JP7258800B2 - サーモパイル型センサ - Google Patents

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Description

本発明は、サーモパイル型センサに関する。
従来、流体の流れる流路に配置されて流体を加熱するヒータと、ヒータに対して流路の上流側に配置された第１の感温素子(サーモパイル)、及び下流側に配置された第２の感温素子(サーモパイル)とを有する流量測定装置が提案されていた。
上記の流量測定装置において、サーモパイルは基板上に直列に形成された複数の熱電対を有し、一対あたりの熱電対は２種類の導体、または半導体から形成される。そして熱電対における一方の素材は例えばポリシリコン(PolySi)が例示され、もう一方の素材は例えばアルミニウムのような金属が例示される（例えば、特許文献１）。
また、サーモパイルを構成する熱電対において、ヒータと同じ側に位置する温接点、及び反対側に位置する冷接点を連結し、それらの温度差に応じて起電力を生じさせる仕組みを持ち、p型またはn型のポリシリコン(PolySi)にアルミニウム配線を重ねた構造を有する新規のサーモパイル型のIRセンサも提案されている（例えば、非特許文献１）。
特許第５１１２７２８号公報
Zhou, Huchuan, et al. "Development of a thermopile infrared sensor using stacked double polycrystalline silicon layers based on the CMOS process." Journal of Micromechanics and Microengineering 23.6 (2013): 065026.
上記のようなサーモパイル型センサにおいては、各サーモパイルを構成し、PolySiと金属から構成される熱電対を、より密に並べて配置することで、温度計測時におけるサーモパイル型センサの高感度化を図ることが求められる。
また、このような場合には、個々の熱電対における金属薄膜が、隣の熱電対との間の隙間を横断して、隣の熱電対におけるPolySi薄膜の接点に接続されることが多い。
そうすると、上記のようにサーモパイル型センサの高感度化を図る場合、個々の熱電対の間の隙間が狭くなるが、隙間部の段差は金属薄膜が成膜しづらく、膜厚が薄くなったり膜質が悪くなったりする傾向にあり、個々の熱電対における金属薄膜が隣の熱電対との間の隙間を横断する金属薄膜では抵抗値の増加や断線等が発生するリスクがあった。
そこで、本発明では、高感度化のために熱電対と熱電対の隙間を狭くした場合でも、金属薄膜の抵抗値の増加や断線等を抑制することができ、十分な信頼性を備えたサーモパイル型センサを提供することを最終的な目的とする。
上記の課題を解決するための本発明は、
サーモパイルを有し、
前記サーモパイルは、PolySi配線と、少なくとも一部に金属部分を含む金属配線とを接続させた熱電対が絶縁膜上において直列に連結されることで形成されており、
直列に連結される各々の前記熱電対は所定の隙間を開けて並んで配置されるとともに、各々の前記熱電対においては、前記PolySi配線の上に前記金属配線が重なるように配置されており、
前記熱電対と隣の熱電対の接続部分においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断しており、
前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における該隙間の幅は、他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅に比較して広い、
サーモパイル型センサである。
本発明によれば、絶縁膜上に熱電対を高い密度で配置することによる高感度化を図ると同時に、抵抗値の増加や断線等を抑制する信頼性の向上も可能となる。
また、本発明においては、前記絶縁膜はシリコン基板上に形成され、前記シリコン基板は、前記絶縁膜側に開口した凹部であるキャビティエリアと、該キャビティエリアを囲うように配置されたフレームとを有し、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分は、前記フレーム上に配置されている、サーモパイル型センサとしてもよい。これによれば、ヒータに電圧を印加して発熱させる際、キャビティエリア中にヒータの熱が保たれ、ヒータの熱がシリコン基板中に拡散することを抑制することが可能となる。また、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分を熱膨張や外部応力などの影響を受けづらい安定したフレーム上に配置することができるので、より確実に、当該部分における金属配線の劣化を抑制することができ、より信頼性を高めることが可能である。
また、本発明においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅の1.5倍以上5倍以下である、サーモパイル型センサとしてもよい。これによれば、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における隙間の幅を、他の部分における隙間の幅に対して充分に広くすることができ、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における金属膜を充分に成膜させることができる。その結果、より確実に、当該部分における金属配線の断線や抵抗増加を抑制することができ、より信頼性を高めることが可能である。
また、本発明においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、前記PolySi配線の膜厚以上である、サーモパイル型センサとしてもよい。これによれば、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分において、前記PolySi配線どうしの隙間が広いため、半導体プロセスにおいて段差のある隙間にも金属原子をいきわたらせることができ、段差部分のカバレジ性（被覆性）が良くなる。その結果、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における金属膜を充分に厚くすることができ、より確実に、当該部分における金属配線の断線や抵抗増加を抑制することができる。
また、本発明においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、1μm以上10μm以下である、サーモパ
イル型センサとしてもよい。これによれば、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における隙間の幅を充分に広くすることができ、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における金属膜を充分に成膜させることができる。
また、本発明においては、前記他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、
0.1μm以上5μm以下である、サーモパイル型センサとしてもよい。これによれば、熱電対を充分に高い密度で配置することができ、より確実にセンサの感度を高めることが可能である。また、金属配線がPolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における隙間の幅を、他の部分における隙間の幅に対して充分に広くすることができる。
また、本発明においては、前記PolySi配線が前記フレームから前記キャビティエリアの中央付近まで伸びており、前記PolySi配線は前記キャビティエリアの中央付近で前記金属配線と短絡し、温接点を形成しており、前記金属配線が前記PolySi配線上を、前記キャビティエリアの中央付近から前記フレームまで伸びており、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断し、隣のPolySiの端部と電気的に短絡し、冷接点を形成している、サーモパイル型センサとしてもよい。これによれば、温接点は温度上昇しやすいキャビティエリア上に位置し、冷接点は温度上昇しにくいフレーム上に位置するため、温度差が生じやすくなり、より大きな起電力が得られやすい。
また、本発明の変形例においては、前記金属配線の一部は、前記PolySi配線とは異なる不純物を含有する第２PolySi配線により形成される、サーモパイル型センサであってもよい。これによれば、二層のPolySi配線はそれぞれ異なる不純物を含有するため、物性に差が生じ、より大きい値の起電力が得られやすい。
また、本発明においては、前記金属配線の中央部は、前記PolySi配線とは異なる不純物を含有する第２PolySi配線により形成され、両端部は金属膜により形成される、サーモパイル型センサであってもよい。その場合、前記異なる不純物の一方はp型の不純物であり
、他方はn型の不純物であってもよい。これによっても、二層のPolySi配線はそれぞれ異
なる不純物を含有するため、物性に差が生じ、より大きい値の起電力が得られやすい。
なお、本発明においては、上記した課題を解決するための手段は、可能なかぎり組み合わせて使用することが可能である。
サーモパイル型センサにおいて、気体の流量を検出する際に、温度差の計測のためのヒータの熱に対する高感度化と金属膜の断線等を抑制する信頼性の両者を十分に備えた新規の技術を提供できるようになる。
実施形態に係る流量測定装置の一例を示す分解斜視図である。 流量測定装置の一例を示す透視図である。 副流路部を示す平面図である。 センサ素子の一例を示す斜視図である。 センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。 流量検出部の概略構成を示す平面図である。 物性値検出部の概略構成を示す平面図である。 回路基板の機能構成を示すブロック図である。 サーモパイルを示す模式的な平面図である。 PolySi配線の間の隙間を横断するように形成された金属膜の特性を検証するためのテストパターンを示す模式的な断面図である。 金属膜が横断する部分の隙間幅を、他の部分の隙間幅より大きくした場合のサーモパイルの構成の条件を示す模式的な図である。 サーモパイルの構成の詳細を示す模式的な図である。 一対あたりに二層のPolySi配線を適用し、各層のPolySi配線ごとに温接点、及び冷接点が形成されているサーモパイルを示す模式的な図である。 金属膜がPolySi配線の間の隙間を横断する部分が、PolySi配線の端部に位置する構成を持つサーモパイルを示す模式的な図である。
〔適用例〕
本適用例においては、サーモパイルを熱式の流量測定装置に適用した場合について説明する。本適用例に係るサーモパイル型センサはサーモパイルを有し、サーモパイルは複数の熱電対から構成される。一対あたりの熱電対は、ヒータと同じ側に位置する温接点、及びヒータと反対側に位置し、温接点と対を成す冷接点を接続する。
また、熱電対は、PolySi配線と、PolySi配線の上にありPolySi配線と比べて幅が小さい金属膜から成る。金属膜は熱伝導性がよく熱を逃がしてしまうため、金属膜の配線幅は小さくすることが一般的である。サーモパイルとヒータの上下には、酸化シリコンや窒化シリコン等から成る絶縁膜が形成されている。なお、ヒータとサーモパイルの位置関係については一例として図６に、サーモパイルの構成については図１２に示す。
図１１に示すように、温接点は、PolySi配線と金属膜が電気的に短絡することで形成される。また、金属膜は、熱電対と隣の熱電対の隙間を横断し、それらを接続する役割を果たす。冷接点は、金属膜が熱電対どうしの隙間を横断する箇所の先端部において、PolySi配線と金属膜が電気的に短絡することで形成される。
図６に一例として示すように、サーモパイルはヒータを挟んで対称に設けられており、流量検出の際に気体が流路に沿って流れてくる側を上流側、反対側を下流側としている。また、図１２に示すように、絶縁膜はシリコン基板の上に形成されており、一部は、PolySiから成るフレームに囲まれたキャビティエリアの上に位置する。
図５に示すように、本発明の対象であるサーモパイル型センサにおけるヒータに電圧を印加すれば発熱し、ヒータの熱はヒータの両側のサーモパイル上に均等に分布する。ここで、キャビティエリアがあることにより、また、ヒータがキャビティエリア上部の中央部に位置することにより、ヒータの熱がシリコン基板中に拡散することを抑制することが可能となる。気体が流路に沿って流れると、ヒータの熱分布は下流側のサーモパイルに偏り、両側のサーモパイルの間で温度差が生じる。
熱電対は、温接点がヒータの熱を感知すると、冷接点との温度差によって起電力が生じる（ゼーベック効果）。起電力により、サーモパイルどうしの間の温度差の検知が可能となり、流れてくる気体の流量の値を観測することが可能となる。ここで、気体の流量の値が増大するほど、サーモパイルどうしの間の温度差の値も増大し、両者の値は個々に相関性を持っているため、紐付けが可能といえる。
