリッジ部５の外側における絶縁薄膜４の表面に
は、周囲温度測温抵抗体９を設けている。さらに、ヒー
タ６、測温体７、８及び周囲温度測温抵抗体９を覆うよ
うにしてシリコン基板２は保護膜１０で被覆されてい
る。

【０００３】上記測温体７、８としては、種々の素子が
用いられており、例えば特開昭６０−１４２２６８号公
報に開示されたものでは、鉄とニッケルの合金からなる
薄膜抵抗が用いられている。また、"Low power consump
tion thermal gas-flow sensor based on thermopiles
of highly effective thermoelectric materials"と題
する論文では、測温体にＢｉＳｂ−Ｓｂのサーモパイル
を用いている。さらには、測温体としてトランジスタ等
を用いたものもある。以下の説明では、測温抵抗体７、
８がＢｉＳｂ／Ｓｂの熱電対からなるサーモパイルを用
いているものとして説明する。

【０００４】測温体７、８として、ＢｉＳｂ／Ｓｂの熱
電対からなるサーモパイルを用いている場合には、ブリ
ッジ部５の縁を横切るようにしてＢｉＳｂ細線とＳｂ細
線が交互に配線され、ブリッジ部５内におけるＢｉＳｂ
細線とＳｂ細線の接続点によって温接点１１の群が構成
され、ブリッジ部５外におけるＢｉＳｂ細線とＳｂ細線
の接続点によって冷接点１２の群を構成している。

【０００５】測温体（サーモパイル）７、８の温接点１
１及び冷接点１２の数をそれぞれｎ個、冷接点１２の温
度（測定時の周囲温度に相当する。）をＴc、測温体７
の温接点１１の温度をＴh１、測温体８の温接点１１の
温度をＴｈ２とすると、測温体７の出力電圧（両端間電
圧）Ｖ１は、次の（１）式で表され、測温体８の出力電
圧（両端間電圧）Ｖ２は、次の（２）式で表される。Ｖ１＝ｎ・α（Ｔh１−Ｔc） …（１）Ｖ２＝ｎ・α（Ｔh２−Ｔc） …（２）ただし、αはゼーベック係数である。

【０００６】このフローセンサ１は、図３に示すように
流体の流れが生じる流路１３に置かれ、ヒータ６に電流
を流して発熱させながら測温体７、８の出力が監視され
る。気体の流れていない無風時においては、図５に実線
で示すように絶縁薄膜４の表面における温度分布はヒー
タ６を中心として対称であるから、配置の対称性より測
温体７の温接点温度Ｔｈ１と測温体８の温接点温度Ｔｈ
２とは等しく、測温体７の出力電圧Ｖ１と測温体８の出
力電圧Ｖ２も等しくなる。

【０００７】これに対し、図４に矢印で示すように、測
温体７側から測温体８側に向けて流体が流れていると、
絶縁薄膜４の表面における温度分布は図５に破線で示す
ように非対称となる。すなわち、上流側測温体７の温接
点温度Ｔｈ１は気体の流れで冷却されて降温し、その出
力電圧Ｖ１＝ｎ・α（Ｔｈ１−Ｔｃ）は小さくなる。一
方、気体によってヒータ６の熱が下流側へ輸送されて下
流側測温体８の温接点温度Ｔｈ２は加熱されて昇温し、
その出力電圧Ｖ２＝ｎ・α（Ｔｈ２−Ｔｃ）は大きくな
る。そして、それに伴う出力電圧の変化ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ
１より気体の流量を測定することができる。流体流量が
少ない場合には、両測温体７、８の温度差△Ｔ＝Ｔｈ２
−Ｔｈ１は、流体の質量流量に比例するので、両測温体
７、８の出力電圧Ｖ１、Ｖ２を測定すれば、次の（３）
式によって温度差を求めることができ、さらに必要な演
算処理を施して流体の質量流量を算出することができ
る。 ΔＴ＝ΔＶ／（ｎ・α）＝（Ｖ２−Ｖ１）／（ｎ・α） …（３）

【０００８】周囲温度測温抵抗体９は、フローセンサ１
の周囲温度を測定するものであって、周囲温度測温抵抗
体９で周囲温度を測定し、どのような流速の場合でもヒ
ータ６の発熱温度を周囲温度に対して一定温度高い温度
に維持させる（以下、ヒータ６の定温度上昇という。）
ためと、フローセンサ１の温度特性を補正するためとに
用いられている。

