JP2020122747A - 検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板の内部に空洞を有し、基板表面の空洞の開口に熱電対が配置される場合であっても、流体の流量の検出の精度の低下を簡易な構造によって抑制する技術を提供する。【解決手段】本発明は、表面の一部に開口する空洞を有する基板と、基板の前記表面に前記開口を覆うように設けられる薄膜層と、薄膜に設けられ、略線状の形状を有する加熱器と、薄膜に設けられ複数の熱電対が直列に接続されて形成された熱電対列と、を備え、熱電対列における各々熱電対においては、前記加熱器の長手方向と垂直な方向に、第一の温接点と第二の温接点とが配置され、前記第一の温接点の温度及び前記第二の温接点の温度差に基づいて出力が生成されるとともに、前記第一の温接点及び前記第二の温接点は、前記開口の法線方向から見て該開口の内側に配置される、検出装置である。【選択図】図２
Description
本発明は、検出装置に関する。
基板の内部に空洞を有し、基板表面の空洞の開口に素子が配置される技術が開示されている（例えば特許文献１―４）。当該技術において素子が熱電対である場合、当該技術によって流体の流量を検出することができる。また、特許文献５では、第一の熱電対の冷接点が実装される基板の部分の温度と、第二の熱電対の冷接点が実装される基板の部分の温度との差を補正する技術が開示されている。
図１は、従来の検出装置３１の断面図の概要の一例を示している。検出装置３１は、中央部分にヒータ３２を備える。また、検出装置３１は、ヒータ３２を中心としてヒータ３２の両側に対称に設けられるサーモパイル３３Ａ、３３Ｂを備える。また、サーモパイル３３Ａは、第一の温接点３４Ａ及び第一の冷接点３５Ａを備える。また、サーモパイル３３Ｂは、第二の温接点３４Ｂ及び第二の冷接点３５Ｂを備える。また、検出装置３１は、ヒータ３２及びサーモパイル３３Ａ、３３Ｂを覆う膜３６を備える。また、検出装置３１は、ヒータ３２及びサーモパイル３３Ａ、３３Ｂを含む膜３６が設けられる基板３７を備える。また、基板３７は、空洞３８を有し、その表面に空洞３８の開口３９を形成している。そして、ヒータ３２は、開口３９の中央部分に配置される。そして、第一の温接点３４Ａ及び第二の温接点３４Ｂは、開口９の内側に配置される。また、第一の冷接点３５Ａ及び第二の冷接点３５Ｂは、開口３９の外側の基板３７の上に配置される。
このような構成では、流体が流れていない場合に、ヒータからの熱は、ヒータを中心として対称に拡散すると考えられる。よって、第一の温接点３４Ａの温度と第一の冷接点３５Ａの温度との温度差と、第二の温接点３４Ｂの温度と第二の冷接点３５Ｂの温度との温度差とは略同一となる。その結果、サーモパイル３３Ａの出力とサーモパイル３３Ｂの出力との間には差は生じない。一方、流体がサーモパイル３３Ａが配置される場所からサーモパイル３３Ｂが配置される場所の方向へ流れる場合には、ヒータ３２からの熱は、流体の流れの影響を受け、ヒータ３２を中心として対称に広がらず、下流のサーモパイル３３Ｂ側へ、より拡散していくと考えられる。よって、第一の温接点３４Ａの温度と第一の冷接点３５Ａの温度との温度差と、第二の温接点３４Ｂの温度と第二の冷接点３５Ｂの温度との温度差とは異なる。その結果、サーモパイル３３Ａの出力とサーモパイル３３Ｂの出力との間には差が生じる。そして、サーモパイル３３Ａの出力とサーモパイル３３Ｂの出力の差に基づき、流体の流量を算出することが可能となる。
しかしながら、基板３７に形成されている開口３９を含む空洞３８の寸法は、誤差を含んでいる可能性が考えられる。そのような場合には、空洞３８の中央部分を中心として熱
が対称に分布している場合であっても、第一の冷接点３５Ａが配置される基板３７の部分の温度と、第二の冷接点３５Ｂが配置される基板３７の部分の温度が異なる可能性がある。また、風や外部からの温度により、基板に温度分布ができる場合も、上流側の第一の冷接点３５Ａの温度と下流側の第二の冷接点３５Ｂの温度が異なることが考えられる。
が対称に分布している場合であっても、第一の冷接点３５Ａが配置される基板３７の部分の温度と、第二の冷接点３５Ｂが配置される基板３７の部分の温度が異なる可能性がある。また、風や外部からの温度により、基板に温度分布ができる場合も、上流側の第一の冷接点３５Ａの温度と下流側の第二の冷接点３５Ｂの温度が異なることが考えられる。
よって、サーモパイル３３Ａ、３３Ｂの出力に基づいて求められた流体の流量の精度が低下する可能性がある。ここで、特許文献５に開示される技術を利用する場合、第一の冷接点３５Ａが配置される基板３７の部分の温度と、第二の冷接点３５Ｂが配置される基板３７の部分の温度が異なることに関し、基板３７上に温度センサを設けることで、当該２つの基板３７の部分の温度差を補正することができると考えられる。しかしながら、このような技術では、検出装置３１が複雑な構造となる。
すなわち、本発明者は、基板の内部に空洞を有し、ヒータは開口の中央部分に配置され、ヒータを挟むように設けられた二つのサーモパイルの温接点が開口の内側に配置され、冷接点が開口の外側の基板上に配置される場合には、流体の流量の検出の精度は低下する可能性を見出した。また、本発明者は、熱電対の出力を補正するためには装置の構造が複雑となることを見出した。
本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、基板の内部に空洞を有し、基板表面の空洞の開口に熱電対が配置される場合であっても、流体の流量の検出の精度の低下を簡易な構造によって抑制する技術を提供することである。
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
