JPH04208814A - シリコンを用いた流速測定装置および流速測定方法 - Google Patents
シリコンを用いた流速測定装置および流速測定方法Info
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- JPH04208814A JPH04208814A JP2413810A JP41381090A JPH04208814A JP H04208814 A JPH04208814 A JP H04208814A JP 2413810 A JP2413810 A JP 2413810A JP 41381090 A JP41381090 A JP 41381090A JP H04208814 A JPH04208814 A JP H04208814A
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- Measuring Volume Flow (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
［０００１１
【産業上の利用分野］本発明は、シリコンを用いた熱式
の流速測定装置および流速測定方法に関し、例えば半導
体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測定に用い
ると好適である。 ［０００２］ 【従来の技術】従来、流体に熱を与え、所定の位置にお
ける流体の温度を測定することにより流体の流速を測定
する熱式の流速計として、図８（Ａ）に示すよう（−取
付板１１の所定位置にセンサチップ１２を取付け、表面
にコーティング１３を施したものが提案されている。セ
ンサチップ１２は、図８ （Ｂ）に示すように、中央部
に形成した流体加熱用のトランジスタＯ２を挟んで対称
位置に流体温度検出用のトランジスタＱ１、Ｑ３ を形
成している。 そして、各トランジスタＱ１． Ｑ２ 、Ｑ３の配列は
、流体がトランジスタＱ１からＱ２、Ｑ３ に向かって
流れるように設定されている（「センサ技術Ｊ Ｖｏｌ
、５、Ｎｏ、１、ｐ、２９、情報調査会）。 ［０００３］上記構成の流速計は、中央に位置するトラ
ンジスタＱ２のコレクタ損失により流体を加熱し、加熱
された流体が移動することによりトランジスタＱ３の形
成位置に達するので、トランジスタＯ２を挟んで対称位
置に形成されたトランジスタＱ、 、Ｑ３ により、そ
れぞれ全く加熱されていない流体の温度に対応する信号
と加熱された流体の温度に対応する信号とを得、得られ
た両信号の差および温度差が流速の平方根に比例するこ
とに基づいて流体の流速を算出することができる。 ［０００４］また、原理は同じだが、全く加熱されてい
ない流体の温度と加熱された流体の温度との差を測定す
るの（ニ一対のトランジスタの代わりに、基板の所定位
置に形成した発熱部を挟んで一対の接点が対向するよう
に、例えば銅−コンスタンタンの薄膜熱電対を形成した
例がある（特開昭６２−１４４０７４号公報）。 ［０００５］この構成の流速計は、発熱部に通電するこ
とにより流体を加熱することができ、この発熱部を挟ん
で一対の接点が対向するように配置した薄膜熱電対によ
り、全く加熱されていない流体の温度と加熱された流体
の温度との差に対応する起電力が出力される７、この起
電力に基づいて必要な演算を行うことにより、流体の流
速を算出することができる。 ［０００６］
の流速測定装置および流速測定方法に関し、例えば半導
体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測定に用い
ると好適である。 ［０００２］ 【従来の技術】従来、流体に熱を与え、所定の位置にお
ける流体の温度を測定することにより流体の流速を測定
する熱式の流速計として、図８（Ａ）に示すよう（−取
付板１１の所定位置にセンサチップ１２を取付け、表面
にコーティング１３を施したものが提案されている。セ
ンサチップ１２は、図８ （Ｂ）に示すように、中央部
に形成した流体加熱用のトランジスタＯ２を挟んで対称
位置に流体温度検出用のトランジスタＱ１、Ｑ３ を形
成している。 そして、各トランジスタＱ１． Ｑ２ 、Ｑ３の配列は
、流体がトランジスタＱ１からＱ２、Ｑ３ に向かって
流れるように設定されている（「センサ技術Ｊ Ｖｏｌ
、５、Ｎｏ、１、ｐ、２９、情報調査会）。 ［０００３］上記構成の流速計は、中央に位置するトラ
ンジスタＱ２のコレクタ損失により流体を加熱し、加熱
された流体が移動することによりトランジスタＱ３の形
成位置に達するので、トランジスタＯ２を挟んで対称位
置に形成されたトランジスタＱ、 、Ｑ３ により、そ
れぞれ全く加熱されていない流体の温度に対応する信号
と加熱された流体の温度に対応する信号とを得、得られ
た両信号の差および温度差が流速の平方根に比例するこ
とに基づいて流体の流速を算出することができる。 ［０００４］また、原理は同じだが、全く加熱されてい
ない流体の温度と加熱された流体の温度との差を測定す
るの（ニ一対のトランジスタの代わりに、基板の所定位
置に形成した発熱部を挟んで一対の接点が対向するよう
に、例えば銅−コンスタンタンの薄膜熱電対を形成した
例がある（特開昭６２−１４４０７４号公報）。 ［０００５］この構成の流速計は、発熱部に通電するこ
とにより流体を加熱することができ、この発熱部を挟ん
で一対の接点が対向するように配置した薄膜熱電対によ
り、全く加熱されていない流体の温度と加熱された流体
の温度との差に対応する起電力が出力される７、この起
電力に基づいて必要な演算を行うことにより、流体の流
速を算出することができる。 ［０００６］
【発明が解決しようとする課題】従来の流体への熱放散
を利用した流速計では２点間の温度差の測定値を用いて
流速を計算するため、同じ流速の場合でも、流体の違い
による温度拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚ｈｔｔ
どの影響で測定される温度差が変わってくる。すなわち
、これらの影響により流速に対する感度が変わってしま
う。 ［０００７］本発明（は、感度が流体の違いによる温度
拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚れに影響されず、
安定な熱式の流速測定装置および流速測定方法を提供す
るものである。 ［０００８］
を利用した流速計では２点間の温度差の測定値を用いて
流速を計算するため、同じ流速の場合でも、流体の違い
による温度拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚ｈｔｔ
どの影響で測定される温度差が変わってくる。すなわち
、これらの影響により流速に対する感度が変わってしま
う。 ［０００７］本発明（は、感度が流体の違いによる温度
拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚れに影響されず、
安定な熱式の流速測定装置および流速測定方法を提供す
るものである。 ［０００８］
【課題を解決するための手段】本発明の流速測定装置は
、シリコン基板上“、に断熱のための空間と絶縁層とを
介して設置された発熱用金属から構成される発熱部と、
前記発熱部から一定の間隔をあけて前記シリコン基板上
に設置されたシリコン・サーモパイルから構成される温
度検出器とを、流体流路となる溝を有するガラスの溝内
に貼付配置したことを特徴とするシリコンを用いた流速
測定装置である。温度検出器としては、ダイオードまた
はトランジスタを形成することもできる。また、本発明
の流速測定方法は、流体管を構成したシリコン中の流路
に面したシリコン基板上に９流体の移動方向に対（７上
流側に設置した発熱部により流体を短時間加熱し、加熱
時刻から下流側に設置した温度検出器の出力ピークまで
の時間を用いて流速を求めることを特徴とするシリコン
を用いた流速測定方法、および、流体管を構成したシリ
コン中の流路に面したシリコン基板上に、流体の移動方
向に対し上流側に設置した発熱部により流体を複数回短
時間加熱し、温度検出器によりそれぞれの温度を検出し
、温度検出器の出力波形を流体加熱時刻を基準として足
し合わせた波形を求め、発熱部における流体加熱から温
度検出器の出力ピークまでの時間を用いて流速を求める
ことを特徴とするシリコンを用いた流速測定方法である
。 ［０００９］
、シリコン基板上“、に断熱のための空間と絶縁層とを
介して設置された発熱用金属から構成される発熱部と、
前記発熱部から一定の間隔をあけて前記シリコン基板上
に設置されたシリコン・サーモパイルから構成される温
度検出器とを、流体流路となる溝を有するガラスの溝内
に貼付配置したことを特徴とするシリコンを用いた流速
測定装置である。温度検出器としては、ダイオードまた
はトランジスタを形成することもできる。また、本発明
の流速測定方法は、流体管を構成したシリコン中の流路
に面したシリコン基板上に９流体の移動方向に対（７上
流側に設置した発熱部により流体を短時間加熱し、加熱
時刻から下流側に設置した温度検出器の出力ピークまで
の時間を用いて流速を求めることを特徴とするシリコン
を用いた流速測定方法、および、流体管を構成したシリ
コン中の流路に面したシリコン基板上に、流体の移動方
向に対し上流側に設置した発熱部により流体を複数回短
時間加熱し、温度検出器によりそれぞれの温度を検出し
、温度検出器の出力波形を流体加熱時刻を基準として足
し合わせた波形を求め、発熱部における流体加熱から温
度検出器の出力ピークまでの時間を用いて流速を求める
ことを特徴とするシリコンを用いた流速測定方法である
。 ［０００９］
