JP2010107497A - Flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、基板の一面に配置された発熱体からの熱の分布の変化に基づいて流体の流量を検出する流量センサに関する。 The present invention relates to a flow rate sensor that detects a flow rate of a fluid based on a change in distribution of heat from a heating element disposed on one surface of a substrate.
従来、この種の流量センサとして、シリコン基板に形成されたメンブレン(薄膜)上に発熱体および温度検出体を配置してなる流量センサが知られている。図7は、その従来の流量センサのメンブレンの平面説明図である。
メンブレン100の表面には、発熱体90と、温度検出体91,92と、発熱体90から引き出された配線パターン90aと、温度検出体91,92からそれぞれ引き出された配線パターン91a,92aとが配置されている。配線パターン90a,91a,92aは、それぞれメンブレン100の一方の端部101に引き出されている。
Conventionally, as this type of flow sensor, a flow sensor is known in which a heating element and a temperature detector are arranged on a membrane (thin film) formed on a silicon substrate. FIG. 7 is an explanatory plan view of the membrane of the conventional flow rate sensor.
On the surface of the
発熱体90、温度検出体91,92および配線パターン90a,91a,92aは、それぞれシリコンにより薄膜状に形成されている。各配線パターン90a,91a,92aは、図示しない制御回路に接続されている。そして、制御回路から配線パターン90aを通じて発熱体90に電流を流して発熱体90を発熱させ、発熱体90の周囲の温度を上昇させる。そこで、その温度分布の変化を各温度検出体91,92によって検出し、その検出結果に基づいて気体の流量および気体の流れる方向を測定する。
The
しかし、前述した従来の流量センサは、発熱体90と配線パターン91a,92aとが接近しているため、発熱体90から発生した熱が、配線パターン91a,92aに逃げやすい。また、配線パターン90aと、配線パターン91a,92aとが接近しているため、発熱体90から発生した熱が、配線パターン90aを介して配線パターン91a,92aに逃げやすい。
したがって、従来の流量センサは、発熱体90から発生した熱が逃げやすいため、流体流量の検出感度を高めにくいという問題がある。
However, in the conventional flow rate sensor described above, since the
Therefore, the conventional flow rate sensor has a problem that it is difficult to increase the detection sensitivity of the fluid flow rate because the heat generated from the
そこで、この発明は、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることにより、従来よりも流体流量の検出感度を高めることのできる流量センサを実現することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to realize a flow rate sensor capable of increasing the detection sensitivity of the fluid flow rate as compared with the prior art by making it difficult for the heat generated from the heating element to escape.
この発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、流体の流れの中に配設された基板(40,50,80)と、前記基板の一面側に配置された発熱体(81)および温度検出体(83)と、前記基板の一面側にて少なくとも前記発熱体から引き出された第1の配線(81a,82a,84a)と、前記基板の一面側にて少なくとも前記温度検出体から引き出された第2の配線(83a)と、を備え、前記流体の流れによる前記発熱体からの熱の分布の変化に基づいて、前記温度検出体により前記流体の流量を検出するようにした流量センサ(30)において、前記第1および第2の配線は、前記基板の一面側にて互いに反対の方向(D1,D2)へ引き出されてなるという技術的手段を用いる。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the substrate (40, 50, 80) disposed in the fluid flow and the heat generation disposed on the one surface side of the substrate. A body (81) and a temperature detection body (83), at least one first wiring (81a, 82a, 84a) drawn from the heating element on one surface side of the substrate, and at least the one surface on the one surface side of the substrate And a second wiring (83a) drawn from the temperature detection body, and detects the flow rate of the fluid by the temperature detection body based on a change in the distribution of heat from the heating element due to the flow of the fluid. In the flow sensor (30) configured as described above, the technical means is used in which the first and second wirings are drawn out in opposite directions (D1, D2) on the one surface side of the substrate.
第1および第2の配線は、基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出されてなるため、発熱体と第2の配線との間隔を大きくすることができる。また、第1および第2の配線間の間隔を大きくすることもできる。
したがって、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができる。
Since the first and second wirings are drawn in opposite directions on the one surface side of the substrate, the distance between the heating element and the second wiring can be increased. Further, the interval between the first and second wirings can be increased.
Therefore, it is possible to make it difficult for the heat generated from the heating element to escape, so that the detection sensitivity of the fluid flow rate can be increased.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の流量センサ(30)において、前記基板(40,50,80)の他面側に凹部(41,42)が形成されており、前記温度検出体(83)は、前記発熱体(81)と間隔を置いて前記発熱体の両側に配置されており、前記発熱体および前記各温度検出体は、前記凹部の底部の前記基板の一面側に配置されてなるという技術的手段を用いる。
In the invention according to
基板に凹部を形成することにより薄肉部を形成し、その薄肉部の表面に発熱体および各温度検出体を配置することにより、熱絶縁性を高め、流体流量の検出感度を高めることができる。そして、そのような構造において、第1および第2の配線を基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出すことにより、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることができるため、流体流量の検出感度をより一層高めることができる。 By forming a thin portion by forming a recess in the substrate, and disposing a heating element and each temperature detection body on the surface of the thin portion, it is possible to improve thermal insulation and increase detection sensitivity of the fluid flow rate. In such a structure, since the heat generated from the heating element can be made difficult to escape by pulling out the first and second wirings in opposite directions on the one surface side of the substrate, detection of the fluid flow rate Sensitivity can be further increased.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の流量センサ(30)において、前記発熱体(81)から一方の前記温度検出体(83)までの距離(L)と、前記発熱体から前記一方の温度検出体を通って前記一方の温度検出体に最も近い前記底部の縁(33a)までの距離(Lm)との比(L/Lm)が、0.19〜0.70であるという技術的手段を用いる。 According to a third aspect of the present invention, in the flow rate sensor (30) according to the second aspect, a distance (L) from the heating element (81) to one of the temperature detection bodies (83), and from the heating element The ratio (L / Lm) to the distance (Lm) from the one temperature detector to the edge (33a) of the bottom closest to the one temperature detector is 0.19 to 0.70. The technical means is used.
