JP3433227B2 - 流速センサ素子、流速センサ、流速センサ素子の製造方法、流速センサの製造方法、及び流速計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流速センサ素子、
流速センサ、及びこれらの製造方法、並びに流速計測方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流速計測には熱線流速計が頻繁に
用いられていた。この熱線流速計は、直径数ミクロンの
細いタングステンや白金などからなる金属線を電流加熱
し、流速による冷却効果を利用し、前記金属線の抵抗変
化から流速を計測するものである。例えば、流速が大き
い場合においては、前記金属線の冷却効果が大きくなる
ため、前記金属線の抵抗変化は大きくなる。また、上記
熱線流速計は、近年、シリコン基板の微細加工を通じて
微細化されている。

【０００３】しかしながら、流速が小さく、例えば０．
１ｍ／ｓｅｃ以下の流速の場合においては、熱線流速計
の熱線自体の発熱によって生じる対流の影響が顕著にな
る。このため、前記熱線流速計においては、特に低速域
の流速を精度よく計測することが困難であった。そし
て、特に、上記熱線流速計を単一の素子として複数配列
し、所定の流速センサを構成した場合においては、前述
した発熱の影響がより顕著になって計測感度を劣化させ
てしまうという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、特に低速域
での流速計測精度を向上させた流速センサ素子、及びこ
の流速センサ素子を利用した流速センサを提供するとと
もに、これらの製造方法、並びにこれら流速センサ素子
及び流速センサを用いた流速計測方法を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の流速センサ素子は、毛状構造体と、この毛状構
造体の基部に設けられ、前記毛状構造体を支持するよう
に形成された支持梁と、この支持梁に組み込まれた歪み
ゲージと、前記支持梁を固定する基板とを具える。そし
て、所定の流体が前記毛状構造体に接触した際の、前記
毛状構造体の変形量を、前記支持梁の変形量を通じて前
記歪みゲージによって検出することにより、前記所定の
流体の流速を計測する。そして、前記毛状構造体の長さ
を２０μｍ〜５００μｍにしたこと、及び５００μｍ〜
５ｍｍにしたことを特徴とする。

【０００６】本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意
検討した結果、上述した全く新規な構成の流速センサ素
子を開発した。本発明の流速センサ素子によれば、流体
の流速を前記毛状構造体の変形量から、前記毛状構造体
の基部に取り付けられた支持梁の変形を通じて計測する
ようにしている。したがって、前記毛状構造体の長さ
を、前記毛状構造体が計測すべき流体の流速に応じて所
定量変形するように設定することによって、前記支持梁
に十分な大きさの変形を与えることができ、この歪みを
歪みゲージの最適な測定レンジで読むことができるよう
になる。したがって、流体の流速を高精度に計測するこ
とができる。

【０００７】図１は、毛状構造体の長さをパラメータと
した場合の、流体の流速と支持梁の変形量との関係を定
性的に示すグラフである。図１から明らかなように、毛
状構造体の長さを大きくすると（長い毛状構造体）、低
流速域において、その変形量が大きくなって支持梁に十
分な大きさの変形を与えることができ、歪みゲージの計
測範囲内に収まるようになる。しかしながら、高流速域
においては、その変形量が大きくなるすぎるために、支
持梁は歪みゲージの計測範囲を超えて変形するようにな
る。

【０００８】一方、毛状構造体の長さが小さくなると
（短い毛状構造体）、低流速域においてはその変形量が
小さく、支持梁に十分な大きさの変形を与えることがで
きない。しかしながら、高流速域においては、その変形
量が大きくなるために支持梁に十分な大きさの変形を与
えることができ、歪みゲージの計測範囲内に収まるよう
になる。

【０００９】すなわち、計測すべき流体の流速が比較的
小さい場合は、毛状構造体の長さを大きくし、計測すべ
き流体の流速が比較的大きい場合は、毛状構造体の長さ
を小さくすることによって、流体の流速を高精度に計測
することができる。そして、流体の流速が比較的小さい
場合の毛状構造体の長さ、及び流体の流速が比較的大き
い場合の毛状構造体の長さを具体的に求めたところ、そ
れぞれ５００μｍ〜５ｍｍ、及び２０μｍ〜５００μｍ
であることを見いだし、本発明の流速センサ素子を発明
するに至ったものである。

