JP2011209009A - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係るいくつかの態様は、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）より低い基板と基板の一方の面上に設けられる抵抗体とを備えるセンサに関する。 Some embodiments according to the present invention relate to a sensor including a substrate having a thermal conductivity lower than that of silicon (Si) and a resistor provided on one surface of the substrate.
従来、この種のセンサとして、ガラス基板と、ニッケル（Ｎｉ）金属の薄膜とを備える流量センサにおいて、ガラス基板とニッケル薄膜との間に中間層を形成することにより、ガラス基板とニッケル薄膜との接合強度を高めるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, as a sensor of this type, in a flow sensor comprising a glass substrate and a nickel (Ni) metal thin film, an intermediate layer is formed between the glass substrate and the nickel thin film, thereby There is known one that increases the bonding strength (see, for example, Patent Document 1).
一方、ガラス基板上に抵抗体を設ける場合、ガラスは熱伝導率が低いので、抵抗体からの熱が放熱されにくくなり、伝熱によりガラス基板上の他の電子部品、例えば抵抗素子の温度が上昇するとともに、ガラス基板の温度も上昇してしまうという問題もあった。この場合、温度上昇に伴って抵抗値が変動してしまい、抵抗体の精度が低下するなどの影響を及ぼすおそれがあった。 On the other hand, when a resistor is provided on a glass substrate, since the heat conductivity of glass is low, the heat from the resistor is hardly dissipated, and the temperature of other electronic components on the glass substrate, for example, the resistance element is reduced by heat transfer. As the temperature rises, the temperature of the glass substrate also rises. In this case, the resistance value fluctuates as the temperature rises, and there is a risk that the accuracy of the resistor is lowered.
本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、抵抗体が発する熱から基板上の他の電子部品を絶縁することのできるセンサを提供することを目的の１つとする。 Some aspects of the present invention have been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a sensor capable of insulating other electronic components on a substrate from heat generated by a resistor. .
本発明に係るセンサは、熱伝導率がシリコンより低い基板と、前述の基板の一方の面上に設けられる抵抗体と、前述の抵抗体を囲むように前述の基板に設けられ、熱伝導率が前述の基板より高い熱伝導部材と、を備える。 The sensor according to the present invention includes a substrate having a thermal conductivity lower than that of silicon, a resistor provided on one surface of the substrate, and the substrate provided so as to surround the resistor. Includes a heat conduction member higher than the above-described substrate.
かかる構成によれば、熱伝導率が基板より高い熱伝導部材は、平面視において抵抗体を囲むように基板に設けられる。これにより、通電により抵抗体が熱を発したときに、抵抗体を囲むように設けられた熱伝導部材が放熱する。これにより、熱伝導率がシリコンより低い基板を備えるセンサであっても、抵抗体が発する熱から基板上の他の電子部品を絶縁することができるとともに、基板の温度上昇を抑制することができ、所定の物理量を精度良く検出することが可能となる。また、抵抗体が発する熱はあらゆる方向（全方向）に伝導するので、熱伝導部材が平面視において抵抗体を囲むように基板に設けられることにより、基板に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを防止することができる。これにより、熱ムラ（熱の偏り）による応答速度の低下など、センサの性能低下を防止することができる。 According to such a configuration, the heat conductive member having a higher thermal conductivity than the substrate is provided on the substrate so as to surround the resistor in plan view. Thus, when the resistor generates heat by energization, the heat conducting member provided so as to surround the resistor dissipates heat. As a result, even a sensor having a substrate having a thermal conductivity lower than that of silicon can insulate other electronic components on the substrate from the heat generated by the resistor, and can suppress an increase in the temperature of the substrate. It becomes possible to detect a predetermined physical quantity with high accuracy. In addition, since the heat generated by the resistor is conducted in all directions (all directions), the substrate is provided with the heat conducting member so as to surround the resistor in plan view, thereby causing thermal unevenness (heat bias) in the substrate. Can be prevented. As a result, it is possible to prevent a decrease in sensor performance, such as a decrease in response speed due to thermal unevenness (heat bias).
好ましくは、前述の抵抗体は、前述の基板の一方の面上に形成されるダイアフラム内に配置され、前述の熱伝導部材は、ダイアフラム全体を囲むように設けられる。 Preferably, the resistor is disposed in a diaphragm formed on one surface of the substrate, and the heat conducting member is provided so as to surround the entire diaphragm.
かかる構成によれば、熱伝導部材が平面視においてダイアフラム全体を囲むように設けられる。これにより、ダイアフラムの外側を熱的に絶縁することができるとともに、ダイアフラムの内側に抵抗体が発した熱の分布が形成される。これにより、ダイアフラムの内側に形成される熱の分布により流体の流速（流量）を検出するフローセンサに好適に用いることができる。 According to this configuration, the heat conducting member is provided so as to surround the entire diaphragm in plan view. Accordingly, the outside of the diaphragm can be thermally insulated, and the distribution of heat generated by the resistor is formed inside the diaphragm. Thereby, it can use suitably for the flow sensor which detects the flow velocity (flow rate) of a fluid by the distribution of the heat | fever formed inside a diaphragm.
好ましくは、複数の前述の熱伝導部材が、前述のダイアフラムに関して対称になるように配置される。 Preferably, the plurality of heat conducting members are arranged so as to be symmetric with respect to the diaphragm.
かかる構成によれば、複数の熱伝導部材が、ダイアフラムに関して対称になるように配置される。これにより、ダイアフラムの内側で抵抗体が発する熱をあらゆる方向（全方向）で同様に放熱することができるので、基板に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを確実に防止することができる。 According to this configuration, the plurality of heat conducting members are arranged so as to be symmetric with respect to the diaphragm. Thereby, since the heat generated by the resistor inside the diaphragm can be dissipated in all directions (all directions) in the same manner, it is possible to reliably prevent the occurrence of heat unevenness (heat bias) on the substrate.
好ましくは、前述の熱伝導部材は、前述の基板の一方の面から他方の面まで貫通する。 Preferably, the aforementioned heat conducting member penetrates from one surface of the aforementioned substrate to the other surface.
かかる構成によれば、熱伝導部材が基板の一方の面から他方の面まで貫通する。これにより、熱伝導部材は、抵抗体が基板の一方の面上で発した熱を他方の面へ熱伝導させる経路（パス）となる。これにより、基板の外部に効率良く放熱することができ、基板の温度上昇を更に抑制することができる。 According to this configuration, the heat conducting member penetrates from one surface of the substrate to the other surface. Thereby, a heat conductive member becomes a path | route (path | path) which carries out the heat conduction of the heat which the resistor emitted on one surface of the board | substrate to the other surface. Thereby, heat can be efficiently radiated to the outside of the substrate, and the temperature rise of the substrate can be further suppressed.
好ましくは、前述の抵抗体を含み、所定の物理量を検出するためのセンサ回路部と、前述の基板の他方の面上に設けられる電極とを更に備え、前述の熱伝導部材は、前述のセンサ回路部と前述の電極とを電気的に接続する。 Preferably, the sensor further includes a sensor circuit unit that includes the resistor and detects a predetermined physical quantity, and an electrode provided on the other surface of the substrate, and the heat conducting member includes the sensor. The circuit portion and the aforementioned electrode are electrically connected.
かかる構成によれば、熱伝導率が基板より高い熱伝導部材は、センサ回路部と電極とを電気的に接続する。これにより、熱伝導部材が、抵抗体が発する熱を放熱する機能（役割）と、センサ回路部と電極とを電気的に接続する機能（役割）とを兼用することができる。これにより、放熱のための新たな部材や製造工程が不要となり、コストを低減することができる。 According to this configuration, the heat conductive member having a higher thermal conductivity than the substrate electrically connects the sensor circuit unit and the electrode. Thereby, a heat conductive member can combine the function (role) which thermally radiates the heat which a resistor emits, and the function (role) which electrically connects a sensor circuit part and an electrode. This eliminates the need for a new member or manufacturing process for heat dissipation, thereby reducing the cost.
好ましくは、前述の基板の材料は、ガラスである。 Preferably, the substrate material is glass.
かかる構成によれば、基板の材料がガラスである。ここで、ガラス製の基板は、従来のシリコン製の基板と比較して、熱伝導率は低いが、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、熱伝導部材を設けるための加工、例えば、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができる。これにより、基板の温度上昇を抑制することができるセンサを容易に実現することができる。 According to such a configuration, the material of the substrate is glass. Here, the glass substrate has a low thermal conductivity compared to a conventional silicon substrate, but it can be easily formed because it can be finely processed using a drill in addition to etching. High degree of freedom in shape design. Therefore, the process for providing a heat conductive member, for example, the through-hole penetrated from one surface to the other surface can be easily formed. Thereby, the sensor which can suppress the temperature rise of a board | substrate can be implement | achieved easily.
好ましくは、前述の基板の材料は、セラミックスである。 Preferably, the material of the substrate is ceramic.
かかる構成によれば、基板の材料がセラミックスである。ここで、セラミックス製の基板は、ガラス製の基板と同様に、従来のシリコン製の基板と比較して、熱伝導率は低いが、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、熱伝導部材を設けるための加工、例えば、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができる。これにより、基板の温度上昇を抑制することができるセンサを容易に実現することができる。 According to such a configuration, the material of the substrate is ceramic. Here, the ceramic substrate, like the glass substrate, has a lower thermal conductivity than the conventional silicon substrate, but it can be finely processed using a drill in addition to etching. Therefore, molding is easy and the degree of freedom in shape design is high. Therefore, the process for providing a heat conductive member, for example, the through-hole penetrated from one surface to the other surface can be easily formed. Thereby, the sensor which can suppress the temperature rise of a board | substrate can be implement | achieved easily.
好ましくは、前述の基板は、腐食性物質に対して耐食性を有する。 Preferably, the aforementioned substrate is resistant to corrosive substances.
かかる構成によれば、基板が腐食性物質に対して耐食性を有する。これにより、腐食性物質が存在する環境（状況）で使用することができ、腐食性物質の流体、例えばＣｌ2、ＢＣｌ3などを含有する気体（ガス）の流速（流量）を検出するフローセンサに好適に用いることができる。 According to this configuration, the substrate has corrosion resistance against the corrosive substance. Accordingly, the flow sensor can be used in an environment (situation) where a corrosive substance exists, and detects a flow rate (flow rate) of a gas (gas) containing a corrosive substance fluid such as Cl 2 or BCl 3. Can be suitably used.