すなわち本発明の一側面に係る検出装置は、表面の一部に開口する空洞を有する基板と、前記基板の前記表面に前記開口を覆うように設けられる薄膜層と、前記薄膜層に設けられ、略線状の形状を有する加熱器と、前記薄膜層に設けられ複数の熱電対が直列に接続されて形成された熱電対列と、を備え、前記熱電対列における各々の熱電対においては、前記加熱器の長手方向と垂直な方向に、第一の温接点と第二の温接点とが配置され、前記第一の温接点の温度及び前記第二の温接点の温度差に基づいて出力が生成されるとともに、前記第一の温接点及び前記第二の温接点は、前記開口の法線方向から見て該開口の内側に配置される、検出装置である。
当該構成によれば、第一の温接点の温度と第二の温接点の温度との差が、流体が流れていない場合に略同一となり、流体が流れている場合に異なるものとなる検出装置の形成が可能である。よって、流体が流れていない場合と流体が流れる場合とで熱電対の出力に差が生じる。また、流体の流量に応じて熱電対からの出力の差は変化する。すなわち、熱電対からの出力の差に基づいて、流体の流量は求まる。
また、当該構成によれば、熱電対の第一の温接点と第二の温接点は、開口の内部に配置されている。よって、基板から第一の温接点または第二の温接点に熱が移動することは抑制される。よって、熱電対の出力が、基板の温度に影響されることは抑制される。また、基板の外部の温度、又は基板近傍を流れる流体の温度による影響は軽減される。すなわち、熱電対の出力の精度の低下は抑制される。よって、熱電対の出力を利用して求める流体の流量の精度は高まる。
また、当該構成によれば、基板を製造する場合に生じる寸法のばらつきによって形成される空洞の寸法が変わった場合であっても、熱電対の長さを変更し、第一の温接点と第二の温接点とが開口の縁を跨ぐように調節せずに済む。すなわち、空洞の寸法が変わった場
合であっても、熱電対の長さを変更せずに熱電対の出力がばらつくことを抑制することができる。また、基板の寸法がばらついた場合であっても、当該基板を検出装置に使用することができ、基板を廃棄する頻度は低減される。よって、基板の生産性は向上する。
合であっても、熱電対の長さを変更せずに熱電対の出力がばらつくことを抑制することができる。また、基板の寸法がばらついた場合であっても、当該基板を検出装置に使用することができ、基板を廃棄する頻度は低減される。よって、基板の生産性は向上する。
また、当該構成とは異なり、基板に冷接点が配置される場合、冷接点を介して熱が熱電対から基板へ移動する。よって、温接点と冷接点との間の距離を長く取り、温接点と冷接点との間の電線に熱を蓄えておく対策が必要となる場合が考えられる。一方、当該構成によれば、冷接点は基板に配置されず、第一の温接点及び第二の温接点は開口の内部に配置されるため、熱が基板へ移動することは抑制される。換言すれば、熱電対の距離を短くすることができる。よって、検出装置の小型化が実現される。
また、当該構成によれば、熱電対が開口の縁を跨いで配置されていないため、加熱器が生じさせた熱が熱電対を伝って基板へ移動することは抑制される。よって、熱損失が軽減される。また、基板への熱の移動が抑制されるため、分布する熱量の低下が抑制される。よって、流体の流速が速く、熱が流体によって奪われやすい状態である場合であっても、流体の流量は検出可能となる。すなわち、流体の流れる流量の変化に対する熱電対の感度の向上および消費される電流の低減が可能となる。
また、当該構成によれば、熱電対列は１つで済む。よって、構造が簡易となり、低コスト化が実現される。また、不良発生率も低減される。
上記一側面に係る検出装置において、前記薄膜層は系外と前記開口の縁とを連通させる孔を備え、前記開口の縁は、前記開口の法線方向から見て該開口の内側であって、前記熱電対の長手方向について、前記第一の温接点および／または前記第二の温接点より外側の領域であってもよい。
当該構成によれば、基板と熱電対との間の熱の移動を抑制することができる。換言すれば、熱電対あるいは加熱器と基板との距離を短くした場合であっても、熱が膜の加熱器が配置される部分に留まり、熱電対からの出力の変動は抑制される。すなわち、検出装置の小型化が実現される。
上記一側面に係る検出装置において、前記加熱器は、その長手方向と垂直な方向について前記開口の中央部分に１つ配置され、前記熱電対は、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記加熱器を中心として前記加熱器を跨いで対称となるように配置されてもよい。
当該構成によれば、加熱器及び熱電対が配置される部分の幅を狭めることができる。すなわち、検出装置の小型化が実現される。
上記一側面に係る検出装置において、前記熱電対は、前記開口の法線方向から見て、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記熱電対の長手方向について前記開口の中央部分に対して対称となるように配置され、前記加熱器は、前記開口の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、前記第一の温接点と前記第二の温接点との間の部分の中央に配置され、前記開口の法線方向については、前記熱電対列を挟んで前記空洞と反対側に配置されてもよい。
当該構成によれば、流体が流れる部分により近い場所に加熱器を配置することができる。よって、流体が流れる部分に分布する熱量は大きくなる。よって、流体の流速が速く、熱が流体によって奪われやすい状態である場合であっても、流体の流量は検出可能となる。すなわち、流体の流れに対して高感度な検出装置を形成することができる。
上記一側面に係る検出装置において、前記熱電対は、その長手方向について、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記開口の法線方向から見て、前記開口の中央部分に対して対称となるように配置され、前記加熱器は、その長手方向と垂直な方向について、前記開口の法線方向から見て前記熱電対の前記第一の温接点および／または前記第二の温接点の外側に、前記熱電対と並べて配置されてもよい。
当該構成によれば、加熱器と熱電対とは、並んで設けられる。すなわち、検出装置を形成する工程において、加熱器及び熱電対は一緒に形成可能となる。すなわち、検出装置の形成工程は簡略化される。