【００１０】また、本発明の流速センサは、上記本発明
の流速センサ素子を利用して構成され、複数の毛状構造
体と、複数の支持梁と、複数の歪みゲージと、基板とを
具え、前記複数の支持梁は、前記複数の毛状構造体の基
部に設けられて前記複数の毛状構造体のそれぞれを支持
し、前記複数の歪みゲージは、前記複数の支持梁に組み
込まれ、前記基板は、前記複数の支持梁を固定する。そ
して、所定の流体が前記複数の毛状構造体に接触した際
の、前記複数の毛状構造体の変形量を、前記複数の支持
梁の変形量を通じて前記複数の歪みゲージによって検出
することにより、前記所定の流体の流速を計測すること
を特徴とする。

【００１１】本発明の流速センサは、複数の毛状構造体
を具えている。したがって、これら複数の毛状構造体の
総てを比較的長く、あるいは比較的短く形成して、低流
速域の流体の流速、あるいは高流速域の流体の流速の計
測を高精度に実施することもできる。しかしながら、前
記複数の毛状構造体の一部を長く、他の一部を短く形成
することにより、一つのセンサの計測範囲を拡大し、低
流速域にある流体、及び高流速域にある流体のいずれに
対しても対応することのできる流速センサを提供するこ
とができる。

【００１２】具体的には、上記同様に、低流速域の流体
の計測に対しては毛状構造体の長さを５００μｍ〜５ｍ
ｍに設定することが好ましく、高流速域の流体の計測に
対しては毛状構造体の長さを２０μｍ〜５００μｍに設
定することが好ましい。そして、これらの毛状構造体を
同時に設けることによって、低流速域から高流速域まで
計測が可能な流速センサの提供が可能となる。

【００１３】また、本発明の流速センサ素子の製造方法
は、ＳＯＩウエハを構成する単結晶シリコン膜上に歪み
ゲージを形成する工程と、前記単結晶シリコン膜をドラ
イエッチングすることにより、前記歪みゲージを含む支
持梁を形成する工程と、前記ＳＯＩウエハを構成するシ
リコン基板を、前記単結晶シリコン膜が形成された側の
主面と反対側の主面からプラズマエッチングすることに
より、前記支持梁を基部に有する毛状構造体を形成する
工程と、前記ＳＯＩウエハを構成する酸化シリコン膜
の、前記毛状構造体を構成する部分以外の残部を除去す
る工程と、を含むことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の流速センサの製造方法は、
ＳＯＩウエハを構成する単結晶シリコン膜上に複数の歪
みゲージを形成する工程と、前記単結晶シリコン膜をド
ライエッチングすることにより、前記歪みゲージを含む
複数の支持梁を形成する工程と、前記ＳＯＩウエハを構
成するシリコン基板を、前記単結晶シリコン膜が形成さ
れた側の主面と反対側の主面からプラズマエッチングす
ることにより、前記支持梁を基部に有する複数の毛状構
造体を形成する工程と、前記ＳＯＩウエハを構成する酸
化シリコン膜の、前記複数の毛状構造体を構成する部分
以外の残部を除去する工程と、を含むことを特徴とす
る。

【００１５】これらの製造方法によれば、単一のＳＯＩ
ウエハをドライエッチングなどで加工するのみで、結果
的にシリコンからなる本発明の流速センサ素子及び流速
センサを簡易に形成することができる。

【００１６】なお、本発明でいう流体とは、気体状、及
び液体状の流動体のみならず、微細な粒子状の流動体な
どをも含む概念である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に則して詳細に説明する。図２は、本発明の流速センサ
素子の一例を示す斜視図である。図２（ａ）は、流体の
非計測時における流速センサ素子の状態を示し、図２
（ｂ）は、流体の計測時における流速センサ素子の状態
を示す図である。

【００１８】図２に示す流速センサ素子１０は、毛状構
造体１と、この毛状構造体１の基部に設けられ、毛状構
造体１を支持するように形成された支持梁２−１〜２−
４と、これら支持梁２−１〜２−４のそれぞれに設けら
れた歪みゲージ３−１〜３−４とを具えている。支持梁
２−１〜２−４は基板４で支持され、この基板４上にお
いて一体的に形成されている。なお、図２において、歪
みゲージ３−１〜３−４は、支持梁２−１〜２−４の上
面側に設けられているが、それらの下面側に設けること
もできる。

