JP3530069B2 - フローセンサ - Google Patents
フローセンサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流量計測として用
いることができる流速センサ（以下、フローセンサと称
する。）に関し、特にダスト、ドレン等が付着しにくい
構造を有したフローセンサに関する。 【０００２】 【従来の技術】図８に従来の熱型のマイクロフローセン
サのチップ構成図を示す。このマイクロフローセンサ
は、Ｓｉ基体１０２、ダイアフラム１０３、ダイアフラ
ム１０３上に形成されたマイクロヒータ１０４、マイク
ロヒータ１０４の下端でダイアフラム１０３上に形成さ
れた下流側サーモパイル１０５、マイクロヒータ１０４
に駆動電流を供給する電極からなる電源端子１０６Ａ，
１０６Ｂ、マイクロヒータ１０４の上端でダイアフラム
１０３上に形成された上流側サーモパイル１０８、上流
側サーモパイル１０８から出力される第１温度検出信号
を出力する電極からなる第１出力端子１０９Ａ，１０９
Ｂ、下流側サーモパイル１０５から出力される第２温度
検出信号を出力する電極からなる第２出力端子１０７
Ａ，１０７Ｂ、ガス温度（外部温度）を測定するための
抵抗１１５，１１６、この抵抗１１５，１１６からのガ
ス温度信号を出力する電極からなる出力端子１１７Ａ，
１１７Ｂを備える。 【０００３】このような構成のマイクロフローセンサに
よれば、マイクロヒータ１０４が、外部からの駆動電流
により流体を加熱すると、このマイクロヒータ１０４の
加熱と並行して、上流側サーモパイル１０８は、マイク
ロヒータ１０４による加熱される前の流体の温度を検出
し、第１の温度検出信号を出力する。 【０００４】また、下流側サーモパイル１０５は、マイ
クロヒータ１０４による加熱された後の流体の温度を検
出し、第２の温度検出信号を出力するので、第１温度検
出信号と第２温度検出信号との差信号に基づき、Ｐから
Ｑにへ向かって流れる流体の流量を算出することができ
る。 【０００５】また、図９に図８に示す従来の熱型のマイ
クロフローセンサの全体構成図を示す。Ｓｉ基体２は、
図９に示すように、ステム１３１の表面の中央に配置さ
れ、このＳｉ基体２上の各端子における各電極は、ボン
ディングワイヤ（以下、ワイヤと称する。）１２１を介
して、ステム１３１を貫通する丸棒状のピン１２３に電
気的に接続されている。 【０００６】このピン１２３は、ステム１３１によって
計測対象流体（以下、流体と略称する。）と外部との気
密を保持しながら、且つ、絶縁をとりながら、各電極を
外部に取り出すようになっている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロフローセンサにあっては、ワイヤ１２１に、ダ
スト、ドレン等が付着しやすく、ワイヤ１２１の断線や
隣接電極との短絡が発生しやすくなっていた。 【０００８】また、ワイヤ１２１やピン１２３が流体の
流れを乱し、マイクロフローセンサの固体差を発生させ
る一因ともなっていた。さらに、ワイヤ１２１は、マイ
クロフローセンサの構成部品の中で最も耐久性がない部
分であり、信頼性に欠けていた。 【０００９】そこで、ワイヤ１２１の断線や隣接電極と
の短絡をモニタする方法も考えられるが、結局のとこ
ろ、従来のマイクロフローセンサは、故障しやすいよう
な構造となっているため、例えば、マイクロフローセン
サをガスメータに用いた場合に、マイクロフローセンサ
が故障した際には、センサを容易に交換することができ
なかったため、センサを交換できない間、流体の流量計
測が行えず、ガスを遮断しておかなければならない等の
問題が発生してくる。 【００１０】本発明は、ダスト、ドレン等が付着しにく
く、耐久性が良好なフローセンサを提供することを課題
とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成とした。請求項１の発明のフロ
ーセンサは、基体の表面上に形成され、外部からの駆動
電流により流路を流れる計測対象流体を加熱するヒータ
と、前記基体の表面上に形成され、前記ヒータに対して
前記計測対象流体の上流側に配置され、前記計測対象流
体の温度を検出し、第１温度検出信号を出力する上流側
温度センサと、前記基体の表面上に形成され、前記ヒー
タに対して前記計測対象流体の下流側に配置され、前記
計測対象流体の温度を検出し、第２温度検出信号を出力
する下流側温度センサと、前記基体の表面上に形成さ
れ、前記ヒータ、前記上流側温度センサ及び前記下流側
温度センサの各々について各々に配線された複数の電極
とを備え、前記基体の内の前記電極の位置に対応する基
体部分に、前記電極から前記基体の裏面まで複数の溝部
を形成し、前記複数の溝部の各々の位置にあたる位置
に、基台の表面上に突出する外部出力部材を設け、前記
溝部に固定する部材である導電性部材を埋め込み、前記
基台上の前記外部出力部材が前記導電性部材に埋め込ま
れ、前記基体を前記基台に固定し、かつ、前記電極を外
部に取り出したことを特徴とする。 【００１２】請求項１の発明のフローセンサによれば、
ヒータは、外部からの駆動電流により計測対象流体を加
熱する。このヒータの加熱と並行して、上流側温度セン
サは、ヒータによる加熱される前の計測対象流体の温度
を検出し、第１の温度検出信号を出力する。下流側温度
センサは、ヒータによる加熱された後の計測対象流体の
温度を検出し、第２の温度検出信号を出力するので、第
１温度検出信号と第２温度検出信号との差信号に基づき
流量を算出することができる。 【００１３】また、ヒータ、上流側温度センサ及び下流
側温度センサの各々には電極が配線され、基体の内の電
極の位置に対応する基体部分には、電極から基体の裏面
まで複数の溝部が形成され、複数の溝部の各々の位置に
あたる位置に、基台の表面上に突出する外部出力部材が
設けられ、溝部に固定する部材である導電性部材を埋め
込み、基台上の外部出力部材が導電性部材に埋め込ま
れ、基体を基台に固定し、かつ、電極を外部に取り出し
た。即ち、導電性部材を介して基体上の電極を外部に取
り出すことができるとともに、ワイヤを用いていないた
