JP3686398B2 - フローセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路中を流れる流体の流速または流量計測に用いられるフローセンサ、特に熱式フローセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流速や流量を計測する熱式のフローセンサは、流速検出手段を備えたセンサチップを配管内に計測すべき流体の流れに対して平行になるように設置し、発熱体（ヒーター）から出た熱による流体の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサで検出（傍熱型）するか、または流体により発熱体の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出（自己発熱型）することで、流速または流量を計測するようにしている。
【０００３】
ところで、従来のこの種のフローセンサは、主として非腐食性の気体に対して用いられていたが、最近では液体や腐食性の気体にも使用可能なものが開発されている。例えばその一例として、特開平７−１５９２１５号公報に開示された質量流量センサが知られている。
【０００４】
この質量流量センサは、流体が流れる流路を形成するガラス基板に、前記流路に接するようにしてシリコン基板を接合し、このシリコン基板の流路側とは反対側の面に流量検出用のヒータを形成している。このような質量流量センサにおいては、ヒータが流体と直接接触しないため、流体によるヒータの劣化を防止でき、長期間使用しても良好な検出特性を維持できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の質量流量センサは、被測定流体の流路をシリコン基板とガラス基板とで形成しているため、半導体製造装置などで使用される場合は、シリコン基板とガラス基板が腐食性気体や液体によって腐食するため、使用できないという問題があった。
また、シリコン基板は熱伝導率が高いため、ヒータの熱によって基板全体が均一な温度になると、上流側と下流側のヒータに流体の流れによる温度差が生じ難く、検出感度が低いという問題があった。
加えて、シリコン基板は熱容量を小さくするためにガラス基板より小さく形成され、ガラス基板上に突出して設けられているため、両基板の間に段差が生じ、その後の製造工程での取扱性、製造の容易性に欠けるという問題もあった。例えば製造の容易性についていえば、シリコン基板の流路を覆っている部分以外の不要部分をフォトリソグラフィとエッチングによって除去することによりシリコン基板をガラス基板より小さくしているため、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程の２工程が増加する。
【０００６】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、バッチプロセスによって複数のセンサチップを量産することが可能で、製造の容易性を向上させるとともに製造コストを低減し得るようにしたフローセンサの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、前記基板素材の表面で前記ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成してセンサチップとする工程と、前記基板素材の厚肉部裏面を流路形成部材に接合するチップ接合工程とを備えたものである。
【０００８】
第２の発明は、外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に複数の流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、前記基板素材の表面で各ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成する工程と、前記基板素材を各流速検出手段ごとに分離することにより、裏面側にそれぞれ厚肉部を有する複数のセンサチップを形成するチップ形成工程と、切断されたセンサチップの厚肉部を流路形成部材に接合するチップ接合工程とを備えたものである。
【０００９】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、基板素材が、薄肉状の第１の基板素材を製作する工程と、この第１の基板素材と同一材料からなり流路用孔を有する板状の第２の基板素材を製作する工程と、前記第１、第２の基板素材を重ね合わせて拡散接合する工程によって製作されるものである。
【００１０】
第４の発明は、上記第１，第２または第３の発明において、基板素材がステンレスで、表面に電気絶縁膜が形成されているものである。
【００１１】
第５の発明は、上記第１または第２の発明において、基板素材としてサファイアまたはセラミックスを用いたものである。
【００１２】
第１，第２の発明において、基板素材の流路用凹部は、エッチング、エンドミル等によって形成される。流速検出手段は、周知の薄膜形成技術によって形成される。第２の発明においては、流速検出手段が形成された基板素材をダイシング、エッチング、またはレーザー等によって切断分離すると、複数個のセンサチップが形成される。センサチップと流路形成部材を溶接等によって接合すると、フローセンサが完成する。
基板素材としては、第３の発明における２枚の基板素材を拡散接合して製作されるものであってもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図、図２はセンサチップ部分の平面図である。これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、流路形成部材２と、この流路形成部材２上に設置されたセンサチップ３と、同じく前記流路形成部材２上にスペーサ４を介して配設され前記センサチップ３の上方に位置するプリント基板５等で構成されている。
【００１４】
前記流路形成部材２はステンレス製の金属板からなり、上面中央に一体に突設された突出部２Ａと、前記センサチップ３の凹部６Ｃとともに被測定流体（以下、流体ともいう）７の流路８を形成する２つの流路用孔９，１０を有している。流路用孔９，１０は貫通孔からなり、一端開口部が前記突出部２Ａの長手方向の両端寄りにそれぞれ開口し、他端開口部が流路形成部材２の下面にそれぞれ開口している。
【００１５】
前記センサチップ３は、基板６と、この基板６の表面に電気絶縁膜１３を介して形成された後述する流速検出手段１２および周囲温度検出手段１６とで構成されている。
【００１６】
前記基板６は、前記流路形成部材２の突出部２Ａと略同一の大きさからなる矩形の板状に形成され、下面中央に前記凹部６Ｃが形成されることにより、この凹部６Ｃが形成されている表面側が薄肉状のダイアフラム部６Ａを形成し、このダイアフラム部６Ａの周囲を取り囲む厚肉の固定部６Ｂが前記突出部２Ａの上面にＹＡＧレーザー溶接等によって接合されている。前記ダイアフラム部６Ａは、板厚が５０〜１５０μｍ程度で、表面中央に前記流速検出手段１２が設けられている。前記凹部６Ｃは、基板６の長手方向に長い長円形で、両端部において前記各流路用孔９，１０と連通している。そして、基板６の前記凹部６Ｃ側とは反対側で前記流速検出手段１２が設けられる上面６ｂは、鏡面研磨され、前記電気絶縁膜１３が形成されている。
【００１７】
前記基板６の材質としては、熱伝導率がシリコンに比べて低く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料、例えばステンレス、サファイアまたはセラミックスが用いられる。この場合、本フローセンサ１においては、板厚が０．３〜３ｍｍ程度のステンレス（特に、ＳＵＳ３１６Ｌ）の薄板によって基板６を形成した例を示している。
【００１８】
基板６がステンレス製の場合、ダイアフラム部６Ａの板厚が５０μｍ以下であると強度が低下するため好ましくない。また、１５０μｍ以上であると、基板６の厚さ方向、つまり流体２と後述する流速検出手段１２との間の熱の伝導効率が低下するとともに、基板６の面と平行な方向の伝熱量（熱損出）が増加するため好ましくない。
【００１９】
前記電気絶縁膜１３の表面には、６つの電極パッド１４（１４ａ〜１４ｆ）および配線用金属薄膜１５を含む前記流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６が周知の薄膜成形技術によって形成されている。例えば、白金等の材料を電気絶縁膜１３上に成膜し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６が前記電極パッド１４に配線用金属薄膜１５を介してそれぞれ電気的に接続されている。
【００２０】
さらに前記流速検出手段１２と前記周囲温度検出手段１６を詳述すると、流速検出手段１２は、１つの発熱体（抵抗ヒータ）２０と２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂとからなり、傍熱型の流速検出手段を構成している。発熱体２０はダイアフラム部６Ａの略中央に位置している。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂは、発熱体２０を挟んで流体７の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ位置するように配置されている。
【００２１】
前記周囲温度検出手段１６は、周囲温度、つまり流体７の温度が変化したとき、その変化を補償するために用いられるもので、上流側で前記ダイアフラム部６Ａの外側に配置されている。ただし、上流側に限らず下流側であったり、センサチップ３の幅方向のいずれかの片側であったり、あるいはダイアフラム部６Ａ上であってもよい。発熱体２０のパターン幅は１０〜５０μｍ、温度センサ２１Ａ，２１Ｂおよび周囲温度検出手段１６のパターン幅は５〜１０μｍ程度が好ましい。さらに、ダイアフラム部６Ａとその周囲を取り囲む厚肉の固定部６Ｂを別々に作り、熱拡散接合などにより一体化しても良い。
【００２２】
前記電気絶縁膜１３は、厚さが１μｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、ポリイミド等によって形成されている。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成される。窒化シリコン膜は、スパッタリング、ＣＶＤ等によって形成される。
【００２３】
前記流路形成部材２上にスペーサ４を介して配設される前記プリント基板５は、中央に円形の穴２６を有し、表面に複数の配線パターン２７が印刷形成されており、これら配線パターン２７に前記センサチップ３の前記電極パッド１４が図示を省略したボンディングワイヤによって電気的に接続されている。前記スペーサ４は、前記流路形成部材２と同じくステンレス、アルミニウムまたは合成樹脂等によって形成され、ねじや接着剤等によって流路形成部材２に固定されている。
【００２４】
図３はフローセンサ１の定温度差回路を示す図である。
同図において、発熱体２０、周囲温度検出手段１６および３つの固定抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 はブリッジ回路を形成し、これとオペアンプ（ＯＰ1 ）とで定温度差回路を構成している。ＯＰ1 は、ブリッジ回路の抵抗Ｒ1 と発熱体２０の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗Ｒ2 と抵抗Ｒ3 の中点電圧を非反転入力とする。このＯＰ1 の出力は、抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 の一端に共通に接続されている。抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 は、発熱体２０が周囲温度検出手段１６よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
【００２５】
図４はフローセンサ１のセンサ出力回路を示す図である。
同図において、２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂと２つの固定抵抗Ｒ4 ，Ｒ5 はブリッジ回路を形成し、これとＯＰ2 とでセンサ出力回路を構成している。
【００２６】
このようなフローセンサ１において、図３に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によって発熱体２０を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体７を図２の矢印方向に流すと、ダイアフラム部６Ａは流体７によってその流速に比例して熱を奪われるため、発熱体２０も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、ブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、ＯＰ1 によってその反転入力・非反転入力間に生じる電圧に応じた電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体７によって奪われた熱を補償するように発熱体２０の発熱量が増加する。その結果、発熱体２０の抵抗値が上昇することにより、ブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。なお、図３の定温度差回路の用い方としては、ヒータにセンサを共用させると、ブリッジ回路に加えられる電圧のうち発熱体２０の端子間電圧を電圧出力として出力させることも可能である。
【００２７】
流体７の流れによって発熱体２０近傍の温度分布が崩れると、発熱体２０の上流側に位置する温度センサ２１Ａと下流側に位置する温度センサ２１Ｂの間に温度差が生じるので、図４に示すセンサ出力回路によってその電圧差または抵抗値差を検出する。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂの温度差は流体７の流速に比例する。そこで、予め流路断面平均流速または流量と温度差、つまり前記センサ出力回路によって検出された電圧差または抵抗値差との関係を校正しておけば、前記電圧差または抵抗値差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。なお、流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６との構成は、上記した実施の形態に限らず種々の変更が可能である。また、周囲温度検出手段１６は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるところに配置する。
【００２８】
次に、上記フローセンサ１の製造方法について説明する。
図５（ａ）〜（ｇ）はフローセンサの第１の製造方法による製造手順を示す図面である。
先ず、板厚が０．３〜３ｍｍ程度のステンレス製の基板素材（以下、ウエハという）５０を用意し（図５（ａ））、その表面５０ａを鏡面研磨する（図５（ｂ））。
【００２９】
次に、ウエハ５０に複数の薄肉部５０Ａ，厚肉部５０Ｂ，凹部５０Ｃを形成する。（図５（ｃ））。薄肉部５０Ａと厚肉部５０Ｂは、上記した基板６のダイアフラム部６Ａと固定部６Ｂとなる部分であり、凹部５０Ｃは前記流路用凹部６Ｃとなる部分である。薄肉部５０Ａはウエハ５０の裏面５０ｂに前記凹部５０Ｃの形成と同時に形成される。
【００３０】
前記凹部５０Ｃは、フォトリソグラフィとエッチングまたはエンドミルによって形成される。フォトリソグラフィとエッチングによる場合は、先ず、ウエハ５０の裏面５０ｂ全体にレジストをスピンコートによって塗布し、紫外線（または電子線）を照射して前記レジストにマスクパターンを転写露光する。次に、露光されたレジストを現像液で現像し、レジストの不要部分を除去する。露光された部分を残すか除去するかで、ネガ型レジストまたはポジ型レジストを選定する。レジストが除去された部分はウエハ５０が露出しており、この露出しているウエハ部分をウエットエッチングまたはドライエッチングによって薄肉部５０Ａの厚さが５０〜１５０μｍ程度になるまで除去する。そして、残っているレジストを剥離、除去して洗浄すると、薄肉部５０Ａと流路用凹部５０Ｃの製作が完了する。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬またはスプレー噴射によって溶解する。ドライエッチングの場合は、スパッタ、プラズマ等によってイオンや電子をウエハ５０の裏面に照射し、少しずつ削っていく。
【００３１】
次に、ウエハ５０の表面全体に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはその積層膜からなる電気絶縁膜１３を形成する（図５（ｄ））。電気絶縁膜１３が酸化シリコン膜の場合は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成する。窒化シリコン膜の場合は、スパッタリング、ＣＶＤ等によって形成する。
【００３２】
次に、電気絶縁膜１３の各薄肉部５０Ａを覆っている部分に流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を周知の薄膜成形技術によって形成する（図５（ｅ））。例えば、白金等の抵抗温度係数の大きい金属を電気絶縁膜１３の表面に蒸着し、上記したフォトリソグラフィとエッチングによって形成する。
【００３３】
次に、ウエハ５０をエッチング、ダイシング等によって各流速検出手段１２毎に切断分離することにより複数個のセンサチップ５１を同時に製作する（図５（ｆ））。切断するときは、隣り合う厚肉部分の中央で切断すればよい。この切断によってウエハ５０は、図１に示した基板６となる。このように１枚のウエハ５０から複数個のセンサチップ５１を同時に製作すると、大きさ、品質が略一定のものを量産でき、製造コストを低減することができる。
【００３４】
次に、センサチップ５１と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２を重ね合わせ、これらをレーザ溶接によって溶接する（図５（ｇ））。この後、流路形成部材２の上方にスペーサ４を介して図１に示したプリント配線板５を積層配置し、プリント配線板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続すると図１および図２に示したフローセンサ１が完成する。
【００３５】
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第２の製造方法は、２枚の基板素材を積層してウエハを形成した点が上記した第１の製造方法と異なるだけで、その他の工程は同一である。
【００３６】
先ず、厚さが５０〜１５０μｍ程度の薄肉状で表面側が鏡面仕上げされたステンレス製の第１の基板素材６０を製作する（図６（ａ））。また、板厚が０．３〜３ｍｍ程度の板状で複数の流路用孔６１を有するステンレス製の第２の基板素材６２を製作する（図６（ｂ））。流路用孔６１はエッチング、エンドミル等によって形成され、図１に示した流路用凹部６Ｃとして用いられるものである。
【００３７】
次に、第１、第２の基板素材６０，６２を拡散接合等によって接合することにより積層構造のウエハ６３を製作する（図６（ｃ））。第１の基板素材６０のうち、第２の基板素材６２の流路用孔６１に対応する部分６４は、図１に示した基板６の薄肉状のダイアフラム部６Ａとなる部分である。
【００３８】
拡散接合は、接合部材の接合面を互いに密着させて真空中で加熱、加圧することによって接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、耐腐食性に優れている。また、センサチップのダイアフラム部分の厚さのばらつきを最小限に抑えることができる利点を有している。確実な接合を得るためには適宜な温度（９００〜１３００°Ｃ程度）で加熱することが好ましいが、この場合、第１、第２の基板素材６０，６２をステンレスで形成しているので、熱膨張係数の相違による応力の発生は生じない。
【００３９】
図６（ｃ）以降の製造手順は、図５に示した製造手順（ｄ）〜（ｇ）と同じであるため、その説明を省略する。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第３の製造方法は、図１に示した基板６をサファイアによって、流路形成部材２をステンレスによってそれぞれ形成したものである。
【００４１】
先ず、板厚が０．３〜３ｍｍ程度で、表面７０ａが鏡面研磨されたサファイア製のウエハ７０を用意する（図７（ａ））。
【００４２】
次に、ウエハ７０の裏面７０ｂにレーザー、エンドミル、エッチング、超音波加工によって複数の凹部７０Ｃを形成することにより薄肉部７０Ａと厚肉部７０Ｂを形成する（図７（ｂ））。薄肉部７０Ａの厚さは、５０〜１５０μｍ程度である。
【００４３】
次に、ウエハ７０の各薄肉部７０Ａの表面側に流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を形成する。これらの形成は、上記した第１の製造方法の図５（ｅ）において説明した方法と同様に周知の薄膜形成技術によって形成されるため、その説明および図示を省略する。この場合、サファイア製のウエハ７０は絶縁材料であるため、ウエハ表面に上記した電気絶縁膜１３を予め形成しておく必要はなく、この点でステンレスからなる基板６の製作と異なっている。
【００４４】
次に、流速検出手段１２、電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６が形成されたウエハ７０をエッチング、ダイシング、レーザー等によって厚肉部７０Ｂの中心線に沿って切断分離し、複数のセンサチップ７１を製作する（図７（（ｃ））。そして、このセンサチップ７１と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２とを重ね合わせて接合する（図７（（ｃ））。接合に際しては、センサチップ７１の裏面にモリブデン、タングステン等の金属膜を予めメタライズしておき、ロー付けによって接合する。この後、センサチップ７１の表面上方に図１に示したプリント基板５をスペーサ４を介して配設し、プリント基板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続するとサファイア製のフローセンサが完成する。
【００４５】
図８（ａ）〜（ｃ）は拡散接合によって製造する場合の第４の製法方法による製造手順の一部を示す図である。
この第４の製造方法は、図６に示した製造方法と同様であり、先ず、厚さが５０〜１５０μｍ程度の薄肉状で表面側が鏡面仕上げされたサファイア製の第１の基板素材７４を製作する（図８（ａ））。また、板厚が０．３〜３ｍｍ程度の板状で複数の流路用孔７５を有するサファイア製の第２の基板素材７６を製作する（図８（ｂ））。流路用孔７５はレーザー、エッチング、エンドミル、超音波等によって形成され、図１に示した流路用凹部６Ｃとして用いられるものである。
【００４６】
次に、第１、第２の基板素材７４，７６を拡散接合等によって接合することにより積層構造のウエハ７７を製作する（図８（ｃ））。第１の基板素材７４のうち、第２の基板素材７６の流路用孔７５間に対応する部分は、図１に示した基板６のダイアフラム部６Ａとなる部分である。
【００４７】
このよう製造方法においても、第１、第２の基板素材７４，７６をサファイアで形成しているので、熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。また、拡散接合は、上記した通り接合部材の接合面を互いに密着させて真空中で加熱、加圧することによって接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、耐腐食性に優れている。
【００４８】
図９（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第５の製造方法は、図１に示した基板６と流路形成部材２をともにセラミックスによって形成したものである。
【００４９】
先ず、ウエハ用の焼成型８０を用意する（図９（ａ））。
次に、この焼成型８０に粉末状または仮成形したセラミックス８１を装填して焼成炉８２に装着し、所定温度で所定時間加熱焼成（図９（ｂ））し、セラミックス製のウエハ８３を製作する（図９（ｃ））。ウエハ８３は、板厚が０．３〜３ｍｍ程度で複数の薄肉部８３Ａ、厚肉部８３Ｂおよび凹部８３Ｃを有する。薄肉部８３Ａの厚さは５０〜１５０μｍ程度である。なお、焼成型８０を使用せずにプレス成形したセラミックス８１をそのまま焼成炉８２で焼成してウエハ８３を製作してもよい。
【００５０】
次に、ウエハ８３の表面を鏡面研磨した後、各薄肉部８３Ａに流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を形成する。これらの形成は、上記した第１の製造方法の図５（ｅ）において説明した方法と全く同じ方法で形成されるため、その説明および図示を省略する。この場合、セラミックス製のウエハ８３は、上記したサファイア製と同様に絶縁材料であるため、予め電気絶縁膜１３を形成しておく必要はない。
【００５１】
次に、流速検出手段１２、電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６が形成されたウエハ８３をダイシング等によって厚肉部８３Ｂの中心線に沿って切断分離し、複数のセンサチップ８４を製作する（図８（ｄ））。そして、このセンサチップ８４と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２を重ね合わせる部分に予めモリブデン、タングステン等をメタライズしておき、ロー付け等により接合する。流路形成部材２はセラミックス製であるため、例えば前記ウエハ８３と同様に、加熱焼成によってウエハを製作した後、このウエハをダイシング等によって切断分離することにより製作される。あるいは、通常の機械加工で流路形成部材２を製作してもよい。
【００５２】
この後、センサチップ８４の表面上方に図１に示したプリント基板５をスペーサ４を介して配置し、プリント基板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続すると、セラミックス製のフローセンサが完成する。
【００５３】
このようなフローセンサの製造方法にあっては、基板材料がステンレス、サファイア、セラミックスのいずれであっても、１枚のウエハを小さく切断分離することにより、品質の揃った複数個のセンサチップ５１，７１または８４を同時に製作することができるので、バッチプロセスによる量産が可能で、製造コストを低減することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、種々の変更、変形が可能である。例えば、基板６と流路形成部材２の材質を適宜変更し得る。
また、基板６と流路形成部材２はＯリング等のシール材を介してボルトなどで接合したり、接着剤などで接着してもよい。
また、流路形成部材２に設けられる流路用孔９，１０は、流路形成部材２の表裏面に貫通する貫通孔に限らず、表面と側面に貫通するＬ字型の孔であってもよい。
また、基板素材表面の鏡面研磨は流路用凹部６Ｃを形成した後に行ってもよく、流路用凹部６Ｃの形状も長円形に限定されるものではない。
さらに、バッチプロセスによる量産に限らず、一個ずつ製作してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサの製造方法によれば、単体からなるチップはもとよりバッチプロセスよる製作が可能で、特にバッチプロセスの場合は品質の揃った複数個のセンサチップを大量生産することが可能で、生産性を向上させるとともに製造コストを低減することができる。
また、基板と流路形成部材をステンレス、サファイアまたはセラミックスで製作しているので、耐熱性、耐食性に優れたフローセンサを製作することができ、液体や腐食性気体の測定にも対応でき、特にステンレスは耐食性、加工性、熱伝導率、剛性の面で非常に適した材料であり、また耐腐食性を特に高める必要がある場合はサファイアが好適である。
さらに、流速検出手段が流体に直接接触しないので、信頼性および耐久性の高いセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る製造方法によって製造されたフローセンサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】 センサチップ部分の平面図である。
【図３】 フローセンサの定温度差回路を示す図である。
【図４】 センサ出力回路を示す図である。
【図５】 （ａ）〜（ｇ）は本発明の第１の製造方法による製造手順を示す図である。
【図６】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図７】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図８】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図９】 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…流路形成部材、６…基板、６Ａ…ダイアフラム部、６Ｂ…固定部、６Ｃ…流路用凹部、４…スペーサ、５…プリント基板、７…流体、８…流路、９，１０…流路用孔、１２…流速検出手段、１３…電気絶縁膜、１６…周囲温度検出手段、２０…発熱体、２１Ａ，２１Ｂ…温度センサ、５０…ウエハ、５１…センサチップ、６０…第１の基板素材、６２…第２の基板素材、６３…基板素材、７０…ウエハ、７１…センサチップ、７７…ウエハ、８３…ウエハ、８４…センサチップ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路中を流れる流体の流速または流量計測に用いられるフローセンサ、特に熱式フローセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流速や流量を計測する熱式のフローセンサは、流速検出手段を備えたセンサチップを配管内に計測すべき流体の流れに対して平行になるように設置し、発熱体（ヒーター）から出た熱による流体の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサで検出（傍熱型）するか、または流体により発熱体の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出（自己発熱型）することで、流速または流量を計測するようにしている。
【０００３】
ところで、従来のこの種のフローセンサは、主として非腐食性の気体に対して用いられていたが、最近では液体や腐食性の気体にも使用可能なものが開発されている。例えばその一例として、特開平７−１５９２１５号公報に開示された質量流量センサが知られている。
【０００４】
この質量流量センサは、流体が流れる流路を形成するガラス基板に、前記流路に接するようにしてシリコン基板を接合し、このシリコン基板の流路側とは反対側の面に流量検出用のヒータを形成している。このような質量流量センサにおいては、ヒータが流体と直接接触しないため、流体によるヒータの劣化を防止でき、長期間使用しても良好な検出特性を維持できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の質量流量センサは、被測定流体の流路をシリコン基板とガラス基板とで形成しているため、半導体製造装置などで使用される場合は、シリコン基板とガラス基板が腐食性気体や液体によって腐食するため、使用できないという問題があった。
また、シリコン基板は熱伝導率が高いため、ヒータの熱によって基板全体が均一な温度になると、上流側と下流側のヒータに流体の流れによる温度差が生じ難く、検出感度が低いという問題があった。
加えて、シリコン基板は熱容量を小さくするためにガラス基板より小さく形成され、ガラス基板上に突出して設けられているため、両基板の間に段差が生じ、その後の製造工程での取扱性、製造の容易性に欠けるという問題もあった。例えば製造の容易性についていえば、シリコン基板の流路を覆っている部分以外の不要部分をフォトリソグラフィとエッチングによって除去することによりシリコン基板をガラス基板より小さくしているため、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程の２工程が増加する。
【０００６】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、バッチプロセスによって複数のセンサチップを量産することが可能で、製造の容易性を向上させるとともに製造コストを低減し得るようにしたフローセンサの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、前記基板素材の表面で前記ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成してセンサチップとする工程と、前記基板素材の厚肉部裏面を流路形成部材に接合するチップ接合工程とを備えたものである。
【０００８】
第２の発明は、外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に複数の流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、前記基板素材の表面で各ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成する工程と、前記基板素材を各流速検出手段ごとに分離することにより、裏面側にそれぞれ厚肉部を有する複数のセンサチップを形成するチップ形成工程と、切断されたセンサチップの厚肉部を流路形成部材に接合するチップ接合工程とを備えたものである。
【０００９】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、基板素材が、薄肉状の第１の基板素材を製作する工程と、この第１の基板素材と同一材料からなり流路用孔を有する板状の第２の基板素材を製作する工程と、前記第１、第２の基板素材を重ね合わせて拡散接合する工程によって製作されるものである。
【００１０】
第４の発明は、上記第１，第２または第３の発明において、基板素材がステンレスで、表面に電気絶縁膜が形成されているものである。
【００１１】
第５の発明は、上記第１または第２の発明において、基板素材としてサファイアまたはセラミックスを用いたものである。
【００１２】
第１，第２の発明において、基板素材の流路用凹部は、エッチング、エンドミル等によって形成される。流速検出手段は、周知の薄膜形成技術によって形成される。第２の発明においては、流速検出手段が形成された基板素材をダイシング、エッチング、またはレーザー等によって切断分離すると、複数個のセンサチップが形成される。センサチップと流路形成部材を溶接等によって接合すると、フローセンサが完成する。
基板素材としては、第３の発明における２枚の基板素材を拡散接合して製作されるものであってもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図、図２はセンサチップ部分の平面図である。これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、流路形成部材２と、この流路形成部材２上に設置されたセンサチップ３と、同じく前記流路形成部材２上にスペーサ４を介して配設され前記センサチップ３の上方に位置するプリント基板５等で構成されている。
【００１４】
前記流路形成部材２はステンレス製の金属板からなり、上面中央に一体に突設された突出部２Ａと、前記センサチップ３の凹部６Ｃとともに被測定流体（以下、流体ともいう）７の流路８を形成する２つの流路用孔９，１０を有している。流路用孔９，１０は貫通孔からなり、一端開口部が前記突出部２Ａの長手方向の両端寄りにそれぞれ開口し、他端開口部が流路形成部材２の下面にそれぞれ開口している。
【００１５】
前記センサチップ３は、基板６と、この基板６の表面に電気絶縁膜１３を介して形成された後述する流速検出手段１２および周囲温度検出手段１６とで構成されている。
【００１６】
前記基板６は、前記流路形成部材２の突出部２Ａと略同一の大きさからなる矩形の板状に形成され、下面中央に前記凹部６Ｃが形成されることにより、この凹部６Ｃが形成されている表面側が薄肉状のダイアフラム部６Ａを形成し、このダイアフラム部６Ａの周囲を取り囲む厚肉の固定部６Ｂが前記突出部２Ａの上面にＹＡＧレーザー溶接等によって接合されている。前記ダイアフラム部６Ａは、板厚が５０〜１５０μｍ程度で、表面中央に前記流速検出手段１２が設けられている。前記凹部６Ｃは、基板６の長手方向に長い長円形で、両端部において前記各流路用孔９，１０と連通している。そして、基板６の前記凹部６Ｃ側とは反対側で前記流速検出手段１２が設けられる上面６ｂは、鏡面研磨され、前記電気絶縁膜１３が形成されている。
【００１７】
前記基板６の材質としては、熱伝導率がシリコンに比べて低く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料、例えばステンレス、サファイアまたはセラミックスが用いられる。この場合、本フローセンサ１においては、板厚が０．３〜３ｍｍ程度のステンレス（特に、ＳＵＳ３１６Ｌ）の薄板によって基板６を形成した例を示している。
【００１８】
基板６がステンレス製の場合、ダイアフラム部６Ａの板厚が５０μｍ以下であると強度が低下するため好ましくない。また、１５０μｍ以上であると、基板６の厚さ方向、つまり流体２と後述する流速検出手段１２との間の熱の伝導効率が低下するとともに、基板６の面と平行な方向の伝熱量（熱損出）が増加するため好ましくない。
【００１９】
前記電気絶縁膜１３の表面には、６つの電極パッド１４（１４ａ〜１４ｆ）および配線用金属薄膜１５を含む前記流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６が周知の薄膜成形技術によって形成されている。例えば、白金等の材料を電気絶縁膜１３上に成膜し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６が前記電極パッド１４に配線用金属薄膜１５を介してそれぞれ電気的に接続されている。
【００２０】
さらに前記流速検出手段１２と前記周囲温度検出手段１６を詳述すると、流速検出手段１２は、１つの発熱体（抵抗ヒータ）２０と２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂとからなり、傍熱型の流速検出手段を構成している。発熱体２０はダイアフラム部６Ａの略中央に位置している。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂは、発熱体２０を挟んで流体７の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ位置するように配置されている。
【００２１】
前記周囲温度検出手段１６は、周囲温度、つまり流体７の温度が変化したとき、その変化を補償するために用いられるもので、上流側で前記ダイアフラム部６Ａの外側に配置されている。ただし、上流側に限らず下流側であったり、センサチップ３の幅方向のいずれかの片側であったり、あるいはダイアフラム部６Ａ上であってもよい。発熱体２０のパターン幅は１０〜５０μｍ、温度センサ２１Ａ，２１Ｂおよび周囲温度検出手段１６のパターン幅は５〜１０μｍ程度が好ましい。さらに、ダイアフラム部６Ａとその周囲を取り囲む厚肉の固定部６Ｂを別々に作り、熱拡散接合などにより一体化しても良い。
【００２２】
前記電気絶縁膜１３は、厚さが１μｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、ポリイミド等によって形成されている。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成される。窒化シリコン膜は、スパッタリング、ＣＶＤ等によって形成される。
【００２３】
前記流路形成部材２上にスペーサ４を介して配設される前記プリント基板５は、中央に円形の穴２６を有し、表面に複数の配線パターン２７が印刷形成されており、これら配線パターン２７に前記センサチップ３の前記電極パッド１４が図示を省略したボンディングワイヤによって電気的に接続されている。前記スペーサ４は、前記流路形成部材２と同じくステンレス、アルミニウムまたは合成樹脂等によって形成され、ねじや接着剤等によって流路形成部材２に固定されている。
【００２４】
図３はフローセンサ１の定温度差回路を示す図である。
同図において、発熱体２０、周囲温度検出手段１６および３つの固定抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 はブリッジ回路を形成し、これとオペアンプ（ＯＰ1 ）とで定温度差回路を構成している。ＯＰ1 は、ブリッジ回路の抵抗Ｒ1 と発熱体２０の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗Ｒ2 と抵抗Ｒ3 の中点電圧を非反転入力とする。このＯＰ1 の出力は、抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 の一端に共通に接続されている。抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 は、発熱体２０が周囲温度検出手段１６よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
【００２５】
図４はフローセンサ１のセンサ出力回路を示す図である。
同図において、２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂと２つの固定抵抗Ｒ4 ，Ｒ5 はブリッジ回路を形成し、これとＯＰ2 とでセンサ出力回路を構成している。
【００２６】
このようなフローセンサ１において、図３に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によって発熱体２０を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体７を図２の矢印方向に流すと、ダイアフラム部６Ａは流体７によってその流速に比例して熱を奪われるため、発熱体２０も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、ブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、ＯＰ1 によってその反転入力・非反転入力間に生じる電圧に応じた電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体７によって奪われた熱を補償するように発熱体２０の発熱量が増加する。その結果、発熱体２０の抵抗値が上昇することにより、ブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。なお、図３の定温度差回路の用い方としては、ヒータにセンサを共用させると、ブリッジ回路に加えられる電圧のうち発熱体２０の端子間電圧を電圧出力として出力させることも可能である。
【００２７】
流体７の流れによって発熱体２０近傍の温度分布が崩れると、発熱体２０の上流側に位置する温度センサ２１Ａと下流側に位置する温度センサ２１Ｂの間に温度差が生じるので、図４に示すセンサ出力回路によってその電圧差または抵抗値差を検出する。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂの温度差は流体７の流速に比例する。そこで、予め流路断面平均流速または流量と温度差、つまり前記センサ出力回路によって検出された電圧差または抵抗値差との関係を校正しておけば、前記電圧差または抵抗値差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。なお、流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６との構成は、上記した実施の形態に限らず種々の変更が可能である。また、周囲温度検出手段１６は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるところに配置する。
【００２８】
次に、上記フローセンサ１の製造方法について説明する。
図５（ａ）〜（ｇ）はフローセンサの第１の製造方法による製造手順を示す図面である。
先ず、板厚が０．３〜３ｍｍ程度のステンレス製の基板素材（以下、ウエハという）５０を用意し（図５（ａ））、その表面５０ａを鏡面研磨する（図５（ｂ））。
【００２９】
次に、ウエハ５０に複数の薄肉部５０Ａ，厚肉部５０Ｂ，凹部５０Ｃを形成する。（図５（ｃ））。薄肉部５０Ａと厚肉部５０Ｂは、上記した基板６のダイアフラム部６Ａと固定部６Ｂとなる部分であり、凹部５０Ｃは前記流路用凹部６Ｃとなる部分である。薄肉部５０Ａはウエハ５０の裏面５０ｂに前記凹部５０Ｃの形成と同時に形成される。
【００３０】
前記凹部５０Ｃは、フォトリソグラフィとエッチングまたはエンドミルによって形成される。フォトリソグラフィとエッチングによる場合は、先ず、ウエハ５０の裏面５０ｂ全体にレジストをスピンコートによって塗布し、紫外線（または電子線）を照射して前記レジストにマスクパターンを転写露光する。次に、露光されたレジストを現像液で現像し、レジストの不要部分を除去する。露光された部分を残すか除去するかで、ネガ型レジストまたはポジ型レジストを選定する。レジストが除去された部分はウエハ５０が露出しており、この露出しているウエハ部分をウエットエッチングまたはドライエッチングによって薄肉部５０Ａの厚さが５０〜１５０μｍ程度になるまで除去する。そして、残っているレジストを剥離、除去して洗浄すると、薄肉部５０Ａと流路用凹部５０Ｃの製作が完了する。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬またはスプレー噴射によって溶解する。ドライエッチングの場合は、スパッタ、プラズマ等によってイオンや電子をウエハ５０の裏面に照射し、少しずつ削っていく。
【００３１】
次に、ウエハ５０の表面全体に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはその積層膜からなる電気絶縁膜１３を形成する（図５（ｄ））。電気絶縁膜１３が酸化シリコン膜の場合は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成する。窒化シリコン膜の場合は、スパッタリング、ＣＶＤ等によって形成する。
【００３２】
次に、電気絶縁膜１３の各薄肉部５０Ａを覆っている部分に流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を周知の薄膜成形技術によって形成する（図５（ｅ））。例えば、白金等の抵抗温度係数の大きい金属を電気絶縁膜１３の表面に蒸着し、上記したフォトリソグラフィとエッチングによって形成する。
【００３３】
次に、ウエハ５０をエッチング、ダイシング等によって各流速検出手段１２毎に切断分離することにより複数個のセンサチップ５１を同時に製作する（図５（ｆ））。切断するときは、隣り合う厚肉部分の中央で切断すればよい。この切断によってウエハ５０は、図１に示した基板６となる。このように１枚のウエハ５０から複数個のセンサチップ５１を同時に製作すると、大きさ、品質が略一定のものを量産でき、製造コストを低減することができる。
【００３４】
次に、センサチップ５１と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２を重ね合わせ、これらをレーザ溶接によって溶接する（図５（ｇ））。この後、流路形成部材２の上方にスペーサ４を介して図１に示したプリント配線板５を積層配置し、プリント配線板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続すると図１および図２に示したフローセンサ１が完成する。
【００３５】
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第２の製造方法は、２枚の基板素材を積層してウエハを形成した点が上記した第１の製造方法と異なるだけで、その他の工程は同一である。
【００３６】
先ず、厚さが５０〜１５０μｍ程度の薄肉状で表面側が鏡面仕上げされたステンレス製の第１の基板素材６０を製作する（図６（ａ））。また、板厚が０．３〜３ｍｍ程度の板状で複数の流路用孔６１を有するステンレス製の第２の基板素材６２を製作する（図６（ｂ））。流路用孔６１はエッチング、エンドミル等によって形成され、図１に示した流路用凹部６Ｃとして用いられるものである。
【００３７】
次に、第１、第２の基板素材６０，６２を拡散接合等によって接合することにより積層構造のウエハ６３を製作する（図６（ｃ））。第１の基板素材６０のうち、第２の基板素材６２の流路用孔６１に対応する部分６４は、図１に示した基板６の薄肉状のダイアフラム部６Ａとなる部分である。
【００３８】
拡散接合は、接合部材の接合面を互いに密着させて真空中で加熱、加圧することによって接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、耐腐食性に優れている。また、センサチップのダイアフラム部分の厚さのばらつきを最小限に抑えることができる利点を有している。確実な接合を得るためには適宜な温度（９００〜１３００°Ｃ程度）で加熱することが好ましいが、この場合、第１、第２の基板素材６０，６２をステンレスで形成しているので、熱膨張係数の相違による応力の発生は生じない。
【００３９】
図６（ｃ）以降の製造手順は、図５に示した製造手順（ｄ）〜（ｇ）と同じであるため、その説明を省略する。
【００４０】
図７（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第３の製造方法は、図１に示した基板６をサファイアによって、流路形成部材２をステンレスによってそれぞれ形成したものである。
【００４１】
先ず、板厚が０．３〜３ｍｍ程度で、表面７０ａが鏡面研磨されたサファイア製のウエハ７０を用意する（図７（ａ））。
【００４２】
次に、ウエハ７０の裏面７０ｂにレーザー、エンドミル、エッチング、超音波加工によって複数の凹部７０Ｃを形成することにより薄肉部７０Ａと厚肉部７０Ｂを形成する（図７（ｂ））。薄肉部７０Ａの厚さは、５０〜１５０μｍ程度である。
【００４３】
次に、ウエハ７０の各薄肉部７０Ａの表面側に流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を形成する。これらの形成は、上記した第１の製造方法の図５（ｅ）において説明した方法と同様に周知の薄膜形成技術によって形成されるため、その説明および図示を省略する。この場合、サファイア製のウエハ７０は絶縁材料であるため、ウエハ表面に上記した電気絶縁膜１３を予め形成しておく必要はなく、この点でステンレスからなる基板６の製作と異なっている。
【００４４】
次に、流速検出手段１２、電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６が形成されたウエハ７０をエッチング、ダイシング、レーザー等によって厚肉部７０Ｂの中心線に沿って切断分離し、複数のセンサチップ７１を製作する（図７（（ｃ））。そして、このセンサチップ７１と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２とを重ね合わせて接合する（図７（（ｃ））。接合に際しては、センサチップ７１の裏面にモリブデン、タングステン等の金属膜を予めメタライズしておき、ロー付けによって接合する。この後、センサチップ７１の表面上方に図１に示したプリント基板５をスペーサ４を介して配設し、プリント基板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続するとサファイア製のフローセンサが完成する。
【００４５】
図８（ａ）〜（ｃ）は拡散接合によって製造する場合の第４の製法方法による製造手順の一部を示す図である。
この第４の製造方法は、図６に示した製造方法と同様であり、先ず、厚さが５０〜１５０μｍ程度の薄肉状で表面側が鏡面仕上げされたサファイア製の第１の基板素材７４を製作する（図８（ａ））。また、板厚が０．３〜３ｍｍ程度の板状で複数の流路用孔７５を有するサファイア製の第２の基板素材７６を製作する（図８（ｂ））。流路用孔７５はレーザー、エッチング、エンドミル、超音波等によって形成され、図１に示した流路用凹部６Ｃとして用いられるものである。
【００４６】
次に、第１、第２の基板素材７４，７６を拡散接合等によって接合することにより積層構造のウエハ７７を製作する（図８（ｃ））。第１の基板素材７４のうち、第２の基板素材７６の流路用孔７５間に対応する部分は、図１に示した基板６のダイアフラム部６Ａとなる部分である。
【００４７】
このよう製造方法においても、第１、第２の基板素材７４，７６をサファイアで形成しているので、熱膨張係数の相違による応力の発生が生じない。また、拡散接合は、上記した通り接合部材の接合面を互いに密着させて真空中で加熱、加圧することによって接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法であるため、接合材を用いる必要がなく、耐腐食性に優れている。
【００４８】
図９（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
この第５の製造方法は、図１に示した基板６と流路形成部材２をともにセラミックスによって形成したものである。
【００４９】
先ず、ウエハ用の焼成型８０を用意する（図９（ａ））。
次に、この焼成型８０に粉末状または仮成形したセラミックス８１を装填して焼成炉８２に装着し、所定温度で所定時間加熱焼成（図９（ｂ））し、セラミックス製のウエハ８３を製作する（図９（ｃ））。ウエハ８３は、板厚が０．３〜３ｍｍ程度で複数の薄肉部８３Ａ、厚肉部８３Ｂおよび凹部８３Ｃを有する。薄肉部８３Ａの厚さは５０〜１５０μｍ程度である。なお、焼成型８０を使用せずにプレス成形したセラミックス８１をそのまま焼成炉８２で焼成してウエハ８３を製作してもよい。
【００５０】
次に、ウエハ８３の表面を鏡面研磨した後、各薄肉部８３Ａに流速検出手段１２、その周辺部に電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６を形成する。これらの形成は、上記した第１の製造方法の図５（ｅ）において説明した方法と全く同じ方法で形成されるため、その説明および図示を省略する。この場合、セラミックス製のウエハ８３は、上記したサファイア製と同様に絶縁材料であるため、予め電気絶縁膜１３を形成しておく必要はない。
【００５１】
次に、流速検出手段１２、電極パッド１４、配線用金属薄膜１５および周囲温度検出手段１６が形成されたウエハ８３をダイシング等によって厚肉部８３Ｂの中心線に沿って切断分離し、複数のセンサチップ８４を製作する（図８（ｄ））。そして、このセンサチップ８４と、２つの流路用孔９，１０を有する流路形成部材２を重ね合わせる部分に予めモリブデン、タングステン等をメタライズしておき、ロー付け等により接合する。流路形成部材２はセラミックス製であるため、例えば前記ウエハ８３と同様に、加熱焼成によってウエハを製作した後、このウエハをダイシング等によって切断分離することにより製作される。あるいは、通常の機械加工で流路形成部材２を製作してもよい。
【００５２】
この後、センサチップ８４の表面上方に図１に示したプリント基板５をスペーサ４を介して配置し、プリント基板５の配線パターン２７と電極パッド１４を電気的に接続すると、セラミックス製のフローセンサが完成する。
【００５３】
このようなフローセンサの製造方法にあっては、基板材料がステンレス、サファイア、セラミックスのいずれであっても、１枚のウエハを小さく切断分離することにより、品質の揃った複数個のセンサチップ５１，７１または８４を同時に製作することができるので、バッチプロセスによる量産が可能で、製造コストを低減することができる。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、種々の変更、変形が可能である。例えば、基板６と流路形成部材２の材質を適宜変更し得る。
また、基板６と流路形成部材２はＯリング等のシール材を介してボルトなどで接合したり、接着剤などで接着してもよい。
また、流路形成部材２に設けられる流路用孔９，１０は、流路形成部材２の表裏面に貫通する貫通孔に限らず、表面と側面に貫通するＬ字型の孔であってもよい。
また、基板素材表面の鏡面研磨は流路用凹部６Ｃを形成した後に行ってもよく、流路用凹部６Ｃの形状も長円形に限定されるものではない。
さらに、バッチプロセスによる量産に限らず、一個ずつ製作してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサの製造方法によれば、単体からなるチップはもとよりバッチプロセスよる製作が可能で、特にバッチプロセスの場合は品質の揃った複数個のセンサチップを大量生産することが可能で、生産性を向上させるとともに製造コストを低減することができる。
また、基板と流路形成部材をステンレス、サファイアまたはセラミックスで製作しているので、耐熱性、耐食性に優れたフローセンサを製作することができ、液体や腐食性気体の測定にも対応でき、特にステンレスは耐食性、加工性、熱伝導率、剛性の面で非常に適した材料であり、また耐腐食性を特に高める必要がある場合はサファイアが好適である。
さらに、流速検出手段が流体に直接接触しないので、信頼性および耐久性の高いセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る製造方法によって製造されたフローセンサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】 センサチップ部分の平面図である。
【図３】 フローセンサの定温度差回路を示す図である。
【図４】 センサ出力回路を示す図である。
【図５】 （ａ）〜（ｇ）は本発明の第１の製造方法による製造手順を示す図である。
【図６】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図７】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図８】 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【図９】 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の製造方法による製造手順の一部を示す図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…流路形成部材、６…基板、６Ａ…ダイアフラム部、６Ｂ…固定部、６Ｃ…流路用凹部、４…スペーサ、５…プリント基板、７…流体、８…流路、９，１０…流路用孔、１２…流速検出手段、１３…電気絶縁膜、１６…周囲温度検出手段、２０…発熱体、２１Ａ，２１Ｂ…温度センサ、５０…ウエハ、５１…センサチップ、６０…第１の基板素材、６２…第２の基板素材、６３…基板素材、７０…ウエハ、７１…センサチップ、７７…ウエハ、８３…ウエハ、８４…センサチップ。
Claims (5)
- 外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、
表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、
前記基板素材の表面で前記ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成してセンサチップとする工程と、
前記基板素材の厚肉部裏面を流路形成部材に接合するチップ接合工程と、
を備えたことを特徴とするフローセンサの製造方法。 - 外周部に厚肉部が設けられ、中央部が前記厚肉部と同一材料からなる薄肉のダイアフラム部を形成し、表面が前記厚肉部と同一平面を形成し、裏面側に流路用凹部が形成された基板と、前記ダイアフラム部の表面側に設けられた流速検出手段とでセンサチップを形成し、前記基板の厚肉部裏面側に流路形成部材を接合し、この流路形成部材と前記基板の前記流路用凹部とで被測定流体の流路を形成してなるフローセンサの製造方法であって、
表面全体が仕上げ加工によって平滑面に形成された基板素材の外周部を厚肉部として残し、裏面中央部に複数の流路用凹部を表面側に僅かな肉厚を残して形成することにより、この薄肉部分をダイアフラム部とするダイアフラム形成工程と、
前記基板素材の表面で各ダイアフラム部に対応する部分に流速検出手段を形成する工程と、
前記基板素材を各流速検出手段ごとに分離することにより、裏面側にそれぞれ厚肉部を有する複数のセンサチップを形成するチップ形成工程と、
切断されたセンサチップの厚肉部を流路形成部材に接合するチップ接合工程と、
を備えたことを特徴とするフローセンサの製造方法。 - 請求項１または２記載のフローセンサの製造方法において、
基板素材が、薄肉状の第１の基板素材を製作する工程と、この第１の基板素材と同一材料からなり流路用孔を有する板状の第２の基板素材を製作する工程と、前記第１、第２の基板素材を重ね合わせて拡散接合する工程によって製作されることを特徴とするフローセンサの製造方法。 - 請求項１，２または３記載のフローセンサの製造方法において、
基板素材がステンレスで、表面に電気絶縁膜が形成されていることを特徴とするフローセンサの製造方法。 - 請求項１または２記載のフローセンサの製造方法において、
基板素材がサファイアまたはセラミックスであることを特徴とするフローセンサの製造方法。
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