【００１９】図２（ａ）に示すように、非計測時におい
て、毛状構造体１は何らの変形も受けないため直立して
いるが、図２（ｂ）に示すように、計測時においては、
矢印で示す流体と毛状構造体１とが接触するため、毛状
構造体１は変形する。この変形は毛状構造体１を支持す
る支持梁２−１〜２−４に伝達され、これら支持梁２−
１〜２−４の変形量を、これら支持梁２−１〜２―４に
設けられた歪みゲージ３−１〜３−４のそれぞれによっ
て検出する。

【００２０】流体の流速が大きく、毛状構造体１の変形
量が大きい場合は、支持梁２−１〜２−４の変形量も大
きくなり、歪みゲージによる検出量が大きくなる。ま
た、流体の流速が小さく、毛状構造体１の変形量が小さ
い場合は、支持梁２−１〜２−４の変形量も小さくな
り、歪みゲージによる検出量も小さくなる。

【００２１】一方、前述したように、毛状構造体１が長
くなると、低流速域の流体に対してもその変形量が大き
くなるために、支持梁２−１〜２−４に対して、歪みゲ
ージ３−１〜３−４の計測範囲内における十分な大きさ
の変形量を付与することができる。また、毛状構造体１
が短くなると、高流速域の流体に対して十分大きな変形
を呈し、支持梁２−１〜２−４に対して、歪みゲージ３
−１〜３−４の計測範囲内における十分な大きさの変形
量を付与することができる。すなわち、高流速域の流体
に対しては毛状構造体１を短くし、低流速域の流体に対
しては毛状構造体１を長くする。

【００２２】具体的には、本発明にしたがって、毛状構
造体１の長さを２０μｍ〜５００μｍ、好ましくは１０
０μｍ〜４００μｍにする。これによって、例えば、１
ｍ／ｓｅｃ〜５０ｍ／ｓｅｃ程度の高速の流体に対して
もその流速を高精度に計測することができる。

【００２３】また、毛状構造体１の長さを５００μｍ〜
５ｍｍ、好ましくは６００μｍ〜１．５ｍｍにする。こ
れによって、例えば、０．１ｍ／ｓｅｃ以下の低速流体
の流速を高精度に計測することができる。

【００２４】なお、毛状構造体１の断面形状などについ
ては特に限定されず、円形状、楕円形状、あるいは矩形
状などとすることができる。

【００２５】また、毛状構造体１の太さについても特に
限定されるものではないが、１μｍ〜５００μｍの大き
さに設定することが好ましい。これによって、毛状構造
体１の変形をある程度の大きさの範囲内で抑制すること
ができ、毛状構造体１の破壊を防止することができる。

【００２６】本発明の流速センサは、上述した流速セン
サ素子を複数並べて構成する。図３は、本発明の流速セ
ンサの好ましい態様の一例を示す斜視図である。図３に
示す流速センサ２０は、図２に示す流速センサ素子１０
が横に５列、縦に４列配列されて構成されている。そし
て、図中斜線で示す部分の流速センサ素子の毛状構造体
を上述したように５００μｍ〜５ｍｍ、好ましくは６０
０μｍ〜１．５ｍｍに設定する。一方、斜線のない部分
の流速センサ素子の毛状構造体を２０μｍ〜５００μ
ｍ、好ましくは１００μｍ〜４００μｍに設定する。

【００２７】これによって、図３に示す流速センサ２０
は、その内部に比較的流速の速い流体を計測する流速セ
ンサ素子と、比較的流速の遅い流体を計測する流速セン
サ素子とを具えるようになる。このため、流速センサ２
０の計測範囲が拡大され、流速の遅い速いとに拘わら
ず、流体の流速計測を可能とすることができるようにな
る。

【００２８】なお、本発明の流速センサは、上記図３に
示すものと異なり、センサを構成する流速センサ素子に
おける毛状構造体の総てを５００μｍ〜５ｍｍ、好まし
くは６００μｍ〜１．５ｍｍに設定することができる。
これによって、本発明の流速センサは、低速流体の流速
計測に適した流速センサ素子を複数具えるようになるた
め、前記低速流体の測定精度をさらに向上させることが
できる。

【００２９】一方、流速センサを構成する流速センサ素
子における毛状構造体の総てを２０μｍ〜５００μｍ、
好ましくは１００μｍ〜４００μｍに設定することがで
きる。これによって、流速センサは、高速流体の流速計
測に適した流速センサ素子を複数具えるようになるた
め、前記高速流体の測定精度をさらに向上させることが
できる。

【００３０】上述した流速センサ素子及び流速センサの
製造方法は、特に限定されるものではないが、以下に示
すような工程にしたがってＳＯＩウエハを加工して形成
することが好ましい。これによって、実質的にシリコン
から構成される小型の流速センサ素子及び流速センサを
簡易に形成することができる。