本発明によれば、基板の内部に空洞を有し、基板表面の空洞の開口に熱電対が配置される場合であっても、流体の流量の検出の精度の低下を簡易な構造によって抑制する技術を提供することができる。
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。
§１ 構成例
図２は、本実施形態に係る検出装置１の概要の一例を模式的に例示する。図２（Ａ）は、検出装置１の上面図の一例を示している。また、図２（Ｂ）は、検出装置１の断面図の一例であり、図２（Ａ）におけるＡ−Ａ矢印断面図である。検出装置１は、中央部分に線状のヒータ２を備える。また、検出装置１は、ヒータ２を中心としてヒータ２を跨ぐように対称に配置されるサーモパイル３を備える。ここで、ヒータ２は、本発明の「加熱器」の一例である。また、サーモパイル３は、複数の熱電対が直列に接続されるものであり、本発明の「熱電対列」の一例である。また、サーモパイル３は、第一の温接点４及び第二の温接点５を備える。
また、検出装置１は、第一の温接点４及び第二の温接点５を覆う膜６を備える。膜６は、ヒータ２も覆う。膜６は、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜によって形成される。ここで、第一の温接点４は、本発明の「第一の温接点」の一例である。また、第二の温接点５は、本発明の「第二の温接点」の一例である。また、膜６は、本発明の「薄膜層」の一例である。
また、検出装置１は、ヒータ２及びサーモパイル３を含む膜６が配置される基板７を備える。基板７は、単結晶のシリコンにより形成される。また、基板７は、空洞８を有し、その表面に空洞８と通じる開口９を形成している。空洞８及び開口９は、図２（Ａ）中の上下方向について、その中央部分を中心として対称な形状をしている。
ここで、ヒータ２は、開口９の左右方向の中央部分に配置される。そして、第一の温接点４及び第二の温接点５を含むサーモパイル３は、開口９の内側に配置される。すなわち、サーモパイル３の第一の温接点４及び第二の温接点５は、開口９の外側の基板に配置されず、ヒータ２を中心として開口９の法線方向から見て内側に対称に配置される。また、第一の温接点４から第二の温接点５へと向かう方向（熱電対の長手方向）は、流体が流れることによりヒータ２により発生させられる熱が移動する方向である。
§２ 流量検出原理
次に、検出装置１を用いた流量検出の原理を説明する。図３は、検出装置１を用いた流量検出の原理を模式的に例示する。図３（Ａ）は、流体が流れていない状態でヒータ２に通電されている場合の温度分布の一例を模式的に例示する。一方、図３（Ｂ）は、流体が流れている状態でヒータ２に通電されている場合の温度分布の一例を模式的に例示する。流体が流れていない場合、ヒータ２により発生させられた熱は、ヒータ２を中心として対称に拡散する。よって、第一の温接点４の温度ＴＵ＿ｈｏｔと第二の温接点５の温度ＴＤ＿ｈｏｔとは同一となる。すなわち、サーモパイル３の出力は生じない。一方、流体が流れている場合、ヒータ２からの熱は、流体の流れの影響を受け、ヒータ２を中心として対称に広がらず、第二の温接点５の方向へ、より拡散していく。よって、第一の温接点４の温度ＴＵ＿ｈｏｔと第二の温接点５の温度ＴＤ＿ｈｏｔとには差が生じる。そして、当該温度差に比例してサーモパイル３から出力が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル３の起電力の大小で検出できる。また、流体の流れる向きにより、第一の温接点４と第二の温接点５との温度差の正負が逆転し、起電力の正負も逆転するため、流体の流れる向きを検出できる。
次に、検出装置１を用いた流量検出の原理を説明する。図３は、検出装置１を用いた流量検出の原理を模式的に例示する。図３（Ａ）は、流体が流れていない状態でヒータ２に通電されている場合の温度分布の一例を模式的に例示する。一方、図３（Ｂ）は、流体が流れている状態でヒータ２に通電されている場合の温度分布の一例を模式的に例示する。流体が流れていない場合、ヒータ２により発生させられた熱は、ヒータ２を中心として対称に拡散する。よって、第一の温接点４の温度ＴＵ＿ｈｏｔと第二の温接点５の温度ＴＤ＿ｈｏｔとは同一となる。すなわち、サーモパイル３の出力は生じない。一方、流体が流れている場合、ヒータ２からの熱は、流体の流れの影響を受け、ヒータ２を中心として対称に広がらず、第二の温接点５の方向へ、より拡散していく。よって、第一の温接点４の温度ＴＵ＿ｈｏｔと第二の温接点５の温度ＴＤ＿ｈｏｔとには差が生じる。そして、当該温度差に比例してサーモパイル３から出力が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル３の起電力の大小で検出できる。また、流体の流れる向きにより、第一の温接点４と第二の温接点５との温度差の正負が逆転し、起電力の正負も逆転するため、流体の流れる向きを検出できる。
§３ 検出装置１の形成工程
次に、本実施形態に係る検出装置１の形成工程の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る検出装置１の形成工程の一例を例示するフローチャートである。なお、以下で説明する処理手順は一例に過ぎず、各処理は可能な限り変更されてよい。また、以下で説明する処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が可能である。
次に、本実施形態に係る検出装置１の形成工程の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る検出装置１の形成工程の一例を例示するフローチャートである。なお、以下で説明する処理手順は一例に過ぎず、各処理は可能な限り変更されてよい。また、以下で説明する処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が可能である。
