JP3096820B2 - ダイアフラムセンサ - Google Patents
ダイアフラムセンサInfo
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- JP3096820B2 JP3096820B2 JP03106528A JP10652891A JP3096820B2 JP 3096820 B2 JP3096820 B2 JP 3096820B2 JP 03106528 A JP03106528 A JP 03106528A JP 10652891 A JP10652891 A JP 10652891A JP 3096820 B2 JP3096820 B2 JP 3096820B2
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- Japan
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- diaphragm
- temperature
- slit
- temperature measuring
- measuring resistance
- Prior art date
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、流量検出素子などに用
いられるダイアフラムセンサに関するものである。
いられるダイアフラムセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５は流体の流速を検出する従来のマイ
クロブリッジ型フローセンサの一例を示す斜視図であ
る。同図において、１はシリコンからなる半導体基板で
あり、この半導体基板１の中央部には異方性エッチング
により両側の開口２，３を連通する貫通孔、つまり空隙
部４が形成されており、この空隙部の上部には半導体基
板１からブリッジ状に空間的に隔離され結果的に半導体
基板１から熱的に絶縁された橋絡部５が形成されてい
る。そしてこの橋絡部５の表面には通常の薄膜形成技術
により薄膜のヒータエレメント７とそれを挟む薄膜の測
温抵抗エレメント８，９が配列して形成されている。ま
た、半導体基板１上の角部には薄膜の測温抵抗エレメン
ト１０が形成されている。なお、１１は半導体基板１上
の各開口２，３の中央部分に形成されたスリット状の中
央開口であり、これらの開口２，３および中央開口１１
によって露出したシリコン部分をＫＯＨなどの溶液で異
方性エッチングを行うことによりエッチングの断面形状
が逆台形を有する空隙部４が形成されるとともにその空
隙部４によって半導体基板１からヒータエレメント７お
よび測温抵抗エレメント８，９が熱的に絶縁されて支持
された橋絡部５が形成される。
クロブリッジ型フローセンサの一例を示す斜視図であ
る。同図において、１はシリコンからなる半導体基板で
あり、この半導体基板１の中央部には異方性エッチング
により両側の開口２，３を連通する貫通孔、つまり空隙
部４が形成されており、この空隙部の上部には半導体基
板１からブリッジ状に空間的に隔離され結果的に半導体
基板１から熱的に絶縁された橋絡部５が形成されてい
る。そしてこの橋絡部５の表面には通常の薄膜形成技術
により薄膜のヒータエレメント７とそれを挟む薄膜の測
温抵抗エレメント８，９が配列して形成されている。ま
た、半導体基板１上の角部には薄膜の測温抵抗エレメン
ト１０が形成されている。なお、１１は半導体基板１上
の各開口２，３の中央部分に形成されたスリット状の中
央開口であり、これらの開口２，３および中央開口１１
によって露出したシリコン部分をＫＯＨなどの溶液で異
方性エッチングを行うことによりエッチングの断面形状
が逆台形を有する空隙部４が形成されるとともにその空
隙部４によって半導体基板１からヒータエレメント７お
よび測温抵抗エレメント８，９が熱的に絶縁されて支持
された橋絡部５が形成される。
【０００３】図６（ａ），（ｂ）は図５に示すマイクロ
ブリッジ型フローセンサの動作を示す説明図であり、同
図（ａ）は各エレメントの温度分布を示し，同図（ｂ）
は図６のＢ−Ｂ′線断面を示している。なお、図中、６
は半導体基板１上に形成されるヒータエレメント７など
の素子を保護するための保護膜であり、これは熱伝導率
の低い窒化シリコンなどの材料により形成されている。
ブリッジ型フローセンサの動作を示す説明図であり、同
図（ａ）は各エレメントの温度分布を示し，同図（ｂ）
は図６のＢ−Ｂ′線断面を示している。なお、図中、６
は半導体基板１上に形成されるヒータエレメント７など
の素子を保護するための保護膜であり、これは熱伝導率
の低い窒化シリコンなどの材料により形成されている。
【０００４】ここで、ヒータエレメント７を周囲温度よ
りもある一定の高い温度ｔh （例えば６３℃：周囲温度
基準）で制御すると、測温抵抗エレメント８，９の温度
ｔ3 ，ｔ4 （例えば３５℃：周囲温度基準）は図６
（ａ）に示すように略等しくなる。このとき、例えば図
５に示すように矢印方向１２に気体が移動すると、上流