【００３１】図４〜図７は、本発明の流速センサ素子及
び流速センサの製造方法を説明するための工程図であ
る。最初に、図４に示すように、ＳＯＩウエハ３０を構
成するシリコン膜３１の表面に歪みゲージ３−１〜３−
４を形成する。次いで、所定のマスクを介してシリコン
膜３１の表面をドライエッチングすることにより、歪み
ゲージ３−１〜３−４を含む支持梁２−１〜２−４を形
成する。

【００３２】次いで、図５に示すように、ＳＯＩウエハ
３０を構成するシリコン基板３２を、シリコン膜３１が
形成された側の主面と反対側の主面３２Ａから所定のマ
スクを介し、誘導結合型のプラズマを用いてプラズマエ
ッチングして、図６に示すように、毛状構造体１を形成
する。最後に、図７に示すように、ＳＯＩウエハ３０を
構成するシリコン酸化膜３３を、毛状構造体１を構成す
る部分を除いて除去することにより、目的とする流速セ
ンサ素子１０、及び流速センサ２０を得る。

【００３３】以上、発明の実施の形態に則して本発明を
説明してきたが、本発明の内容は上記に限定されるもの
ではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あ
らゆる変形や変更が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流速セン
サ素子及び流速センサによれば、これらを構成する毛状
構造体の長さを適宜に設定することにより、各流速域、
特に低速域での流速計測精度を向上させることができ
る。さらに、前記流速センサにおいて、毛状構造体を長
短２種類の所定の範囲内の長さに設定することにより、
流体の流速を広範囲に計測することができる。

【００３５】したがって、自動車や航空機などの流体の
摩擦が動作効率を大きく低減しているような機械システ
ムの、流体を能動的に制御するマイクロシステムのセン
サとして有効に利用することができ、環境問題やエネル
ギ問題などの解決に大きな役割を果たすことができる。

【００３６】また、本発明の製造方法によれば、本発明
にしたがった小型の流速センサ素子及び流速センサを簡
易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の流速センサ素子における毛状構造体
の長さをパラメータとした場合の、流体の流速と支持梁
の変形量との関係を定性的に示すグラフである。

【図２】 本発明の流速センサ素子の一例を示す斜視図
である。

【図３】 本発明の流速センサの好ましい態様の一例を
示す斜視図である。

【図４】 本発明の流速センサ素子及び流速センサの製
造方法における一工程を示す図である。

【図５】 図４に示す工程の次の工程を示す図である。

【図６】 図５に示す工程の次の工程を示す図である。

【図７】 図６に示す工程の次の工程を示す図である。

【符号の説明】

１ 毛状構造体 ２−１〜２−４ 支持梁 ３−１〜３−４ 歪みゲージ ４ 基板 １０ 流速センサ素子 ２０ 流速センサ ３０ ＳＯＩウエハ ３１ シリコン膜 ３２ シリコン基板 ３３ シリコン酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 5/04 H01L 29/84