（ステップＳ１０１）
図５は、ステップＳ１０１における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０１では、基板７を用意する。そして、シリコン酸化膜１０を基板７の全面に成膜する。その後、空洞８の開口９となる部分をエッチングなどにより除去する。ただし、開口９となる部分であって、ヒータ２が形成される部分の中央部分のシリコン酸化膜１０は除去せずに残しておく。また、シリコン酸化膜１０は、膜６の一部となる。
図５は、ステップＳ１０１における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０１では、基板７を用意する。そして、シリコン酸化膜１０を基板７の全面に成膜する。その後、空洞８の開口９となる部分をエッチングなどにより除去する。ただし、開口９となる部分であって、ヒータ２が形成される部分の中央部分のシリコン酸化膜１０は除去せずに残しておく。また、シリコン酸化膜１０は、膜６の一部となる。
（ステップＳ１０２）
図６は、ステップＳ１０２における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０２では、シリコン酸化膜１０を除去した部分に、ポリシリコン層１１が形成される。ポリシリコン層１１は、シリコン酸化膜１０を除去した部分を囲むシリコン酸化膜１０の表面部分１２まで延長して形成される。また、ヒータ２が形成される部分のシリコン酸化膜１０の表面にもポリシリコン層１１が形成され、ヒータ２として使用する。
図６は、ステップＳ１０２における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０２では、シリコン酸化膜１０を除去した部分に、ポリシリコン層１１が形成される。ポリシリコン層１１は、シリコン酸化膜１０を除去した部分を囲むシリコン酸化膜１０の表面部分１２まで延長して形成される。また、ヒータ２が形成される部分のシリコン酸化膜１０の表面にもポリシリコン層１１が形成され、ヒータ２として使用する。
（ステップＳ１０３）
図７は、ステップＳ１０３における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０３では、ヒータ２を跨ぐようにサーモパイル３が形成される。
図７は、ステップＳ１０３における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０３では、ヒータ２を跨ぐようにサーモパイル３が形成される。
（ステップＳ１０４）
図８は、ステップＳ１０４における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０４では、基板７をエッチングすることにより空洞８を形成する場合（後述する）にサーモパイル３を保護する筐体膜１３が付与される。また、筐体膜１３は、空洞８がヒータ２及びサーモパイル３の下部に形成された場合であっても強度が保てるように形成される。また、筐体膜１３は、膜６の一部となる。
図８は、ステップＳ１０４における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０４では、基板７をエッチングすることにより空洞８を形成する場合（後述する）にサーモパイル３を保護する筐体膜１３が付与される。また、筐体膜１３は、空洞８がヒータ２及びサーモパイル３の下部に形成された場合であっても強度が保てるように形成される。また、筐体膜１３は、膜６の一部となる。
（ステップＳ１０５）
図９は、ステップＳ１０５における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０５では、筐体膜１３を貫通するようにエッチングホール１４を設ける。エッチングホール１４により、系外とポリシリコン層１１とは連通する。
図９は、ステップＳ１０５における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０５では、筐体膜１３を貫通するようにエッチングホール１４を設ける。エッチングホール１４により、系外とポリシリコン層１１とは連通する。
（ステップＳ１０６）
図１０は、ステップＳ１０６における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０６では、エッチングホール１４からポリシリコン層１１及び基板７を腐食させる腐食剤を供給する。腐食剤は、例えばＴＭＡＨ（ＴｅｔｒＡｍｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍ
ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）液である。ここで、ポリシリコン層１１は、シリコンの多結晶体により形成されるため、ＴＭＡＨ液によって腐食が等方的に進行する性質を有する。すなわち、ポリシリコン層１１は、基板７の実装面方向に腐食が等方的に進行していく。また、ＴＭＡＨ液は、ポリシリコン層１１を介し、基板７へも浸透する。そして、基板７も腐食が進行する。
図１０は、ステップＳ１０６における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０６では、エッチングホール１４からポリシリコン層１１及び基板７を腐食させる腐食剤を供給する。腐食剤は、例えばＴＭＡＨ（ＴｅｔｒＡｍｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍ
ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）液である。ここで、ポリシリコン層１１は、シリコンの多結晶体により形成されるため、ＴＭＡＨ液によって腐食が等方的に進行する性質を有する。すなわち、ポリシリコン層１１は、基板７の実装面方向に腐食が等方的に進行していく。また、ＴＭＡＨ液は、ポリシリコン層１１を介し、基板７へも浸透する。そして、基板７も腐食が進行する。