側の測温抵抗エレメント８は冷却され、ΔＴ3 だけ降温
する。一方、下流側の測温抵抗エレメント９は温度がΔ
Ｔ4 だけ昇温する。この結果、上流側の測温抵抗エレメ
ント８と下流側測温抵抗エレメント９との間に温度差が
生じる。このため、測温抵抗エレメント８，９をホィー
トストンブリッジ回路に組み込み、その温度差を電圧に
変換することにより、気体の流速の応じた電圧出力が得
られ、その結果、気体の流速を検出することができる。
りもある一定の高い温度ｔh （例えば６３℃：周囲温度
基準）で制御すると、測温抵抗エレメント８，９の温度
ｔ3 ，ｔ4 （例えば３５℃：周囲温度基準）は図６
（ａ）に示すように略等しくなる。このとき、例えば図
５に示すように矢印方向１２に気体が移動すると、上流
側の測温抵抗エレメント８は冷却され、ΔＴ3 だけ降温
する。一方、下流側の測温抵抗エレメント９は温度がΔ
Ｔ4 だけ昇温する。この結果、上流側の測温抵抗エレメ
ント８と下流側測温抵抗エレメント９との間に温度差が
生じる。このため、測温抵抗エレメント８，９をホィー
トストンブリッジ回路に組み込み、その温度差を電圧に
変換することにより、気体の流速の応じた電圧出力が得
られ、その結果、気体の流速を検出することができる。
【０００５】このように従来のマイクロブリッジ型フロ
ーセンサは、薄膜技術および異方性エッチング技術によ
り形成された極めて熱容量の小さい薄膜橋絡構造を有す
るもので、応答速度が極めて速く、高感度，低消費電力
であり、しかも量産性が良いなどの優れた利点を有して
いる。
ーセンサは、薄膜技術および異方性エッチング技術によ
り形成された極めて熱容量の小さい薄膜橋絡構造を有す
るもので、応答速度が極めて速く、高感度，低消費電力
であり、しかも量産性が良いなどの優れた利点を有して
いる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロブリッジ型フローセンサでは、半導体基板１の
一部を異方性エッチングにより除去して空隙部４を形成
する場合、エッチング用開口のうち、特に左右両側の開
口２，３が比較的大きくなっていた。このため、気体の
流れが空隙部４内にも入り込んでしまい、気体中に含ま
れているゴミ（ダスト）などがその開口２，３の周辺に
付着したりあるいは空隙部４内に入り込むなどしてセン
サ特性に悪影響を与えるという問題があった。これに対
して、特開昭６１−８８５３２号公報に開示されたよう
なダイアフラムセンサを用いればゴミの付着を少なくで
きるが、その一方で、上流側測温抵抗エレメントと下流
側測温抵抗エレメントとの間のＴＣＲミスマッチのドリ
フトによる出力誤差が大きくなったり、低流速（低流
量）の測定が精度良く安定して行うことができなくなっ
たりするという問題が新たに生じる。
マイクロブリッジ型フローセンサでは、半導体基板１の
一部を異方性エッチングにより除去して空隙部４を形成
する場合、エッチング用開口のうち、特に左右両側の開
口２，３が比較的大きくなっていた。このため、気体の
流れが空隙部４内にも入り込んでしまい、気体中に含ま
れているゴミ（ダスト）などがその開口２，３の周辺に
付着したりあるいは空隙部４内に入り込むなどしてセン
サ特性に悪影響を与えるという問題があった。これに対
して、特開昭６１−８８５３２号公報に開示されたよう
なダイアフラムセンサを用いればゴミの付着を少なくで
きるが、その一方で、上流側測温抵抗エレメントと下流
側測温抵抗エレメントとの間のＴＣＲミスマッチのドリ
フトによる出力誤差が大きくなったり、低流速（低流
量）の測定が精度良く安定して行うことができなくなっ
たりするという問題が新たに生じる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このように、ダイアフラ
ム構造を採用してゴミの付着を抑えることにより新たに
生じた課題を解決するために本発明による第１のダイア
フラムセンサは、基板の一部に空間を設けて薄肉面状に
形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部に形
成された発熱部と、この発熱部の両側に対称に形成され
た測温抵抗部とを備えたダイアフラムセンサにおいて、
発熱部と両側の測温抵抗部との間に気流方向と略垂直方
向に長手方向を持つように細長く形成されたスリット部
を設けたものである。また、本発明による第２のダイア
フラムセンサは、第１のダイアフラムセンサに加えて発
熱部の長手方向端部にスリットを設けたものである。ま
た、本発明による第３のダイアフラムセンサは、第１の
ダイアフラムセンサまたは第２のダイアフラムセンサに
加えて測温抵抗部の外周部にスリットを設けたものであ
る。
ム構造を採用してゴミの付着を抑えることにより新たに
生じた課題を解決するために本発明による第１のダイア
フラムセンサは、基板の一部に空間を設けて薄肉面状に
形成されたダイアフラム部と、このダイアフラム部に形
成された発熱部と、この発熱部の両側に対称に形成され
た測温抵抗部とを備えたダイアフラムセンサにおいて、