【０００９】フローセンサ１においては、ヒータ６の発
熱温度が高くなるほど、それに比例して測温体７、８の
出力電圧も高くなり、測温体７、８による測定温度の分
解能が高くなる。一方、ヒータ６の発熱温度が高くなる
ほど、ヒータ６の消費電力も大きくなる。そのため、ヒ
ータ６の発熱温度は、両方の兼ね合いを考慮して使用者
が任意の一定温度に設定する。

【００１０】しかし、ヒータ６の発熱温度は流体の流速
によって変化する。また、フローセンサ１が使用される
環境では、一般に周囲温度が変化するのが普通である。
これらの要因により、周囲温度に対するヒータ６の発熱
温度の差が変化すると、ヒータ６の周囲における温度勾
配が変化し、測温体７、８の出力電圧と流体の流量また
は流速との関係が変化し、測定精度が悪くなる。

【００１１】そのため、従来のフローセンサでは、図６
に示すようなヒータ制御回路１４を用い、ヒータ６の発
熱温度を、周囲温度測温抵抗体９で検出されている周囲
温度よりも一定温度だけ高い温度に自動調整する（ヒー
タの定温度上昇）。このヒータ制御回路１４は、固定抵
抗１７、１８と分圧抵抗１９、２０、オペアンプ（差動
増幅回路）１５及びトランジスタ１６によって構成され
ている。固定抵抗１７、１８はヒータ６及び周囲温度測
温抵抗体９と共にブリッジ回路を構成されており、固定
抵抗１７と周囲温度測温抵抗体９の中点がオペアンプ１
５の反転入力端子に接続され、固定抵抗１８とヒータ６
の中点がオペアンプ１５の非反転入力端子に接続されて
いる。トランジスタ１６は、電源Ｖｃｃと固定抵抗１７
の間に挿入されており、直列に接続された分圧抵抗１
９、２０はトランジスタ１６のベースとグランドの間に
接続されている。オペアンプ１５の出力は分圧抵抗１
９、２０の中点に接続されている。

【００１２】このヒータ制御回路１４は、ヒータ６を周
囲温度に対して一定温度高い温度で熱平衡状態に保とう
とするものであり、例えば無風状態の熱平衡状態から気
体の流れのある状態に変化してヒータ６の温度が下がる
と、オペアンプ１５の非反転入力端子の電位が下がり、
トランジスタ１６を駆動し、電流が供給されて再び熱平
衡状態になるという動作を繰り返す。周囲温度が変化し
た場合も同様である。詳しくいうと、このヒータ制御回
路１４にあっては、ヒータ６の発熱温度が平衡時の温度
よりも上昇すると、オペアンプ１５から出力される電流
が増加するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が高
くなる。その結果、トランジスタ１６のベース電流が減
少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。この結
果、ヒータ６に流れる電流が減少してヒータ６の発熱温
度が下がる。逆に、ヒータ６の発熱温度が平衡時の温度
よりも低下すると、オペアンプ１５から出力される電流
が減少するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が低
くなる。その結果、トランジスタ１６のベース電流が増
加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。この結
果、ヒータ６に流れる電流が増加してヒータ６の発熱温
度が上がる。

【００１３】また、周囲温度を検出している周囲温度測
温抵抗体９の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オ
ペアンプ１５から出力される電流が減少するので、分圧
抵抗１９と２０の中点の電圧が低くなる。その結果、ト
ランジスタ１６のベース電流が増加し、ブリッジ回路に
流れる電流も増加する。この結果、ヒータ６に流れる電
流が増加してヒータ６の発熱温度が上がる。逆に、周囲
温度測温抵抗体９の発熱温度が平衡時の温度よりも低下
すると、オペアンプ１５から出力される電流が増加する
ので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が高くなる。そ
の結果、トランジスタ１６のベース電流が減少し、ブリ
ッジ回路に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ６
に流れる電流が減少してヒータ６の発熱温度が下がる。

【００１４】このようにしてヒータ制御回路１４は、ヒ
ータ６の抵抗値が一定となるように動作し、ヒータ６の
発熱温度が一定に保たれるように自動調整する。

【００１５】また、周囲温度測温抵抗体９の抵抗値はＣ
ＰＵを含む演算処理機能を備えた温度補正回路に入力さ
れ、周囲温度測温抵抗体９で検知された周囲温度の変化
に基づいて測温体７、８の出力電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１
を補正することにより温度特性の補正が行われている。
よって、従来のフローセンサでは、周囲温度に応じた補
正を行うためには、温度補正回路を別途必要としてい
た。

