JPH02132328A - 流速センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサに関する
。市販されている空気の流れ速度に関するセンサは、一
般的には、空気の流れの中に挿入する長いプローブの先
に、１本の熱線かサーミス夕を配置するものである。こ
れは、空気の流れによる冷却効果によって引き起こされ
る温度低下と、それに伴う電気抵抗値の変化により空気
の流れ速度を測定するものである。こういうデバイス構
成であるからセンサエレメントは空気の流れにさらされ
るので、破損や汚れを受けやすいのである。

しかも、この空冷による温度変化は全く直線性がないた
め、得られる電気信号を電子回路により、リニアライズ
することが必要となる。さらにこれらは高価であるため
量産には適さない。

本発明に関連しているものとして、次のような市販され
ている質量流速センサがある。このセンサは、空気やそ
の他の測定ガスが通り抜ける金属管と、この金属管の１
区域を抵抗加熱する変圧器と、この区域に装着される２
ヶの大きなヒートシンクと、この熱区域の中心とヒート
シンクの間の熱区域の中間に対称的に金属に取りつけら
れる２ヶの熱雷対から構成される。金属管を通しての空
気の流れが、上流にある熱電対を冷やし、下流にある熱
電対を熱する。変圧器が一定の電力で駆動されていると
き、この熱電対の出力電圧の差が質量流量の測定の目安
となる。これはかなり電力を必要とする大きな装置であ
る。大きなダクトの中や屋外での流量測定には適さない
し、高価であり量産もできない。

すなわち、次のような特性を有する流速センサもしくは
質量流速センサと、これに関連する信号処理回路が必要
とされている。寿命が長く、メンテナンスフリーで、小
型で、低消費電力で、広範囲な分野へ簡単に適用でき、
大きな出力信号を有し、そして広い速度レンジにわたっ
て直線性があるかあるいは容易に直線化できる出力特性
を有するようなものである。更に量産が可能で、低価格
なものでなければならない。

文献にはこれらの要求に関連して、流速センサを改善し
ようとしてなされたいくつかの試みが示されている。こ
れらの試みは、以下に述べるように、一般的には、焦電
材料か、シリコンとその半導体特性を利用しようとする
ものである。これらの試みはいくつかの点で技術的な改
善をもたらしたが、現在の流速センサとして求められて
いる沢山の特性に関して、いまだ不満足なものである。

本発明は、いかなる従来技術と比べても大幅にこれらの
要求を満足するように、技術的に進歩している。次に、
よく知られている最も関連が深い従来技術について述べ
ることにする。

ヒュイジング（＊１）らが発明した流速センサは、シリ
コンチップの両端近傍に埋め込まれた拡散型トランジス
タからなる同一の２ヶの温度検知素子と、これらの中心
に配置されシリコンチップを空気温度より４５゜Ｃ熱す
るための拡散型トランジスタからなるヒータ素子から構
成される。空気が流れると流れの上流に位置する温度検
知素子は、下流に位置する温度検知素子よりもわずかに
冷やされ、この２つの温度検知素子の温度差が電流の差
になり、電圧に変換されて空気の流速が測定される。こ
の温度検知素子は、感知できる程度の温度差を実現する
ために、チップの対向する両端に配置させなくてはなら
ないが、それでも生ずる温度差は小さく、０〜５　０　
０　ｃｍ／秒の速度範囲で０〜０．２゜Ｃ以下の温度変
化にすぎない。

＊ＩＪ．■．Ｈｕｉｊｉｎｇ，　ｅｔ　ａｌ：　ＩＥＥ
Ｅ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　　ｏｎ　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏれ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　　　Ｖｏｌ．ＥＤ−２９，　
Ｎｏ．　Ｌ　ｐｐ．１３３−１３６Ｊａｎｕａｒｙ＋　
１９８２ バップテン（＊２）らが発明した流速センサは、シリコ
ンチップの向かい合う各４辺上に埋め込まれた同一の拡
散型抵抗素子から構成される。すべての抵抗素子は自己
発熱し、これによりシリコンチップは流れてくる空気の
温度よりかなり熱せられる。抵抗素子は電気的な２重ブ
リソジ回路で駆動される。空気の流れがないとき、すべ
ての抵抗素子は同一温度になるので、２重ブリッジ回路
は電気的にバランスする。空気の流れがあるとき、流れ
に対して垂直なあ上流及び下流の抵抗素子は、流れに対
して平行な両側の抵抗素子により冷やされることになる
。この温度差が２重ブリッジのバランスをくずし、空気
の流れ速度が測定される。