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。 Embodiments of the present invention will be described below. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in light of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings. In the following description, the upper side of the drawing is referred to as “upper”, the lower side as “lower”, the left side as “left”, and the right side as “right”.
図１乃至図６は、本発明に係るセンサの一例を示すためのものである。図１は、本発明に係るセンサの例によるフローセンサを説明する斜視図であり、図２は、図１に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面図である。図１及び図２に示すように、フローセンサ１０は、一方の面（図１及び図２において上面）にキャビティ（凹部）２５を有する基板２０と、基板２０の上面の上に設けられたセンサ薄膜３０と、を備える。 1 to 6 show an example of a sensor according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view illustrating a flow sensor according to an example of a sensor according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view in the direction of arrow VII-VII shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the flow sensor 10 includes a substrate 20 having a cavity (concave portion) 25 on one surface (upper surface in FIGS. 1 and 2), and a sensor provided on the upper surface of the substrate 20. A thin film 30.
センサ薄膜３０は、下部絶縁層３０ａと、上部絶縁層３０ｂとを含んで構成される。下部絶縁層３０ａは、基板２０から電気的に絶縁するためのものであり、基板２０の上面に全面にわたって形成される。また、センサ薄膜３０は、下部絶縁層３０ａの上に、ヒータ（抵抗素子）３１と、ヒータ３１を挟んでヒータ３１の両側に設けられた一組の抵抗素子３２，３３と、基板２０の一辺側に設けられた周囲温度センサ（抵抗素子）３４と、を有する。ヒータ３１、抵抗素子３２，３３、及び周囲温度センサ３４は、流体の速度（流速）又は流量を検出するための、後述するセンサ回路部３９を構成し、各抵抗素子３１，３２，３３，３４、及びこれらを電気的に接続する配線（図示省略）などは、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等の方法により、金属や酸化物を付着させて形成（パターニング）される。上部絶縁層３０ｂは、センサ回路部３９を被覆し保護するためのものであり、下部絶縁層３０ａ及び各抵抗素子３１，３２，３３，３４の上に形成される。下部絶縁膜３０ａ及び上部絶縁膜３０ｂの材料としては、例示的に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などが使用可能である。 The sensor thin film 30 includes a lower insulating layer 30a and an upper insulating layer 30b. The lower insulating layer 30 a is for electrical insulation from the substrate 20, and is formed on the entire upper surface of the substrate 20. The sensor thin film 30 includes a heater (resistive element) 31, a pair of resistive elements 32 and 33 provided on both sides of the heater 31, and one side of the substrate 20 on the lower insulating layer 30 a. And an ambient temperature sensor (resistive element) 34 provided on the side. The heater 31, the resistance elements 32 and 33, and the ambient temperature sensor 34 constitute a sensor circuit unit 39 that will be described later for detecting the speed (flow velocity) or flow rate of the fluid, and each of the resistance elements 31, 32, 33, and 34. , And wirings (not shown) for electrically connecting them are formed (patterned) by attaching a metal or an oxide by a method such as sputtering, CVD, or vacuum deposition. The upper insulating layer 30b is for covering and protecting the sensor circuit portion 39, and is formed on the lower insulating layer 30a and the resistance elements 31, 32, 33, and 34. As a material of the lower insulating film 30a and the upper insulating film 30b, for example, silicon nitride (SiN), silicon oxide (SiO 2 ), or the like can be used.
このような構成を備えるフローセンサ１０は、例えば図１及び図２中にブロック矢印で示すように、測定対象である流体、例えばガスの流れる方向に沿って、抵抗素子３２，３１及び３３が順に並ぶように配置される。この場合、抵抗素子３２は、ヒータ３１よりも上流側（図１及び図２において左側）に設けられた上流側測温抵抗素子として機能し、抵抗素子３３は、ヒータ３１よりも下流側（図１及び図２において右側）に設けられた下流側測温抵抗素子として機能する。 In the flow sensor 10 having such a configuration, for example, as indicated by block arrows in FIGS. 1 and 2, the resistance elements 32, 31, and 33 are sequentially arranged along the flow direction of a fluid to be measured, for example, a gas. Arranged side by side. In this case, the resistance element 32 functions as an upstream temperature measurement resistance element provided upstream of the heater 31 (left side in FIGS. 1 and 2), and the resistance element 33 is downstream of the heater 31 (see FIG. 1 and on the right side in FIG.