サーモパイルどうしの間の温度差を検知する際、サーモパイルがヒータの熱に対して高感度化されていることが求められる。サーモパイルにおいて、熱電対が密に並列しているほど高感度化されると考えられ、熱電対どうしの隙間幅が小さい条件が良好であると言える。
しかし、熱電対どうしの隙間幅が小さい条件においては、金属膜が隙間を横断する際に、金属膜の抵抗値の増加や断線等が発生するリスクがある。これは、熱電対どうしの隙間における段差では前述のように金属膜が成膜しづらく膜厚が薄くなったり膜質が悪くなったりする傾向にあるからである。このため、サーモパイルには、高感度化と同時に、抵抗値の増加や断線の発生が抑制される信頼性も備えていることが求められる。
そこで本発明では、図１１に示すように、密に並列している熱電対から構成され、熱電対について、金属膜が熱電対と隣の熱電対を横断する部分の隙間幅が、他の部分の隙間幅より広いサーモパイルを提案する。図１１に示すaの値はbの値よりも大きいことが前提であり、aの値は、例えば1μm以上10μm以下の範囲内に、bの値は、例えば0.1μm以上5μm
以下の範囲内にあることが望ましい。
〔実施例１〕
以下、本発明の実施形態に係る流量測定装置について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態においては、本発明を流量測定装置に適用した例について説明するが、本発明は、赤外線センサなど、他のサーモパイル型センサに適用しても構わない。以下に示す実施形態は、流量測定装置の一例であり、本発明に係る流量測定装置は、以下の構成には限定されない。
＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る流量測定装置１の一例を示す分解斜視図である。図２は、流量測定装置１の一例を示す透視図である。
流量測定装置１は、例えばガスメータや燃焼機器、自動車等の内燃機関、燃料電池、その他医療等の産業機器、組込機器に組み込まれ、流路を通過する気体の量を測定する。なお、図１及び図２の破線の矢印は、流体の流れる方向を例示している。ここで、流量測定装置１は、本発明におけるサーモパイル型センサに相当する。
図２に示すように、本実施形態では、流量測定装置１は主流路部２から分岐した副流路部３の内部に設けられる。また、流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２とを備える。流量検出部１１及び物性値検出部１２は、マイクロヒータによって形成される加熱部とサーモパイルによって形成される温度検出部とを含む熱式のフローセンサである。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る流量測定装置１は、主流路部２と、副流路部３と、シール４と、回路基板５と、カバー６とを備えている。
主流路部２は、長手方向に貫通した管状部材である。主流路部２の内周面には、測定対象流体の流れ方向に対して、上流側に流入口（第１流入口）３４Ａが形成され、下流側に流出口（第１流出口）３５Ａが形成されている。例えば主流路部２の軸方向の長さは約５０ｍｍであり、内周面の直径（主流路部２の内径）は約２０ｍｍであり、主流路部２の外径は約２４ｍｍであるが、このような例には限定されない。
副流路部３は、主流路部２の上に設けられており、その内部及び上面には、副流路が形成されている。副流路部３は、一端が流入口３４Ａに連通し、他端が流出口３５Ａに連通している。流量測定装置１では、副流路部３は、流入用流路３４と、物性値検出用流路３２と、流量検出用流路３３と、流出用流路３５とから構成されている。
流入用流路３４は、主流路部２を流れる測定対象流体を流入させ、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流させるための流路である。流入用流路３４は、主流路部２と垂直な方向に、副流路部３を貫通して形成されており、一端が流入口３４Ａに連通し、他端は主流路部２の上面で開口して物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に連通している。これにより、主流路部２を流れる測定対象流体の一部を、流入用流路３４を介して物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流させることができる。
物性値検出用流路３２は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２と平行な方向に
延在する、縦断面が略コ字型の流路である。物性値検出用流路３２は、長手方向（主流路部２と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の物性値を検出するための物性値検出部１２が配置されている。
物性値検出用流路３２の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。
流量検出用流路３３は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２と平行な方向に延在する、縦断面が略コの字型の流路である。流量検出用流路３３は、長手方向（主流路部２と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の流量を検出するための流量検出部１１が配置された流量検出用流路３３を有している。
流量検出用流路３３の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。なお、物性値検出部１２及び流量検出部１１は、回路基板５に実装された状態で物性値検出用流路３２または流量検出用流路３３に配置される。
流出用流路３５は、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、主流路部２に流出させるための流路である。流出用流路３５は、主流路部２と垂直な方向に、副流路部３を貫通して形成されており、一端が流出口３５Ａに連通し、他端は主流路部２の上面で開口して、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に連通している。これにより、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、流出用流路３５を介して、主流路部２に流出させることができる。
このように、同じ流入口３４Ａから流入させた測定対象流体を、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流させることで、物性値検出部１２及び流量検出部１１は、温度、密度などの条件が等しい測定対象流体に基づいて物性値または流量を検出することができる。したがって、流量測定装置１の測定精度を向上させることができる。
