JP2012088077A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】クラックによる回路部の破壊や損傷を減少させ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、一方の面にキャビティを有する基台２０と、基台２０の一方の面上に設けられる薄膜３０と、を備え、薄膜３０は、所定の物理量を検出するための回路部（ヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３）を有し、キャビティ２５の上に橋設されるブリッジ部３６と、基台２０に固定され、ブリッジ部３６を支持する外周部３７と、外周部３７とブリッジ部３６とに囲まれ、キャビティに通ずる開口と、を含み、ブリッジ部３６には、外周部３７との接続部にスリットが形成される。
【選択図】図１

Description

本発明に係るいくつかの態様は、基台と基台の一方の面上に設けられた薄膜とを備えるセンサに関する。

従来、この種のセンサとして、空洞を有する基台（基板）と、空洞上に架橋構造の支持体が形成された薄膜とを備えるフローセンサにおいて、支持体の表面に流量を測定する回路部を設け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１０−６２２２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のセンサでは、支持体が薄膜で形成されているので、支持体自体の強度が低く、架橋構造であるため特定の箇所（場所）に応力が集中しやすい構造であった。そのため、支持体にクラック（ひび割れ）が発生し、当該クラックが回路部に至り、回路部を破壊し、又は損傷（ダメージ）を与える、という問題があった。

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、クラックによる回路部の破壊や損傷を減少させ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、一方の面に凹部を有する基台と、前述の一方の面上に設けられる薄膜と、を備え、薄膜は、所定の物理量を検出するための回路部を有し、凹部の上に橋設されるブリッジ部と、基台に固定され、ブリッジ部を支持する外周部と、外周部とブリッジ部とに囲まれ、凹部に通ずる開口と、を含み、ブリッジ部には、外周部との接続部にスリットが形成される。

かかる構成によれば、ブリッジ部には、外周部との接続部にスリットが形成されている。ここで、例えばゴミの衝突などでブリッジ部に力が加わった場合、ブリッジ部と外周部との接続部に応力が集中し、接続部又は接続部の近傍（周辺）にクラック（ひび割れ）が発生しやすくなる。よって、接続部にスリットを形成することにより、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックがスリットに達し、スリットによって当該クラックが更に延びる（伸展する）のを防止することが可能となる。

好ましくは、前述のスリットは、ブリッジ部に沿って延在する。

かかる構成によれば、スリットがブリッジ部に沿って延在する。これにより、接続部にのみ形成される場合と比較して、エッチングなどによってスリットを容易に形成することができる。これにより、接続部に発生したクラックが回路部にまで至る可能性を更に低減することができ、クラックによる回路部の破壊や損傷（ダメージ）を更に減少させることができる。

好ましくは、前述の外周部に、回路部に電気的に接続する電極が設けられる。

かかる構成によれば、外周部に、回路部に電気的に接続する電極が設けられている。これにより、電極を介して回路部が検出した信号を出力することができる。また、電極は基台に固定された外周部に設けられているので、クラックが電極にまで延びる（伸展する）のを防止することができる。これにより、回路部の出力信号がクラックによる影響を受ける可能性低減することができる。

好ましくは、前述の開口が平面視においてスリットより面積が大きい。

かかる構成によれば、凹部に通ずる開口は、平面視においてスリットより面積が大きい。これにより、面積の大きな開口を介して、流体が凹部に流入し、かつ、流体が凹部から流出しやすくなり、流体の速度又は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。

好ましくは、前述の回路部は、複数の回路素子を含み、回路素子間に第２のスリットが形成される。

かかる構成によれば、回路部に含まれる回路素子間に第２のスリットが形成される。これにより、一の回路素子と他の回路素子の間が断熱される。これにより、回路部に発熱素子と測温抵抗素子とを含むフローセンサにおいて、素子間の熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝導の影響が大きくなるので、流体の速度に対する感度を高めることが可能となる。

本発明によれば、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックがスリットに達し、スリットによって当該クラックが更に延びる（伸展する）のを防止することが可能となるので、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックが回路部にまで至る可能性を低減することができ、クラックによる回路部の破壊や損傷（ダメージ）を減少させることができる。