め、ダスト、ドレン等が付着しにくく、しかも耐久性が
良好となる。また、ワイヤボンディング工程とダイボン
ディング工程とが１つの工程となるため、ワイヤボンデ
ィング工程が削減され、大幅な工数削減となり、フロー
センサが安価となる。 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【００２０】 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、本発明のフローセンサの実
施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は実施
の形態のマイクロフローセンサの全体構成図である。図
２は実施の形態のマイクロフローセンサのチップ構成図
である。 【００２２】マイクロフローセンサは、図２に示すよう
に、支持基板としてのＳｉ基体２、このＳｉ基体２の表
面に形成されたダイアフラム３、ダイアフラム３上に形
成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒ
ータ４に対して下流側でダイアフラム３上に形成された
下流側温度センサとしての下流側サーモパイル５、マイ
クロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する
電極としての金属膜６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４に対
して上流側でダイアフラム３上に形成された上流側温度
センサとしての上流側サーモパイル８、上流側サーモパ
イル８から出力される第１温度検出信号を出力する電極
としての金属膜９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から
出力される第２温度検出信号を出力する電極からなる金
属膜７Ａ，７Ｂ、ガス温度（外部温度）を測定する抵抗
１５，１６、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を
出力する電極からなる金属膜１７Ａ，１７Ｂを備える。 【００２３】上流側サーモパイル８、下流側サーモパイ
ル５は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ
++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを
有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起
電力が発生することにより、温度検出信号を出力するよ
うになっている。 【００２４】また、図１に示すように、Ｓｉ基体２は、
基台としてのステム２３上に載せられており、基体２の
内の金属膜７（７Ａ，７Ｂ），９（９Ａ，９Ｂ）の先端
部分に対応する基体部分には、基体２の裏面から金属膜
７（７Ａ，７Ｂ），９（９Ａ，９Ｂ）の先端部分までテ
ーパ状の溝部２１が形成されている。 【００２５】この溝部２１には導電性部材としてのハン
ダ２２が埋め込まれており、このハンダ２２には外部出
力部材としてのピン２４が電気的に接触して取り付けら
れている。このピン２４は、ステム２３を貫通してい
て、ハンダ２２の位置に対応して設けられている。ま
た、ハンダ２２がピン２４と接触することにより、Ｓｉ
基体２全体をステム２３に固定している。 【００２６】なお、ピン２４の代わりに、パットを用い
ても良い。また、ステム２３の代わりに、実装基板を用
いてもよい。 【００２７】このように構成されたマイクロフローセン
サによれば、Ｓｉ基体２の表面に配線された電極である
金属膜７に対応するＳｉ基体２の裏面の位置に溝部２１
が形成され、この溝部２１にハンダ２２が埋め込まれて
いて、このハンダ２２にピン２４が接触しているため、
Ｓｉ基体２の電極がハンダ２２を介してピン２４に電気
的に導通する。 【００２８】従って、Ｓｉ基体２の電極を外部に容易に
取り出すことができるとともに、従来のようなワイヤを
用いていないため、ダスト、ドレン等が付着しにくくな
り、また、耐久性が良好となる。 【００２９】また、このように構成されたマイクロフロ
ーセンサによれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆
動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から
発生した熱は、流体を媒体として、下流側サーモパイル
５と上流側サーモパイル８のそれぞれの温接点に伝達さ
れる。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体
（Ｓｉ基板）上にあるので、基体温度になっており、そ
れぞれの温接点は、ダイアフラム上にあるので、伝達さ
れた熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇す
る。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接
点の温度差より熱起電力を発生し、温度検出信号を出力
する。 【００３０】流体を媒体として伝達される熱は、流体の
熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体の流速との
相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達され
る。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上
流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５に均等に伝
達され、上流側サーモパイル８からの第１温度検出信号
と下流側サーモパイル５からの第２温度検出信号の差信
号は、零になる。 【００３１】一方、流体に流速が発生すると、流速によ
って上流側サーモパイル８の温接点に伝達される熱量が
多くなり、前記第２温度検出信号と前記第１温度検出信
号との差信号は流速に応じた正値になる。このため、上
流側サーモパイル８からの第１温度検出信号と下流側サ
ーモパイル５からの第２温度検出信号との差信号に基づ
いて流体の流量を算出することができる。 【００３２】さらに、マイクロフローセンサによれば、
ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモ
パイル８、下流側サーモパイル５を形成したので、これ
らの熱容量を小さくして、消費電力を低減することがで
きる。 【００３３】図３は実施の形態のマイクロフローセンサ
の一例の概略上面図である。図４は実施の形態のマイク
ロフローセンサを作製する作製工程を示す図である。図
３に示すマイクロフローセンサは、マイクロヒータ４
ａ、上流側サーモパイル８ａ、下流側サーモパイル５
ａ、リファレンス抵抗１６ａを有する。 【００３４】なお、図４に示すマイクロフローセンサの
各図は、図３におけるＡ−Ａ′間の断面図である。 【００３５】次に、図４を参照して実施の形態のマイク
ロフローセンサの作製方法を説明する。まず、図４
（ａ）に示すようなＳｉ基体２となるＳｉウェハ６を用
意し、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ６の表面及
び裏面を酸化することにより、ＳｉＯ２からなる絶縁膜
３１をＳｉウェハ６の表面及び裏面に形成する。 【００３６】次に、絶縁膜３１をフォトリソグラフィ工
程によりエッチングし、Ｓｉウェハ６の上面に窓を開
け、ｐ型不純物であるホウ素を高濃度に拡散し、Ｐ++−
Ｓｉ層３２を形成する。そして、Ｐ++−Ｓｉ層３２を形
成した後、表面の絶縁膜３１を除去し、Ｓｉウェハ６の
表面及び裏面を酸化することにより、再び絶縁膜３１を
Ｓｉウェハ６の表面及び裏面に形成する。 【００３７】次に、同様なフォトリソグラフィ工程によ
り、Ｓｉウェハ６に、図４（ｃ）に示すように、絶縁膜
３１を除去して、サーモパイル用コンタクトホール３３
及び電極取り出し用コンタクトホール３４を形成する。 【００３８】一方、Ｓｉウェハ６裏面にも同様なフォト
リソグラフィ工程により、ダイアフラム及び電極取り出
し用コンタクトホール３４の相当部分の絶縁膜３１を除
去して、Ｓｉエッチング窓３６を形成する。 【００３９】次に、図４（ｄ）に示すように、配線用の
ＡＬ薄膜等の金属膜３７を真空蒸着法などにより形成
し、フォトリソグラフィにより配線パターン部分だけを
残し、不要な金属膜をエッチングにより除去する。 【００４０】次に、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉウェ
ハ６の裏面を絶縁膜３１をマスクとして異方性エッチン
グし、凹部を形成することによりダイアフラム３及び溝
部２１を形成する。すなわち、Ｓｉウェハ６の表面に配
線された金属膜３７による電極の裏面に対してエッチン
グによって溝部２１を形成する。ここで、図示しないダ
イシング工程により、チップ状にウェハを切断し、マイ
クロフローセンサチップ（基体）とする。 【００４１】さらに、図４（ｆ）に示すように、形成さ
れた溝部２１にハンダ２２を埋め込む。なお、ハンダ２
２の代わりに、導電性ペーストを溝部２１に埋め込むよ
うにしてもよい。 【００４２】次に、ステム２３のＳｉ基体２を配置する
部分の内の溝部２１が接触する部分に、外部に電極を取
り出すためのピン２４またはパットを設ける。そして、
Ｓｉ基体２をステム２３に載せる（ダイボンディング工
程）。 【００４３】これによって、ハンダ２２を介して電極で
ある金属膜３７とピン２４とが電気的に導通し、外部に
センサチップの電極が取り出せる。このとき、ハンダ２
２を用いた場合には、４００℃ほど加熱すればよく、導
電性ペーストを用いた場合には、数時間乾燥させればよ
い。 【００４４】図６は従来のマイクロフローセンサの一例
の概略上面図である。図７は従来のマイクロフローセン
サを作製する作製工程を示す図である。図６に示すマイ
クロフローセンサは、マイクロヒータ１０４ｂ、上流側
サーモパイル１０８ｂ、下流側サーモパイル１０５ｂ、
リファレンス抵抗１１６ｂを有する。 【００４５】なお、図７に示すマイクロフローセンサの
各図は、図６におけるＡ−Ａ′間の断面図である。 【００４６】次に、図７を参照して従来のマイクロフロ
ーセンサの作製方法を説明する。まず、図７（ａ）及び
図７（ｂ）の工程は、図４（ａ）及び図４（ｂ）の工程
と同様であるので、ここでは、その説明は省略する。 【００４７】次に、フォトリソグラフィ工程により、図
７（ｃ）に示すように、絶縁膜３１を除去して、サーモ
パイル用コンタクトホール３３を形成する。また、裏面
はダイアフラムに対応するマスクで露光を行い、ダイア
フラムの相当部分の絶縁膜３１を除去して、Ｓｉエッチ
ング窓３６ａを形成する。 【００４８】次に、図７（ｄ）に示すように、配線用の
ＡＬ薄膜等の金属膜３７を真空蒸着法などにより形成
し、フォトリソグラフィにより配線パターン部分だけを
残し、不要な金属膜をエッチングにより除去する。 【００４９】次に、図７（ｅ）に示すように、Ｓｉウェ
ハ６の裏面を絶縁膜３１をマスクとして異方性エッチン
グし、凹部を形成することによりダイアフラム１０３を
形成する。ここで、図示しないダイシング工程により、
チップ状にウェハを切断し、マイクロフローセンサチッ
プ（基体）とする。 【００５０】さらに、図７（ｆ）に示すように、Ｓｉ基
体２の裏面の絶縁膜３１にハンダ２２を接合して、ステ
ム１３１に固定する（ダイボンディング工程）。このス
テム１３１の両端にはピン１２３を貫通して設けてあ
る。 【００５１】その後に、図７（ｇ）に示すように、ピン
１２３と電極である金属膜３７とをワイヤ１２１で接続
する（ワイヤボンディング工程）。 【００５２】このように、図４に示す実施の形態のマイ
クロフローセンサの作製工程は、図７に示す従来のマイ
クロフローセンサの作製工程に対して、ワイヤボンディ
ング工程とダイボンディング工程とが１つの工程とな
る。 【００５３】すなわち、ワイヤボンディング工程が削減
され、電極取り出しは、従来のダイボンディング工程に