【作用】以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。
図１は実施態様を示す断面図、図２は要部上面図、図３
は鳥轍概要断面図である。 ［００１０］例えばｎ型であるシリコン基板２１上に、
例えばｐ型であるエピタキシャル層２２を形成し、この
エピタキシャル層２２内に例えばｎ型である第１導体層
２４を形成し、例えば二酸化シリコンの第１絶縁層２３
を介して第１導体層２４上に第２導体層２６を形成する
。図２に示すように第１導体層２４と第２導体層２６は
各々複数あり、互いに一端同士および他端同士が例えば
アルミニウムの金属層２７により接続されている。 ［００１１１これによって、第１導体層２４と第２導体
層２６とからなる熱電対が複数個ジグザグ状に直列接続
されたサーモパイルが構成される。このサーモパイルは
図１のＡで示された位置を温接点とし、冷接点は発熱部
の影響を受けにくくするため流路の外側に配置する。 ［００１２］第２導体層２６は、熱電対の熱起電力の点
からは第１導体層とは反対導電型の、ここではｐ型の単
結晶シリコンが好ましいが、製造上の容易さからｐ型の
多結晶シリコンやｐ型のアモルファスシリコンでもよく
、さらに簡単には例えば金属層２７と同じアルミニウム
でもよい。 ［００１３］上記サーモパイルより流体の移動方向に対
し上流側の第１絶縁層２３上に発熱部２８を形成する。 発熱部２８は金属層２７と同じ例えばアルミニウムでよ
い。第２導体層２６、金属層２７および発熱部２８が直
接流体に触れないよう、それらの上部に例えば窒化シリ
コンの第２絶縁層２５を形成する。発熱部２８とシリコ
ン基盤２１およびエピタキシャル層２２との間の熱的絶
縁を図るため、エピタキシャル層２２のうち発熱部２８
の直下部を例えば水酸化カリウム水溶液を用いてエツチ
ングにより除去し、空間３０を形成する。 ［００１４］流路は、図３に示すように、例えばパイレ
ックス・ガラスのガラス２９に溝を形成し、その溝とシ
リコンに形成した発熱部２８およびサーモパイルの位置
が合うようにして、例えば陽極接合法で接着して形成す
る。 ［００１５］流体が流れている時、例えば１００μｓな
どの短い時間発熱部２８に通電する。発熱部２８の通電
開始時刻と通電終了時刻の間の中央の時刻を発熱部通電
時刻とする。その時その直上を流れている流体が熱せら
れ、下流へ流れていく。熱せられた流体がサーモパイル
の温接点に到達するとサーモパイルの出力は大きくなり
、サーモパイルの出力の時間変化は図５に示すようにな
る。発熱部２８とサーモパイルの温接点の間の距離１は
既知であるから、発熱部通電時刻からこのサーモパイル
出力のピークまでの時間τより、流速Ｖはｖ＝１／τで
求められる。流速を求めるのに、流体の違いによる温度
拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚れなどの影響を受
ける温度の値でなく、発熱部通電時刻から温度のピーク
までの時間を用いるため、流速の違いによる温度拡散率
、熱伝導率の違いや測温部の汚れなどの影響を受けずに
流速を計算することができる。また、流体の温度の絶対
値の影響もない。 ［００１６］時間τは通常１００μｓ以下の誤差で測定
できるので、測定された時間τの相対誤差（測定値に対
する誤差の割合）はτが大きくなるほど小さくなり、精
度が上がる。従って、流速Ｖは小さいほど精度が良くな
る。通常の流速計では誤差がフルスケールに対する割合
で規定されるため、流速が小さいと精度が悪くなる欠点
があったが、本発明によりこの欠点は克服される。また
、時間τが小さいと測定精度が劣化し、１ｍｓのτ測定
値に対して１０％の誤差が生じる。従って、流速が大き
くなると誤差が大きくなり、仮に１０％の誤差を許すと
すると時間τが１ｍｓとなる流速が測定流速上限となる
。この上限流速の値は、距離１の値を変えることにより
変えることができ、実施例のようにＩ＝１．０ｍｍの場
合は、測定流速上限は１．０ｍｍ÷１ ｍｓ ＝ １０
００１１［１／’Ｓとなる。 ［００１７］この流速計は小さい流速で精度が良く、例
えば半導体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測
定に好適であるが、このような流速では流路壁付近の境
界層はほとんど無視でき、流路内の流速分布はほぼ一様
であるため流速の補正は不要である。 ［００１８］流体の温度を測定するのには、ここで示し
たサーモパイル以外にダイオードまたはトランジスタを
用いることもできる。 ［００１９］温度検出器の温度測定出力に雑音が重畳し
た場合は正しい出力ピークの時刻が得られず、これが流
速測定誤差となる。
は鳥轍概要断面図である。 ［００１０］例えばｎ型であるシリコン基板２１上に、
例えばｐ型であるエピタキシャル層２２を形成し、この
エピタキシャル層２２内に例えばｎ型である第１導体層