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ＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面である。 図１及び図２に示したブリッジ部の一例を説明する要部拡大上面図である。 図１及び図２に示したブリッジ部の他の例を説明する要部拡大上面図である。 図１及び図２に示したブリッジ部の他の例を説明する要部拡大上面図である。

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ＶＩ−ＶＩ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を有する基台２０と、基台２０の上に設けられる薄膜３０と、を備える。

薄膜３０は、キャビティ２５の上に橋を架けるように設けられるブリッジ部３６と、基台２０においてキャビティ２５以外の枠状の部分に固定される外周部３７とを含む。ブリッジ部３６の一端部（図１において手前の端部）と他端部（図１において奥の端部）とは外周部３７に接続し、外周部３７はブリッジ部３６を支持する。

ブリッジ部３６は、一定の速度で流れる流体を加熱するためのヒータ（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とを有する。なお、本実施形態のヒータ３１、及び抵抗素子３２，３３は、本発明に係るセンサにおいて所定の物理量を検出するための「回路部」の一例に相当する。

また、薄膜３０は、薄膜３０の対角関係にある角部近傍に設けられた電極３５を更に有する。

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、ヒータ３１、及び抵抗素子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（上流側温度センサ）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（下流側温度センサ）として機能する。

キャビティ２５の上に橋設されるブリッジ部３６は、熱容量が小さく、基台２０に対して断熱性を有するダイアフラムを成す。ヒータ３１は、周囲のガスの温度よりも一定温度（例えば４０℃）高くなるように、ガスを加熱する。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３１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、図１中に示す電極３５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２ｍｍ程度である。但し、基板２０の寸法及び形状は、これらに限られない。基台２０の材料としては、例示的に、シリコン（Ｓｉ）などが使用可能である。

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１及び図２に示す薄膜３０の厚さは、例えば１μｍであり、薄膜３０の縦横の寸法は、例えば基台２０と同一（２ｍｍ程度）である。薄膜３０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。

各抵抗素子３１，３２，３３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の形成には、リソグラフィ法などが適用可能である。各抵抗素子３１，３２，３３は薄膜３０によって基台２０と電気的に絶縁されている。

図３は、図１及び図２に示したブリッジ部の一例を説明する要部拡大上面図である。図３に示すように、ブリッジ部３６には、外周部３７との接続部にスリット３６ａが形成されている。ここで、例えばゴミの衝突などでブリッジ部３６に力が加わった場合、ブリッジ部３６と外周部３７との接続部に応力が集中し、接続部又は接続部の近傍（周辺）にクラック（ひび割れ）が発生しやすくなる。よって、接続部にスリット３６ａを形成することにより、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックがスリット３６ａに達し、スリット３６ａによって当該クラックが更に延びる（伸展する）のを防止することが可能となる。

なお、図３では、回路部に含まれる各抵抗素子３１，３２，３３が、ブリッジ部３６の長手方向に沿って配置（配線）されているが、これに限定されるものではない。例えば、抵抗素子の金属線をブリッジ部３６内に引き回したパターンに配線してもよい。

また、電極３５は、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とに、電気的に接続しており、外周部３７に設けられている。これにより、電極３５を介してヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが検出した信号を出力することができる。また、電極３５は図１及び図２に示す基台２０に固定された外周部３７に設けられているので、クラックが電極３５にまで延びる（伸展する）のを防止することができる。

なお、図３では、ブリッジ部３６の一端側（図３において下側）の外周部３７に３つの電極、ブリッジ部３６の他端側（図３において上側）の外周部３７に３つの電極を設けるようにしたが、これに限定されない。電極の数は、例えば、１つ、２つ、又は４つ以上であってもよいし、ブリッジ部３６の一端側に設けられる電極の数と、他端側に設けられる電極の数とが異なっていてもよい。

また、ブリッジ部３６の両側、すなわち外周部３７とブリッジ部３６とに囲まれた領域に、図２に示すキャビティ２５に通ずる開口３８がそれぞれ形成されている。図３に示すように、平面視において、開口３８の面積はスリット３６ａの面積より大きくなるように設定されている。これにより、面積の大きな開口３８を介して、流体がキャビティ２５に流入し、かつ、流体がキャビティ２５から流出しやすくなり、流体の速度又は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。