【００１６】

【発明の開示】本発明の目的とするところは、フローセ
ンサの温度特性（周囲温度依存性）を改善し、従来必要
であった温度補正回路を不要にすることにある。

【００１７】本発明にかかるフローセンサは、半導体基
板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁
層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、前記絶
縁層の表面で前記発熱体の少なくとも一方に配置された
少なくとも１つの測温体と、前記発熱体と前記測温体の
少なくとも一部の下において、前記半導体基板に形成さ
れた空隙部とを備えたフローセンサにおいて、前記測温
体に、前記測温体以外の要因で発生する周囲温度依存性
を打ち消すような周囲温度依存性を持たせたことを特徴
としている。ここで周囲温度依存性とは、フローセンサ
の周囲温度の変化によってフローセンサの出力が変動す
ることをいう。

【００１８】本発明にかかるフローセンサにあっては、
測温体以外の要因で発生する周囲温度依存性を打ち消す
ような周囲温度依存性を測温体に持たせているので、測
温体の周囲温度依存性と測温体以外の要因による周囲温
度依存性とが合併されることによってフローセンサ全体
としては周囲温度依存性が小さくなる。よって、従来の
ように周囲温度依存性を補償するための温度補正回路が
不要になる。

【００１９】このようにフローセンサの周囲温度依存性
を測温体と測温体以外の要因とで打ち消させるための実
施形態においては、前記測温体をサーモパイルとし、前
記空隙部を温接点の下に設け、該サーモパイルの周囲温
度依存性をサーモパイル以外の要因で発生する周囲温度
依存性と一定比率を保つように構成することができる。
サーモパイルの周囲温度依存性をサーモパイル以外の要
因で発生する周囲温度依存性と一定比率を保つようにす
れば、その温度範囲内においては容易に周囲温度依存性
を打ち消させることができる。特に、測温体を構成する
サーモパイルの周囲温度依存性をサーモパイル以外の要
因で発生する周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しくなる
ように構成すれば、高い精度でフローセンサの周囲温度
依存性を抑制できる。

【００２０】また、本発明にかかるフローセンサのさら
に別な実施形態においては、前記測温体をサーモパイル
とし、前記空隙部を温接点の下に設け、サーモパイルを
構成する材料の少なくとも一部にドーピング材をドーピ
ングすることにより、前記サーモパイル以外の要因で発
生する周囲温度依存性を打ち消すような周囲温度依存性
を前記サーモパイルに持たせている。サーモパイルのド
ーピング量を変化させると、サーモパイルの温度依存性
が変化するので、サーモパイル以外の要因による周囲温
度依存性を考慮して、このドーピング量を調整すること
によりサーモパイル以外の要因による周囲温度依存性を
サーモパイルの周囲温度依存性で打ち消させることがで
きる。

【００２１】また、本発明にかかるフローセンサのさら
に別な実施形態においては、前記測温体は前記発熱体を
隔ててその両側に配置され、前記空隙部は、両測温体の
中間領域において前記半導体基板の表面で開口してい
る。発熱体の両側に測温体を配置した場合には、流体の
流れの上流側の測温体では温度が下がり、下流側の測温
体では温度が上がるので、２つの測温体の差分をとれば
フローセンサの感度を向上させることができる。

【００２２】また、本発明にかかるフローセンサのさら
に別な実施形態においては、前記サーモパイルがポリシ
リコンとアルミニウムによって構成され、前記サーモパ
イルの周囲温度依存性を制御するためのドーピング材に
燐（Ｐ）を用い、前記ドーピング材のドーピング量を
１.０×１０^１７〜１.０×１０^２１ions／ｃｍ^３として
いる。燐のドーピング量をこの範囲内に納めれば、測温
体の検知温度誤差を±０.１％／℃の範囲内に納めるこ
とができ、フローセンサに要求される一般的な温度特性
スペックを満たすことができる。

【００２３】本発明にかかるフローセンサの製造方法
は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形
成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱
体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体を挟んでその両側
に配置されたサーモパイルと、前記サーモパイルの先端
接合部から前記発熱体に至るまでの領域の下において半
導体基板に形成された空隙部とを備えたフローセンサの
製造方法であって、前記サーモパイルの構成材料の少な
くとも一部にはポリシリコン等の半導体材料を用い、当
該半導体材料にドーピングされる不純物のドーピング量
を制御することにより、前記サーモパイルの周囲温度依
存性が前記サーモパイル以外の要因で発生する周囲温度
依存性と一定比率を保つようにしたことを特徴としてい
る。