含まれることになる。従って、工数を大幅に削減するこ
とができるため、マイクロフローセンサが安価となる。 【００５４】次に、実施の形態のマイクロフローセンサ
を用いた流体の流量計測を説明する。図５は実施の形態
のマイクロフローセンサを用いた流量計測装置の構成ブ
ロック図である。 【００５５】この流量計測装置は、例えば、ガス等の流
体の流量を計測するものであり、マイクロフローセンサ
内の下流側サーモパイル５からの第２温度検出信号を増
幅するアンプ３８ａと、マイクロフローセンサ内の上流
側サーモパイル８からの第１温度検出信号を増幅するア
ンプ３８ｂと、アンプ３８ａから出力される第２温度検
出信号とアンプ３８ｂから出力される第１温度検出信号
との差信号を増幅する差動アンプ３９と、差動アンプ３
９で得られた第２温度検出信号と第１温度検出信号との
差信号に基づき流体の流量を算出する流量算出部４１を
有するマイクロコンピュータ４０とを備えて構成され
る。 【００５６】次に、実施の形態の流量計測装置の動作を
説明する。まず、外部からのパルス信号による駆動電流
によりマイクロヒータ４を加熱すると、下流側サーモパ
イル５から第２温度検出信号が出力され、上流側サーモ
パイル８から第１温度検出信号が出力される。第２温度
検出信号は、アンプ３８ａで増幅されて差動アンプ３９
に出力され、第１温度検出信号は、アンプ３８ｂで増幅
されて差動アンプ３９に出力される。 【００５７】そして、差動アンプ３９が、アンプ３８ａ
からの第２温度検出信号とアンプ３８ｂからの第１温度
検出信号との差信号を増幅するので、流量算出部４１に
より、差動アンプ３９からの差信号に基づき流体の流量
を算出することができる。 【００５８】なお、本発明は実施の形態のマイクロフロ
ーセンサに限定されるものではない。実施の形態では、
温度センサとしてサーモパイルを用いたが、例えば、温
度センサとして測温抵抗を用いても良い。このほか、本
発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して
実施可能であるのは勿論である。 【００５９】 【発明の効果】請求項１の発明のフローセンサによれ
ば、ヒータは、外部からの駆動電流により計測対象流体
を加熱する。このヒータの加熱と並行して、上流側サー
モパイルは、ヒータによる加熱される前の計測対象流体
の温度を検出し、第１の温度検出信号を出力する。下流
側サーモパイルは、ヒータによる加熱された後の計測対
象流体の温度を検出し、第２の温度検出信号を出力する
ので、第１温度検出信号と第２温度検出信号との差信号
に基づき流量を算出することができる。 【００６０】また、ヒータ、上流側温度センサ及び下流
側温度センサの各々には電極が配線され、基体の内の電
極の位置に対応する基体部分には、電極から基体の裏面
まで複数の溝部が形成され、複数の溝部の各々の位置に
あたる位置に、基台の表面上に突出する外部出力部材が
設けられ、溝部に固定する部材である導電性部材を埋め
込み、基台上の外部出力部材が導電性部材に埋め込ま
れ、基体を基台に固定し、かつ、電極を外部に取り出し
た。即ち、導電性部材を介して基体上の電極を外部に取
り出すことができるとともに、ワイヤを用いていないた
め、ダスト、ドレン等が付着しにくく、しかも耐久性が
良好となる。また、ワイヤボンディング工程とダイボン
ディング工程とが１つの工程となるため、ワイヤボンデ
ィング工程が削減され、大幅な工数削減となり、フロー
センサが安価となる。 【００６１】 【００６２】 【００６３】 【００６４】
いることができる流速センサ（以下、フローセンサと称
する。）に関し、特にダスト、ドレン等が付着しにくい
構造を有したフローセンサに関する。 【０００２】 【従来の技術】図８に従来の熱型のマイクロフローセン
サのチップ構成図を示す。このマイクロフローセンサ
は、Ｓｉ基体１０２、ダイアフラム１０３、ダイアフラ
ム１０３上に形成されたマイクロヒータ１０４、マイク
ロヒータ１０４の下端でダイアフラム１０３上に形成さ
れた下流側サーモパイル１０５、マイクロヒータ１０４
に駆動電流を供給する電極からなる電源端子１０６Ａ，
１０６Ｂ、マイクロヒータ１０４の上端でダイアフラム
１０３上に形成された上流側サーモパイル１０８、上流
側サーモパイル１０８から出力される第１温度検出信号
を出力する電極からなる第１出力端子１０９Ａ，１０９
Ｂ、下流側サーモパイル１０５から出力される第２温度
検出信号を出力する電極からなる第２出力端子１０７
Ａ，１０７Ｂ、ガス温度（外部温度）を測定するための
抵抗１１５，１１６、この抵抗１１５，１１６からのガ
ス温度信号を出力する電極からなる出力端子１１７Ａ，
１１７Ｂを備える。 【０００３】このような構成のマイクロフローセンサに
よれば、マイクロヒータ１０４が、外部からの駆動電流
により流体を加熱すると、このマイクロヒータ１０４の
加熱と並行して、上流側サーモパイル１０８は、マイク
ロヒータ１０４による加熱される前の流体の温度を検出
し、第１の温度検出信号を出力する。 【０００４】また、下流側サーモパイル１０５は、マイ
クロヒータ１０４による加熱された後の流体の温度を検
出し、第２の温度検出信号を出力するので、第１温度検
出信号と第２温度検出信号との差信号に基づき、Ｐから
Ｑにへ向かって流れる流体の流量を算出することができ
る。 【０００５】また、図９に図８に示す従来の熱型のマイ
クロフローセンサの全体構成図を示す。Ｓｉ基体２は、
図９に示すように、ステム１３１の表面の中央に配置さ
れ、このＳｉ基体２上の各端子における各電極は、ボン
ディングワイヤ（以下、ワイヤと称する。）１２１を介
して、ステム１３１を貫通する丸棒状のピン１２３に電
気的に接続されている。 【０００６】このピン１２３は、ステム１３１によって
計測対象流体（以下、流体と略称する。）と外部との気
密を保持しながら、且つ、絶縁をとりながら、各電極を
外部に取り出すようになっている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロフローセンサにあっては、ワイヤ１２１に、ダ
