JPH0342616B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体又は気体等の流体の質量流量を
測定することの可能なセンサを有するサーマル質
量流量計に関するものである。サーマル質量流量
センサは、熱を印加し且つセンサを通過して流れ
る流体の質量流量に依存する熱伝達関数を測定す
ることによつて動作する。公知の構成において
は、１−要素型，２−要素型及び３−要素型のも
のがある。１−要素型の例としては公知の熱線流
速計がある。２−要素型の構成においては、もう
１個の要素が他方の要素の上流側に設けられてい
る。これら両方の要素が電力によつて加熱され且
つ流体によつて冷却される。上流側の要素は下流
側の要素よりも流れによつて一層冷却され、測定
温度差は流体の質量流量の関数である。３−要素
型構成においては、上流側感温要素及び下流側感
温要素の間に加熱した要素が設けられている。こ
の場合においても、温度差が流れの測定値であ
る。本明細書においては、２−要素型のものと３
−要素型のものとに関するものである。

過去において多数のサーマル質量流量検知装置
が開発されている。基本的に、これらのものは、
流れている流体に熱エネルギを加えると共に流れ
ている流体に関して離隔させ流路壁上に設けられ
ている２個のセンサの間の熱伝達関数乃至は熱質
量移動関数を測定するという原理に基づいて動作
するものであつた。上流側のセンサと下流側のセ
ンサとの間の測定温度差は流体の質量流量の関数
である。質量流量と温度差との間の関係がどの様
なものであるかということは複雑であり、流体の
特性及びセンサの幾何学的形状によつて異なる。
設計上の変数としては、センサの型（２−要素型
又は３−要素型）、熱伝達表面の寸法及び形状、
要素から要素へ及び要素から壁へ伝達される様な
固体熱伝導、熱伝達表面上の局所的速度に影響を
与える流路形状等がある。流れ信号に影響を与え
る流体の特性は組成（粘度，伝導度，比熱等）に
依存するものを包含しているが、状態（温度，圧
力）に依存するものは包含していない。何故なら
ば、この装置は状態とは独立した質量流量を測定
することを意図されているものだからである。

大流量用のトーマス（Thomas）装置の初期の
ものにおいては、何インチもの直径を有するパイ
プを使用しており、ポートを介して円形流れチヤ
ンネル内に２個の離隔させたセンサループを挿入
すると共にそれらの間に別個の加熱要素を挿入し
て３−要素型の装置を形成していた。これらのセ
ンサは、適度の温度範囲に亘つて変化する温度依
存性の電気抵抗を有するプラチナ，ニツケル及び
ニクロム等の様な物質で形成されていた。或る温
度状態に於ける流体が第１の上流側センサを通過
し次いで一層高い温度に加熱されると、下流側の
第２センサの抵抗が変化され、センサ間の測定さ
れた温度差が流量の測定値を表わす。気体内の温
度上昇は、加えられた熱量，センサの幾何学的形
状，導電度，質量流量及び気体の特性の関数であ
る。

最近になつて、２−要素型の質量流量計及びコ
ントローラがアメリカ合衆国カリフオルニア州カ
ーソンのタイロン コーポレーシヨンによつて開
発されており、その質量流量計においては、ニク
ロム線で形成されている１対の等しく加熱される
上流側及び下流側抵抗センサをセンサ流管の周り
に外部的に巻着してある。流体（気体）が管内を
流れると、熱が上流側の温度計／センサから下流
側の温度計／センサへ流線に沿つて伝達され、流
量に比例する信号が形成される。流量が高ければ
高い程、センサ間の信号の差異は一層大きい。各
センサはブリツジ・増幅器回路の一部を形成して
おり、流れに比例して０乃至5V直流信号を発生
する。この信号はポテンシオメータ等からの制御
電圧と比較され、エラー信号が発生されてバルブ
を調節し、予めセツトした設定点に到達するまで
流れ状態を変化させる。この流量計におけるセン
サ流管は約0.010インチの内径を有しており、長
さは１インチよりも長く、２乃至3SCCMの範囲
の流量を測定可能であるのに過ぎない。一定で且
つ既知のバイパス比を維持すべく設計されている
流れ分岐路を介してセンサの周りに付加的な気体
の流れを通過させることによつてより大きな流量
に対して適用される。