【００２４】本発明にかかるフローセンサの製造方法に
あっては、サーモパイルの半導体材料にドーピングする
不純物のドーピング量を制御することにより、サーモパ
イルの周囲温度依存性がサーモパイル以外の要因で発生
する周囲温度依存性と一定比率を保つようにしているの
で、サーモパイルの周囲温度依存性とサーモパイル以外
の要因による周囲温度依存性とが合併されることによっ
てフローセンサ全体としては周囲温度依存性が小さくな
る。よって、従来のように周囲温度依存性を補償するた
めの温度補正回路が不要になる。しかも、ドーピング量
を調整することで、周囲温度依存性が全体として打ち消
されるよう容易に調整できる。さらに、発熱体の両側に
サーモパイルを配置しているので、流体の流れの上流側
のサーモパイルでは温度が下がり、下流側のサーモパイ
ルでは温度が上がり、２つのサーモパイルの差分をとれ
ばフローセンサの感度を向上させることができる。

【００２５】なお、この発明の以上説明した構成要素
は、可能な限り組み合わせることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の一実
施形態によるフローセンサ３１の構造を図７及び図８に
示す。図８は図７のＸ２−Ｘ２線断面を表し、図７は保
護膜４０等を除去してサーモパイル３７、３８を露出さ
せた状態の平面を表している。このフローセンサ３１に
あっては、シリコン基板３２の上面に上方で広くなった
凹状の空隙部３３を形成し、この空隙部３３を覆うよう
にしてシリコン基板３２の上面にＳｉＯ_２等からなる絶
縁薄膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって空
隙部３３の上に空中で支持された薄膜状のブリッジ部３
５を形成している。このブリッジ部３５は空隙部３３内
によってシリコン基板３２と断熱されている。ブリッジ
部３５の表面においては、その中央部にポリシリコンか
らなるヒータ３６を設け、ヒータ３６を挟んで上流側と
下流側の対称な位置にそれぞれ測温体としてサーモパイ
ル３７、３８を設けている。また、ブリッジ部３５の外
側において、絶縁薄膜３４の上に周囲温度感知用のポリ
シリコンからなる周囲温度測温抵抗体３９を設けてあ
り、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び周囲温度
測温抵抗体３９を覆うようにしてシリコン基板３２の上
を保護膜４０で覆っている。

【００２７】上記サーモパイル３７、３８はポリシリコ
ン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されてお
り、絶縁薄膜３４の縁を横切るようにしてポリシリコン
からなる第１の細線４１とアルミニウムからなる第２の
細線４２が交互に、かつ平行に配線され、ブリッジ部３
５内における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点
によって温接点４３の群が構成され、ブリッジ部３５外
における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によ
って冷接点４４の群を構成している。また、ポリシリコ
ンからなるヒータ３６及び第１の細線４１には、１.０
×１０^１９ions／ｃｍ^３の燐（Ｐ）がドーピングされて
いる。

【００２８】冷接点４４は、ヒートシンクの役目をする
シリコン基板３２の上に位置しているので、気体に接触
しても温度は変化しにくいが、温接点４３はシリコン基
板３２から浮いたブリッジ部３５の上に形成されている
ので、熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変
化する。

【００２９】このフローセンサ３１においても、サーモ
パイル３７、３８の温接点４３及び冷接点４４の数をそ
れぞれｎ個、温接点４３の温度をＴh、冷接点４４の温
度をＴcとすると、サーモパイル３７、３８の出力電圧
（両端間電圧）Ｖは、次の（４）式で表される。Ｖ＝ｎ・α（Ｔh−Ｔc） …（４）ただし、αはゼーベック係数である。

【００３０】なお、４５、４６及び４７は、それぞれヒ
ータ３６、サーモパイル３７、３８及び周囲温度測温抵
抗体３９にワイヤボンディングするためのワイヤパッド
である。

【００３１】このフローセンサ３１にあっても、ヒータ
３６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側の
サーモパイル３７、３８の出力が監視される。気体の流
れていない無風時には、サーモパイル３７の出力電圧と
サーモパイル３８の出力電圧とは等しいが、図７に矢印
で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動し
ていると、上流側のサーモパイル３７の温接点４３は冷
却されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体に
よって運ばれる熱で下流側のサーモパイル３８の温接点
４３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、
両サーモパイル３７、３８の出力電圧値の差により空気
の流量を測定することができる。また、この実施形態の
ようにヒータ３６の両側にサーモパイル３７、３８を配
置した構造の場合には、図７の矢印方向と反対向きに気
体が流れた場合にも流体流量（ガス流量）を検出するこ
とができる。また、ヒータ３６の両側にサーモパイル３
７、３８を配置すると、流体の流れの上流側のサーモパ
イルでは温度が下がり、下流側のサーモパイルでは温度
が上がるので、２つのサーモパイル３７、３８の差分を
とればフローセンサ３１の感度を向上させることができ
る。

