JP7112373B2 - フローセンサチップ - Google Patents

Description

本発明は、フローセンサチップに関する。

第１面側に開口した空洞を有する基板の第１面上に、２つの測温センサとそれらの間に配置されたヒータとを備えた薄膜状部を設けたセンサチップ（以下、フローセンサチップと表記する）が知られている。

フローセンサチップとしては、具体的な構成が異なる様々なものが開発・提案されている（特許文献１～３参照）が、既存のフローセンサチップは、ヒータ（ヒータパターン）を単一材料で形成したものとなっている。

欧州特許出願公開３４０４３７３号明細書 特開２０１２－１２７９６５号公報 特開平８－１２２１１８号公報

上記したように、既存のフローセンサチップは、ヒータを単一材料で形成したものとなっている。そのため、既存のフローセンサチップには、ヒータへの通電時に電力が無駄に消費されるという問題があった。

以下、図１に示してある構成のフローセンサチップ、すなわち、ヒータ１４として、直線状の導体パターンが使用されているフローセンサチップを例に、上記問題が発生する理由を説明する。

このフローセンサチップ（図１）のヒータ１４に電流を流せば、ヒータ１４の各部で同量の熱が発生する、ただし、ヒータが単一材料で形成されている熱式フローセンサチップでは、図１に示してあるように、ヒータ１４の中央部分が、基板の空洞１１ｃ上に位置し、ヒータ１４の各端部４０が、基板上（基板の空洞１１ｃではない部分上）に位置することになる。そして、基板上に位置している各端部４０で発生した熱は基板側に逃げてしまうため、ヒータ１４に電流を流しても、各端部４０の温度は、中央部分の温度よりも低くなる。また、その影響で、各端部４０よりもヒータの中央よりの部分４１の温度も低下してしまうため、このフローセンサチップでは、ヒータ１４の中央部分以外の部分（端部４０及び部分４１）が、温度が所望温度まで上昇しないにも拘わらず電力を消費する部分（つまり、電力を無駄に消費する部分）となっている。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータへの通電時に電力が無駄に消費されるのを防止できるフローセンサチップを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一観点に係る、第１面側に開口した空洞を有する基板部と前記基板部の前記第１面上に設けられた薄膜状部とを含むフローセンサチップの薄膜状部は、
それぞれ、第１方向に並んだ複数の温接点を有する２つのサーモパイルであって、前記
複数の温接点が対向するように配置された２つのサーモパイルと、
前記２つのサーモパイルの間に配置された、前記第１方向に延びたヒータ部と、
前記ヒータ部の一端に接続された、前記ヒータ部の構成材料の電気伝導率であるヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第１リード部と、
前記ヒータ部の他端に接続された、前記ヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第２リード部と、
前記第１リード部の前記ヒータ部とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部を介して接続された第１電極パッドと、
前記第２リード部の前記ヒータ部とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部を介して接続された第２電極パッドと、
を備える。

すなわち、本発明の上記観点に係るフローセンサチップでは、ヒータの端部側（第１リード部、第２リード部）が、ヒータの主要部であるヒータ部の構成材料よりも電気伝導率が高い材料で構成される。従って、このフローセンサチップによれば、ヒータへの通電時に電力が無駄に消費されるのを防止することができる。

ヒータ部、第１リード部、第２リード部の各構成材料は、電気伝導率に関する上記条件を満たすものであれば良い。ただし、フローセンサチップの製造工程数を増やさないために、ヒータ部、第１リード部、第２リード部のいずれかを、２つのサーモパイルを構成する複数の材料の中のいずれかにより構成しておくことが好ましく、ヒータ部、第１リード部、第２リード部のそれぞれが、２つのサーモパイルを構成する複数の材料の中から選択された材料により構成しておくことが望ましい。

第１リード部、第２リード部のそれぞれとして、第１方向（温接点の並び方向であると共にヒータ部の延び方向である方向）に延びた形状のものを採用する場合には、第１方向へ熱が逃げ難くするために、前記薄膜状部の、上面視において前記空洞上の領域内に、前記第１リード部を挟む２つの貫通孔と、前記第２リード部を挟む２つの貫通孔とを設けておいても良い。

また、第１方向へ熱が逃げ難くするために、前記薄膜状部の、上面視において前記空洞上の領域内の、前記２つのサーモパイルの前記第１方向の両端よりも外側の２部分のそれぞれに、前記ヒータ部を前記第１方向に延長した仮想線分と交差する貫通孔を設け、前記第１リード部、前記第２リード部のそれぞれの形状を、前記貫通孔を迂回する形状しておいても良い。なお、この構成を採用する場合、リード部により各サーモパイル側へ伝達される熱量を同量とするために、各リード部の形状を、前記貫通孔を囲む形状としておいても良い。

