JP2005274515A

JP2005274515A - センサ及びその測定方法

Info

Publication number: JP2005274515A
Application number: JP2004091863A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Koo; 明博小尾; Akira Ohashi; 明大橋
Original assignee: Myotoku Ltd
Current assignee: Convum Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ技術による流体の流動を高速で、正確に測定して、ヒステリシスの少ない小型なセンサ及びその測定方法を提供することである。
【解決手段】シリコン単結晶に形成された複数の抵抗体よりなるセンサ素子において、少なくとも１つの測定抵抗体の形成されているシリコン層の厚みが他の補正抵抗体の形成されているシリコン層の厚みの１／３以下であり、薄い側の該測定抵抗体の側のシリコン層に通気孔が形成され、測定抵抗体及び補正抵抗体が白金にて形成されていて、該測定抵抗体の線路の間に通気孔が形成されたセンサである。また、流体の流動による測定抵抗体及び補正抵抗体の温度抵抗特性を差動検出し、該測定抵抗体及び該補正抵抗体の温度差を一定に保つ消費電力により流動量を検出する測定方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流動を確認するためのセンサ及びその測定方法に関するものである。

従来において、流体の流動を確認するためには、容積流量計、面積流量計、差圧流量計、タービン流量計、渦流量計、超音波流量計、電磁流量計、等々の各種流量計が提案、実用化されている。
特開平０８−２０３８３２号公報には、ソースタンクの入口及び出口のガス配管に各々流量センサ（白金抵抗線）を配置し、入口センサの発熱素子に対する出口センサの発熱素子の電気信号の差に基づいて流量を測定することが出来ることが記載されている。特開平０５−２３１８９７号公報には、エンジン制御システムに用いる発熱抵抗体、温度補償抵抗体、差動増幅器、等からなる空気流量計が記載されている。特開平０５−１０７９７号公報には、二個の感熱抵抗体、差動増幅部、空気量に応じて放熱変化する抵抗体の抵抗値を一定にする回路、等が記載されている。

抵抗体を用いた前記の流量計は、白金線を用いた物でありサイズが大きく微細な場所、小流量を測定することが困難である。マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術による流体の流動を高速に、正確に検出するセンサを提供することである。

シリコン単結晶に形成された複数の抵抗体よりなるセンサ素子において、少なくとも１つの測定抵抗体の形成されているシリコン層の厚みが他の補正抵抗体の形成されているシリコン層の厚みの１／３以下であり、薄い側の該測定抵抗体の側のシリコン層に通気孔が形成されているセンサは、ＭＥＭＳ技術による小型なセンサ素子であり、流体の流動を高速に、正確に検出することが出来る。測定抵抗体及び補正抵抗体が白金にて形成されていて、該測定抵抗体の線路の間に通気孔が形成されたセンサ素子は、経時変化が無く安定したセンサである。測定抵抗体部分の厚さが５０μｍ以下であるセンサである。流体の流動による測定抵抗体及び補正抵抗体の温度抵抗特性を差動検出し、該測定抵抗体及び該補正抵抗体の温度差を一定に保つ消費電力により流動量を検出するセンサの測定方法である。

本発明に係るセンサ及びその測定方法は、シリコンによるＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）技術を用いた流体の流動を検出するセンサであり、以下に詳細を説明する。なお、本発明に係るセンサ及びその検出方法は、以下の記述に限定されるものでなく、図においても概念を表したものであり寸法、縮尺、配置、等を限定するものでない。

図１に例示するようにセンサ素子１は、シリコン単結晶に形成された補正抵抗体４、測定抵抗体５、通気孔３よりなり、該測定抵抗体部分のシリコン層２の厚みが該補正抵抗体部分のシリコン層２の厚みの１／３以下であることである。また、測定抵抗体５及び補正抵抗体４が白金にて形成されていて、該測定抵抗体の線路の間に通気孔３が形成されたセンサ素子１である。また、測定抵抗体部分の厚さが５０μｍ以下である。また、流体の流動による測定抵抗体５及び補正抵抗体４の温度抵抗特性を差動検出し、該測定抵抗体及び該補正抵抗体の温度差を一定に保つ消費電力により流動量を検出する測定方法である。

