JP3687724B2

JP3687724B2 - Heater for flow meter

Info

Publication number: JP3687724B2
Application number: JP10852399A
Authority: JP
Inventors: 剛史藤原; 昌佐々木
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000298135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計用のヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱を使った流量計として現在普及しているものとしては、熱線風速計がある。この熱線風速計は、非常に細い白金線に電流を通電して加熱し、その白金線の周囲に測定対象の流体が流れるようにする。すると、その流体が通過する際に白金線の熱を吸熱し温度低下を招く。この低下率は、流量（流速）が速いほど大きくなる。そして、温度が変化すると抵抗値が変わるため、係る抵抗値の変化から温度の変化量ひいては流量（流速）を検出するようになっている。
【０００３】
また、上述の熱線風速計をシリコン等の半導体技術を用いて応用した例として、図１に示すように、凹部１ａを備えた半導体基板１の上に絶縁膜２を形成し、その上にヒータとして白金やニッケルの配線パターン３を備え、その配線パターン３上に保護膜４が形成されたものがある。これは、具体的には例えば特開昭６２−２４３８号公報等により開示されている。
【０００４】
熱を使った流量計として現在普及している流量計のもう一つの形態としては、３線抵抗線風速計がある。これはヒータの両側（流れに対して上流側と下流側）に熱感知用の測温抵抗体を設置した構成となっている。
【０００５】
係る構成の流速センサは、ヒータに電流を流して加熱した状態で、気体の流れの中に置くと、ヒータの上方空間は加熱されて暖かくなっているので、下流側の測温抵抗体はその暖かくなった空気が気体の流れに沿って移動してくるので温度が上昇する。この一対の測温抵抗体の温度の変化の程度に応じて電気抵抗値も変化するので、その変化から空気の流量及びまたは方向を測定するようになっている。
【０００６】
そして、この３線抵抗線風速計もシリコン等の半導体技術を用いて応用した例が有る。すなわち、例えば特開昭６０−１４２２６８号公報に開示された流速センサのように、図２に示すごとく半導体基板５に熱的に絶縁する凹部５ａを介して絶縁膜６が形成されており、この絶縁膜６上の表面中央部にヒータ７を設けるとともに、そのヒータ７の両側に熱感知用の測温抵抗体（上流側と下流側）８を設ける。さらにそのヒータ７，測温抵抗体８の保護として基板上面に保護膜９が形成されて構成されている。なお、測定原理は、上記したものと同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の熱線風速計（流量計）では、ヒータの周囲の温度分布が均一にならないという問題があった。すなわち、例えば図１のような熱線風速計においては、一般に図３に示すようにヒータの配線パターン３の中央部を中心とする円弧状の温度分布が生じる。
【０００８】
この現象はフーリエの法則を用いて説明することができる。すなわち、フーリエの法則によれば単位面積当たりの伝熱量は次式で表される。
ｑ＝−λ・α
λ：熱伝導率
α：温度勾配
右辺に−の符号がついているのは温度勾配に対して逆向きに熱が伝わるためである。上式によれば、配線パターン（ヒータ）３の端部は、その外側の温度は周囲温度と同じなため温度勾配が大きくなるので伝熱量が大きくなる。一方、中央部は端部がある程度熱を持っているので温度勾配が小さくなり熱が逃げにくくなっているのでこのような分布が生じる。そして図３のような温度分布が生じた結果、被測定物である気体や液体との熱的なやり取りが不均一になり、測定誤差を生じる。
【０００９】
上述の熱線風速計に対して３線抵抗線風速計では、図４のように有風時と無風時におけるヒータから発生した熱の温度分布の変化を見ているので、ヒータ上部の流体の温度分布が問題となる。
【００１０】
例えば図２のような３線抵抗線風速計においても、ヒータ配線に図３と同様な温度分布が生じ、その結果ヒータ上部の流体にも温度分布が生じ測定誤差が生じる。
【００１１】
係る問題（ヒータ配線の温度分布が円弧状になる）を解決するため、従来、例えば特開平３−２４８０１７号に示すようにヒータ配線上に絶縁膜を介して金属膜を配置したり、特公平８−３０７０９号に示されるようにヒータ配線の長さ方向端部を大きくしたものがある。
【００１２】
しかし、前者のものでは別途金属膜を蒸着しなければならず工程数が増加するという新たな問題を生じる。また、後者のものでは、ヒータ配線がセンサチップ上に占める面積が増大し、センサチップの小型化に限界があるという新たな間題を生じる。
【００１３】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、ヒータ配線の形状を変えることにより従来に比べてヒータ配線の占有面積を増大させずに、ヒータの温度分布状態の直線性が良好となるような流量計用のヒータを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る流量計用のヒータは、ヒータ配線と、このヒータ配線を支持する基板とを備え、前記ヒータ配線の周囲には空間が存在するようにした流量計用のヒータにおいて、前記ヒータ配線は、前記ヒータ配線の配置方向に対して傾斜方向に伸びる同一長さの配線パターンを所定回数折り返すように接続し、隣接する前記配線パターンのなす線分を流体の流れ方向に対して等しい角度で山および谷を形成するように連続した三角形状に形成され、前記ヒータ配線の配置方向は、前記流体の流れを垂直に横切る方向に形成され、前記隣接する配線パターンで挟まれる三角形の領域内に、三角形状のスリットを設けた。