この出願の発明者らが行った実験によれば、発熱体から一方の温度検出体までの距離と、発熱体から一方の温度検出体を通って一方の温度検出体に最も近い底部の縁までの距離との比を、0.19〜0.70に設定することにより、流体流量の検出感度を高くすることができた。 According to the experiments conducted by the inventors of this application, the distance from the heating element to one temperature detection body, and from the heating element through one temperature detection body to the bottom edge closest to the one temperature detection body. By setting the ratio to the distance of 0.19 to 0.70, the fluid flow rate detection sensitivity could be increased.
請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の流量センサ(30)において、前記比(L/Lm)が、略0.4であるという技術的手段を用いる。なお、略0.4とは、完全に0.4である他に0.4に近似する値を含む意味である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the flow rate sensor (30) according to the third aspect, the technical means that the ratio (L / Lm) is approximately 0.4 is used. Note that “approximately 0.4” means that a value close to 0.4 is included in addition to 0.4.
この出願の発明者らが行った実験によれば、発熱体から一方の温度検出体までの距離と、発熱体から一方の温度検出体を通って一方の温度検出体に最も近い底部の縁までの距離との比を略0.4に設定すると、流体流量の検出感度を最も高くすることができた。 According to the experiments conducted by the inventors of this application, the distance from the heating element to one temperature detection body, and from the heating element through one temperature detection body to the bottom edge closest to the one temperature detection body. When the ratio to the distance was set to approximately 0.4, the fluid flow rate detection sensitivity could be maximized.
請求項5に記載の発明では、請求項2ないし請求項4のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記基板(40,50,80)は、シリコン基板(40)を支持基板、絶縁膜(50)を埋め込み層、半導体層(80)をSOI層としたSOI基板からなり、前記凹部は、前記シリコン基板に形成された空洞部(41)を前記基板の一の面側にて前記絶縁膜で覆うことにより形成されてなり、前記発熱体(81)、温度検出体(83)、第1の配線(81a,82a,84a)および第2の配線(83a)は、それぞれ前記半導体層から形成されてなるという技術的手段を用いる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the flow rate sensor (30) according to any one of the second to fourth aspects, the substrate (40, 50, 80) includes a silicon substrate (40) as a support substrate. And an SOI substrate having an insulating film (50) as a buried layer and a semiconductor layer (80) as an SOI layer, and the recess has a cavity (41) formed in the silicon substrate on one surface side of the substrate. The heating element (81), the temperature detection element (83), the first wiring (81a, 82a, 84a), and the second wiring (83a) are respectively formed by covering with the insulating film. The technical means of being formed from a semiconductor layer is used.
流量センサでは、発熱体および温度検出体をシリコン基板の空洞部を覆う絶縁膜上に配置することで、それらが配置されている部分の熱容量を低く抑えるとともに、その部分を熱的に絶縁し、流体流量の検出感度を高めるようにしている。
また、発熱体、温度検出体、第1の配線および第2の配線をそれぞれ半導体層から形成することにより、伝熱性が高くなる。
In the flow rate sensor, the heating element and the temperature detector are arranged on the insulating film covering the cavity of the silicon substrate, so that the heat capacity of the part where they are arranged is kept low, and the part is thermally insulated, The detection sensitivity of the fluid flow rate is increased.
In addition, by forming the heating element, the temperature detection body, the first wiring, and the second wiring from the semiconductor layers, the heat conductivity is increased.
このような構造の流量センサでは、発熱体から発生した熱が、その近傍に配置された第1および第2の配線に、より一層逃げやすくなるため、発熱体および温度検出体が配置されている部分の熱絶縁性を高め難い。 In the flow sensor having such a structure, the heat generated from the heating element is more easily escaped to the first and second wirings arranged in the vicinity thereof, so the heating element and the temperature detection element are arranged. It is difficult to increase the thermal insulation of the part.
しかし、請求項2ないし請求項4のいずれか1つに記載の技術的手段を用いれば、上記の構造の流量センサにおいて、発熱体および温度検出体が配置されている部分の熱絶縁性を高めることができる。
したがって、流体流量の検出感度を高めることができる。
However, if the technical means according to any one of
Therefore, the detection sensitivity of the fluid flow rate can be increased.
請求項6に記載の発明では、請求項2ないし請求項5のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第1および第2の配線(81a,82a,84a,83a)が、前記底部の角部およびその近傍の底部の縁と交差していないという技術的手段を用いる。 In a sixth aspect of the present invention, in the flow sensor (30) according to any one of the second to fifth aspects, the first and second wirings (81a, 82a, 84a, 83a) are: The technical means of not intersecting the corner of the bottom part and the edge of the bottom part in the vicinity thereof is used.
この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第1および第2の配線が、底部の角部およびその近傍の底部の縁と交差していない構造とすることにより、底部の耐圧を高めることができた。 According to calculations from experiments conducted by the inventors of this application, the first and second wirings have a structure that does not intersect the corners of the bottom and the bottom edges in the vicinity thereof, so that The breakdown voltage could be increased.