センサ薄膜３０におけるキャビティ２５を覆う部分は、熱容量が小さく、基板２０に対して断熱性を有するダイアフラムを成す。周囲温度センサ３４は、フローセンサ１０が設置された管路（図示省略）を流通するガスの温度を測定する。ヒータ３１は、例示的に、キャビティ２５を覆うセンサ薄膜３０の中心に配置されており、周囲温度センサ３４が計測したガスの温度よりも一定温度高くなるように、加熱される。上流側測温抵抗素子３２は、ヒータ３１よりも上流側の温度を検出するのに用いられ、下流側測温抵抗素子３３は、ヒータ３１よりも下流側の温度を検出するのに用いられる。 A portion of the sensor thin film 30 that covers the cavity 25 has a small heat capacity and forms a diaphragm having a heat insulating property with respect to the substrate 20. The ambient temperature sensor 34 measures the temperature of gas flowing through a pipe line (not shown) where the flow sensor 10 is installed. The heater 31 is exemplarily disposed at the center of the sensor thin film 30 covering the cavity 25 and is heated so as to be higher than the gas temperature measured by the ambient temperature sensor 34. The upstream resistance temperature element 32 is used to detect a temperature upstream of the heater 31, and the downstream temperature resistance element 33 is used to detect a temperature downstream of the heater 31.
ここで、管路内のガスが静止している場合、ヒータ２１で加えられた熱は、上流方向及び下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、管路内のガスが上流から下流に流れている場合、ヒータ３１で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、上流側測温抵抗素子３２の温度よりも、下流側測温抵抗素子３３の温度が高くなる。 Here, when the gas in the pipe line is stationary, the heat applied by the heater 21 is diffused symmetrically in the upstream direction and the downstream direction. Accordingly, the temperatures of the upstream resistance temperature element 32 and the downstream resistance temperature element 33 are equal, and the electrical resistances of the upstream resistance temperature element 32 and the downstream resistance temperature element 33 are equal. On the other hand, when the gas in the pipeline flows from upstream to downstream, the heat applied by the heater 31 is carried in the downstream direction. Therefore, the temperature of the downstream temperature measuring resistance element 33 is higher than the temperature of the upstream temperature measuring resistance element 32.
このような温度差は、上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗との間に差を生じさせる。下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差は、管路内のガスの速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差を基に、管路を流れる流体の速度（流速）や流量を算出することができる。抵抗素子３１、３２及び３３の電気抵抗の情報は、後述する電極パッド２１及び接続部材２２を通じて電気信号として取り出すことができる。 Such a temperature difference causes a difference between the electrical resistance of the upstream temperature measuring resistance element 32 and the electrical resistance of the downstream temperature measuring resistance element 33. The difference between the electrical resistance of the downstream resistance temperature element 33 and the electrical resistance of the upstream resistance temperature element 32 has a correlation with the gas velocity and flow rate in the pipe. Therefore, based on the difference between the electrical resistance of the downstream resistance temperature sensor 33 and the electrical resistance of the upstream resistance temperature sensor 32, the speed (flow velocity) and flow rate of the fluid flowing through the pipeline can be calculated. Information on the electrical resistance of the resistance elements 31, 32, and 33 can be extracted as an electrical signal through the electrode pad 21 and the connection member 22 described later.
図１及び図２に示すセンサ薄膜３０の厚さは、例えば１μｍであり、センサ薄膜３０の縦横の寸法は、例えば基板２０と同一（１．７ｍｍ程度）である。各抵抗素子３１，３２，３３，３４のそれぞれの材料には、白金（Ｐｔ）などが使用可能である。また、各抵抗素子３１，３２，３３，３４の形成には、リソグラフィ法などが適用可能である。 The thickness of the sensor thin film 30 shown in FIGS. 1 and 2 is, for example, 1 μm, and the vertical and horizontal dimensions of the sensor thin film 30 are, for example, the same as the substrate 20 (about 1.7 mm). Platinum (Pt) or the like can be used as the material of each resistance element 31, 32, 33, 34. Further, a lithography method or the like can be applied to the formation of each of the resistance elements 31, 32, 33, and 34.
図１及び図２に示す基台２０の厚さは、例えば５２５μｍであり、基台２０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．７ｍｍ程度である。但し、基台２０の寸法及び形状は、これらに限られない。キャビティ２５は、異方性エッチングなどのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成することができる。図２には、一例として断面形状が舟形凹状のキャビティ２５が形成された様子を例示している。 The thickness of the base 20 shown in FIGS. 1 and 2 is, for example, 525 μm, and the vertical and horizontal dimensions of the base 20 are, for example, about 1.7 mm. However, the size and shape of the base 20 are not limited to these. The cavity 25 can be formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology such as anisotropic etching. FIG. 2 illustrates a state in which a cavity 25 having a boat-shaped concave shape is formed as an example.
図２に示すように、基板２０は、下面（裏面）に設けられた電極パッド２１と、熱伝導部材２２と、を有する。電極パッド２１は、外部の回路などに電気的に接続するためのものである。電極パッド２１の材料には、銅（Ｃｕ）、銅合金、タングステン（Ｗ）、タングステン合金などが使用可能である。 As shown in FIG. 2, the substrate 20 includes an electrode pad 21 provided on the lower surface (back surface) and a heat conducting member 22. The electrode pad 21 is for electrical connection to an external circuit or the like. As the material of the electrode pad 21, copper (Cu), copper alloy, tungsten (W), tungsten alloy, or the like can be used.