なお、流量測定装置１では、副流路部３にシール４を嵌め込んだ後、回路基板５が配置され、さらにカバー６によって回路基板５を副流路部３に固定することで、副流路部３の内部の気密性を確保している。
図３は、図１に示される副流路部３を示す平面図である。図３に示されるように、物性値検出用流路３２は、略コの字型の一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。同様に、流量検出用流路３３は、略コの字型の一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。
また、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３との両端部も互いに連通しており、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３は、副流路部３の上面において矩形状の流路を構成している。
流量測定装置１では、物性値検出用流路３２において物性値検出部１２を含む部分、及び流量検出用流路３３において流量検出部１１を含む部分は、何れも副流路部３の上面と垂直な方向（法線方向）から見たときの形状が正方形であり、流入用流路３４と流出用流路３５とを結ぶ直線に対して対称となる位置にそれぞれ形成されている。
また、矢印Ｐ及びＱは、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を表す。本実施形態では、物性値検出用流路３２には流量Ｐの測定対象流体が分流され、流量検出用流路３３には流量Ｑの測定対象流体が流れるように、物性値検
出用流路３２及び流量検出用流路３３の幅が設定されている。
この流量Ｐ及び流量Ｑの値は、主流路部２を流れる測定対象流体の流量によって変動するものであるが、通常の使用態様において、流量Ｐは物性値検出部１２の検出レンジ内の値となり、流量Ｑは流量検出部１１の検出レンジ内の値となるように、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３の幅がそれぞれ設定されている。物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３の幅は例示であり、図３の例には限定されない。
このように、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を、それぞれの幅を調整することで個別に制御することが可能である。このため、物性値検出部１２の検出レンジに応じて物性値検出用流路３２を流れる測定対象流体の流量を制御し、流量検出部１１の検出レンジに応じて流量検出用流路３３を流れる測定対象流体の流量を制御することができる。
したがって、物性値検出部１２は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の物性値を検出することができるので、物性値検出部１２の検出精度を高めることができる。
同様に、流量検出部１１は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の流量を検出することができるので、流量検出部１１の検出精度を高めることができる。
物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３は、何れも略コ字型に形成された構成には限定されない。すなわち、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３は、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３を通過する測定対象流体の流量が制御可能な幅に設定されていれば、他の形状を採用するようにしてもよい。
また、本実施形態では、物性値検出用流路３２において物性値検出部１２を含む部分、及び流量検出用流路３３において流路検出部１１を含む部分の形状を正方形としているが、本発明はこれに限定されない。物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３の形状は、物性値検出部１２または流量検出部１１が配置可能であればよく、配置される物性値検出部１２及び流量検出部１１の形状に応じて決定される。
したがって、例えば、物性値検出用流路３２の幅よりも、物性値検出部１２のサイズが小さい場合には、物性値検出用流路３２において物性値検出部１２を含む部分の幅を物性値検出部１２の幅に一致させてもよい。この場合、物性値検出用流路３２の長手方向に延在する部分は、直線形状に形成されることとなる。なお、流量検出用流路３３についても同様である。
図４は、流量検出部及び物性値検出部に用いられるセンサ素子の一例を示す斜視図である。また、図５は、センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。センサ素子１００は、マイクロヒータ（加熱部）１０１と、マイクロヒータ１０１を挟んで対称に設けられたサーモパイル（温度検出部）１０２とを備える。これらの上下には絶縁薄膜が形成され、シリコン基板上に設けられている。マイクロヒータ１０１は、例えばPolySiで形成された抵抗である。
また、マイクロヒータ１０１、及びサーモパイル１０２の下方のシリコン基板には、凹部であるキャビティエリア１０３が設けられている。キャビティエリア１０３は、PolySiから成るフレーム１０４に囲まれている。マイクロヒータ１０１からの発熱は、キャビティエリア１０３に放出されるため、シリコン基板中への発熱の拡散は抑制される。
また、フレーム１０４は熱容量が大きく、温まりにくいため、フレーム１０４上にある冷接点の温度はほとんど上昇せず、温接点との温度差をより正確に検知することが可能となる。
図５は、破線の楕円によって、マイクロヒータ１０１が発熱した場合の温度分布を模式的に示している。なお、破線が太いほど温度が高いものとする。空気の流れがない場合、図５の上段（１）に示すようにマイクロヒータ１０１の両側の温度分布はほぼ均等になる。一方、例えば図５の下段（２）において破線の矢印で示す方向に空気が流れた場合、周囲の空気が移動するため、マイクロヒータ１０１の風上側よりも風下側の方が、温度は高くなる。センサ素子は、このようなヒータ熱の分布の偏りを利用して、流量を示す値を出力する。
センサ素子の出力電圧ΔＶは、例えば次のような式（１）で表される。
Figure 0007258800000001
