JP2017096917A - フローセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的に流体を加熱することができるフローセンサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】フローセンサは、配線部２２と、前記配線部２２の端部に形成された接続部２４とを有する抵抗体２０を含み、前記抵抗体２０は前記接続部２４において基板１２に固定されており、前記配線部２２は中央部分が前記基板１２の表面から凸となる山形状であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、フローセンサ及びその製造方法に関するものである。

流体として例えば気体を検知するガスセンサは、気体の流量で特性が変動するため、流量を監視する必要がある。流量の監視には、例えばフローセンサが使われている。フローセンサで検出する気体は、酸性ガス、アルカリ性ガス、燃焼性ガス等の様々な種類があるため、ガスセンサには高耐腐食性が要求される。また、ハンディタイプのフローセンサでは、長時間の電池駆動を可能にするために低消費電力性が求められている。

このようなフローセンサとしては、加熱体と、加熱体によって生ずる流体の温度差を測定する測温体とを備えることにより、流体の流量及び流れの方向を測定するものが開示されている（例えば、特許文献１）。

また加熱体としてのマイクロヒータは、複数の凹凸を有する支持膜と、支持膜の一方の表面に設けられた加熱体と支持膜の周囲を支持し、かつ加熱体と対向する部分が取り除かれた基板とを含むものが開示されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１４−０１６２３７号公報 特開２０１３−００３０２０号公報

しかしながら上記特許文献の場合、マイクロヒータの熱を流体に効率的に伝えることが困難であるという問題があった。すなわち上記特許文献１の場合、加熱体は気体に近い位置にあるとはいえないため、加熱体に接触する流体が限られてしまう。

また上記特許文献２の場合、支持膜上に加熱体が設けられているので、流体は加熱体の上方のみを通過し、加熱体の下方を通過することができない。さらにマイクロヒータによって生じた熱が支持膜に逃げてしまう、という問題があった。

そこで本発明は、より効率的に流体を加熱することができるフローセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るフローセンサは、発熱体と、前記発熱体の両側にそれぞれ配置された測温体とが表面に形成された基板を備えるフローセンサにおいて、前記発熱体及び前記測温体は、配線部と、前記配線部の端部に形成された接続部とを有する抵抗体を含み、前記抵抗体は前記接続部において前記基板に固定されており、前記配線部は、中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状であることを特徴とする。

本発明に係るフローセンサの製造方法は、スパッタ法を用いて金属膜を表面層上に蒸着する工程と、前記金属膜の周囲の前記表面層を選択的に除去し、膜応力により中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状である前記抵抗体を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、配線部の中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状であることにより、配線部が気体により近づくことができるので、フローセンサは、効率的に流路中の気体を加熱することができる。

本実施形態に係るフローセンサの構成を模式的に示す平面図である。 本実施形態に係る抵抗体の構成を示す図１中のＡ−Ａ端面図である。 本実施形態に係るフローセンサの製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図３Ａは基板を用意した段階、図３Ｂはホトレジストを形成した段階、図３Ｃは金属膜を形成した段階、図３Ｄはホトレジストを除去した段階、図３Ｅは基板の一部を除去した段階を示す図である。 実際に製造したフローセンサを撮影した顕微鏡写真である。 変形例に係るフローセンサの製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図５Ａは仮硬化樹脂層を有する基板を用意した段階、図５Ｂはホトレジストを形成した段階、図５Ｃは金属膜を形成した段階、図５Ｄはホトレジストを除去した段階、図５Ｅは基板の一部を除去した段階、図５Ｆは硬化温度以上の温度で加熱した段階を示す図である。 別の変形例に係るフローセンサの製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図６Ａは基板上に凸部を形成した段階、図６Ｂは山形状部を有する表面層を形成した段階、図６Ｃはホトレジストを形成した段階、図６Ｄは金属膜を形成した段階、図６Ｅはホトレジストを除去した段階、図６Ｆは基板の一部を除去した段階を示す図である。 変形例のフローセンサの接続部近傍の拡大平面図であり、図７Ａは変形例（１）、図７Ｂは変形例（２）のフローセンサを示す図である。 配線部の変形例を示す平面図であり、図８Ａは変形例（１）、図８Ｂは変形例（２）の配線部を示す図である。 配線部の変形例（３）の構成を示す断面図である。