【００３２】周囲温度測温抵抗体３９は、周囲温度を測
定してヒータ３６の発熱温度を周囲温度よりも一定温度
だけ高く保つために用いられる。

【００３３】次に、上記フローセンサ３１の製造プロセ
スを図９（ａ）（ｂ）（ｃ）、図１０（ｄ）（ｅ）
（ｆ）（ｇ）及び図１１（ｈ）（ｉ）（ｊ）により説明
する。これらの製造プロセスを説明する図はいずれも、
図７のＸ３−Ｘ３線に沿った断面を表している。以下、
これらの図に従って当該製造プロセスを説明する。

【００３４】まず、熱酸化法等によりシリコン基板３２
の表裏両面に例えばＳｉＯ_２からなる絶縁薄膜３４を形
成し［図９（ａ）］、ＣＶＤ法等を用いて上面側の絶縁
薄膜３４の上にポリシリコンを膜厚５００ｎｍとなるよ
うに堆積させてポリシリコン膜４８を形成する［図９
（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン
膜４８の全体に燐（Ｐ）を不純物原子としてドーズ量１
×１０^１９ions／ｃｍ^３だけドーピングさせる［図９
（ｃ）］。

【００３５】この後、フォトリソグラフィによりポリシ
リコン膜４８をエッチングし、ポリシリコン膜４８によ
ってヒータ３６、周囲温度測定用の周囲温度測温抵抗体
３９、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパ
ターンを形成する［図１０（ｄ）］。なお、３８ａはサ
ーモパイル３８の第１の細線４１の端に形成されたパッ
ド部である。ついで、パターニングされたポリシリコン
膜４８の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコ
ン膜４８の表面には酸化膜４９が形成される。

【００３６】次に、サーモパイル３７、３８の温接点４
３及び冷接点４４となる箇所で第１の細線４１を覆う酸
化膜４９の一部をエッチングして開口５０、５１を設け
［図１０（ｅ）］、酸化膜４９の上からアルミニウムを
スパッタ等で堆積させ、さらにフォトリソグラフィによ
ってアルミニウム膜をパターニングしてサーモパイル３
７、３８の第２の細線４２を形成する［図１０
（ｆ）］。このとき、第２の細線４２は、酸化膜４９の
開口５０、５１を通して各端を第１の細線４１の各端に
接続され、酸化膜４９の下に形成された第１の細線４１
と第２の細線４２とによってサーモパイル３７、３８が
形成される。

【００３７】この後、ＣＶＤ法等により基板全体に例え
ばＳｉＯ_２を堆積させ、配線保護のための保護膜４０を
形成する［図１０（ｇ）］。

【００３８】ついで、サーモパイル３７、３８の両端、
ヒータ３６の両端および周囲温度測温抵抗体３９の両端
において、保護膜４０及び酸化膜４９の一部をエッチン
グして開口５２を設け、同時にエッチングホール５３を
開口して温接点４３からシリコン基板３２の一部を露出
させる［図１１（ｈ）］。そして、サーモパイル３７、
３８の両端、ヒータ３６の両端及び周囲温度測温抵抗体
３９の両端に金属材料を堆積させてそれぞれのワイヤパ
ッド４５、４６、４７を設ける［図１１（ｉ）］。

【００３９】ついで、エッチングホール５３からシリコ
ン基板３２の上面をエッチングすることによりシリコン
基板３２の上面に空隙部３３を凹設すると共に絶縁薄膜
３４によってブリッジ部３５を形成する［図１１
（ｊ）］。

【００４０】なお、ここではエッチングホール５３から
シリコン基板３２の上面をエッチングすることにより空
隙部３３およびブリッジ部３５を形成する製造プロセス
について述べたが、ブリッジ部３５の形成方法はこれに
限定されるものではなく、ヒータ３６及びサーモパイル
３７、３８の温接点４３がシリコン基板３２と断熱され
るよう形成すればよい。たとえば、シリコン基板３２の
下面からエッチングを行って、ヒータ３６及びサーモパ
イル３７、３８の温接点４３を含むブリッジを形成して
もよい。

【００４１】ここで、フローセンサの温度特性の変動に
ついて考えると、その理由としては様々な要因が考えら
れるが、主としては次の３つを挙げることができる。 (1) 被測定流体の熱伝導率 (2) ヒータの消費電力 (3) 測温体の温度特性これらの要因については、以下においてそれぞれ詳述す
る。