本発明によれば、ヒータへの通電時に電力が無駄に消費されるのを防止できるフローセンサチップを提供することができる。

図１は、従来の熱式フローセンサチップの構成を説明するための平面図である。 図２は、第１実施形態に係るフローセンサチップの平面図である。 図３は、第１実施形態に係るフローセンサチップの、図２におけるＡ－Ｏ－Ａ断面図である。 図４は、フローセンサチップ内のサーモパイルの概略構成の説明図である。 図５Ａは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その１）である。 図５Ｂは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その２）である。 図５Ｃは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その３）である。 図５Ｄは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その４）である。 図５Ｅは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その５）である。 図５Ｆは、フローセンサチップの製造工程例を説明するための断面図（その６）である。 図６は、端部の幅を広げたヒータを備えたフローセンサチップの平面である。 図７は、第２実施形態に係るフローセンサチップの平面図である。 図８Ａは、各実施形態に係るフローセンサチップに採用可能なサーモパイルの概略構成の説明図である。 図８Ｂは、各実施形態に係るフローセンサチップに採用可能なサーモパイルの概略構成の説明図である。 図９は、各実施形態に係るフローセンサチップに採用可能なヒータ部の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

《第１実施形態》
図２に、本発明の第１実施形態に係る熱式フローセンサチップ１の平面図を示し、図３に、フローセンサチップ１の、図２におけるＡ－Ｏ－Ａ断面図を示す。なお、図３では、温度センサ１９（図２）が設けられている部分の図示を省略してある。また、以下では、図２における左右方向のことを、第１方向と表記する。

図３に示してあるように、本実施形態に係るフローセンサチップ１は、第１面（図３における上側の面）側に開口した空洞１０ｃを有する基板部１０の第１面上に、薄膜状部１１を設けたセンサ（センサチップ）である。

図２に示してあるように、薄膜状部１１は、２つのサーモパイル１３を備えている。
サーモパイル１３は、複数のサーモカップル１２を直列接続した温度差センサである。薄膜状部１１内の各サーモパイル１３は、複数のサーモカップル１２の温接点１２ｈが、第１方向（図２における左右方向）に並ぶように形成されている。また、各サーモパイル１３は、複数の冷接点１２ｃが、空洞１０ｃではない基板部１０上に位置し、且つ、各サーモパイル１３の複数の温接点１２ｈが対向するように、形成されている。

なお、本実施形態に係るフローセンサチップ１の各サーモパイル１３は、複数のサーモカップル１２を、図４に示したように接続したものである。また、各サーモパイル１３は、各サーモカップル１２の第１極１２_１、第２極１２_２の構成材料として、それぞれ、Ｎ型ポリシリコン（Ｐを注入したポリシリコン）、Ａｌ（アルミニウム）を採用したものとなっている。

薄膜状部１１（図２）は、温度センサ１９、２つのサーモパイル１３間に配置された、
第１方向に延びたヒータ部１５、ヒータ部１５の一端に接続されたリード部１６_１、及び、ヒータ部１５の他端に接続されたリード部１６_２も備えている。

各リード部１６（１６_１、１６_２）は、ヒータ部１５の構成材料の電気伝導率（以下、ヒータ伝導率と表記する）よりも高い電気伝導率を有する材料（詳細は後述）で構成された導電路である。温度センサ１９は、各サーモパイル１３の冷接点１２ｃの温度として使用される基準温度を測定するための抵抗温度センサである。

薄膜状部１１は、ヒータ部１５への通電時に、それらの間に電圧が印加される２つの電極パッド１７_１及び１７_２も備えている。図３に示してあるように、電極パッド１７_１は、リード部１６_１の、ヒータ部１５とは接続されていない側の端に、ヒータ伝導率（ヒータ部１５の構成材料の電気伝導率）以上の電気伝導率を有する材料からなる導電部１８を介して接続されている。同様に、電極パッド１７_２も、リード部１６_２の、ヒータ部１５とは接続されていない側の端に、ヒータ伝導率（ヒータ部１５の構成材料の電気伝導率）以上の電気伝導率を有する材料からなる導電部を介して接続されている。以下、電極パッド１７_１、１７_２間に設けられている、ヒータ部１５等の直列接続体のことを、ヒータと表記する。