１．実施形態
（全体構成）
本発明の実施形態に係るフローセンサについて、図面を参照して説明する。図１に示すように、フローセンサ１０は、発熱体１４と、前記発熱体１４の両側にそれぞれ配置された測温体としての第１測温体１６及び第２測温体１８とが表面に形成された基板１２を備える。フローセンサ１０は、流体である気体が流れる流路２８（図２）において、下流側に第１測温体１６、上流側に第２測温体１８を配置するように設けられる。基板１２は、絶縁体、例えばＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、樹脂などで形成することができる。本実施形態の場合、基板１２は、平面視矩形状のＳｉＯ_２基板と、当該ＳｉＯ_２基板上に設けられた表面層１３とで構成されている。表面層１３は、耐腐食性を有する材料、例えばポリイミド等の熱硬化性樹脂や、セラミックスで形成するのが好ましい。

発熱体１４と、第１測温体１６及び第２測温体１８は、層状に形成されている。発熱体１４と、第１測温体１６及び第２測温体１８は、構成が同じであるので、説明を省略するため、発熱体１４について以下説明する。本実施形態の場合、発熱体１４は、温度で電気抵抗値が変化する発熱体材料、例えば金や白金などの金属膜で形成され、一対の電極２１と、電極２１間に形成された抵抗体２０とを有する。電極２１は、基板１２の両側に各１個（合計２個）形成されている。

抵抗体２０は、基板１２のほぼ中央に配置されている。抵抗体２０は、配線部２２と、配線部２２の端部に形成された接続部２４とを含む。平面視において、配線部２２は線状、接続部２４は矩形状に形成されている。具体的には、平面視において、配線部２２は、一端から他端まで太さが均一な直線状であり、接続部２４は正方形である。

配線部２２は、接続部２４に比べ電気抵抗が大きくなるように、線幅が接続部２４に比べ狭く形成されている。配線部２２は、複数（本図の場合、５個）が互いに平行になるように並列に配置されており、端部において接続部２４を介して隣り合う他の配線部２２と接続され、ジグザグ状に形成されている。接続部２４は、２個の配線部２２が接続されている。配線部２２と接続部２４の間には、配線部２２同士を電気的に接続する短絡部２６が梯子形状に形成されている。抵抗体２０を構成する両端に配置された配線部２２の端部は、接続部２４を介して電極２１に接続されている。接続部２４と電極２１の間にも、配線部２２同士を電気的に接続する短絡部２６が梯子形状に形成されている。

図２に示すように、配線部２２は、中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状を有する。基板１２は、表面から突出した支持部３０が形成されている。抵抗体２０の接続部２４は、上記支持部３０に固定されている。支持部３０の高さは、特に限定されないが、例えば１０μｍ程度とすることができる。配線部２２は、両端が接続部２４によって支持されているので、両持ち梁構造である。配線部２２の頂上部分の支持部３０からの高さは、特に限定されないが、例えば１０〜５０μｍ程度とすることができる。

（配線部の製造方法）
次に配線部２２の製造方法を、図３を参照して説明する。なお、説明の便宜上、配線部２２を１個製造する場合について説明する。まず、ＳｉＯ_２基板３１上に表面層１３Ａを有する基板を用意する（図３Ａ）。次いで図３Ｂに示すようにホトレジスト３２を選択的に形成する。その後、図３Ｃに示すように、スパッタ法により金属膜３４を形成する。次いで、ホトレジスト３２をアセトンなどの有機溶媒を用いて除去する。同時にホトレジスト３２上に形成された金属膜３４もリフトオフにより除去する（図３Ｄ）。最後に、形成された開口部３６の表面層１３を例えばフッ酸によるエッチングにより除去して溝３８を形成する（図３Ｅ）。そうすると膜応力により、中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状を有し両持ち梁構造の配線部２２を得ることができる。

（作用及び効果）
上記のように構成されたフローセンサ１０は、発熱体１４の電極２１間に電力が供給されると、発熱体１４の抵抗体２０が電気抵抗によって加熱される。抵抗体２０は、配線部２２が接続部２４に比べ電気抵抗が大きくなるように形成されており、さらに短絡部２６を介して接続部２４に接続されている。これにより抵抗体２０は、中央部分を中心に温度が高くなる。

このように加熱されると、発熱体１４の周囲の気体の温度が高くなる。周囲の気体に流れがない場合、発熱体１４の周囲の温度分布は対称となるので、第１測温体１６及び第２測温体１８の温度は等しくなる。