スリット３６ａ及び開口部３７は、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４及び図５は、図１及び図２に示したブリッジ部の他の例を説明する要部拡大平面図である。ブリッジ部３６に形成されるスリット３６ａは、図３に示した例に限定されない。図４に示すように、スリット３６ｂは、外周部３７との接続部からブリッジ部３６の長手方向に沿って延在するようにしてもよい。これにより、図３に示したスリット３６ａと比較して、エッチングなどによってスリット３６ｂを容易に形成することできる。また、クラックがスリット３６ｂに達しやすくなる。

また、図５に示すように、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２との間と、ヒータ３１と下流側測温抵抗素子３３との間とに、それぞれスリット３６ｃを形成してもよい。これにより、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間が断熱される。

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、重力センサなど他の種類のセンサであってもよい。また、回路部に含まれる回路素子は、抵抗素子に限定されず、キャパシタ（コンデンサ）や、インダクタ（コイル）などの他の素子であってもよい。

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、ブリッジ部３６には、外周部３７との接続部にスリット３６ａ，３６ｂが形成されている。ここで、例えばゴミの衝突などでブリッジ部３６に力が加わった場合、ブリッジ部３６と外周部３７との接続部に応力が集中し、接続部又は接続部の近傍（周辺）にクラック（ひび割れ）が発生しやすくなる。よって、接続部にスリット３６ａを形成することにより、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックがスリット３６ａに達し、スリット３６ａによって当該クラックが更に延びる（伸展する）のを防止することが可能となる。これにより、接続部又は接続部の近傍（周辺）に発生したクラックがヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３にまで至る可能性を低減することができ、ヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３の破壊や損傷（ダメージ）を防止することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、スリット３６ｂがブリッジ部３６に沿って延在する。これにより、図３に示したスリット３６ａと比較して、エッチングなどによってスリット３６ｂを容易に形成することできる。また、クラックがスリット３６ｂに達しやすくなる。これにより、接続部に発生したクラックがヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３にまで至る可能性を更に低減することができ、クラックによるヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３の破壊や損傷（ダメージ）を更に減少させることができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、外周部３７に、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とに、電気的に接続する電極３５が設けられている。これにより、電極３５を介してヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが検出した信号を出力することができる。また、電極３５は図１及び図２に示す基台２０に固定された外周部３７に設けられているので、クラックが電極３５にまで延びる（伸展する）のを防止することができる。これにより、ヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３の出力信号がクラックによる影響を受ける可能性低減することができる。

また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、開口３８は、平面視においてスリット３６ａよりの面積が大きい。これにより、面積の大きな開口３８を介して、流体がキャビティ２５に流入し、かつ、流体がキャビティ２５から流出しやすくなり、流体の速度又は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

また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２との間と、ヒータ３１と下流側測温抵抗素子３３との間とに、それぞれスリット３６ｃが形成される。これにより、ヒータ３１と上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間が断熱される。これにより、ヒータ３１、上流側測温抵抗素子３２、及び下流側測温抵抗素子３３を含むフローセンサ１０において、素子間の熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝導の影響が大きくなるので、流体の速度に対する感度を高めることが可能となる。

なお、前述の各実施形態の構成は、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…基台
２５…キャビティ
３０…薄膜
３１…ヒータ（抵抗素子）
３２…上流側測温抵抗素子（抵抗素子）
３３…下流側測温抵抗素子（抵抗素子）
３５…電極
３６…ブリッジ部
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ…スリット
３７…外周部
３８…開口

Claims (5)

1. 一方の面に凹部を有する基台と、
   前記一方の面上に設けられる薄膜と、を備え、
   前記薄膜は、
   所定の物理量を検出するための回路部を有し、前記凹部の上に橋設されるブリッジ部と、前記基台に固定され、前記ブリッジ部を支持する外周部と、前記外周部と前記ブリッジ部とに囲まれ、前記凹部に通ずる開口と、を含み、
   前記ブリッジ部には、前記外周部との接続部にスリットが形成される
   ことを特徴とするセンサ。
2. 前記スリットは、前記ブリッジ部に沿って延在する
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記外周部に、前記回路部に電気的に接続する電極が設けられる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記開口は、平面視において前記スリットより面積が大きい
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れ一項に記載のセンサ。
5. 前記回路部は、複数の回路素子を含み、
   前記回路素子間に第２のスリットが形成される
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れ一項に記載のセンサ。

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