薄膜状部１１の空洞１０ｃ上の領域内の、２つのサーモパイル１３の図１における右方向の端よりも外側の領域には、リード部１６_１を挟むように、２つの貫通孔２０が、設けられている。薄膜状部１１の空洞１０ｃ上の領域内の、２つのサーモパイル１３の図１における左方向の端よりも外側の領域にも、リード部１６_２を挟むように、２つの貫通孔２０が、設けられている。これらの貫通孔２０は、フローセンサチップ１の製造時には、エッチング液の基板部１０側の導入口として機能し、フローセンサチップ１の使用時には、ヒータ部１５からの熱の流出量を低減するための構成として機能するものである。

そして、本実施形態に係るフローセンサチップ１は、ヒータ部１５を、サーモパイル１３（サーモカップル１２）の一方の構成材料であるＮ型ポリシリコンで形成し、各リード部１６を、サーモパイル１３の他方の構成材料であるＡｌで形成したものとなっている。

Ａｌの比抵抗（電気伝導率の逆数）は、Ｎ型ポリシリコンの比抵抗の数百分の一程度である。従って、フローセンサチップ１の各リード部１６における消費電力は、構成材料がＮ型ポリシリコンである場合における消費電力の数百分の一程度となる。ただし、Ａｌの熱伝導率は、Ｎ型ポリシリコンの熱伝導率の１０倍程度である。そのため、フローセンサチップ１の各リード部１６の断面形状を、ヒータ全体がＮ型ポリシリコンで形成されているフローセンサチップ（以下、従来構成センサと表記する）と同形状のものとしておくと、各リード部１６における電力消費量は従来構成センサよりも少なくなるものの、ヒータ部１５で発生する熱が従来構成センサよりも外部に逃げ易くなってしまう。そのような問題が発生しないようにするために、熱式フローセンサチップ１の設計時には、各リード部１６の形状（主として、幅）が、通電によりヒータ部１５が加熱している場合における伝熱量が所望量以下となるように決定されている。

各リード部１６の形状をそのように決定しておいても、Ａｌの電気伝導率が高いため、各リード部１６の抵抗は、Ｎ型ポリシリコン製のリード部の抵抗よりも低くなる。従って、上記した、フローセンサチップ１の構成を採用しておけば、ヒータ（電極パッド１７_１、１７_２間に設けられている、ヒータ部１５等の直列接続体）への通電時に電力が無駄に消費されないセンサを得ることができる。

また、フローセンサチップ１の構成を採用しておけば、第１極１２_１の形成時に、ヒータ部１５を形成し、第２極１２_２の形成時に、各リード部１６を形成することができる。
従って、フローセンサチップ１は、従来構成センサと同じ工程数で製造することができることになる。

以下、図５Ａ～図５Ｆを用いて、従来構成センサと同じ工程数で製造できる、フローセンサチップ１の製造工程例を説明する。なお、図５Ａ～図５Ｆは、図３と同様のＡ－Ｏ－Ａ断面図である。

フローセンサチップ１の製造時には、まず、基板部１０となる単結晶シリコン基板（以下、基板１０とも表記する）の第１面にＳｉＯ_２膜２１が形成される。次いで、ＳｉＯ_２膜２１から、空洞１０ｃの開口となる部分が除去される（図５Ａ）。その後、基板１０上に、ポリシリコンにより、空洞１０ｃの開口と同じ上面視形状を有する犠牲層２２が形成される（図５Ｂ）。

次いで、犠牲層２２が覆われるようにＳｉＯ_２が堆積される。その後、犠牲層２２を覆う厚さとなったＳｉＯ_２膜２１上に、ＳｉＮ膜２３、ＳｉＯ_２膜２４、Ｎ型ポリシリコン膜がこの順に形成される。なお、Ｎ型ポリシリコン膜を形成するとは、ポリシリコン膜を形成してから,ポリシリコン膜にＰイオンを注入するということである。

そして、Ｎ型ポリシリコン膜のパターニングにより、各サーモカップル１２の第１極１２_１、ヒータ部１５及び導電部１８が形成される（図５Ｃ）。

ヒータ部１５等の形成後には、絶縁膜（ＳｉＯ_２膜）２５が形成されてから、絶縁膜２５の各所に接点開口部が形成される。次いで、Ａｌにより、各サーモカップル１２の第２極１２_２、導電部１８が形成される（図５Ｄ）。

第２極１２_２等の形成後には、ＳｉＯ_２膜２６、ＳｉＮ膜２７が形成される。また、Ａｕ等により、電極パッド１７_１を含む全電極パッドが形成される。そして、貫通孔２０が形成されてから、ＴＭＡＨ(Tetramethylammonium hydroxide)等のエッチング液により、
犠牲層２２及び基板１０の一部を除去することで空洞１０ｃが形成される（図５Ｆ）。