発熱部と両側の測温抵抗部との間に気流方向と略垂直方
向に長手方向を持つように細長く形成されたスリット部
を設けたものである。また、本発明による第２のダイア
フラムセンサは、第１のダイアフラムセンサに加えて発
熱部の長手方向端部にスリットを設けたものである。ま
た、本発明による第３のダイアフラムセンサは、第１の
ダイアフラムセンサまたは第２のダイアフラムセンサに
加えて測温抵抗部の外周部にスリットを設けたものであ
る。
【０００８】本発明における第１のダイアフラムセンサ
は、発熱部の両側に対称に測温抵抗部を配置し、この発
熱部と両側の測温抵抗部との間に気流方向と略垂直方向
に長手方向を持つように細長く形成されたスリット部を
設けたことにより、発熱部から両側測温抵抗部へのダイ
アフラム部部材を通しての熱伝導が小さくなる。また、
本発明における第２のダイアフラムセンサは、発熱部の
長手方向端部にスリット部を設けたことにより、発熱部
から基板厚肉部へのダイアフラム部部材を通しての熱伝
導が小さくなる。また、本発明における第３のダイアフ
ラムセンサは、測温抵抗部の外周部にスリット部を設け
たことにより、測温抵抗部の基板厚肉部へのダイアフラ
ム部部材を通しての熱伝導が小さくなる。
は、発熱部の両側に対称に測温抵抗部を配置し、この発
熱部と両側の測温抵抗部との間に気流方向と略垂直方向
に長手方向を持つように細長く形成されたスリット部を
設けたことにより、発熱部から両側測温抵抗部へのダイ
アフラム部部材を通しての熱伝導が小さくなる。また、
本発明における第２のダイアフラムセンサは、発熱部の
長手方向端部にスリット部を設けたことにより、発熱部
から基板厚肉部へのダイアフラム部部材を通しての熱伝
導が小さくなる。また、本発明における第３のダイアフ
ラムセンサは、測温抵抗部の外周部にスリット部を設け
たことにより、測温抵抗部の基板厚肉部へのダイアフラ
ム部部材を通しての熱伝導が小さくなる。
【０００９】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明によるダイアフラムセンサの一
実施例による構成を示す図であり、図（ａ）は上方から
見た要部平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断
面図である。同図において、２１は基板として例えばシ
リコンからなる半導体基板であり、この半導体基板２１
の背面側中央部には例えば異方性エッチングにより表面
側に連通しない断面が台形状の開口２２が形成されてお
り、この開口２２の底部側、つまり半導体基板２１の表
面側には薄肉状のダイアフラム部２３が一体的に形成さ
れている。また、このダイアフラム部２３の表面中央部
には、通常の薄膜形成技術により薄膜のヒータエレメン
ト７が形成されている。さらにこのヒータエレメント７
を挟む両側には、所定距離離間して通常の薄膜形成技術
により薄膜の測温抵抗エレメント８，９が対称に配列し
て形成されている。また、このヒータエレメント７とそ
の両側の測温抵抗エレメント８，９との間には、その長
手方向に沿ってダイアフラム部２３の薄肉部を貫通する
帯状のスリット部２４ｌ，２４ｒが穿設され、さらに両
側の測温抵抗エレメント８，９の外側にも長手方向に沿
ってこのダイアフラム部２３の薄肉部を貫通する複数の
角穴を断続的に連結したスリット部２５ｌ，２５ｒが穿
設されている。また、同様にこのヒータエレメント７の
長手方向両端側にはこのダイアフラム部２３の薄肉部を
貫通するスリット部２４ｕ，２４ｄが穿設され、さらに
両側の測温抵抗エレメント８，９の長手方向両端側にも
このダイアフラム部２３の薄肉部を貫通するスリット部
２５ｕ，２５ｄが穿設されている。なお、これらのスリ
ット部２４ｌ，２４ｒ，２４ｕ，２４ｄ，２５ｌ，２５
ｒ，２５ｕ，２５ｄは、通常のフォトリソグラフィおよ
びウェットもしくはドライエッチング技術により容易に
形成することができる。
説明する。図１は本発明によるダイアフラムセンサの一
実施例による構成を示す図であり、図（ａ）は上方から
見た要部平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断
面図である。同図において、２１は基板として例えばシ
リコンからなる半導体基板であり、この半導体基板２１
の背面側中央部には例えば異方性エッチングにより表面
側に連通しない断面が台形状の開口２２が形成されてお
り、この開口２２の底部側、つまり半導体基板２１の表
面側には薄肉状のダイアフラム部２３が一体的に形成さ
れている。また、このダイアフラム部２３の表面中央部
には、通常の薄膜形成技術により薄膜のヒータエレメン
ト７が形成されている。さらにこのヒータエレメント７
を挟む両側には、所定距離離間して通常の薄膜形成技術
により薄膜の測温抵抗エレメント８，９が対称に配列し
て形成されている。また、このヒータエレメント７とそ
の両側の測温抵抗エレメント８，９との間には、その長
手方向に沿ってダイアフラム部２３の薄肉部を貫通する