＊　２　　八．Ｆ．Ｐ４ａｎ　　Ｐｕｔｔｅｎ　　　ｅ
ｔ　　ａｌ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ　　Ｖｏｌ．　　１０　　Ｎｏ．２１ｐｐ．４２５−
４２６，　　Ｏｃｔｏｂｅｒ，　　１９７４マリン（＊
３）らが発明した質量流量センサは、大きなシリコン細
片上の拡散型抵抗素子からなる２ヶのセンサと、そのセ
ンサの間の中心に配置される拡散型のヒータ素子から構
成される。この技術は、市販されている金属管を熱する
タイプの質量流量センサに類偵している。空気の流れに
より、流れの下流に位置するセンサは熱せられ上流に位
置するセンサは冷やされるので、これらのセンサの温度
の差がセンサ両端に生ずる電圧の差をもたらし、質量流
量が測定される。

＊　３　　Ｋ．Ｍａｌｉｎ，　ｅｔ　ａｌ：　ＩＢＭ　
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅ
ｔｉｎ　　Ｖｏｌ．２１，　Ｎｏ．８Ｊａｎｕａｒｙ，
　１９７９ ラハナマイ（＊４）らは、結晶学的に配置される磨かれ
た単結晶のタンタル酸リチウムの薄い板の背面全面に金
属薄膜を付着させ、表面中心には薄膜状に付着させたヒ
ータ抵抗素子を配置し、これから同じ距離離れて配置さ
れる２つの薄膜電極とから構成されるセンサを開示して
いる。ここでタンタル酸リチウムの大きさは、長さ８ｍ
ｍ、幅４ｍｍ、最小板厚は０．０６ｍｍである。文献に
述べられているように、この板の下を空気が流れるよう
にするために、この板の両端を大きなネジ頭の上に支持
させている。上流と下流に位置する２つの電極は、背面
の電極面との間で分離した同一のコンデンサを構成し、
温度検知用のコンデンサとして働く。動作は、例えば２
〜１０Ｈｚのような低い周波数の電圧でヒータ素子を駆
動することで、ヒータ素子を流れる空気の温度に対して
周期的に熱する。センサ素子も、タンタル酸リチウムを
通しての熱伝導により、これに対応して周期的に熱せら
れることになる。このタンタル酸リチウムは焦電材料で
あることから温度に対応して分極を生ずることになるが
、空気の流れがないときには、２つのセンサに発生する
周期的な分極電圧は同一のものとなる。したがって空気
の流れがないときの２つのセンサの間の電圧の差はＯと
なる。

文献でも述べられているように、空気の流れがあるとき
、上流に位置するセンサ素子は下流に位置するセンサ素
子よりも冷やされることになるので、これらのセンサの
温度の差が電圧の差をもたらし流速が測定される。

＊　４　　Ｈ．Ｒａｈｎａｍａｉ．　ｅｔ　ａｌ：　ｐ
ａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔ　ｔｈｅ　１９８０
　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅ
ｖｉｃｅｓ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　　ＩＥＥＥＷａ
ｓｈｉｎｇｔｏｎ　Ｄ．Ｃ．，　　ｐｐ　６８０−６８
４Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　８−１０．１９８０前述したよう
に、これらの試みはいくつかの点で技術的な改善をもた
らしたが、現在のセンサとして求められている沢山の特
性に関して、いまだ不満足なものである。本発明は、こ
れらの要求を充分満足すべく技術を進歩させたものであ
る。

本発明は単一の抵抗格子２６と、これらを浮かして保持
する基板２０とから構成される。そしてこの抵抗格子は
２つの電圧取り出し口を有し、２つの取り出し部分（熱
感知センサ部分）と非取り出し部分（中央部分）に区分
され、２個の熱感知センサ部分は非取り出し部分の両側
面に対向して配置される。

本発明の具体的実施例として、基板２０は半導体、その
中でも特に精密なエッチング技術を応用できる点と、チ
ップの生産性の高い点からシリコンが選択される。そし
てこの基板上に形成される格子形状をなす単一の抵抗格
子２６は薄膜のヒータのみならず、熱関知センサとして
働く。この抵抗格子２６としては、鉄とニッケルの合金
、例えば８０％のニッケルと２０％の鉄からなるパーマ
ロイといったものを使うことが適している。この抵抗格
子２６は、例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層２
８、２９により包まれて、薄膜部材を形成する。第２図
の実施例に示すように、センサは、抵抗格子２６Ｆを含
む薄膜部材３２Ｆから構成され、幅１５０μ長さ４００
μの大きさを有する。

さらに本発明で開示するセンサは、抵抗格子２６を効果
的に包む空気スペース３０を有する。この空気スペース
３０はシリコンの表面３６に微細構造をもって構成され
る。すなわち抵抗格子２６は、約０．０８〜０．１２μ
の厚さで線間に約５μの空間を有する幅５μの線からな
り、しかもこれらは全体の厚さが約０．８μ以下になる
ように窒化シリコンの薄い膜によって包まれるように構
成される。そしてエソチングにより窪みである空気スペ
ース３０が薄膜部材３２の下のシリコンの基板２０の中
に１２５μの深さで正確に形成される。薄膜部材３２は
、空気スペース３０の１つまたはそれ以上のエッジにお
いて、シリコンの基板２０の表面３６の最上部に接続さ
れる。例えば第１図に示すように、薄膜部材３２は、空
気スペース３０を架橋するように、あるいは第ＩＡ図に
示すように片持ちぼりで構成することもできる。

窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体である。

薄膜部材３２を包む窒化シリコンの膜が極めて薄くかつ
熱伝導率もよいことから、窒化シリコン膜による抵抗格
子２６から熱感知センサ部分に伝わる熱のほとんどが抵
抗格子２６を取り囲む空気を通して伝えられることにな
る。

空気の流速を検出するという本発明の原理を第２図に基
づいて説明する。抵抗格子２６は、基板２０の温度より
２００’　Ｃ高くなる一定の温度に加熱される。このシ
リコンの基板２０の温度は流れている空気の温度と殆ど
同しものである。具体的には、シリコンの基板２０がＴ
Ｏ−１　０　０タイプのメタルヘッドもにくはサーディ
プバケージのようなヒートシンクに搭載されている空気
の温度より０．５゜Ｃ高くなるにすぎない。又、抵抗格
子２６の温度を流れる空気の温度より２００゜Ｃ高く保
つといっても０．ＯＯＩＷより小さな電力が要求ざれる
にすぎない。

図に示すように、熱感知センサ部分（取り出し口９８−
１０２間及び１００−１０４間の部分）は抵抗格子２６
の中央部に対して正確に対称に配置されるので、空気の
流速がＯの時にはこの２つのセンサの抵抗値に差は生じ
ない。

空気の流れがあるときにはこの実施例において上流に位
置する熱感知センサ部分は抵抗格子２６へ向かう空気の
流れにより熱が運び去られるので冷やされ、一方、下流
に位置する熱感知センサ部分は抵抗格子２６からの空気
の流れによって熱せれることになる。これによって生じ
る熱感知センサ部分２２の間の抵抗値の差が電圧値の差
をもたらし流速が測定される。

抵抗格子２６の熱容量が極めて小さいことと、基板への
接続手段である窒化シリコン膜によりあたえられる熱的
絶縁性と、空気スペース３０の存在により、本発明の応
答性は測定結果によれば時定数が０．００５票と非常に
速いものとなる。すなわち熱感知センサ部分は空気の流
れの変化に非常に速く応答できることになる。

本発明において、抵抗格子２６は空気の温度に対して一
定の温度となるように駆動され、熱感知センサ部分の温
度変化は抵抗値の変化となり、電圧のへんかとして検知
されることとなる。第４図に示された回路は抵抗格子２
６の温度を制御するためのものである。

本発明において周囲の空気の温度は、シリコンの基板２
０をヒートシンクとして形成される比較抵抗３８によっ
てモニタされる。比較抵抗３日は、１ｌ 抵抗格子２６と用に格子状のパーマロイによって構成さ
れかつシリコンの表面３６上に絶縁層２８と２９に包ま
れて配置される。

絶縁層２８と２９の厚さは合わせて０．８μと非常に薄
いため相対的に熱伝導がよくなることから、これらの絶
縁層の垂直方向を通して、熱が出入りすることになる。

比較抵抗３８は絶縁層に包まれて基板２０の表面３６に
直接取り付けられており、ヒータ２６がまわりの温度よ
り２０゜Ｃ高く熱せられていても周囲の空気の温度と０
．５゜Ｃ以内の範囲にある基板２０の温度を容易にモニ
タできることになる。すなわち比較抵抗３８は、基板２
０の温度を検知することにより、それとほとんど一致す
る流れる空気の温度を検知することになる。

第４図に示される温度制御回路は抵抗格子２６の温度を
比較宛以降３８に検出される周囲温度よりも高い一定温
度に保ためのホイトストンブリッジ回路４６により構成
される。ここで前述したように本発明の実施例では、こ
の一定値は約２０ｌ２ ０゜Ｃに設定されている。ホイトストンブリッジ回路４
６は、ヒータ２６と抵抗４０により一辺を、比較抵抗３
８と抵抗４２、４４により一辺を構成している。アンプ
４８と５０からなる積分回路は、出力の電位を変化させ
ることでブリソジ回路４６がバランスするように動作し
、ヒータ２６によって消費される電力を一定に保つよう
にする。

本発明で開示するセンサの特徴の１つとしては、広いレ
ンジの空気の流れ速度に対して、熱感知センサ部分の感
知する温度の差が大きくとれるようにと構成されている
点があげられる。この結果、流速測定の制度が著し《高
められ測定も容易となる。空気の流れで冷やされる上流
に位置する熱感知センサ部分と、中央部分からん熱によ
り熱せられる下流に位置する熱感知センサ部分という２
つのセンサの出力を結び付けることで大きな温度差の効
果が得られるのである。この熱することと冷やすことを
結び付けて大きな温度差を得るためには、 （１）熱感知センサ部分を空気に対して比較的強く熱的
に結合させることが必要となる。すなわち熱感知センサ
部分がシリコンの基板２０から実質的に熱的に絶縁され
なくてはいけない。