請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の流量センサ(30)において、前記底部において相互に隣接する角部間の縁(33c,33d)の長さを100%とした場合に、前記近傍の底部の縁は、前記相互に隣接する各角部からそれぞれ10%以内の長さに存在する縁であるという技術的手段を用いる。
In the invention according to
この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、底部において相互に隣接する角部間の縁の長さを100%とした場合に、第1および第2の配線が、相互に隣接する各角部からそれぞれ10%以内の長さに存在する縁と交差していない構造とすることにより、底部の耐圧をより一層高めることができた。 According to calculations from experiments conducted by the inventors of this application, when the length of the edge between the corners adjacent to each other at the bottom is 100%, the first and second wirings are mutually By adopting a structure that does not intersect with the edge existing within 10% from each adjacent corner, the breakdown voltage at the bottom can be further increased.
請求項8に記載の発明では、請求項2ないし請求項7のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第1の配線(81a,82a,84a)が交差する前記底部の縁を第1の縁(33d)とした場合に、前記第1の配線の線幅が少なくとも前記発熱体(81)の幅よりも広く、かつ、前記第1の配線が前記第1の縁と交差する幅(Lb)と、前記第1の縁の幅(W)との比を示す第1の比(Lb/W)が0.5〜0.9であるという技術的手段を用いる。 According to an eighth aspect of the present invention, in the flow sensor (30) according to any one of the second to seventh aspects, an edge of the bottom portion where the first wirings (81a, 82a, 84a) intersect Is the first edge (33d), the line width of the first wiring is at least wider than the width of the heating element (81), and the first wiring intersects the first edge. The technical means that the first ratio (Lb / W) indicating the ratio between the width (Lb) to be measured and the width (W) of the first edge is 0.5 to 0.9 is used.
この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第1の配線の線幅を少なくとも発熱体の幅よりも広く、かつ、第1の配線が第1の縁と交差する幅と、第1の縁の幅との比を示す第1の比を0.5〜0.9とすることにより、第1の配線の抵抗値を小さくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができた。 According to the simulation performed by the inventors of this application, the first wiring has a line width that is at least larger than the width of the heating element, and the width at which the first wiring intersects the first edge; Since the resistance value of the first wiring can be reduced by setting the first ratio indicating the ratio to the width of the edge to 0.5 to 0.9, the detection sensitivity of the fluid flow rate can be increased. did it.
請求項9に記載の発明では、請求項2ないし請求項8のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第2の配線(83a)が交差する前記底部の縁を第2の縁(33c)とした場合に、前記第2の配線の線幅が前記温度検出体(83)の幅よりも広く、かつ、前記第2の配線が前記第2の縁と交差する幅(La)と、前記第2の幅(W)との比を示す第2の比(La/W)が0.5〜0.9であるという技術的手段を用いる。 According to a ninth aspect of the present invention, in the flow sensor (30) according to any one of the second to eighth aspects, an edge of the bottom portion where the second wiring (83a) intersects the second flow sensor (30). In the case of the edge (33c), the width of the second wiring is wider than the width of the temperature detector (83), and the width (La) intersects the second edge. And a second ratio (La / W) indicating a ratio of the second width (W) to 0.5 to 0.9.
この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第2の配線の線幅を温度検出体の幅よりも広く、かつ、第2の配線が第2の縁と交差する幅と、第2の縁の幅との比を示す第2の比を0.5〜0.9とすることにより、第2の配線の抵抗値を小さくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができた。 According to the simulation performed by the inventors of the present application, the second wiring has a line width wider than the width of the temperature detection body, and a width at which the second wiring intersects the second edge; By setting the second ratio, which indicates the ratio to the width of the edge, of 0.5 to 0.9, the resistance value of the second wiring can be reduced, so that the detection sensitivity of the fluid flow rate can be increased. did it.
請求項10に記載の発明では、請求項2ないし請求項7のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第1の配線(81a,82a,84a)が交差する前記底部の縁を第1の縁(33d)とし、前記第2の配線(83a)が交差する前記底部の縁を第2の縁(33c)とした場合に、前記第1の配線が前記第1の縁と交差する幅(Lb)と前記第1の縁の幅(W)との比(Lb/W)と、前記第2の配線が前記第2の縁と交差する幅(La)と前記第2の縁の幅(W)との比(La/W)が略等しいという技術的手段を用いる。なお、略等しいとは、比が完全に等しい他に比が近似する場合を含む意味である。 According to a tenth aspect of the present invention, in the flow sensor (30) according to any one of the second to seventh aspects, an edge of the bottom portion where the first wiring (81a, 82a, 84a) intersects Is the first edge (33d), and the edge of the bottom where the second wiring (83a) intersects is the second edge (33c), the first wiring is connected to the first edge. The ratio (Lb / W) of the width (Lb) that intersects the width (W) of the first edge, the width (La) that the second wiring intersects the second edge, and the second width The technical means that the ratio (La / W) to the edge width (W) is substantially equal is used. Note that “substantially equal” includes the case where the ratio is approximate, in addition to the ratio being completely equal.
この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第1の配線が第1の縁と交差する幅と第1の縁の幅との比と、第2の配線が第2の縁と交差する幅と第2の縁の幅との比を略等しくすることにより、底部に掛かる応力を、第1の配線が第1の縁と交差する部分と、第2の配線が第2の縁と交差する部分とに均等に分散することができるため、底部の耐圧を高めることができた。 According to calculations from experiments conducted by the inventors of this application, the ratio between the width of the first wiring intersecting the first edge and the width of the first edge, and the second wiring being the second By making the ratio of the width intersecting the edge and the width of the second edge substantially equal, the stress applied to the bottom portion can be reduced, and the portion where the first wiring intersects the first edge and the second wiring second Therefore, the pressure resistance at the bottom can be increased.
請求項11に記載の発明では、請求項10に記載の流量センサ(30)において、前記第1および第2の比がそれぞれ0.5〜0.9であるという技術的手段を用いる。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the flow rate sensor (30) according to the tenth aspect, technical means are used in which the first and second ratios are 0.5 to 0.9, respectively.