図３は、従来のフローセンサを説明する斜視図であり、図４は、図３に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。図３及び図４に示すように、従来のフローセンサ１００は、図１及び図２に示した本発明の例によるフローセンサ１０と同様に、基板１２０と、基板１２０の上面の上に設けられたセンサ薄膜１３０と、を備える。また、センサ薄膜１３０は、図１及び図２に示したセンサ薄膜３０と同様に、ヒータ（抵抗素子）１３１と、ヒータ１３１を挟んでヒータ１３１の両側に設けられた一組の抵抗素子１３２，１３３と、基板１２０の一辺側に設けられた周囲温度センサ（抵抗素子）１３４と、を有する。さらに、図３に示すように、センサ薄膜１３０は、センサ薄膜１３０の対角関係にある角部近傍に設けられた電極パッド１３５を有する。ヒータ１３１、抵抗素子１３２，１３３、周囲温度センサ１３４、及び電極パッドは、流体の速度（流速）又は流量を検出するための、後述のセンサ回路部１３９を構成する。 FIG. 3 is a perspective view for explaining a conventional flow sensor, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, the conventional flow sensor 100 is provided on the substrate 120 and the upper surface of the substrate 120, similarly to the flow sensor 10 according to the example of the present invention shown in FIGS. 1 and 2. A sensor thin film 130. 1 and 2, the sensor thin film 130 includes a heater (resistance element) 131 and a pair of resistance elements 132 provided on both sides of the heater 131 with the heater 131 interposed therebetween. 133, and an ambient temperature sensor (resistive element) 134 provided on one side of the substrate 120. Further, as shown in FIG. 3, the sensor thin film 130 includes electrode pads 135 provided in the vicinity of the corners having a diagonal relationship with the sensor thin film 130. The heater 131, the resistance elements 132 and 133, the ambient temperature sensor 134, and the electrode pad constitute a sensor circuit unit 139 described later for detecting the fluid velocity (flow velocity) or flow rate.
図５は、図３及び図４に示した従来のフローセンサにおけるセンサ回路部を説明する上面図である。基板１２０がシリコン（Ｓｉ）より熱伝導率が低い材料である場合、ヒータ１３１が発した熱は基板１２０によって放熱されないので、センサ薄膜１３０の中を伝導し、図５に示すように、センサ回路部１３９における他の電子部品、例えば周囲温度センサ１３４に、図４中にブロック矢印で示すように伝熱してしまう。その結果、周囲温度センサ１３４は、測定対象の流体の温度よりも温度が上昇してしまい、流体の温度を正確に測定できなくなる。 FIG. 5 is a top view for explaining a sensor circuit portion in the conventional flow sensor shown in FIGS. 3 and 4. When the substrate 120 is made of a material having a lower thermal conductivity than silicon (Si), the heat generated by the heater 131 is not dissipated by the substrate 120, so that it is conducted through the sensor thin film 130, and as shown in FIG. Heat is transmitted to other electronic components in the section 139, for example, the ambient temperature sensor 134 as indicated by a block arrow in FIG. As a result, the ambient temperature sensor 134 has a temperature higher than the temperature of the fluid to be measured, and cannot accurately measure the temperature of the fluid.
図６は、図１及び図２に示した本発明の例によるフローセンサにおけるセンサ回路部を説明する上面図である。一方、本発明のフローセンサ１０では、図１及び図２に示す基板２０は、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）より低い材料、例えば、ガラスやセラミックスから構成される。また、図２に示す熱伝導部材２２は、熱伝導率が基板２０より高い材料、例えば、シリコン（Ｓｉ）やタングステン（Ｗ）から構成される。さらに、図６に示すように、熱伝導部材２２は、平面視において、ダイアフラム、特にヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられる。これにより、通電によりヒータ（抵抗素子）３１が熱を発したときに、平面視においてヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられた熱伝導部材２２が放熱する。また、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱はあらゆる方向（全方向）に伝導するので、熱伝導部材２２が平面視においてヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられることにより、基板２０に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを防止することができる。 FIG. 6 is a top view illustrating a sensor circuit unit in the flow sensor according to the example of the present invention illustrated in FIGS. 1 and 2. On the other hand, in the flow sensor 10 of the present invention, the substrate 20 shown in FIGS. 1 and 2 is made of a material having a thermal conductivity lower than that of silicon (Si), for example, glass or ceramics. 2 is made of a material having a higher thermal conductivity than that of the substrate 20, for example, silicon (Si) or tungsten (W). Furthermore, as shown in FIG. 6, the heat conducting member 22 is provided on the substrate 20 so as to surround the diaphragm, particularly the heater (resistive element) 31 in a plan view. Thereby, when the heater (resistive element) 31 generates heat by energization, the heat conducting member 22 provided on the substrate 20 so as to surround the heater (resistive element) 31 in a plan view radiates heat. In addition, since the heat generated by the heater (resistive element) 31 is conducted in all directions (all directions), the heat conducting member 22 is provided on the substrate 20 so as to surround the heater (resistive element) 31 in plan view. It is possible to prevent thermal unevenness (heat bias) from occurring in 20.
