JP3589083B2 - 感熱式フロ−センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量や流速などを測定する、例えばガスメータや水道メータなどに用いられる感熱式フローセンサに関し、特にサーモパイル（熱電対列）型温度センサを用いた感熱式フローセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、気体や液体などの流体の流量や流速などを測定するために、ヒータを用いた感熱式のフローセンサが提案されている。この感熱式フローセンサは半導体基板上に形成した架橋構造のブリッジ部の表面に、ヒータおよび温度センサを配置した構成となっている。温度センサは流体の流れ方向に沿ってヒータの両側に配置されている。
【０００３】
この感熱式フローセンサは、ヒータに電流を流すことで発生する熱の温度分布が、流体の流量や流速に応じて変化することを利用し、その変化量をヒータの両側に設けた温度センサによって検出するものである。
【０００４】
図１３は、このような従来の感熱式フローセンサの一例を示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ線上の断面図（ｂ）である。
【０００５】
同図において、感熱式フローセンサ１は、半導体基板２の表面に絶縁層３を薄膜形成し、さらに半導体基板２の中央域をエッチングによって取り除くことで空隙部４を形成し、空隙部４上に絶縁層３の一部がブリッジ部３ａとして架橋状に形成された構成を有している。
【０００６】
また、ブリッジ部３ａの表面には、抵抗体（発熱体）を凹字形に形成することでヒータ部１１を形成し、その両隣には第１の温度センサ１２Ａおよび第２の温度センサ１２Ｂがヒータ部１１を挟む形で形成されている。ヒータ部１１を構成する抵抗体の両端には、ワイヤパッド１１ａ，１１ｂがブリッジ部３ａの外側の半導体基板２上に互いに隣接して形成されている。
【０００７】
温度センサ１２Ａは複数のサーモカップル（熱電対）１３Ａによって構成されたサーモパイル（熱電対列）で、熱電対１３Ａの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に等間隔に配置された構成となっている。そして、温度センサ１２Ａの両端には半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ａ，１４ｂが接続されている。
【０００８】
第２の温度センサ１２Ｂも同一の構成を有し、複数の熱電対１３Ｂの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に等間隔に配置され、その両端には半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ｃ，１４ｄが接続されている。
【０００９】
熱電対１３Ａ，１３Ｂは、２種類の金属または半導体の両端部を接合して構成したもので、一方の接合部（先端接合部）が空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、他方の接合部（後端接合部）が半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。両接点１５ａ，１５ｂを異なる温度に保つと回路に熱電流が流れ、回路を開いて熱電流を０にすると熱起電力が生じる。サーモパイル型の温度センサ１２Ａ，１２Ｂはこの原理を利用している。
【００１０】
この構成において、感熱式フローセンサ１を、ヒータ部１１の長手方向が流体の流れ方向Ｆ（図の左右方向）と直交する方向に設置し、ヒータ部１１のワイヤパッド１１ａ，１１ｂ間に電流を流すと、ヒータ部１１が発熱する。
【００１１】
それに伴って温度サンセ１２Ａ，１２Ｂを構成する熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａの温度が上昇する。熱電対１３Ａ，１３Ｂの冷接点１５ｂの温度は半導体基板２の熱伝導率が高いので同一に保たれる。
【００１２】
この結果、温度サンセ１２Ａの熱電対１３Ａは温接点１５ａおよび冷接点１５ｂ間の温度差に応じて熱起電力を出力し、全熱起電力はワイヤパッド１４ａ，１４ｂから取り出される。温度センサ１２Ｂも同様にしてワイヤパッド１４ｃ，１４ｄから全熱起電力が取り出される。
【００１３】
流体の流量や流速が無い場合は、ヒータ部１１から発生する熱の温度分布は、図１４に鎖線で示すように、等温曲線Ｌがヒータ部１１の両側で対称になる。この結果、ヒータ部１１の両側に設けた温度センサ１２Ａ，１２Ｂから出力される熱起電力は同じになる。
【００１４】
流体が流れ方向Ｆに移動したとすると、ヒータ部１１から発生する熱の温度分布は、図１５に鎖線で示すように、等温曲線Ｌが流体の流れ方向Ｆに沿って広がることになる。この結果、上流側の温度センサ１２Ａの熱電対１３Ａの温接点１５ａの温度は、下流側の温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂの温接点１５ａの温度よりも低くなる。この結果、２つの温度センサ１２Ａ，１２Ｂの出力電圧（熱起電力）に差が生じるので、この差を検出することで流体の流量や流速を検出することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した感熱式フローセンサ１は、ヒータ部１１の形状が直線的であるため、温度分布の等温曲線Ｌは楕円状の曲線となる。このため、中央付近の熱電対の温度は周辺部の熱電対の温度よりも高温になる。
【００１６】
一般に高温の物体を放置しておくと、最初は熱が逃げやすいため急激に温度が下がり、低温になるにつれて熱が逃げにくくなるため温度は下がりにくくなる。このため、複数の熱電対からなる温度センサにおいては、熱が逃げやすい場所（中央部）と熱が逃げにくい場所（周辺部）とができてしまい、温度センサの感度が低下するということがあった。
【００１７】
また、温度分布の等温曲線Ｌが楕円状であるのに対し、温度センサを構成する複数の熱電対は一直線上に並んでいるため、中央付近の熱電対の温接点の温度は高く、周辺部の熱電対の温接点の温度は低くなり均一な温度分布にはならない。このため、温度センサからの出力電圧が小さくなり、検出感度および検出精度が低下するということがあった。
【００１８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、ヒータの温度分布の等温曲線の不均一性を考慮しながら高感度で高精度な感熱式フローセンサを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１記載のフローセンサは、半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、絶縁層の表面に配置したヒータ部と、ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、第１の温度センサの先端接合部から第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、熱電対の配置密度が周辺部より中央部の方が高くなるように構成したものである。