この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第1および第2の比をそれぞれ0.5〜0.9の範囲となるように構成することにより、底部の耐圧を高めることができた。 According to calculations from experiments conducted by the inventors of this application, the first and second ratios are each configured to be in the range of 0.5 to 0.9, thereby increasing the withstand pressure at the bottom. I was able to.
請求項12に記載の発明では、請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第1および第2の配線(81a,82a,84a,83a)は、前記基板の一面側にて前記流体の流れる方向(F1)に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向(D1,D2)へ引き出されてなるという技術的手段を用いる。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the flow sensor (30) according to any one of the first to eleventh aspects, the first and second wirings (81a, 82a, 84a, 83a) are: A technical means is used in which the substrate is drawn in a direction substantially perpendicular to the fluid flow direction (F1) and in the opposite directions (D1, D2) on the one surface side of the substrate.
この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第1および第2の配線を、基板の一面側にて流体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すことにより、発熱体の発生する熱がより一層逃げにくくなるため、流体流量の検出感度をより一層高めることができた。
また、発熱体の発生する熱がより一層逃げにくくなる結果、発熱体の発熱量が従来よりも少なくて済むため、流量センサの消費電力を低減することもできた。
According to a simulation performed by the inventors of this application, the first and second wirings are drawn out in a direction substantially perpendicular to the direction of fluid flow on one surface side of the substrate and in directions opposite to each other. As a result, the heat generated by the heating element is more difficult to escape, and the fluid flow rate detection sensitivity can be further increased.
In addition, since the heat generated by the heating element is more difficult to escape, the heat generation amount of the heating element can be smaller than that of the conventional one, and thus the power consumption of the flow sensor can be reduced.
請求項13に記載の発明では、請求項1ないし請求項12のいずれか1つに記載の流量センサ(30)において、前記第1の配線(81a,82a,84a)には、前記基板の一面側にて前記発熱体(81)以外のもの(82,84)から引き出された配線(82a,84a)が含まれているという技術的手段を用いる。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the flow rate sensor (30) according to any one of the first to twelfth aspects, the first wiring (81a, 82a, 84a) includes one surface of the substrate. On the side, the technical means that wirings (82a, 84a) drawn from other than the heating element (81) (82, 84) are included is used.
流量センサの構造として、発熱体および温度検出体からなる構造を基本構造とした場合、この基本構造に対して発熱体の温度を制御するための発熱体温度制御抵抗体を加えた構造(以下、第1の構造という)、この第1の構造にさらに温度検出体を1つ追加して各温度検出体の中点出力を取出すようにした構造(以下、第2の構造という)などがある。これら第1および第2の構造において、発熱体および温度検出体以外のものから引き出す配線が、発熱体から引き出す配線と同じ方向に引き出される場合に、発熱体および温度検出体以外のものから引き出す配線と、発熱体から引き出す配線とを合わせて第1の配線として請求項1ないし請求項12に記載の技術的手段を用いることにより、各技術的手段を用いた場合と同じ効果を奏することができる。
As a structure of the flow sensor, when a structure composed of a heating element and a temperature detection body is used as a basic structure, a structure in which a heating element temperature control resistor for controlling the temperature of the heating element is added to the basic structure (hereinafter, And a structure in which one temperature detector is further added to the first structure to extract the midpoint output of each temperature detector (hereinafter referred to as a second structure). In these first and second structures, when the wiring drawn from other than the heating element and the temperature detection body is drawn in the same direction as the wiring drawn from the heating element, the wiring drawn from other than the heating element and the temperature detection body By using the technical means according to
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in each said parenthesis shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
この発明の実施形態について図を参照して説明する。図1は流量センサの一部をメンブレンの部分で切断した場合の断面を示す斜視説明図である。図2は図1に示す流量センサのメンブレンの部分を拡大して示す断面説明図である。図3は、メンブレンの平面説明図である。図4は、発熱体および温度検出体の拡大図である。図8は、気体の流れと配線の引き出し方向との関係を示す平面説明図である。なお、図1および図2では、構造を分かりやすくするために基板および膜を実際の寸法よりも大きく描いてある。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective explanatory view showing a cross section when a part of a flow sensor is cut at a membrane portion. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional explanatory view showing a membrane portion of the flow sensor shown in FIG. FIG. 3 is an explanatory plan view of the membrane. FIG. 4 is an enlarged view of the heating element and the temperature detection body. FIG. 8 is an explanatory plan view showing the relationship between the gas flow and the wiring drawing direction. In FIGS. 1 and 2, the substrate and the film are drawn larger than the actual dimensions for easy understanding of the structure.