帯状のスリット部２４ｌ，２４ｒが穿設され、さらに両
側の測温抵抗エレメント８，９の外側にも長手方向に沿
ってこのダイアフラム部２３の薄肉部を貫通する複数の
角穴を断続的に連結したスリット部２５ｌ，２５ｒが穿
設されている。また、同様にこのヒータエレメント７の
長手方向両端側にはこのダイアフラム部２３の薄肉部を
貫通するスリット部２４ｕ，２４ｄが穿設され、さらに
両側の測温抵抗エレメント８，９の長手方向両端側にも
このダイアフラム部２３の薄肉部を貫通するスリット部
２５ｕ，２５ｄが穿設されている。なお、これらのスリ
ット部２４ｌ，２４ｒ，２４ｕ，２４ｄ，２５ｌ，２５
ｒ，２５ｕ，２５ｄは、通常のフォトリソグラフィおよ
びウェットもしくはドライエッチング技術により容易に
形成することができる。
【００１０】このような構成によれば、半導体基板２１
の表面に薄肉状のダイアフラム部２３を形成するととも
にこのダイアフラム部２３上にヒータエレメント７およ
びこのヒータエレメント７を挟んで両側に対称に測温抵
抗エレメント８，９を形成配置し、さらにヒータエレメ
ント７の両側に長手方向に沿ってスリット部２４ｌ，２
４ｒを設けたことにより、ヒータエレメント７から測温
抵抗エレメント８，９へのダイアフラム部２３の部材を
通しての熱伝導が極めて少なくなるので、ヒータエレメ
ント７によって発生した熱による測温抵抗エレメント
８，９の温度上昇は従来に比べて低くなる。よって測温
抵抗エレメント８，９の温度に比例して大きくなるダス
トの付着による出力誤差および温度に比例して大きくな
る上流側測温抵抗エレメント８と下流側測温抵抗エレメ
ント９との間のＴＣＲミスマッチのドリフトによる出力
誤差が小さくなる。特に熱伝導率の小さい気体の場合、
測温抵抗エレメント８，９のエレメント抵抗の温度をよ
り低く設定することができる。また、測温抵抗エレメン
ト８と測温抵抗エレメント９との間の気体の流れによっ
て形成された温度差を小さくするように動作するヒータ
エレメント７からの余分な熱供給がなくなるため、低流
速域での感度も向上できる。また、ヒータエレメント７
は通電時に若干熱変形するが、その影響（応力）が測温
抵抗エレメント８，９に伝わらず、誤差の要因を大幅に
減らすことができる。また、測温抵抗エレメント８，９
の外側にそれぞれスリット部２５ｌ，２５ｒ，２５ｕ，
２５ｄを設けたことにより、これらのスリット部２５
ｌ，２５ｒ，２５ｕ，２５ｄの外側の半導体基板２１の
厚肉部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させ
ることができる。さらにヒータエレメント７および測温
抵抗エレメント８，９の両端側に短手方向に沿ってそれ
ぞれスリット部２４ｕ，２４ｄおよびスリット部２５
ｕ，２５ｄを設けたことにより、ヒータエレメント７と
半導体基板２１の厚肉部との熱絶縁が極めて良好とな
り、ヒータエレメント７の消費電力が少なくなり、ま
た、測温抵抗エレメント８，９と半導体基板２１の厚肉
部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させるこ
とができる。
の表面に薄肉状のダイアフラム部２３を形成するととも
にこのダイアフラム部２３上にヒータエレメント７およ
びこのヒータエレメント７を挟んで両側に対称に測温抵
抗エレメント８，９を形成配置し、さらにヒータエレメ
ント７の両側に長手方向に沿ってスリット部２４ｌ，２
４ｒを設けたことにより、ヒータエレメント７から測温
抵抗エレメント８，９へのダイアフラム部２３の部材を
通しての熱伝導が極めて少なくなるので、ヒータエレメ
ント７によって発生した熱による測温抵抗エレメント
８，９の温度上昇は従来に比べて低くなる。よって測温
抵抗エレメント８，９の温度に比例して大きくなるダス
トの付着による出力誤差および温度に比例して大きくな
る上流側測温抵抗エレメント８と下流側測温抵抗エレメ
ント９との間のＴＣＲミスマッチのドリフトによる出力
誤差が小さくなる。特に熱伝導率の小さい気体の場合、
測温抵抗エレメント８，９のエレメント抵抗の温度をよ
り低く設定することができる。また、測温抵抗エレメン
ト８と測温抵抗エレメント９との間の気体の流れによっ
て形成された温度差を小さくするように動作するヒータ
エレメント７からの余分な熱供給がなくなるため、低流
速域での感度も向上できる。また、ヒータエレメント７
は通電時に若干熱変形するが、その影響（応力）が測温
抵抗エレメント８，９に伝わらず、誤差の要因を大幅に
減らすことができる。また、測温抵抗エレメント８，９
の外側にそれぞれスリット部２５ｌ，２５ｒ，２５ｕ，
２５ｄを設けたことにより、これらのスリット部２５
ｌ，２５ｒ，２５ｕ，２５ｄの外側の半導体基板２１の
厚肉部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させ
ることができる。さらにヒータエレメント７および測温
抵抗エレメント８，９の両端側に短手方向に沿ってそれ
ぞれスリット部２４ｕ，２４ｄおよびスリット部２５