また、図６に示すように、熱伝導部材２２は、平面視においてダイアフラム全体を囲むように設けられるのが好ましい。これにより、ダイアフラムの外側を熱的に絶縁することができるとともに、ダイアフラムの内側にヒータ（抵抗素子）３１が発した熱の分布が形成される。 Further, as shown in FIG. 6, the heat conducting member 22 is preferably provided so as to surround the entire diaphragm in a plan view. Accordingly, the outside of the diaphragm can be thermally insulated, and a distribution of heat generated by the heater (resistive element) 31 is formed inside the diaphragm.
さらに、図６に示すように、複数の熱伝導部材２２は、ダイアフラムに関して、対称になるように配置されるのが好ましい。これにより、ダイアフラムの内側でヒータ（抵抗素子）３１が発する熱をあらゆる方向（全方向）で同様に放熱することができるので、基板２０に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを確実に防止することができる。 Further, as shown in FIG. 6, the plurality of heat conducting members 22 are preferably arranged so as to be symmetric with respect to the diaphragm. As a result, the heat generated by the heater (resistive element) 31 inside the diaphragm can be dissipated in all directions (all directions) in the same manner, so that it is possible to reliably prevent thermal unevenness (heat bias) from occurring on the substrate 20. can do.
なお、「対称になるように」とは、幾何学的に厳密な意味での対称形に配置する場合に限定されず、熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを防止する程度に対称であれば良く、擬似的な対称形に配置する場合も含む意味である。 Note that “so as to be symmetrical” is not limited to a geometrically strict symmetrical arrangement, and may be symmetrical enough to prevent thermal unevenness (thermal deviation). It is sufficient to include the case of arranging them in a pseudo-symmetrical form.
図６に示すように、各熱伝導部材２２は、センサ回路部３９に含まれる各抵抗素子３１，３２，３３，３４と電気的に接続される。また、図２に示すように、熱伝導部材２２は、各抵抗素子３１，３２，３３，３４を含むセンサ回路部３９と電極パッド２１とを電気的に接続する。これにより、熱伝導部材２２は、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱を放熱する機能（役割）と、センサ回路部３９と電極パッド２１とを電気的に接続する機能（役割）とを兼用することができる。 As shown in FIG. 6, each heat conducting member 22 is electrically connected to each resistance element 31, 32, 33, 34 included in the sensor circuit unit 39. In addition, as shown in FIG. 2, the heat conducting member 22 electrically connects the sensor circuit unit 39 including the resistance elements 31, 32, 33, and 34 and the electrode pad 21. Accordingly, the heat conducting member 22 has both a function (role) for radiating heat generated by the heater (resistive element) 31 and a function (role) for electrically connecting the sensor circuit unit 39 and the electrode pad 21. be able to.
なお、各熱伝導部材２２は、平面視における面積が、電気的に接続する機能（役割）として必要とされる面積よりも大きいことが好ましい。これにより、熱伝導部材２２は、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱を放熱する機能（役割）を高めることができる。 In addition, it is preferable that each heat conductive member 22 has a larger area in plan view than an area required as a function (role) for electrical connection. Thereby, the heat conductive member 22 can enhance the function (role) of radiating the heat generated by the heater (resistive element) 31.
また、図２に示すように、熱伝導部材２２は、基板２０の一方の面（図２において上面）から他方の面（図２において下面）まで貫通する。これにより、熱伝導部材２２は、ヒータ（抵抗素子）３１が基板２０の上面上で発した熱を下面へ熱伝導させる経路（パス）となる。 As shown in FIG. 2, the heat conducting member 22 penetrates from one surface (upper surface in FIG. 2) to the other surface (lower surface in FIG. 2). Accordingly, the heat conducting member 22 becomes a path (path) for conducting heat generated by the heater (resistive element) 31 on the upper surface of the substrate 20 to the lower surface.
図１及び図２に示す基板２０の材料としては、例えばガラス又はセラミックスが好ましい。ここで、ガラス製の基板２０は、従来のシリコン製の基板と比較して、熱伝導率は低いが、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、熱伝導部材２２を設けるための加工、例えば、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができる。なお、セラミックス製の基板２０の場合も、ガラス製の基板２０同様の性質を有する。 As a material of the substrate 20 shown in FIGS. 1 and 2, for example, glass or ceramics is preferable. Here, the glass substrate 20 has a lower thermal conductivity than a conventional silicon substrate, but can be easily formed because it can be finely processed using a drill in addition to etching. High degree of freedom in shape design. Therefore, the process for providing the heat conductive member 22, for example, the through-hole penetrating from one surface to the other surface can be easily formed. The ceramic substrate 20 has the same properties as the glass substrate 20.
また、基板２０の材料としては、腐食性物質に対して耐食性を有するものが更に好ましい。これにより、腐食性物質が存在する環境（状況）で使用することができ、腐食性物質の流体、例えばＣｌ2、ＢＣｌ3などを含有する気体（ガス）の流速（流量）を検出するフローセンサ１０に好適に用いることができる。 Further, the material of the substrate 20 is more preferably one having corrosion resistance against corrosive substances. Accordingly, the flow sensor can be used in an environment (situation) where a corrosive substance exists, and detects a flow rate (flow rate) of a gas (gas) containing a corrosive substance fluid such as Cl 2 or BCl 3. 10 can be suitably used.