アメリカ合衆国ペンシルバニア州のハツトフイ
ールドのブルツクス インストルメントによつて
販売されている質量流量制御器は、水平なバイパ
スセンサ管を使用しており、管の外部に上流側セ
ンサコイル及び下流側センサコイルを設け、これ
らセンサの間で管の外側に同様に巻着させたヒー
タ要素が設けられている。ブリツジ回路が下流側
センサへ与えられる一層大きな熱によつて発生さ
れる温度差を検知し、増幅器が制御回路へ出力を
供給する。このセンサ管の内径は0.010インチ乃
至0.060インチである。上述した２つの装置の
各々において、管壁を介して熱伝導が発生し、そ
の結果比較的緩慢で且つ長い応答時間、即ち数秒
の応答時間となつている。この様な装置において
も、通常、満足のいく性能を得る為には、流入し
てくる流体の大気温度よりも100℃乃至200℃高い
温度へ流体を加熱することが必要である。多くの
気体に適用する場合に、このことは気体の安全な
温度限界を超える可能性があり、又気体を分解さ
せたり汚染物と反応させたりする。非線形であり
且つ補正係数が不統一的である為に、各々の気体
組成及び流量範囲に対して、装置を較正せねばな
らない。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、上述した如き従来技術の欠点を解消し新規な
構成を有するサーマル質量流量及びその製造方法
を提供することを目的とする。即ち、本発明は、
２−要素型又は３−要素型構成の熱センサ及びヒ
ータを基板のチヤンネル内を延在するか又は架橋
する一体部材の上に形成されているサーマル質量
流量計に関するものである。この架橋部材は、付
着及びエツチング方法に続いて、基板内に一連の
チヤンネル溝をエツチングして流路を形成するこ
とによつて形成されている。センサ及び加熱部材
は、流体の流れと熱的に接触している架橋部材上
に設けられている。好適実施例においては、チヤ
ンネルを有する基板とそれと整合するカバーとに
よつて形成される流路構造が架橋部材によつて２
等分されている。基板とカバーとに複数個のチヤ
ンネルを設けるか、又は付加的に一連の積層させ
た基板及びカバーを設けることによつて冗長度が
与えられている。本発明は、更に、流体のサンプ
ルした部分のみがアクテイブな基板チヤンネルを
通過する様に配設されている基板とカバー又は基
板と基板の組立体が設けられる全体的な流れ管路
内に自動的な流路を有するものである。

更に詳細に説明すると、本発明は比較的低い流
量範囲においても正確に測定することの可能な極
めて高度の冗長構成を有する内部センサを具備し
た比較的小さな流路を有し高速の応答時間とした
流量計に関するものである。これらの流れセンサ
及び流路はシリコン基板，マイクロエツチング及
び膜付着技術を使用することによつて形成され
る。特定の適用例としては、半導体ウエハの化学
蒸着，熱酸化及びプラズマエツチングを行なう半
導体処理装置における気体流量システムがある。

上述した構成を有する本発明の質量流量計は、
約0.2乃至10SCCMの極めて低い流量範囲におい
ても適切な感度でもつて流量を極めて正確に測定
することが可能である。必要な数のチヤンネルを
並設することによつて一層大きな流量に対して使
用することが可能である。例えば、5000SCCM用
の装置は、各々が10SCCMの容量を有する500個
のセンサを並設することによつて構成することが
可能である。従つて、種々の寸法のセンサに対し
て熱的及び機械的な構成を別個に最適化する必要
がなく、従つてコストを節減することが可能であ
る。更に、寸法が大きくなれば応答時間が遅くな
り、且つ高流量においてヒータに加えられる電力
は過剰なものとなる。本発明においては、各々が
流れ全体の同一の割合の部分を受け持ち且つ全て
が同一の流れ抵抗特性を有するセンサを並設して
いるので、理想的な流れの分岐及びサンプリング
を行なうことを可能としている。このように大量
生産され且つ廉価なセンサ要素を使用しており、
多数のセンサを設けた高流量装置は適宜の検査論
理と共に欠陥を検出することを可能とし、冗長度
を与えている。

流体の温度センサ及びその上に設けられている
ヒータを全体的な流れ管路内のその他の構成から
実質的に熱的隔離を確保するために架橋部材が構
成されている。このことは、架橋部材の基板との
接続部又はその近傍の断面積を減少させ、且つ架
橋部材をシリコン基板上に付着させた二酸化シリ
コン又は窒化シリコンの様な低い熱伝導率を有す
る物質から製造することによつて達成することが
可能である。通常ニツケル又は耐火性金属から構
成されているセンサ及びヒータが架橋部材上に設
けられている。膜付着技術によつて適宜の相互接
続部が設けられており、且つ全表面上に測定され
る流体と接触してパツシベーシヨン用の非反応性
膜が付着形成されている。ヒータを流体チヤンネ
ルの内部に設けることによつて熱の外部的な自然
対流による効果を実質的に取除いている。従つ
て、その結果得られる装置においては、姿勢に基
づく感度変化が減少されている。

複数個のセンサからの出力が所定の時間に亘つ
て互いに比較されてそれらの相対的な出力比にお
ける変化を検知し、較正シフトを検出する。低出
力センサ（プラグ接続状態によつて発生される）
を無視すると共に、最初の出力比を維持する高出
力センサを使用することによつて正確な流れの測
定を継続的に行なうことが可能である。センサの
流路とバイパスの流路との間の流体の流れ特性
は、全ての流路に対して（Ｌ／Ｄ）／Reを特定
の値に維持するか、又は（Ｌ／Ｄ）／Reを1.0以
上として広範囲の温度，圧力及び気体組成に対し
てサンプリング精度を確保することによつて整合
させている。Ｌ／Ｄは長さと直径の比を表わして
おり、又Reは流路のレイノルズ数を表わしてい
る。（Ｌ／Ｄ）／Reの比は、非線形の入口及び出
口損失と比較した線形な層流圧力降下の相対的な
重要性を表わしている。

環境の温度勾配に基づく流れの測定誤差は、高
い熱伝導性を有する基板を使用して、センサ流路
内及び流れ管路の流路壁温度を一様に維持するこ
とによつて減少される。測定される流体への熱伝
達率を一層高くし且つセンサ要素の質量を小さく
することにより、センサ管の外側に巻着されてい
るワイヤ要素を有するセンサよりも一層高速の応
答時間を与えることが可能である。熱伝達率を高
くすることによりセンサの応答時間が減少され、
且つ環境の温度勾配によつて影響されることを最
小とする。