そしてこれは、薄膜部材３２Ｆ、３２Ｇを包む窒化シリ
コン膜の長手方向に沿った方向の熱伝導率が比較的小さ
いということと、薄膜部材３２Ｆ，３２Ｇと基板２０の
間に約１２５μの負荷さで正確に形成される空気スペー
ス３０によって可能となる。

（２）この実施例において空気の流れの上流に位置する
熱感知センサ部分を大きく冷やすことが必要となる。こ
れには抵抗格子２６の温度を高く設定する必要がある。

そしてこれは、空気スペース３０を介することで熱惑知
センサをシリコンの基板２０がら熱絶縁ずることと、薄
膜部材３２の長手方向に沿った方向の熱伝導率が小さい
ということと、抵抗格子２６野を高く設定することによ
って可能となる。この抵抗格子２６の温度が高く設定で
きるためにも、空気スペース３０を介して抵抗格子２６
をシリコンの基板２０から熱的に絶縁することと、薄膜
部材３　２．Ｆ、３２Ｇの長手に沿った方向の熱伝導率
が小さいということが必要である。

（３）この実施例において空気の流れの下流に位置ずる
熱感知センサ部分２を、中央部分からの熱を伝えること
で大きく熱することが必要となる。これは空気スペース
３０を介することで熱感知センサ部分をシリコンの基板
２０から熱的に絶縁することと、薄膜部材３２Ｆ、３２
Ｇの長手に沿った方向の熱伝導率が小さいということと
、抵抗格子２６の温度を高く設定することによって可能
となる。この抵抗格子２６の温度が高《設定できるため
にも、空気スペース３０を介して抵抗格子２６を根の基
板２０から熱的に絶縁することと、薄膜部材３２Ｆ、３
２Ｇの長手に沿った方向の熱伝導率が小さいということ
が必要である。

（４）熱感知センサ部分と、中央部分の間の距離を最適
な値に選択する必要がある。

第２図に示す実施例は、電圧取り出し口９８、１００を
有する電気的抵抗性の格子２６Ｆから構成され、この電
圧取り出し口は、全抵抗の各々の終端とにおける抵抗区
間の電圧の測定を可能としている。図示されている電圧
取り出し口９８、１００は１４本からなる格子の各々の
両端の４本の格子線を取り出しているが、これに限らず
望む何本の格子線数を取り出すことも可能である。更に
、取り出し部分と非取り出し部分（中央部分）との空間
も、示されている１本線幅の空間から変更することも可
能である。

図に示されているように、電気的抵抗性の格子２６Ｆは
、薄膜部材３２Ｆの中央の面積のほとんどを占めている
。格子２６Ｆの格子線は薄膜部材３２の長手方向に対し
て平行に配置される。格子２６Ｆの全抵抗値は１５ｌＯ
Ωで、電圧取り出し口９８、１００は、全抵抗値の両終
端とにより区切られる３３０Ωの抵抗区間の測定を可能
とならしめている。格子２６Ｆを空気スペース３０の上
に支持する薄膜部材３２Ｆの大きさは、図示された実施
例においてや、およそ幅１５０μ、長さ４００μである
。パーマロイ板１０６と１０８は電気的に絶縁されてい
て、薄膜部材３２Ｆを強化するために使われている。

第３図に示す実施例においては、抵抗格子は薄膜部材の
長手方向に平行になるように配置される。

空気のなからが薄膜部材の横方向にあわされたとき表面
の形状で小さな乱流が発生する可能性があるのに対して
、これらの実施例の長所は、この小さな乱流を引き起こ
さない連続的な表面を保証するということにある。空気
の流れを薄膜部材の横方向に合わせる実施例と比べ、薄
膜部材の下の空気の流れが殆どなくなることである。

リード部１０２、１０４を第４図に示すような回路に接
続することで、格子２６Ｆは、周囲より約２００″Ｃ高
い温度にと自己加熱されることになる。そのような温度
においては、格子２６Ｆの全抵抗値はおおよそ２５００
Ωになる。空気の流れは典型的には薄膜部材３２Ｆの横
方向にむけられるため下流側よりも上流側をより冷やす
ことになる。２つの電圧取り出し口区間が同一であると
するならば、空気の流れがないときは、電圧の差はＯで
ある。空気の流れがあるときには、２つの電圧取り出し
口区間に温度差が生じるために抵抗値に差が生じ、電圧
差が発生する。この電圧差が空気の流れ速度に対抗する
センサの出力となる。

第３図に示される実施例は、抵抗性の格子２６Ｇの格子
線が薄膜部材３２Ｇの中心線に対して直交するように配
置されている点と、空気の流れが典型的には薄膜部材３
２Ｇの中心線に対して平行に向けられている点を除けば
、第２図の実施例と実質的に同一のものである。第３図
の実施例において格子２６Ｇの全抵抗値は１４２０Ωで
、電圧取り出し口９８Ｇ、１００Ｇと全抵抗の各終端と
の抵抗区間の抵抗値は４２０Ωである。第２図及び第３
図の実施例の格子の全抵抗値は、典型的には約２５°Ｃ
において、おおよそ５００Ωから２０００Ωの範囲の値
にある。全抵抗値の各終端とと電圧取り出し口との抵抗
区間の抵抗値は、点低的には格子の全抵抗値のおおよそ
２０％から４０％の範囲の値にある。この実施例に示さ
れたその他の値も一例に過ぎず、これに限定するもので
はない。

