JP3302444B2 - 質量流量センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量流量センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＷＯ８９／０５９６３号明細書からは、
誘電性ダイヤフラムが単結晶シリコンからなるフレーム
内に配置されている質量流量センサが公知である。ダイ
ヤフラムの上には加熱素子と温度測定素子とが配置され
ている。別の温度測定素子はシリコンフレーム上に配置
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】測定チップを有し、該
測定チップは誘電性ダイヤフラムを単結晶シリコンから
なるフレーム内に有し、さらに該測定チップは、前記ダ
イヤフラムの上に配置された加熱体を有しており、この
場合導体線路が該加熱体へ接続されており、前記フレー
ムの上には前記測定チップの接触接続のためのボンディ
ングパッドが設けられている、質量流量センサにおい
て、正確に定められ良好に再現可能な流れ特性が測定チ
ップ表面で得られるように改善を行うことである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、質量流量センサにおいて、ケーシングと、測定チッ
プとを有しており、ケーシングは、流入路とシールリッ
プとを備えており、測定チップは、誘電性ダイヤフラム
を有しており、該誘電性ダイヤフラムは単結晶シリコン
からなるフレーム内に張られており、ダイヤフラム上に
は少なくとも１つの加熱抵抗が設けられ、またフレーム
上には測定チップとのコンタクトのためのボンディング
パッドが配置されており、流入路の壁部には測定チップ
が面一になるように埋め込まれており、シールリップ
は、流入路内でダイヤフラムを備えているフレームの一
方の領域を、流入路外でボンディングパッドを備えてい
るフレームのもう一方の領域から区分しており、シール
リップは、フレームに対してわずかな空隙を有してお
り、この空隙は接着剤によって閉鎖されているように構
成することによって解決される。

【０００５】請求項１の特徴部分に記載された本発明に
よる質量流量センサによって得られる利点は、ケーシン
グ流入路への測定チップの組み込みにより、正確に定め
られ良好に再現可能な流れ特性が測定チップ表面で得ら
れることである。さらに別の利点として得られること
は、流入路への測定チップの組み込みにより、機械的な
負荷と質量流中を案内される粒子から当該測定チップを
良好に保護することができることである。

【０００６】本発明の有利な構成例及び改善例は従属請
求項に記載される。流入路内の質量流の加速により、測
定チップへの汚染粒子の付着が低減される。さらにノイ
ズを高める渦の発生が抑圧され、それによって測定精度
が向上する。特に、流入路の横断面が流れ方向において
先細になっていることにより当該加速が簡単に達成され
る。この場合本発明の有利な実施例では、センサの上方
でも空気が加速されることを保証するために最も小さな
横断面が流れの方向において測定チップの下流に置かれ
る。測定チップを流入路の１つの壁部に面一になるよう
に位置合わせして組み込むことにより、角の突出が避け
られる。この角の突出は特に多くの汚れの付着を引き起
こす。フレームの面状の結合によりケーシングとの良好
な熱伝導が保証される。面状の接着がダイヤフラムの片
側でのみ行われた場合にはダイヤフラム３内の機械的な
ひずみが低減される。ケーシング温度を媒体流の温度に
適合させることは、冷却体を用いることによりさらに改
善される。媒体流の急激な圧力上昇と、測定チップとケ
ーシングとの間を取り巻くガスの、温度に起因する膨張
とから誘電性ダイヤフラムを保護するために、ケーシン
グに換気孔が設けられる。この場合ダイヤフラムの下方
側への流れ込みを避けるためには、換気孔の横断面を該
換気孔の長さよりも小さくすべきである。ケーシングへ
の当該測定チップの非常に密な組み込みは、シールリッ
プを用いることによって達成される。この場合シールリ
ップがフレームに載置されると、測定チップとケーシン
グとの組み立ては非常に簡単になる。測定チップの機械
的負荷は、当該シールリップがフレームに対して比較的
わずかな空隙しか持たず、しかも該空隙が接着剤によっ
て閉鎖されるため低減される。ダイヤフラムとボンディ
ングパッドをシールリップの種々異なる側に配置するこ
とにより、電気的な接続領域と測定領域との明確な分離
が達成される。例えばこのような分離は、媒体流による
影響を受けることなくスイッチング回路又は他の高感度
素子のダイヤフラム近傍での使用を可能にする。