なお、Ｔｈはマイクロヒータ１０１の温度、Ｔａはサーモパイル１０２の外側に設けられる周囲温度センサが測定した温度、Ｖｆは流速の平均値、Ａとｂは所定の定数である。
また、流量測定装置１の回路基板５は、ＩＣ（Integrated Circuit）等により実現される制御部（図示せず）を備え、流量検出部１１の出力に基づいて流量を算出したり、物性値検出部１２の出力に基づいて結露を検知したり、所定の特性値を算出し、特性値を用いて流量を補正したりする。
＜流量検出部及び物性値検出部＞
図６は、図１に示した流量検出部１１の概略構成を示す平面図であり、図７は、図１に示した物性値検出部１２の概略構成を示す平面図である。流量測定装置１では、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３とは、長手方向に延在する流路の幅がそれぞれ異なっており、物性値検出用流路３２において物性値検出部１２を含む部分の幅は、流量検出用流路３３において流量検出部１１を含む部分の幅よりも狭くなっている。これにより、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に分流される測定対象流体の流量を、それぞれ個別に制御している。
図６に示すように、流量検出部１１は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（流量検出部内第１温度検出部）１１１及び第２サーモパイル（流量検出部内第２温度検出部）１１２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ１１３とを備えている。マイクロヒータ１１３と、流量検出部内第１温度検出部１１１及び流量検出部内第２温度検出部１１２とは、流量検出部１１内において、測定対象流体の流れ方向Ｐに沿って並んで配置されている。
また、マイクロヒータ１１３、流量検出部内第１温度検出部１１１及び流量検出部内第２温度検出部１１２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｐと直交する。
流量検出部内第１温度検出部１１１及び流量検出部内第２温度検出部１１２は、マイクロヒータ１１３の上流側に流量検出部内第１温度検出部１１１が配置され、下流側に流量検出部内第２温度検出部１１２が配置されて、マイクロヒータ１１３を挟んで対称な位置
の温度を検出する。
流量測定装置１では、物性値検出部１２及び流量検出部１１に、実質的に同一構造のセンサが用いられており、測定対象流体の流れ方向に対する配置角度を９０度異ならせて配置されている。これにより、同一構造のセンサを物性値検出部１２または流量検出部１１として機能させることが可能となるため、流量測定装置１の製造コストを低減することができる。
一方、図７に示すように、物性値検出部１２は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（物性値検出部内第１温度検出部）１２１及び第２サーモパイル（物性値検出部内第２温度検出部）１２２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ（物性値検出部内加熱部）１２３とを備えている。物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２とは、物性値検出部１２内において、測定対象流体の流れ方向Ｑと直交する方向に並んで配置されている。
また、物性値検出部内加熱部１２３、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｑに沿っている。
また、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は、物性値検出部内加熱部１２３を挟んで左右対称に配置されており、物性値検出部内加熱部１２３の両側の対称な位置の温度を検出する。したがって、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の測定値はほぼ同一であり、いずれか一方の値を採用するようにしてもよいし、両者の平均値を算出するようにしてもよい。
ここで、測定対象流体の流れによって温度分布は下流側に偏るため、流れ方向と直交する方向の温度分布の変化は、測定対象流体の流れ方向の温度分布の変化に比べて小さい。このため、物性値検出部内第１温度検出部１２１と、物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第２温度検出部１２２とを、この順で測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並べて配置することにより、温度分布の変化による物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。
したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。
また、物性値検出部内加熱部１２３の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、物性値検出部内加熱部１２３は測定対象流体の流れ方向に亘って広範囲に測定対象流体を加熱することが可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。
したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。
さらに、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は測定対象流体の流れ方向
に亘って広範囲に温度を検出することが可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。
したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。
＜機能構成＞
図８は、流量測定装置１が備える回路基板５の機能構成を示すブロック図である。流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２と、制御部１３とを備えている。
流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１と、流量検出部内第２温度検出部１１２とを備える。物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１と、物性値検出部内第２温度検出部１２２とを備える。なお、図６に示したマイクロヒータ１１３、及び図７に示したマイクロヒータ（物性値検出部内加熱部）１２３は、図示を省略している。