【００２０】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対の配置間隔を、ヒータ部から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部から温度センサの各温接点への熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２１】
本発明による請求項２記載のフローセンサは、請求項１記載の発明において、第１および第２の温度センサは、熱電対の長さが周辺部より中央部の方が短くなるように後端接合部の位置を異ならせて構成したものである。
【００２２】
本発明によると、熱電対は短いと電気抵抗が小さくなると共に熱抵抗も小さくなるので、熱が逃げやすい点を考慮し、等温曲線によって温度が高い温度センサの中央部の熱電対は短くして熱が逃げやすいようにし、等温曲線によって温度が低い温度センサの周辺部の熱電対は長くして熱が逃げにくいようにし、これによってヒータ部から温度センサの各温接点の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２３】
本発明による請求項３記載のフローセンサは、半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、絶縁層の表面に配置したヒータ部と、ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、第１の温度センサの先端接合部から第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、熱電対の先端接合部の位置がヒータ部から発生する熱の楕円状の等温曲線に沿って配置したことを特徴とする感熱式フロ−センサ。
【００２４】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対を等温曲線に沿って配置することにより、温度センサの先端接合部の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２５】
本発明による請求項４記載のフローセンサは、請求項３記載の発明において、第１および第２の温度センサは、熱電対の先端接合部の長さが周辺部の熱電対より中央部の熱電対の方が短くなるように構成したものである。
【００２６】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対の先端接合部の長さを、等温曲線に沿って周辺部は長く、中央部は短くなるように構成することにより、接合部が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため熱起電力が増加するので、各先端接合部の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図１ないし図１２に基づいて説明する。なお、以下の説明では、前述した図１３に示す構成部分と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による感熱式フローセンサの平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の断面図（ｂ）である。
【００２９】
本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、単結晶シリコンからなる半導体基板２の表面に、酸化膜（ＳｉＯ２ ）または窒化膜（Ｓｉ３ Ｎ４ ）からなる絶縁層３を形成し、さらに絶縁層３の表面に抵抗体を凹字状に配置してヒータ部１１を形成し、さらにヒータ部１１を挟んでサーモパイル型の一対の第１および第２の温度センサ１２Ａ，１２Ｂを形成した構成を有している。
【００３０】
ヒータ部１１はポリシリコンにリン等の不純物をドーピングし拡散することによって抵抗体にしておく。不純物のドープ量や拡散条件を変更することによって抵抗値は容易に変更可能である。
【００３１】
また、ヒータ部１１は絶縁層３の一部が半導体基板２の空隙部４上に架橋状に形成されたブリッジ部３ａ上に形成されており、発生した熱が熱伝導率の高い半導体基板２に伝導しにくい熱絶縁構造となっている。また、ヒータ部１１の両端はブリッジ部３ａの外側の半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１１ａ，１１ｂに接続されている。
【００３２】
温度センサ１２Ａは複数の熱電対１３Ａからなり、各熱電対１３Ａの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に形成し、複数の熱電対１３Ａを直列に接続した構成となっている。熱電対１３Ａは例えばアルミニウムとポリシリコンで構成する。熱電対１３Ａの先端接合部は空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、後端接合部は半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。
【００３３】
また、複数の熱電対１３Ａの配置間隔は、中央部は高密度に、周辺部は低密度になるように設定されている。例えば、図の中央の９個の熱電対１３Ａの配置間隔はｄであり、その両側の各３個の熱電対１３Ａの配置間隔は２ｄである。また、温度センサ１２Ａの両端は半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ａ，１４ｂに接続されている。
【００３４】
温度センサ１２Ｂも同様の構成を有し、複数の熱電対１３Ｂをその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に配置した構成となっており、両端は半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ｃ，１４ｄに接続されている。熱電対１３Ｂの先端接合部は空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、後端接合部は半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。また、複数の熱電対１３Ｂの配置間隔は、中央部は高密度に、周辺部は低密度になるように設定されている。
【００３５】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定することで、すなわちヒータ部１１から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、実施の形態１に比べて中央部がさらに高密度になるように構成したものである。
【００３７】
すなわち、中央の熱電対１３Ａ，１３Ｂはその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に一直線状に形成し、他の熱電対１３Ａ，１３Ｂは中央の熱電対の温接点１５ａに対して、自己の温接点１５ａが近接するように中央部の方向に全体的に傾斜して形成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００３８】
その結果、同図に示すように、温度センサ１２Ａの中央の熱電対１３Ａに対して、図の上側の熱電対１３Ａは右下方向に傾斜して形成され、図の下側の熱電対１３Ａは右上方向に傾斜して形成されている。また、温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂはその逆方向に傾斜して形成されている。
【００３９】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央の熱電対に対して隣接する他の熱電対を傾斜して配置することで、熱が逃げやすい中央部の熱電対のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４０】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央の熱電対は高密度に、周辺部の熱電対は低密度になるように配置し、また、各熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａの接合部を、ヒータ部１１に近接するように延長して形成し、しかもその先端が中央部の熱電対に向って傾斜して形成したものである。
【００４１】
すなわち、中央部の熱電対１３Ａ，１３Ｂはその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に一直線状に形成し、他の熱電対の温接点１５ａは中央部の熱電対の温接点１５ａに対して、近接するように中央部の方向に傾斜して形成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４２】
その結果、同図に示すように、温度センサ１２Ａの中央部の熱電対１３Ａに対して、図の上側の熱電対１３Ａの温接点１５ａが右下方向に傾斜して形成され、図の下側の熱電対は温接点１５ａが右上方向に傾斜して形成されている。また、温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂの温接点１５ａはその逆方向に傾斜して形成されている。なお、温接点１５ａの接合部が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため、熱電対の熱起電力が増加する。
【００４３】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに温接点１５ａを引き伸ばすことによってヒータ部１１から発生する熱を伝えやすい構造とし、しかも中央部の熱電対の温接点１５ａに対して他の熱電対の温接点１５ａを斜めに配置することで、熱が逃げやすい中央部の温接点のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４４】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４による感熱式フローセンサの平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ線上の断面図（ｂ）である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央部の熱電対の配置間隔は高密度かつ多層構造に、周辺部の熱電対の配置間隔は低密度かつ単層構造になるように構成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４５】
温度センサ１２Ｂを例に説明すると、絶縁層３の表面に形成した中央部の熱電対１３Ｂの上に絶縁膜３Ａを被覆し、その上に熱電対１３Ｃを形成し、その上に絶縁膜３Ｂを被覆し、さらにその上に熱電対１３Ｄを形成した３層構成となっている。温度センサ１２Ａ側も同様の３層構成となっている。
【００４６】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央部の熱電対を多層構造にして多数の熱電対を配置することで、熱が逃げやすい中央部の温接点のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４７】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央部の熱電対の配置間隔は高密度に、周辺部の熱電対の配置間隔は低密度になるように配置し、さらに中央部の熱電対の長さを最短とし、周辺部にいくにつれて長くなるように順次階段状に配置した構成となっている。
【００４８】
すなわち、熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａはヒータ部１１から一定の距離をおいて一直線状に配置されているので、複数の冷接点１５ｂが階段状に内側に窪んだ状態で配置されている。それに伴って半導体基板２の空隙部４の形状が、複数の冷接点１５ｂの配列に合わせて山型に内側に窪んだ状態となっている。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４９】
このように熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央の熱電対の長さを短くすると、熱電対は短いと電気抵抗が小さくなると共に熱抵抗も小さくなるので、熱が逃げやすくなる。
【００５０】
つまり、温度センサ１２Ａ，１２Ｂの中央部の熱電対１３Ａ，１３Ｂは短いため熱が逃げやすいが、楕円状の等温曲線によって温度は高い。これに対して温度センサ１２Ａ，１２Ｂの周辺部の熱電対１３Ａ，１３Ｂは長いため熱が逃げにくいが、楕円状の等温曲線によって温度は低い。これによってヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａの温度を均一化でき、高感度な感熱式フローセンサを得る構成が得られる。
【００５１】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを、等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａが楕円状の等温曲線Ｌに沿うように配置した構成となっている。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００５２】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａを、等温曲線Ｌに沿って配置することにより、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５３】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａを楕円状の等温曲線Ｌに沿って配置し、冷接点１５ｂを一直線上に配置した構成となっている。このため、熱電対１３Ａ，１３Ｂの長さが周辺部から中央部にかけて徐々に短くなる構成となっている。その他の構成は実施の形態６と同一である。
【００５４】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａを、等温曲線Ｌに沿って配置することにより、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５５】
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａの長さを楕円状の等温曲線Ｌに沿って延長して配置し、冷接点１５ｂを一直線上に配置した構成となっている。