【０００７】

【実施例】図１ａには測定チップ２の横断面図が示され
ており、図１ｂには測定チップ２の平面図が示されてい
る。符号３で誘電性ダイヤフラムが、単結晶シリコンか
らなるフレーム４内に示されている。ダイヤフラム３に
は少なくとも１つの加熱体５と少なくとも１つの温度セ
ンサ６が配置されている。フレーム４には別の基準温度
センサ２０が配置されている。加熱体５と温度センサ６
と基準温度センサ２０は、導体線路７を介してボンディ
ングパッド８と接続している。導体線路７により加熱体
５及び温度センサ６及び基準温度センサ２０と、外部と
の間の電気的な接触が行われる。ボンディングパッド８
へのワイヤのボンディングによりここでは図示されてい
ない外部スイッチング回路への電気的な接続が形成され
得る。誘電性ダイヤフラム３は例えば窒化シリコン及び
／又は酸化シリコンからなる。これらの材料はわずかな
熱伝導性を有し、またシリコンウエハ表面に非常に簡単
に作り出すことができる。表面に誘電材料をコーティン
グされたシリコンウエハをエッチングすることにより片
持ち式に支えられたダイヤフラム３が形成される。相応
するエッチング手法は当業者にはよく知られている。加
熱体５は抵抗素子からなる。この抵抗素子は導体線路７
を介して供給された電流によって熱をダイヤフラムに生
ぜしめる。この抵抗素子は例えば金属からなることも、
相応にドーピングされたシリコンからなることもでき
る。温度センサ６及び基準温度センサ２０は、例えば温
度に依存する導電性を有するような抵抗素子からなり得
る。このような抵抗素子に適した材料は金属か又は相応
にドーピングされたシリコンである。温度センサ６に対
しては、ダイヤフラムとフレームとの間の温度差をゼー
ベック効果に関して用いる素子も使用可能である。

【０００８】測定チップ２を用いることにより当該質量
流の特性量を求めることができる。この場合流れの方向
は測定チップ２の表面に平行である。加熱体５によって
ダイヤフラム３は流量の温度よりも大きい温度に維持さ
れる。流量によってダイヤフラム３から奪われた熱は当
該流量の強さに依存する。ダイヤフラム３の温度の測定
によって当該流量の強さを求めることができる。ダイヤ
フラム３の温度の測定は温度センサ６によってか又は加
熱体５の抵抗値の測定によって行われる。基準温度セン
サ２０は、流過媒体の温度の影響を遮断することのため
に用いられる。この場合フレーム４が流過する媒体の温
度であることを前提としている。経験的にはこのような
測定チップは例えば汚染粒子により生ぜしめられる表面
の汚れの影響を受けやすい。

【０００９】図２には本発明による質量流量センサの平
面図が示されている。測定チップ２はケーシング１の流
入路９内に組み込まれている。矢印によって当該流入路
９を通過する流れの方向が示されている。測定チップ２
の図においては簡略化のために温度センサ６と基準温度
センサ２０の図示が省かれている。ダイヤフラム３の上
に配置された加熱体５は導体線路７を介してボンディン
グパッドと接続している。ボンディングワイヤ２１によ
り、ここでは図示されていないスイッチング回路との接
触接続が形成される。符号１４で、直接測定チップの上
に配置されているスイッチング回路が概略的に示されて
いる。このスイッチング回路１４により、温度センサ６
と基準温度センサ２０の信号の処理ないし加熱体５の制
御を行うことができる。スイッチング回路の、測定チッ
プとのモノリシックな集積化により、該測定チップの感
度がより高まる。このことは耐ノイズ性を高め、コスト
を著しく低減させる。流入路９の横断面は流れの方向に
沿って小さくなっている。この場合最も小さい横断面は
流れの方向で見て測定チップの後方（下流）に置かれ
る。この手段により測定チップ２への汚染粒子の付着は
低減される。さらに測定チップ表面上の渦の発生は抑圧
される。このことによりノイズが低減され、センサ信号
の測定能力が向上するものとなる。

【００１０】図３には図２による質量流量センサのＩ−
Ｉ線に沿った縦断面図が示されている。測定チップ２は
次のようにケーシング１内に組み込まれている。すなわ
ちダイヤフラム３とフレーム４が流入路９の中において
壁部１０に面一になるように組み込まれている。フレー
ム４は接着剤２２によりケーシング１と面状に接着され
ている。流入路９の横断面は先細になっており、さらに
測定素子２の下流で最も狭くなっている。ケーシング１
は冷却リブ１１の形態での冷却体を有している。この冷
却リブ１１はその長手側が質量流に対して平行になるよ
うに配向されている。