【００４２】まず、被測定流体の熱伝導率と温度特性と
の関係について説明する。既に図５において説明したよ
うに、フローセンサの表面における温度分布は、流体が
流れている有風時と流体の流れていない無風時とで（つ
まり、流量によって）異なる。しかし、流体の流量が同
一であっても、流体の熱伝導率が異なる場合にも、フロ
ーセンサの表面における温度分布は異なる。

【００４３】図１２はフローセンサが熱伝導率０.０２
０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の流体（ガス）に包まれた雰囲気中に
ある場合の温度分布曲線をシミュレーションにより求め
たものであり、図１３はフローセンサが熱伝導率０.０
２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の流体（ガス）に包まれた雰囲気中
にある場合の温度分布曲線をシミュレーションにより求
めたものである。図１２及び図１３ではいずれも、流体
が移動していない無風時と一定流速で流体が流れている
有風時の温度分布曲線を表しており、それぞれの横軸は
ヒータの中心から測った距離である。シミュレーション
を行うにあたり、いずれもヒータの温度は周囲温度より
も２０℃高い温度とし、流体の流速は３０ｃｍ／secと
した。これらのシミュレーション結果から分かるよう
に、流体の熱伝導率が異なると、温度分布曲線も異なっ
ている。

【００４４】図１４に示すように流体の熱伝導率は温度
によって変化し、例えば空気の温度が一２０℃から７０
℃まで変化した場合、熱伝導率は０.０２０Ｗ／（ｍ・
Ｋ）から０.０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）まで変化する。フロ
ーセンサにおいてヒータを挟んでヒータの中心から２０
０μｍの位置にそれぞれ測温体が配置されていると仮定
すると、熱伝導率が０.０２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の空気が
流れている場合には図１２から１.３℃の温度差が計測
されるのに対し、熱伝導率が０.０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）
の空気が流れている場合には図１３から１.２℃の温度
差が計測される。よって、空気の温度が−２０℃から７
０℃まで変化すると、フローセンサの計測結果に約８％
の計測誤差が生じることになる。また、ガスの熱伝導率
の温度依存性は、図１４に示すようにガスの種類によっ
て異なるので、流体の種類によって熱伝導率に起因する
温度特性が変化することになる。

【００４５】次に、ヒータの消費電力と温度特性との関
係について説明する。図６に示したようなヒータ制御回
路では、周囲温度の変化により消費電力、すなわち上昇
温度が変化する。空気中において、周囲温度を例えば−
２０℃から７０℃まで変化させ、ヒータを周囲温度に対
して２０℃高い温度に保つ場合、図１５に示すような消
費電力特性が得られることが実験結果により分かってい
る。図１５によれば、どの流速でも約＋２％の誤差が生
じることになる。消費電力はヒータの上昇温度に比例す
るので、周囲温度が−２０℃から７０℃まで変化したと
き、約＋２％の上昇温度の誤差が生じることになる。上
昇温度は温度センサの出力に比例するので、上記条件で
は約２％の誤差が生じることになる。

【００４６】次に、測温体の温度特性について説明す
る。測温体に抵抗線を用いた場合では、抵抗値と温度の
関係を線形近似し、抵抗値から温度を算出するので、抵
抗値と温度の関係が線形からずれるとそれがそのまま温
度特性の発生要因となる。しかし、ほとんどの金属で
は、抵抗値−温度特性はほぼ線形とみなして差し支えな
い。例えば汎用の温度センサに使用される白金では、１
００℃の温度変化があっても高々０.１％しか温度誤差
は生じない。よって、測温体として抵抗線を用いた場合
には、温度特性は考慮する必要はない。

【００４７】しかし、測温体としてサーモパイルを用い
た場合には、ゼーベック係数αに温度特性があるため、
（１）式、（２）式等の△Ｔに誤差が生じ、温度センサ
として温度特性が生じる結果となる。ゼーベック係数α
の温度依存性は、使用する材料とドーピング量によって
違ってくるが、サーモパイルの材料にポリシリコンを用
いた場合には、流体の熱伝導率による温度特性やヒータ
の消費電力による温度特性を評価した場合と同様、周囲
温度を−２０℃から７０℃まで変化させた場合には、ド
ーピング量によっては±数１０％程度の範囲内で出力が
変化する。