スト、ドレン等が付着しやすく、ワイヤ１２１の断線や
隣接電極との短絡が発生しやすくなっていた。 【０００８】また、ワイヤ１２１やピン１２３が流体の
流れを乱し、マイクロフローセンサの固体差を発生させ
る一因ともなっていた。さらに、ワイヤ１２１は、マイ
クロフローセンサの構成部品の中で最も耐久性がない部
分であり、信頼性に欠けていた。 【０００９】そこで、ワイヤ１２１の断線や隣接電極と
の短絡をモニタする方法も考えられるが、結局のとこ
ろ、従来のマイクロフローセンサは、故障しやすいよう
な構造となっているため、例えば、マイクロフローセン
サをガスメータに用いた場合に、マイクロフローセンサ
が故障した際には、センサを容易に交換することができ
なかったため、センサを交換できない間、流体の流量計
測が行えず、ガスを遮断しておかなければならない等の
問題が発生してくる。 【００１０】本発明は、ダスト、ドレン等が付着しにく
く、耐久性が良好なフローセンサを提供することを課題
とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成とした。請求項１の発明のフロ
ーセンサは、基体の表面上に形成され、外部からの駆動
電流により流路を流れる計測対象流体を加熱するヒータ
と、前記基体の表面上に形成され、前記ヒータに対して
前記計測対象流体の上流側に配置され、前記計測対象流
体の温度を検出し、第１温度検出信号を出力する上流側
温度センサと、前記基体の表面上に形成され、前記ヒー
タに対して前記計測対象流体の下流側に配置され、前記
計測対象流体の温度を検出し、第２温度検出信号を出力
する下流側温度センサと、前記基体の表面上に形成さ
れ、前記ヒータ、前記上流側温度センサ及び前記下流側
温度センサの各々について各々に配線された複数の電極
とを備え、前記基体の内の前記電極の位置に対応する基
体部分に、前記電極から前記基体の裏面まで複数の溝部
を形成し、前記複数の溝部の各々の位置にあたる位置
に、基台の表面上に突出する外部出力部材を設け、前記
溝部に固定する部材である導電性部材を埋め込み、前記
基台上の前記外部出力部材が前記導電性部材に埋め込ま
れ、前記基体を前記基台に固定し、かつ、前記電極を外
部に取り出したことを特徴とする。 【００１２】請求項１の発明のフローセンサによれば、
ヒータは、外部からの駆動電流により計測対象流体を加
熱する。このヒータの加熱と並行して、上流側温度セン
サは、ヒータによる加熱される前の計測対象流体の温度
を検出し、第１の温度検出信号を出力する。下流側温度
センサは、ヒータによる加熱された後の計測対象流体の
温度を検出し、第２の温度検出信号を出力するので、第
１温度検出信号と第２温度検出信号との差信号に基づき
流量を算出することができる。 【００１３】また、ヒータ、上流側温度センサ及び下流
側温度センサの各々には電極が配線され、基体の内の電
極の位置に対応する基体部分には、電極から基体の裏面
まで複数の溝部が形成され、複数の溝部の各々の位置に
あたる位置に、基台の表面上に突出する外部出力部材が
設けられ、溝部に固定する部材である導電性部材を埋め
込み、基台上の外部出力部材が導電性部材に埋め込ま
れ、基体を基台に固定し、かつ、電極を外部に取り出し
た。即ち、導電性部材を介して基体上の電極を外部に取
り出すことができるとともに、ワイヤを用いていないた
め、ダスト、ドレン等が付着しにくく、しかも耐久性が
良好となる。また、ワイヤボンディング工程とダイボン
ディング工程とが１つの工程となるため、ワイヤボンデ
ィング工程が削減され、大幅な工数削減となり、フロー
センサが安価となる。 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【００２０】 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、本発明のフローセンサの実
施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は実施
の形態のマイクロフローセンサの全体構成図である。図
２は実施の形態のマイクロフローセンサのチップ構成図
である。 【００２２】マイクロフローセンサは、図２に示すよう
に、支持基板としてのＳｉ基体２、このＳｉ基体２の表
面に形成されたダイアフラム３、ダイアフラム３上に形
成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒ
ータ４に対して下流側でダイアフラム３上に形成された
下流側温度センサとしての下流側サーモパイル５、マイ
クロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する
電極としての金属膜６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４に対
して上流側でダイアフラム３上に形成された上流側温度
センサとしての上流側サーモパイル８、上流側サーモパ
イル８から出力される第１温度検出信号を出力する電極
としての金属膜９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から
出力される第２温度検出信号を出力する電極からなる金
属膜７Ａ，７Ｂ、ガス温度（外部温度）を測定する抵抗
１５，１６、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を
出力する電極からなる金属膜１７Ａ，１７Ｂを備える。 【００２３】上流側サーモパイル８、下流側サーモパイ
ル５は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ
++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを
有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起
電力が発生することにより、温度検出信号を出力するよ
うになっている。 【００２４】また、図１に示すように、Ｓｉ基体２は、
基台としてのステム２３上に載せられており、基体２の
