JP2002340646A - マスフローコントローラ用フローセンサおよびフローセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱擾乱の影響によって生じる測定誤差の
発生を無くすと共に、安価にてばらつきを少なくするこ
とができるマスフローコントローラ用フローセンサおよ
びフローセンサの製造方法を提供する。 【解決手段】 マスフローコントローラに用いられるフ
ローセンサ１であって、シリコン基板２上にパターン成
形された金属膜５からなる２つのヒータ５ａ，５ｂと、
これらのヒータ５ａ，５ｂを覆うように形成された絶縁
膜２ｂとを有する第１部材３、および、この第１部材３
のヒータ５ａ，５ｂ形成面にヒータ５ａ，５ｂ部分に重
ねるように取り付けられるシリコン基板２であって、前
記ヒータ５ａ，５ｂに当接する部分のシリコン２を異方
性エッチングによって取り除いて、第１部材３に重ねた
状態では、前記２つのヒータ５ａ，５ｂにガスを導入し
て一方のヒータ５ａから他方のヒータ５ｂへとガスを流
通させるためのガス流路６を形成する第２部材４からな
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、マスフローコント
ローラ用フローセンサおよびフローセンサの製造方法に
関するものであり、より詳細にはばらつきの少ないセン
サ部を提供することができるマスフローコントローラ用
フローセンサおよびフローセンサの製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】図６は、従来より一般的に用いられている
マスフローメータを示すもので、この図において、１０
は本体ブロックで、流体流路１１が形成してあり、この
流体流路１１内にはバイパス素子１２が設けてある。ま
た、１３は本体ブロック１０の上部に設けられるセンサ
固定ベースである。このセンサ固定ベース１３には、本
体ブロック１０内の流路１１と連通する孔１４を備えた
スリーブ１５が着脱自在に設けてある。

【０００３】１６は質量流量センサで、スリーブ１５に
対して抵抗溶接などの手法により接続され、センサ固定
ベース１３および本体ブロック１０に垂直かつ逆Ｕ字状
に立設された測定流路としての細管１７と、この細管１
７の中央部分の外周に巻設された２つの感熱抵抗体１
８，１９とからなる。なお、感熱抵抗体１８，１９は、
感熱特性などが互いに等しいものが選ばれる。また、２
０はセンサ部１６を収納し、これをカバーするためのセ
ンサケースである。

【０００４】そして、上記マスフローメータにおいて
は、細管１７内に流体が流れると、上流側の感熱抵抗体
１８は、流体によって熱を奪われて冷却され、下流側の
感熱抵抗体１９は、流体によって上流側から運ばれてく
る熱によって加熱される。この熱バランスの変化によっ
て、前記流体の質量流量が検知される。

【０００５】図７は図６に示した質量流量センサ１６を
用いて形成される流量の検出回路である。図７におい
て、８は直流電源、Ｒ₁ ，Ｒ₂ は外部抵抗である。すな
わち、前記感熱抵抗体１８，１９と外部抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂
によってブリッジ回路を形成する。したがって、前記直
流電源８からの電圧がブリッジ回路に印加されることに
より、感熱抵抗体１８，１９の抵抗値の変化に従って出
力Ｏ₁ ，Ｏ₂ 間に信号が出力されるように構成してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の感熱抵抗体１８，１９は細管１７の外側に巻かれる
ように配置されているので、細管１７に対する感熱抵抗
体１８，１９の巻き取り力加減が難しく、特別な経験や
技能を必要としていた。それゆえに、質量流量センサ１
６の生産性や歩留りが悪くならざるを得なかった。

【０００７】また、前記感熱抵抗体１８，１９は細管１
７の外側に巻かれているので、細管１７の熱伝導が応答
速度に大きな影響を与えていた。とりわけ、細管１７の
材料としては多くの場合ガラスが用いられており、その
熱伝導は一般的に悪いので、応答速度の低下が大きくな
らざるを得なかった。