【００５６】
このため、熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａの長さが、周辺部から中央部にかけて徐々に短くなる構成となっている。その他の構成は、前述の実施の形態７と同一である。
【００５７】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａの長さを、等温曲線Ｌに沿って周辺部は長く、中央部は短くなるように構成することにより、温接点が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため熱起電力が増加するので、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５８】
（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９による感熱式フローセンサの断面図で、表面にヒータ部１１、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを形成する絶縁層３の構成として、窒化シリコンＳｉＮを挟んでその表裏に酸化シリコンＳｉＯ２ を積層した構成を示している。
【００５９】
このように、圧縮応力を有する薄膜（ＳｉＯ２ ）と、引張り応力を有する薄膜（ＳｉＮ）とを組み合わせることによって内部応力を制御し、平らなメンブレンを実現できる。その結果、流体の流速や流量を正確に測定することができる。
【００６０】
（実施の形態１０）
図１０は、本発明の実施の形態１０による感熱式フローセンサの概略的断面図で、実施の形態４の変形例を示している。本実施の形態は、多層配線構造を形成する絶縁層３Ａ，３Ｂを、窒化シリコンＳｉＮを挟んでその表裏に酸化シリコンＳｉＯ２ を積層した構成となっている。
【００６１】
このように、圧縮応力を有する薄膜（ＳｉＯ２ ）と、引張り応力を有する薄膜（ＳｉＮ）とを組み合わせることによって内部応力を制御し、多数の熱電対を積層した場合でも、平らなメンブレンを実現できる。その結果、流体の流速や流量を正確に測定することができる。
【００６２】
（実施の形態１１）
図１１は、本発明の実施の形態１１による感熱式フローセンサの断面図で、半導体基板２に空隙部４を形成する際に、表面側からエッチングして形成する場合を示している。半導体基板２の表面側からエッチングして空隙部４を形成すると、感熱式フローセンサ１のチップサイズを小さくすることができる。
【００６３】
（実施の形態１２）
図１２は、本発明の実施の形態１２による感熱式フローセンサの断面図で、半導体基板２に空隙部４を形成する際に、表面側および裏面側の双方からエッチングして形成する場合を示している。半導体基板２の表面側および裏面側の双方からエッチングして空隙部４を形成すると、エッチング時間を短くすることができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、温度センサを構成する複数の熱電対の配置間隔を、ヒータ部から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部から温度センサの各温接点への熱伝導を均一化することができるという有利な効果が得られる。
【００６５】
請求項３に記載の発明によれば、温度センサを構成する複数の熱電対を等温曲線に沿って配置することにより、温度センサの先端接合部の温度を均一化することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１を示す平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の断面図（ｂ）である。
【図２】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態２を示す平面図である。
【図３】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態３を示す平面図である。
【図４】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態４を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ線上の断面図（ｂ）である。
【図５】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態５を示す平面図である。
【図６】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態６を示す平面図である。
【図７】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態７を示す平面図である。
【図８】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態８を示す平面図である。
【図９】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態９を示す断面図である。
【図１０】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１０を示す断面図である。
【図１１】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１１を示す断面図である。
【図１２】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１２を示す断面図である。
【図１３】従来の感熱式フローセンサを示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ線上の断面図（ｂ）である。
【図１４】流体の流量や流速が無い場合にヒータ部から発生する熱の温度分布の等温曲線を示す図である。
【図１５】流体が流れ方向Ｆに移動した場合にヒータ部から発生する熱の温度分布の等温曲線を示す図である。
【符号の説明】
１ 感熱式フローセンサ
２ 半導体基板
３，３Ａ，３Ｂ 絶縁層
３ａ ブリッジ部
４ 空隙部
１１ ヒータ部
１１ａ，１１ｂ ワイヤパッド
１２Ａ，１２Ｂ 温度センサ
１３Ａ〜１３Ｄ 熱電対
１４ａ〜１４ｄ ワイヤパッド
１５ａ 温接点（先端接合部）
１５ｂ 冷接点（後端接合部）
Ｆ 流体の流れ方向
Ｌ 等温曲線
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量や流速などを測定する、例えばガスメータや水道メータなどに用いられる感熱式フローセンサに関し、特にサーモパイル（熱電対列）型温度センサを用いた感熱式フローセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、気体や液体などの流体の流量や流速などを測定するために、ヒータを用いた感熱式のフローセンサが提案されている。この感熱式フローセンサは半導体基板上に形成した架橋構造のブリッジ部の表面に、ヒータおよび温度センサを配置した構成となっている。温度センサは流体の流れ方向に沿ってヒータの両側に配置されている。
【０００３】