（ステップＳ１０７）
図１１は、ステップＳ１０７における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０７では、ＴＭＡＨ液の腐食は、シリコン酸化膜１０の表面部分１２の上に存在するポリシリコン層１１まで進行し、隙間１７が形成される。また、基板７が所望の深さまで腐食が進行し空洞８が形成される。そして、ＴＭＡＨ液のエッチングホール１４からの供給は停止される。
図１１は、ステップＳ１０７における工程の概要の一例を模式的に例示する。ステップＳ１０７では、ＴＭＡＨ液の腐食は、シリコン酸化膜１０の表面部分１２の上に存在するポリシリコン層１１まで進行し、隙間１７が形成される。また、基板７が所望の深さまで腐食が進行し空洞８が形成される。そして、ＴＭＡＨ液のエッチングホール１４からの供給は停止される。
ここで、ポリシリコン層１１は、ＴＭＡＨ液によって腐食が等方的に進行する性質を有する。よって、空洞８の寸法のばらつきは抑制される。また、隙間１７の寸法のばらつき
も抑制される。換言すれば、空洞８に露出される筐体膜１３の面積のばらつきは抑制される。従って、空洞内の熱が筐体膜１３へ伝わる度合のばらつきは抑制される。すなわち、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度が空洞の形成具合によってばらつくことは抑制される。よって、サーモパイル３からの出力の差に基づいて、流体の流量を求める場合に、求められる流量のばらつきは抑制される。
も抑制される。換言すれば、空洞８に露出される筐体膜１３の面積のばらつきは抑制される。従って、空洞内の熱が筐体膜１３へ伝わる度合のばらつきは抑制される。すなわち、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度が空洞の形成具合によってばらつくことは抑制される。よって、サーモパイル３からの出力の差に基づいて、流体の流量を求める場合に、求められる流量のばらつきは抑制される。
［作用・効果］
上記のような検出装置１によれば、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度が、流体が流れていない場合に略同一となり、流体が流れている場合に異なる。よって、流体が流れていない場合と流体が流れる場合とでサーモパイル３の出力に差が生じる。また、流体の流量に応じてサーモパイル３からの出力の差は変化する。よって、サーモパイル３からの出力の差に基づいて、流体の流量を取得することができる。
上記のような検出装置１によれば、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度が、流体が流れていない場合に略同一となり、流体が流れている場合に異なる。よって、流体が流れていない場合と流体が流れる場合とでサーモパイル３の出力に差が生じる。また、流体の流量に応じてサーモパイル３からの出力の差は変化する。よって、サーモパイル３からの出力の差に基づいて、流体の流量を取得することができる。
また、上記の検出装置１によれば、サーモパイル３の第一の温接点４と第二の温接点５は、開口９の内側に配置されている。よって、基板７から第一の温接点４または第二の温接点５への熱の移動は抑制される。よって、サーモパイル３の出力が、基板７の温度に影響されることは抑制される。また、基板７の外部の温度、又は基板７の近傍を流れる流体の温度による影響は軽減される。すなわち、サーモパイル３の出力の精度の低下は抑制される。よって、サーモパイル３の出力を利用して求める流体の流量の精度は高まる。
また、上記の検出装置１によれば、基板７を製造する場合に生じる寸法のばらつきによって形成される空洞８の寸法が変わった場合であっても、サーモパイル３の長さを変更し、第一の温接点４と第二の温接点５とが開口９の縁を跨ぐように調節せずに済む。すなわち、空洞８の寸法が変わった場合であっても、サーモパイル３の長さを変更せずにサーモパイル３の出力のばらつきを抑制することができる。また、基板７の寸法がばらついた場合であっても、基板７を検出装置１に使用することができ、基板７を廃棄する頻度は低減される。その結果、基板７の生産性は向上する。
また、上記の検出装置１とは異なり、図１に示されるように、基板にサーモパイルの冷接点が配置される場合、冷接点を介して熱がサーモパイルから基板へ移動する。よって、温接点と冷接点との間の距離を長く取り、温接点と冷接点との間の電線に熱を蓄えておく対策が必要となる場合が考えられる。一方、上記の検出装置１によれば、冷接点は基板７に配置されず、第一の温接点４及び第二の温接点５は開口９の内側に配置される。よって、熱が基板７へ移動することは抑制される。換言すれば、サーモパイル３の距離を短くすることができる。よって、検出装置１の小型化が実現される。
また、上記の検出装置１によれば、サーモパイル３が開口９の縁を跨いで配置されていないため、ヒータ２が生じさせた熱がサーモパイル３を伝って基板７へ移動することは抑制される。よって、熱損失が軽減される。また、基板７への熱の移動が抑制されるため、分布する熱量の低下が抑制される。よって、流体の流速が速く、熱が流体によって奪われやすい状態である場合であっても、流体の流量は検出可能となる。すなわち、流体の流れる流量の変化に対するサーモパイル３の感度の向上および消費される電流の低減が可能となる。
また、上記の検出装置１によれば、サーモパイル３は１つで済む。よって、構造が簡易となり、低コスト化が実現される。また、電気回路が簡素化される。また、サーモパイル３が他の素子や配線とワイヤボンディングされる場合、ワイヤボンディングに使用されるワイヤ本数を削減することができる。また、サーモパイルの個数が減るため不良発生率が低下する。
また、上記の検出装置１によれば、ヒータ２及びサーモパイル３が配置される部分の幅を狭めることができる。すなわち、検出装置１の小型化が実現される。