なお、本実施形態では、本発明に係るセンサの一例としてフローセンサ１０を示したが、これに限定されず、温度センサ、圧力センサなど他の種類のセンサであってもよい。 In the present embodiment, the flow sensor 10 is shown as an example of the sensor according to the present invention. However, the present invention is not limited to this, and other types of sensors such as a temperature sensor and a pressure sensor may be used.
このように、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、熱伝導率が基板２０より高い熱伝導部材２２は、平面視においてヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられる。これにより、通電によりヒータ（抵抗素子）３１が熱を発したときに、平面視においてヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられた熱伝導部材２２が放熱する。これにより、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）より低い基板２０を備えるフローセンサ１０であっても、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱から基板２０上の他の電子部品、例えば周囲温度センサ３４を絶縁することができるとともに、基板２０の温度上昇を抑制することができ、所定の物理量を精度良く検出することが可能となる。また、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱はあらゆる方向（全方向）に伝導するので、熱伝導部材２２が平面視においてヒータ（抵抗素子）３１を囲むように基板２０に設けられることにより、基板２０に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを防止することができる。これにより、熱ムラ（熱の偏り）による応答速度の低下など、フローセンサ１０の性能低下を防止することができる。 Thus, according to the flow sensor 10 of the present embodiment, the heat conductive member 22 having a higher thermal conductivity than the substrate 20 is provided on the substrate 20 so as to surround the heater (resistive element) 31 in a plan view. Thereby, when the heater (resistive element) 31 generates heat by energization, the heat conducting member 22 provided on the substrate 20 so as to surround the heater (resistive element) 31 in a plan view radiates heat. Thereby, even in the flow sensor 10 including the substrate 20 having a thermal conductivity lower than that of silicon (Si), other electronic components such as the ambient temperature sensor 34 on the substrate 20 are removed from the heat generated by the heater (resistive element) 31. In addition to being able to insulate, the temperature rise of the substrate 20 can be suppressed, and a predetermined physical quantity can be accurately detected. In addition, since the heat generated by the heater (resistive element) 31 is conducted in all directions (all directions), the heat conducting member 22 is provided on the substrate 20 so as to surround the heater (resistive element) 31 in plan view. It is possible to prevent thermal unevenness (heat bias) from occurring in 20. As a result, it is possible to prevent the performance of the flow sensor 10 from deteriorating, such as a decrease in response speed due to heat unevenness (heat bias).
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、熱伝導部材２２が平面視においてダイアフラム全体を囲むように設けられる。これにより、ダイアフラムの外側を熱的に絶縁することができるとともに、ダイアフラムの内側にヒータ（抵抗素子）３１が発した熱の分布が形成される。これにより、ダイアフラムの内側に形成される熱の分布により流体の流速（流量）を検出するフローセンサ１０に好適に用いることができる。 Further, according to the flow sensor 10 in the present embodiment, the heat conducting member 22 is provided so as to surround the entire diaphragm in plan view. Accordingly, the outside of the diaphragm can be thermally insulated, and a distribution of heat generated by the heater (resistive element) 31 is formed inside the diaphragm. Thereby, it can use suitably for the flow sensor 10 which detects the flow velocity (flow rate) of the fluid by the distribution of the heat | fever formed inside a diaphragm.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、複数の熱伝導部材２２が、ダイアフラムに関して対称になるように配置される。これにより、ダイアフラムの内側でヒータ（抵抗素子）３１が発する熱をあらゆる方向（全方向）で同様に放熱することができるので、基板２０に熱ムラ（熱の偏り）が生じるのを確実に防止することができる。 Moreover, according to the flow sensor 10 in this embodiment, the several heat conductive member 22 is arrange | positioned so that it may become symmetrical regarding a diaphragm. As a result, the heat generated by the heater (resistive element) 31 inside the diaphragm can be dissipated in all directions (all directions) in the same manner, so that it is possible to reliably prevent thermal unevenness (heat bias) from occurring on the substrate 20. can do.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、熱伝導部材２２が基板２０の一方の面（図１及び図２において上面）から他方の面（図１及び図２において下面）まで貫通する。これにより、熱伝導部材２２は、ヒータ（抵抗素子）３１が基板２０の上面上で発した熱を下面へ熱伝導させる経路（パス）となる。これにより、基板２０の外部に効率良く放熱することができ、基板２０の温度上昇を更に抑制することができる。 Further, according to the flow sensor 10 of the present embodiment, the heat conducting member 22 penetrates from one surface (upper surface in FIGS. 1 and 2) to the other surface (lower surface in FIGS. 1 and 2). Accordingly, the heat conducting member 22 becomes a path (path) for conducting heat generated by the heater (resistive element) 31 on the upper surface of the substrate 20 to the lower surface. Thereby, heat can be efficiently radiated to the outside of the substrate 20, and the temperature rise of the substrate 20 can be further suppressed.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、熱伝導率が基板より高い熱伝導部材２２は、センサ回路部３９と電極パッド２１とを電気的に接続する。これにより、熱伝導部材２２は、ヒータ（抵抗素子）３１が発する熱を放熱する機能（役割）と、センサ回路部３９と電極パッド２１とを電気的に接続する機能（役割）とを兼用することができる。これにより、放熱のための新たな部材や製造工程が不要となり、コストを低減することができる。 