製造方法は、半導体装置の製造方法に用いられる技術を駆使して製造するものであり、概略を図２に示す工程である。シリコン単結晶のウエハを用いて酸化膜の形成、窒化膜の形成、ボロンの拡散、フォトリソグラフィ方法、各種対応したエッチング、スパッタリング方法、等々の方法でシリコンウエハを加工して補正抵抗体、測定抵抗体、通気孔、等々を形成し、該測定抵抗体及び通気孔の部分のシリコンの厚みを補正抵抗体の厚みに対して１／３以下にすることである（図１のセンサ素子の断面図、図１（ｂ））。より好ましくは、１／４以下である。薄くすることにより補正抵抗体の温度環境に対して測定抵抗体は流体の流動量（表面及び／または通気孔の間を流動する量）により温度−抵抗値変化が大きくなる。センサ素子のサイズは、５ｍｍ角以下であることが好ましく、より好ましくは、３ｍｍ角以下である。小さくすることにより応答性が良くなる。補正抵抗体、測定抵抗体の材質、形状、サイズ、等を特に限定するものでなく、温度−抵抗特性を示すものである。好ましくは、抵抗体として白金を用いることである。該白金による抵抗体の形状、サイズ、厚さ、等を限定するものでない。例えば、櫛型、渦巻き型、等である。該白金は良好な温度−抵抗値特性を示し、線幅、全長長さ、厚さによる温度−抵抗値特性の常数が一定であることが確認された。製造工程の一実施例を実施例１に記述することによりその他の方法の記載を省略する。勿論、本発明に係るセンサは、他の方法で製造されたものであっても構造、構成が範疇であるものを含む。

図３において、測定系の例を示す。図３（ｂ）の如く流体の流導路にセンサ素子１を先端に取り付けたセンサユニット１２４を配置して、流体を流して図４の如く回路で測定する。評価テストとして流導路を流動する流体を図３（ａ）の如くに圧力レギュレータ１２０、バッファ・チャンバ１２１、流量調整器１２２、流量計１２３で制御してセンサユニット１２４のセンサ素子１の抵抗値変化に対するバランスする消費電力を測定する（図４の測定回路の例）。流量計１２３による各々の可変される流量とバランスする消費電力の相関関係を示す例が図５であり、相関関係のヒステリシスを示す例が図６である。

図４の例では、Ｒ４が補正抵抗体４の抵抗であり、Ｒ５が測定抵抗体の抵抗である。流動する流体の流量により測定抵抗体の抵抗値温度変化が補正抵抗体の抵抗値変化より大きいため、測定抵抗体に電流・電圧のコントロールを行い加熱・（冷却）し、補正抵抗体の抵抗値と測定抵抗体の抵抗値がバランスする電流・電圧による消費電力（消費電力時の電圧）を測定する。

このようなセンサ素子は、半導体装置の製造工程技術で小さく、薄く、精度良く、大量に製造することができる。また、測定方法では、ヒステリシスが少なく、安定したセンサ素子を提供することができる。気体の流量の測定、液体の流量の測定、流体の流動を検知・測定（自動車の衝突時の変化、扉の開閉による変化、動体の動きによる変化、振動による変化、過渡的な流動現象、等）することができる。

以下において、本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施態様を説明する。勿論、本発明に係るセンサ及びその測定方法は、以下の実施態様に限定されるものでない。

（実施例１）本発明に係るセンサ及びその製造方法の一実施例を製造工程（一般的な工程の説明を省略する場合がある。）に従って図２を参照に説明する。尚、図は、モデル化した図であり縮尺、角度、等を示すものでない。製造において、多数個取りの配置で製造するのが一般的であるが図２及び説明はセンサの一ユニットに注目して説明する。