一方、周囲の気体に流れが生じた場合、発熱体１４の周囲の温度分布は対称とならず、一方が高くなる。例えば、上流側から下流側へ気体が流れている場合、第２測温体１８の温度が低下すると共に、第１測温体１６の温度が上昇する。フローセンサ１０は、第１測温体１６と第２測温体１８の抵抗値の差を図示しないブリッジ回路で検出することにより、流量に応じた電気出力を得ることができる。

本実施形態の場合、配線部２２は、中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状であることにより、流路２８中の気体により近づくことができ、しかも配線部２２と基板１２の間も容易に気体が流通することができる。また、配線部２２を基板１２表面から離れた位置に保持することができるので、配線部２２で生じた熱が基板１２へ逃げるのを防ぐことができる。したがってフローセンサ１０は、効率的に流路２８中の気体を加熱することができる。

抵抗体２０は、短絡部２６を介して接続部２４と接続する構成としたことにより、配線部２２をより効率的に加熱することができる。

配線部２２は、両端が基板１２に固定された接続部２４に接続された両持ち梁構造であることから、熱膨張による変形を抑制することができる。したがってフローセンサ１０は、熱膨張による気体の流れに与える影響を少なくすることができるので、測定精度を向上することができる。また配線部２２は、中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状であることにより、熱膨張によって生じる熱応力を緩和することができる。

上記実施形態では、基板１２が、ＳｉＯ_２基板３１と表面層１３で形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、酸化膜を備えたＳｉ基板と表面層１３で形成してもよいし、樹脂のみで形成してもよい。

上記「（配線部の製造方法）」で示した手順に従い、実際に製造した発熱体１４及び測温体１６の顕微鏡写真を図４に示す。Ｓｉ基板上にポリイミドによる表面層１３が形成された基板１２を用いた。金属膜３４は、膜厚３００ｎｍのＰｔ膜をスパッタ法により形成した。配線部２２は、ホトレジスト３２をアセトン浸漬により除去し、ドライエッチングにより溝３８を形成して得た。これにより、線幅６μｍ、厚さ０．４μｍ、支持部からの高さ３０μｍの配線部２２を有する発熱体１４及び測温体１６を製造することができた。

２．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。上記実施形態の場合、膜応力によって中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状を有する配線部２２を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。

変形例に係る配線部２２の製造方法について、図５を参照して説明する。まず、ＳｉＯ_２基板３１上に、熱硬化性樹脂を塗布し、熱硬化温度よりも低い仮硬化温度で加熱し、仮硬化樹脂層１３Ｂを形成する（図５Ａ）。次いで図５Ｂに示すようにホトレジスト３２を選択的に形成する。その後、図５Ｃに示すように、スパッタ法により金属膜３４を形成する。次いで、ホトレジスト３２をアセトンなどの有機溶媒を用いて除去する。同時にホトレジスト３２上に形成された金属膜３４もリフトオフにより除去される（図５Ｄ）。形成された開口部３６の仮硬化樹脂層１３Ｂを例えばフッ酸によるエッチングにより除去して溝３８を形成することにより、仮硬化表面層１３Ｃが得られる（図５Ｅ）。最後に熱硬化温度より高い本硬化温度で加熱する。そうすると仮硬化表面層１３Ｃが硬化することにより、表面層１３が得られる。同時に、仮硬化表面層１３Ｃが硬化する際の熱収縮により、中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状を有し両持ち梁構造の配線部２２を得ることができる（図５Ｆ）。

別の変形例に係る配線部２２の製造方法について、図６を参照して説明する。まず、ＳｉＯ_２基板３１上に熱硬化性樹脂で凸部４０を形成する（図６Ａ）。次いで、凸部４０を含むＳｉＯ_２基板３１を覆うように熱硬化性樹脂で山形状部４１を有する表面層１３Ｄを形成する（図６Ｂ）。次いで図６Ｃに示すようにホトレジスト３２を選択的に形成する。その後、図６Ｄに示すように、スパッタ法により金属膜３４を形成する。次いで、ホトレジスト３２をアセトンなどの有機溶媒を用いて除去する。同時にホトレジスト３２上に形成された金属膜３４もリフトオフにより除去する（図６Ｅ）。最後に、形成された開口部３６の表面層１３Ｄを例えばフッ酸によるエッチングにより除去して溝３８を形成する（図６Ｆ）。そうすると、凸部に沿って中央部分が前記基板１２表面から凸となる山形状を有し両持ち梁構造の配線部２２を得ることができる。