【００１５】
斜め方向に延びる各配線パターンに基づき、その周囲に円弧状の等温曲線の温度分布となる。よって、その傾斜角度や長さなどを調整することにより、各配線パターンの温度分布を重畳することにより、ヒータ配線全体の温度分布の境界が、配線パターンの配置方向に沿ってほぼ平行になり、温度分布の直線性が良好となる。さらに、ヒータ配線を構成する隣接する配線パターンで挟まれる三角形の領域に三角形状のスリット（実施の形態では、「スリット１８」に相当）を設けたため、配線パターンの間の熱絶縁が良くなり、より良好な温度分布を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図５，図６は、本発明の原理・作用を説明するための一形態を示している。本形態では、矩形状のシリコン基板１０の上面に凹部１１が形成され、その凹部１１を覆うようにしてシリコン基板１０の上面に絶縁膜１２が成膜されている。この絶縁膜１２の表面（凹部１１に対向する領域）に、ヒータ配線１３がパターニングされている。さらに、ヒータ配線１３を覆うようにして、絶縁膜１２の表面を保護膜１４で被覆している。
【００２８】
つまり、凹部１１を設けたことから、絶縁膜１２は、その周囲の４辺でシリコン基板１０の外周囲に接合され、ピンと張った状態となる。そして、ヒータ配線１３が形成された部分は、凹部１１に対向するので、シリコン基板１０の表面から離反しており、熱絶縁される。
【００２９】
また、保護膜１４は、実際には絶縁膜と同様の材質で製造することができ、例えば、ＳｉＯ2膜等を用いることができる。そして、ＳｉＯ2膜等は、熱伝導率が低いので、その絶縁膜１２，保護膜１４を介して熱が伝導するのも抑制される。よって、上記凹部１１による熱絶縁の効果と相乗的に作用する。
【００３０】
さらに、ヒータ配線１３の両端に対応する保護膜１４の部分は除去させるとともに、端子電極１５が設けられる。そしてこの端子電極１５は、その裏面側で前記ヒータ配線１３と電気的に導通されており、これにより、その端子電極１５を介してヒータ配線１３は外部装置と導通される。係る基本構成は、従来のマイクロヒータ（フローセンサ）と同様である。
【００３１】
ここで本形態では、ヒータ配線１３の両端を凹部１１を挟んで対向するシリコン基板１０の一対の対辺にそれぞれ設け、ヒータ配線１３が凹部１１を横断するようにした。このヒータ配線１３の配置方向は、測定対象の気体の流れ方向と直交するようにする。
【００３２】
さらに、ヒータ配線１３は、複数回折り返すようにしている。つまり、図７に示すように、流体の流れ方向（矢印方向：Ｘ方向）と平行な第１配線パターン１３ａと、その第１配線パーターン１３ａの端部同士を接続し、流体の流れ方向と垂直な方向（Ｙ方向）に伸びる第２配線パターン１３ｂを備えている。そして、第１配線パターン１３ａの幅を細くして抵抗値を上げ、第２配線パターン１３ｂの幅を太くして抵抗値を下げた構造としている。
【００３３】
係る構成をとると、細い部分（第１配線パターン１３ａ）は抵抗値が高いのでよく発熱し、太い部分（第２配線パターン１３ｂ）は抵抗値が低いのであまり発熱しない。つまり、流体の流れに対して垂直な部分はあまり発熱しないので、実質的にヒータ配線がないとみなすことができる。また、流体の流れに対して平行な部分は良く発熱するため、当該部分にはヒータ配線が存在するといえる。
【００３４】
よって、ヒータ配線１３を熱的（実質的な機能の点）に着目してみると、図８に示すように、第１配線パターン１３ａのみが機能し、流れに対して平行に複数のヒータ配線（第１配線パターン１３ａ）を備えた構造とみなせる。
【００３５】
そして、隣接する第１配線パターン１３ａ間に存在する絶縁膜１２，保護膜１４は、一般に熱伝導率の低いＳｉＯ2膜等で構成されているので、各々のヒータ（第１配線パターン１３ａ）はそれぞれ流れ方向に対して垂直方向は熱的にある程度絶縁されているといえる。そのため第１配線パターン１３ａにおける発熱温度と、絶縁膜１２等の熱絶縁性とを加味して第１配線パターン１３ａ間の距離（第２配線パターン１３ｂの長さ）を適度に調整することにより、各々の第１配線パターン１３ａに基づく流れに対して垂直方向の温度分布を全て等しくすることが可能となる。
【００３６】
その結果、ヒータ配線全体では各第１配線パターン１３ａに基づく温度分布が重畳された状態となり、図９のような温度分布になる。つまり、各第１配線パターン１３ａに基づく温度分布（等温曲線）Ｌ１が重畳されて形成されるヒータ配線全体の温度分布の境界Ｌが、そのＹ方向（配置方向）に沿ってほぼ平行になり、温度分布の直線性が良好となる。
【００３７】
そして、図３にあるような温度分布に対し、本形態では流れの垂直方向に対する直線性が大幅に良くなっており、測定精度が向上する。つまり等温曲線が垂直方向でほぼ直線／平行となる。
【００３８】
また、ヒータ配線１３のパターン形状としては、上記したものに限ることはなく、例えば図１０に示すように、ヒータ配線の配置方向、つまり測定対象の流体の流れ（矢印で示す方向）と直交する方向に対して角度を持たせて傾斜する複数の配線パターン１３′ａを連続させ、全体として三角波状にしたヒータ配線１３′を構成するようにしてもよい。
【００３９】
この場合に、図５，図６に示した本形態と同様に、各配線パターン１３′ａに基づく温度分布を重畳した状態でヒータ全体として流れに直交する方向（ヒータ配線の配置方向）の温度分布の直線性が良好になるように、その長さ、角度、ヒータ内の絶縁性を適宜設定する。
【００４０】
そして、上記した形態並びに変形例は、ヒータ配線１３，１３′に通電して発熱させた状態で流体中に配置することにより、その温度（抵抗値）の変化から、流体の流量・流速を検出するといったフローセンサ等の流量計として使用することができる。
【００４１】
図１１は、本発明の好適な一実施の形態の前提となる構成の一形態を示している。本形態は、上述した図５，図６に示す形態を基本とし、ヒータ配線１３を構成する第１配線パターン１３ａ間に存在する絶縁膜１２，保護膜１４の部分に、スリット１７を設けている。これにより、隣接する第１配線パターン１３ａ間、つまり、流体の流れの方向と直交する方向の熱絶縁が良好となる。
【００４２】
上記の図５，図６に示した形態の作用効果でも説明したように、第１配線パターン１３ａの距離は、第１配線パターン間材料の熱絶緑性とヒータ発熱温度により決まる。すなわち、ヒータの発熱温度が高かったり、熱絶縁があまり大きくないような材料を使用した場合には、第１配線パターン間距離をかなり大きくしなければならず、その結果、チップサイズが大きくなってしまう。
【００４３】
これに対し、本形態では、絶縁膜１２，保護膜１４にスリット１７を設けることにより、熱絶縁性を向上させることができる。よって、第１配線パターン１３ａ間の距離も短くしてチップサイズの小型化を図ることができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記の図５，図６に示した実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
図１２は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態は、上述した前提となるスリットを設ける形態に対し、上述した図５，図６に示した形態の変形例である三角波状のヒータ配線１３′を用いたものに適用したものである。すなわち、図１２に示すように接続された２本の配線パターン１３′ａで挟まれる領域に、平面が三角形状のスリット１８を設けることにより、熱絶縁性を高めることができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
図１３は、他の形態の要部であるヒータ配線１３″を示している。同図に示すように、上記した各形態及び変形例では、ヒータ配線１３，１３′が直列接続だったものを並列接続するようにしている。
【００４６】
すなわち、流体の流れと平行で幅を広くした第１配線パターン１３ａを複数本平行に配置し、各第１配線パターン１３ａの両端をそれぞれ接続するようにして流体の流れと直交し幅を狭くした２本の第２配線パターン１３ｂで接続するようにしている。
【００４７】
なお、図示省略するが、上記した各形態と同様に、係るヒータ配線１３″を、シリコン基板の上に成膜された絶縁膜上にパターン形成し、その上を保護膜で覆うようにしている。
【００４８】
係る構成にすると、たとえヒータ配線１３″の一箇所以上が断線したとしても、多くの場合は端子電極１５，１５間を電流が流れることができ、ヒータとしての機能を失わないので信頼性が向上するという効果が発揮する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
図１４，図１５は、別の形態を示している。本形態では、上記した各形態と相違して、３線抵抗線流量センサに本発明のヒータを用いた例を示している。
【００５０】
同図に示すように、まず係る流量センサの構成を説明すると、シリコン基板１０の上面には凹部１１を設け、その凹部１１を覆うように絶縁膜１２をシリコン基板１０の上面に形成する。そして、絶縁膜１２の表面の凹部１１に対向する領域のうち、中央部分を横断するようにしてヒータ配線１３をパターニングして形成する。この点は、図５，図６に示した形態と同様である。つまり、流れと平行な方向に伸びる幅を細くした第１配線パターン１３ａと、それと直交する幅の太い第２配線パターン１３ｂを備えたパターン形状となっている。
【００５１】
そして、このヒータ配線１３を中心とし、流体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ上流側測温抵抗体１９と、下流側測温抵抗体２０をそれぞれ配置する。これら両測温抵抗体１９，２０も、凹部１１の上方に配置する。
【００５２】
さらに、両測温抵抗体１９，２０は、複数回折り返され、その両端部は、凹部１１の非形成部分であるシリコン基板１０の外周囲のうち、同一辺側に位置している。そして、係る両端部には端子電極２２，２３が形成され、外部装置と導通されるようになっている。なお、ヒータ配線１３の両側にそれぞれ上流側，下流側測温抵抗体１９，２０を設ける構成並びに各測温抵抗体１９，２０の構造等は、従来と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００５３】
ここで、本形態では、ヒータ配線１３の折り返し部分、つまり、第２配線パターン１３ｂの外側近傍にスリット２５を設け、絶縁膜１２，保護膜１４を上下に貫通させるようにした。このスリット２５は、帯状で第２配線パターン１３ｂと平行になるように形成している。
【００５４】
係る構成にすると、ヒータ配線１３を所定パターン形状にしたことから、温度分布が均一になるのは、上記した各形態の通りである。そして、本形態のように３線抵抗線流量センサの場合、その測定原理は図３に示したように有風時における気体の温度分布の偏りをヒータに対して上流と下流の測温抵抗体で測定することになる。したがって、ヒータ配線１３に通電することにより発生した熱が、絶縁膜１２，保護膜１４を介して測温抵抗体に伝わるのを抑制するほど、純粋に気体の流れに基づく温度変化を検出できるので精度良く流量・流速を測定することができる。
【００５５】
そして、折り返しの部分（第２配線パターン１３ｂ）は、上流側，下流側測温抵抗体１９，２０との距離が一番近いので、その間にスリット２５を設けることにより、熱絶縁性を高め、ヒータ配線１３により発生した熱が絶縁膜１２，保護膜１４を介して測温抵抗体に伝わるのを可及的に抑制する。よって、高精度な測定が可能となる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。なおまた、上記した形態では測温体に抵抗線を用いているが、これはサーモパイルやダイオードを用いることももちろんできる。
【００５６】
また、スリット２５を設ける図１４に示す形態においても、上記した図５，図６に示した形態の変形例である三角波状のヒータ配線１３′を用いたものにも適用できる。すなわち、図１６，図１７に示すように、図１４に示した形態におけるヒータ線１３に替えて、ヒータ配線１３′を設ける。そして、そのヒータ配線１３′の折り返し部分、つまり、接続された２本の配線パターン１３′ａの頂点の外側に、スリット２５を設け、上記頂点側から絶縁膜１２等を介して両測温抵抗体１９，２０側に熱伝達するのを抑制する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
さらには、図示省略するが、図１３に示す形態のヒータ配線１３″に対しても、この図１４に示した形態のように、第１配線パターン間にスリットを設けることができるのはもちろんである。
【００５８】
図１８は、さらに別の形態を示している。本形態では、上記した図１４に示した形態に、図１１に示した形態におけるヒータの特徴、つまり、第１配線パターン１３ａ間にスリット１７を設けた構成を組み合わせたものである。このようにすると、それぞれの形態の効果が相乗的に機能し、熱絶縁性を高め、高精度な測定を可能にするとともに、チップサイズも小型化できる。
【００５９】
なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。もちろん、図１９に示す変形例のように、三角波状の斜めヒータ配線１３′においても、図１８に示す形態と同様の特徴を適用することができる。
【００６０】
さらには、図示省略するが、図１３に示す形態のヒータ配線１３″に対しても、この図１８に示す形態のように、所定位置にスリットを設けることができるのはもちろんである。
【００６１】
図２０はヒータ配線のさらに別のパターンを示している。この例では、幅が細く発熱量の多い第１配線パターン２６ａと幅が太く発熱量が小さい第２配線パターン２６ｂを有し、それらを交互に直線状に接続する。そして流れ方向に対して直交方向に延びるようにしている。この場合、熱的には図２１（ａ）に示すように細い第１配線パターン２６ａが断続的に１列に並んだ形状となり、同図（ｂ）に示すようにパターン間隔等を適宜に設定すると、ヒータ配線全体の温度分布Ｌの直線性が得られる。そして、このヒータ配線も上記した各形態及び変形例のヒータ配線に変えて実現できる。
【００６２】
なお、上記した各形態並びに変形例では、いずれもシリコン等の半導体技術を用いたマイクロヒータ，流量センサに適用した例を示したが、本発明はこれに限ることはなく、半導体技術を用いないヒータ・流量センサにおいても同様な構成を採ることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る流量計用のヒータでは、ヒータ配線の形状を変えることにより従来に比べてヒータ配線の占有面積を増大させずに、ヒータの温度分布状態の直線性が良好になる（従来のように、温度分布が円弧状にならない）。よって、流量計に用いることで、測定精度を向上させることができる。さらに、スリットを設けることにより、ヒータ間の熱絶縁が良くなり、より良好な温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、従来例を示す平面図である。
（ｂ）は、図（ａ）におけるａ−ａ線矢視断面図である。
【図２】（ａ）は、３線抵抗線風速計（流量計）の従来例を示す平面図である。
（ｂ）は、図（ａ）におけるｂ−ｂ線矢視断面図である。
【図３】問題点を説明する図である。
【図４】３線抵抗線風速計の動作原理を説明する図である。
【図５】本発明の原理・作用を説明するための一形態を示す平面図である。
【図６】図５におけるｃ−ｃ線矢視断面図である。
【図７】本形態の要部を示す図である。
【図８】本実施の形態の動作原理を説明する図である。
【図９】本実施の形態の動作原理を説明する図である。
【図１０】本実施の形態の変形例の要部を示す図である。
【図１１】本発明の好適な一実施の形態の前提となる構成の一形態を示す平面図である。
【図１２】本発明の好適な一実施の形態を示す平面図である。
【図１３】他の形態の要部を示す図である。
【図１４】別の形態を示す平面図である。
【図１５】図１４におけるｄ−ｄ線矢視断面図である。
【図１６】図１４に示す形態の変形例を示す平面図である。
【図１７】図１５におけるｅ−ｅ線矢視断面図である。
【図１８】さらに別の形態を示す平面図である。
【図１９】その変形例を示す平面図である。
【図２０】他の例を示す図である。
【図２１】図２０の動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１０シリコン基板
１１凹部
１２絶縁膜
１３，１３′，１３″ ヒータ配線
１３ａ第１配線パターン
１３ｂ第２配線パターン
１３′ａ配線パターン
１４保護膜
１５端子電極
１７スリット
１８スリット
１９上流側測温抵抗体
２０下流側測温抵抗体
２２，２３端子電極
２５スリット
２６ヒータ配線
２６ａ第１配線パターン
２６ｂ第２配線パターン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater for a flow meter .
[0002]
[Prior art]
As a flow meter using heat, there is a hot-wire anemometer. This hot-wire anemometer heats a very thin platinum wire by passing an electric current so that the fluid to be measured flows around the platinum wire. Then, when the fluid passes, the heat of the platinum wire is absorbed and the temperature is lowered. This rate of decrease increases as the flow rate (flow velocity) increases. Since the resistance value changes when the temperature changes, the change amount of the temperature and the flow rate (flow velocity) is detected from the change of the resistance value.
[0003]
As an example in which the above-described hot-wire anemometer is applied using a semiconductor technology such as silicon, as shown in FIG. 1, an insulating film 2 is formed on a semiconductor substrate 1 having a recess 1a, and a heater is formed thereon. There is a wiring pattern 3 made of platinum or nickel, and a protective film 4 is formed on the wiring pattern 3. This is specifically disclosed, for example, in JP-A-62-2438.
[0004]
Another type of flow meter that is currently popular as a flow meter using heat is a three-wire resistance anemometer. This is a structure in which a temperature sensing resistor for heat sensing is installed on both sides of the heater (upstream and downstream with respect to the flow).
[0005]
When the flow velocity sensor having such a configuration is placed in a gas flow with a current flowing through the heater and heated, the space above the heater is heated and warmed. As the warmed air moves along the gas flow, the temperature rises. Since the electrical resistance value also changes in accordance with the change in temperature of the pair of resistance temperature detectors, the flow rate and / or direction of air is measured from the change.
[0006]
There is an example in which this three-wire resistance anemometer is also applied using semiconductor technology such as silicon. That is, an insulating film 6 is formed through a recess 5a that is thermally insulated from a semiconductor substrate 5 as shown in FIG. 2, for example, as in a flow rate sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-142268. A heater 7 is provided at the center of the surface on the insulating film 6, and a temperature sensing resistor (upstream side and downstream side) 8 for heat sensing is provided on both sides of the heater 7. Further, a protective film 9 is formed on the upper surface of the substrate to protect the heater 7 and the resistance temperature detector 8. The measurement principle is the same as described above.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional hot-wire anemometer (flow meter) described above has a problem that the temperature distribution around the heater is not uniform. That is, in a hot-wire anemometer as shown in FIG. 1, for example, as shown in FIG. 3, an arc-shaped temperature distribution centering on the central portion of the heater wiring pattern 3 is generally generated.
[0008]
This phenomenon can be explained using Fourier's law. That is, according to Fourier's law, the heat transfer amount per unit area is expressed by the following equation.
q = -λ ・ α
λ: Thermal conductivity α: The sign of − on the right side of the temperature gradient is because heat is transmitted in the opposite direction to the temperature gradient. According to the above equation, the end portion of the wiring pattern (heater) 3 has the same temperature outside as the ambient temperature, so the temperature gradient increases and the amount of heat transfer increases. On the other hand, since the end portion has a certain amount of heat in the central portion, the temperature gradient becomes small and the heat does not easily escape, so such a distribution occurs. As a result of the temperature distribution as shown in FIG. 3, the thermal exchange with the gas or liquid that is the object to be measured becomes non-uniform, resulting in a measurement error.
[0009]
In contrast to the above-mentioned hot-wire anemometer, the 3-wire resistance anemometer observes changes in the temperature distribution of heat generated from the heater when there is wind and when there is no wind as shown in FIG. Distribution is a problem.
[0010]
For example, even in a three-wire resistance anemometer as shown in FIG. 2, a temperature distribution similar to that shown in FIG.
[0011]
In order to solve such a problem (temperature distribution of the heater wiring has an arc shape), conventionally, for example, as shown in JP-A-3-248817, a metal film is disposed on the heater wiring via an insulating film, As shown in No. 8-30709, there is one in which the lengthwise end of the heater wiring is enlarged.
[0012]
However, in the former case, a new problem arises in that a metal film must be separately deposited and the number of steps increases. In the latter case, the area occupied by the heater wiring on the sensor chip increases, and a new problem arises that there is a limit to downsizing the sensor chip.
[0013]
The present invention has been made in view of the above-described background. The object of the present invention is to solve the above-described problem and to change the shape of the heater wiring without increasing the occupied area of the heater wiring as compared with the prior art. Another object is to provide a heater for a flow meter in which the linearity of the temperature distribution state of the heater is good.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a heater for a flow meter according to the present invention includes a heater wiring and a substrate that supports the heater wiring, and a flow rate that allows a space to exist around the heater wiring. In the measuring heater, the heater wiring is connected so that a wiring pattern having the same length extending in the inclination direction with respect to the heater wiring arrangement direction is folded a predetermined number of times, and a line segment formed by the adjacent wiring pattern is fluidized. The heater wiring is formed in a direction that crosses the fluid flow perpendicularly so as to form peaks and valleys at equal angles with respect to the flow direction, and the adjacent wirings Triangular slits were provided in a triangular region sandwiched between patterns.
[0015]
Based on each wiring pattern extending in an oblique direction, an arc-shaped isothermal curve has a temperature distribution around it. Therefore, by adjusting the inclination angle, length, etc., by superimposing the temperature distribution of each wiring pattern, the boundary of the temperature distribution of the entire heater wiring becomes almost parallel along the wiring pattern arrangement direction, The linearity of the temperature distribution is good. Furthermore, since a triangular slit (corresponding to “slit 18” in the embodiment) is provided in a triangular region sandwiched between adjacent wiring patterns constituting the heater wiring, thermal insulation between the wiring patterns is improved, A better temperature distribution can be obtained.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
5 and 6 show an embodiment for explaining the principle and operation of the present invention. In this embodiment , a recess 11 is formed on the upper surface of a rectangular silicon substrate 10, and an insulating film 12 is formed on the upper surface of the silicon substrate 10 so as to cover the recess 11. The heater wiring 13 is patterned on the surface of the insulating film 12 (region facing the recess 11). Further, the surface of the insulating film 12 is covered with a protective film 14 so as to cover the heater wiring 13.
[0028]
That is, since the recess 11 is provided, the insulating film 12 is bonded to the outer periphery of the silicon substrate 10 at the four sides around the insulating film 12 and is in a tensioned state. And since the part in which the heater wiring 13 was formed opposes the recessed part 11, it is separated from the surface of the silicon substrate 10, and is thermally insulated.
[0029]
Further, the protective film 14 can actually be manufactured from the same material as the insulating film, and for example, a SiO2 film or the like can be used. Since the SiO2 film has a low thermal conductivity, heat conduction through the insulating film 12 and the protective film 14 is also suppressed. Therefore, it acts synergistically with the effect of thermal insulation by the recess 11.
[0030]
Further, the portions of the protective film 14 corresponding to both ends of the heater wiring 13 are removed, and the terminal electrode 15 is provided. The terminal electrode 15 is electrically connected to the heater wiring 13 on the back side thereof, whereby the heater wiring 13 is connected to an external device via the terminal electrode 15. Such a basic configuration is the same as that of a conventional micro heater (flow sensor).
[0031]
Here, in this embodiment , both ends of the heater wiring 13 are provided on a pair of opposite sides of the silicon substrate 10 facing each other with the concave portion 11 interposed therebetween, so that the heater wiring 13 crosses the concave portion 11. The arrangement direction of the heater wiring 13 is orthogonal to the flow direction of the gas to be measured.
[0032]
Further, the heater wiring 13 is folded back multiple times. That is, as shown in FIG. 7, the first wiring pattern 13a parallel to the fluid flow direction (arrow direction: X direction) and the ends of the first wiring pattern 13a are connected to each other and perpendicular to the fluid flow direction. A second wiring pattern 13b extending in a random direction (Y direction). The first wiring pattern 13a is narrowed to increase the resistance value, and the second wiring pattern 13b is widened to decrease the resistance value.
[0033]
With such a configuration, the thin portion (first wiring pattern 13a) has a high resistance value and thus generates heat, and the thick portion (second wiring pattern 13b) has a low resistance value and does not generate much heat. That is, since the portion perpendicular to the fluid flow does not generate much heat, it can be considered that there is substantially no heater wiring. Moreover, since the part parallel to the fluid flow generates heat well, it can be said that the heater wiring exists in the part.
[0034]
Therefore, when attention is paid to the heater wiring 13 in terms of heat (substantial function), as shown in FIG. 8, only the first wiring pattern 13a functions and a plurality of heater wirings are parallel to the flow. It can be regarded as a structure provided with (first wiring pattern 13a).
[0035]
Since the insulating film 12 and the protective film 14 existing between the adjacent first wiring patterns 13a are generally composed of a SiO2 film having a low thermal conductivity, each heater (first wiring pattern 13a) is respectively It can be said that the direction perpendicular to the flow direction is thermally insulated to some extent. Therefore, by appropriately adjusting the distance between the first wiring patterns 13a (the length of the second wiring pattern 13b) in consideration of the heat generation temperature in the first wiring pattern 13a and the thermal insulation properties of the insulating film 12 and the like, It is possible to make all temperature distributions in the vertical direction equal to the flow based on each first wiring pattern 13a.
[0036]
As a result, the temperature distribution based on each first wiring pattern 13a is superimposed on the entire heater wiring, resulting in a temperature distribution as shown in FIG. That is, the boundary L of the temperature distribution of the entire heater wiring formed by superimposing the temperature distribution (isothermal curve) L1 based on each first wiring pattern 13a is substantially parallel along the Y direction (arrangement direction), The linearity of the temperature distribution is good.
[0037]
And with respect to the temperature distribution as shown in FIG. 3, in this embodiment, the linearity of the flow in the vertical direction is greatly improved, and the measurement accuracy is improved. That is, the isothermal curve is substantially straight / parallel in the vertical direction.
[0038]
Further, the pattern shape of the heater wiring 13 is not limited to the above-described one. For example, as shown in FIG. 10, the heater wiring is arranged perpendicularly to the arrangement direction of the heater wiring, that is, the flow of the fluid to be measured (direction indicated by the arrow). A plurality of wiring patterns 13'a inclined at an angle with respect to the direction may be continued to form a heater wiring 13 'having a triangular wave shape as a whole.
[0039]
In this case, as in the present embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the temperature in the direction orthogonal to the flow of the heater as a whole (heater wiring arrangement direction) with the temperature distribution based on each wiring pattern 13 ′ superimposed. The length, angle, and insulation in the heater are appropriately set so that the linearity of the distribution is good.
[0040]
The shape state and the modifications described above, by placing the fluid in a state in which heat is generated by energizing the heater wire 13, 13 ', from a change in the temperature (resistance value), the fluid flow rate and flow velocity Can be used as a flow meter such as a flow sensor.
[0041]
FIG. 11 shows one form of a configuration that is a premise of a preferred embodiment of the present invention . This shape state is 5 described above, the base and the form shown in FIG. 6, the insulating film 12 which exists between the first wiring patterns 13a constituting the heater wire 13, the portion of the protective film 14, provided with a slit 17 Yes. As a result, the thermal insulation between the adjacent first wiring patterns 13a, that is, in the direction orthogonal to the direction of fluid flow is improved.
[0042]
As described in the operation and effect of the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the distance between the first wiring patterns 13a is determined by the thermal greenness of the material between the first wiring patterns and the heater heat generation temperature. That is, when a material having a high heater heat generation temperature or a thermal insulation that is not so large is used, the distance between the first wiring patterns must be considerably increased, resulting in an increase in chip size. End up.
[0043]
On the other hand, in this embodiment , the thermal insulation can be improved by providing the slits 17 in the insulating film 12 and the protective film 14. Therefore, the distance between the first wiring patterns 13a can also be shortened to reduce the chip size. Since other configurations and operational effects are the same as those of the embodiment shown in FIGS. 5 and 6 , the same reference numerals are assigned to corresponding members, and detailed description thereof is omitted.
[0044]
FIG. 12 shows a preferred embodiment of the present invention. The present embodiment is applied to a configuration using the triangular-wave heater wiring 13 ', which is a modification of the configuration shown in FIGS. There is . That is, by providing the slit 18 having a triangular plane in the region sandwiched between the two wiring patterns 13′a connected as shown in FIG. 12, the thermal insulation can be enhanced. In addition, since another structure and an effect are the same as that of each above-mentioned form and modification, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding member and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0045]
Figure 13 shows a heater wire 13 "is a main part of another embodiment. As shown in the figure, in each form state and modifications described above, those heater wires 13 and 13 'was the series Are connected in parallel.
[0046]
That is, a plurality of first wiring patterns 13a that are parallel and wide with the fluid flow are arranged in parallel, and both ends of each first wiring pattern 13a are connected to each other so as to be perpendicular to the fluid flow and narrow in width. The two second wiring patterns 13b are connected.
[0047]
Incidentally, although not shown, in the same manner as the embodiments described above, the heater wire 13 "according to the pattern formed on the formed insulating film on a silicon substrate, so that an overlying with a protective film .
[0048]
In such a configuration, even if one or more portions of the heater wiring 13 ″ are disconnected, in many cases, a current can flow between the terminal electrodes 15 and 15 and the function as a heater is not lost, so the reliability is improved. In addition, since the other structure and effect are the same as each above-mentioned form and modification, the detailed description is abbreviate | omitted.
[0049]
14 and 15 show another embodiment. In the present embodiment, differs from the respective embodiments described above, an example of using the heater of the present invention to 3-wire resistance wire flow sensor.
[0050]
As shown in the figure, first, the configuration of the flow sensor will be described. A recess 11 is provided on the upper surface of the silicon substrate 10, and an insulating film 12 is formed on the upper surface of the silicon substrate 10 so as to cover the recess 11. Then, the heater wiring 13 is formed by patterning so as to cross the central portion of the region of the surface of the insulating film 12 facing the recess 11. This point is the same as the embodiment shown in FIGS. That is, the pattern shape includes a first wiring pattern 13a having a narrow width extending in a direction parallel to the flow and a thick second wiring pattern 13b having a width orthogonal to the first wiring pattern 13a.
[0051]
Then, with the heater wiring 13 as the center, an upstream temperature measuring resistor 19 and a downstream temperature measuring resistor 20 are respectively arranged on the upstream side and the downstream side in the fluid flow direction. Both of these resistance temperature detectors 19 and 20 are also arranged above the recess 11.
[0052]
Further, both the resistance temperature detectors 19 and 20 are folded back multiple times, and both end portions thereof are located on the same side of the outer periphery of the silicon substrate 10 which is a portion where the recess 11 is not formed. Terminal electrodes 22 and 23 are formed at both ends so as to be electrically connected to an external device. Note that the configuration in which the upstream and downstream resistance thermometers 19 and 20 are provided on both sides of the heater wiring 13 and the structure of each of the resistance thermometers 19 and 20 are the same as those in the prior art, and detailed description thereof is omitted. To do.
[0053]
Here, in the present embodiment , the slit 25 is provided in the folded portion of the heater wiring 13, that is, in the vicinity of the outside of the second wiring pattern 13 b, and the insulating film 12 and the protective film 14 are vertically penetrated. The slit 25 is formed in a strip shape so as to be parallel to the second wiring pattern 13b.
[0054]
With the configuration according, since it has a heater wire 13 in a predetermined pattern shape, the temperature distribution is uniform is as the embodiments described above. And, in the case of a three-wire resistance wire flow sensor as in this embodiment, the measurement principle is as shown in FIG. Will be measured. Therefore, the temperature change based on the flow of gas can be detected so purely that the heat generated by energizing the heater wiring 13 is prevented from being transmitted to the resistance temperature detector via the insulating film 12 and the protective film 14. The flow rate and flow velocity can be measured with high accuracy.
[0055]
The folded portion (second wiring pattern 13b) has the shortest distance from the upstream and downstream resistance thermometers 19 and 20, so by providing a slit 25 therebetween, the thermal insulation is improved. It is possible to suppress as much as possible that the heat generated by the heater wiring 13 is transmitted to the resistance temperature detector via the insulating film 12 and the protective film 14. Therefore, highly accurate measurement is possible. In addition, since another structure and an effect are the same as each above-mentioned form , the detailed description is abbreviate | omitted. Note also, in the form state mentioned above are used resistance wire to temperature sensing element, but this may of course be used thermopile or a diode.
[0056]
Further, the embodiment shown in FIG. 14 in which the slit 25 is provided can also be applied to a configuration using the triangular-wave heater wiring 13 'which is a modification of the embodiment shown in FIGS. That is, as shown in FIGS. 16 and 17, a heater wiring 13 ′ is provided in place of the heater wire 13 in the embodiment shown in FIG . Then, a slit 25 is provided on the folded portion of the heater wiring 13 ', that is, outside the apex of the two connected wiring patterns 13'a, and both resistance thermometers are connected from the apex side through the insulating film 12 and the like. Heat transfer to the body 19, 20 side is suppressed. Other configurations and operational effects are the same as the corresponding model states and modifications described above, the same reference numerals are applied to corresponding members, and detailed description thereof is omitted.
[0057]
Furthermore, although not shown, with respect to the heater wire 13 "in the embodiment shown in FIG. 13, as in the embodiment shown in FIG. 14, can be provided with a slit between the first wiring pattern is of course is there.
[0058]
FIG. 18 shows still another form. In this embodiment, the embodiment shown in FIG. 14 described above, the heater of the features in the embodiment shown in FIG. 11, i.e., is a combination of the structure in which a slit 17 between the first wiring patterns 13a. In this way, the effect of each shape state synergistically function to enhance the thermal insulating properties, while allowing a highly accurate measurement, the chip size can be miniaturized.
[0059]
In addition, since another structure and an effect are the same as that of each above-mentioned form and modification, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding member and the detailed description is abbreviate | omitted. Of course, as in the modification shown in FIG. 19, the same characteristics as those of the embodiment shown in FIG. 18 can be applied to the triangular-wave-like oblique heater wiring 13 ′.
[0060]
Further, although not shown, it is needless to say that a slit can be provided at a predetermined position for the heater wiring 13 ″ shown in FIG . 13 as in the embodiment shown in FIG.
[0061]
FIG. 20 shows still another pattern of the heater wiring. In this example, the first wiring pattern 26a has a narrow width and a large amount of heat generation, and the second wiring pattern 26b has a large width and a small amount of heat generation, and they are alternately connected in a straight line. And it is made to extend in the orthogonal direction with respect to the flow direction. In this case, thermally, the thin first wiring patterns 26a are intermittently arranged in a line as shown in FIG. 21A, and the pattern interval and the like are appropriately set as shown in FIG. 21B. Then, linearity of the temperature distribution L of the entire heater wiring is obtained. This heater wiring can also be realized by replacing the heater wiring in the above-described embodiments and modifications.
[0062]
In each form state and the modifications described above, both the micro heater using a semiconductor technology such as silicon, an example of application to flow rate sensor, the present invention is not limited to this, use of semiconductor technology A similar configuration can be adopted for a heater / flow rate sensor that is not provided.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, in the heater for the flow meter according to the present invention, the linearity of the temperature distribution state of the heater is improved without increasing the occupied area of the heater wiring by changing the shape of the heater wiring compared to the conventional one. (The temperature distribution does not become an arc shape as in the past). Therefore, measurement accuracy can be improved by using it for a flow meter . Furthermore, by providing the slit, the thermal insulation between the heaters is improved, and a better temperature distribution can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view showing a conventional example.
(B) is a sectional view taken along the line aa in FIG.
FIG. 2A is a plan view showing a conventional example of a three-wire resistance wire anemometer (flow meter).
(B) is a sectional view taken along line bb in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a problem.
FIG. 4 is a diagram for explaining the operating principle of a 3-wire resistance wire anemometer.
FIG. 5 is a plan view showing an embodiment for explaining the principle and operation of the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along the line cc in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a main part of the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining an operation principle of the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram for explaining an operation principle of the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a main part of a modification of the present embodiment.
FIG. 11 is a plan view showing one form of a configuration that is a premise of a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a plan view showing a preferred embodiment of the present invention .
FIG. 13 is a diagram showing a main part of another embodiment.
FIG. 14 is a plan view showing another embodiment.
15 is a cross-sectional view taken along line dd in FIG.
16 is a plan view showing a modification of the embodiment shown in FIG. 14.
17 is a cross-sectional view taken along line ee in FIG.
FIG. 18 is a plan view showing still another embodiment.
FIG. 19 is a plan view showing a modified example thereof .
FIG. 20 is a diagram illustrating another example.
FIG. 21 is a diagram showing the operation principle of FIG.
[Explanation of symbols]
10 Silicon substrate 11 Recess 12 Insulating film 13, 13 ', 13 "Heater wiring 13a First wiring pattern 13b Second wiring pattern 13'a Wiring pattern 14 Protective film 15 Terminal electrode 17 Slit 18 Slit 19 Upstream temperature measuring resistor 20 Downstream temperature measuring resistor 22, 23 Terminal electrode 25 Slit 26 Heater wiring 26a First wiring pattern 26b Second wiring pattern

Claims

In a heater for a flow meter comprising a heater wiring and a substrate that supports the heater wiring, and a space around the heater wiring,
The heater wiring is connected so that a wiring pattern having the same length extending in a direction inclined with respect to the arrangement direction of the heater wiring is folded a predetermined number of times, and a line segment formed by the adjacent wiring pattern is connected to the fluid flow direction. Formed in a continuous triangle shape to form peaks and valleys at equal angles,
The arrangement direction of the heater wiring is formed in a direction perpendicularly crossing the flow of the fluid,
A heater for a flow meter, wherein a triangular slit is provided in a triangular region sandwiched between the adjacent wiring patterns .