ｕ，２５ｄを設けたことにより、ヒータエレメント７と
半導体基板２１の厚肉部との熱絶縁が極めて良好とな
り、ヒータエレメント７の消費電力が少なくなり、ま
た、測温抵抗エレメント８，９と半導体基板２１の厚肉
部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させるこ
とができる。
【００１１】図２はダイアフラムセンサにおける測温抵
抗体の抵抗値特性を示したものであり、図（ａ）は図１
に示すヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９
との間を分離しない構造およびヒータエレメント７と測
温抵抗エレメント８，９との間をスリットで部分的に分
離した構造におけるヒータ電流を増加させたときの測温
抵抗エレメント８，９の抵抗値変化を示し、図（ｂ）は
ヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９との間
にスリット部２４ｌ，２４ｒを設けて完全に分離した本
実施例による構造におけるヒータ電流を増加させたとき
の測温抵抗エレメント８，９の抵抗値変化を示したもの
である。ヒータエレメント７の印加電流を増加させてい
くと、測温抵抗エレメント８，９の抵抗値は増加してい
くが、ヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９
との間を分離しない構造および部分的にスリットで分離
した構造では、ヒータ電流の増加に伴い、発生した熱に
よるダイアフラム部２３の機械的変形が測温抵抗エレメ
ント８，９に伝わり、図（ａ）に示すようにある限界点
Ｐを越えると、測温抵抗エレメント８，９にも機械的歪
みを与え、測温抵抗エレメント８，９の抵抗値に誤差を
与えてしまい、さらにこの限界点Ｐの位置も限界点Ｐ以
上での抵抗値特性も一定しておらず、また、ヒータエレ
メント７の両側の測温抵抗エレメント８，９でのこの効
果の程度に多少のずれがあるため、測温抵抗エレメント
８，９間のバランスが不安定、つまり零点が安定しない
ことになる。実際の使用条件としては、必要な感度を得
るために必要なヒータ電流を流すと、この限界点を越え
てしまうことが多く、特に間欠駆動においては、毎回零
点が変動してしまい、正確な測定ができない。したがっ
て機械的な歪みに影響されない限界点Ｐ以下での使用が
条件となる。一方、スリット部２４ｌ，２４ｒで完全に
分離した本実施例による構造では、ヒータエレメント７
のヒータ電流の増加に伴い、発生した熱によるダイアフ
ラム部２３の機械的変形が測温抵抗エレメント８，９に
伝わらないので、安定した抵抗値特性が得られる。した
がってスリット部２４ｌ，２４ｒで完全に分離した構造
では、より安定した計測が可能となり、特に零点の安定
性を大幅に向上させることができる。
抗体の抵抗値特性を示したものであり、図（ａ）は図１
に示すヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９
との間を分離しない構造およびヒータエレメント７と測
温抵抗エレメント８，９との間をスリットで部分的に分
離した構造におけるヒータ電流を増加させたときの測温
抵抗エレメント８，９の抵抗値変化を示し、図（ｂ）は
ヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９との間
にスリット部２４ｌ，２４ｒを設けて完全に分離した本
実施例による構造におけるヒータ電流を増加させたとき
の測温抵抗エレメント８，９の抵抗値変化を示したもの
である。ヒータエレメント７の印加電流を増加させてい
くと、測温抵抗エレメント８，９の抵抗値は増加してい
くが、ヒータエレメント７と測温抵抗エレメント８，９
との間を分離しない構造および部分的にスリットで分離
した構造では、ヒータ電流の増加に伴い、発生した熱に
よるダイアフラム部２３の機械的変形が測温抵抗エレメ
ント８，９に伝わり、図（ａ）に示すようにある限界点
Ｐを越えると、測温抵抗エレメント８，９にも機械的歪
みを与え、測温抵抗エレメント８，９の抵抗値に誤差を
与えてしまい、さらにこの限界点Ｐの位置も限界点Ｐ以
上での抵抗値特性も一定しておらず、また、ヒータエレ
メント７の両側の測温抵抗エレメント８，９でのこの効
果の程度に多少のずれがあるため、測温抵抗エレメント
８，９間のバランスが不安定、つまり零点が安定しない
ことになる。実際の使用条件としては、必要な感度を得
るために必要なヒータ電流を流すと、この限界点を越え
てしまうことが多く、特に間欠駆動においては、毎回零
点が変動してしまい、正確な測定ができない。したがっ
て機械的な歪みに影響されない限界点Ｐ以下での使用が
条件となる。一方、スリット部２４ｌ，２４ｒで完全に
分離した本実施例による構造では、ヒータエレメント７
のヒータ電流の増加に伴い、発生した熱によるダイアフ
ラム部２３の機械的変形が測温抵抗エレメント８，９に
伝わらないので、安定した抵抗値特性が得られる。した
がってスリット部２４ｌ，２４ｒで完全に分離した構造
