JP2009109349A

JP2009109349A - フローセンサ

Info

Publication number: JP2009109349A
Application number: JP2007282127A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Watanabe; 哲也渡辺; Hitoshi Hara; 仁原; Naoteru Kishi; 直輝岸
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】本発明は、チップ自体にパッケージの機能を持たせることにより、低コストかつ信頼性の高いデバイスを実現する。
【解決手段】発熱部材を流体中に置くことにより、この流体の流速を測定する熱式のフローセンサにおいて、マイクロブリッジ状に保持する前記発熱部材を形成する第１の基板と、この第１の基板と接合し前記発熱部材を内包することにより流体室を形成する第２の基板と、前記発熱部材の電極を前記第１の基板の外側に導出する貫通電極と、前記流体室に前記流体を流入させる流入穴と、前記流体室に前記流入穴から流入させた前記流体を流出させる流出穴とを具備することにより、チップ自体にパッケージの機能を持たせて低コストかつ信頼性の高いデバイスを実現できるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線ガス検出器、マスフローコントローラ、ガスクロマトグラフィ用のμTCD（熱伝導検出器）、μTAS、マイクロリアクタなどに応用できる熱式のフローセンサに関する高速ＬＳＩチップの実装技術に関する。

測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されると共に、測定セルに対して互いに直列的または並列的に配置される２つのガス室と、両ガス室を連通させるガス通路と、このガス通路にガス通路を遮るように設けられたフローセンサとを備えた赤外線ガス分析計が知られている。

従来の熱式のフローセンサの一例を示す平面図を図５（ａ）および図５（ａ）のＩ−Ｉ‘断面図を図５（ｂ）に示す。
図５（ａ）、（ｂ）のフローセンサ５０１において、酸化膜５０２は、シリコン基板５０６の表裏両面に形成された膜厚５００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。

金属膜５０７は、酸化膜５０２の表面側に形成されたＮｉ金属膜などからなる蛇行状の抵抗体（ヒーター）５０４であり、このＮｉ金属膜は酸化膜５０２上にスパッタ法などにより膜厚２μｍ程度に形成されている。

貫通孔５０３は、シリコン基板５０６の裏面および酸化膜５０２をエッチングして形成された中空５０８であり、抵抗体（ヒーター）５０４は蛇行部の折り返し点のそれぞれの両端で支持され、途中は中空５０８に浮いた状態になっている。電極５０５は抵抗体の両端に接続して形成された電極であり、貫通孔５０３はシリコン基板５０６の裏面および酸化膜５０２をエッチングすることにより形成された貫通孔である。

図５の構成において、電極５０５間に電圧を印加し、抵抗体（ヒーター）５０４を加熱しておき、貫通孔５０３を介してガスを通過させると抵抗体（ヒーター）５０４の温度が低下する。その温度変化を検出してガス流量を計測する。

また、図６にフローセンサチップのパッケージマウント例を示す。
フローセンサチップ６０１は、ハーメッチック端子６０２と導入管６０３の付いた台座６０４に接着などによりマウントされている。フローセンサチップ６０１上の電極６０５からハーメッチック端子６０２への金線６０６でワイヤーボンディングされている。そして、チップ上の電極６０５が流体にさらされると腐食などの問題が発生するため、樹脂６０７などでポッティングされている。また、台座６０４は、導入管６０９の付いたキャップ６０８を溶接などで取り付けている。

特開２００２−０８１９８２号公報

図５のデバイスを実際に使用する場合、ヒーター部に流体を流すための流路やシール構造が必要になるため、パッケージをマウントすることが必要になるという問題がある。

また、図６のデバイスにおいては、フローセンサチップを実際に使用するためにはパッケージへの組み立てが必要であり、パッケージはデバイスの信頼性やコストに大きな影響を与えるという問題がある。また、デッドボリュームが大きくなってしまうため、デバイスの特性に与える影響も大きくなるという問題がある。

本発明は、チップ自体に、パッケージの機能を持たせることにより、低コストであり、かつ信頼性の高いデバイスを提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために本発明は、請求項１に示すように、発熱部材を流体中に置くことにより、この流体の流速を測定する熱式のフローセンサにおいて、マイクロブリッジ状に保持する前記発熱部材を形成する第１の基板と、この第１の基板と接合し前記発熱部材を内包することにより流体室を形成する第２の基板と、前記発熱部材の電極を前記第１の基板の外側に導出する貫通電極と、前記流体室に前記流体を流入させる流入穴と、前記流体室に前記流入穴から流入させた前記流体を流出させる流出穴とを具備することを特徴とする。