内の金属膜７（７Ａ，７Ｂ），９（９Ａ，９Ｂ）の先端
部分に対応する基体部分には、基体２の裏面から金属膜
７（７Ａ，７Ｂ），９（９Ａ，９Ｂ）の先端部分までテ
ーパ状の溝部２１が形成されている。 【００２５】この溝部２１には導電性部材としてのハン
ダ２２が埋め込まれており、このハンダ２２には外部出
力部材としてのピン２４が電気的に接触して取り付けら
れている。このピン２４は、ステム２３を貫通してい
て、ハンダ２２の位置に対応して設けられている。ま
た、ハンダ２２がピン２４と接触することにより、Ｓｉ
基体２全体をステム２３に固定している。 【００２６】なお、ピン２４の代わりに、パットを用い
ても良い。また、ステム２３の代わりに、実装基板を用
いてもよい。 【００２７】このように構成されたマイクロフローセン
サによれば、Ｓｉ基体２の表面に配線された電極である
金属膜７に対応するＳｉ基体２の裏面の位置に溝部２１
が形成され、この溝部２１にハンダ２２が埋め込まれて
いて、このハンダ２２にピン２４が接触しているため、
Ｓｉ基体２の電極がハンダ２２を介してピン２４に電気
的に導通する。 【００２８】従って、Ｓｉ基体２の電極を外部に容易に
取り出すことができるとともに、従来のようなワイヤを
用いていないため、ダスト、ドレン等が付着しにくくな
り、また、耐久性が良好となる。 【００２９】また、このように構成されたマイクロフロ
ーセンサによれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆
動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から
発生した熱は、流体を媒体として、下流側サーモパイル
５と上流側サーモパイル８のそれぞれの温接点に伝達さ
れる。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体
（Ｓｉ基板）上にあるので、基体温度になっており、そ
れぞれの温接点は、ダイアフラム上にあるので、伝達さ
れた熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇す
る。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接
点の温度差より熱起電力を発生し、温度検出信号を出力
する。 【００３０】流体を媒体として伝達される熱は、流体の
熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体の流速との
相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達され
る。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上
流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５に均等に伝
達され、上流側サーモパイル８からの第１温度検出信号
と下流側サーモパイル５からの第２温度検出信号の差信
号は、零になる。 【００３１】一方、流体に流速が発生すると、流速によ
って上流側サーモパイル８の温接点に伝達される熱量が
多くなり、前記第２温度検出信号と前記第１温度検出信
号との差信号は流速に応じた正値になる。このため、上
流側サーモパイル８からの第１温度検出信号と下流側サ
ーモパイル５からの第２温度検出信号との差信号に基づ
いて流体の流量を算出することができる。 【００３２】さらに、マイクロフローセンサによれば、
ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモ
パイル８、下流側サーモパイル５を形成したので、これ
らの熱容量を小さくして、消費電力を低減することがで
きる。 【００３３】図３は実施の形態のマイクロフローセンサ
の一例の概略上面図である。図４は実施の形態のマイク
ロフローセンサを作製する作製工程を示す図である。図
３に示すマイクロフローセンサは、マイクロヒータ４
ａ、上流側サーモパイル８ａ、下流側サーモパイル５
ａ、リファレンス抵抗１６ａを有する。 【００３４】なお、図４に示すマイクロフローセンサの
各図は、図３におけるＡ−Ａ′間の断面図である。 【００３５】次に、図４を参照して実施の形態のマイク
ロフローセンサの作製方法を説明する。まず、図４
（ａ）に示すようなＳｉ基体２となるＳｉウェハ６を用
意し、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ６の表面及
び裏面を酸化することにより、ＳｉＯ２からなる絶縁膜
３１をＳｉウェハ６の表面及び裏面に形成する。 【００３６】次に、絶縁膜３１をフォトリソグラフィ工
程によりエッチングし、Ｓｉウェハ６の上面に窓を開
け、ｐ型不純物であるホウ素を高濃度に拡散し、Ｐ++−
Ｓｉ層３２を形成する。そして、Ｐ++−Ｓｉ層３２を形
成した後、表面の絶縁膜３１を除去し、Ｓｉウェハ６の
表面及び裏面を酸化することにより、再び絶縁膜３１を
Ｓｉウェハ６の表面及び裏面に形成する。 【００３７】次に、同様なフォトリソグラフィ工程によ
り、Ｓｉウェハ６に、図４（ｃ）に示すように、絶縁膜
３１を除去して、サーモパイル用コンタクトホール３３
及び電極取り出し用コンタクトホール３４を形成する。 【００３８】一方、Ｓｉウェハ６裏面にも同様なフォト
リソグラフィ工程により、ダイアフラム及び電極取り出
し用コンタクトホール３４の相当部分の絶縁膜３１を除
去して、Ｓｉエッチング窓３６を形成する。 【００３９】次に、図４（ｄ）に示すように、配線用の
ＡＬ薄膜等の金属膜３７を真空蒸着法などにより形成
し、フォトリソグラフィにより配線パターン部分だけを
残し、不要な金属膜をエッチングにより除去する。 【００４０】次に、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉウェ
ハ６の裏面を絶縁膜３１をマスクとして異方性エッチン
グし、凹部を形成することによりダイアフラム３及び溝
部２１を形成する。すなわち、Ｓｉウェハ６の表面に配
線された金属膜３７による電極の裏面に対してエッチン
グによって溝部２１を形成する。ここで、図示しないダ
イシング工程により、チップ状にウェハを切断し、マイ
クロフローセンサチップ（基体）とする。 【００４１】さらに、図４（ｆ）に示すように、形成さ
れた溝部２１にハンダ２２を埋め込む。なお、ハンダ２
２の代わりに、導電性ペーストを溝部２１に埋め込むよ
うにしてもよい。 【００４２】次に、ステム２３のＳｉ基体２を配置する
部分の内の溝部２１が接触する部分に、外部に電極を取
り出すためのピン２４またはパットを設ける。そして、
Ｓｉ基体２をステム２３に載せる（ダイボンディング工
程）。 【００４３】これによって、ハンダ２２を介して電極で
ある金属膜３７とピン２４とが電気的に導通し、外部に
センサチップの電極が取り出せる。このとき、ハンダ２
２を用いた場合には、４００℃ほど加熱すればよく、導
電性ペーストを用いた場合には、数時間乾燥させればよ
い。 【００４４】図６は従来のマイクロフローセンサの一例
の概略上面図である。図７は従来のマイクロフローセン
サを作製する作製工程を示す図である。図６に示すマイ
クロフローセンサは、マイクロヒータ１０４ｂ、上流側
サーモパイル１０８ｂ、下流側サーモパイル１０５ｂ、
リファレンス抵抗１１６ｂを有する。 【００４５】なお、図７に示すマイクロフローセンサの
各図は、図６におけるＡ−Ａ′間の断面図である。 【００４６】次に、図７を参照して従来のマイクロフロ
ーセンサの作製方法を説明する。まず、図７（ａ）及び
図７（ｂ）の工程は、図４（ａ）及び図４（ｂ）の工程
と同様であるので、ここでは、その説明は省略する。 【００４７】次に、フォトリソグラフィ工程により、図
７（ｃ）に示すように、絶縁膜３１を除去して、サーモ
パイル用コンタクトホール３３を形成する。また、裏面
はダイアフラムに対応するマスクで露光を行い、ダイア
フラムの相当部分の絶縁膜３１を除去して、Ｓｉエッチ
ング窓３６ａを形成する。 【００４８】次に、図７（ｄ）に示すように、配線用の
ＡＬ薄膜等の金属膜３７を真空蒸着法などにより形成
し、フォトリソグラフィにより配線パターン部分だけを
残し、不要な金属膜をエッチングにより除去する。 【００４９】次に、図７（ｅ）に示すように、Ｓｉウェ
ハ６の裏面を絶縁膜３１をマスクとして異方性エッチン
グし、凹部を形成することによりダイアフラム１０３を
形成する。ここで、図示しないダイシング工程により、
チップ状にウェハを切断し、マイクロフローセンサチッ
プ（基体）とする。 【００５０】さらに、図７（ｆ）に示すように、Ｓｉ基
体２の裏面の絶縁膜３１にハンダ２２を接合して、ステ
ム１３１に固定する（ダイボンディング工程）。このス
テム１３１の両端にはピン１２３を貫通して設けてあ
る。 【００５１】その後に、図７（ｇ）に示すように、ピン
１２３と電極である金属膜３７とをワイヤ１２１で接続
する（ワイヤボンディング工程）。 【００５２】このように、図４に示す実施の形態のマイ
クロフローセンサの作製工程は、図７に示す従来のマイ
クロフローセンサの作製工程に対して、ワイヤボンディ
ング工程とダイボンディング工程とが１つの工程とな
る。 【００５３】すなわち、ワイヤボンディング工程が削減
され、電極取り出しは、従来のダイボンディング工程に
含まれることになる。従って、工数を大幅に削減するこ
とができるため、マイクロフローセンサが安価となる。 【００５４】次に、実施の形態のマイクロフローセンサ
を用いた流体の流量計測を説明する。図５は実施の形態
のマイクロフローセンサを用いた流量計測装置の構成ブ
ロック図である。 【００５５】この流量計測装置は、例えば、ガス等の流
体の流量を計測するものであり、マイクロフローセンサ
内の下流側サーモパイル５からの第２温度検出信号を増
幅するアンプ３８ａと、マイクロフローセンサ内の上流
側サーモパイル８からの第１温度検出信号を増幅するア
ンプ３８ｂと、アンプ３８ａから出力される第２温度検
出信号とアンプ３８ｂから出力される第１温度検出信号
との差信号を増幅する差動アンプ３９と、差動アンプ３
９で得られた第２温度検出信号と第１温度検出信号との
差信号に基づき流体の流量を算出する流量算出部４１を
有するマイクロコンピュータ４０とを備えて構成され
る。 【００５６】次に、実施の形態の流量計測装置の動作を
説明する。まず、外部からのパルス信号による駆動電流
によりマイクロヒータ４を加熱すると、下流側サーモパ
イル５から第２温度検出信号が出力され、上流側サーモ
パイル８から第１温度検出信号が出力される。第２温度
検出信号は、アンプ３８ａで増幅されて差動アンプ３９
に出力され、第１温度検出信号は、アンプ３８ｂで増幅
されて差動アンプ３９に出力される。 【００５７】そして、差動アンプ３９が、アンプ３８ａ
からの第２温度検出信号とアンプ３８ｂからの第１温度
検出信号との差信号を増幅するので、流量算出部４１に
より、差動アンプ３９からの差信号に基づき流体の流量
を算出することができる。 【００５８】なお、本発明は実施の形態のマイクロフロ
ーセンサに限定されるものではない。実施の形態では、
温度センサとしてサーモパイルを用いたが、例えば、温
度センサとして測温抵抗を用いても良い。このほか、本
発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して
実施可能であるのは勿論である。 【００５９】 【発明の効果】請求項１の発明のフローセンサによれ
ば、ヒータは、外部からの駆動電流により計測対象流体
を加熱する。このヒータの加熱と並行して、上流側サー
モパイルは、ヒータによる加熱される前の計測対象流体
の温度を検出し、第１の温度検出信号を出力する。下流
側サーモパイルは、ヒータによる加熱された後の計測対
象流体の温度を検出し、第２の温度検出信号を出力する
ので、第１温度検出信号と第２温度検出信号との差信号
に基づき流量を算出することができる。 【００６０】また、ヒータ、上流側温度センサ及び下流
側温度センサの各々には電極が配線され、基体の内の電
極の位置に対応する基体部分には、電極から基体の裏面