２４を形成し、例えば二酸化シリコンの第１絶縁層２３
を介して第１導体層２４上に第２導体層２６を形成する
。図２に示すように第１導体層２４と第２導体層２６は
各々複数あり、互いに一端同士および他端同士が例えば
アルミニウムの金属層２７により接続されている。 ［００１１１これによって、第１導体層２４と第２導体
層２６とからなる熱電対が複数個ジグザグ状に直列接続
されたサーモパイルが構成される。このサーモパイルは
図１のＡで示された位置を温接点とし、冷接点は発熱部
の影響を受けにくくするため流路の外側に配置する。 ［００１２］第２導体層２６は、熱電対の熱起電力の点
からは第１導体層とは反対導電型の、ここではｐ型の単
結晶シリコンが好ましいが、製造上の容易さからｐ型の
多結晶シリコンやｐ型のアモルファスシリコンでもよく
、さらに簡単には例えば金属層２７と同じアルミニウム
でもよい。 ［００１３］上記サーモパイルより流体の移動方向に対
し上流側の第１絶縁層２３上に発熱部２８を形成する。 発熱部２８は金属層２７と同じ例えばアルミニウムでよ
い。第２導体層２６、金属層２７および発熱部２８が直
接流体に触れないよう、それらの上部に例えば窒化シリ
コンの第２絶縁層２５を形成する。発熱部２８とシリコ
ン基盤２１およびエピタキシャル層２２との間の熱的絶
縁を図るため、エピタキシャル層２２のうち発熱部２８
の直下部を例えば水酸化カリウム水溶液を用いてエツチ
ングにより除去し、空間３０を形成する。 ［００１４］流路は、図３に示すように、例えばパイレ
ックス・ガラスのガラス２９に溝を形成し、その溝とシ
リコンに形成した発熱部２８およびサーモパイルの位置
が合うようにして、例えば陽極接合法で接着して形成す
る。 ［００１５］流体が流れている時、例えば１００μｓな
どの短い時間発熱部２８に通電する。発熱部２８の通電
開始時刻と通電終了時刻の間の中央の時刻を発熱部通電
時刻とする。その時その直上を流れている流体が熱せら
れ、下流へ流れていく。熱せられた流体がサーモパイル
の温接点に到達するとサーモパイルの出力は大きくなり
、サーモパイルの出力の時間変化は図５に示すようにな
る。発熱部２８とサーモパイルの温接点の間の距離１は
既知であるから、発熱部通電時刻からこのサーモパイル
出力のピークまでの時間τより、流速Ｖはｖ＝１／τで
求められる。流速を求めるのに、流体の違いによる温度
拡散率、熱伝導率の違いや測温部の汚れなどの影響を受
ける温度の値でなく、発熱部通電時刻から温度のピーク
までの時間を用いるため、流速の違いによる温度拡散率
、熱伝導率の違いや測温部の汚れなどの影響を受けずに
流速を計算することができる。また、流体の温度の絶対
値の影響もない。 ［００１６］時間τは通常１００μｓ以下の誤差で測定
できるので、測定された時間τの相対誤差（測定値に対
する誤差の割合）はτが大きくなるほど小さくなり、精
度が上がる。従って、流速Ｖは小さいほど精度が良くな
る。通常の流速計では誤差がフルスケールに対する割合
で規定されるため、流速が小さいと精度が悪くなる欠点
があったが、本発明によりこの欠点は克服される。また
、時間τが小さいと測定精度が劣化し、１ｍｓのτ測定
値に対して１０％の誤差が生じる。従って、流速が大き
くなると誤差が大きくなり、仮に１０％の誤差を許すと
すると時間τが１ｍｓとなる流速が測定流速上限となる
。この上限流速の値は、距離１の値を変えることにより
変えることができ、実施例のようにＩ＝１．０ｍｍの場
合は、測定流速上限は１．０ｍｍ÷１ ｍｓ ＝ １０
００１１［１／’Ｓとなる。 ［００１７］この流速計は小さい流速で精度が良く、例
えば半導体製造装置に用いるガスなどの微小な流速の測
定に好適であるが、このような流速では流路壁付近の境
界層はほとんど無視でき、流路内の流速分布はほぼ一様
であるため流速の補正は不要である。 ［００１８］流体の温度を測定するのには、ここで示し
たサーモパイル以外にダイオードまたはトランジスタを
用いることもできる。 ［００１９］温度検出器の温度測定出力に雑音が重畳し
た場合は正しい出力ピークの時刻が得られず、これが流
速測定誤差となる。
【００２０】さらに、１回の発熱部通電と温度測定の結
果として得られた波形からではなく、複数回（Ｎ回）の
発熱部通電と温度測定の結果として得られたＮ個の波形
を発熱部通電時刻を基準として足し合わせた（同期加算
と呼ぶ）波形から求めることもできる。同期加算波形に
おいては正しいピークを持った信号成分はＮ倍になり、
雑音成分は通常信号成分と無関係であるため、雑音成分
は 数１ 倍となり、信号雑音比Ｓ／Ｎは 数２ 倍改
善される。もし、Ｓ／Ｎを１０倍改善したければ１００
回の同期加算を行えば良い。従って、同期加算波形から
出力ピーク時刻を得ることにより流速測定精度を向上さ
せ、雑音に強い流速測定を実現することができる。 ［００２１１
果として得られた波形からではなく、複数回（Ｎ回）の
発熱部通電と温度測定の結果として得られたＮ個の波形
を発熱部通電時刻を基準として足し合わせた（同期加算
と呼ぶ）波形から求めることもできる。同期加算波形に
おいては正しいピークを持った信号成分はＮ倍になり、
雑音成分は通常信号成分と無関係であるため、雑音成分
は 数１ 倍となり、信号雑音比Ｓ／Ｎは 数２ 倍改
善される。もし、Ｓ／Ｎを１０倍改善したければ１００
回の同期加算を行えば良い。従って、同期加算波形から
出力ピーク時刻を得ることにより流速測定精度を向上さ
せ、雑音に強い流速測定を実現することができる。 ［００２１１
【数１］
［００２２］
【数２】
Ｎ／へ−Ｆ夏
［００２３］前述した同期加算において、全熱部通電の
時間間隔を一定にして通電を周期的に行うことが最も簡
単である。しかし、周囲にあるモーター等の回転物や電
源が雑音源になった場合、雑音が周期的になり、雑音の
周期が全熱部通電の周期の有理数倍に同じか近い場合は
、雑音成分と信号成分が無相関でなくなるため、同期加
算によってもＳ／Ｎを十分向上できない。仮に全熱部通
電の周期が雑音の周期の整数倍であるとすると、同期加
算によっても全＜Ｓ／Ｎは向上されない。 ［００２４］そこで、周期的雑音が存在する恐れのある
ときは全熱部通電を周期的に行わず、発熱部通電間隔を
無作為に選んで非周期的に全熱部通電を行う。このよう
にすると雑音成分は信号成分と無相関になり、同期加算
によりＳ／Ｎが向上できる。 ［００２５］
時間間隔を一定にして通電を周期的に行うことが最も簡
単である。しかし、周囲にあるモーター等の回転物や電
源が雑音源になった場合、雑音が周期的になり、雑音の
周期が全熱部通電の周期の有理数倍に同じか近い場合は
、雑音成分と信号成分が無相関でなくなるため、同期加
算によってもＳ／Ｎを十分向上できない。仮に全熱部通
電の周期が雑音の周期の整数倍であるとすると、同期加
算によっても全＜Ｓ／Ｎは向上されない。 ［００２４］そこで、周期的雑音が存在する恐れのある
ときは全熱部通電を周期的に行わず、発熱部通電間隔を
無作為に選んで非周期的に全熱部通電を行う。このよう
にすると雑音成分は信号成分と無相関になり、同期加算
によりＳ／Ｎが向上できる。 ［００２５］
【実施例】本発明の実施例を図を参照して説明する。
［００２６］図１〜図３は本発明の第１の実施例による
流速測定装置の構成を示す。 ［００２７１図１に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、このｐ
型のエピタキシャル層２２内にｎ型の第１導体層２４を
形成し、窒化シリコンを用いた第１絶縁層２３を介して
第１導体層２４上にニッケルを用いた第２導体層２６を
形成した。 ［００２８］図２に示すように、第１−導体層２４と第
２導体層２６は各々４本あり、互いに一端同士および他
端同士をニッケルを用いた金属層２７により接続した。 これによって、第１導体層２４と第２導体層２６からな
る熱電対が複数個ジグザグ状に直列接続されたサーモパ
イルを形成した。 ［００２９］上記サーモパイルより上流側の第１絶縁層
２３上に、ニッケルを用いた発熱部２８を形成した。第
２導体層２６、金属層２７、発熱部２８が直接流体に触
れないように窒化シリコンを用いた第２絶縁層２５を形
成した。 ［００３０１発熱部２８とシリコン基板２１およびエピ
タキシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、エピタ
キシャル層２２のうち発熱部２８の直下部を、図２に示
すように。 第１絶縁層２３および第２絶縁層２５に形成したエツチ
ング窓３１より水酸化カリウム水溶液を浸食させてエツ
チングにより除去し、空間３０を形成した。 ［００３１１パイレツクスガラスを用いたガラス２９に
流路となるべき幅５ｍｍ、深さ１００μｍの溝を形成し
た。この溝とシリコンに形成した発熱部２８およびサー
モパイルの位置が合うように、ガラス２９とシリコンの
相対位置合わせをして陽極接合によりガラス２９とシリ
コンを接合して流路を形成した。 ［００３２］この実施例では、発熱部２８とサーモパイ
ルの温接点Ａとの距離を１．０ｍｍとした。窒素を流体
として３０ｃｍ３／ｍｉｎの流量（流速理論値１０００
ｍｍ／ｓ）で流速を測ったところ、図５に示すサーモパ
イル出力波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまで
の時間τは０．９ｍｓであった。この値から計算される
流速測定値はｌｌ１１ｍｌｌｌ／Ｓである。次に、アル
ゴンを流体として３０ｃｍ３／ｍｉｎの流量（流速理論
値１０００ｍｍ／ ｓ ）で流速を測ったところ、図５
に示すサーモパイル出力波形と同様の出力波形を得たが
、アルゴンと窒素の温度拡散率がほぼ同じで、アルゴン
の熱伝導率が窒素の熱伝導率の約０．６８倍のため、測
定された温度の絶対値は約１．５倍となっていた。これ
から求められる時間τは１．０ｍｓで、この値から計算
される流速測定値は１０００ｍｍ／ｓである。 ［００３３］また、サーモパイル出力信号に故意に周期
的でない雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは
０、８ｍｓから１．２ｍｓの間でばらついた。そこで、
１００回の同期加算を行った波形より時間τを求めたと
ころ、１．０ｍｓの値を得た。この値から計算される流
速測定値は１０００ｍｍ／ｓである。 ［００３４］次に、全熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にサーモパイル出力信
号に加えて複数回測定し７たところ、時間τは全て０．
８ｍｓであった。全熱部通電の周期を変えずに、１００
回の同期加算波形より時間τを求めたところ、０．８ｍ
ｓと同期加算前と全く同じ値を得た。そこで、全熱部通
電を周期的でなく無作為に行って、１００回の同期加算
波形より時間τを求めたところ、１．０ｍｓの値を得た
。この値から計算される流速測定値は１００１００Ｏ′
ｓである。 ［００３５１この実施例では、ｎ型のシリコン基板２１
の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成したが、図４
に示すように、エピタキシャル層２２を用いないで流速
計を構成することもできる。 ［００３６１図４に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１内にｐ型の第１導体層２４を形成することにより、エ
ピタキシャル層２２を用いない流速計も実現できる。 ［００３７１図６は本発明の第２の実施例による流速測
定装置の構成を示す。 ［００３８１図６に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、エピタ
キシャル層２２内にｎ上型の素子分離用アイソレーショ
ン層３２を形成し、アイソレーション層３２で分離され
たｐ型のエピタキシャル層２２内に口型拡散層３３を形
成し、ｎ型拡散層３３とｐ型のエピタキシャル層２２と
でダイオードを形成した。ダイオードは、その電圧電流
特性が温度により変化することを利用して温度を測定す
ることができる。このダイオードを図中Ａ・グ１位置に
配置した。 ［００３９］この実施例では１発熱部２８とダイオード
との距離を１．０Ｍとした。窒素を流体として３ Ｃ１
ｎ３／’ｍｉｎの流量（流速理論値１００ｍｍ、’ｓ）
で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様の出
力波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまでの時間
τは１０．１ｍｓであった。この値から計算される流速
測定値は９９ｍｍ／ｓである。次に、アルゴンを流体と
して３ ｃｍ” ／ｍｉｎの流量（流速理論値１００ｍ
ｍ／Ｓ）で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と
同様の出力波形を得たが、アルゴンと窒素の温度拡散率
がほぼ同じで、アルゴンの熱伝導率が窒素の熱伝導率の
約０．６８倍のため、測定された温度の絶対値は約１，
５倍となっていた。これから求められる時間τは１０．
０ｍｓで、この値から計算される流速測定値は１００ｍ
ｍ、−′ｓである。 ［００４０１また、ダイオード出力に故意に周期的でな
い雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは９．７
ｍｓから１０．３ｍｓの間でばらついた。そこで、１０
０回の同期加算を行った波形より時間τを求めたところ
、１０．０ｍｓの値を得た。この値から計算される流速
測定値は１００ｍｍ／ｓである。 ［００４１］次に、発熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にダイオード出力に加
えて複数回測定したところ、時間τは全て９．６ｍｓで
あった。発熱部通電の周期を変えずに、１００回の同期
加算波形より時間τを求めたところ、９．６ｍｓと同期
加算前と全く同じ値を得た。そこで、発熱部通電を周期
的でなく無作為に行って、１００回の同期加算波形より
時間τを求めたところ、１０．０ｍｓの値を得た。この
値から計算される流速測定値は１００ｍｍ／ｓである。 ［００４２１図７は本発明の第３の実施例による流速測
定装置の構成を示す。 ［００４３１図７に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、このｐ
型のエピタキシャル層２２内にｎ上型の素子分離用アイ
ソレーション層３２を形成し、アイソレーション層３２
で分離されたｐ型のエピタキシャル層２２内にｎ型拡散
層３３を形成し、ｎ型拡散層３３内にｐ十型拡散層３４
およびｎ十型拡散層３５を形成し、ｎ型拡散層３３、ｐ
十型拡散層３４、ｎ十型拡散層３５とｐ型のエピタキシ
ャル層２２とでトランジスタを形成した。トランジスタ
は、その電圧電流特性が温度により変化することを利用
して温度を測定することができる。このトランジスタを
図中Ａの位置に配置した。 ［００４４］この実施例では、発熱部２８とトランジス
タの距離を１．０ｍｍとした。窒素を流体として０．３
ｃｍ３／ｍｉ ｎの流量（流速理論値１０ｍｍ／ｓ）で
流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様の出力
波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまでの時間τ
は１００ｍ５であった。この値から計算される流速測定
値は１０ｍｍｚ’ｓである。次に、アルゴンを流体とし
て０．３ｃｍ３／ｍｉ ｎの流量（流速理論値１０順／
Ｓ）で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様
の出力波形を得たが、アルゴンと窒素の温度拡散率がほ
ぼ同じで、アルゴンの熱伝導率が窒素の熱伝導率の約０
゜６８倍のため、測定された温度の絶対値は約１．５倍
となっていた。これから求められる時間τは９９．９ｍ
ｓで、この値から計算される流速測定値は１０．０１ｍ
ｍ／ｓである。 ［００４５］また、トランジスタ出力に故意に周期的で
ない雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは９９
，６ｍｓから１００．４ｍｓの間でばらついた。そこで
、１００回の同期加算を行った波形より時間τを求めた
ところ、１００．０ｍｓの値を得た。この値から計算さ
れる流速測定値は１０ｍｍ／Ｓである。 ［００４６１次に、発熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にトランジスタ出力に
加えて複数回測定したところ、時間τは全て９９．４ｍ
ｓであった。発熱部通電の周期を変えずに、１００回の
同期加算波形より時間τを求めたところ、９９．４ｍｓ
と同期加算前と全く同じ値を得た。そこで、発熱部通電
を周期的でなく無作為に行って、１００回の同期加算波
形より時間τを求めたところ、１００．０ｍｓの値を得
た。この値から計算される流速測定値は１０ｍｍ、／ｓ
である。 ［００４７］
流速測定装置の構成を示す。 ［００２７１図１に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、このｐ
型のエピタキシャル層２２内にｎ型の第１導体層２４を
形成し、窒化シリコンを用いた第１絶縁層２３を介して
第１導体層２４上にニッケルを用いた第２導体層２６を
形成した。 ［００２８］図２に示すように、第１−導体層２４と第
２導体層２６は各々４本あり、互いに一端同士および他
端同士をニッケルを用いた金属層２７により接続した。 これによって、第１導体層２４と第２導体層２６からな
る熱電対が複数個ジグザグ状に直列接続されたサーモパ
イルを形成した。 ［００２９］上記サーモパイルより上流側の第１絶縁層
２３上に、ニッケルを用いた発熱部２８を形成した。第
２導体層２６、金属層２７、発熱部２８が直接流体に触
れないように窒化シリコンを用いた第２絶縁層２５を形
成した。 ［００３０１発熱部２８とシリコン基板２１およびエピ
タキシャル層２２との間の熱的絶縁を図るため、エピタ
キシャル層２２のうち発熱部２８の直下部を、図２に示
すように。 第１絶縁層２３および第２絶縁層２５に形成したエツチ
ング窓３１より水酸化カリウム水溶液を浸食させてエツ
チングにより除去し、空間３０を形成した。 ［００３１１パイレツクスガラスを用いたガラス２９に
流路となるべき幅５ｍｍ、深さ１００μｍの溝を形成し
た。この溝とシリコンに形成した発熱部２８およびサー
モパイルの位置が合うように、ガラス２９とシリコンの
相対位置合わせをして陽極接合によりガラス２９とシリ
コンを接合して流路を形成した。 ［００３２］この実施例では、発熱部２８とサーモパイ
ルの温接点Ａとの距離を１．０ｍｍとした。窒素を流体
として３０ｃｍ３／ｍｉｎの流量（流速理論値１０００
ｍｍ／ｓ）で流速を測ったところ、図５に示すサーモパ
イル出力波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまで
の時間τは０．９ｍｓであった。この値から計算される
流速測定値はｌｌ１１ｍｌｌｌ／Ｓである。次に、アル
ゴンを流体として３０ｃｍ３／ｍｉｎの流量（流速理論
値１０００ｍｍ／ ｓ ）で流速を測ったところ、図５
に示すサーモパイル出力波形と同様の出力波形を得たが