図２（ａ）は、面方位（１００）のＰ型のシリコンウエハ１０１をシリコン酸化膜１０２をマスクにしてエッチャントＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド）水溶液でシリコンを片面約１／３厚までエッチングしたシリコンウエハ１０１である。該シリコン酸化膜１０２を除去し、熱酸化方法（ウエハを石英管炉の中に入れ加熱し、酸素ガスに加えて水蒸気を導入するウェット酸化）でシリコンウエハの表面に約０．６μｍのシリコン酸化膜１０３を形成し、フォトマスクを介してフォトリソグラフィ方法（レジストの塗布、プリベーク、露光、現像、リンス、ポストベーク、等）によりレジストパターンを形成し、残存のレジストをマスクとしてシリコン酸化膜１０３をＨＦ系エッチャントでエッチングし、該レジストを硫酸及び過酸化水素の混合液で剥離除去し図２（ｂ）、残存の該シリコン酸化膜１０３をマスクとしてボロンを熱拡散させて図２（ｃ）のような層厚が約２０μｍのボロン拡散層１０４を形成し、該シリコン酸化膜１０３を剥離除去した。

シリコンウエハのボロン拡散層１０４側の面に常圧ＣＶＤ方法で約０．２μｍ厚みのシリコン酸化膜層１０５を堆積形成し、該シリコン酸化膜層１０５の上に常圧ＣＶＤ方法で約０．３μｍ厚みの窒化シリコン膜層１０６を堆積形成してシリコン酸化膜層／窒化シリコン膜層の多層膜による図２（ｄ）のシリコンウエハとした。

該シリコンウエハにフォトリソグラフィ方法により電極用パターン１０７を形成し、スパッタリング方法で厚さ約０．１μｍのクロム層１０８及び厚さ約０．９μｍの白金層１０９を形成し図２（ｅ）、アセトンでフォトレジストと共にフォトレジスト上のクロム／白金層を除去して図２（ｆ）の電極付き（補正抵抗体４、測定抵抗体５、共に線幅が８０μｍ、長さが１５．７ｍｍ）のシリコンウエハとした。更に、プラズマＴＥＯＳ−ＣＶＤ方法により約０．５μｍ厚のシリコン酸化膜層１１０を堆積形成し、フォトリソグラフィ方法でレジストパターン１１１を形成し図２（ｇ）、レジストをマスクとしてシリコン酸化膜層１１０、窒化シリコン膜層１０６及びシリコン酸化膜１０５をエッチングし、レジストを除去した図２（ｈ）。

残存のシリコン酸化膜層１１０をマスクとして異方性エッチング方法のＥＰＷ（エチレンジアミンーピロカテコールー水）でシリコン１０１をエッチングした図２（ｉ）。このように製作されたセンサ素子図２（ｉ）は、シリコン層２に白金による補正抵抗体４、測定抵抗体５、通気孔３を形成したものである。該補正抵抗体、該測定抵抗体はシリコン酸化膜層１１０で覆われている。

図２（ｉ）を簡略化したセンサ素子の単体図が図１である。センサ素子１は、シリコン層２の上に形成された白金製の補正抵抗体４、補正抵抗体端子６ａ、６ｂ、測定抵抗体５，測定抵抗体端子７ａ、７ｂ、シリコン層２をエッチングして形成された格子状の複数の通気孔３により構成されたものである。尚、場合によっては、図４に示すような抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）、増幅器１２５，検出器１２６、等の電気・電子回路をＩＣ回路の一般的な形成方法で形成してもよく、形成されることがある。即ち、センサ素子のみでなくセンサ検知回路込みの素子であり有用なものである。本実施例では、外付け回路で測定するので該センサ検知回路込みの素子の形成方法の詳細は省略する。勿論本発明の範疇に含まれるものである。

前記センサ素子１（２ｍｍ角）をセンサユニットにダイスボンディングし、補正抵抗体端子６ａ、６ｂ、測定抵抗体端子７ａ、７ｂ、と外部の測定用端子をワイヤボンディングしてセンサユニットから補正抵抗体、測定抵抗体のリード線を延長した。図３に示すような空圧測定回路、図４に示すような電子回路で測定した。