流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１及び流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号に基づいて、測定対象流体の流量を示す値を検出する。
具体的には、流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１から出力された温度検出信号と流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号との差分を算出し、差分に基づいて測定対象流体の流量を示す値を求める。そして、流量検出部１１は、流量を示す値を制御部１３に出力する。
物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２から出力された温度検出信号を流量算出部１３３に出力する。
具体的には、物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２から出力された温度検出信号の平均値を求める。
また、図７に示した物性値検出部内加熱部１２３は、例えば制御部１３による制御に応じて温度を変更する。これにより、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は、物性値検出部内加熱部１２３の温度変化の前後における出力値を求めることができる。物性値検出部１２は、取得した出力値を制御部１３に出力する。
また、制御部１３は、補正処理部１３１と、特性値算出部１３２と、流量算出部１３３と、異常検出部１３４とを含む。流量算出部１３３は、流量検出部１１の検出値に基づいて測定対象流体の流量を算出する。特性値算出部１３２は、物性値検出部１２の検出値に基づいて特性値を算出する。
具体的には、特性値算出部１３２は、物性値検出部１２のマイクロヒータの温度を変化させ、変化の前後においてサーモパイル１０２が検出した測定対象流体の温度の差に所定の係数を乗じて特性値を算出する。補正処理部１３１は、特性値を用いて、流量算出部１３３が算出した流量を補正する。
上記のような流量測定装置１には熱量を検出するために、図６に示した流量検出部１１の流量検出部内第１温度検出部１１１、及び流量検出部内第２温度検出部１１２、図７に
示した物性値検出部１２の物性値検出部内第１温度検出部１２１、及び物性値検出部内第２温度検出部１２２の４つのサーモパイルが含まれている。
以下では、例として流量検出部１１の流量検出部内第１温度検出部１１１に相当するサーモパイルについて詳細な説明をするが、流量検出部内第２温度検出部１１２、物性値検出部内第１温度検出部１２１、及び物性値検出部内第２温度検出部１２２に相当するサーモパイルについても同様な説明が成り立つ。
図９は、流量測定装置１における流量検出部内第１温度検出部１１１に相当するサーモパイル１０２を示す模式的な平面図である。図９のサーモパイル１０２は、複数の熱電対が直列に連結することで構成されている。図９には、そのうち、熱電対１０２ａから１０２ｅを示している。これらの熱電対は、PolySi配線１０２１ａから１０２１ｅ、及び金属膜１０２２ａから１０２２ｅを有する。
なお、熱電対１０２ａから１０２ｅにおける、PolySi配線と金属膜の位置関係は、金属膜が上でPolySi配線が下になっている。すなわち、各熱電対において、PolySi配線の上に金属膜が重ねて形成されている。シリコンと金属膜とでサーモパイルを形成する場合、シリコン膜が下層で金属膜が上層となることが多い。半導体プロセスでは下層側（基板側）から素子を形成していくが、シリコンの耐熱性、コンタミネーションコントロールなどから、シリコン膜の素子を先に形成するからである。そして、配線の幅は、PolySi配線の方が金属膜よりも広くなるように設定されている。ここで、金属膜１０２２ａから１０２２ｅは、本発明における金属配線に相当する。金属膜は熱伝導率がよいため、配線幅を太くすると金属膜を通じて熱が逃げてしまう。温接点と冷接点との温度差を検知するサーモパイルでは、金属膜による熱の移動をできるだけ制限をしたいため金属膜はできるだけ細くすることになる。
また、熱電対１０２ａから１０２ｅにおいては、各々の熱電対を直列に連結するため、金属膜がPolySi配線の間の隙間を横断し、隣のPolySi配線と電気的に接続されている。次に、図９に示すように、PolySi配線の間の隙間を横断するように金属膜を形成させた場合の、金属膜の特性について説明する。
図１０は、PolySi配線の間の隙間を横断するように形成された金属膜の特性を検証するためのテストパターン７を示す模式的な断面図である。隙間幅ｗは、テストパターン用シリコン７１の間の隙間の幅を表している。ここで、テストパターン用金属配線７２はテストパターン用シリコン７１の間の隙間を横断するように配置されている。下地には、テストパターン用絶縁膜７３を用いている。図１０では、隙間は２つのみを図示してあるが、実際のテストパターンでは数百から数千もの隙間を横断するようになっており、金属配線７２が段差のある隙間を横断したときの影響を加速させてテストできるようになっている。
表１には、上記のテストパターン７における金属配線の線幅を１．７μｍと２．４μｍの２パターン用意し、それぞれのパターンにおいて、隙間幅ｗを変更してテストパターン用金属配線７２の抵抗値を測定した結果を示す。
Figure 0007258800000002
表１に示す通り、隙間幅ｗの値が小さいほど抵抗値が高くなる傾向があり、隙間幅ｗが０．５μｍの条件では断線が発生する結果が得られた。隙間幅ｗの値が小さい場合にテストパターン用金属配線７２の抵抗値が高くなる原因は、隙間幅ｗの値が小さいことでテストパターン用シリコン７１どうしの間の隙間部分に金属膜が成膜しづらく、膜厚が薄くなったためと考えられる。さらに隙間幅ｗの値をある程度以上小さくすることで、金属膜が途切れ、断線にまで至ると考えられる。半導体プロセスではPVD（Physical Vapor Deposition）法やCVD（Chemical Vapor Deposition）法にて金属膜を成膜する。これらは真空雰囲気内で金属原子をなんらかの方法で飛ばし、原子が基板に到達することで金属膜が成長をしていく。一般的に段差部分では膜のカバレジ性が悪く金属膜の膜厚は薄くなりやすいが、隙間構造であることにより、より顕著にカバレジ性が悪くなったと考えられる。すなわち、隙間幅ｗが小さいと金属原子の供給量が減り、段差部分の膜厚が薄くなり、金属膜が断線にまで至った。