本発明は上述した如き特徴を有するので、種々
の物質を化学蒸着によつて付着させたり基板又は
ウエハをエツチングする場合に少量の液体乃至は
気体の流量を極めて正確に制御することが必要で
ある半導体業界においてバツチ処理又は継続的処
理操作として使用することが可能である。測定さ
れるべき流体は反応性の高いものであつてもよ
い。個々のウエハを一様に処理するために多くの
個別的に制御される供給点が必要とされる場合が
ある。或る場合の処理時間は極めて短く、秒単位
で測定され、従つて流れ測定方式は短い安定化時
間を有し且つ早い応答時間を有するものでなけれ
ばならない。本発明においては、熱伝達が改善さ
れており、且つ外部コイルを有する金属検知管よ
りも数桁小さな熱質量を有するウエブ乃至は架橋
部材を使用しているので、応答時間が高速となつ
ている。従来のものにおいては数秒であつたのと
比較して、応答時間は数ミリ秒となつている。

本発明においては、熱源及びセンサがガスの流
れと密接しており、従つて効率を一層向上させる
と共に操作温度を低下させている。本発明装置に
おいては、25℃の温度差程度の小さな温度差でも
有効に動作することが可能であるが、多くの従来
技術の装置においては100゜乃至200℃の温度差が
必要である。又、本発明の改善された流量計の典
型的な実施例の寸法は小さく、例えば１立方イン
チ程度であり、従つて装置全体の寸法を減少する
ことが可能である。一方、従来の装置においては
16乃至は66立方インチ程度の範囲の大きさを有し
ている。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実
施の態様について詳細に説明する。第１図は本発
明の流量計１０を示しており、それは長手方向に
延在する一連の溝１３ａ−ｂを具備した第１基板
パネル乃至は要素１１と、対応する１組の溝１４
ａ等を具備するカバープレート乃至第２要素１２
とを有している。要素１１と１２とを組立ててフ
リツト接合させることにより、溝１３及び１４と
によつて流路２１が形成される。これら溝の間の
パネル１１とプレート１２の長手部分は番号１５
で示した様に当接し、従つて隣接する溝、例えば
１３ａ及び１３ｂ、は互いに密封状態とされる。
溝を少くとも部分的に横断して延在するセンサ要
素を形成するパネル１１の上端を横切つて１対の
架橋部材又はウエブ１６ａ（上流側）及び１６ｂ
（下流側）が形成されている。後に詳述する如く、
このウエブは窒化シリコンや酸化シリコンの様な
熱伝導性及び導電性が低い物質で形成することが
可能であり、ニツケルの様な高い熱抵抗係数を有
する物質をウエブ上に付着させてその表面上に温
度検知パターン１７を形成している。本明細書に
おいて、“熱伝導性が低い”ということは、その
熱伝導性が約0.15ワツト／cm／℃より小さいもの
であることを意味する。適宜の電気的相互接続パ
ターン１８ａ及び１８ｂがセンサパターンから温
度検知用のブリツジ回路（第２図）へ延在してい
る。上流側センサ１６ａと下流側センサ１６ｂと
の中間に第３ウエブ１６ｃが設けられており、そ
れは抵抗ヒータとして機能する高抵抗のパターン
１７ａを有している。動作について説明すると、
流体が流路２１内をセンサ１６ａからセンサ１６
ｂへ送給すると共に、ヒータ１７ａが上流側のセ
ンサ１６ａと下流側のセンサ１６ｂとを差動的に
加熱する。各ウエブ１６ａ−ｃが溝と溝との間の
平坦表面１５と接続する接続点に隣接して矩形の
穴１９，２０が設けられており、取付点における
断面積を減少させると共に、センサ及びウエブか
ら基板パネル１１への熱伝導を制限している。好
適実施例においては、各ウエブ１６ａ−ｃが対向
する溝、例えば１３ａと１４ａ等によつて形成さ
れる流路２１を実効的に２等分している。

典型的な実施例においては、縦横高さが0.3イ
ンチ×0.3インチ×0.20ミルのシリコンチツプに
６個の溝が設けられており、各溝は３個のウエブ
を有しており、その内２つは温度センサを有して
おり、中間のウエブは電気的に駆動される抵抗ヒ
ータを有している。パネル１１及びカバー１２内
のチヤンネルは約2.8ミルの深さを有しており、
従つて流路２１の高さは約5.6ミルである。チヤ
ンネルの幅は約23ミルである。ウエブはチヤンネ
ルを横切つての幅が約23ミルであり、高さが約
3μmであつて、チヤンネル長に沿つて77ミル延在
している。ウエブは中心間距離において35ミル離
隔しており、一方チヤンネルは中心間距離におい
て43ミル離隔している。

第２図は上述したセンサと共に使用することの
可能な制御回路を示している。ウエブ１６ｃ上の
ヒータ１７ａによつて印加されるセンサパターン
１７の温度差によつてセンサ抵抗内に発生される
変化に基づく温度を表わす信号を担持する相互接
続体が従来のブリツジ回路２２へ接続されてい
る。回路２２は温度差を検知し、差信号を増幅器
２３へ供給する。増幅器２３はアナログ・デジタ
ル変換器２４を介して制御回路２６へ出力を供給
する。他のチヤンネルにおける他のグループのセ
ンサからの付加的な入力２６ａ−ｃをアナログ・
デジタル変換器２４へ接続し、流れの読取値を冗
長して供給することが可能である。制御器２６は
設定点入力端を有しており、その入力端における
信号が変換器２４からの入力と比較されて流体流
れ制御バルブ２７を操作し流体導管乃至はチヤン
ネル内の流体の流れをその設定点へ調節する。