【０００８】又、センサケース２０内の気体を加熱する
ことにより対流が発生することも考えられる。すなわ
ち、センサケース２０内の気体の対流は感熱抵抗体１
８，１９による測定値に大きな影響を及ぼし、下側に位
置する感熱抵抗体１９によって加熱された気体が上側に
位置する感熱抵抗体１８を加熱することがあった。これ
により、前記構成のマスフローメータはこれを配置する
方向によって測定結果に違いが生じることも考えられ
る。

【０００９】そこで、前記熱擾乱の影響を抑えるために
センサケース２０内にガラスウールを充填することも考
えられる。しかしながら、ガラスウールの充填密度によ
って感熱抵抗体１８，１９からの熱の発散速度が変わる
こともあるので、ガラスウールを均等に詰め込むことに
も特別な経験を必要としていた。

【００１０】本発明はこのような実情を考慮に入れてな
されたものであって、熱擾乱の影響によって生じる測定
誤差の発生を無くすと共に、安価にてばらつきを少なく
することができるマスフローコントローラ用フローセン
サおよびフローセンサの製造方法を提供することを目的
としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するための手段を以下のように構成している。すなわ
ち、本発明のマスフローコントローラ用フローセンサ
は、マスフローコントローラに用いられるフローセンサ
であって、シリコン基板上にパターン成形された金属膜
からなる２つのヒータと、これらのヒータを覆うように
形成された絶縁膜とを有する第１部材、および、この第
１部材のヒータ形成面にヒータ部分に重ねるように取り
付けられるシリコン基板であって、前記ヒータに当接す
る部分のシリコンを異方性エッチングによって取り除い
て、第１部材に重ねた状態では、前記２つのヒータにガ
スを導入して一方のヒータから他方のヒータへとガスを
流通させるためのガス流路を形成する第２部材からなる
ことを特徴としている。

【００１２】すなわち、本発明のマスフローコントロー
ラ用フローセンサでは、ヒータがシリコン基板上に形成
され、このヒータの形成面に面するようにガス流路が形
成されるので、ヒータがガス流路直下にあって直接的に
ガスの流れに面する。したがって、ガスの流れに対する
応答速度を極めて速くすることができる。また、ヒータ
の表面には絶縁膜が形成されるので、ヒータが腐蝕する
ことはない。そして、ヒータの裏面は熱伝達の良いシリ
コンによって覆われているので、その温度が均一に保た
れて、外乱の影響を受けることがない。

【００１３】また、パターン成形（フォトリソ技術を用
いたエッチング）によって形成されたヒータおよび異方
性エッチング（シリコンのマイクロマシニング技術を用
いたエッチング）によって形成されたガス流路は大量生
産できるだけでなく、極めて精度良く形成できる。した
がって、前記第１部材と第２部材を重ねて形成されるマ
スフローコントローラ用フローセンサの全体としての特
性もばらつきが少なくなる。さらに、シリコン基板は既
存の技術を用いて加工されるものであるから、量産性に
優れている。したがって、極めて精度の良い赤外線ガス
検出器用フローセンサをより安価にて形成することがで
きる。

【００１４】加えて、前記ガス流路はシリコン基板の厚
みよりも薄い層状の流路であるから、このガス流路内
で、測定誤差の原因となる渦が発生することもなく、そ
れだけ測定精度の向上を図ることができる。

【００１５】本発明のフローセンサの製造方法は、シリ
コン基板上に２つのヒータのパターンをエッチングによ
って形成し、これらのヒータを覆うように絶縁膜を形成
することにより第１部材を作成する一方、別のシリコン
基板のシリコンを異方性エッチングによって取り除くこ
とにより、このシリコン基板を前記第１部材のヒータ形
成面に重ねた状態で前記２つのヒータにガスを導入して
一方のヒータから他方のヒータへとガスを流通させるた
めのガス流路を形成する第２部材を作成し、このガス流
路に前記２つのヒータ形成部が接するように第２部材を
第１部材に張り合わせることを特徴としている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１〜４は本発明のマスフローコ
ントローラ用フローセンサ１の製造方法の一例を示す図
であって、図１（Ａ）〜図１（Ｅ）はシリコン基板２を
ベースとした第１部材３を作成する工程を示す図、図２
（Ａ）〜（Ｇ）は大きさが異なる別のシリコン基板２を
ベースとして作成される第２部材４の製造工程を示す図
である。そして、図３は分解斜視図、図４は前記第１部
材３と第２部材４を組み合わせたマスフローコントロー
ラ用フローセンサ１の動作を説明する図である。