また、請求項２に示すように、請求項１記載のフローセンサにおいて、前記第２の基板は、前記流体室を形成する凹部を有することを特徴とする。

また、請求項３に示すように、請求項１または２記載のフローセンサにおいて、前記第１の基板および前記第２の基板の材料としてパイレックス（登録商標）ガラスを用いることを特徴とする。

また、請求項４に示すように、請求項３記載のフローセンサにおいて、前記第１の基板と前記第２の基板を熱圧着接合することを特徴とする。

また、請求項５に示すように、請求項１乃至４いずれかに記載のフローセンサにおいて、前記発熱部材は、第１の発熱部材と第２の発熱部材とより構成されることを特徴とする。

さらに、請求項６に示すように、請求項１乃至５のいずれかに記載のフローセンサにおいて、前記貫通電極は、金属膜を成膜した貫通穴にハンダもしくはメッキで金属を充填することあるいは導電性ペーストを充填することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。

本発明のフローセンサは、パッケージを必要としないため、パッケージ分のコスト削減およびパッケージを組み立てるコストも削減することができ、低コストを実現することができる。

以下、図面を用いて、本発明のフローセンサを説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明のフローセンサの一実施例を示す構造図である。
図１において、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。但し、図１（ａ）の平面図は点線で表示すべき部分も実線で表示している。

パイレックス（登録商標）ガラス基板を第１の基板として使用する（以下、第１のガラス基板１とする）。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、フローセンサにおいて、先ず、貫通電極２、３を形成した第１のガラス基板１の表面に、シリコンフィラメント６が形成される。

つまり、貫通電極２、３を形成した第１のガラス基板１は、シリコンフィラメント６をマイクロブリッジ状に保持している。

シリコンフィラメント６は、フィラメントの下を加工することによって、中空を保持する凹部（以下、フィラメントの下部空間を形成する凹部８とする）の両端である第１のガラス基板１に固定される。

貫通電極２、３はシリコンフィラメント６の電極を第１のガラス基板１の外側に導出するために、シリコンフィラメント６の両端部が貫通電極２、３に接続されている。

第１のガラス基板１の外面には金属膜９が成膜されており、ダイシングで形成した溝（以下、ダイシング溝１０とする）により、貫通電極２、３に対応した部分を電気的に分離している。この貫通電極２、３の分離は、フォトリソグラフィやハードマスクなどで行なうこともできる。

パイレックス（登録商標）ガラス基板を第２の基板として使用する（以下、第２のガラス基板１４とする）。

第１のガラス基板１は、第２のガラス基板１４と熱圧着接合されている。

また、第１のガラス基板１と第２のガラス基板１４が熱圧着接合することにより、第１のガラス基板１上のシリコンフィラメント６が第２のガラス基板１４により内包され、第１のガラス基板１と第２のガラス基板１４との間に流体室が形成される。

第２のガラス基板１４は、流体室を形成する凹部（以下、フィラメントの上部空間を形成する凹部１１とする）を有している。

また、第２のガラス基板１４は、流体室に被測定流体１５を流入させる流入穴１２と、流体室に流入穴１２から流入させた被測定流体１５を流出させる流出穴１３とを有している。

次に図１のフローセンサの動作を示す。
被測定流体１５を流入穴１２から流入して、流入穴１２から流入した被測定流体１５を流出穴１３から流出する。被測定流体１５は、シリコンフィラメント６の上下の空間８、１１を流れる。貫通電極２、３間に電圧を印加すると、シリコンフィラメント６に電流が流れジュール熱が発生する。

つまり、流入穴１２および流出穴１３を介して、被測定流体１５を連通させると共に、この被測定流体１５をシリコンフィラメント６によって加熱し、シリコンフィラメント６は流入穴１２および流出穴１３を連通する被測定流体１５によって冷却される。

この温度変化を検出して、被測定流体１５であるガスの流量を計測する。

図２は、本発明のフローセンサの作製プロセスの一実施例を示す工程図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）は、本発明のフローセンサの作製プロセスの一実施例を示す工程図である。