【００１１】測定チップ２の面一の組み込みにより、流
入路９において稜縁部が避けられる。この稜縁部は経験
的に特に多くの汚染粒子の付着を引き起こすものであ
る。汚染粒子は特にダイヤフラム３近傍において、測定
チップの特性曲線を変化させるものなので、前記手段に
より当該質量流量センサの出力信号の長時間安定性が向
上される。質量流の温度の影響を低減するために、基準
温度センサ２０はほぼ質量流の温度を有する必要があ
る。この目的のために測定チップ２は面状に、すなわち
該測定チップ面の大きい方の部分がケーシングと接着さ
れる。この手法により測定チップとケーシング１との間
の良好な熱伝導が保証される。その他に冷却体１１は、
加熱体５によって引き起こされるフレーム４の加熱状態
を補償するのに充分な熱量を質量流に放出させなければ
ならない。この場合媒体の温度が変化した際にもフレー
ム温度の適合化を迅速に行うべきである。そのためケー
シング１及び冷却体１１はわずかな質量しか持っておら
ず、また比熱容量の小さな材料から製造されている。冷
却体１１表面積の対容積比を大きくすることにより（例
えば冷却リブとして構成することにより）、媒体への大
きな熱放出が保証され、さらに温度変化への迅速な適合
が保証される。

【００１２】図４には図２による質量流量センサのＩＩ
−ＩＩ線に沿った横断面図が示されている。ケーシング
１は上方部２４と下方部２５からなっている。測定チッ
プ２はケーシング１の下方部２５内の切欠き２６に組み
込まれている。フレーム４は接着剤２２によってケーシ
ング１の下方部２５と面状に接着されている。さらに測
定チップ２は別のスイッチング回路１４とボンディング
パッド８を有している。ボンディングワイヤ２１によっ
て測定チップ２と、ここでは図示されていない他のスイ
ッチング回路とが接続される。その他にケーシング１の
下方部２５は冷却リブ１１を有している。ダイヤフラム
３の下側は換気孔１２によって換気されている。上方の
ケーシング部２４はシールリップ１３を有している。こ
のシールリップ１３は接着剤２３によって測定チップ２
と接続される。

【００１３】換気孔１２によりダイヤフラム３の上側と
下側の間の圧力差が除かれる。ダイヤフラム３は該ダイ
ヤフラムの熱伝導性を少なく抑えるために非常に薄く構
成されているので、圧力差はダイヤフラムの破壊を招く
恐れがある。しかしながらこの場合、ダイヤフラム３と
フレーム４とケーシング下方部２５とで形成される中空
室に流れを生ぜしめることは望まれない。なぜならそう
でないと汚染粒子の付着を招く恐れがあるからである。
それ故換気孔１２の横断面は孔の長さよりも小さくすべ
きである。

【００１４】シールリップ１３により測定チップ２の上
側は複数の領域に細分化される。１つの領域にはダイヤ
フラム３と流入路９がある。シールリップ１３の別の側
にはスイッチング回路１４とボンディングパッド８とボ
ンディングワイヤ２１がある。この領域は媒体から離さ
れている。この手段により次のことが達成される。すな
わちスイッチング回路１４とボンディングパッド８とボ
ンディングワイヤ２１が質量流の障害的な影響から保護
されることが達成される。これらの２つの領域の間での
密閉された分離構成は、フレーム４上にシールリップ１
３を載置することにより達成されるか又はシールリップ
１３とフレーム４との間に接着層２３を用いることによ
り達成される。

【００１５】図５には質量流量センサの別の実施例が示
されている。この質量流量センサでは、測定チップ２が
接着剤２２によってダイヤフラム３の片側でのみケーシ
ング下方部２５と接着されている。また測定チップ２の
ためのケーシング下方部２５の切欠き２６は該測定チッ
プ２よりも幾分大きい。このような構成により、加熱の
際にケーシング１との緊張（衝突）なしに測定チップ２
の膨張が可能になる。ケーシング上方部２４から構成さ
れるシールリップ１３（このシールリップはダイヤフラ
ム３とボンディングワイヤ２１を分離する）は、接着な
しで弾性的に測定チップ２に載置される。密封は接着に
よって高めることもできる。この質量流量センサの実施
例では、ケーシング下方部２５が換気孔を有していな
い。なぜならダイヤフラム３の上側と下側との間の圧力
補償が測定チップ２とケーシング下方部２５とによって
構成される換気孔によって行うことができるからであ
る。