[流量センサの主な構成]
この実施形態では、流量センサ30は、SOI基板を用いて製造される。図2に示すように、流量センサ30は、シリコン基板40と、シリコン基板40の表面に形成されたシリコン酸化膜50と、シリコン酸化膜50の表面に形成された単結晶シリコン層から形成された配線パターン80と、配線パターン80を覆うシリコン酸化膜60と、シリコン酸化膜60の表面に形成されたシリコン窒化膜70とを備える。
[Main configuration of flow sensor]
In this embodiment, the
シリコン基板40の基板裏面には空洞部41が貫通形成されており、空洞部41の基板表面側の開口部43(図1)は、シリコン酸化膜50,60、配線パターン80およびシリコン窒化膜70からなるメンブレン33によって覆われている。つまり、空洞部41の底部42はメンブレン33により形成されている。
A
この実施形態では、シリコン基板40の厚さは500μmである。メンブレン33のうち、配線パターン80が形成されている部分の厚さは約3μmである。
In this embodiment, the thickness of the
空洞部41は、シリコン窒化膜をマスクとしてシリコン基板40の裏面を露出部分から、エッチング液を用いてシリコン酸化膜50が露出するまで異方性エッチングを行うことで形成する。
The
図3に示すように、メンブレン33には、メンブレン33の表面を流れる気体の流量を検出するためのセンシング部32が形成されている。センシング部32は、発熱体81と、この発熱体81の両側に形成された発熱体温度制御抵抗体82と、発熱体温度制御抵抗体体82の両側に形成された温度検出体83とを備える。発熱体温度制御抵抗体82は、発熱体81の熱を受けて抵抗値が変化する抵抗体であり、発熱体81の温度制御に用いられる。発熱体81から発生した熱によって発熱体81の周囲の温度が上昇し、気体が流れることにより、メンブレン33にできる温度分布が変化する。その温度分布の変化を各温度検出体83によって検出し、各温度検出体83の中点電位を取出すための中点出力部84、および配線84a、並びに配線83aを用い、各温度検出体83の中点電位を検出することにより、気体の流量を測定する。
As shown in FIG. 3, the
配線パターン80は、単結晶シリコン層からなり、薄膜状に形成されている。発熱体81、発熱体温度制御抵抗体82および温度検出体83は、それぞれ配線パターン80の一部であり、単結晶シリコン層に不純物をドーピングすることにより形成されている。メンブレン33は、長方形に形成されており、相対向する一対の端縁33a,33bと、相対向する一対の端縁33c,33dとを有する。発熱体81および発熱体温度制御抵抗体82は、メンブレン33の略中心に配置されている。
The
各温度検出体83は、それぞれ二重のコ字状に形成されており、端縁33a,33bに平行に配置されている。図中、ハッチングが施されていない領域は、配線パターン80が形成された領域(単結晶シリコン層、シリコン酸化膜50,60およびシリコン窒化膜70からなる領域)であり、ハッチングが施された領域は、配線パターン80が形成されていない領域(シリコン酸化膜50,60およびシリコン窒化膜70からなる領域)である。
Each
ここで、流量センサ30の特徴部分について説明する。発熱体81には、配線パターン81aが電気的に接続されており、配線パターン81aは、それぞれメンブレン33の一の端縁33dに引き出されている。また、温度検出体83には、配線パターン83aがそれぞれ電気的に接続されており、各配線パターン83aは、それぞれ一の端縁33dと反対側の他の端縁33cに引き出されている。なお、発熱体温度制御抵抗体82の配線パターン82aおよび中点出力部84の配線パターン84aは、メンブレン33の一の端縁33dに引き出されている。なお、端縁33dに引き出された配線パターン81a,82a,84aが、この出願の請求項1に記載の第1の配線に対応し、端縁33cに引き出された配線パターン83aが第2の配線に対応する。以下の説明では、配線パターン81a,82a,84aをそれぞれ第1の配線ともいい、配線パターン83aを第2の配線ともいう。
Here, the characteristic part of the
また、図8に示すように、第1の配線は、流量の検出対象である気体の流れる方向F1に対して略直角の方向D1に引き出されている。また、第2の配線は、方向D1とは180度反対の方向で、かつ、気体の流れる方向F1に対して略直角に引き出されている。
つまり、第1の配線および第2の配線は、メンブレン33の表面にて気体の流れる方向F1に対して略直角に、かつ、互いに反対の方向へ引き出されてなる。
Further, as shown in FIG. 8, the first wiring is drawn out in a direction D1 substantially perpendicular to the direction F1 in which the gas that is the detection target of the flow rate flows. In addition, the second wiring is drawn in a direction opposite to the direction D1 by 180 degrees and substantially perpendicular to the gas flow direction F1.
That is, the first wiring and the second wiring are drawn out on the surface of the
このように構成されてなるため、発熱体81と各配線パターン83aとの間隔を大きくすることができるため、発熱体81から発生した熱が各配線パターン83aに逃げにくい。
また、各配線パターン81aおよび各配線パターン83a間の間隔を大きくすることができるため、発熱体81から発生した熱が、各配線パターン81aを介して各配線パターン83aに逃げにくい。
したがって、発熱体81の熱絶縁性を高くすることができるため、流体流量の検出感度を高くすることができる。
Since it is configured in this manner, the distance between the
Further, since the interval between each
Therefore, since the heat insulation of the
図3および図4に示すように、配線パターン83aのうち、温度検出体83の基部から引き出されている部分であって、発熱体81の角部81bと接近している部分83bが、斜めに形成されている。さらに、図3に示すように、発熱体81と接近している各配線パターン83aの端縁83cが、メンブレン33の端縁33cの方向に凹んだ形状になっている。このように形成することにより、発熱体81と配線パターン83aとの間隔を広げることができるため、発熱体81の熱絶縁性を高めることができるので、流体流量の検出感度をより一層高めることができる。
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, a portion 83 b of the
[実験]