では、より安定した計測が可能となり、特に零点の安定
性を大幅に向上させることができる。
【００１２】図３は本発明によるダイアフラムセンサの
他の実施例による構成を示す図で図（ａ）は上方から見
た要部平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断面
図であり、前述の図と同一部分には同一符号を付してあ
る。同図において、図１と異なる点は、半導体基板２１
の対向辺に気体の流れる方向１２を設定するようにヒー
タエレメント７，測温抵抗エレメント８，測温抵抗エレ
メント９およびこれらのスリット部２４ｌ，２４ｒ，２
４ｕ，２４ｄ，２５ｌ，２５ｒ，２５ｕ，２５ｄを配列
して構成したものである。
他の実施例による構成を示す図で図（ａ）は上方から見
た要部平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ′線の断面
図であり、前述の図と同一部分には同一符号を付してあ
る。同図において、図１と異なる点は、半導体基板２１
の対向辺に気体の流れる方向１２を設定するようにヒー
タエレメント７，測温抵抗エレメント８，測温抵抗エレ
メント９およびこれらのスリット部２４ｌ，２４ｒ，２
４ｕ，２４ｄ，２５ｌ，２５ｒ，２５ｕ，２５ｄを配列
して構成したものである。
【００１３】このような構成においても前述と全く同様
な効果が得られる。なお、ダイアフラム部２３は正方形
もしくは長方形のいずれの形状に形成しても良い。
な効果が得られる。なお、ダイアフラム部２３は正方形
もしくは長方形のいずれの形状に形成しても良い。
【００１４】なお、前述した実施例においては、開口部
２２を形成するために半導体基板２１の背面側からエッ
チングを行ったが、例えば図４（ａ），（ｂ）に図１に
相当する図で示すようにダイアフラム部２３に複数のス
リット３１を形成し、これらの各スリット３１を利用し
て上面から結晶軸のエッチング特性を利用した異方性エ
ッチングもしくは等方性エッチングを行い、ダイアフラ
ム部２３の下に中空の空間部３１を形成して構成しても
良い。
２２を形成するために半導体基板２１の背面側からエッ
チングを行ったが、例えば図４（ａ），（ｂ）に図１に
相当する図で示すようにダイアフラム部２３に複数のス
リット３１を形成し、これらの各スリット３１を利用し
て上面から結晶軸のエッチング特性を利用した異方性エ
ッチングもしくは等方性エッチングを行い、ダイアフラ
ム部２３の下に中空の空間部３１を形成して構成しても
良い。
【００１５】また、前述した実施例においては、基板と
して例えばシリコンからなる半導体基板を用いた場合に
ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えばアルミニウム，ステンレスなどの金属基板
を用い、ダイアフラム部を例えばＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4
などの絶縁膜で形成しても同様の効果が得られることは
言うまでもない。
して例えばシリコンからなる半導体基板を用いた場合に
ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えばアルミニウム，ステンレスなどの金属基板
を用い、ダイアフラム部を例えばＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4
などの絶縁膜で形成しても同様の効果が得られることは
言うまでもない。
【００１６】また、前述した実施例においては、ダイア
フラム部の形成に異方性エッチングを用いた場合につい
て説明したが、例えば弗酸と硝酸との混合液による等方
性エッチングなどによるエッチング方法を用いても同様
に形成できることは言うまでもない。
フラム部の形成に異方性エッチングを用いた場合につい
て説明したが、例えば弗酸と硝酸との混合液による等方
性エッチングなどによるエッチング方法を用いても同様
に形成できることは言うまでもない。
【００１７】また、ダイアフラム部の形成方法は、エッ
チングに限られるものではなく、エンドミルやレーザな
どによる加工でも形成可能であり、もしくは基板とダイ
アフラム部とを別々に製作し、貼り合わせても同様に形
成できることは勿論である。
チングに限られるものではなく、エンドミルやレーザな
どによる加工でも形成可能であり、もしくは基板とダイ
アフラム部とを別々に製作し、貼り合わせても同様に形
成できることは勿論である。
【００１８】以上、説明したように本発明によるダイア
フラムセンサによれば、基板の一部に空間を設けて薄肉
面状に形成されたダイアフラム部を設け、このダイアフ
ラム部に発熱部とこの発熱部の両側に対称に測温抵抗部
とを設けたことにより、気体がこのダイアフラム部下側
の空間部に入り込まず、表面に沿って流れるので、気体
の流れによるダストの付着が極小となる（付着したとし
ても従来のように特定の箇所に集中することがなくな
る）とともに基板との熱絶縁が極めて良好となり、高感
度の流量検出および低消費電力による流量検出が可能と