【００４８】上記要因以外にも、パッケージの熱膨張そ
の他の様々な理由により、熱式のフローセンサは温度特
性を持つわけであるが、測温体の構成はフローセンサの
設計者が任意に選定することができるので、測温体に起
因する温度特性はフローセンサの設計者が任意に調整す
ることができる。特に、測温体としてサーモパイルを用
いた場合には、ドーピング量を調整するだけでゼーベッ
ク係数αの温度特性を調整することができる。従って、
本発明による上記フローセンサでは、以下に説明するよ
うに、「被測定流体の熱伝導率」による温度特性と「ヒ
ータの消費電力」による温度特性を「測温体の温度特
性」で打ち消すことにより、フローセンサ全体として温
度特性を小さくしている。

【００４９】図１６は、上記実施形態のフローセンサに
おいて、ポリシリコンからなるサーモパイルの第１の細
線に１.０×１０^１９ions／ｃｍ^３のドーズ量で燐をド
ーピングした場合のサーモパイル（測温体）の温度特性
を計測し、その計測結果を２０℃を基準にして表した図
である。ここでは、被測定流体としては空気を用いてい
る。また、図１６には、サーモパイル以外（測温体以
外）の要因によるフローセンサの温度特性も併せて示し
ている。図１６に示す場合では、広い温度領域でサーモ
パイルと、サーモパイル以外の要因による温度特性とが
等しい絶対値を持ち、かつ傾きが逆となっており、従っ
てサーモパイルの温度特性とサーモパイル以外の要因に
よる温度特性を総合したトータルの温度特性をほぼゼロ
にすることができる。

【００５０】図１７は、ポリシリコンからなる第１の細
線に対する燐のドーピング量をパラメーターとした、フ
ローセンサ全体の温度誤差係数（図１６のトータルの温
度特性曲線の傾きに相当するもの）を表したグラフであ
る。一般のフローセンサにおける温度特性スペックは、
フルスケール（ＦＳ）に対して±０.１％ＦＳ／℃の範
囲内に収まることが要求されることが多く、その場合に
は図１７によれば、燐のドーピング量を１.０×１０
^１７〜１.０×１０^２１ions／ｃｍ^３にすればよいこと
が分かる。

【００５１】ただし、サーモパイル以外の要因によるフ
ローセンサの温度特性は、流体の熱伝導率やヒータの抵
抗値など様々な条件によって変化するので、それらの条
件に応じてサーモパイルへのドーピング量を調整する必
要がある。

【００５２】こうして本発明によれば、フローセンサの
構造や用途、使用環境等を考慮してサーモパイル以外の
要因による温度特性をシミュレーション等によって算出
すれば、その温度特性をサーモパイルの温度特性を打ち
消すようにポリシリコンへのドーズ量を決定することに
より、フローセンサ全体としてのトータルの温度特性を
ほぼゼロにすることができる。よって、本発明のフロー
センサによれば、温度特性を補償するために従来必要と
されていた温度補正回路を不要にすることができ、フロ
ーセンサのコストを大幅に軽減することができる。例え
ば、フローセンサの出力回路として図１８に示すような
ものを用いることができ、温度特性を調整する特別な回
路を不要にすることができる。

【００５３】図１８に示した出力回路６１は、差動増幅
回路６２の出力端子６５と反転入力端子との間に負帰還
抵抗６３を接続し、反転入力端子を固定抵抗６４を介し
てグランドに接続して負帰還増幅回路を構成しており、
差動増幅回路６２の非反転入力端子とグランドとの間に
は、２つのサーモパイル３７、３８を起電力の方向が互
いに逆向きとなるようにして直列に挿入されている。こ
の出力回路６１は、ヒータ制御回路とは完全に独立して
おり、有風時には上流側のサーモパイルと下流側のサー
モパイルとの起電力の差を帰還増幅回路で任意に増幅
し、出力端子６５から出力された増幅信号Ｖoutに必要
な演算処理を施して流体の質量流量が求められる。

【００５４】なお、上記実施形態においては、ヒータの
両側にサーモパイルを配置した構造のものを説明した
が、本発明のフローセンサは、ヒータの片側にのみサー
モパイルを設けた構造のものであってもよい。

【００５５】

【発明の効果】本発明のフローセンサによれば、測温体
以外の要因で発生する周囲温度依存性を打ち消すような
周囲温度依存性を測温体に持たせているので、フローセ
ンサ全体としては周囲温度依存性が小さくなる。よっ
て、従来のように周囲温度依存性を補償するための温度
補正回路が不要になり、フローセンサの小型化と低コス
ト化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のフローセンサの構造を示す平面図であ
る。