この感熱式フローセンサは、ヒータに電流を流すことで発生する熱の温度分布が、流体の流量や流速に応じて変化することを利用し、その変化量をヒータの両側に設けた温度センサによって検出するものである。
【０００４】
図１３は、このような従来の感熱式フローセンサの一例を示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ線上の断面図（ｂ）である。
【０００５】
同図において、感熱式フローセンサ１は、半導体基板２の表面に絶縁層３を薄膜形成し、さらに半導体基板２の中央域をエッチングによって取り除くことで空隙部４を形成し、空隙部４上に絶縁層３の一部がブリッジ部３ａとして架橋状に形成された構成を有している。
【０００６】
また、ブリッジ部３ａの表面には、抵抗体（発熱体）を凹字形に形成することでヒータ部１１を形成し、その両隣には第１の温度センサ１２Ａおよび第２の温度センサ１２Ｂがヒータ部１１を挟む形で形成されている。ヒータ部１１を構成する抵抗体の両端には、ワイヤパッド１１ａ，１１ｂがブリッジ部３ａの外側の半導体基板２上に互いに隣接して形成されている。
【０００７】
温度センサ１２Ａは複数のサーモカップル（熱電対）１３Ａによって構成されたサーモパイル（熱電対列）で、熱電対１３Ａの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に等間隔に配置された構成となっている。そして、温度センサ１２Ａの両端には半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ａ，１４ｂが接続されている。
【０００８】
第２の温度センサ１２Ｂも同一の構成を有し、複数の熱電対１３Ｂの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に等間隔に配置され、その両端には半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ｃ，１４ｄが接続されている。
【０００９】
熱電対１３Ａ，１３Ｂは、２種類の金属または半導体の両端部を接合して構成したもので、一方の接合部（先端接合部）が空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、他方の接合部（後端接合部）が半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。両接点１５ａ，１５ｂを異なる温度に保つと回路に熱電流が流れ、回路を開いて熱電流を０にすると熱起電力が生じる。サーモパイル型の温度センサ１２Ａ，１２Ｂはこの原理を利用している。
【００１０】
この構成において、感熱式フローセンサ１を、ヒータ部１１の長手方向が流体の流れ方向Ｆ（図の左右方向）と直交する方向に設置し、ヒータ部１１のワイヤパッド１１ａ，１１ｂ間に電流を流すと、ヒータ部１１が発熱する。
【００１１】
それに伴って温度サンセ１２Ａ，１２Ｂを構成する熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａの温度が上昇する。熱電対１３Ａ，１３Ｂの冷接点１５ｂの温度は半導体基板２の熱伝導率が高いので同一に保たれる。
【００１２】
この結果、温度サンセ１２Ａの熱電対１３Ａは温接点１５ａおよび冷接点１５ｂ間の温度差に応じて熱起電力を出力し、全熱起電力はワイヤパッド１４ａ，１４ｂから取り出される。温度センサ１２Ｂも同様にしてワイヤパッド１４ｃ，１４ｄから全熱起電力が取り出される。
【００１３】
流体の流量や流速が無い場合は、ヒータ部１１から発生する熱の温度分布は、図１４に鎖線で示すように、等温曲線Ｌがヒータ部１１の両側で対称になる。この結果、ヒータ部１１の両側に設けた温度センサ１２Ａ，１２Ｂから出力される熱起電力は同じになる。
【００１４】
流体が流れ方向Ｆに移動したとすると、ヒータ部１１から発生する熱の温度分布は、図１５に鎖線で示すように、等温曲線Ｌが流体の流れ方向Ｆに沿って広がることになる。この結果、上流側の温度センサ１２Ａの熱電対１３Ａの温接点１５ａの温度は、下流側の温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂの温接点１５ａの温度よりも低くなる。この結果、２つの温度センサ１２Ａ，１２Ｂの出力電圧（熱起電力）に差が生じるので、この差を検出することで流体の流量や流速を検出することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した感熱式フローセンサ１は、ヒータ部１１の形状が直線的であるため、温度分布の等温曲線Ｌは楕円状の曲線となる。このため、中央付近の熱電対の温度は周辺部の熱電対の温度よりも高温になる。
【００１６】
一般に高温の物体を放置しておくと、最初は熱が逃げやすいため急激に温度が下がり、低温になるにつれて熱が逃げにくくなるため温度は下がりにくくなる。このため、複数の熱電対からなる温度センサにおいては、熱が逃げやすい場所（中央部）と熱が逃げにくい場所（周辺部）とができてしまい、温度センサの感度が低下するということがあった。
【００１７】
また、温度分布の等温曲線Ｌが楕円状であるのに対し、温度センサを構成する複数の熱電対は一直線上に並んでいるため、中央付近の熱電対の温接点の温度は高く、周辺部の熱電対の温接点の温度は低くなり均一な温度分布にはならない。このため、温度センサからの出力電圧が小さくなり、検出感度および検出精度が低下するということがあった。
【００１８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、ヒータの温度分布の等温曲線の不均一性を考慮しながら高感度で高精度な感熱式フローセンサを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１記載のフローセンサは、半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、絶縁層の表面に配置したヒータ部と、ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、第１の温度センサの先端接合部から第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、熱電対の配置密度が周辺部より中央部の方が高くなるように構成したものである。
【００２０】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対の配置間隔を、ヒータ部から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部から温度センサの各温接点への熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２１】
本発明による請求項２記載のフローセンサは、請求項１記載の発明において、第１および第２の温度センサは、熱電対の長さが周辺部より中央部の方が短くなるように後端接合部の位置を異ならせて構成したものである。
【００２２】
本発明によると、熱電対は短いと電気抵抗が小さくなると共に熱抵抗も小さくなるので、熱が逃げやすい点を考慮し、等温曲線によって温度が高い温度センサの中央部の熱電対は短くして熱が逃げやすいようにし、等温曲線によって温度が低い温度センサの周辺部の熱電対は長くして熱が逃げにくいようにし、これによってヒータ部から温度センサの各温接点の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２３】