なる。しかも、この発熱部と両側の測温抵抗部との間に
気流方向と略垂直方向に長手方向を持つように細長く形
成されたスリット部が設けられているので、発熱部から
測温抵抗部へのダイアフラム部の部材を通しての熱伝導
が極めて小さくなり、発熱部によって発生した熱による
測温抵抗部の温度上昇は従来に比べて低くなり、測温抵
抗部の温度に比例して大きくなるダストの付着による出
力誤差および温度に比例して大きくなる測温抵抗部間の
ＴＣＲミスマッチドリフトによる出力誤差を小さくする
ことができるとともに特に熱伝導率の小さい気体の場
合、測温抵抗部の温度をより低く設定でき、さらに発熱
部からの余分な熱供給がなくなるので、低流速域での感
度を向上させることができる。また、発熱部は通電時に
若干変形するが、その影響による応力が測温抵抗部に伝
わらないので、誤差の要因を大幅に減らすことができ
る。また、発熱部の長手方向端部にスリット部を設けた
ことにより、発熱部と基板厚肉部との熱絶縁が極めて良
好となり、発熱部の消費電力が少なくなる。また、測温
抵抗部の外周部にスリット部を設けたことにより、基板
厚肉部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させ
ることができる。また、従来のブリッジ構造とは異な
り、全ての端面を厚肉の基板によって固定されているダ
イアフラム構造では、ダイアフラム部形成時の残留応力
が多い場合には割れてしまうことがあるが、スリット部
を設けたことにより、応力を分散させることができ、信
頼性の高いダイアフラムセンサを形成することができる
という極めて優れた効果が得られる。
フラムセンサによれば、基板の一部に空間を設けて薄肉
面状に形成されたダイアフラム部を設け、このダイアフ
ラム部に発熱部とこの発熱部の両側に対称に測温抵抗部
とを設けたことにより、気体がこのダイアフラム部下側
の空間部に入り込まず、表面に沿って流れるので、気体
の流れによるダストの付着が極小となる（付着したとし
ても従来のように特定の箇所に集中することがなくな
る）とともに基板との熱絶縁が極めて良好となり、高感
度の流量検出および低消費電力による流量検出が可能と
なる。しかも、この発熱部と両側の測温抵抗部との間に
気流方向と略垂直方向に長手方向を持つように細長く形
成されたスリット部が設けられているので、発熱部から
測温抵抗部へのダイアフラム部の部材を通しての熱伝導
が極めて小さくなり、発熱部によって発生した熱による
測温抵抗部の温度上昇は従来に比べて低くなり、測温抵
抗部の温度に比例して大きくなるダストの付着による出
力誤差および温度に比例して大きくなる測温抵抗部間の
ＴＣＲミスマッチドリフトによる出力誤差を小さくする
ことができるとともに特に熱伝導率の小さい気体の場
合、測温抵抗部の温度をより低く設定でき、さらに発熱
部からの余分な熱供給がなくなるので、低流速域での感
度を向上させることができる。また、発熱部は通電時に
若干変形するが、その影響による応力が測温抵抗部に伝
わらないので、誤差の要因を大幅に減らすことができ
る。また、発熱部の長手方向端部にスリット部を設けた
ことにより、発熱部と基板厚肉部との熱絶縁が極めて良
好となり、発熱部の消費電力が少なくなる。また、測温
抵抗部の外周部にスリット部を設けたことにより、基板
厚肉部との熱絶縁が極めて良好となり、感度を向上させ
ることができる。また、従来のブリッジ構造とは異な
り、全ての端面を厚肉の基板によって固定されているダ
イアフラム構造では、ダイアフラム部形成時の残留応力
が多い場合には割れてしまうことがあるが、スリット部
を設けたことにより、応力を分散させることができ、信
頼性の高いダイアフラムセンサを形成することができる
という極めて優れた効果が得られる。
【図１】本発明によるダイアフラムセンサの一実施例に
よる構成を示す図である。
よる構成を示す図である。
【図２】本発明によるダイアフラムセンサの測温抵抗体
部の抵抗値特性を説明する図である。
部の抵抗値特性を説明する図である。
【図３】本発明によるダイアフラムセンサの他の実施例
による構成を示す図である。
による構成を示す図である。
【図４】本発明によるダイアフラムセンサのさらに他の
実施例による構成を示す図である。
実施例による構成を示す図である。
【図５】従来のマイクロブリッジ型フローセンサの構成
を示す図である。
を示す図である。
【図６】マイクロブリッジ型フローセンサの動作を説明
する図である。
する図である。
７ ヒータエレメント ８ 測温抵抗エレメント ９ 測温抵抗エレメント ２１ 半導体基板 ２２ 開口部 ２３ ダイアフラム部 ２４ｌ スリット部 ２４ｒ スリット部 ２４ｕ スリット部 ２４ｄ スリット部 ２５ｌ スリット部 ２５ｒ スリット部 ２５ｕ スリット部 ２５ｄ スリット部 ３１ スリット ３２ 空間部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 合議体 審判長 島田 信一 審判官 榮永 雅夫 審判官 高瀬 浩一 (56)参考文献 特開 昭61−88532（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−50419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−266418（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 基板の一部に空間を設けて薄肉面状に形