フローセンサにおいて、先ず、図２（ａ）に示すように、第１のガラス基板１にフィラメントの下部空間を形成する凹部８をエッチングなどにより加工する。

そして、図２（ｂ）に示すように、第１のガラス基板１にサンドブラストなどにより貫通電極にするための貫通穴１６、１７を加工する。

一方、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１８の表面にボロンの高濃度層１９を拡散、エピタキシャル成長などで形成する。

そして、図２（ｄ）に示すように、ボロン高濃度層１９を、後の工程でシリコンフィラメント６となる部分以外についてエッチング除去をする。

ここで、図２（ｅ）に示すように、図２に示す工程（ｂ）で行った第１のガラス基板１と、図２に示す工程（ｄ）で行ったシリコン基板１８を陽極接合する。

そして、図２（ｆ）に示すように、ヒドラジンやＴＭＡＨなどのアルカリ液を用いて、
シリコンフィラメント６部分のみを残して、シリコン基板１８をエッチング除去する。

一方、図２（ｇ）に示すように、第２のガラス基板１４にフィラメントの上部空間を形成する凹部１１をエッチングなどにより加工する。

そして、図２（ｈ）に示すように、第２のガラス基板１４にサンブラストなどにより流入穴１２および流出穴１３（図示していない）を加工する。

ここで、図２（ｉ）に示すように、図２に示す工程（ｆ）で行った第１のガラス基板１と、図２に示す工程（ｈ）で行った第２のガラス基板１４を熱圧着接合する。

そして、図２（ｊ）に示すように、第１のガラス基板１の貫通孔１６、１７の内部と第１のガラス基板１の底面に金属膜９をスパッタなどで成膜する。

次に、図２（ｋ）に示すように、第１のガラス基板１にダイシング溝１０の加工をダイシングで行うことにより、貫通電極２、３に対応した部分を電気的に分離する。また、貫通穴１６、１７にハンダもしくはメッキで金属を充填あるいは導電性ペーストを充填する。

図２のロストウエハプロセスを含む工程により作製されるフローセンサは、別途パッケージを必要としないため、パッケージ分のコスト削減のみならず、パッケージを組み立てるコストも削減することができる。
よって、従来よりもさらに低コストであるフローセンサを実現することができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明のフローセンサの一実施例を示す構造図である。
図３において、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。但し、図３（ａ）の平面図は点線で表示すべき部分も実線で表示している。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、フローセンサにおいて、先ず、貫通電極２、３、４、５を形成した第１のガラス基板１の表面に、発熱部材が形成される。

発熱部材は、第１の発熱部材（以下、シリコンフィラメント６とする）と第２の発熱部材（以下、シリコンフィラメント７とする）により構成される。

つまり、貫通電極２、３、４、５を形成した第１のガラス基板１は、シリコンフィラメント６、７をマイクロブリッジ状に保持している。

シリコンフィラメント６、７は、フィラメントの下を加工することによって、中空を保持する凹部（以下、フィラメントの下部空間を形成する凹部８とする）の両端である第１のガラス基板１に固定される。

貫通電極２、３はシリコンフィラメント６の電極を第１のガラス基板１の外側に導出するためにシリコンフィラメント６の両端部が貫通電極２、３に接続され、貫通電極４、５はシリコンフィラメント７の電極を第１のガラス基板１の外側に導出するためにシリコンフィラメント７の両端部が貫通電極４、５に接続されている。

第１のガラス基板１の外面には金属膜９が成膜されており、ダイシングで形成した溝（以下、ダイシング溝１０とする）により、貫通電極２、３に対応した部分および貫通電極４、５に対応した部分を電気的にそれぞれ分離している。

また、第１のガラス基板１と第２のガラス基板１４が熱圧着接合することにより、第１のガラス基板１上のシリコンフィラメント６、７が第２のガラス基板１４により内包され、第１のガラス基板１と第２のガラス基板１４との間に流体室が形成される。

また、第２のガラス基板１４は、シリコンフィラメント６、７の長手方向に対して、垂直方向かつシリコンフィラメント６、７を基準とする両極部に、流入穴１２および流出穴１３のそれぞれが構成される。