図３は、空圧源からの流体を圧力レギュレータ１２０で減圧制御し、バッファ・チャンバ１２１を配置し、流量調整器１２２で流量を調整し、流量計１２３（市販の基準となる流量計）で流量を測定し、センサユニット１２４で出力を測定する。該センサユニット１２４は、センサ素子１が流体の流動に接する位置の流路管に配置する。図４による測定回路は、センサユニットからのリード線で該センサ素子１の補正抵抗体４の抵抗Ｒ４、測定抵抗体５の抵抗Ｒ５、各々の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、増幅器１２５、検出器１２６により構成されている。

測定の原理を簡単に説明する。抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ５のバランスを検出して流体の流量を検出するものである。図１にモデルとして示しているように作動流体がセンサ素子の表面を流れ、該流体が通気孔３を通過して流れる時に流量により抵抗Ｒ５（薄いシリコン膜に形成された熱容量の小さな測定抵抗体５の抵抗値、）が大きく変化する、一方補正抵抗体４は熱容量の大きなシリコン層２に形成されているために流体の流量による抵抗Ｒ４の変化が少ない。このことにより図４の如くの回路概念で作動流体の温度（補正抵抗体４での抵抗Ｒ４）及び作動流体の流動による測定抵抗体５（抵抗Ｒ５）の変化、測定抵抗体が補正抵抗体との温度差を一定に保つ回路中の消費電力（消費電力をその時の電圧）を検出する。作動流体の流量及び消費電力（電圧）の関係は、図５、図６の関係であった。図５は、キング法則線にほぼ一致するものである。図６は、ヒステリシスを測定したものである。

本発明の一実施例であるセンサ素子は、流動流体の流れ量を測定して、ヒステリシスの少ない、キングの法則に一致した結果を示した。小型で、精度の高い流量センサを提供することができる。

本発明に係るセンサ及びその測定方法は、マイクロエレクトロメカニカルシステム技術によりシリコン単結晶に測定抵抗体、補正抵抗体及び通気孔を形成したものであり流体の流動を高速に、正確に測定するものでありる。流体の流動として気体、液体の流量の測定、流体の流動の開始・停止の測定により自動車の衝突時の変化の検知、扉の開閉による変化による警報、流動体の動きによる変化の検知、振動による変化による音の検知・測定、過渡的な流体の流動現象の検知・測定、等々に利用することができる。

本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施態様を示す図である。（ａ）はセンサ素子の表面図であり、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｋ’断面図である。本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施態様の工程を示す図である。本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施態様の流体の測定系を示す図である。（ａ）図は、測定系を示し、（ｂ）図は、流動流路にセンサユニットをセットした概念を示す図である。本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施態様の測定回路の例を示す図である。本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施例による測定結果を示す例図である。本発明に係るセンサ及びその測定方法の一実施例によるヒステリシス測定結果を示す例図である。

符号の説明

１センサ素子
２シリコン層
３通気孔
４補正抵抗体
５測定抵抗体
６ａ、６ｂ補正抵抗体端子
７ａ、７ｂ測定抵抗体端子
１０１シリコンウエハ
１０２１０３１０５シリコン酸化膜
１０４ボロン拡散層
１０６窒化シリコン膜層
１０７電極パターン
１０８クロム層
１０９白金層
１１０シリコン酸化膜層
１１１レジストパターン
１２０圧力レギュレータ
１２１バッファ・チャンバ
１２２流量調整器
１２３流量計
１２４センサユニット
１２５増幅器（オペアンプ）
１２６検出器

Claims

シリコン単結晶に形成された複数の抵抗体よりなるセンサ素子において、少なくとも１つの測定抵抗体の形成されているシリコン層の厚みが他の補正抵抗体の形成されているシリコン層の厚みの１／３以下であり、薄い側の該測定抵抗体の側のシリコン層に通気孔が形成されていることを特徴とするセンサ。
測定抵抗体及び補正抵抗体が白金にて形成されていて、該測定抵抗体の線路の間に通気孔が形成されたセンサ素子であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
測定抵抗体部分の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
流体の流動による測定抵抗体及び補正抵抗体の温度抵抗特性を差動検出し、該測定抵抗体及び該補正抵抗体の温度差を一定に保つ消費電力により流動量を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のセンサの測定方法。