次に、この出願の発明者らが行った実験内容について説明する。この出願の発明者らは、発熱体81と温度検出体83との間隔と、発熱体81から温度検出体83を通って温度検出体83に最も近いメンブレン33の端縁33aとの間隔とが検出感度に与える影響について調べた。図5は、実験結果を示すグラフである。
[Experiment]
Next, the contents of the experiment conducted by the inventors of this application will be described. The inventors of this application found that the distance between the
この実験は、前述の実施形態にて説明した流量センサ30および図7に示した従来の流量センサを用いて行った。図4に示すように、発熱体81の外側端縁と温度検出体83の内側端縁との距離をLとし、発熱体81の外側端縁から温度検出体83を通り、温度検出体83に最も近いメンブレン33の端縁33aまでの距離をLmとした。そして、距離Lと距離Lmとの比(L/Lm)を変化させたときの流量検出感度を測定した。なお、流量センサの出力電圧と気体の流速との比を流量検出感度として測定した。
This experiment was performed using the
その結果、比(L/Lm)が0.19〜0.7の範囲における流量検出感度は、前述の実施形態における流量センサ30の方が従来の流量センサよりも高感度であった。また、比(L/Lm)が0.19から増大するに伴って流量検出感度が高感度になり、比(L/Lm)が略0.4になったところで流量検出感度が最も高感度になった。
As a result, the flow rate detection sensitivity in the range of the ratio (L / Lm) of 0.19 to 0.7 was higher in the
また、発熱体81、各温度検出体83およびメンブレンの端縁33a,33bは、端縁33c,33dの各中点間を結んだ線を中心にしてメンブレン33において線対称であるため、もう一方の温度検出体83(図3において発熱体81の左側に配置されている温度検出体83)と発熱体81との関係においても上記と同様の実験結果を得るものと推定した。
In addition, the
つまり、比(L/Lm)が0.19〜0.7の範囲となるように、発熱体81および各温度検出体83をメンブレン33の表面に配置することにより、流量検出感度を高くすることができ、特に、比(L/Lm)を略0.4となるように配置すると、流量検出感度を最も高くできることが分かった。
That is, the flow rate detection sensitivity is increased by arranging the
また、この出願の発明者らは、上記の実験結果において、流速とセンサ出力電圧との関係を調べた。図6は、その結果を示すグラフであり、流速とセンサ出力電圧との関係を示す。同図に示すように、前述の実施形態の流量センサ30は、気体が低流速から高流速の範囲において従来の流量センサよりもセンサ出力電圧が大きいことが分かる。つまり、同じ流速でも流量センサの出力電圧が高い方が、流量の小さな変化をも検出することができるから、前述の実施形態の流量センサ30は、従来の流量センサよりも流量検出感度を高くできることが分かった。
In addition, the inventors of this application examined the relationship between the flow velocity and the sensor output voltage in the above experimental results. FIG. 6 is a graph showing the results, showing the relationship between the flow velocity and the sensor output voltage. As shown in the figure, it can be seen that the
[シミュレーション1]
次に、この出願の発明者らは、第1および第2の配線の引き出し方向を改良することにより、流量の検出感度がどのくらい改善されるか、シミュレーションを行った。図9は、このシミュレーション1で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図であり、(a)は改良前の平面説明図、(b)は改良後の平面説明図である。図10は、このシミュレーションの結果を示す説明図である。
[Simulation 1]
Next, the inventors of this application performed a simulation to see how much the flow rate detection sensitivity is improved by improving the lead-out direction of the first and second wirings. FIG. 9 is an explanatory plan view of the membrane of the flow sensor used in this
改良前のメンブレン33上の構成は、図9(a)に示すように、発熱体81から引き出された第1の配線81aおよび温度検出体83から引き出された第2の配線83aが共にメンブレン33の端縁33dに向けて引き出された構成になっている。また、改良後のメンブレン33上の構成は、図9(b)に示すように、第1の配線81aが端縁33dに向けて引き出され、第2の配線83aは端縁33dと反対側の端縁33cに向けて引き出されている。
As shown in FIG. 9A, the structure on the
そして、発熱体81に電流を流して発熱させ、図示のように、検出対象の気体を第1および第2の配線の引き出し方向と直交するように流し、その流量を改良前後の各流量センサによって検出した。その結果、図10に示すように、改良後の流量センサは、改良前の流量センサと比較して検出感度を約8%改善できることが分かった。
Then, a current is passed through the
つまり、第1の配線81aおよび第2の配線83aを、メンブレン33上にて気体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すように改良することにより、改良前よりも検出感度を約8%高くできることが分かった。
That is, the
[シミュレーション2]
次に、この出願の発明者らは、第1および第2の配線の引き出し方向を改良することにより、発熱体の発熱量がどのくらい少なくなるか、シミュレーションを行った。図11は、このシミュレーションの結果を示す説明図である。
[Simulation 2]
Next, the inventors of this application performed a simulation to see how much the amount of heat generated by the heating element is reduced by improving the drawing direction of the first and second wirings. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the result of this simulation.