§４ 変形例
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
＜４．１＞
図１２は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ａの概要の一例を示している。図１２（Ａ）は、検出装置１Ａの上面図、図１２（Ｂ）は、検出装置１Ａの断面図の一例として、図１２（Ａ）におけるＡ−Ａ矢印断面図を示している。検出装置１Ａは、検出装置１の構造に加えて、系外と開口９の縁とを連通させる孔１５を備える。孔１５は、ヒータ２を中心として流体の流れる方向に並べて配置される。また、孔１５は、サーモパイル３の長手方向について、第一の温接点４及び第二の温接点５よりも外側に設けられる。
図１２は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ａの概要の一例を示している。図１２（Ａ）は、検出装置１Ａの上面図、図１２（Ｂ）は、検出装置１Ａの断面図の一例として、図１２（Ａ）におけるＡ−Ａ矢印断面図を示している。検出装置１Ａは、検出装置１の構造に加えて、系外と開口９の縁とを連通させる孔１５を備える。孔１５は、ヒータ２を中心として流体の流れる方向に並べて配置される。また、孔１５は、サーモパイル３の長手方向について、第一の温接点４及び第二の温接点５よりも外側に設けられる。
このような検出装置１Ａによれば基板７とサーモパイル３との間の熱の移動を抑制することができる。換言すれば、サーモパイル３あるいはヒータ２と基板７との距離を短くした場合であっても、熱が膜６の中央部分に留まり、サーモパイル３からの出力の変動は抑制される。すなわち、検出装置１Ａの小型化が実現される。
＜４．２＞
図１３は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ｂの断面図の一例を示している。検出装置１Ｂは、サーモパイル３の第一の温接点４及び第二の温接点５がその長手方向について、開口９の法線方向から見て開口９の中央部分を中心として開口９の内部に対称に配置される。また、ヒータ２は、開口９の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、第一の温接点４と第二の温接点５との間の部分の中央に配置される。そして、ヒータ２は、開口９の法線方向については、サーモパイル３を挟んで空洞８と反対側に配置される。
図１３は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ｂの断面図の一例を示している。検出装置１Ｂは、サーモパイル３の第一の温接点４及び第二の温接点５がその長手方向について、開口９の法線方向から見て開口９の中央部分を中心として開口９の内部に対称に配置される。また、ヒータ２は、開口９の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、第一の温接点４と第二の温接点５との間の部分の中央に配置される。そして、ヒータ２は、開口９の法線方向については、サーモパイル３を挟んで空洞８と反対側に配置される。
このような検出装置１Ｂによれば、流体が流れる部分により近い場所にヒータ２を配置することができる。よって、流体が流れる部分に分布する熱量は大きくなる。よって、流体の流速が速く、熱が流体によって奪われやすい状態である場合であっても、流体の流量は検出可能となる。すなわち、流体の流れに対して高感度な検出装置１Ｂを形成することができる。
＜４．３＞
図１４は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ｃの概要の一例を示している。図１４（Ａ）は、検出装置１Ｃの上面図、図１４（Ｂ）は、検出装置１Ｃの断面図の一例として、図１４（Ａ）におけるＡ−Ａ矢印断面図を示している。検出装置１Ｃにおいて、サーモパイル３は、その長手方向について、第一の温接点４と第二の温接点５が、開口９の法線方向から見て、開口９の中央部分に対して対称となるように配置される。そして、ヒータ２Ａ、２Ｂは、その長手方向と垂直な方向について、開口９の法線方向から見てサーモパイル３の第一の温接点４および第二の温接点５の外側に、サーモパイル３と並べて配置される。
図１４は、本実施形態の変形例に係る検出装置１Ｃの概要の一例を示している。図１４（Ａ）は、検出装置１Ｃの上面図、図１４（Ｂ）は、検出装置１Ｃの断面図の一例として、図１４（Ａ）におけるＡ−Ａ矢印断面図を示している。検出装置１Ｃにおいて、サーモパイル３は、その長手方向について、第一の温接点４と第二の温接点５が、開口９の法線方向から見て、開口９の中央部分に対して対称となるように配置される。そして、ヒータ２Ａ、２Ｂは、その長手方向と垂直な方向について、開口９の法線方向から見てサーモパイル３の第一の温接点４および第二の温接点５の外側に、サーモパイル３と並べて配置される。
すなわち、検出装置１Ｃは、流体が流れる向きに、ヒータ２Ａ、第一の温接点４、第二の温接点５、ヒータ２Ｂの順に夫々の部品が並べられる。すなわち、流体が流れていない
場合、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度は等しくなる。一方で、流体が流れている場合、第一の温接点４の温度は上昇し、第二の温接点５の温度は下降する。
場合、第一の温接点４の温度と第二の温接点５の温度は等しくなる。一方で、流体が流れている場合、第一の温接点４の温度は上昇し、第二の温接点５の温度は下降する。
また、検出装置１Ｃを形成する工程において、ヒータ２Ａ、２Ｂがシリコン酸化膜１０の表面に形成されるとともに、サーモパイル３もシリコン酸化膜１０の表面に並んで一緒に形成される。
このような検出装置１Ｃによれば、検出装置１Ｃを形成する工程において、ヒータ２Ａ、２Ｂ及びサーモパイル３を形成する場合、ヒータ２Ａ、２Ｂとサーモパイル３とを一緒に形成することができる。すなわち、検出装置１Ｃの形成工程は簡略化される。