【００１７】図１（Ａ）において、２ａは酸化膜の一例
であって、例えば厚さ０．３ｍｍのシリコン基板２の表
裏両面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ：以下、
単に酸化膜という）である。すなわち、シリコン基板２
を水蒸気雰囲気の条件で約１時間、約１０００℃に加熱
することにより、酸化膜２ａを形成する。なお、この酸
化膜２ａの膜厚は例えば５００ｎｍである。

【００１８】図１（Ｂ）において、５は前記酸化膜２ａ
の表面側の表面に形成されたＮｉ金属膜である。このＮ
ｉ金属膜５は例えば金属のニッケルを酸化膜２ａの表面
に、スパッタ法などにより成膜し、その膜厚は約１μｍ
である。しかしながら前記金属膜５はニッケルによって
形成されることに限定されるものではなく、電子の流れ
によって熱を発生すると共に、温度によって導電率が変
化する金属や半導体など任意の材料を用いることができ
る。

【００１９】次いで、前記金属膜５をレジストによって
覆い、フォトリソ技術を用いてＮｉ金属膜５をパターン
成形することによって、図１（Ｃ）に示す蛇行状のヒー
タ５ａ，５ｂと、このヒータ５ａ，５ｂの両端に接続さ
れた引出し電極５ｃ，５ｄ，５ｅとを形成する。なお、
Ｎｉ金属膜５のパターン成形のためのエッチングは、例
えば塩化鉄（ＦｅＣｌ₃ ）の水溶液またはＨＮＯ₃ 水溶
液を用いて行うことができる。

【００２０】さらに、図１（Ｄ）に示すように、前記ヒ
ータ５ａ，５ｂを覆うように絶縁膜２ｂを堆積させる。
なお、本例の絶縁膜２ｂは例えば酸化シリコン（ＳｉＯ
₂ ）であるが、絶縁膜として窒化シリコン（Ｓｉ
₃ Ｎ₄ ）など様々な材料を用いてもよいことはいうまで
もない。このとき、絶縁膜２ｂの厚みは前述の絶縁膜
（酸化膜２ａ）と同程度にしておくことが望ましい。す
なわち、ヒータ５ａ，５ｂを挟んで形成される絶縁膜２
ａ，２ｂの厚みを同じにすることにより、熱膨張の違い
による絶縁膜２ｂの剥がれを防止することができる。

【００２１】また、前記引き出し電極５ｃ〜５ｅ上の絶
縁膜２ｂはエッチングによって除去して、図１（Ｅ）に
示すはんだ付け部５ｆを形成する。上述の説明に示すよ
うに、前記各ヒータ５ａ，５ｂ、引き出し電極５ｃ〜５
ｅ、はんだ付け部５ｆは何れもエッチングによって形成
されるものであり、半導体製造に係わる既存の技術を用
いて形成できるものであるから、極めて高精度かつ安価
にて製造することが可能である。

【００２２】図２（Ａ）は、第２部材４の基板となる厚
さ０．３ｍｍのシリコン基板２を示しており、その表裏
両面には厚さ５００ｎｍのシリコン酸化膜２ａが形成さ
れている。

【００２３】次いで、図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示すよう
に、例えば、フッ化水素（ＨＦ）の水溶液を用いて、前
記酸化膜２ａをフォトリソ技術を用いてエッチングして
除去し、表面に二つの開口２ｃ，２ｃを形成し、裏面に
長手方向に長孔状の開口２ｃを形成する。なお、図２
（Ｂ）は上から見た平面図、図２（Ｃ）は側面図、図２
（Ｄ）は下から見た平面図である。