小型のセンサ流路は粒子汚染によつて影響さ
れ、較正点をシフトする可能性がある。単一の基
板内に多数の流れセンサを構成することにより、
センサに対し経済的に冗長度を与えることが可能
である。一連の並列接続したチヤンネル内におけ
る各センサ流路を独立してモニタすることによ
り、チヤンネル内の各センサの組合せの相対的な
出力を比較することが可能である。或るチヤンネ
ル内の特定のセンサの組合せの出力が他のチヤン
ネルと比較して低下している場合には、低出力を
出しているセンサチヤンネルが汚染されているか
又は粒子汚染によつて部分的に閉塞されているこ
とを表わす。

制御回路２６は元の（汚染されていない）流れ
比が維持されているか否かを判別し、その結果汚
染されていない場合には、全てのセンサのグルー
ブの読取値を平均化する。一方、相対的な流れ比
が変化する場合には、低い値を示しているセンサ
のグループからの読取値を無視し、元の流れ比を
維持しているチヤンネルからの高い読取値のみを
流れ状態を表わすものとして使用する。元の流れ
比が維持されない場合には、汚染状態が発生して
いることを表わすアラーム信号が発生される。

比例的・積分・微分制御アルゴリズムを使用し
て下流側のバルブをサーボ動作させ流れを設定点
へ制御する。従来の装置においては、各センサと
バイパスとの組合せ及び特定の気体組成に対して
特有の出力及び制御器の直線性を調節する為に
個々的に較正を行なうことが必要である。本発明
においては、能動的なセンサ流路と受動的なバイ
パス流路（第３図）の両方に対する流体の流れ特
性を密接して維持することによつて、広範囲の温
度，圧力及び気体組成に亘つてサンプリング精度
を維持することが可能であるということが分つ
た。

較正器乃至はメモリ調べ器２８は、マイクロプ
ロセサを有しており、該マイクロプロセサはプロ
グラム可能なリードオンリーメモリ（PROM）
内に較正用のテーブルデータをプロツトすると共
にストアし、流れている気体に対する小さなセン
サの非線形性に対し補正を行なうマトリクス状の
データポイントを有している。他の気体に対する
変換常数がテーブル内に設けられており、他の気
体が選定された場合には、コンピユータが自動的
に増幅器の利得を調節する。センサのサンプリン
グ精度及び直線性が維持されるので、出力信号レ
ベルをセンサ増幅器のスケール係数によつて或る
１つの気体から別の気体又は混合気体に対してス
ケーリングすることが可能である。スケーリング
されると、流れはフルスケールの範囲を変化さ
せ、最大流量におけるセンサの圧力効果ΔP及び
バルブの圧力効果ΔPの値を変化させる。このΔP
が外部的な条件によつて過剰であると、フルスケ
ール範囲の定格を上述した如くセンサが線形であ
る場合に得られる流量から減少させる必要があ
る。最大流量において同一の線形性がある場合に
は以下の如き関係が成立する。

Ｌ／Ｄ／Remin.＝同一のRe）max ＝同一の（ρsQs）／μmax Qs）max∝μ／ρs 尚、ρsは標準状態における密度であり、Qsは
SCCM単位での流量であり、μは粘度である。セ
ンサの圧力降下は流れ及び粘度と共に変化し、以
下の如く表わすことが可能である。

ΔP∝μQs ΔP∝μ²／ρs （センサ） ΔPが上昇すると密度が増加するので、バルブ
の広開圧力降下は流れの非線形関数である。しか
しながら、低ΔPにおいては、以下の如く近似す
ることが可能である。

ΔP∝PsQs² （近似） 従つて、新たなセンサの流れにおいては、 ΔP∝μ²／ρs （バルブ） 上式の関係は多少保守的である。即ち、バルブ
の圧力降下が高くなると、実際の値は計算したよ
りも多少低くなる。センサ及びバルブの圧力降下
スケーリングは粘度及び密度に関し同じであるの
で、全圧力降下は同一の係数によつてスケーリン
グすることが可能である。

■■■ 亀の甲 ［0008］ ■■■ バルブ制御 完全な流れ制御システム内のバルブ制御は前述
した様なセンサ制御とは独立している。センサ及
びそれに関連したレギユレータ乃至はコントロー
ラは独立した流れトランスジユーサとして考えら
れる。流れ制御回路は測定した流れ信号を入力信
号と比較し、流れ内のセンサと直列して設けられ
ているバルブを操作することによつて差を０とす
るように動作する。公知の如く、動的制御アルゴ
リズムを最適化して最良の応答及び制御の定常状
態精度を与え、且つセンサ及びバルブの動的特性
に依存する。

第３図は流管バイパスシステムの１部を形成す
るフローメータ１０を示している。通常ステンレ
ススチールで構成される流れ導管４０は受動的な
バイパス通路４１乃至４４及び導管の中央におい
て横方向に延在して設けられている流れ分岐流量
計１０を有している。２部構成からなる基板４５
内の能動的センサ流路２１は導管４０の壁内の全
ての流路を通過する全体の流れの１部をサンプル
する。４１乃至４４で表わされている流路はセン
サ１０の長手方向に延在している卵容器状のバツ
フル乃至は壁によつて取囲まれており、流体の受
動流路を形成している。全ての能動的センサ及び
受動的バイパス流路に対して、（Ｌ／Ｄ）／Re≧
1.0の条件を維持することにより、一定で線形的
な流れの分岐を確保することが可能である。Ｌ／
Ｄは、センサを有する流路又はバイパスの両方に
おいて、流路の実効的な長さと直径の比である。
Ｄは水力学的直径であつて、流路の断面が円形で
ない場合には、４×（断面積／周辺長さ）で表わ
される。Reは流路内の流れのレイノルズ数であ
る。（Ｌ／Ｄ）／Reが小さくなり過ぎると（1.0
以下）、流れとΔPとの間の関係を表わす曲線は入
口及び出口での損失効果により直線性（層流）か
ら逸れることとなる。

流れ−ΔP曲線が線形である場合には、センサ
の流れは全体の流れ（センサ＋バイパス）の一定
の割合の１部である。気体が異なるとスケーリン
グ係数が変化する場合があるが、気体の特性と最
大流量との組合せが（Ｌ／Ｄ）／Reを余り低く
しない限り線形性が変化することはない。

（Ｌ／Ｄ）／Reが低過ぎると、流れは圧力降
下に関し線形では無くなり、非線形性は圧力，温
度及び気体の特性によつて変化する。従つて、一
定の流れの分岐を維持する為には、センサ及びバ
イパスが同一の長さ及び直径であることが必要で
ある。そうでないと、（Ｌ／Ｄ）／Reが異なると
異なつた線形性からの逸れを発生し、従つて較正
（キヤリブレーシヨン）は気体の特性及び状態に
よつて変化することとなる。この様な直線性から
の逸れを第９図に示してある。

第４図に示した如く、ウエブ１６ａ−ｃは空気
流内において羽乃至は翼として機能する。１実施
例において、このウエブは１乃至7μmの厚さを有
している。ゼロの入射角から少し逸れるだけで入
射角を増加させる様な不均衡な力が発生される様
に空気力学的な力が作用する。入射角に対するこ
の空気力学的力の変化割合が偏向に対する機械的
抵抗（即ち、スプリング常数）の変化割合よりも
大きい場合には、ストールが発生するまで入射角
が増加する。ストールが発生すると、空気力学的
な力が減少され、羽は小さな入射角へ復帰し、ス
トールの回復が行なわれ、その様なプロセスが繰
返される。このサイクルは迅速に繰返して行なわ
れフラツターと呼ばれる。

この様なウエブに関する潜在的な問題は、翼状
ウエブ及びその支持体捩り剛性を十分に大きくし
てフラツターを防止するか、又は翼の屈曲ピボツ
ト点を翼の圧力中心（25％弦の点）の前側に位置
付けて応答が自己励起型ではなく自己矯正型とす
ることによつて解決することが可能である。本発
明の構成における計算から示される如く、フラツ
ターを防止するのに十分な程度に支持体の剛性を
大きくすることが可能であるが、この部分の構成
は壁からの熱的な分離に関して妥協を行なうこと
を必要とする。最悪の条件下において（最大の入
口圧及び密度で下流側に流れの抵抗となるものが
無い場合）、適切な剛性を有する構成は無視する
ことは出来ないが認容することの可能な熱伝導性
を有するものである。支持体を非対象に形成して
屈曲点を翼の先端へ近付けることによりこの様な
妥協を改善することが可能である。

第５図は典型的なセンサ乃至はヒータ５０の詳
細を示している。ウエブ６１ａは長手方向チヤン
ネル６５の両側における基板平坦部５１及び５２
の間に架橋している。矩形の穴５３及び５４がウ
エブ６１ａの平坦部５１及び５２への接続部にお
いてエツチング等により切除して設けられてお
り、小さな断面積を有する接続体５５ａ，５５ｂ
及び５６ａ，５６ｂを形成している。このこと
は、ウエブから基板へ熱が流れることを防止する
ことに貢献する。ウエブ６１ａの表面はニツケル
又はクロム等の様な高い温度抵抗係数を有する物
質でジグザグ状のパターン６２ａ乃至６２ｄを有
しており、その表面上に温度センサ乃至はヒータ
を形成している。

第６Ａ図は第５図中の直線６−６に沿つて取つ
たウエブの断面図であつて、シリコン基板６０と
架橋部材乃至はウエブ６１ａを形成する窒化シリ
コン（又は酸化シリコン）付着層と、抵抗パター
ン６２ａ−ｄと、窒化シリコン（又は酸化シリコ
ン）被覆層６３と、ウエブを爾後のエツチング工
程から保護するレジスト層６４とを示している。
第６Ｂ図は、ウエブ６１ａ及びパターン化したセ
ンサ６２ａ−ｄの最終的な形態を示しており、そ
の上に被覆されている窒化シリコンコーテイング
６３のパツシベーシヨン用非反応性膜及び窒化シ
リコン，パラリン（Paralyne），トリフルオロク
ロロエチレン（テフロン），ポリイミド，二酸化
シリコン等の様な付加的なパツシベーシヨン用非
反応性フイルム層６７を設けてウエブ及び基板を
流量計を通過して給送される反応物から保護す
る。従来のエツチング工程の結果として、溝６５
はウエブ下側の基板を長手方向に延在している。
従つて、ウエブは整合されている基板とカバーの
夫々の溝によつて形成されている流路を２等分し
ている。

１個の溝を有すると共に２個のセンサを有し、
且つ基板とカバーとの間にフリツトのシールを施
した１個のエツチング形成した流路シリコン基板
を製造する典型的なシーケンスは以下の如くであ
る。即ち、熱酸化によつて基板上に5000Åの
SiO₂層を形成する。全部の側面にフオトレジス
トを付与し、ウエブ及び相互接続径路を刻設する
ためのマスクを使用して露光及び現像を行なう
（☆）。酸化マスクをエツチングし、レジストを剥
離し、且つシリコンを5μmの深さへ等方的にエツ
チングする。化学蒸着（CVD）によつて2000Å
の厚さのSi₃N₄層を付着形成し、フオトレジスト
を付与し、マスクを介して上面を露光するととも
に現像し（☆）、マスク領域をエツチングし（☆）
レジストを剥離し、上面のコンタクトピツトを非
等方的に2.5乃至３ミルの深さにエツチングし、
必要な場合にSi₃N₄、必要な場合にはCVD Si₃N₄
を剥離し、背面側にフオトレジストを且つ前面側
にマスクを付与し、溝を介して背面側を露光する
とともにレジストを現像し（☆）、マスクをエツ
チングし（☆）、レジストを剥離し、上面側のコ
ンタクトピツトへ貫通して底部の溝を約18.5ミル
の深さへエツチングし（☆）、Si₃N₄を剥離し、
30000Åのシリコンを酸化して二酸化シリコンと
させ、クリーニングし、前面及び背面にニツケル
を付着形成し、前面にレジストを付与すると共に
背面をマスクし、前面の相互接続体及び抵抗用マ
スクを露光すると共に現像し（☆）、前面のニツ
ケルをエツチングし、レジストを剥離し、レジス
トを付与し、ウエブ及び溝用のマスクを露光し、
レジストを現像し、SiO₂をエツチングし（☆）、
シリコンを2.8ミルの深さへエツチングし、背面
側にフオトレジストを付与し、背面相互接続体マ
スクを露光し、レジストを現像し（☆）、ニツケ
ルをエツチングし（☆）、レジストを剥離し、窒
化シリコンを付着形成し、背面側にレジストを付
与すると共に前面側をマスクし、開放背面コンタ
クトマスクを露光し、レジストを現像し（☆）、
窒化物をエツチングしてニツケルのボンデイング
パツドをオープンにさせると共にレジストを剥離
する（☆）。尚、上記シーケンスにおいて、（☆）
を付したステツプは検査を行なうステツプである
ことを表わしている。又、レジスト，エツチヤン
ト，反応物及び詳細な製造技術は半導体製造技術
において通常に使用されているものである。上述
したステツプのシーケンスを行なうことにより第
６Ｂ図に示した構造の流量計が得られ、背面側
（カバーに対向する側面と反対の側面）上に電気
的コンタクトが設けられており、そのコンタクト
へセンサパターンから薄膜ニツケルリードが延在
している。これらのリードはシリコンウエハを介
して選択的にエツチングした透孔を介して延在し
ている。

第７図は本発明で使用されるセンサの別の実施
例を示している。ウエブ７０が１個の平坦部７６
からエツチング形成した溝７９の方へ片持梁状に
延在しており、その自由端は平行な平坦部７８か
ら約３ミル離隔した点に位置している。本実施例
においては、センサ抵抗を並設して示してあり、
互いに対向し離隔された抵抗母線７１，７３とそ
れらの間に設けられた抵抗要素７２ａ，７２ｂ及
び７２ｃとを有しており、リード７４及び７５が
母線の対向端部から延在しており、それらの母線
は開口（コンタクト窓）及び相互接続リードによ
つてコンタクトパツドへ接続されており、それら
のコンタクトパツドはブリツジ回路（第２図）へ
接続されている。第５図及び第７図に示した抵抗
径路は一体的な加熱要素として機能すると共に、
２−要素型流量計における温度センサとしても機
能する。

第８図は一層大きな流量を処理するのに適した
流量計の積層構造を有する実施例を示している。
この場合には、内側基板８２及び８３は一側面上
にウエブ及び溝を有しており、且つ他側面上にウ
エブのない溝を有しており、それと隣接する基板
に対してカバーとして機能する。平坦な上面８６
を有し底部に溝を形成した第１図のタイプの基板
カバー８１を使用して基板８２のウエブを有する
溝を設けた上面に当接させており、ウエブを有す
る溝を設けた上表面を有する基板８４を使用して
基板８３の溝のみを設けた下部表面へ当接させて
いる。基板８４は溝のない平坦な底部表面８７を
有している。所望の流量範囲，所望の冗長度及び
導管８５の直径に応じて任意の数の溝を基板に設
けることが可能である。チヤンネル同士を適切に
接合させてエツチングした付加的な基板を積層さ
せてサンドイツチ構造を構成することが可能であ
る。

以上、本発明をシリコン基板を使用した場合に
ついて説明したが、二酸化シリコン又はサフアイ
ア等の様なその他の結晶性乃至は非結晶性物質又
はニツケル，モネル（monel）又はステンレスス
チール等の様な金属を基板又はカバーとして使用
することが可能である。ウエブを基板のトツプレ
ベルに設けた場合を示したが、基板の中間のレベ
ルに形成することも可能であり、溝を設けていな
いカバープレートを使用して全流路を閉じること
が可能である。本明細書において使用する“ウエ
ブ”という用語は付着形成した支持体層及び抵抗
径路と、設けた場合にはそれと関連する保護層と
を意味している。ウエブは、図示した如く、チヤ
ンネル架橋部材とすることが可能であり、又はチ
ヤンネル底部の様な壁表面から台座状に上方向へ
延在するものでも良く、又はウエブ区域をアンダ
ーカツトすることなどによつて基板から熱的に離
隔して付設した層としてチヤンネル壁内側表面上
に形成することも可能である。

ウエブが能動流路を２等分する好適実施例にお
いては、ウエブの好適な厚さ乃至は重量（流体流
路に対して垂直方向）は約１乃至7μmの範囲であ
る。この実施例においては、ウエブの厚さは、好
適には、能動流路の全高さの約１％乃至５％であ
る。

更に、等しく加熱（流れ無し条件下において）
したセンサからの流体の流れによつて生じる温度
差に関してセンサ制御を行なう場合について説明
したが、その様な制御はその他の方法によつて行
なうことも可能である。例えば、ヒータの電力は
出力温度差信号とは独立的に調整することが可能
である。この点に関する変形例としては、適宜の
変数（電圧，電流，電力，又はそれらの組合せ）
を調整すると共にヒータ抵抗の温度係数を適切に
選択することによつて得ることの可能な自動的温
度補償等がある。又、温度差信号はヒータのフイ
ードバツク制御によつて調節することが可能であ
る。ヒータの励起（電圧又は電流）が出力信号と
なる。更に、上述した構成の何れかにおいて調節
されるパラメータの可変スケジユールをその他の
パラメータ（例えば、温度又は出力信号レベル）
の関数として使用し、補償乃至は線形化を達成す
ることが可能である。以上、本発明の具体的実施
の態様について詳細に説明したが、本発明はこれ
ら具体例にのみ限定されるべきものではなく、本
発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変
形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の質量流量計センサ及び加熱構
成を示した部分切断斜視図、第２図は本発明流量
計及び流れ制御器を示した説明図、第３図は流体
導管内に流体バイパスと共に一体化した質量流量
計の断面図、第４図は第３図における４−４線に
沿つて取つた縦断面図、第５図は基板ウエブ上に
付着形成した典型的なセンサを示した拡大図、第
６Ａ図はチヤンネルエツチングを行なう前の基板
上に設けたセンサの第５図の６−６線に沿つて取
つた断面図、第６Ｂ図はチヤンネルエツチングを
行なつた後の基板上に設けたセンサの第５図中の
６−６線に沿つて取つた断面図、第７図は片持梁
状の架橋部材又はウエブの別の実施例を示した平
面図、第８図は流体導管内に冗長なアレイを形成
する一連の流量計基板を示した本発明の別の実施
例を示した部分断面図、第９図は流路の長さ／直
径と流路のレイノルズ数の比の関数として流れが
線形特性から逸れる状態を示したグラフ図、であ
る。 符号の説明、１０：質量流量計、１１：基板パ
ネル、１２：カバープレート、１３，１４：溝、
１５：平坦部、１７：温度検知パターン、１８：
相互接続パターン、２１：流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体用のサーマル質量流量計において、基板
   を有すると共に、流体を輸送するために前記基板
   の表面上に延在して設けた細長チヤンネルを有し
   ており、前記基板は互いに離隔されて且つ前記チ
   ヤンネルの少くとも１部を横切つて延在している
   少くとも２個の一体部材を有しており、前記部材
   の各々の上に温度センサを形成する手段を有して
   おり、流体が輸送される際に前記センサ間の温度
   差を与える為に前記流体を加熱する為の手段が前
   記チヤンネル内に設けられていることを特徴とす
   るサーマル質量流量計。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記センサ
   手段が前記部材上に延在している抵抗パターンで
   あることを特徴とするサーマル質量流量計。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記一体部
   材が前記チヤンネルの横断方向に一方のチヤンネ
   ル端部から別の離隔されているチヤンネル端部へ
   延在していることを特徴とするサーマル質量流量
   計。 ４ 特許請求の範囲第２項において、前記一体部
   材が前記チヤンネルの横断方向に一方のチヤンネ
   ル端部から片持梁上に延在していることを特徴と
   するサーマル質量流量計。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記部材か
   ら前記基板への熱伝導を最小とする為に前記部材
   内に減少した断面積を形成する手段を設けたこと
   を特徴とするサーマル質量流量計。 ６ 特許請求の範囲第５項において、前記減少し
   た断面積を形成する手段が前記部材と前記チヤン
   ネルとの間の接続部に隣接した開口を有すること
   を特徴とするサーマル質量流量計。 ７ 特許請求の範囲第１項において、前記部材が
   熱伝導率の低い物質から構成されていることを特
   徴とするサーマル質量流量計。 ８ 特許請求の範囲第１項において、前記基板内
   に複数個の細長チヤンネルが設けられており、且
   つ前記複数個の細長チヤンネルを横切つて複数個
   の一体部材が設けられていることを特徴とするサ
   ーマル質量流量計。 ９ 特許請求の範囲第１項において、各々が前記
   温度センサの１つを担持する２個の一体部材が設
   けられており、且つ前記２個の部材の間であつて
   前記流体を加熱する手段を取付ける為に前記部材
   から離隔して設けられている第３の一体部材を有
   することを特徴とするサーマル質量流量計。 １０ 特許請求の範囲第９項において、前記３個