また、上記の実施形態や変形例において例示したヒータ及びサーモパイルの配置場所は、一例であって、上記の場所に限定されない。ヒータ及びサーモパイルの配置場所は、第一の温接点４及び前記第二の温接点５が、開口９の内部に配置され、ヒータ２は、流体が流れていない場合と流体が流れている場合とで、第一の温接点４の温度、及び第二の温接点５の温度が変化するような熱の分布を生じさせる場所であればよい。
また、上記の検出装置を形成する過程において開けたエッチングホール１４を孔１５としてもよい。
また、孔１５は、サーモパイル３の長手方向について、第一の温接点４あるいは第二の温接点５の少なくとも何れか一方の温接点よりも外側に設けられていてもよい。
また、ヒータは、その長手方向と垂直な方向について、開口９の法線方向から見てサーモパイル３の第一の温接点４、あるいは第二の温接点５の少なくとも何れか一方の温接点の外側に、サーモパイル３と並べて配置されてもよい。
以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせる事ができる。
なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜付記１＞
表面の一部に開口（９）する空洞（８）を有する基板と、
前記基板の前記表面に前記開口（９）を覆うように設けられる薄膜層（６、１０、１３）と、
前記薄膜層に設けられ、略線状の形状を有する加熱器（２、２Ａ、２Ｂ）と、
前記薄膜層に設けられ複数の熱電対が直列に接続されて形成された熱電対列（３）と、を備え、
前記熱電対列（３）における各々の熱電対においては、前記加熱器（２、２Ａ、２Ｂ）の長手方向と垂直な方向に、第一の温接点（４）と第二の温接点（５）とが配置され、前記第一の温接点（４）の温度及び前記第二の温接点（５）の温度差に基づいて出力が生成されるとともに、前記第一の温接点（４）及び前記第二の温接点（５）は、前記開口（９）の法線方向から見て該開口（９）の内側に配置される、
検出装置（１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）。
＜付記２＞
前記薄膜層（６、１０、１３）は系外と前記開口（９）の縁とを連通させる孔（１５）を備え、
前記開口（９）の縁は、前記開口（９）の法線方向から見て該開口（９）の内側であって、前記熱電対の長手方向について、前記第一の温接点（４）および／または前記第二の温接点（５）より外側の領域である、
付記１に記載の検出装置（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）。
＜付記３＞
前記加熱器（２）は、その長手方向と垂直な方向について前記開口（９）の中央部分に１つ配置され、
前記熱電対は、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記加熱器（２）を中心として前記加熱器（２）を跨いで対称となるように配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１、１Ａ）。
＜付記４＞
前記熱電対は、前記開口（９）の法線方向から見て、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記熱電対の長手方向について前記開口（９）の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器（２）は、前記開口（９）の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）との間の部分の中央に配置され、前記開口（９）の法線方向については、前記熱電対列（３）を挟んで前記空洞（８）と反対側に配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１Ｂ）。
＜付記５＞
前記熱電対は、その長手方向について、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記開口（９）の法線方向から見て、前記開口（９）の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器（２Ａ、２Ｂ）は、その長手方向と垂直な方向について、前記開口（９）の法線方向から見て前記熱電対の前記第一の温接点（４）および／または前記第二の温接点（５）の外側に、前記熱電対と並べて配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１Ｃ）。
＜付記１＞
表面の一部に開口（９）する空洞（８）を有する基板と、
前記基板の前記表面に前記開口（９）を覆うように設けられる薄膜層（６、１０、１３）と、
前記薄膜層に設けられ、略線状の形状を有する加熱器（２、２Ａ、２Ｂ）と、
前記薄膜層に設けられ複数の熱電対が直列に接続されて形成された熱電対列（３）と、を備え、
前記熱電対列（３）における各々の熱電対においては、前記加熱器（２、２Ａ、２Ｂ）の長手方向と垂直な方向に、第一の温接点（４）と第二の温接点（５）とが配置され、前記第一の温接点（４）の温度及び前記第二の温接点（５）の温度差に基づいて出力が生成されるとともに、前記第一の温接点（４）及び前記第二の温接点（５）は、前記開口（９）の法線方向から見て該開口（９）の内側に配置される、
検出装置（１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）。
＜付記２＞
前記薄膜層（６、１０、１３）は系外と前記開口（９）の縁とを連通させる孔（１５）を備え、
前記開口（９）の縁は、前記開口（９）の法線方向から見て該開口（９）の内側であって、前記熱電対の長手方向について、前記第一の温接点（４）および／または前記第二の温接点（５）より外側の領域である、
付記１に記載の検出装置（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）。