尚、予備実験によれば、同し流れ速度についてのるなら
ば、抵抗格子をチップの中心位置に配置させたものより
チップの端に配置させた方が出力は大きかった。そのた
め、空気スペース３０の上流部分が開かれるか、あるい
は空気スペース３０の下流部分が開かれると側壁により
遮られないので、空気がより流れやすくなる。どちらが
開かれてもチノプの中心に配置する配置例より出力特性
は大きくなるのであるが、空気スペースの上流部分の側
壁を欠いたものよりもかなり大きな出力を示した。

これに替わる流速センサの構成としては、空気スペース
３０を横切る１つあるいは複数の薄膜部材に吊るされる
、２つの自己発熱性の抵抗素子を有するものが考えられ
る。こので１つの抵抗素子は他の抵抗素子に耐え下流に
置かれ、どちらの抵抗素子のヒータ及びセンサとして交
互に働くように構成される。すなわち、上流の抵抗素子
が周囲に対して一定温度高くなるように熱せられると、
下流の抵抗素子の温度が検出される。そして２つの抵抗
素子はその機能を交代し、その前にセンサとして働いた
抵抗素子は今度は周囲に対して一定温度高くなるように
熱せられ、残りのもう１つの抵抗素子の温度が検出され
ることになる。このように２つの抵抗素子は各々、自己
発熱モードと温度検出モードを交互に切り換えていく。

すなわち、抵抗素子が温度検出モードにあるときは、自
らの発熱によって熱せられることはなく、自己発熱モー
ドにある他の抵抗素子によって熱せられることになる。

自己発熱モードで同じ温度に熱せられるようにされてい
るならば、空気の流れがないとき、温度検出モードにお
ける各々の抵抗素子は、ほとんど同一の温度に熱せられ
ることになるであろう。このように、空気の流れがない
という状態のもとでは、２つのパルス化された温度信号
の差はほとんどＯになる。そして空気の流れがあるとき
には、下流の抵抗素子は上流の抵抗素子瑳りも熱せられ
ることになることから、２つの抵抗素子の温度信号に有
意な差が生じ、その結果、流れ速度信号が得られること
になる。

他のこれに替わる速度センサの構成としては、空気スペ
ース３０を横切る１つあるいは複数の薄膜部材に吊るさ
れる、３つの抵抗素子を有するものが考えられる。ここ
での中央の抵抗素子は自己発熱の温度パルスの増加と減
少が電流パルスの頂上と底において熱的な平衡に近づく
ようなパルス幅と間隔を有する電流パルスによって発熱
されるよう構成される。ここで典型的には、このパルス
幅とパルス間隔は等しく設定される。センサとして働く
２つの抵抗素子は、空気を介しての熱伝達により発熱パ
ルスに対応するものを感知する。すなわち、先に述べた
ように空気の流れに影響されて、発熱パルスはセンサ素
子内に対応する発熱パルスを引き起こす。抵抗素子をパ
ルスで発熱させるための回路は、一定の温度で発熱させ
るいわばＤＣモードに要求される回路よりはかなり複雑
となるが応用上いくつかの利点が得られる。たとえば、
この構成の流速センサの出力は、実際上、２つのセンサ
素子によって感知される温度パルスに対応する電圧パル
スを引き算することによって得られる。すなわち、２つ
の交流パルスの差が出力されることになる。このような
交流成分の出力は、流速センサと信号処理回路との間に
電圧絶縁が要求されるようなときには、都合がよい。他
の利点としては、センサとして働く２つの抵抗素子の抵
抗値のわずかな変化の違いにより引き起こされる流速測
定の誤差を小さくすることができるという点がある。こ
の抵抗値の変化の違いは、例えばセンサの汚れとか酸化
の違いにより引き起こされる。

２つのセンサの交流電圧の差をとることによって、こう
いう誤差はなくすことはできないが小さくすることはで
きることになる。なぜなら、差をとることによって、酸
化とか汚れとかによるセンサの抵抗値の変化は、抵抗値
そのものの変化としてではながうて交流パルスのわずか
な変化としてとらえられることになるからである。これ
から、出力の電圧誤差の大きさは、おおよそ、センサの
パルス抵抗値に対する抵抗値の比と等しくなる因子まで
減少させられることになる。パルスモードの使い方は応
用上望ましいのであるが、信号処理回路が複雑になるこ
とから、本発明の実施例においては必すしも必要なもの
ではないし典型的には用いられていない。なおパルスモ
ードの動作では、パルス的に熱するためにヒューレッド
パッカード社の３３１０というファンクションジェネレ
ー夕を用いた。そのような回路はシリコンの基仮２０上
、すなわち領域１１６において集積化させることが可能
である。

本センサを製造するプロセスは、（１００）＋１７）結
晶面を有するシリコンウエハーが用いられ、これの表面
には窒化シリコンの絶縁層２９が形成される。この絶縁
層２９は典型的には４０００オングス１〜ロームの厚さ
であり、普通の低圧ガス放電のスパンタリング技術によ
り付着され形成される。

次に、典型的には８０％の二冫ケルと２０％の鉄からな
るパーマロイの一様な層を、８００オングストロームの
厚さをもって窒化シリコン膜上に、スパノタリングによ
り付着させる。

適当なフォトマスクとフォトレジスとエッヂング液を使
うことにより、第２図の２６Ｆに示すようなパーマロイ
のエレメントが描かれる。

そして２番目の窒化シリコンの絶縁層２８が、スバッタ
により付着される。この層の厚さは典型的には４０００
オングストロームであり、抵抗素子を酸化から防ぐため
に形成される。

薄膜部材３２Ｆ、３２Ｇを形成するために、開口部８２
Ｆ、８２Ｇが、窒化シリコンを通して（１００）結晶面
のシリコン表面までエッチングされる。開口部８２Ｆ、
８２Ｇの大きさは、ほとんど設計上の選択の問題である
。破線１　１４Ｆ、１１４Ｇが空気スペース３０のおお
よその形状を表している。

最後に、窒化シリコンをいためない異方性のエッチング
液を遣い、制御された方法により、薄１１！部材３　２
　Ｆ，　３　２　Ｇの下のシリコンをエノチングする。

エッチング液としては、ＫＯＨとイソプロバノールアル
コールを混合したものが適している。空気スペースをの
傾斜面はエノチンダ液に対して抵抗性のある（１　１　
１）あるいは他の結晶面により囲まれている。空気スペ
ース３０の底面は、エッチング液に対してほとんど抵抗
性のない（１００）結晶面であり、薄膜部材３２Ｆ、３
２Ｇ力・ら一定の距離すなわち１２５μの深さの位置に
おかれている。この深さは、エッチングの時間を加減す
ることで実現される。空気スペースの深さを制御するた
めにホウ素をドープしたようなエッチングを停止させる
ストップ層を用いることもできるが、本発明の形成には
特に必要ではない。エッチングの時間を加減することで
、空気スペース３０の深さは約３μの精度もしくは約２
％で制御できることになる。この精度が、薄膜部材を取
り囲む空気スペースの熱伝達特性と、空気の流れ速度に
対する特性の正確な再現性を導き出すことになる。

第３Ａ図に示されるような片持ちばりの薄膜部材の下や
、第３図に示されるような架橋する薄膜部材の下を有効
的に削り取るために、第２図に１１０として示される薄
膜部材３４の直線エッジは、シリコンの（１１０）結晶
軸に対してＯでない角度１１２をもって配置される。（
本発明においては、薄膜部材の直線エッジもしくは軸を
、シリコンのＩ：１１０）結晶軸に対してある角度で配
置するという内容も含んでいるが、薄膜部材のエッジを
直線に形成したい、もしくは軸が容易に決定できないよ
うな形に薄膜部材を形づくることもありうる。しかしな
がらこれからのべるように、薄膜部材の配置は、このア
ンダーカットを最小時間で実現するような角度をもって
配置される。）角度１１２をほぼ４５゜とすることによ
って、薄膜部材の下を削る取る時間は最小とすることが
できる。更に角度をＯ゜としないことで、第３図に示さ
れるような両端が接続しているブリッジの政策が可能と
なるのである。すなわちこのような架橋する薄膜部材は
、薄膜部材の直線エッジをほぼ（１１０）軸方向に配置
させたのでは形成することができない。これは薄膜部材
の直線エノジが（１１０）軸方向に配置されていると、
この直線エッジに沿ってさらされる（１１１）結晶面に
対して、異方性のエッジンダ液が削り取っていかないこ
とからきている。

角度１１２を４５゜にすすと、半導体と薄膜部材との支
持境界面をすばやく丸め、平坦にすることになる。これ
により、４５゜に角度を持たない場合に発生する窒化シ
リコンの絶縁層２９の下の２つの（１１１）結晶面の交
差点における応力集中点をなくすことができる。

第１図および第ＩＡ図には、第４図に示されるような回
路の集積化のための領域１１６も示されている。これら
に示された実施例において、薄膜部材の典型的な大きさ
は、幅１２７μ〜１７８μ、長さ２５４μ〜５０８μ、
厚さ０．８μ〜１．２μである。典型的にはパーマロイ
からなる、抵抗格子２６、比較抵抗３８はおおよそ８０
０オングストローム（典型的には８００〜１６００オン
グストロームの間にある）の厚さで、その抵抗値は室温
すなわち２０〜２５゜Ｃにおいて、おおよそ２００Ω〜
２０００Ωの間にある。なおパーマロイの抵抗値は、温
度が室温から４００゜Ｃになると、おおよそ３倍の値に
上昇する。パーマロイ格子の線幅は約５μで線間も約５
μとすることができる。空気スペース３０の深さは典型
的には１２５μであるが、この深さはおおよそ２５μか
ら２５０μの間で容易に変えることができる。シリコン
の基板２０の厚さは、典型的には２００μである。以上
に示したこれらの値は一例にすぎず、これに限定するも
のではない。

薄膜部材の大きさが上述の典型的なものであると、熱容
量は非常に小さなものとなる。薄膜部材とヒータと熱感
知センサの熱容量が極めて小さい点と、これらが窒化シ
リコン層という薄い絶縁手段により基板に支持ざれるこ
とで熱的に絶縁されている点と、これらを取り囲む空気
スペースの存在により、応答時間は非常に短いものとな
る。実測されたところでは時定数は０．００５秒であっ
た。したがって熱感知センサが空気の流れの変化に対し
て非常にすばやく応答できる。また、望むならばヒータ
を５０Ｈｚもしくはそれ以上の周波数でパルス的に駆動
させることも可能となる。

抵抗格子２６の動作温度は、典型的には１００゜Ｃ〜４
００゜Ｃの間に設定されるが、望ましい動作温度として
は周囲に対しておおよそ２００゜Ｃ高く設定する。パー
マロイ素子を用いるならば、これはわずか２〜３ｍＷの
電力にて実現できる。こういう電カレヘルであれば集積
回路で対応できるので、前述したように望ならばセンサ
とともに同じシリコン基板上に製作することも可能であ
る。

２５゜Ｃにおいて６００Ωから１０００Ωの間の抵抗を
有する抵抗格子を使うならば、２〜３■の電圧、２〜３
ｍＡの電流を用いることで適切な動作温度になるための
電力消費を与えることになる。又、本実施例において、
パーマロイの抵抗素子の抵抗値を６００Ωから１０００
Ωの間に選択したのは、エレクトロマイグレーションに
よる素子の損傷という因子もあるからである。エレクト
ロマイグレーションとは、電流密度がある臨界値を越え
る時、物質の移動によって引き起こされる導体内部の損
傷メカニズムであり、温度に依存している。パーマロイ
に関してのこの臨界値は２５゜Ｃにおいて１０Ｘ１０６
Ａ／ｃｍ２のオーダであり。望ましい実施例として、ヒ
ータ素子の抵抗値は典型的には６００Ω〜１０００Ω、
線幅は５μ、そして厚さは０．０８μに設定されている
ので、電流密度は実質的に約０．６Ｘ１０６Ａ／ｃｍ２
より小さなものとなるこの程度の電流密度では、エレク
トロマイグレーションは有害な因子ではない。

工業上で用いられている標準の温度センザのインピーダ
ンスは１００Ω程度である。しかしながら本発明の目的
からして、そのような小さい抵抗値のセンサは、本発明
の実施例において用いられている２５’Ｃで６００Ω〜
１０００Ωの抵抗値を有し厚さがおおよそ０．０８μの
ものに比べて、望ましいものではない。例えば、製造す
る上で、上流と下流に位置する２つの熱惑知センサの抵
抗値は０．１％の程度の精度で一致させることが望まし
い。この一致は、より高い抵抗値のセンサを用いれば、
シリコンチップ上のリード部に関係する抵抗値の違いと
いった望ましくない影響も減ずることができる。更に、
空気の流れがわずかに変化したことによる電圧の変化を
、小さな電流で正確に得るようにするためには、より高
い抵抗を使うことが必要となってくる。加えるに、小さ
な電流を使えば、熱感知センサ自身の自己発熱を避ける
ことができる。この場合、この熱感知センサの自己発熱
は、ヒータの熱の場を変化させ、空気の流れに対する温
度感度を減少させるのであるが、そうひどい影響とはな
らない。加えるに、熱感知センサに流れる電流が大きく
なると、空気の流れがないときの２つのセンサの間の色
々な不一致といった望ましくない影響を大きくしてしま
うことになる。

製造上の目的からすれば、ヒータと熱感知センサの両方
のパーマロイの厚さを同じに選べば、より簡単になり、
より経済的になる。この観点から前述したように本実施
例でも、ヒータと熱感知センサの抵抗値は、典型的には
０．０８μ厚のパーマロイにより似たような値であると
ともに容易に実現できる値となっている。