次に図３のフローセンサの動作を示す。
被測定流体１５を流入穴１２から流入して、流入穴１２から流入した被測定流体１５を流出穴１３から流出する。被測定流体１５は、シリコンフィラメント６、７の上下の空間８、１１を流れる。貫通電極２、３間および貫通電極４、５間に電圧をそれぞれ印加すると、シリコンフィラメント６、７にそれぞれ電流が流れジュール熱が発生する。

シリコンフィラメント６に発生する熱は、被測定流体１５によってシリコンフィラメント７へ移動する。移動する熱量は、被測定流体１５の流速にほぼ比例し、２本のシリコンフィラメント６、７間に温度差が発生する。

この温度差は、シリコンフィラメント６、７の抵抗温度係数を用いて、ブリッジ回路などにより電気的に検出することができる。

図４は、本発明のフローセンサの実施例の一例となるフローセンサチップのＮＤＩＲガス分析計用ガスセルを示す構造図である。
図４において、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）の側面図である。但し、図４（ａ）の平面図は点線で表示すべき部分も実線で表示している。

ガスセル２０には２個のガス室２１、２２があり、赤外光を透過するフッ化カルシウムなどからなる赤外窓２３、２４が取り付けられている。そして、２個のガス室２１、２２からは、それぞれ連通穴２５、２６経由でフローセンサチップ２７につながっている。

フローセンサチップ２７は、底面にガス室２１、２２を有する構造により、ガスセル２０の連通穴２５、２６の出口に直接接着剤２８を塗布し、ガスセル２０とフローセンサチップ２７を接着することができる。

また、フローセンサチップ２７の上面には、貫通電極（図示していない）を有し、フレキシブルプリント板２９にハンダ付け３０されている。

なお、フレキシブルプリント板２９には、チップ抵抗やＩＣなどの電子部品３１を実装しておくこともできる。

また、図４のフローセンサは、別途パッケージを必要としないため、パッケージ分のコスト削減のみならず、パッケージを組み立てるコストも削減することができる。
よって、従来のフローセンサよりもさらに低コストかつ小型化を実現することができる。

図１は本発明の一実施例を示す構造図である。図２は本発明の一実施例を示す工程図である。図３は本発明の他の実施例を示す構造図である。図４は本発明の他の実施例を示す構造図である。図５は従来の一実施例を示す構成図である。図６は従来の一実施例を示す構成図である。

符号の説明

１第１のガラス基板
２〜５貫通電極
６、７シリコンフィラメント
８フィラメントの下部空間を形成する凹部
９金属膜
１０ダイシング溝
１１フィラメントの上部空間を形成する凹部
１２流入穴
１３流出穴
１４第２のガラス基板
１５被測定流体
１６、１７貫通穴
１８シリコン基板
１９ボロン高濃度層（p++層）
２０ガスセル
２１、２２ガス室
２３、２４フッ化カルシウムなどからなる赤外窓
２５、２６連通穴
２７フローセンサチップ
２８接着剤
２９フレキシブルプリント板
３０ハンダ付け
３１電子部品
５０１フローセンサ
５０２酸化膜
５０３貫通孔
５０４抵抗体（ヒーター）
５０５電極
５０６シリコン基板
５０７金属膜
５０８中空
６０１フローセンサチップ
６０２ハーメッチック端子
６０３導入管
６０４台座
６０５電極
６０６金線
６０７樹脂
６０８キャップ
６０９導入管

Claims

発熱部材を流体中に置くことにより、この流体の流速を測定する熱式のフローセンサにおいて、
マイクロブリッジ状に保持する前記発熱部材を形成する第１の基板と、
この第１の基板と接合し前記発熱部材を内包することにより流体室を形成する第２の基板と、
前記発熱部材の電極を前記第１の基板の外側に導出する貫通電極と、
前記流体室に前記流体を流入させる流入穴と、
前記流体室に前記流入穴から流入させた前記流体を流出させる流出穴と
を具備することを特徴とするフローセンサ。
前記第２の基板は、前記流体室を形成する凹部を有することを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
前記第１の基板および前記第２の基板の材料としてパイレックス（登録商標）ガラスを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のフローセンサ。
前記第１の基板と前記第２の基板を熱圧着接合することを特徴とする請求項３記載のフローセンサ。
前記発熱部材は、第１の発熱部材と第２の発熱部材とより構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフローセンサ。
前記貫通電極は、金属膜を成膜した貫通穴にハンダもしくはメッキで金属を充填することあるいは導電性ペーストを充填することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフローセンサ。