JPH0146011B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気体（以下、被測定ガスという。）
の質量流量の計測や制御に用いられる流量セン
サー、並びに、その流量センサーの製造方法に
関する。

従来の流量センサーは、第９図に示すよう
に、内径が0.2mm〜1.0mm程度の毛管流路を備え
るステンレス等の毛細管１０を用いて、これに
10μｍ〜50μｍ程度の非常に細い白金や鉄、ニ
ツケル合金等の金属線を巻付けて毛管流路で間
隔をへだてる２個の発熱抵抗体１１，１５を形
成するものであり、そして、被測定ガスの質量
流量の計測や制御に際しては、前記抵抗体１
１，１５に設けた３本の引出線１２…にブリツ
ジ回路１３を接続すると共に、該ブリツジ回路
１３に電源１４から電流を流して抵抗体１１，
１５を発熱させ、かつ、毛管流路に被測定ガス
を流すのである。

すると、毛管流路を流れる被測定ガスが熱運
搬媒体となつて、上流側の抵抗体１１と下流側
の抵抗体１５との間で温度差を生じ、上流側抵
抗体１１の電気抵抗値が減少すると共に下流側
抵抗体１５の電気抵抗値が増大する結果、前記
ブリツジ回路１３の平衡が崩れて、この電気抵
抗値の差に基いて被測定ガスの質量流量に応じ
た電圧が端子１６，１６から出力されるもの
で、この出力電圧を基にして被測定ガスの質量
流量を計測し、あるいは、或る質量流量に相当
する電圧を出力するようにガス流量を調節する
ことによつて、被測定ガスの質量流量を制御す
るものである。

ところが、温度差の検出を２個の抵抗体１
１，１５の抵抗値変化として捉えるための電源
１４を要し、しかも、その電源１４の安定度に
よつて検出感度が左右されるが故に、高感度測
定によつて高安定電源を必要とするものであ
る。

また、個々の毛細管１０に極細の金属線を巻
付ける作業は、これの自動化に限度があつて、
どうしても熟練者の手作業に頼らざるを得ず、
生産性が悪い上、巻付けが不均一になつたり密
着度が異なつたりするなど性能のばらつきも多
くなり、かつ、大量生産が困難で、生産コスト
が高くつく欠点があつた。

更に、抵抗体１１，１５の金属線として、絶
縁の目的で有機物質を塗布したものが用いら
れ、かつ、金属線の巻き終り端の固定に際して
も有機化合物の接着剤が用いられているが、流
量センサーの使用状態においては抵抗体１１，
１５が120℃〜150℃程度に昇温するものであ
り、このような条件下で経時的に有機物質が変
質し、センサーの出力特性に影響が現われるこ
とは必至で、ゼロドリフト及び感度の経時変化
をきたし、計測並びに制御の安定面でも問題が
あつた。

本発明は、上述の実情に鑑みて成されたもの
であつて、本第１発明においては、従来のもの
とは測定形態の異なる新規な構成をもつて、特
性が均質で経年変化を生じず、しかも高感度測
定を期し得る流量センサーの提供を目的として
おり、而して本第１発明による流量センサー
は、内部に毛管流路を形成した断面矩形のシリ
コン結晶製毛管基材に対してそれの一側平面
に、無機物質の電気絶縁膜を設け、該電気絶縁
膜上に膜状の発熱抵抗体を形成すると共に、該
発熱抵抗体に対してそれの上流側に冷接点をか
つ下流側に温接点を位置させる状態で膜状のサ
ーモパイルを設け、更に、前記抵抗体とサーモ
パイルの夫々に外部配線接続用のボンデイング
パツドを設けてあることを特徴としている。

そして本第２発明においては、上記構成の流
量センサーを大量生産し得、延いては、該流量
センサーを廉価に製造することのできる方法の
提供を目的としており、而して本第２発明によ
る流量センサーの製造方法は、ほぼ同寸法の複
数個の溝を互いに平行に形成した板状基材と、
該基材の前記溝を閉じる板状蓋体とを拡散接合
して、多数の毛管流路を並列に備えるシリコン
結晶製の毛管基板を作製し、該毛管基板の一側
平面に無機物質の絶縁膜を設けると共に、前記
毛管流路の夫々に対応する箇所の前記電気絶縁
膜上に膜状の発熱抵抗体を形成し、該発熱抵抗
体の夫々に対して毛管流路の上流側と下流側に
相当する箇所に冷接点と温接点を位置させる状
態で、かつ、前記発熱抵抗体に対して絶縁状態
で、膜状のサーモパイルを形成すると共に、該
サーモパイルに外部配線接続用のボンデイング
パツドを設け、かつ、前記サーモパイルの形成
に先立つてあるいは形成後に前記抵抗体に外部
配線接続用のボンデイングパツドを設け、更
に、無機物質の表面保護膜を設けて後に前記毛
管基板を毛管流路の隣接中間において切断分離
して、複数個の流量センサーを作製することを
特徴としている。

以下、本発明による流量センサーの作製手順
について説明する。

先ず、第１図イに示すように、ほぼ同寸法
の複数個の溝ａ…を互いに平行に形成したシリ
コン結晶製の板状基材１と、該基材１の前記溝
ａ…を閉じる同じくシリコン結晶製の板状蓋体
２を用意する。

これら板状基材１並びに板状蓋体２の夫々
は、シリコンインゴツトをスライスしたウエハ
を使用しており、前記板状基材１として、ダイ
ヤモンドカツターを備えたダイシングマシンに
よつて、450μ厚さのシリコンウエハに400μ深
さ・800μ巾・1100μピツチの溝ａ…を加工した
ものを用い、板状蓋体２として、溝ａ…の長さ
よりもやや巾狭に割円切除した450μ厚さのシ
リコンウエハを用いているが、これらの寸法設
定は各種変更可能である。

次に、同図ハに示すように、蓋体２の割円部
の両側に溝端部を臨ませる状態でかつ該蓋体２
によつて溝ａ…を閉じる状態で、板状基材１と
蓋体２とを接合し、多数の毛管流路Ａ…を並列
に備える毛管基板３を作製する。

前記板状基材１に対して蓋体２を接合するに
際して、同図ロに示すように、基材１と蓋体２
の接合面に、真空蒸着法やスパツタリング法な
どによつて金の膜ｂ，ｂを予め形成し、そして
両者１，２を所定位置で重ね合わせてこれを高
温・高真空下に保ち、かつ、上下から加圧し、
もつて、金膜ｂを介して基材１と蓋体２とを拡
散によつて接合してある。

而して、かかる拡散接合によれば、その接合
面が合金化するので機械的強度を高く期待で
き、かつ、ガスのリークも認められず、優れた
接合を図り得るものとして採用している。

次に、同図ホに示すように、前記蓋体２の外
表面である毛管基板３の一側平面（板状基材１
の底面側であつても良い。）に、酸化法やスパ
ツタリング法による二酸化珪素や、あるいは、
ブラズマCVD（Chemical Vapour Deposition
の略）法による四窒化珪素等の無機物質の絶縁
膜ｃを形成する。

この絶縁膜ｃの形成に先立つて、同図ニに示
すように、前記蓋体２の絶縁膜形成面に研摩処
理を施す。

即ち、シリコンインゴツドをスライスして形
成したシリコンウエハには、そのスライス面に
30〜60μ深さに達する加工変質層が形成されて
いて、スライス面が荒れており、これでは、そ
の表面に絶縁膜ｃを形成してもこれが剥離する
虞れがあり、而してその加工変質層２′に、ラ
ツピング更にはポリツシング等の機械的な、あ
るいは更にアルカリなどの化学溶液を併用した
化学的な研摩処理を施すことにより、絶縁膜ｃ
の形成を確実ならしめるものであり、そしてこ
の際、熱容量を小に、あるいは、センサー感度
並びに特性を良好にかつ均質ならしめる目的
で、研摩後の蓋体２の厚さはもとより、毛管基
板３自体の厚さを所定寸法にするために、基材
１の裏面側も研摩する。

次に、同図ヘに示すように、前記毛管流路Ａ
…の夫々に対応する箇所の前記絶縁膜ｃ上に、
第４図にその一部を拡大して図示したような発
熱抵抗体４…を、フオトリソグラフイー及びエ
ツチングによつて形成する。

詳しくは、前記蓋体２の両側に見える溝ａの
両端を位置決めの目安にして毛管流路Ａ…に対
応する所定位置に、ニツケル・クロム膜をスパ
ツタリング法などにより所定大きさに形成し、
該膜上にフオトレジストを塗布する。

そして、所定形状の抵抗体パターンを有する
マスクを前記フオトレジストにかけて露光並び
に現像を行ない、該フオトレジストにエツチン
グパターンを形成するのである。

そして次に、イオンビームミリング装置等に
よつて抵抗体膜をエツチングし、所定形状の抵
抗体パターンを形成する。次いでイオンビーム
エツチング又は溶剤等によつて前記フオトレジ
ストを除去することにより、所定のパターンの
発熱抵抗体４を形成するのである。

尚、第４図中のｄは膜状抵抗体部分であり、
ｅ，ｅはボンデイングパツドである。

次いで、第１図トに示すように、前記ボンデ
イングパツドｅ…を除く膜状抵抗体部分ｄ…の
表面に、スパツタリング法による二酸化珪素や
プラズマCVD法による四窒化珪素等の無機物
質の絶縁膜ｆを形成する。

さて次に、同図チに示すように、前記発熱抵
抗体４の夫々に対してそれの毛管流路Ａの上流
側と下流側に相当する箇所に冷接点Ｃ…と温接
点Ｈ…を位置させる状態で、前記発熱抵抗体４
の上部側にサーモパイル６を形成する。

詳しくは、第５図に示すように、既述したフ
オトリソグラフイー及びエツチング法によつ
て、１個の発熱抵抗体４に対して複数の金属膜
（例えばアンチモン：Sb）ｇ…を並列状に形成
し、次に、前記金属膜ｇ…の各端部を除く状態
で該金属膜ｇ…の上面に絶縁膜ｈを形成すると
共に、フオトリソグラフイー及びエツチングに
よつて、隣る金属膜ｇ，ｇの端部どうしを接続
する状態で、かつ、前記金属膜ｇとは異なる材
質（例えばビスマス：Bi）の金属膜ｉ…を形
成し、これをもつて膜状のサーモパイル６を形
成するものである。尚、図中のｊ，ｊは、直列
接続された金属膜ｇ…，ｉ…の端部夫々に設け
たボンデイングパツドである。

次に、第１図リに示すように、外部配線接続
用のボンデイングパツド５…を、例えば既述し
たフオトリソグラフイー及びエツチングによつ
て前記ボンデイングパツドｅ，ｊに接続状態で
設け、かつ、該パツド５…を除いて保護膜ｋを
設ける。尚、前記ボンデイングパツド５の材料
としては、ボンデイングの容易さ並びに化学的
安定性等の面から金が最も望ましいが、その材
質は種々変更可能である。

さて次に、第２図に示すように、前記毛管基
材３を蓋体２の割円切除部近くに沿つて切断
（図中x₁）すると共に、更に、並列状態に形成
した毛管流路Ａ…の隣接中央において毛管基板
３を切断（図中x₂）分離し、かつ、両側の毛管
流路Ａ，Ａにおいては流路Ａ…の隣接中央に相
当する箇所で円弧部A₁，A₁を切断（図中x₃）
切除して、毛管基板３を断面角形の毛管基材７
…とすることによつて、第３図に示すような流
量センサーＳを、１個の毛管基板３をもつて一
挙に多数個作製することができるのである。

上記構成の流量センサーＳに、第６図に示す電
気回路を接続し、前記発熱抵抗体４に電源８から
電流を流してこれを発熱させると共に、毛管流路
Ａに被測定ガスを流すのである。

すると、該被測定ガスが加熱されて、発熱抵抗
体４の上流側と下流側における冷接点Ｃと温接点
Ｈ間に温度差が生じる結果、上記接点Ｃ，Ｈ間
に、被測定ガスの質量流量に応じた熱起電力が生
じるものであり、この熱起電力を基にして被測定
ガスの質量流量を計測することができるのであ
り、あるいは、或る質量流量に相当する熱起電力
を生じさせるようにガス流量を調節することによ
つて、被測定ガスの質量流量の制御を行なうこと
ができるのである。

第７図に毛管基板３の変形例を示す。このもの
は厚さ方向で貫通するスリツト溝ａ…を互いに平
行に形成したシリコン結晶製の板状基材１と、該
基材１の溝ａ…を上下から閉じる同じくシリコン
結晶製の２枚の蓋体２，２とから形成されてい
る。

尚、既述した作製手順の一部を変更することに
よつて、単品の流量センサーＳを作製することが
可能である。

即ち、第８図に示すように、適宜の手段によつ
て毛管流路Ａを形成した断面が矩形のシリコン結
晶製毛管基材７を作製し、この毛管基材７に対し
て上記、、、、と同様のプロセスを経
ることによつて、単品の流量センサーＳを作製で
き、かくして作製した複数個のセンサーＳ…は、
それらの特性が同じものとなる。

本発明の流量センサーＳ並びにその製造方法に
おいては、 ：発熱抵抗体４及びサーモパイル６を、リフト
オフ法によつて形成すること。

：発熱抵抗体４を形成し、それのボンデイング
パツドｅにボンデイングパツド５，５を設けて
後に、サーモパイル６を形成すると共にそれの
パツドｊ，ｊにボンデイングパツド５，５を設
けること。