本発明による請求項３記載のフローセンサは、半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、絶縁層の表面に配置したヒータ部と、ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、第１の温度センサの先端接合部から第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、熱電対の先端接合部の位置がヒータ部から発生する熱の楕円状の等温曲線に沿って配置したことを特徴とする感熱式フロ−センサ。
【００２４】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対を等温曲線に沿って配置することにより、温度センサの先端接合部の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２５】
本発明による請求項４記載のフローセンサは、請求項３記載の発明において、第１および第２の温度センサは、熱電対の先端接合部の長さが周辺部の熱電対より中央部の熱電対の方が短くなるように構成したものである。
【００２６】
本発明によると、温度センサを構成する複数の熱電対の先端接合部の長さを、等温曲線に沿って周辺部は長く、中央部は短くなるように構成することにより、接合部が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため熱起電力が増加するので、各先端接合部の温度を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るという作用を有する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図１ないし図１２に基づいて説明する。なお、以下の説明では、前述した図１３に示す構成部分と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による感熱式フローセンサの平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の断面図（ｂ）である。
【００２９】
本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、単結晶シリコンからなる半導体基板２の表面に、酸化膜（ＳｉＯ２ ）または窒化膜（Ｓｉ３ Ｎ４ ）からなる絶縁層３を形成し、さらに絶縁層３の表面に抵抗体を凹字状に配置してヒータ部１１を形成し、さらにヒータ部１１を挟んでサーモパイル型の一対の第１および第２の温度センサ１２Ａ，１２Ｂを形成した構成を有している。
【００３０】
ヒータ部１１はポリシリコンにリン等の不純物をドーピングし拡散することによって抵抗体にしておく。不純物のドープ量や拡散条件を変更することによって抵抗値は容易に変更可能である。
【００３１】
また、ヒータ部１１は絶縁層３の一部が半導体基板２の空隙部４上に架橋状に形成されたブリッジ部３ａ上に形成されており、発生した熱が熱伝導率の高い半導体基板２に伝導しにくい熱絶縁構造となっている。また、ヒータ部１１の両端はブリッジ部３ａの外側の半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１１ａ，１１ｂに接続されている。
【００３２】
温度センサ１２Ａは複数の熱電対１３Ａからなり、各熱電対１３Ａの長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に形成し、複数の熱電対１３Ａを直列に接続した構成となっている。熱電対１３Ａは例えばアルミニウムとポリシリコンで構成する。熱電対１３Ａの先端接合部は空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、後端接合部は半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。
【００３３】
また、複数の熱電対１３Ａの配置間隔は、中央部は高密度に、周辺部は低密度になるように設定されている。例えば、図の中央の９個の熱電対１３Ａの配置間隔はｄであり、その両側の各３個の熱電対１３Ａの配置間隔は２ｄである。また、温度センサ１２Ａの両端は半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ａ，１４ｂに接続されている。
【００３４】
温度センサ１２Ｂも同様の構成を有し、複数の熱電対１３Ｂをその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に配置した構成となっており、両端は半導体基板２上に形成されたワイヤパッド１４ｃ，１４ｄに接続されている。熱電対１３Ｂの先端接合部は空隙部４上に形成されて温接点１５ａを構成し、後端接合部は半導体基板２上に形成されて冷接点１５ｂを構成している。また、複数の熱電対１３Ｂの配置間隔は、中央部は高密度に、周辺部は低密度になるように設定されている。
【００３５】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定することで、すなわちヒータ部１１から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、実施の形態１に比べて中央部がさらに高密度になるように構成したものである。
【００３７】
すなわち、中央の熱電対１３Ａ，１３Ｂはその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に一直線状に形成し、他の熱電対１３Ａ，１３Ｂは中央の熱電対の温接点１５ａに対して、自己の温接点１５ａが近接するように中央部の方向に全体的に傾斜して形成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００３８】
その結果、同図に示すように、温度センサ１２Ａの中央の熱電対１３Ａに対して、図の上側の熱電対１３Ａは右下方向に傾斜して形成され、図の下側の熱電対１３Ａは右上方向に傾斜して形成されている。また、温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂはその逆方向に傾斜して形成されている。
【００３９】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央の熱電対に対して隣接する他の熱電対を傾斜して配置することで、熱が逃げやすい中央部の熱電対のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４０】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央の熱電対は高密度に、周辺部の熱電対は低密度になるように配置し、また、各熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａの接合部を、ヒータ部１１に近接するように延長して形成し、しかもその先端が中央部の熱電対に向って傾斜して形成したものである。