【００２４】また、前記エッチングには、例えば、フッ
化水素（ＨＦ）の水溶液を用いることができる。

【００２５】次に、図２（Ｅ）〜図２（Ｇ）に示すよう
に、異方性エッチングが行われることにより、第２部材
４を形成する。この異方性エッチングには、例えば、約
８０℃に加熱した濃度１５％のテトラメチルアンモニウ
ムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）が用いられる。なお、図２
（Ｅ）は上から見た平面図、図２（Ｆ）は縦断面図、図
２（Ｇ）は下から見た平面図である。

【００２６】前記異方性エッチングを行うことにより、
シリコン基板２は前記開口２ｃ，２ｄの端から定まった
角度αの面を形成するようにエッチングが進行する。そ
して、約１５０分程度の間、異方性エッチングを行うこ
とにより、図２（Ｆ）に示す貫通孔６ａ，６ｂや凹部６
ｃを形成することができる。また、その形状は極めて精
密に揃えられる。すなわち、製造時のバラツキを少なく
することができる。

【００２７】そして、前記開口２ｃ，２ｄの形状はフォ
トリソ技術を用いたエッチングによって形成されるもの
であるから、開口２ｃ，２ｄの形状を極めて高精度に定
めることができている。すなわち、前記貫通孔６ａ，６
ｂや凹部６ｃの形状を極めて詳細な点に至るまで正確に
形成することができる。

【００２８】図３は上述した説明に示すように形成され
た第１部材３と、第２部材４を接合する状態を示す分解
斜視図である。図３に示すように、前記第２部材４を第
１部材３に接合するときは、第１部材３の前記ヒータ５
ａ，５ｂの形成面に、そのヒータ５ａ，５ｂの部分に第
２部材４の凹部６ｃが位置するように張り合わせる。な
お、両部材３，４の接続は接着剤による接続あるいは陽
極接合によって行なうことができる。

【００２９】図４は前記第１部材３と第２部材４を接続
した状態を示す図であり、図４（Ａ）は平面図、図４
（Ｂ）は縦断面図である。これらの図４（Ａ），４
（Ｂ）が示すように、第１部材３と第２部材４を接続す
ることにより、前記凹部６ｃと第１部材３の表面によっ
て流入口６ａと流出口６ｂを有するガス流路６を形成す
ると共に、前記ヒータ５ａ，５ｂが流路６に面するよう
に接する。

【００３０】前記流路６は前記凹部６ｃによって形成さ
れるものであり、その幅は第２部材４を構成するシリコ
ン基板の厚み０．３ｍｍよりも狭いものであるから、図
４（Ｂ）に矢印Ａにして示すガスの流れは層流状態とな
り、これに乱流や渦が生じることがない。したがって、
上流側に位置するヒータ５ｂからの熱が確実に下流側の
ヒータ５ａを加熱し、これを正確に検知することができ
る。また、ヒータ５ａ，５ｂがほゞ直接的にガスに接す
るので、その応答性が極めて高い。なお、ヒータ５ａ，
５ｂを絶縁膜によって覆っているので、このヒータ５
ａ，５ｂが腐食性のガスによって浸食されることもな
い。

【００３１】さらに、前記ヒータ５ａ，５ｂが熱伝導の
良いシリコン基板２上に形成されるので、シリコン基板
２が熱的に均一な熱平衡の状態を形成する。したがっ
て、外部からシリコン基板２を介してヒータ５ａ，５ｂ
に熱擾乱が与えられることがなく、それだけ外乱の影響
を受けることがない。

【００３２】図５は、前記ヒータ５ａ，５ｂを用いて、
ヒータ５ａ，５ｂの外部に抵抗Ｒ₁，Ｒ₂ を取り付けら
れて形成するブリッジ回路７の例を示す図である。図５
に示す符号５ｃ〜５ｅは図１，３，４に示した引出し電
極を示している。なお、その他の点については、図７と
同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