成されたダイアフラム部と、前記ダイアフラム部に形成
された発熱部と、前記発熱部の両側に対称に形成された
測温抵抗部とを備えたダイアフラムセンサにおいて、 前記発熱部と両側の測温抵抗部との間に気流方向と略垂
直方向に長手方向を持つように細長く形成されたスリッ
ト部を設けたことを特徴とするダイアフラムセンサ。 - 【請求項２】 請求項１において、前記発熱部の長手方
向端部にスリット部を設けたことを特徴とするダイアフ
ラムセンサ。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２において、前記
測温抵抗部の外周部にスリット部を設けたことを特徴と
するダイアフラムセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03106528A JP3096820B2 (ja) | 1990-04-13 | 1991-04-12 | ダイアフラムセンサ |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9652090 | 1990-04-13 | ||
| JP2-96520 | 1990-04-13 | ||
| JP03106528A JP3096820B2 (ja) | 1990-04-13 | 1991-04-12 | ダイアフラムセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04230808A JPH04230808A (ja) | 1992-08-19 |
| JP3096820B2 true JP3096820B2 (ja) | 2000-10-10 |
Family
ID=26437717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03106528A Expired - Lifetime JP3096820B2 (ja) | 1990-04-13 | 1991-04-12 | ダイアフラムセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3096820B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3404300B2 (ja) | 1998-10-28 | 2003-05-06 | 三菱電機株式会社 | 感熱式流量センサ |
| JP3513041B2 (ja) * | 1999-01-25 | 2004-03-31 | 三菱電機株式会社 | 流量センサ |
| JP3484372B2 (ja) | 1999-06-10 | 2004-01-06 | 三菱電機株式会社 | 感熱式流量センサ |
| JP4168417B2 (ja) | 2002-11-18 | 2008-10-22 | 株式会社山武 | 流体検出装置 |
| US7082825B2 (en) | 2002-12-27 | 2006-08-01 | Yamatake Corporation | Smoking device including a flowmeter |
| JP4751259B2 (ja) * | 2006-07-11 | 2011-08-17 | 矢崎総業株式会社 | 流速測定方法、流量測定方法、流速計、及び、流量計 |
| JP5209232B2 (ja) * | 2007-05-24 | 2013-06-12 | アズビル株式会社 | 熱式流量計 |
| JP4902679B2 (ja) | 2009-02-27 | 2012-03-21 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 計測素子 |
| JP2013033057A (ja) * | 2012-10-04 | 2013-02-14 | Denso Corp | 流量センサ |
| CN109211342B (zh) * | 2018-09-05 | 2020-03-20 | 四方光电股份有限公司 | 一种气流流量计、mems硅基温敏芯片及其制备方法 |
-
1991
- 1991-04-12 JP JP03106528A patent/JP3096820B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04230808A (ja) | 1992-08-19 |
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