【００４１】
すなわち、中央部の熱電対１３Ａ，１３Ｂはその長手方向がヒータ部１１の長手方向と直交する方向に一直線状に形成し、他の熱電対の温接点１５ａは中央部の熱電対の温接点１５ａに対して、近接するように中央部の方向に傾斜して形成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４２】
その結果、同図に示すように、温度センサ１２Ａの中央部の熱電対１３Ａに対して、図の上側の熱電対１３Ａの温接点１５ａが右下方向に傾斜して形成され、図の下側の熱電対は温接点１５ａが右上方向に傾斜して形成されている。また、温度センサ１２Ｂの熱電対１３Ｂの温接点１５ａはその逆方向に傾斜して形成されている。なお、温接点１５ａの接合部が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため、熱電対の熱起電力が増加する。
【００４３】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに温接点１５ａを引き伸ばすことによってヒータ部１１から発生する熱を伝えやすい構造とし、しかも中央部の熱電対の温接点１５ａに対して他の熱電対の温接点１５ａを斜めに配置することで、熱が逃げやすい中央部の温接点のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４４】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４による感熱式フローセンサの平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ線上の断面図（ｂ）である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央部の熱電対の配置間隔は高密度かつ多層構造に、周辺部の熱電対の配置間隔は低密度かつ単層構造になるように構成したものである。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４５】
温度センサ１２Ｂを例に説明すると、絶縁層３の表面に形成した中央部の熱電対１３Ｂの上に絶縁膜３Ａを被覆し、その上に熱電対１３Ｃを形成し、その上に絶縁膜３Ｂを被覆し、さらにその上に熱電対１３Ｄを形成した３層構成となっている。温度センサ１２Ａ側も同様の３層構成となっている。
【００４６】
このように、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央部の熱電対を多層構造にして多数の熱電対を配置することで、熱が逃げやすい中央部の温接点のさらなる高密度化を図り、ヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａへの熱伝導を均一化し、高感度な感熱式フローセンサを得るように構成している。
【００４７】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、中央部の熱電対の配置間隔は高密度に、周辺部の熱電対の配置間隔は低密度になるように配置し、さらに中央部の熱電対の長さを最短とし、周辺部にいくにつれて長くなるように順次階段状に配置した構成となっている。
【００４８】
すなわち、熱電対１３Ａ，１３Ｂの温接点１５ａはヒータ部１１から一定の距離をおいて一直線状に配置されているので、複数の冷接点１５ｂが階段状に内側に窪んだ状態で配置されている。それに伴って半導体基板２の空隙部４の形状が、複数の冷接点１５ｂの配列に合わせて山型に内側に窪んだ状態となっている。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４９】
このように熱電対１３Ａ，１３Ｂの配置間隔を、周辺部に比べて中央部を高密度に設定し、さらに中央の熱電対の長さを短くすると、熱電対は短いと電気抵抗が小さくなると共に熱抵抗も小さくなるので、熱が逃げやすくなる。
【００５０】
つまり、温度センサ１２Ａ，１２Ｂの中央部の熱電対１３Ａ，１３Ｂは短いため熱が逃げやすいが、楕円状の等温曲線によって温度は高い。これに対して温度センサ１２Ａ，１２Ｂの周辺部の熱電対１３Ａ，１３Ｂは長いため熱が逃げにくいが、楕円状の等温曲線によって温度は低い。これによってヒータ部１１から温度センサ１２Ａ，１２Ｂの各温接点１５ａの温度を均一化でき、高感度な感熱式フローセンサを得る構成が得られる。
【００５１】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを、等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａが楕円状の等温曲線Ｌに沿うように配置した構成となっている。その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００５２】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａを、等温曲線Ｌに沿って配置することにより、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５３】
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａを楕円状の等温曲線Ｌに沿って配置し、冷接点１５ｂを一直線上に配置した構成となっている。このため、熱電対１３Ａ，１３Ｂの長さが周辺部から中央部にかけて徐々に短くなる構成となっている。その他の構成は実施の形態６と同一である。
【００５４】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａを、等温曲線Ｌに沿って配置することにより、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５５】
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８による感熱式フローセンサの平面図である。本実施の形態による感熱式フローセンサ１は、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂを等間隔に配置し、さらに各温接点１５ａの長さを楕円状の等温曲線Ｌに沿って延長して配置し、冷接点１５ｂを一直線上に配置した構成となっている。
【００５６】
このため、熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａの長さが、周辺部から中央部にかけて徐々に短くなる構成となっている。その他の構成は、前述の実施の形態７と同一である。
【００５７】
このように温度センサ１２Ａ，１２Ｂを構成する複数の熱電対１３Ａ，１３Ｂの各温接点１５ａの長さを、等温曲線Ｌに沿って周辺部は長く、中央部は短くなるように構成することにより、温接点が長いと熱を吸収する面積が大きくなるため熱起電力が増加するので、各温接点１５ａの温度を均一化できるので、高感度な感熱式フローセンサが得られる。
【００５８】
（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９による感熱式フローセンサの断面図で、表面にヒータ部１１、温度センサ１２Ａ，１２Ｂを形成する絶縁層３の構成として、窒化シリコンＳｉＮを挟んでその表裏に酸化シリコンＳｉＯ２ を積層した構成を示している。