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２０μｍ〜５００μｍの長さを有する毛
   状構造体と、この毛状構造体の基部に設けられ、前記毛
   状構造体を支持するように形成された支持梁と、この支
   持梁に組み込まれた歪みゲージと、前記支持梁を固定す
   る基板とを具え、所定の流体が前記毛状構造体に接触し
   た際の、前記毛状構造体の変形量を、前記支持梁の変形
   量を通じて前記歪みゲージによって検出することによ
   り、前記所定の流体の流速を計測するようにしたことを
   特徴とする、流速センサ素子。
2. 【請求項２】 ５００μｍ〜５ｍｍの長さを有する毛状
   構造体と、この毛状構造体の基部に設けられ、前記毛状
   構造体を支持するように形成された支持梁と、この支持
   梁に組み込まれた歪みゲージと、前記支持梁を固定する
   基板とを具え、所定の流体が前記毛状構造体に接触した
   際の、前記毛状構造体の変形量を、前記支持梁の変形量
   を通じて前記歪みゲージによって検出することにより、
   前記所定の流体の流速を計測するようにしたことを特徴
   とする、流速センサ素子。
3. 【請求項３】 複数の毛状構造体と、複数の支持梁と、
   複数の歪みゲージと、基板とを具え、前記複数の支持梁
   は、前記複数の毛状構造体の基部に設けられて前記複数
   の毛状構造体のそれぞれを支持し、前記複数の歪みゲー
   ジは、前記複数の支持梁に組み込まれ、前記基板は、前
   記複数の支持梁を固定し、所定の流体が前記複数の毛状
   構造体に接触した際の、前記複数の毛状構造体の変形量
   を、前記複数の支持梁の変形量を通じて前記複数の歪み
   ゲージによって検出することにより、前記所定の流体の
   流速を計測するようにしたことを特徴とする、流速セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記複数の毛状構造体の長さが、それぞ
   れ２０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請求
   項３に記載の流速センサ。
5. 【請求項５】 前記複数の毛状構造体の長さが、それぞ
   れ５００μｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項
   ３に記載の流速センサ。
6. 【請求項６】 前記複数の毛状構造体の一部は、それぞ
   れ２０μｍ〜５００μｍの長さを有するとともに、前記
   複数の毛状構造体の他の一部は、それぞれ５００〜５ｍ
   ｍの長さを有することを特徴とする、請求項３に記載の
   流速センサ。
7. 【請求項７】 ＳＯＩウエハを構成する単結晶シリコン
   膜上に歪みゲージを形成する工程と、 前記単結晶シリコン膜をドライエッチングすることによ
   り、前記歪みゲージを含む支持梁を形成する工程と、 前記ＳＯＩウエハを構成するシリコン基板を、前記単結
   晶シリコン膜が形成された側の主面と反対側の主面から
   プラズマエッチングすることにより、前記支持梁を基部
   に有する毛状構造体を形成する工程と、 前記ＳＯＩウエハを構成する酸化シリコン膜の、前記毛
   状構造体を構成する部分以外の残部を除去する工程と、 を含むことを特徴とする、流速センサ素子の製造方法。
8. 【請求項８】 ＳＯＩウエハを構成する単結晶シリコン
   膜上に複数の歪みゲージを形成する工程と、 前記単結晶シリコン膜をドライエッチングすることによ
   り、前記歪みゲージを含む複数の支持梁を形成する工程
   と、 前記ＳＯＩウエハを構成するシリコン基板を、前記単結
   晶シリコン膜が形成された側の主面と反対側の主面から
   プラズマエッチングすることにより、前記支持梁を基部
   に有する複数の毛状構造体を形成する工程と、 前記ＳＯＩウエハを構成する酸化シリコン膜の、前記複
   数の毛状構造体を構成する部分以外の残部を除去する工
   程と、 を含むことを特徴とする、流速センサの製造方法。
9. 【請求項９】 所定の流体を長さ２０μｍ〜５００μｍ
   の毛状構造体に接触させ、この接触によって生じた前記
   毛状構造体の変形量を、前記毛状構造体の基部において
   前記毛状構造体を支持するように形成された支持梁の変
   形量を通じて、前記支持梁に組み込まれた歪みゲージに
   よって検出することにより、前記所定の流体の流速を計
   測するようにしたことを特徴とする、流速計測方法。
10. 【請求項１０】 所定の流体を長さ５００μｍ〜５ｍｍ
    の毛状構造体に接触させ、この接触によって生じた前記
    毛状構造体の変形量を、前記毛状構造体の基部において
    前記毛状構造体を支持するように形成された支持梁の変
    形量を通じて、前記支持梁に組み込まれた歪みゲージに
    よって検出することにより、前記所定の流体の流速を計
    測するようにしたことを特徴とする、流速計測方法。
11. 【請求項１１】 所定の流体を複数の毛状構造体に接触
    させ、この接触によって生じた前記複数の毛状構造体の
    変形量を、前記複数の毛状構造体それぞれの基部におい
    て、前記複数の毛状構造体のそれぞれを支持するように
    形成された複数の支持梁の変形量を通じて、前記複数の
    支持梁のそれぞれに組み込まれた歪みゲージによって検
    出することにより、前記所定の流体の流速を計測するよ
    うにしたことを特徴とする、流速計測方法。
12. 【請求項１２】 前記複数の毛状構造体の長さが、それ
    ぞれ２０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする、請
    求項１１に記載の流速計測方法。
13. 【請求項１３】 前記複数の毛状構造体の長さが、それ
    ぞれ５００μｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求
    項１１に記載の流速計測方法。
14. 【請求項１４】 前記複数の毛状構造体の一部は、それ
    ぞれ２０μｍ〜５００μｍの長さを有するとともに、前
    記複数の毛状構造体の他の一部は、それぞれ５００〜５
    ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項１１に記
    載の流速計測方法。