【図２】図１のＸ１−Ｘ１線断面図である。

【図３】フローセンサを流路に設置した状態を示す一部
破断した斜視図である。

【図４】フローセンサを流体が流れる方向を示す図であ
る。

【図５】流体の流れが無い（無風）時と流体の流れがあ
る（有風）時との温度分布曲線を示す図である。

【図６】従来のフローセンサに用いられていたヒータ制
御回路を示す回路図である。

【図７】本発明の一実施形態によるフローセンサの構造
を示す平面図である。

【図８】図７のＸ２−Ｘ２線断面図である。

【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上のフローセンサの製
造プロセスを説明する断面図であって、いずれも図７の
Ｘ３−Ｘ３線に相当する断面を表している。

【図１０】（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）は図９の続図であ
る。

【図１１】（ｈ）（ｉ）（ｊ）は図１０の続図である。

【図１２】フローセンサが熱伝導率０.０２０Ｗ／ｍ・
Ｋの流体に触れている、無風時と有風時の温度分布曲線
を示す図である。

【図１３】フローセンサが熱伝導率０.０２５Ｗ／ｍ・
Ｋの流体に触れている、無風時と有風時の温度分布曲線
を示す図である。

【図１４】空気その他のガスの熱伝導率の温度による変
化を示す図である。

【図１５】流体の流速とヒータの消費電力との関係を表
した図である。

【図１６】測温体（サーモパイル）及び測温体以外の要
因による温度特性（温度誤差）と、全体としてのトータ
ルの温度特性を示す図である。

【図１７】サーモパイルにドープされるドーピング材の
ドーピング量と温度誤差係数との関係を示す図である。

【図１８】本発明のフローセンサに用いられている出力
回路の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

３２シリコン基板３３空隙部３４絶縁薄膜３５ブリッジ部３６ヒータ３７、３８サーモパイル３９周囲温度測温抵抗体４１ポリシリコンからなる第１の細線４２アルミニウムからなる第２の細線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木昌京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不動堂町801番地オムロン株式会社内 (72)発明者中村健一東京都港区海岸１丁目５番20号東京瓦斯株式会社内 (72)発明者根田徳大東京都港区海岸１丁目５番20号東京瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 EA02 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体の少なくとも一方に配置
された少なくとも１つの測温体と、前記発熱体と前記測温体の少なくとも一部の下におい
て、前記半導体基板に形成された空隙部とを備えたフロ
ーセンサにおいて、前記測温体に、前記測温体以外の要因で発生する周囲温
度依存性を打ち消すような周囲温度依存性を持たせたこ
とを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】前記測温体はサーモパイルであり、前記
空隙部は温接点の下に設けられ、該サーモパイルの周囲
温度依存性をサーモパイル以外の要因で発生する周囲温
度依存性と一定比率を保つように構成したことを特徴と
する、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】前記測温体はサーモパイルであり、前記
空隙部は温接点の下に設けられ、前記サーモパイルの周
囲温度依存性を、前記サーモパイル以外の要因で発生す
る周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しくなるようにした
ことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項４】前記サーモパイルを構成する材料の少な
くとも一部にドーピング材をドーピングすることによ
り、前記サーモパイル以外の要因で発生する周囲温度依
存性を打ち消すような周囲温度依存性を前記サーモパイ
ルに持たせたことを特徴とする、請求項２又は３に記載
のフローセンサ。
【請求項５】前記測温体は前記発熱体を隔ててその両
側に配置され、前記空隙部は、両測温体の中間領域にお
いて前記半導体基板の表面で開口していることを特徴と
する、請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項６】前記サーモパイルはポリシリコンとアルミ
ニウムによって構成され、前記サーモパイルの周囲温度
依存性を制御するためのドーピング材に燐を用い、前記
ドーピング材のドーピング量を１.０×１０^１７〜１.０
×１０^２１ions／ｃｍ^３としたことを特徴とする、請求
項４に記載のフローセンサ。
【請求項７】半導体基板と、前記半導体基板の表面に
薄膜状に形成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置
された発熱体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体を挟ん
でその両側に配置されたサーモパイルと、前記サーモパ
イルの先端接合部から前記発熱体に至るまでの領域の下
において半導体基板に形成された空隙部とを備えたフロ
ーセンサの製造方法であって、前記サーモパイルの構成材料の少なくとも一部にはポリ
シリコン等の半導体材料を用い、当該半導体材料にドー
ピングされる不純物のドーピング量を制御することによ
り、前記サーモパイルの周囲温度依存性が前記サーモパ
イル以外の要因で発生する周囲温度依存性と一定比率を
保つようにすることを特徴とするフローセンサの製造方
法。