【００１６】

【発明の効果】請求項１の特徴部分に記載された本発明
による質量流量センサによって得られる利点は、ケーシ
ング流入路への測定チップの組み込みにより、正確に定
められ良好に再現可能な流れ特性が測定チップ表面で得
られることである。

【００１７】さらに、流入路への測定チップの組み込み
により、機械的な負荷と質量流中を案内される汚染粒子
から当該測定チップを良好に保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａ及びｂには測定チップの側面図及び平面図が
示されている。

【図２】本発明による質量流量センサの平面図が示され
ている。

【図３】本発明による質量流量センサの横断面図が示さ
れている。

【図４】本発明による質量流量センサの縦断面図が示さ
れている。

【図５】本発明による質量流量センサの別の有利な実施
例の横断面図が示されている。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 測定チップ ３ ダイヤフラム ４ フレーム ５ 加熱体 ６ 温度センサ ７ 導体線路 ８ ボンディングパッド ９ 流入路 １０ 壁部 １１ 冷却体 １２ 換気孔 １３ シールリップ １４ スイッチング回路 ２１ ボンディングワイヤ ２２ 接着剤 ２３ 接着層 ２４ ケーシング上方部 ２５ ケーシング下方部 ２６ 切欠き

フロントページの続き (72)発明者 ルードルフ ザウアー ドイツ連邦共和国 ベニンゲン アウフ デア ルーク ３ (72)発明者 エッカルト ライレン ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン リ ヒャルト−ヴァーグナー−シュトラーセ １ (72)発明者 クルト ヴァイプレン ドイツ連邦共和国 メッツィンゲン ２ メッツィンガー シュトラーセ 14 (56)参考文献 特開 昭61−167820（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−501883（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/68 - 1/699

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量流量センサにおいて、 ケーシング（１）と、 測定チップ（２）とを有しており、 前記ケーシング（１）は、流入路（９）とシールリップ
   （１３）とを備えており、 前記測定チップ（２）は、誘電性ダイヤフラム（３）を
   有しており、該誘電性ダイヤフラム（３）は単結晶シリ
   コンからなるフレーム（４）内に張られており、前記ダ
   イヤフラム上には少なくとも１つの加熱抵抗（５）が設
   けられ、また前記フレーム（４）上には測定チップ
   （２）とのコンタクトのためのボンディングパッド
   （８）が配置されており、 前記流入路（９）の壁部（１０）には前記測定チップ
   （２）が面一になるように埋め込まれており、 前記シールリップ（１３）は、流入路（９）内でダイヤ
   フラムを備えているフレーム（４）の一方の領域を、流
   入路（９）外でボンディングパッド（８）を備えている
   フレーム（４）のもう一方の領域から区分しており、 前記シールリップ（１３）は、フレーム（４）に対して
   わずかな空隙を有しており、 該間隙は接着剤（２３）によって閉鎖されている ことを
   特徴とする、質量流量センサ。
2. 【請求項２】 前記シールリップ（１３）は、前記フレ
   ーム（４）に載置されている、 請求項１に記載の質量流量センサ。
3. 【請求項３】 前記測定チップ（２）は、スイッチング
   回路（１４）を有しており、該スイッチング回路（１
   ４）は前記シールリップ（１３）における前記ボンディ
   ングパッド（８）と同じ側に設けられている、 請求項１または２に記載の質量流量センサ。
4. 【請求項４】 前記質量流は前記流入路（９）の流れ方
   向において先細になっている横断面によって加速され、
   前記横断面の最小部分は、流れ方向において前記測定チ
   ップ（２）後方に位置している、 請求項１から３までのいずれか１項に記載の質量流量セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記ダイヤフラム（３）の裏側で換気が
   行われる、 請求項１から４までのいずれか１項に記載の質量流量セ
   ンサ。
6. 【請求項６】 前記換気は換気孔（１２）によって行わ
   れ、該換気孔（１２）の横断面は、当該換気孔（１２）
   の長さより小さい、 請求項５に記載の質量流量センサ。
7. 【請求項７】 前記フレーム（４）は、流入路の壁部に
   おける前記ダイヤフラム（３）の周面側にのみ接着され
   ている、 請求項１から６までのいずれか１項に記載の質量流量セ
   ンサ。