このような断線を抑制するため、配線幅を太くする対応が考えられるが、上記の測定においては配線幅を太くすることはそれほど効果が大きくなく、隙間幅ｗの値の影響の方が大きかった。また、配線幅を太くすることは金属配線を通じた熱逃げを助長させるため、センサ感度低下の原因にもなりうる。この他、金属膜の成膜前にCMP（Chemical Mechanical Polishing）技術などの平坦化処理を行い、隙間をあらかじめ埋めてしまう対応も考えられる。だが、平坦化処理プロセスを導入すると、素子の最も厚い部分の膜厚にメンブレンの膜厚が揃えられてしまうため、薄膜の総厚が厚くなり、メンブレンの熱容量がおおきくなってしまい、薄膜を有するサーモパイル型センサでは感度低下を発生させてしまう。
また、PolySi配線の間の隙間を大きくするために、配線間のピッチを大きくする方法も考えられるが、同じエリアに対して熱電対を配置できる数が少なくなってしまい、サーモパイル型センサでは感度低下につながる。このほか、PolySi配線の配線幅を細くする方法も考えれるが、金属膜に較べて抵抗が高いPolｙSi配線を細くすると配線の寄生抵抗が大
きくなり、ノイズ発生となり特性悪化となってしまう。また、赤外線センサの場合、PolySi配線は赤外線吸収効率がよいため、配線が細くなると赤外線吸収量が減り、感度低下にもつながってしまう。
上記の結果を踏まえ、本実施例においては、PolySi配線の間の隙間のうち、金属膜が横断する部分の隙間幅を、他の部分の隙間幅より大きくすることとした。図１１は、金属膜が横断する部分の隙間幅を、他の部分の隙間幅より大きくした場合のサーモパイル１０２の構成の条件を示す模式的な図である。図１１のaは金属膜１０２２ａがPolySi配線１０
２１ａと隣のPolySi配線の間の隙間を横断する部分における隙間幅を表し、bはPolySi配
線１０２１ａと隣のPolySi配線の間の隙間のうち、金属膜が横断しない部分の隙間幅を表す。
構成の条件として、aはbよりも幅が広く設定されている。例えば、aはbの1.5倍以上で
あってもよい。また、aの値は１μm以上、及びbの値は５μm以下であってもよい。また、aの値は、PolySi配線の膜厚以上である。
図１２は、サーモパイル１０２の構成の詳細を示す模式的な図である。図１２（ａ）は金属膜が横断する部分の隙間幅が、他の部分の隙間幅より広いサーモパイルの平面図、図１２（ｂ）は断面Ａ－Ａ‘に係る断面図である。
図１２において、PolySi配線１０２１ａ、及び金属膜１０２２ａの下地である絶縁膜１０２３は、シリコン基板１０２４のフレーム１０４上に形成されている。シリコン基板１０２４にはキャビティエリア１０３が含まれ、絶縁膜１０２３の一部はキャビティエリア１０３上に位置する。また、金属膜がPolySi配線の間の隙間を横断する部分における金属膜１０２７は、シリコン基板１０２４上のフレーム１０４上に位置する。
PolySi配線１０２１ａはフレーム１０４からキャビティエリア１０３の中央付近まで伸びており、キャビティエリア１０３の中央付近（マイクロヒータ１０１の近傍）で金属膜１０２２ａと短絡し、温接点１０２５を形成している。金属膜１０２２ａは絶縁膜１０２３を介したPolySi配線１０２１ａ上を、キャビティエリア１０３の中央付近から外周に向かって伸び、フレーム１０４の上部において隣のPolySi配線との間の隙間を横断し、隣のPolySiと短絡し、冷接点１０２６を形成している。以後、この構造を繰り返している。
〔実施例２〕
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例と実施例１との相違点は、サーモパイル一対あたりに二層のPolySi配線を適用している点である。図１３は、上述した実施形態におけるサーモパイル１０２に対し、一対あたりに二層のPolySi配線を適用し、各層のPolySi配線ごとに温接点、及び冷接点が形成されているサーモパイルを示す模式的な図である。図１３（ａ）はサーモパイルの平面図、図１３（ｂ）は断面Ａ－Ａ‘に係る断面図である。
本実施例においては、PolySi配線として、それぞれ下層PolySi配線１０２８ａと上層PolySi配線１０２８ｂの二層のPolySi配線が形成されている。そして、下層PolySi配線１０２８ａ上に位置する温接点を下層温接点１０２５ａ、上層PolySi配線１０２８ｂ上に位置する温接点を上層温接点１０２５ｂとする。また、下層PolySi配線１０２８ａ上に位置する冷接点を下層冷接点１０２６ａ、上層PolySi配線１０２８ｂ上に位置する冷接点を上層冷接点１０２６ｂとする。
下層PolySi配線１０２８ａはフレーム１０４からキャビティエリア１０３の中央付近まで伸びており、キャビティエリア１０３中央付近で金属膜１０２２ａと短絡し、下層温接点１０２５ａを形成している。金属膜１０２２ａは下層温接点１０２５ａと上層温接点１０２５ｂを電気的に接続している。また、金属膜１０２２ａは最短距離で結ばれている。
キャビティエリア１０３中央付近に設けられた上層温接点１０２５ｂから、フレーム１０４上の上層冷接点１０２６ｂまで上層PolySi配線１０２８ｂが伸びている。ここで、上層温接点１０２５ｂと上層冷接点１０２６ｂの間は金属膜１０２２ａによって接続されていない。金属膜１０２２ａが、上層冷接点１０２６ｂから絶縁膜１０２３を介して下層PolySi配線１０２８ａまで伸びた箇所で隣の下層PolySiへと移っている。金属膜１０２２ａが隣の下層PolySiと短絡し、下層冷接点１０２６ａを形成している。以後、この構造を繰り返している。ここで、上層PolySi配線１０２８ｂは、本発明における第２PolySi配線に相当する。
二層のPolySi配線はそれぞれ異なる不純物を含有しており、一方はp型の不純物であり
、他方はn型の不純物である。PolySiは、含有する不純物の種類や濃度によって、抵抗値
、熱電特性や熱伝導性等の物性に差が生じる。本変形例においては、熱起電力の低い金属膜の代わりに熱起電力が高く一層目のPolySiと逆極性のPolySiに置き換えることで、より大きい値の起電力が得られる。
〔実施例３〕
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例と実施例１との相違点は、金属膜がPolySi配線の間の隙間を横断する部分が、PolySi配線の端部に位置する点である。図１４は、サーモパイルの形状を変形した例として、上述のサーモパイル１０２に対し、金属膜がPolySi配線の間の隙間を横断する部分が、PolySi配線の端部に位置する構成を持つサーモパイルを示す模式的な図である。