【００５９】
このように、圧縮応力を有する薄膜（ＳｉＯ２ ）と、引張り応力を有する薄膜（ＳｉＮ）とを組み合わせることによって内部応力を制御し、平らなメンブレンを実現できる。その結果、流体の流速や流量を正確に測定することができる。
【００６０】
（実施の形態１０）
図１０は、本発明の実施の形態１０による感熱式フローセンサの概略的断面図で、実施の形態４の変形例を示している。本実施の形態は、多層配線構造を形成する絶縁層３Ａ，３Ｂを、窒化シリコンＳｉＮを挟んでその表裏に酸化シリコンＳｉＯ２ を積層した構成となっている。
【００６１】
このように、圧縮応力を有する薄膜（ＳｉＯ２ ）と、引張り応力を有する薄膜（ＳｉＮ）とを組み合わせることによって内部応力を制御し、多数の熱電対を積層した場合でも、平らなメンブレンを実現できる。その結果、流体の流速や流量を正確に測定することができる。
【００６２】
（実施の形態１１）
図１１は、本発明の実施の形態１１による感熱式フローセンサの断面図で、半導体基板２に空隙部４を形成する際に、表面側からエッチングして形成する場合を示している。半導体基板２の表面側からエッチングして空隙部４を形成すると、感熱式フローセンサ１のチップサイズを小さくすることができる。
【００６３】
（実施の形態１２）
図１２は、本発明の実施の形態１２による感熱式フローセンサの断面図で、半導体基板２に空隙部４を形成する際に、表面側および裏面側の双方からエッチングして形成する場合を示している。半導体基板２の表面側および裏面側の双方からエッチングして空隙部４を形成すると、エッチング時間を短くすることができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、温度センサを構成する複数の熱電対の配置間隔を、ヒータ部から発生する熱が逃げにくい周辺部は低密度に、熱が逃げやすい中央部は高密度に配置することで、ヒータ部から温度センサの各温接点への熱伝導を均一化することができるという有利な効果が得られる。
【００６５】
請求項３に記載の発明によれば、温度センサを構成する複数の熱電対を等温曲線に沿って配置することにより、温度センサの先端接合部の温度を均一化することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１を示す平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の断面図（ｂ）である。
【図２】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態２を示す平面図である。
【図３】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態３を示す平面図である。
【図４】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態４を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ線上の断面図（ｂ）である。
【図５】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態５を示す平面図である。
【図６】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態６を示す平面図である。
【図７】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態７を示す平面図である。
【図８】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態８を示す平面図である。
【図９】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態９を示す断面図である。
【図１０】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１０を示す断面図である。
【図１１】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１１を示す断面図である。
【図１２】本発明による感熱式フローセンサの実施の形態１２を示す断面図である。
【図１３】従来の感熱式フローセンサを示す平面図（ａ）およびそのＣ−Ｃ線上の断面図（ｂ）である。
【図１４】流体の流量や流速が無い場合にヒータ部から発生する熱の温度分布の等温曲線を示す図である。
【図１５】流体が流れ方向Ｆに移動した場合にヒータ部から発生する熱の温度分布の等温曲線を示す図である。
【符号の説明】
１ 感熱式フローセンサ
２ 半導体基板
３，３Ａ，３Ｂ 絶縁層
３ａ ブリッジ部
４ 空隙部
１１ ヒータ部
１１ａ，１１ｂ ワイヤパッド
１２Ａ，１２Ｂ 温度センサ
１３Ａ〜１３Ｄ 熱電対
１４ａ〜１４ｄ ワイヤパッド
１５ａ 温接点（先端接合部）
１５ｂ 冷接点（後端接合部）
Ｆ 流体の流れ方向
Ｌ 等温曲線
Claims (4)
- 半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、
前記絶縁層の表面に配置したヒータ部と、
前記ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における前記絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、
前記第１の温度センサの先端接合部から前記第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して前記半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、
前記第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、前記熱電対の配置密度が周辺部より中央部の方が高くなるように構成したことを特徴とする感熱式フロ−センサ。 - 前記第１および第２の温度センサは、前記熱電対の長さが周辺部より中央部の方が短くなるように後端接合部の位置を異ならせて構成したことを特徴とする請求項１記載の感熱式フロ−センサ。
- 半導体基板の表面に薄膜状に形成した絶縁層と、
前記絶縁層の表面に配置したヒータ部と、
前記ヒータ部を中央にして流体の上流側および下流側における前記絶縁層の表面に配置した第１および第２の温度センサと、
前記第１の温度センサの先端接合部から前記第２の温度センサの先端接合部に至るまでの領域に対向して前記半導体基板の表面側に開口するように該半導体基板に形成した空隙部とを備え、
前記第１および第２の温度センサは複数の熱電対からなり、前記熱電対の先端接合部の位置が前記ヒータ部から発生する熱の楕円状の等温曲線に沿って配置したことを特徴とする感熱式フロ−センサ。 - 前記第１および第２の温度センサは、前記熱電対の先端接合部の長さが周辺部の熱電対より中央部の熱電対の方が短くなるように構成したことを特徴とする請求項３記載の感熱式フロ−センサ。
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