沢山の計画中の応用に関しても、本発明の望ましい素子
は、前述してきたように、パーマロイの抵抗素子である
。薄膜部材３２、３４が薄い窒化シリコン層に包まれて
いるので、パーマロイ素子は空気による酸化から防がれ
て、４００゜Ｃを越す温度のヒータ素子としても用いる
ことが可能となるこのパーマロイ素子の抵抗の温度依存
性は白金と類似しており、どちらも０゜Ｃにおいて４０
００ｐｐｍの抵抗温度係数を存している。しかしながら
、本発明の構造に対しては、白金よりもパーマロイのほ
うが優れている。白金も温度検知用の抵抗素子として普
通に使われているが、パーマロイは白金のおおよそ２倍
も抵抗値を存するという利点がある。しかも、薄膜状で
みるならば、パーマロイの抵抗温度係数は８００〜１６
００オングストロームの厚さで最大となるが、一方、白
金は少なくとも３５００オングストロームの厚さになっ
てしまう。パーマロイの抵抗温度係数はおおよそ１６０
０オングストロームの厚さで最大となるが、本発明で８
００オングストロームを選んだのは、抵抗値が２倍にな
る点と、抵抗温度係数も１６００オングストロームの値
からわずかに小さいにすぎないからである。従って８０
０オングストロームの厚さのパーマロイ素子を用いるこ
とで、白金に要求されるわずか１／８の表面積で同じ抵
抗値を実現できることになる。すなわち、パーマロイを
使うことでヒータとセンサの熱効率を増せるとともに、
要求される表面積を小ざくできるので価格も下げられる
ことになる。

すなわち、本発明においては、開示したように、パーマ
ロイ素子は微小構造の温度変化検出センサ素子とヒータ
素子の両方に用いられる。

更にパーマロイからなるヒータとセンサを１μ程度の厚
さの窒化シリコンの絶縁層中に包み込むことで、特に高
い温度で問題となる酸化の現象に対して保護膜を提供し
ている。窒化シリコンの絶縁層は、シリコン基板からパ
ーマロイ素子を熱的に絶縁する機能も有する。そして窒
化シリコンは、エッチングに対して高い抵抗性を有して
いることから、薄膜部材３２、３４の寸法を精度よくコ
ントロールすることもできる。更に、この窒化シリコン
の有している工冫チングに対して高い抵抗性の特性から
、空気スペース３０の深さをエソチングにより２５〜２
５０μといったように深くできることになる。この空気
スペースは、最も重要である熱伝達因子を決定する。

以上のように、本発明の望ましい実施例としては、開示
したような微小構造とのかね合いから、パーマロイで熱
感知センサとヒータを形成する。

窒化シリコンの絶縁層は支持用材料として、また望む構
造を形成するために必要なエツヂング時間を実現するた
めの保護的材料として用いられる。

さらに前述したように、薄膜部材をシリコン結晶面に対
して適切に配向させることで、人工的なエソチング停止
手段を使うことなく望む構造を形成得できるとともに、
最小時間で削り取ることができることになる。さらに、
異方性のエソチングを用いることで２５〜２５０μとい
った深い空気スペースを形成することにより、抵抗素子
を集積化半導体デバイスに普通に配置する方法に比べて
、大きな熱的絶縁が実現されることになる。

本発明の要旨は、実施例に述べてきたものに限定される
ものではない。例えば、熱感知センサ素子やヒーク素子
はパーマロイに限るものではな《、適切なものであれば
何でもよい。他の例としては、酸化亜鉛膜のような焦電
型材料や、薄いフィルム状の熱雷対や、半導体材料のザ
ーミスタ膜や、パーマロイ以外の好ましい抵抗温度係数
を持つ金属膜があるであろう。注意しなければいけない
ことは、本文では時々、測定される流れの媒体としては
空気であることを述べてきたが、本発明は他の沢山のガ
ス性の物質に対して応用できるものであることを加えて
おく。すなわち、本発明の応用上の目的からして、「空
気」と使われる言葉の意味は、一ｉ的なガス性の物質を
含んでいると定義することにする。

【図面の簡単な説明】

第１、ＩＡ、２、３図には、本発明の実施例を、第４図
には、本発明に使う回路例を示す。 ２０．．．基板、２６、２６Ｆ、２６Ｇ，．．抵抗格子
、２８、２９．．．絶縁層、３０，空気スペース、３２
、３２Ｆ，３２Ｇ．．．薄膜部材、３８．．．比較抵抗
素子、１１６．．．集積回路 特許出願人　山武ハネウエル株式会社 代理人　　　弁理士　松　下　義　治 手続補正書 平成　１年１２月２９日 ２．発明の名称 ３．補正をする者 事件との関係 名称 ４．代理人 住所 流速センサ 〒１４４東京都大田区西六郷４丁目２８番１号山武ハネ
ウエル株式会社　蒲田工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、全抵抗値を有する薄膜の抵抗素子と、半導体基板か
   らなる流速センサであって、上記抵抗素子は２つの電圧
   取り出し口を有し、上記各電圧取り出し口は全抵抗値の
   各終端との間で区切られるセンサ抵抗区間の電圧の測定
   を可能とならしめ、かつ上記センサ抵抗区間を上記セン
   サ抵抗区間を除いた上記抵抗素子の対向する両側面に配
   置せしめるとともに、上記半導体基板は、上記抵抗素子
   のほとんど大部分を上記半導体基板と非接触な状態に保
   持してなることを特徴とする流速センサ。