：サーモパイル６において、一方の金属膜ｇ…
の上面に他方の金属膜ｉを設けること。

：毛管流路Ａ方向においても複数のセンサー主
体を形成して、これらを切断分離して多数の流
量センサーＳを作製すること。

等の変形が可能である。

以上説明したように本第１発明の流量センサー
は、温度差検出器としてサーモパイルを用いたの
で無電源となり、電源変動等の影響を受けない高
感度測定が可能である。

毛管流路の上流側及び下流側の絶対温度に関係
なく、２つの接合部（冷接点と温接点）の温度差
だけを直接的に指示するので、周囲の雰囲気温度
等の影響を受け難い。

発熱抵抗体とサーモパイルを分離させているこ
と、及び、有機物質を全く用いていないことによ
つて、センサー素子の経年変化を生じることがな
い。

断面矩形の毛管基材の一側平面に、発熱抵抗体
とサーモパイルを設けるものであるから、それら
を半導体プロセスで形成することが可能となり、
現在の半導体技術をもつて、均質で信頼性の高い
流量センサーを生産性良く得られる。

更に、発熱抵抗体及びサーモパイルを、例えば
金属製の毛管基材の一側面に設けることが考えら
れるのであるが、金属はその熱膨張率が高いため
に、抵抗体の発熱によつて毛管流路が曲つて計測
上の誤差を生じる虞れがあり、この点にあつて毛
管基材をシリコン結晶製とすることにより、シリ
コンはその熱膨張率が金属例えば鉄の約1/6で曲
りによる計測上の誤差を極めて小にでき、優れた
計測結果を得ることができるのである。

そして本第２発明による流量センサーの製造方
法によれば、上記した優れた機能を有する流量セ
ンサーの複数個を一挙に得られるものであり、こ
れによつて、均質で信頼性が高く、しかも、経年
変化を生じない等の優れた機能を有する流量セン
サーの多量生産を実現でき、延いては流量センサ
ーの大幅なコストダウンを達成するに至つた。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による流量センサー及びその製造
方法に係り、第１図イ〜リは流量センサーの製作
手順を示す説明図、第２図は流量センサーを切断
分離する以前の全体平面図、第３図は流量センサ
ーの縦断面図、第４図は発熱抵抗体のパターンを
示す正面図、第５図はサーモパイルの斜視図、第
６図は電気回路図、第７図は毛管基板の変形例を
示す部分破断分解斜視図、第８図は毛管基材の変
形例を示す部分斜視図である。第９図は従来の流
量センサーと共に電気回路を示す説明図である。 １……板状基材、２……板状蓋体、３……毛管
基板、４……発熱抵抗体、５……ボンデイングパ
ツド、６……サーモパイル、７……毛管基材、ａ
……溝、ｋ……表面保護膜、Ａ……毛管流路、Ｃ
……冷接点、Ｈ……温接点、Ｓ……流量センサ
ー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に毛管流路を形成した断面矩形のシリ
   コン結晶製毛管基材に対してそれの一側平面に
   電気絶縁膜を設け、該電気絶縁膜上に膜状の発
   熱抵抗体を形成すると共に、該発熱抵抗体に対
   してそれの上流側に冷接点をかつ下流側に温接
   点を位置させる状態で膜状のサーモパイルを設
   け、更に、前記抵抗体とサーモパイルの夫々に
   外部配線接続用のボンデイングパツドを設けて
   あることを特徴とする流量センサー。 ２ ほぼ同寸法の複数個の溝を互いに平行に形
   成した板状基材と、該基材の前記溝を閉じる板
   状蓋体とを拡散接合して、多数の毛管流路を並
   列に備えるシリコン結晶製の毛管基板を作製
   し、該毛管基板の一側平面に電気絶縁膜を設け
   ると共に、前記毛管流路の夫々に対応する箇所
   の前記電気絶縁膜上に膜状の発熱抵抗体を形成
   し、該発熱抵抗体の夫々に対して毛管流路の上
   流側と下流側に相当する箇所に冷接点と温接点
   を位置させる状態で、かつ、前記発熱抵抗体に
   対して電気絶縁状態で、膜状のサーモパイルを
   形成すると共に、該サーモパイルに外部配線接
   続用のボンデイングパツドを設け、かつ、前記
   サーモパイルの形成に先立つてあるいは形成後
   に前記抵抗体に外部配線接続用のボンデイング
   パツドを設け、更に、表面保護膜を設けて後に
   前記毛管基板を毛管流路の隣接中間において切
   断分離して、複数個の流量センサーを作製する
   ことを特徴とする流量センサーの製造方法。