＜付記３＞
前記加熱器（２）は、その長手方向と垂直な方向について前記開口（９）の中央部分に１つ配置され、
前記熱電対は、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記加熱器（２）を中心として前記加熱器（２）を跨いで対称となるように配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１、１Ａ）。
＜付記４＞
前記熱電対は、前記開口（９）の法線方向から見て、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記熱電対の長手方向について前記開口（９）の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器（２）は、前記開口（９）の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）との間の部分の中央に配置され、前記開口（９）の法線方向については、前記熱電対列（３）を挟んで前記空洞（８）と反対側に配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１Ｂ）。
＜付記５＞
前記熱電対は、その長手方向について、前記第一の温接点（４）と前記第二の温接点（５）が、前記開口（９）の法線方向から見て、前記開口（９）の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器（２Ａ、２Ｂ）は、その長手方向と垂直な方向について、前記開口（９）の法線方向から見て前記熱電対の前記第一の温接点（４）および／または前記第二の温接点（５）の外側に、前記熱電対と並べて配置される、
付記１又は２に記載の検出装置（１Ｃ）。
１ ：検出装置
１Ａ ：検出装置
１Ｂ ：検出装置
１Ｃ ：検出装置
２ ：ヒータ
２Ａ ：ヒータ
２Ｂ ：ヒータ
３ ：サーモパイル
４ ：第一の温接点
５ ：第二の温接点
６ ：膜
７ ：基板
８ ：空洞
９ ：開口
１０ ：シリコン酸化膜
１１ ：ポリシリコン層
１２ ：表面部分
１３ ：筐体膜
１４ ：エッチングホール
１５ ：孔
１７ ：隙間
３１ ：従来の検出装置
３２ ：ヒータ
３３Ａ ：サーモパイル
３３Ｂ ：サーモパイル
３４Ａ ：第一の温接点
３４Ｂ ：第二の温接点
３５Ａ ：第一の冷接点
３５Ｂ ：第二の冷接点
３６ ：膜
３７ ：基板
３８ ：空洞
３９ ：開口
１Ａ ：検出装置
１Ｂ ：検出装置
１Ｃ ：検出装置
２ ：ヒータ
２Ａ ：ヒータ
２Ｂ ：ヒータ
３ ：サーモパイル
４ ：第一の温接点
５ ：第二の温接点
６ ：膜
７ ：基板
８ ：空洞
９ ：開口
１０ ：シリコン酸化膜
１１ ：ポリシリコン層
１２ ：表面部分
１３ ：筐体膜
１４ ：エッチングホール
１５ ：孔
１７ ：隙間
３１ ：従来の検出装置
３２ ：ヒータ
３３Ａ ：サーモパイル
３３Ｂ ：サーモパイル
３４Ａ ：第一の温接点
３４Ｂ ：第二の温接点
３５Ａ ：第一の冷接点
３５Ｂ ：第二の冷接点
３６ ：膜
３７ ：基板
３８ ：空洞
３９ ：開口
Claims (5)
- 表面の一部に開口する空洞を有する基板と、
前記基板の前記表面に前記開口を覆うように設けられる薄膜層と、
前記薄膜層に設けられ、略線状の形状を有する加熱器と、
前記薄膜層に設けられ複数の熱電対が直列に接続されて形成された熱電対列と、
を備え、
前記熱電対列における各々の熱電対においては、前記加熱器の長手方向と垂直な方向に、第一の温接点と第二の温接点とが配置され、前記第一の温接点の温度及び前記第二の温接点の温度差に基づいて出力が生成されるとともに、前記第一の温接点及び前記第二の温接点は、前記開口の法線方向から見て該開口の内側に配置される、
検出装置。 - 前記薄膜層は系外と前記開口の縁とを連通させる孔を備え、
前記開口の縁は、前記開口の法線方向から見て該開口の内側であって、前記熱電対の長手方向について、前記第一の温接点および／または前記第二の温接点より外側の領域である、
請求項１に記載の検出装置。 - 前記加熱器は、その長手方向と垂直な方向について前記開口の中央部分に１つ配置され、
前記熱電対は、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記加熱器を中心として前記加熱器を跨いで対称となるように配置される、
請求項１又は２に記載の検出装置。 - 前記熱電対は、前記開口の法線方向から見て、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記熱電対の長手方向について前記開口の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器は、前記開口の法線方向から見て長手方向と垂直な方向については、前記第一の温接点と前記第二の温接点との間の部分の中央に配置され、前記開口の法線方向については、前記熱電対列を挟んで前記空洞と反対側に配置される、
請求項１又は２に記載の検出装置。 - 前記熱電対は、その長手方向について、前記第一の温接点と前記第二の温接点が、前記開口の法線方向から見て、前記開口の中央部分に対して対称となるように配置され、
前記加熱器は、その長手方向と垂直な方向について、前記開口の法線方向から見て前記熱電対の前記第一の温接点および／または前記第二の温接点の外側に、前記熱電対と並べて配置される、
請求項１又は２に記載の検出装置。
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- 2019-11-29 WO PCT/JP2019/046770 patent/WO2020158155A1/ja active Application Filing
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