JP3620334B2

JP3620334B2 - 薄膜ヒータ

Info

Publication number: JP3620334B2
Application number: JP08426399A
Authority: JP
Inventors: 誠良樋口; 幹史團野
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000275077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感熱式フローセンサなどに用いられる薄膜ヒータに関し、とくに流体中を飛来してくるゴミ等の異物の付着による影響を少なくするようにした薄膜ヒータ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、薄膜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の表面に絶縁性の薄膜を形成し、さらにこの薄膜の表面にヒータ線を形成した構成となっている。
【０００３】
また、半導体基板表面のヒータ線形成領域に対向する領域には、エッチングにより空隙部を形成し、薄膜のみでヒータ線を橋架状に支持することで、ヒータ線を半導体基板から熱的に絶縁した構成となっている。
【０００４】
空隙部を形成するには、例えば半導体基板の表面の薄膜に多数の細いスリットを穿設し、このスリットから溶液にてエッチングすることで形成する。各々のスリットの幅は１０〜２０μｍと微細に形成することで、薄膜と半導体基板との隙間にゴミ等の異物が入るのを少なくしている。これによってセンサとしての動作安定性や、橋架状部の熱的独立性が高いことによる検出精度の高さなど、優れた利点を有するフローセンサが得られる（特許公報第２６０２１１７号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スリットが微細であるとしても、スリットのエッジ部分に流体中のゴミが付着してしまい、本来熱絶縁のために設けている薄膜の熱容量が変化し、ヒータの安定性が劣化してしまうことがあった。
【０００６】
また、薄膜上にヒータ線をパタニングして形成しているため、薄膜とヒータ線との境界位置にヒータ線の厚み分の段差が発生する。そのため、流体中のゴミがスリットに付着することなく流れたとしても、ヒータ線と薄膜との段差に捕らえられて付着してしまう。ヒータ線に直接ゴミが付着してしまうと、当然のことながらヒータとしての動作が安定せず、検出感度、再現性等が劣化してしまうことになる。
【０００７】
また、ゴミが付着しにくい構造を考えたとしても、薄膜を堆積させてヒータ線を形成しているため、表面にラフネス、段差等が発生するので、実際の使用時において、ゴミ等の異物の付着は避けがたいものとなってしまう。また、ゴミトラップなどの構造を設けても流体が逆流したり、トラップに捕獲されたゴミなどにより乱流が発生した際にゴミが巻き上げられ、ヒータ線およびヒータ周囲の薄膜にダストが再付着してしまうことがあった。
【０００８】
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、ゴミ等の異物の付着による影響を少なくするように構成した薄膜ヒータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の薄膜ヒータは、半導体基板の表面に形成された薄膜と、薄膜の表面に形成されたヒータ部と、ヒータ部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された空隙部と、ヒータ部の周囲を取り囲む状態で形成された一対の細線状の導電性部材からなる電位トラップと、電位トラップの両導電性部材を互いに接続するためのスイッチと、電位トラップに電位を印加するための電源と、を備え、導電性部材は、それぞれ一方の端部に電源と接続するための電源接続部を備え、他方の端部がスイッチを介して互いに接続されており、スイッチが開かれているときは各導電性部材がそれぞれ電源より印加された正又は負の電位をもつことにより流体中のダスト・ミスト等を吸着すると共に、スイッチが閉じられているときは両導電性部材が同時に発熱して、吸着したダスト・ミスト等を燃やして除去する構成を有するものである。
【００１０】
本発明によれば、ヒータ部の周囲に電位を持つ電位トラップを設けることによって、電荷を有しているダスト・ミストなどの異物を引き寄せ、ヒータ部へ到達する異物を減少させるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項２記載の薄膜ヒータは、請求項１記載の発明において、電位トラップは、ヒータ部に電源を供給するリード配線に接続され、リード配線から電位が印加される構成を有するものである。
【００１２】
本発明によれば、電位トラップによって異物を引き寄せ、ヒータ部へ到達する異物を減少させることができる。しかもヒータ部に供給する電源と電位トラップに供給する電源とを共通の電源とすることができ、さらにヒータ部の配線と電位トラップを構成する導電性部材とを同一工程で形成することができるという作用を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による薄膜ヒータの実施の形態を示す平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の概略的断面図（ｂ）である。この薄膜ヒータ１は、単結晶シリコンからなる半導体基板２の表面に、酸化膜および窒化膜からなる薄膜３が形成された構成を有している。
【００１４】
薄膜３の表面には、中央部に多結晶シリコンからなるヒータ部４が凹字状に形成され、このヒータ部４の外側には周囲三方を囲むかたちで導電性を有する外側配線５ａおよび内側配線５ｂからなる電位トラップ５が形成されている。
【００１５】
ヒータ部４および電位トラップ５は、ポリシリコンにリン（Ｐ）等の不純物をイオンインプラによりドーピングし、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。
【００１６】
また、ヒータ部４および電位トラップ５の表面には、酸化膜、窒化膜などから構成された保護膜６が形成されている。ヒータ部４の端部はアルミニウムまたは金等によりワイヤパッド７ａ，７ｂが形成されている。電位トラップ５の外側配線５ａの両端にやはりアルミニウムまたは金等によりワイヤパッド８ａ、８ｃを接続し、内側配線５ｂの両端に同じくアルミニウムまたは金等によりワイヤパッド８ｂ、８ｄを接続した構成となっている。
【００１７】
ワイヤパッド７ａ，７ｂおよびワイヤパッド８ａ〜８ｄを形成する際は、最上面にある保護膜６のワイヤパッド形成領域の一部に貫通孔を開け、ヒータ部４および電位トラップ５の配線に通じるポリシリコンを露出させる。その状態でアルミニウムや金などの金属をスパッタリングによって形成し、パタニングしてワイヤパッド７ａ，７ｂおよびワイヤパッド８ａ〜８ｄを形成する。
【００１８】
そして、最後に薄膜３および保護膜６に複数の微小な貫通孔を開け、半導体基板２を露出させる。そして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング液により半導体基板２を表面側からエッチングし、空隙部９を形成する。この結果、ヒータ部４は空隙部９上の薄膜３のみで架橋状に支えられるため、熱絶縁性の優れた構造になっている。なお、半導体基板２に形成する空隙部９は、図２に示すように、半導体基板２の裏面側からエッチングによって形成してもよい。
【００１９】
そして、ヒータ部４に接続されたワイヤパッド７ａ，７ｂ間に電源Ｅ１を接続し、電位トラップ５に接続されたワイヤパッド８ａ，８ｂ間に電源Ｅ２を接続し、さらに電位トラップ５に接続されたワイヤパッド８ｃ，８ｄ間にスイッチＳＷを接続する。これによって抵抗体であるヒータ部４が発熱する。
【００２０】
また、電位トラップ５は、外側配線５ａがワイヤパッド８ａを介して電源Ｅ２の陽極に接続され、内側配線５ｂがワイヤパッド８ｂを介して電源Ｅ２の陰極に接続されると共に、外側配線５ａに接続されたワイヤパッド８ｄと内側配線５ｂに接続されたワイヤパッド８ｂとがスイッチＳＷを介して接続されており、通常の使用時にはスイッチＳＷはオフ（開）にしておく。この時、電位トラップ５の外側配線５ａは正の電荷を持ち、電位トラップ５の内側配線５ｂは負の電荷をもつと共に微小な隙間で隣接しているので、電位トラップ５はあたかもコンデンサの要領で各配線５ａ，５ｂに正の電荷および負の電荷が蓄積されて、これらの電荷によって流体中のダスト・ミストを捕獲することができる。
【００２１】
このとき、たとえ流体に逆流や乱流が発生しても、電気的な引力によってしっかりと捕獲するため、捕らえたゴミが再び流れ出すことはない。その結果、ヒータ部４および空隙部９上のメンブレンに付着するゴミが激減し、ヒータの精度や再現性が向上する。
【００２２】
電位トラップ５にゴミが付着したとき、または一定期間毎に定期的にスイッチＳＷをオン（閉）すると、電源Ｅ２から外側配線５ａ、スイッチＳＷ、内側配線５ｂの順に電流が流れる。これによって抵抗体である外側配線５ａおよび内側配線５ｂが発熱する。
【００２３】
このとき発生する熱を利用して捕獲したゴミを燃やし除去する。この工程は熱を発生するため、フローセンサのヒータに用いた場合は測定が不正確になる可能性がある。そのため、フローセンサの測定を停止するモードを用意しておき、スイッチＳＷをオンするときは測定停止モードに設定する。
【００２４】
このように、本実施の形態によれば、ゴミが付着したとき、または定期的に電位トラップ５に電流を流して発熱させることでゴミを炭化し除去することが可能となる。このため、電位トラップ５で収集可能なゴミのキャパシティが増え、長期に渡りゴミトラップ機能が働く素子となる。
【００２５】
なお、２つの電源Ｅ１，Ｅ２を用いたが、電源を１つにしてヒータ部４および電位トラップ５を電気的に並列接続するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ヒータ部の周囲に細線状の導電性部材からなる電位トラップを設け、この電位トラップに電位を持たせることによって、電荷を有しているゴミ等の異物を引き寄せ、ヒータ部へ到達する異物を減少させるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による薄膜ヒータの平面図（ａ）およびそのＡ−Ａ線上の概略的断面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す薄膜ヒータの他の実施の形態を示すＡ−Ａ線上の概略的断面図である。
【符号の説明】
１薄膜ヒータ
２半導体基板
３薄膜
４ヒータ部
５電位トラップ
５ａ外側配線
５ｂ内側配線
６保護膜
７ａ，７ｂワイヤパッド
８ａ〜８ｄワイヤパッド
９空隙部
Ｅ１，Ｅ２電源

Claims

半導体基板の表面に形成された薄膜と、
前記薄膜の表面に形成されたヒータ部と、
前記ヒータ部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された空隙部と、
前記ヒータ部の周囲を取り囲む状態で形成された一対の細線状の導電性部材からなる電位トラップと、
前記電位トラップの両導電性部材を互いに接続するためのスイッチと、
前記電位トラップに電位を印加するための電源と、
を備え、
前記導電性部材は、それぞれ一方の端部に前記電源と接続するための電源接続部を備え、他方の端部が前記スイッチを介して互いに接続されており、
前記スイッチが開かれているときは前記各導電性部材がそれぞれ前記電源より印加された正又は負の電位をもつことにより流体中のダスト・ミスト等を吸着すると共に、前記スイッチが閉じられているときは前記両導電性部材が同時に発熱して、前記吸着したダスト・ミスト等を燃やして除去するように構成した、
ことを特徴とする薄膜ヒータ。
前記電位トラップは、前記ヒータ部に電源を供給するリード配線に接続され、前記リード配線から電位が印加されることを特徴とする請求項１記載の薄膜ヒータ。