上記実施形態、変形例、及び別の変形例に係る製造方法は、適宜組み合わせてもよい。例えば、実施形態と別の変形例、変形例と別の変形例の組み合わせにより、配線部２２を製造することとしてもよい。

上述したとおり、フローセンサ１０は、抵抗体２０に含まれる配線部２２の中央部分が基板１２表面から凸となる山形状を有することによって、流路（図２、参照符号２８）内の気体を効率的に加熱できるという効果が得られる。配線部２２の中央部分を、より確実に山形状として所望の効果が十分に発揮されるように、抵抗体２０に含まれる接続部２４、短絡部２６および配線部２２を適宜変更することができる。

例えば、図７Ａの変形例（１）に示すフローセンサ１０Ａのように、台形状の接続部２４Ａと、接続部２４Ａ側の幅が広い短絡部２６Ａとを、基板１２Ａ上に設けることができる。接続部２４Ａは、電極２１側を下底とする等脚台形状である。短絡部２６Ａは、直線部２６Ａａと、拡幅部２６Ａｂとを含む。拡幅部２６Ａｂは、一方の側が傾斜することによって、直線部２６Ａａと接続部２４Ａとの間で接続部２４Ａ側に向けて徐々に拡幅している。これにより、短絡部２６Ａの幅は、接続部２４側が最も大きく、徐々に減少した後に一定になっている。

フローセンサ１０Ａは、台形状の接続部２４Ａと接続部２４Ａ側の幅が広い短絡部２６Ａとが基板１２Ａ上に設けられている。短絡部２６Ａには配線部（図示せず）が接続されているので、接続部２４Ａから配線部の中央部分に向けて先細りの形状となる。これによって配線部の中央部分が曲がり易くなり、配線部の中央部分が基板１２Ａ表面から凸となる山形状を、より確実に得ることができる。

図７Ｂの変形例（２）に示すフローセンサ１０Ｂのように、直線部２６Ｂａと拡幅部２６Ｂｂとを含む短絡部２６Ｂを設けることもできる。拡幅部２６Ｂｂは、直線部２６Ｂａと接続部２４との間で接続部２４側に向けて徐々に拡幅している。同様の拡幅部２６Ｂｂを、梯子形状の短絡部２６と接続部２４との間に２つ配置して、短絡部２６Ｃを構成することもできる。接続部２４と電極２１との間には、３つの直線部２６Ｂａを設けて短絡部２６Ｄを構成してもよい。

フローセンサ１０Ｂは、接続部２４側の幅が広い短絡部２６Ｂ，２６Ｃが基板１２Ｂに設けられている。短絡部２６Ｂ，２６Ｃには配線部（図示せず）が接続されているので、接続部２４から配線部の中央部分に向けて先細りの形状となる。これによって配線部の中央部分が曲がり易くなり、配線部の中央部分が基板１２Ｂ表面から凸となる山形状を、より確実に得ることができる。３つの直線部２６Ｂａを含む短絡部２６Ｄが電極２１と接続部２４との間に設けられていることも、配線部の中央部分が山形状となるのを促進する。

配線部２２は、上面視において、一端から他端までの太さが均一でなくてもよい。図８Ａに示す変形例（１）の配線部２２Ａのように、両端２２Ａａから中央領域２２Ａｂにかけて幅が減少する中細り形状であってもよい。また、図８Ｂに示す変形例（２）の配線部２２Ｂのように、両端２２Ｂａから中央領域２２Ｂｂにかけて幅が増加する中太り形状としてもよい。

配線部２２Ａ，２２Ｂは、両端部２２Ａａ、２２Ｂａと中央領域２２Ａｂ，２２Ｂｂとの幅が異なっているので、配線部２２Ａ，２２Ｂに与えられた力は、幅の細い部分に集中する。配線部２２Ａでは、中央領域２２Ａｂが曲がり易く、配線部２２Ｂでは両端２２Ｂａが曲がり易い。これによって、配線部２２Ａ，２２Ｂは、中央部分が基板（図示せず）から凸となる山形状をより確実に得ることができる。