このシミュレーションでは、前述のシミュレーション1で使用した流量センサと同じものを使用した。そして、発熱体81に電流を流して発熱させ、シミュレーション1と同じように気体を一定の方向から一定時間流したときの発熱体81を一定温度に維持すべき発熱量を求めた。その結果、図11に示すように、改良前の発熱量を約30(任意単位)とすると、改良後の発熱量は約25であり、改良前よりも発熱量が少なくなった。
In this simulation, the same flow sensor as used in the above-described
つまり、第1の配線81aおよび第2の配線83aを、メンブレン33上にて気体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すように改良することにより、発熱体81の発熱量を改良前よりも少なくすることができることが分かった。
したがって、発熱体81に流す電流を改良前よりも少なくすることができるため、流量センサの消費電力を低減できることが分かった。
That is, the
Therefore, it has been found that since the current flowing through the
[シミュレーション3]
次に、この出願の発明者らは、第1および第2の配線の線幅を従来よりも太くすることにより、流量の検出感度がどのくらい改善されるか、シミュレーションを行った。図12は、このシミュレーション3で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図である。図13は、図12に示す第2の配線83aの拡大図であり、図14は、図12に示す第1の配線81aの拡大図である。図15は、このシミュレーションの結果を示すグラフである。
[Simulation 3]
Next, the inventors of this application performed a simulation to see how much the detection sensitivity of the flow rate is improved by making the line widths of the first and second wirings wider than before. FIG. 12 is an explanatory plan view of the membrane of the flow sensor used in the
このシミュレーションでは、配線の線幅を太くする前の流量センサとして、図3に示したものを使用した。図12に示すように、配線の線幅を太くしたものは、図3に示すものと比較すると、各温度検出体83から引き出された第2の配線83aの線幅、発熱体81から引き出された第1の配線81aおよび発熱体温度制御抵抗体82から引き出された配線82aがそれぞれ太くなっている。
In this simulation, the flow rate sensor shown in FIG. 3 was used as the flow rate sensor before the wiring line width was increased. As shown in FIG. 12, the line having a larger line width is drawn from the
詳しくは、図13において、温度検出体83を構成するセンシング部83dの幅L11および全長は従来と同じ寸法とし、配線部83eを構成する各第2の配線83aの線幅L5〜L10をそれぞれ太くした。また、1つの温度検出体83から引き出された各第2の配線83aがメンブレン33の端縁33cと交差する幅L12が、温度検出体83の幅L11よりも太くなるように各第2の配線83aを形成した。
Specifically, in FIG. 13, the width L11 and the total length of the sensing part 83d constituting the
また、図14において、発熱体81を構成するセンシング部81cの幅L1および全長は従来と同じ寸法とし、配線部81dを構成する各第1の配線81aが端縁33dと交差する線幅L2を太くした。また、発熱体温度制御抵抗体82を構成するセンシング部82cの幅L3および全長は従来と同じ寸法とし、配線部82dを構成する各配線82aが端縁33dと交差する各線幅L4を太くした。
In FIG. 14, the width L1 and the total length of the
また、図14において、発熱体81から引き出された第1の配線81aがメンブレン33の端縁33dと交差する幅L2が、発熱体81の幅L1よりも太くなるように各第1の配線81aを形成した。また、発熱体温度制御抵抗体82から引き出された第1の配線82aがメンブレン33の端縁33dと交差する幅L4が、発熱体温度制御抵抗体82の幅L3よりも太くなるように各第1の配線82aを形成した。なお、中点出力部84から引き出された配線84aについては、従来と同じ線幅に形成した。
Further, in FIG. 14, each of the
また、図12において、2つの温度検出体83からそれぞれ引き出された各第2の配線83aが端縁33cと交差する幅Laと、端縁33cの幅Wとの比(La/W)が、0.5〜0.9の範囲に収まるように各第2の配線83aを形成した。
また、第1の配線81a,82a,84aが端縁33dと交差する幅Lbと、その端縁33dの幅Wとの比(Lb/W)が、0.5〜0.9の範囲に収まるように各第1の配線81a,82a,84aを形成した。
In FIG. 12, the ratio (La / W) between the width La of each
Further, the ratio (Lb / W) of the width Lb at which the
そして、発熱体81に電流を流して発熱させ、シミュレーション1と同じように気体を一定の方向から一定時間流したときの流量を検出した。その結果、図15に示すように、第1および第2の配線の各線幅を従来よりも20%拡大した場合は、検出感度を3%以上改善できることが分かった。また、第1および第2の配線の各線幅を従来よりも30%拡大した場合は、検出感度を4%以上改善できることが分かった。
Then, a current was passed through the
[実験からの計算1]
次に、この出願の発明者らは、第1および第2の配線がメンブレン33の角部と交差する場合と交差しない場合とでメンブレン33の耐圧力に影響が出るか実験を行った。図16は、この実験で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図であり、図17は、この実験からの計算の結果を示す説明図である。
[Calculation from experiment 1]
Next, the inventors of this application conducted an experiment to determine whether the pressure resistance of the
この実験では、第1および第2の配線がメンブレン33の角部と交差しない構造の流量センサとして図16に示した流量センサを使用し、メンブレン33の角部と交差する構造の流量センサとして図3に示した流量センサを使用した。図16において符号Eで示す領域では、メンブレン33の端縁33dに方に引き出された第1の配線81a,82a,84aはメンブレン33の角部と交差していない。角部と最も近い第1の配線84aの最外縁と角部との間には、距離ΔLbが置かれている。
In this experiment, the flow sensor shown in FIG. 16 is used as a flow sensor having a structure in which the first and second wirings do not cross the corner of the
また、メンブレン33の端縁33dと反対側の端縁33cの方に引き出された第2の配線83aもメンブレン33の角部と交差していない。第2の配線83aの最外縁と角部との間には、距離ΔLaが置かれている。
Further, the
そして、両流量センサのメンブレン33に対して圧力を付与し、メンブレン33の耐圧力を測定した。その結果、図17に示すように、第1および第2の配線がメンブレン33の角部と交差する改良前の流量センサのメンブレン33が破損したときの耐圧力を基準とすると、第1および第2の配線がメンブレン33の角部と交差しないように構成した改良後の流量センサでは、メンブレン33の耐圧力が改良前と比較して約10%改善された。
Then, pressure was applied to the
このように、第1および第2の配線がメンブレン33の角部と交差しないように構成することによってメンブレン33の耐圧力が向上する理由は、メンブレン33に掛かる応力が、配線がメンブレン33の角部と交差しない構成の方が、交差する構成よりも小さくなるからであると推定した。
Thus, the reason why the pressure resistance of the
また、メンブレン33の端縁33dの全幅を100%とした場合、距離ΔLbは、端縁33dの端部(端縁33dを規定するメンブレン33の角部)から10%を超えるように第1の配線81a,82a,84aを形成し、かつ、距離ΔLbが、端縁33cの端部(端縁33cを規定するメンブレン33の角部)から10%を超えるように第2の配線83aを形成すれば、耐圧力を少なくとも約10%高めることができた。
Further, when the total width of the
[実験からの計算2]
次に、この出願の発明者らは、前述したシミュレーション3における比(La/W)および(Lb/W)が、メンブレン33の耐圧力に与える影響について実験から計算を行った。図18は、この計算の結果を示すグラフである。
[
