JP2011209035A

JP2011209035A - センサ

Info

Publication number: JP2011209035A
Application number: JP2010075642A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ike; 信一池; Junji Kumasa; 淳司熊佐
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】熱伝導率の低い基板において温度上昇を抑制することのできるセンサを提供する。
【解決手段】本発明に係るセンサの例によるフローセンサ１０は、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）より低い基板、例えばガラス製又はセラミックス製の基板２０と、基板２０の一方の面上に設けられる周囲温度センサ（抵抗素子）３４と、周囲温度センサ（抵抗素子）３４に近接して設けられ、熱伝導率が基板より高い熱伝導部材、例えばシリコン（Ｓｉ）製又はタングステン（Ｗ）製の熱伝導部材２３と、を備える。
【選択図】図２

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。

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）。

特開平５−１４２００９号公報

一方、ガラス基板上に抵抗体を設ける場合、抵抗体は通電すると熱を発するが、ガラスは熱伝導率が低いので、当該熱が放熱されずにガラス基板の温度が上昇してしまう、という問題があった。この場合、温度上昇に伴って抵抗値が変更してしまい、抵抗体自体の精度が低下するなどの影響を及ぼすのみならず、ガラス基板上の他の電子部品素子にも影響を及ぼすおそれがあった。

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、熱伝導率の低い基板において温度上昇を抑制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。

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、基板の一方の面上に設けられる抵抗体と、抵抗体に近接して設けられ、熱伝導率が基板より高い熱伝導部材と、を備える。

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、抵抗体に接するように設けられる。これにより、通電により抵抗体が熱を発したときに、当該抵抗体に近接して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、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。

好ましくは、前述の熱伝導部材は、基板の一方の面から他方の面まで貫通する。

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。

好ましくは、前述の基板の材料は、ガラスである。

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。

好ましくは、前述の基板の材料は、セラミックスである。

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。

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。

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。

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る。図１に示したＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視方向断面である。基板における時間と温度との関係を説明するグラフである。図１に示したフローセンサの他の例を説明する斜視図である。図１に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面である。

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。

図１乃至図５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。

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センサ回路を構成し、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、上面から下面まで貫通する貫通電極２２と、熱伝導部材２３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。貫通電極２２は、センサ薄膜３０、特に各抵抗素子３１，３２，３３，３４と電極パッド２１とを電気的に接続するためのものである。電極パッド２１及び接続部材２２のそれぞれの材料には、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。

図３は、基板における時間と上昇温度との関係を示すグラフである。図３に示すように、菱形で表される（プロットされる）、従来のシリコン製の基板の場合、熱伝導率が十分高いので、基板上の抵抗素子が発熱しても、時間経過により基板の温度は上昇しない。しかし、三角で表される（プロットされる）、ガラス製の基板の場合、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）よりも低いので、基板上の抵抗素子が発熱すると、時間経過により基板の温度は上昇する。

一方、図１及び図２に示す本発明のフローセンサ１０では、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、熱伝導部材２３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。熱伝導部材２３は、周囲温度センサ（抵抗素子）３４の直下に、具体的には、下部絶縁層３０ａを介して周囲温度センサ（抵抗素子）３４に近接して設けられる。これにより、通電により周囲温度センサ（抵抗素子）３４が熱を発したときに、当該周囲温度センサ（抵抗素子）３４に近接して設けられた熱伝導部材２３が放熱する。よって、図３に示すように、円形で表される（プロットされる）、ガラス製の基板２０にシリコン製の熱伝導部材２３を設けた場合に、基板２０上の周囲温度センサ（抵抗素子）３４が発熱しても、時間経過により基板２０の温度はあまり上昇しない。

また、図２に示す熱伝導部材２３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２３は、周囲温度センサ（抵抗素子）３４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。

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。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。

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。

図４は、図１に示したフローセンサの他の例を説明する斜視図であり、図５は、図４に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。本実施形態では、フローセンサ１０が電極パッド２１と、貫通電極２２とを備えるようにしたが、これに限定されない。フローセンサ１０は、腐食性物質を含有する流体の流速（流量）を検出する場合に好適に用いることができるが、流体が腐食性物質を含有しない場合には、図４及び図５に示すように、基板２０の一方の面（図４及び図５において上面）に電極パッド３５を設けるようにしてもよい。

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。

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２３が、周囲温度センサ（抵抗素子）３４に近接して設けられる。これにより、通電により周囲温度センサ（抵抗素子）３４が熱を発したときに、当該周囲温度センサ（抵抗素子）３４に近接して設けられた熱伝導部材２３が放熱する。よって、図３に示すように、円形で表される（プロットされる）、ガラス製の基板２０にシリコン製の熱伝導部材２３を設けた場合に、基板２０上の周囲温度センサ（抵抗素子）３４が発熱しても、時間経過により基板の温度はあまり上昇しない。これにより、熱伝導率がシリコン（Ｓｉ）より低い基板２０を備えるセンサであっても、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、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２３は、周囲温度センサ（抵抗素子）３４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。

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。

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。

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。

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。

１０…フローセンサ
２０…基板
２１…電極パッド
２２…貫通電極
２３…熱伝導部材
３０…センサ薄膜
３４…周囲温度センサ（抵抗素子）３４

Claims

熱伝導率がシリコンより低い基板と、
前記基板の一方の面上に設けられる抵抗体と、
前記抵抗体に近接して設けられ、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。
前記熱伝導部材は、前記基板の一方の面から他方の面まで貫通する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記基板の材料は、ガラスである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
前記基板の材料は、セラミックスである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
前記基板は、腐食性物質に対して耐食性を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサ。