JPH0413970A

JPH0413970A - 流速センサ

Info

Publication number: JPH0413970A
Application number: JP11583090A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Aoshima; 滋青島; Koichi Ochiai; 耕一落合
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1992-01-17
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH077008B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は流体の流量を検出する流速セ／すに関し、特に
シリコン基板等を基台として用いたマイクロダイアフラ
ム構造の流速センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の流速センサとしては、例えば特開昭６０
−１４２２６８号公報に開示されたものがあシ、その概
要を第８図、第９図を用いて説明する。

第８図において、１はシリコンからなる半導体基台、２
．３はエツチングのための開口部、４は貫通孔、５は薄
膜支持部、６はその根元、７は薄膜のヒータエレメント
、８，９は薄膜の感温抵抗エレメント、１０は半導体基
台１上に形成された薄膜の周囲測温抵抗エレメントであ
る。すなわち、半導体基台１上には異方性エツチングに
よシ両側の開口部２，３を連通ずる貫通孔４が形成され
ておシ、この貫通孔４の上部には半導体基台１がら空間
的に隔離され、結果的に半導体基台１から熱的に絶縁さ
れた薄膜支持部５が形成されている。

そしてこの薄膜支持部５０表面には、通常の薄膜形成技
術によりヒータエレメントγとそれを挾む感温抵抗エレ
メント８，９とが配列して形成されたセンサ本体として
の流速検出部１１が構成されている。また、半導体基台
１上の角部には周囲測温抵抗エレメント１０が形成され
ている。なお、１７は半導体基台１上の各開口２，３の
中央部分に形成されたスリット状開口であシ、これら開
口部２，３及び１７によって囲まれた半導体（シリコン
）基台１の下側をそれら開口部を介してＫＯＨ等の溶液
で異方性エツチングすることにより、エツチングの断面
形状が逆台形を有する貫通孔４つまシ空隙部４が形成さ
れるとともに、その空隙部４によって、半導体基台１か
らヒータエレメントγ及び感温抵抗エレメント８，９が
熱的に絶縁されて支持された薄膜支持部５が形成されて
いる。

ここで、ヒータエレメント７を周囲温度よりもある一定
の高い温度で制御したもとで、第８図に示す矢印の方向
から流体２１が流れると、上流側の感温抵抗エレメント
８は冷却されて降温するのに対し、下流側の感温抵抗エ
レメント９は流体の流れを媒体としてヒータエレメント
７からの熱伝導が促進され、温度が昇温するために温度
差が生じる。このため、感温抵抗エレメント８，９をホ
イートストンブリッジ回路（図示せず）に組込み、その
温度差を電圧に変換することにより、流体の流速に応じ
た電圧出力が得られ、その結果、流体の流速を検出する
ことができる。

ところで、このセンサ素子の薄膜支持部５は非常に薄く
弱いため、製造工程においてチップを切断する際に、−
船釣な技術であるダイシング・ソーを用いることができ
ない。そのため、素子助動はブレーキングによって行わ
れるが、ブレーキングを容易にするために、第９図に示
す切断用ストリート１８をエツチングしておく必要があ
る。また、チップの形状を一様に保つために、チップ製
造の最終工程である異方性エツチングの際に前記ストリ
ート１８をエツチングする必要があった。

以上の制約からセンサ素子の設計は、第９図に示すよう
に、（ｏｏｉ）面を表面とするシリコンウェハを用い、
切断用ス）　ＩＪ　−ト１８を〔１１０〕方向に平行に
配置し、開口部２，３の端を同じ（（：１１０）方向に
あわせ、薄膜支持部５の端を（１１０）方向と平行でな
い（例えば（１００’）方向）ように設計する必要があ
った。この結果、流速センサは、第８図に示すように、
流体２１の流れ方向に対して角部を向けて使用しなけれ
ばならなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来の流速センサは、その角部を流体の流れ
方向に向けて用いるため、特に高流速の流体を計測する
際、第５図に示すように、黒雲状に示された渦を含む乱
れ２２が流速検出部１１に掛かつてしまう。このため、
角部で発生した渦のためセンサ出力が不安定になフ、ま
た測定再現性を悪化させていた。

さらに、薄膜支持部５の根元６の位置が第９図の５ａ　
、　５ｂ及び６Ｃのようにばらつくため、そのセンサの
感度にばらつきを生じていた。すなわち、空隙部４のエ
ツチング停止位置はエツチング液の温度、濃度等が要因
となってばらつきを生じさせ、その結果、薄膜支持部５
の根元が第６図の６ｂのようになった場合、薄膜支持部
５上の各ニレメン）７，８．９の半導体基台１に対する
熱絶縁が高まり、感度は上昇するのに対し、逆に第９図
の６Ｃのようになった場合は熱絶縁が低下し、感度は下
ることになる。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、センサ出力を
安定にするとともに、センサ素子間の特性の再現性を良
くした流速セ／すを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の流速センサは、
基台上に、薄膜ヒータエレメントと該ヒータエレメント
の両側に各々独立した薄膜感温抵抗エレメントからなる
流速検出部を設け、この流速検出部の下側を、その基台
表面に設けたエツチング用開口部を介して溶液による異
方性エツチングで除去して、前記流速検出部を該基台か
ら隔離して支持したダイアフラム構造を有し、前記エツ
チング用開口部は、前記流速検出部の基台表面に、その
（１００）方向に伸びた細いスリット状開口を単位要素
とし、これらを多数個組み合せて各々のスリット状開口
を対角線とする正方形のエツチング領域が重なるように
配置したものである。

〔作用〕

本発明においては、流体を計測する際に、渦発生の原因
となっているセンサの角部を流れ方向に向けることなく
、流れ方向に対しセンサの直線端部を向けることができ
るので、角部で発生する渦を含んだ乱れがセンサの検出
部へ達せず、センサ出力が安定になシ、測定の再現性も
向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面を示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明による流速センサの一実施例を示す概略
斜視図であシ、第２図は第１図の流速検出部の詳細平面
図である。この実施例の流速センサは、半導体基台１上
に、第１図及び第２図に示すように、薄膜ヒータエレメ
ント７と該ヒータエレメント７の両側に各々独立した薄
膜感温抵抗エレメント８，９からなる流速検出部１１を
設け、この半導体基台１０表面には、その流速検出部１
１の下側の半導体基台を溶液による異方性エツチングに
よって除去するためのエツチング用開口部１２が形成さ
れている。この開口部１２は、第３図に示すように、（
００１）面を表面とする半導体基台１に対しその［１０
０）方向に伸びたスリット状開口１２Ｌを単位要素とし
、これら多数のスリット状開口１２１Ｌを組み合せて各
々のスリット状開口１２Ｌを対角線とする正方形の領域
１４、つまシ１つのスリット状開口１２ａの異方性エツ
チングで除去されるエツチング領域１４が部分的に重な
るように配置されている。そして流速検出部１１の各根
元１１ａは、半導体基台１の（１１０）方向になるよう
に開口部１２の端部１２ｂを揃えである。

しかして、かかる構成のセンサ素子を従来と同様の方法
で異方性エツチングを行うと、流速検出部１１の下側は
、半導体基台１の表面に設けた多数のスリット状開口１
２ｍからなる開口部１２を介して異方性エツチングで除
去されるので、この流速検出部１１が半導体基台１から
隔離して支持されたダイアフラム部１３を有する流速セ
ンサを形成できる。このとき、切断用ストリート部１８
（第９図参照）は従来と同様のプロセスとし、素子の流
速検出部１１をその直線端部と平行になるような構成に
する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示し
ている。

このように上記実施例の流速センサによると、一対の感
温抵抗エレメント８，９とその間に置かれたヒータエレ
メント７からなる流速検出部１１は、第１図のように、
流体２１の流れの方向に対向して並べられるので、その
流速検出部１１の直線端部１１＆を流れ方向２１に向け
て流速検出を行うことができる。また、流速検出部１１
は、第２図に示すように、ヒータエレメント１の中心線
７ａを軸とする線対称構造になるように構成する。っｇ
、ヒータエレメント７の中心線７ａのところでエツチン
グ用開口部１２は１２ｅのような形状とし、エツチング
用開口部１２．ヒータエレメント７、感温抵抗エレメン
ト８，９が中心線７ａを軸として線対称の位置に配置さ
れるように構成すると、流速ゼロのとき、ヒータエレメ
ント７からの熱は等しく両側の感温抵抗エレメント８，
９に伝わることになる。従って、本実施例の流速センサ
では、上流側および下流側感温抵抗エレメント８゜９の
差を出力としているので、上記構成をとることによシ、
流速以外の熱的不平衡はキャンセルされ、流速信号だけ
を正確に出力することが可能になる。

さらに、流速センサの角部から発生する渦による乱れ２
２の影響は、第４図に示すように、本実施例の流速セン
サにおいては乱れ２２が流速検出部１１に及ばないため
、その影響を除去することができる。すなわち、第４図
（ｂ）は第４図（、）の■−Ｉ′断面図であるが、流体
２１の流れは流速検出部１１上においてほぼ２次元の流
れと見做すことができ、同図に示したように流速検出部
１１上において安定した流れを形成できる。これによっ
て、センサ出力は安定し、測定再現性も向上させること
ができた。因に、角部からの乱れは、乱流の場合１５〜
２０°の角度で広がるので、流速検出部１１はその乱れ
が及ばないところに配置する必要がある。

また、第４図（ｂ）に示しであるが、異方性エツチング
によって堀υ込まれたセンサ素子の前縁部１５は角度θ
にして５４７°で傾斜しておシ、流体が渦を発生しにく
くなっている。

また、第２図において、エツチング用開口部１２として
細いスリット状開口１２１Ｌを多数組合せている理由は
、■第３図に示すように流速検出部１１の下部をもれな
く、エツチングできるようにするためと、■そのエツチ
ングが迅速に、かつ−様にできるようにするためである
。これについてさらに第６図及び第７図を用いて説明す
る。

第６図、第７図はどちらも領域１４の下部をエツチング
できる開口部を持っている。しかし、領域１４の全域が
エツチングされるためには、下方向には同図（ｂ）の断
面図に示しただけエツチングをする必要があシ、第６図
よりも第７図の方が約２倍時間がかかることがわかる。

例えば、領域１４を一辺０．５能の正方形とすると、第
６図の場合には深さが約０．１８ｆＩＩｓ第７図の場合
には０．３５ｍｍとなる。このとき、厚さ０．６３ｇｍ
のシリコンウェハを用い、裏面から同量だけエツチング
されるとすると、第６図の場合、残り０．２７ｍｍ、第
７図の場合には貫通してしまうので、この方法は使えな
い。

また、エツチング用開口部１２として細いスリット状開
口１２＆を流速検出部１１の全域に多数個配置すること
によシ、異方性エツチングが領域１４にわたって一様に
進むことが実験で確認された。

このとき、［１１０）方向に平行な流速検出部１１の根
元１１ａは異方性エツチングで残された（１１１）面と
一致するので、それ以上奥へはエツチングは進まない。

こうして、流速検出部１１の根元１１＆はプロセスパラ
メータに影響されることなく決定され、つま、Ｑ　（１
１１）面でエツチングが停止する（正確には極端に遅く
なる）という異方性エツチングの特性によってプロセス
条件に関係なく定まシ、センサ素子間の特性のばらつき
を小さく抑えることができる。なお、第６図において、
１６は異方性エツチングにより形成された半導体基台１
と流速検出部１１を支持するダイアプラム部１３との間
の逆台形状の空隙部であり、また第７図中１２０はエツ
チング領域１４を形成するためのスリット状開口、１６
＆は前記空隙部１６と同様の空隙部である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、基台の一部を異方性エツチング
で除去し、その除去した部分の上に残したダイアフラム
上に薄膜ヒータエレメントと一対の薄膜感温抵抗エレメ
ントからなる流速検出部を設けた流速センサにおいて、
エツチングのための開口部を、前記流速検出部の基台表
面にその〔１００〕方向に伸びた細いスリット状開口を
単位要素としてそのスリット状開口を多数個組み合せた
構成とし、それぞれのスリット状開口が作るエツチング
領域が重なるように配置したので、流体の流れ方向に対
しセンサの直線端部を向けることができる。これによっ
て、従来のように角部で発生する渦を含んだ乱れが流速
検出部へ達せず、センサ出力が安定になるとともに、測
定再現性も向上する等の効果がある。

また、本発明の別の発明によると、エツチング用開口部
において各スリット状開口の端部を基台の（１１０）方
向の線上に合わせた構造とすることにより、流速検出部
の根元がプロセスに：らず、センサ素子を再現性良く形
成できる効果がある。

さらに本発明の別の発明によると、上記センサにおいて
流速検出部をヒータエレメントの中心軸を軸とする線対
称構造とすることによシ、流速以外の熱的不平衡による
出力への悪影響を改善する効果がある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例による流速センサの概略斜視
図、第２図は第１図の流速検出部の詳細平面図、第３図
は上記実施例におけるエツチング方法を説明するだめの
図、第４図（、）及び（ｂ）は上記実施例の作用効果を
説明するための概念図および同図（＆）の１−１’断面
図、第５図は従来例による欠点を説明するための概念図
、第６図（、）及び（ｂ）は上記実施例の説明に供する
一部平面図および同図（、）のｎ−ｎ’断面図、第７図
（、）及び（ｂ）は第６図と対比して説明するためのエ
ツチング工程の一部平面図および同図（＆）の１−１’
断面図、第８図は従来例による流速センサの概略斜視図
、第９図は第８図の製造工程におけるエツチングプロセ
スの説明図である。１・・・・半導体基台、７１・・・薄膜ヒータエレメン
ト、８，９・・・・薄膜感温抵抗エレメント、１０・・
・・薄膜周囲測温抵抗エレメント、１１・・・Φ流速検
出部、１２０俸・拳エツチング用開口部、１２＆・拳・
・スリット状開口、１３・・・・ダイアフラム部、１４
ＩＩ拳・・エツチング領域、１６φｅ・・空隙部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基台上に、薄膜ヒータエレメントと該ヒータエレ
メントの両側に各々独立した薄膜感温抵抗エレメントか
らなる流速検出部を設け、この流速検出部の下側を、そ
の基台表面に設けたエッチング用開口部を介して溶液に
よる異方性エッチングで除去して、前記流速検出部を該
基台から隔離して支持したダイアフラム構造を有し、前
記エッチング用開口部は、前記流速検出部の基台表面に
、その〔１００〕方向に伸びた細いスリット状開口を単
位要素とし、これを多数個組み合せて各々のスリット状
開口を対角線とする正方形のエッチング領域が重なるよ
うに配置したことを特徴とする流速センサ。
（２）請求項１において、エッチング用開口部は、各ス
リット状開口の端部を基台の〔１１０〕方向の線上に合
わせたことを特徴とする流速センサ。
（３）請求項２において、流速検出部の構造がヒータエ
レメントの中心線を軸とする線対称になるように構成し
たことを特徴とする流速センサ。