まで複数の溝部が形成され、複数の溝部の各々の位置に
あたる位置に、基台の表面上に突出する外部出力部材が
設けられ、溝部に固定する部材である導電性部材を埋め
込み、基台上の外部出力部材が導電性部材に埋め込ま
れ、基体を基台に固定し、かつ、電極を外部に取り出し
た。即ち、導電性部材を介して基体上の電極を外部に取
り出すことができるとともに、ワイヤを用いていないた
め、ダスト、ドレン等が付着しにくく、しかも耐久性が
良好となる。また、ワイヤボンディング工程とダイボン
ディング工程とが１つの工程となるため、ワイヤボンデ
ィング工程が削減され、大幅な工数削減となり、フロー
センサが安価となる。 【００６１】 【００６２】 【００６３】 【００６４】
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態のマイクロフローセンサの全体構成
図である。 【図２】実施の形態のマイクロフローセンサのチップ構
成図である。 【図３】実施の形態のマイクロフローセンサの一例の概
略上面図である。 【図４】実施の形態のマイクロフローセンサを作製する
作製工程を示す図である。 【図５】実施の形態のマイクロフローセンサを用いた流
量計測装置の構成ブロック図である。 【図６】従来のマイクロフローセンサの一例の概略上面
図である。 【図７】従来のマイクロフローセンサを作製する作製工
程を示す図である。 【図８】従来の熱型のマイクロフローセンサのチップ構
成図である。 【図９】図８に示す従来の熱型のマイクロフローセンサ
の全体構成図である。 【符号の説明】 ２ Ｓｉ基体 ３ ダイアフラム ４ マイクロヒータ ５ 下流側サーモパイル ６ Ｓｉウェハ ７，９ 金属膜 ８ 上流側サーモパイル ２１ 溝部 ２２ ハンダ ２３ ステム ２４ ピン ３１ 絶縁膜 ３３ サーモパイル用コンタクトホール ３６ａ Ｓｉエッチング窓 ３７ 金属膜 ３８ａ，３８ｂ アンプ ３９ 差動アンプ ４０ マイクロコンピュータ ４１ 流量算出部 １２１ ワイヤ １２３ ピン
図である。 【図２】実施の形態のマイクロフローセンサのチップ構
成図である。 【図３】実施の形態のマイクロフローセンサの一例の概
略上面図である。 【図４】実施の形態のマイクロフローセンサを作製する
作製工程を示す図である。 【図５】実施の形態のマイクロフローセンサを用いた流
量計測装置の構成ブロック図である。 【図６】従来のマイクロフローセンサの一例の概略上面
図である。 【図７】従来のマイクロフローセンサを作製する作製工
程を示す図である。 【図８】従来の熱型のマイクロフローセンサのチップ構
成図である。 【図９】図８に示す従来の熱型のマイクロフローセンサ
の全体構成図である。 【符号の説明】 ２ Ｓｉ基体 ３ ダイアフラム ４ マイクロヒータ ５ 下流側サーモパイル ６ Ｓｉウェハ ７，９ 金属膜 ８ 上流側サーモパイル ２１ 溝部 ２２ ハンダ ２３ ステム ２４ ピン ３１ 絶縁膜 ３３ サーモパイル用コンタクトホール ３６ａ Ｓｉエッチング窓 ３７ 金属膜 ３８ａ，３８ｂ アンプ ３９ 差動アンプ ４０ マイクロコンピュータ ４１ 流量算出部 １２１ ワイヤ １２３ ピン
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01F 1/00 - 9/02
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 基体の表面上に形成され、外部からの駆
動電流により流路を流れる計測対象流体を加熱するヒー
タと、 前記基体の表面上に形成され、前記ヒータに対して前記
計測対象流体の上流側に配置され、前記計測対象流体の
温度を検出し、第１温度検出信号を出力する上流側温度
センサと、 前記基体の表面上に形成され、前記ヒータに対して前記
計測対象流体の下流側に配置され、前記計測対象流体の
温度を検出し、第２温度検出信号を出力する下流側温度
センサと、 前記基体の表面上に形成され、前記ヒータ、前記上流側
温度センサ及び前記下流側温度センサの各々について各
々に配線された複数の電極とを備え、 前記基体の内の前記電極の位置に対応する基体部分に、
前記電極から前記基体の裏面まで複数の溝部を形成し、
前記複数の溝部の各々の位置にあたる位置に、基台の表
面上に突出する外部出力部材を設け、前記溝部に固定す
る部材である導電性部材を埋め込み、前記基台上の前記
外部出力部材が前記導電性部材に埋め込まれ、前記基体
を前記基台に固定し、かつ、前記電極を外部に取り出し
たことを特徴とするフローセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12062399A JP3530069B2 (ja) | 1999-04-27 | 1999-04-27 | フローセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12062399A JP3530069B2 (ja) | 1999-04-27 | 1999-04-27 | フローセンサ |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2000310553A JP2000310553A (ja) | 2000-11-07 |
| JP3530069B2 true JP3530069B2 (ja) | 2004-05-24 |
Family
ID=14790819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12062399A Expired - Lifetime JP3530069B2 (ja) | 1999-04-27 | 1999-04-27 | フローセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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1999
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