Next, the inventors of this application calculated from experiments the effects of the ratios (La / W) and (Lb / W) in the
この計算は、図12に示したメンブレン構造を有する流量センサを使用し、比(La/W)および(Lb/W)が、略同じとなるようにして行った。また、図18に示すように、比(La/W)および(Lb/W)が0.15の場合を従来の流量センサにおける比とし、そのときのメンブレン33の耐圧力を1とした。そして、比(La/W)および(Lb/W)を0.6にすると、メンブレン33の耐圧力が従来の2倍の2に向上した。つまり、比(La/W)および(Lb/W)を従来よりも大きくするとメンブレン33の耐圧力が向上した。
This calculation was performed using a flow rate sensor having the membrane structure shown in FIG. 12 so that the ratios (La / W) and (Lb / W) were substantially the same. Further, as shown in FIG. 18, the ratio (La / W) and (Lb / W) is 0.15, which is the ratio in the conventional flow sensor, and the pressure resistance of the
また、比(La/W)および(Lb/W)を略同一とすることにより、メンブレン33の耐圧力がより一層向上した。これは、比が略同一である場合は、メンブレン33に掛かる応力がメンブレン33の各縁に均等に掛かるが、比が異なると、応力が一方の縁に偏ってしまい、耐圧力が低下するからであると推定した。
Moreover, the pressure resistance of the
また、比(La/W)および(Lb/W)が0.9を超えると、第1および第2の配線の最外縁がメンブレン33の角部に近付き、メンブレン33の耐圧力の向上が小さくなるため、比は0.9以下であることが望ましい。また、比が0.5よりも小さくなると、メンブレン33の縁と交差する配線領域が減少し、メンブレン33の剛性が低下するため、比は0.5以上であることが望ましい。つまり、比(La/W)および(Lb/W)は、それぞれ0.5〜0.9の範囲内で略同一に設定することが望ましい。
When the ratios (La / W) and (Lb / W) exceed 0.9, the outermost edges of the first and second wirings approach the corners of the
〈他の実施形態〉
前述の実施形態では、メンブレン32上に発熱体81、発熱体温度制御抵抗体82、温度検出体83、中点出力部84および配線81a〜84aを配置した構成の流量センサについて説明したが、発熱体温度制御抵抗体82および配線82aを備えていない流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。また、温度検出体83を一方のみ備える流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。さらに、温度検出体83を一方のみ備え、発熱体温度制御抵抗体82および配線82aを備えていない流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。さらに、中点出力部84の配線84aを温度検出体83の配線83aと同じ方向に引き出した構成の流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。この場合、配線83a,84aを第2の配線として扱えば良い。
<Other embodiments>
In the above-described embodiment, the flow sensor having a configuration in which the
30・・流量センサ、32・・センシング部、33・・メンブレン、
40・・シリコン基板、41・・空洞部、42・・底部、43・・開口部、
33a〜33d・・端縁(底部の縁)、80・・配線パターン、81・・発熱体、
82・・発熱体温度制御抵抗体、83・・温度検出体、84・・中点出力部、
81a〜84a・・配線。
30 ... Flow sensor, 32 ... Sensing part, 33 ... Membrane,
40 .. Silicon substrate, 41 .. Cavity, 42 .. Bottom, 43 .. Opening,
33a to 33d .. edge (bottom edge), 80 .. wiring pattern, 81 .. heating element,
82 ... Heating element temperature control resistor, 83 ... Temperature detector, 84 ... Mid point output section,
81a-84a ... wiring.
Claims (13)
前記基板の一面側に配置された発熱体および温度検出体と、
前記基板の一面側にて少なくとも前記発熱体から引き出された第1の配線と、
前記基板の一面側にて少なくとも前記温度検出体から引き出された第2の配線と、
を備え、前記流体の流れによる前記発熱体からの熱の分布の変化に基づいて、前記温度検出体により前記流体の流量を検出するようにした流量センサにおいて、
前記第1および第2の配線は、前記基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出されてなることを特徴とする流量センサ。 A substrate disposed in the fluid flow;
A heating element and a temperature detector disposed on one side of the substrate;
A first wiring drawn from at least the heating element on one surface side of the substrate;
A second wiring led out from at least the temperature detector on one surface side of the substrate;
A flow rate sensor that detects the flow rate of the fluid by the temperature detector based on a change in the distribution of heat from the heating element due to the flow of the fluid,
The flow sensor according to claim 1, wherein the first and second wirings are drawn in opposite directions on one surface side of the substrate.
前記温度検出体は、前記発熱体と間隔を置いて前記発熱体の両側に配置されており、
前記発熱体および前記各温度検出体は、前記凹部の底部の前記基板の一面側に配置されてなることを特徴とする請求項1に記載の流量センサ。 A recess is formed on the other surface side of the substrate,
The temperature detection body is disposed on both sides of the heating element at a distance from the heating element,
2. The flow sensor according to claim 1, wherein the heating element and each temperature detection body are arranged on one surface side of the substrate at the bottom of the recess.
シリコン基板を支持基板、絶縁膜を埋め込み層、半導体層をSOI層としたSOI基板からなり、
前記凹部は、
前記シリコン基板に形成された空洞部を前記基板の一の面側にて前記絶縁膜で覆うことにより形成されてなり、
前記発熱体、温度検出体、第1の配線および第2の配線は、それぞれ前記半導体層から形成されてなることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1つに記載の流量センサ。 The substrate is
It consists of an SOI substrate with a silicon substrate as a support substrate, an insulating film as a buried layer, and a semiconductor layer as an SOI layer,
The recess is
It is formed by covering the cavity formed in the silicon substrate with the insulating film on one surface side of the substrate,
5. The flow sensor according to claim 2, wherein the heating element, the temperature detector, the first wiring, and the second wiring are each formed of the semiconductor layer. .
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