Further, according to the flow sensor 10 in the present embodiment, the heat conducting member 22 having a higher thermal conductivity than the substrate electrically connects the sensor circuit unit 39 and the electrode pad 21. Accordingly, the heat conducting member 22 has both a function (role) for radiating heat generated by the heater (resistive element) 31 and a function (role) for electrically connecting the sensor circuit unit 39 and the electrode pad 21. be able to. This eliminates the need for a new member or manufacturing process for heat dissipation, thereby reducing the cost.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、基板２０の材料がガラスである。ここで、ガラス製の基板２０は、従来のシリコン製の基板と比較して、熱伝導率は低いが、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、熱伝導部材２２を設けるための加工、例えば、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができる。これにより、基板２０の温度上昇を抑制することができるセンサを容易に実現することができる。 Moreover, according to the flow sensor 10 in the present embodiment, the material of the substrate 20 is glass. Here, the glass substrate 20 has a lower thermal conductivity than a conventional silicon substrate, but can be easily formed because it can be finely processed using a drill in addition to etching. High degree of freedom in shape design. Therefore, the process for providing the heat conductive member 22, for example, the through-hole penetrating from one surface to the other surface can be easily formed. Thereby, the sensor which can suppress the temperature rise of the board | substrate 20 is easily realizable.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、基板２０の材料がセラミックスである。ここで、セラミックス製の基板２０は、従来のシリコン製の基板と比較して、熱伝導率は低いが、エッチングに加えてドリルなどを用いた微細加工も可能であるため、成形が容易であり、形状設計の自由度が高い。よって、熱伝導部材２３を設けるための加工、例えば、一方の面から他方の面まで貫通する貫通孔を容易に形成することができる。これにより、基板２０の温度上昇を抑制することができるセンサを容易に実現することができる。 Moreover, according to the flow sensor 10 in the present embodiment, the material of the substrate 20 is ceramics. Here, although the ceramic substrate 20 has a lower thermal conductivity than a conventional silicon substrate, it can be easily formed because it can be finely processed using a drill in addition to etching. High degree of freedom in shape design. Therefore, processing for providing the heat conducting member 23, for example, a through-hole penetrating from one surface to the other surface can be easily formed. Thereby, the sensor which can suppress the temperature rise of the board | substrate 20 is easily realizable.
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、基板２０が腐食性物質に対して耐食性を有する。これにより、腐食性物質が存在する環境（状況）で使用することができ、腐食性物質の流体、例えばＣｌ2、ＢＣｌ3などを含有する気体（ガス）の流速（流量）を検出するフローセンサ１０に好適に用いることができる。 Moreover, according to the flow sensor 10 in this embodiment, the board | substrate 20 has corrosion resistance with respect to a corrosive substance. Accordingly, the flow sensor can be used in an environment (situation) where a corrosive substance exists, and detects a flow rate (flow rate) of a gas (gas) containing a corrosive substance fluid such as Cl 2 or BCl 3. 10 can be suitably used.
なお、前述の実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。 Note that the configurations of the above-described embodiments may be combined or some components may be replaced. The configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
１０…フローセンサ
２０…基板
２１…電極パッド
２２…熱伝導部材
３０…センサ薄膜
３１…ヒータ（抵抗素子）
３４…周囲温度センサ（抵抗素子）
３９…センサ回路部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Flow sensor 20 ... Board | substrate 21 ... Electrode pad 22 ... Thermal conduction member 30 ... Sensor thin film 31 ... Heater (resistive element)
34 ... Ambient temperature sensor (resistive element)
39: Sensor circuit section
Claims (8)
前記基板の一方の面上に設けられる抵抗体と、
前記抵抗体を囲むように前記基板に設けられ、熱伝導率が前記基板より高い熱伝導部材と、を備える
ことを特徴とするセンサ。 A substrate with lower thermal conductivity than silicon,
A resistor provided on one surface of the substrate;
A heat conductive member provided on the substrate so as to surround the resistor, and having a thermal conductivity higher than that of the substrate.
前記熱伝導部材は、前記ダイアフラム全体を囲むように設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 The resistor is disposed in a diaphragm formed on one surface of the substrate,
The sensor according to claim 1, wherein the heat conducting member is provided so as to surround the entire diaphragm.
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。 The sensor according to claim 2, wherein the plurality of heat conducting members are arranged symmetrically with respect to the diaphragm.
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the heat conducting member penetrates from one surface of the substrate to the other surface.
前記基板の他方の面上に設けられる電極と、を更に備え、
前記熱伝導部材は、前記センサ回路部と前記電極とを電気的に接続する
ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ。 A sensor circuit unit for detecting a predetermined physical quantity including the resistor;
An electrode provided on the other surface of the substrate,
The sensor according to claim 4, wherein the heat conducting member electrically connects the sensor circuit unit and the electrode.
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein a material of the substrate is glass.
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のセンサ。 The sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein a material of the substrate is ceramics.
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のセンサ。 The sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the substrate has corrosion resistance against a corrosive substance.
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