以上、説明したように、本実施形態に係るフローセンサチップ１は、ヒータの各端部側（リード部１６_１及び１６_２）が、ヒータの主要部であるヒータ部１５の構成材料よりも電気伝導率が高い材料により形成されている。従って、フローセンサチップ１によれば、ヒータへの通電時に電力が無駄に消費されるのを防止することができる。

なお、図６に示したような形状を有するヒータ１４、すなわち、幅を広くすることで低抵抗化した端部１４ｅを有するヒータ１４を用いても、ヒータ１４の通電時に電力が無駄に消費されるのを防止することができる。ただし、高性能のフローセンサチップ１を得るためには、サーモパイル１３やエッチングホールとしての貫通孔２０の配置に制限があることが分かっているため、端部１４ｅの幅を大きく広げることは困難である。また、図６の構成を採用した場合、端部１４ｅの熱伝導性が高くなってしまうため、熱の各電極パッド１７側への流出量が増えるという問題が生じてしまうことになる。

一方、上記したフローセンサチップ１の構成を採用しておけば、ヒータの端部（１６_１及び１６_２）の幅を広げる必要がなく、且つ、ヒータの端部の熱伝導性が高くなることもない形で、リード部１６の抵抗を低くすることができる。また、ヒータの端部の膜厚を、ヒータ部１５の膜厚と異ならせることも可能となる。従って、フローセンサチップ１の構成を採用しておけば、上記問題が生じないセンサを得ることができる。

《第２実施形態》
図７に、本発明の第２実施形態に係るフローセンサチップ２の平面図を示す。
以下、フローセンサチップ２の構成を、フローセンサチップ１と異なる部分を中心に説明する。なお、以下の説明において、上、下、左、右とは、図８における上、下、左、右のことである。

フローセンサチップ２は、基本的には、フローセンサチップ１（図２参照）の４つの貫通孔２０の代わりに、２つの貫通孔２２を設けたものである。図示してあるように、各貫通孔２２は、薄膜状部１１の空洞１０ｃ上の領域内の、２つのサーモパイル１３の左右方向の各端よりも外側に設けられている。また、各貫通孔２２は、空洞１０ｃの上下の各境界近傍まで延びた形状を有している。

各貫通孔２２が、上記した形状（つまり、ヒータ部１５を第１方向に延長した仮想線分と交差する形状）を有しているため、フローセンサチップ２では、各電極パッド１７（１７_１、１７_２）とヒータ部１５とを直線状の導電路で接続することができない。そのため、フローセンサチップ２は、各リード部１６（１６_１、１６_２）として、貫通孔２２を上方向から迂回するパターンと貫通孔２２を下方向から迂回するパターンとからなるものが採用されている。

以上の説明から明らかなように、熱式フローセンサチップ２は、ヒータ部１５の熱が左右方向により逃げ難くなるように、フローセンサチップ１を改良したものとなっている。従って、熱式フローセンサチップ２の構成を採用しておけば、フローセンサチップ１よりも、ヒータ部１５の温度が下がり難いセンサとなっていると言うことができる。

《変形例》
上記したフローセンサチップ１、２は、各種の変形を行えるものである。例えば、フローセンサチップ１、２に、図８Ａに示した構成のサーモパイル１３、すなわち、隣接する２サーモカップル１２間をコンタクト２１及び導電性部材２２により接続したサーモパイル１３を採用しても良い。フローセンサチップ１、２に、図８Ｂに示した構成のサーモパイル１３、すなわち、第１極１２_１と第２極１２_２とが積層されていないサーモパイル１３を採用しても良い。

また、サーモパイル１３の一方又は双方の構成材料として、上記材料（ポリシリコン、Ａｌ）以外の材料、例えば、Ａｕ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｐ型ポリシリコン、を用いても良い。ただし、熱電性能や、半導体プロセスとの親和性の点からは、サーモパイル１３の構成材料は、ポリシリコンとＡｌであることが好ましい。

ヒータ部１５及び／又はリード部１６を、サーモパイル１３の構成材料以外の材料で形成しても良い。ヒータ部１５の形状は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示してあるように、三角波のような形状であっても、矩形波のような形状であっても良い。図１０（Ａ）、（Ｂ）に示してあるような形状の、小サイズのヒータ部１５を、薄膜状部１１の中央部に設けることにより、フローセンサチップ１、２の高性能化を図っても良い。

フローセンサチップ２（図７）のリード部１６を、貫通孔２２を上方向又は下方向から迂回するパターンのみとしておいても良い。ただし、リード部１６により各サーモパイル１３側へ伝達される熱量を同量とするという観点からは、各リード部１６の形状は、図８に示したようなものであることが好ましい。また、発熱を十分に抑え、また、サーモパイル１３やエッチングホール（貫通孔２２）の配置を妨げないために、 リード部１６の構
成材料は、ヒータ部１５の材料の１０倍以上の電気伝導率を有していることが好ましい。

基板部１０の空洞１０ｃが、基板部１０の双方の面に開口したものであっても良いこと
や、各リード部１６を電極パッド１７に直接接続しても良いことなどは、当然のことである。

《付記》
第１面側に開口した空洞（１０ｃ）を有する基板部（１０）と前記基板部（１０）の前記第１面上に設けられた薄膜状部（１１）とを含むフローセンサチップ（１；２）において、
前記薄膜状部（１１）は、
それぞれ、第１方向に並んだ複数の温接点（１２ｈ）を有する２つのサーモパイル（１３）であって、前記複数の温接点（１２ｈ）が対向するように配置された２つのサーモパイルと、
前記２つのサーモパイル（１３）の間に配置された、前記第１方向に延びたヒータ部（１５）と、
前記ヒータ部（１５）の一端に接続された、前記ヒータ部（１５）の構成材料の電気伝導率であるヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第１リード部（１６_１）と、
前記ヒータ部（１５）の他端に接続された、前記ヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第２リード部（１６_２）と、
前記第１リード部（１６_１）の前記ヒータ部（１５）とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部（１８）を介して接続された第１電極パッド（１７_１）と、
前記第２リード部（１６_２）の前記ヒータ部（１５）とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部を介して接続された第２電極パッド（１７_２）と、
を備える、
ことを特徴とする熱式フローセンサチップ（１；２）。

１、２ フローセンサチップ
１０ 基板部
１０ｃ 空洞
１１ 薄膜状部
１２ サーモカップル
１２ｃ 冷接点
１２ｈ 温接点
１２_１ 第１極
１２_２ 第２極
１３ サーモパイル
１５ ヒータ部
１６_１，１６_２ リード部
１７_１、１７_２，電極パッド
１８ 導電部
１９ 温度センサ
２０ 貫通孔

Claims (6)

1. 第１面側に開口した空洞を有する基板部と前記基板部の前記第１面上に設けられた薄膜状部とを含むフローセンサチップにおいて、
   前記薄膜状部は、
   それぞれ、第１方向に並んだ複数の温接点を有する２つのサーモパイルであって、前記複数の温接点が対向するように配置された２つのサーモパイルと、
   前記２つのサーモパイルの間に配置された、前記第１方向に延びたヒータ部と、
   前記ヒータ部の一端に接続された、前記ヒータ部の構成材料の電気伝導率であるヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第１リード部と、
   前記ヒータ部の他端に接続された、前記ヒータ伝導率よりも高い電気伝導率を有する材料で構成された第２リード部と、
   前記第１リード部の前記ヒータ部とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部を介して接続された第１電極パッドと、
   前記第２リード部の前記ヒータ部とは接続されていない側の端に、直接的に又は前記ヒータ伝導率以上の電気伝導率を有する材料で構成された接続部を介して接続された第２電極パッドと、
   を備える、
   ことを特徴とする熱式フローセンサチップ。
2. 前記ヒータ部、前記第１リード部、前記第２リード部のいずれかが、前記２つのサーモパイルを構成する複数の材料の中のいずれかにより構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサチップ。
3. 前記ヒータ部、前記第１リード部、前記第２リード部のそれぞれが、前記２つのサーモパイルを構成する複数の材料の中から選択された材料により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサチップ。
4. 前記第１リード部、前記第２リード部のそれぞれが、前記第１方向に延びており、
   前記薄膜状部の、上面視において前記空洞上の領域内に、前記第１リード部を挟む２つの貫通孔と、前記第２リード部を挟む２つの貫通孔とが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
5. 前記薄膜状部の、上面視において前記空洞上の領域内の、前記２つのサーモパイルの前記第１方向の両端よりも外側の２部分のそれぞれに、前記ヒータ部を前記第１方向に延長した仮想線分と交差する貫通孔が設けられており、
   前記第１リード部、前記第２リード部のそれぞれは、前記貫通孔を迂回する形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
6. 前記第１リード部、前記第２リード部のそれぞれは、前記貫通孔を囲む形状を有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のフローセンサチップ。

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