金属膜１０２２ａは、PolySi配線１０２１ａの端部にのみ重なっており、PolySi配線の間の隙間を垂直に横断して、隣のPolySi配線の端部において接続されている。金属膜１０２２ａは、PolySi配線１０２１ａと隣のPolySi配線の端部どうしを最短距離で接続しており、PolySi配線１０２１ａに沿って重なってはいない。この構成により、金属膜が直線的に連続に接続される。構成が単純化することで、信頼性の向上を図ることが可能となる。
なお、上記の実施例においては、本発明に係るサーモパイル型センサを、流量測定装置に適用したが、本発明に係るサーモパイル型センサは、例えば、赤外線センサ等、サーモパイルによって温度を検出する機能を有するセンサ全般に適用することが可能である。
なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
サーモパイル（１０２）を有し、
前記サーモパイルは、PolySi配線（１０２１ａ―１０２１ｅ）と、少なくとも一部に金属部分を含む金属配線（１０２２ａ―１０２２ｅ）とを接続させた熱電対（１０２ａ―１０２ｅ）が絶縁膜（１０２３）上において直列に連結されることで形成されており、
直列に連結される各々の前記熱電対は所定の隙間を開けて並んで配置されるとともに、各々の前記熱電対においては、前記PolySi配線の上に前記金属配線が重なるように配置されており、
前記熱電対と隣の熱電対の接続部分においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断しており、
前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における該隙間の幅は、他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅に比較して広い、
サーモパイル型センサ（１）。
１ ：流量測定装置
１００ ：センサ素子
１０１ ：マイクロヒータ
１０２ ：サーモパイル
１０２ａ―１０２ｅ ：熱電対
１０３ ：キャビティエリア
１０４ ：フレーム
１１ ：流量検出部
１２ ：物性値検出部
１３ ：制御部
２ ：主流路部
３ ：副流路部
４ ：シール
５ ：回路基板
６ ：カバー
７ ：テストパターン
７１ ：テストパターン用シリコン
７２ ：テストパターン用金属配線
７３ ：テストパターン用絶縁膜
１０２１ａ―１０２１ｅ：PolySi配線
１０２２ａ―１０２２ｅ：金属膜
１０２３ ：絶縁膜
１０２４ ：シリコン基板
１０２５ ：温接点
１０２５ａ ：下層温接点
１０２５ｂ ：上層温接点
１０２６ ：冷接点
１０２６ａ ：下層冷接点
１０２６ｂ ：上層冷接点
１０２７ ：PolySi配線の間の隙間を横断する部分における金属膜
１０２８ａ ：下層PolySi配線
１０２８ｂ ：上層PolySi配線

Claims (10)

  1. サーモパイルを有し、
    前記サーモパイルは、PolySi配線と、少なくとも一部に金属部分を含む金属配線とを接続させた熱電対が絶縁膜上において直列に連結されることで形成されており、
    直列に連結される各々の前記熱電対は所定の隙間を開けて並んで配置されるとともに、各々の前記熱電対においては、前記PolySi配線の上に前記金属配線が重なるように配置されており、
    前記熱電対と隣の熱電対の接続部分においては、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断しており、
    前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における該隙間の幅は、他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅に比較して広い、
    サーモパイル型センサ。
  2. 前記絶縁膜はシリコン基板上に形成され、前記シリコン基板は、前記絶縁膜側に開口した凹部であるキャビティエリアと、該キャビティエリアを囲うように配置されたフレームとを有し、前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分は、前記フレーム上に配置されている、
    請求項１に記載のサーモパイル型センサ。
  3. 前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅の1.5倍以上5倍以下である、
    請求項１または２に記載のサーモパイル型センサ。
  4. 前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、前記PolySi配線の膜厚以上である、
    請求項１または２に記載のサーモパイル型センサ。
  5. 前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断する部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、1μm以上10μm以下である、
    請求項１または２に記載のサーモパイル型センサ。
  6. 前記他の部分における前記PolySi配線どうしの隙間の幅は、0.1μm以上5μm以下である、
    請求項１または２に記載のサーモパイル型センサ。
  7. 前記PolySi配線が前記フレームから前記キャビティエリアの中央付近まで伸びており、
    前記PolySi配線は前記キャビティエリアの中央付近で前記金属配線と短絡し、温接点を形成しており、
    前記金属配線が前記PolySi配線上を、前記キャビティエリアの中央付近から前記フレームまで伸びており、
    前記金属配線が前記PolySi配線どうしの間の隙間を横断し、隣のPolySiの端部と電気的に短絡し、冷接点を形成している、
    請求項２に記載のサーモパイル型センサ。
  8. 前記金属配線の一部は、前記PolySi配線とは異なる不純物を含有する第２PolySi配線により形成される、
    請求項１から７のいずれか一項に記載のサーモパイル型センサ。
  9. 前記金属配線の中央部は、前記PolySi配線とは異なる不純物を含有する第２PolySi配線により形成され、両端部は金属膜により形成される、
    請求項８に記載のサーモパイル型センサ。
  10. 前記異なる不純物の一方はp型の不純物であり、他方はn型の不純物である、
    請求項８または９に記載のサーモパイル型センサ。
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