【００３３】その動作を説明すると、前記ブリッジ回路
７に直流電源８からの電圧を印加するとフローセンサの
ヒータ５ａ，５ｂは共に加熱されて温度が上昇し、両方
のヒータ５ａ，５ｂの抵抗値も同様に上昇する。そし
て、ガスが前記ガス流路６を通って流れた場合には、上
流側のヒータ５ａの温度が下がり、逆に下流側のヒータ
５ｂの温度が上流側からの熱によって上昇する。

【００３４】これによって、ヒータ５ａの抵抗値が小さ
くなり、ヒータ５ｂの抵抗値が大きくなるので、前記ブ
リッジ回路７のバランスが崩れ、出力Ｏ₁ を基準として
出力Ｏ₂ にプラスの電圧が出力されて、これを流速信号
として得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマスフロ
ーコントローラ用フローセンサおよびフローセンサの製
造方法によれば、ヒータがガス流路直下にあって直接的
にガスの流れに面し、ガスの流れに対する極めて優れた
応答速度を得ることができる。また、ヒータの表面には
絶縁膜が形成されるので腐食性のガスを流してもヒータ
が腐蝕することがない。さらに、ヒータの裏面側が熱伝
達の良いシリコンによって覆われているので、その温度
が均一に保たれて、外部の熱擾乱の影響を受けることが
ない。

【００３６】また、パターン成形によって形成されたヒ
ータおよび異方性エッチングによって形成されたガス流
路は大量生産に適しており、かつ、極めて精度良く形成
することが可能である。したがって、マスフローコント
ローラ用フローセンサの全体としての特性もばらつきが
少なくなる。さらに、シリコン基板の加工は既存の技術
を用いて容易に行われるので量産性に優れている。した
がって、極めて精度の良い赤外線ガス検出器用フローセ
ンサをより安価にて形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフローセンサの製造方法を示す図であ
る。

【図２】前記フローセンサの製造方法の続きを示す図で
ある。

【図３】前記マスフローコントローラ用フローセンサの
分解斜視図である。

【図４】前記マスフローコントローラ用フローセンサの
構成を示す図である。

【図５】前記マスフローコントローラ用フローセンサを
用いた流量検出回路の例を示す図である。

【図６】従来のフローセンサの構成を示す分解斜視図で
ある。

【図７】前記従来のフローセンサを用いた流量検出回路
の例を示す図である。

【符号の説明】

１…フローセンサ、２…シリコン基板、２ｂ…絶縁膜、
３…第１部材、４…第２部材、５…金属膜、５ａ，５ｂ
…ヒータ、６…ガス流路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一ノ宮 剛 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 Ｆターム(参考） 2F035 EA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスフローコントローラに用いられるフ
   ローセンサであって、シリコン基板上にパターン成形さ
   れた金属膜からなる２つのヒータと、これらのヒータを
   覆うように形成された絶縁膜とを有する第１部材、およ
   び、この第１部材のヒータ形成面にヒータ部分に重ねる
   ように取り付けられるシリコン基板であって、前記ヒー
   タに当接する部分のシリコンを異方性エッチングによっ
   て取り除いて、第１部材に重ねた状態では、前記２つの
   ヒータにガスを導入して一方のヒータから他方のヒータ
   へとガスを流通させるためのガス流路を形成する第２部
   材からなることを特徴とするマスフローコントローラ用
   フローセンサ。
2. 【請求項２】 シリコン基板上に２つのヒータのパター
   ンをエッチングによって形成し、これらのヒータを覆う
   ように絶縁膜を形成することにより第１部材を作成する
   一方、別のシリコン基板のシリコンを異方性エッチング
   によって取り除くことにより、このシリコン基板を前記
   第１部材のヒータ形成面に重ねた状態で前記２つのヒー
   タにガスを導入して一方のヒータから他方のヒータへと
   ガスを流通させるためのガス流路を形成する第２部材を
   作成し、このガス流路に前記２つのヒータ形成部が接す
   るように第２部材を第１部材に張り合わせることを特徴
   とするフローセンサの製造方法。