図９に示す変形例（３）の配線部２２Ｃのように、２層の膜の積層構造としてもよい。配線部２２Ｃは、内部に作用する応力が異なる２層の膜２２Ｃａ，２２Ｃｂを含む。具体的には、配線部２２Ｃは、圧縮応力が作用する第１の膜２２Ｃａの上に、引張り応力が作用する第２の膜２２Ｃｂが積層されている。第１の膜２２Ｃａおよび第２の膜２２Ｃｂは、材料を適宜組み合わせて形成することができる。例えば、第１の膜２２ＣａとしてＳｉＯ_２を用いる場合には、第２の膜２２Ｃｂには、Ｐｔを用いることができる。

配線部２２Ｃの下層を構成している第１の層２２Ｃａには、矢印Ａ１，Ａ２で示されるように両端から内側に向かう圧縮応力が作用する。一方、配線部２２Ｃの上層を構成している第２の層２２Ｃｂには、矢印Ｂ１，Ｂ２で示されるように内側から両端に向かう引張り応力が作用する。配線部２２Ｃは、下層に圧縮応力が作用し、上層には引張り応力が作用することから、中央部分が基板（図示せず）から凸となる山形状をより確実に得ることができる。

フローセンサ１０Ａに示した台形状の接続部２４Ａは、フローセンサ１０Ｂに示した短絡部２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄのいずれかと組み合わせることができる。短絡部２６Ａ、２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄには、幅の変化している配線部（配線部２２Ａまたは配線部２２Ｂ）を接続してもよい。この場合の配線部は、配線部２２Ｃのように、圧縮応力が作用する第１の膜２２Ｃａの上に、引張り応力が作用する第２の膜２２Ｃｂを積層して構成することもできる。

１０ フローセンサ
１２ 基板
１３ 表面層
１３Ｂ 仮硬化樹脂層
１４ 発熱体
１６ 第１測温体（測温体）
１８ 第２測温体（測温体）
２０ 抵抗体
２２ 配線部
２４ 接続部
２６ 短絡部
４１ 山形状部

Claims (11)

1. 発熱体と、前記発熱体の両側にそれぞれ配置された測温体とが表面に形成された基板を備えるフローセンサにおいて、
   前記発熱体及び前記測温体は、配線部と、前記配線部の端部に形成された接続部とを有する抵抗体を含み、
   前記抵抗体は前記接続部において前記基板に固定されており、
   前記配線部は中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状である
   ことを特徴とするフローセンサ。
2. 前記抵抗体は、
   ２個の前記配線部の一端同士が接続された前記接続部を有し、
   ２個の前記配線部と前記接続部の間に２個の前記配線部同士を電気的に接続する短絡部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
3. 前記基板は表面に耐腐食性材料で形成された表面層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のフローセンサ。
4. 前記接続部は、台形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のフローセンサ。
5. 前記短絡部は、前記接続部側の幅が広い線状であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載のフローセンサ。
6. 前記配線部は、中細り形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のフローセンサ。
7. 前記配線部は、中太り形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のフローセンサ。
8. 前記配線部は、圧縮応力が作用する第１の膜と、前記第１の膜の上に積層された引張り応力が作用する第２の膜とを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のフローセンサ。
9. 基板の表面層上に抵抗体が形成されたフローセンサの製造方法において、
   スパッタ法を用いて金属膜を前記表面層上に蒸着する工程と、
   前記金属膜の周囲の前記表面層を選択的に除去し、膜応力により中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状である前記抵抗体を形成する工程と
   を備えることを特徴とするフローセンサの製造方法。
10. 基板の表面層上に抵抗体が形成されたフローセンサの製造方法において、
    山形状部を有する前記表面層を形成する工程と、
    スパッタ法を用いて金属膜を前記表面層上に蒸着する工程と、
    前記金属膜の周囲の前記表面層を選択的に除去し、中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状である前記抵抗体を形成する工程と
    を備えることを特徴とするフローセンサの製造方法。
11. 基板の表面層上に抵抗体が形成されたフローセンサの製造方法において、
    熱硬化性樹脂を塗布して熱硬化温度より低い仮硬化温度で加熱し、仮硬化樹脂層を形成する工程と、
    スパッタ法を用いて金属膜を前記仮硬化樹脂層上に蒸着する工程と、
    前記金属膜の周囲の前記仮硬化樹脂層を選択的に除去する工程と、
    熱硬化温度より高い本硬化温度で加熱して前記表面層を得ると共に、前記熱硬化性樹脂の熱収縮により中央部分が前記基板の表面から凸となる山形状である前記抵抗体を形成する工程と
    を備えることを特徴とするフローセンサの製造方法。
    

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