   の部材が前記センサ及び加熱手段を形成する為に
   その上に抵抗パターンを形成する手段を有するこ
   とを特徴とするサーマル質量流量計。 １１ 特許請求の範囲第１項において、前記基板
   が前記チヤンネルと前記一体部材とを具備した第
   １要素と、前記第１要素の前記チヤンネルに対応
   する細長チヤンネルを具備した第２要素とを有し
   ており、前記要素が互いに接着されていて、前記
   一体部材が前記対応するチヤンネルによつて形成
   されている流路を２等分していることを特徴とす
   るサーマル質量流量計。 １２ サーマル質量流量計において、流れ導管
   と、前記導管の１部を横切つて延在する流れ分岐
   基板部材と、前記基板部材の外部において前記導
   管内の受動流体流路を形成する手段と、細長チヤ
   ンネルを形成する手段と、前記チヤンネルを横切
   つて延在しており且つ前記チヤンネルの長手方向
   に互いに離隔されている前記基板と一体的な少く
   とも１対の温度検知部材を形成する手段と、前記
   チヤンネル内に設けられており前記チヤンネルを
   介しての流体の流れから得られる前記温度検知部
   材を差動的に加熱すると共に前記流体の流量を表
   示する手段とを有することを特徴とするサーマル
   質量流量計。 １３ 特許請求の範囲第１２項において、前記基
   板部材が前記導管を横切つて左右対称に延在して
   いることを特徴とするサーマル質量流量計。 １４ 特許請求の範囲第１２項において、前記基
   板部材内に複数個の細長能動チヤンネルが同一面
   内に位置して設けられており、前記チヤンネルの
   複数個のものが前記少くとも１対の温度検知部材
   を形成する手段と前記差動的に温度検知部材を加
   熱する手段とを有しており、その際に前記導管を
   横切つて複数個の流体の流量の読みが得られるこ
   とを特徴とするサーマル質量流量計。 １５ 特許請求の範囲第１４項において、各チヤ
   ンネル内における流量をモニタする手段と、障害
   物が存在するチヤンネルであることを表わすチヤ
   ンネル内の流量の低い読みを無視する手段とを有
   することを特徴とするサーマル質量流量計。 １６ 特許請求の範囲第１２項において、前記導
   管を横切つて平行に延在する複数個の基板部材を
   設けてあり、各基板部材が前記流れ測定差動温度
   センサを具備した複数個の能動チヤンネルを有す
   るものであることを特徴とするサーマル質量流量
   計。 １７ 特許請求の範囲第１４項において、前記チ
   ヤンネルと前記受動流体流路に対する流体の流れ
   特性を整合させる手段を有することを特徴とする
   サーマル質量流量計。 １８ 特許請求の範囲第１４項において、（Ｌ／
   Ｄ）／Reの比を、1.0以上に維持する手段を有し
   ており、Ｌ／Ｄは複数個の能動チヤンネルと受動
   流体流路の実効的な長さ／直径であり、Reはチ
   ヤンネル及び受動流体流路内の流れのレイノルズ
   数であることを特徴とするサーマル質量流量計。 １９ サーマル質量流量計を製造する方法におい
   て、 ａ 基板を用意し、 ｂ 前記基板上に低熱伝導率で電気的絶縁性の支
   持層を付着形成し、 ｃ 前記層上に電気的抵抗物質を付着形成し、 ｄ 前記電気抵抗物質をエツチングして別々の区
   域にパターンを形成して前記支持層上に抵抗径
   路を形成し、 ｅ 前記基板の不連続的に離隔して整合した部分
   の上において前記電気的に絶縁性の支持層を有
   限の寸法にエツチングし、 ｆ 前記基板内に前記基板を横断し且つ各不連続
   部分において前記層及びパターンの下側を延在
   する長手方向の溝を前記基板内にエツチング形
   成し、 ｇ 前記基板の溝を形成した側面をシールして流
   体の流路を形成し、該流路が前記抵抗径路を有
   すると共に前記流路を横切つて延在し連続的に
   離隔した方向に延在する前記層の残部を有する
   ことを特徴とする方法。 ２０ 特許請求の範囲第１９項において、前記基
   板がシリコンであり、前記支持層がシリコン化合
   物であり、前記高抵抗物質がニツケルを含有する
   ことを特徴とする方法。 ２１ 特許請求の範囲第１９項において、前記シ
   ール工程において、基板カバーを用意し、前記カ
   バーの表面に溝を形成し、前記カバーの溝は前記
   基板の溝と対向し且つ整合して流路を形成し、該
   流路内を前記連続的に方向付けられた前記層の残
   部が前記流路を横切つて延在することを特徴とす
   る方法。 ２２ 特許請求の範囲第１９項において、前記残
   存する層と前記基板の間の熱径路断面を減少する
   為に前記基板との接続部に隣接した前記層の前記
   残存部分内に開口をエツチング形成することを特
   徴とする方法。 ２３ 特許請求の範囲第１９項において、かくし
   て得られた基板の露出表面上にパツシベーシヨン
   膜を付着形成することを特徴とする方法。 ２４ 特許請求の範囲第１９項において、工程
   ｂ）において、前記基板を横切つて一連の溝をエ
   ツチング形成し整合したチヤンネルを形成するこ
   とを特徴とする方法。 ２５ 特許請求の範囲第１９項において、一連の
   基板を用意し、前記基板の両側面に一連の溝をエ
   ツチング形成し、これらの基板を組合せることに
   よつて流路を横切つて延在する残存層部分を有す
   る溝を整合させることによつて流路を形成するこ
   とを特徴とする方法。