、アルゴンと窒素の温度拡散率がほぼ同じで、アルゴン
の熱伝導率が窒素の熱伝導率の約０．６８倍のため、測
定された温度の絶対値は約１．５倍となっていた。これ
から求められる時間τは１．０ｍｓで、この値から計算
される流速測定値は１０００ｍｍ／ｓである。 ［００３３］また、サーモパイル出力信号に故意に周期
的でない雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは
０、８ｍｓから１．２ｍｓの間でばらついた。そこで、
１００回の同期加算を行った波形より時間τを求めたと
ころ、１．０ｍｓの値を得た。この値から計算される流
速測定値は１０００ｍｍ／ｓである。 ［００３４］次に、全熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にサーモパイル出力信
号に加えて複数回測定し７たところ、時間τは全て０．
８ｍｓであった。全熱部通電の周期を変えずに、１００
回の同期加算波形より時間τを求めたところ、０．８ｍ
ｓと同期加算前と全く同じ値を得た。そこで、全熱部通
電を周期的でなく無作為に行って、１００回の同期加算
波形より時間τを求めたところ、１．０ｍｓの値を得た
。この値から計算される流速測定値は１００１００Ｏ′
ｓである。 ［００３５１この実施例では、ｎ型のシリコン基板２１
の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成したが、図４
に示すように、エピタキシャル層２２を用いないで流速
計を構成することもできる。 ［００３６１図４に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１内にｐ型の第１導体層２４を形成することにより、エ
ピタキシャル層２２を用いない流速計も実現できる。 ［００３７１図６は本発明の第２の実施例による流速測
定装置の構成を示す。 ［００３８１図６に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、エピタ
キシャル層２２内にｎ上型の素子分離用アイソレーショ
ン層３２を形成し、アイソレーション層３２で分離され
たｐ型のエピタキシャル層２２内に口型拡散層３３を形
成し、ｎ型拡散層３３とｐ型のエピタキシャル層２２と
でダイオードを形成した。ダイオードは、その電圧電流
特性が温度により変化することを利用して温度を測定す
ることができる。このダイオードを図中Ａ・グ１位置に
配置した。 ［００３９］この実施例では１発熱部２８とダイオード
との距離を１．０Ｍとした。窒素を流体として３ Ｃ１
ｎ３／’ｍｉｎの流量（流速理論値１００ｍｍ、’ｓ）
で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様の出
力波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまでの時間
τは１０．１ｍｓであった。この値から計算される流速
測定値は９９ｍｍ／ｓである。次に、アルゴンを流体と
して３ ｃｍ” ／ｍｉｎの流量（流速理論値１００ｍ
ｍ／Ｓ）で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と
同様の出力波形を得たが、アルゴンと窒素の温度拡散率
がほぼ同じで、アルゴンの熱伝導率が窒素の熱伝導率の
約０．６８倍のため、測定された温度の絶対値は約１，
５倍となっていた。これから求められる時間τは１０．
０ｍｓで、この値から計算される流速測定値は１００ｍ
ｍ、−′ｓである。 ［００４０１また、ダイオード出力に故意に周期的でな
い雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは９．７
ｍｓから１０．３ｍｓの間でばらついた。そこで、１０
０回の同期加算を行った波形より時間τを求めたところ
、１０．０ｍｓの値を得た。この値から計算される流速
測定値は１００ｍｍ／ｓである。 ［００４１］次に、発熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にダイオード出力に加
えて複数回測定したところ、時間τは全て９．６ｍｓで
あった。発熱部通電の周期を変えずに、１００回の同期
加算波形より時間τを求めたところ、９．６ｍｓと同期
加算前と全く同じ値を得た。そこで、発熱部通電を周期
的でなく無作為に行って、１００回の同期加算波形より
時間τを求めたところ、１０．０ｍｓの値を得た。この
値から計算される流速測定値は１００ｍｍ／ｓである。 ［００４２１図７は本発明の第３の実施例による流速測
定装置の構成を示す。 ［００４３１図７に示すように、ｎ型のシリコン基板２
１の上にｐ型のエピタキシャル層２２を形成し、このｐ
型のエピタキシャル層２２内にｎ上型の素子分離用アイ
ソレーション層３２を形成し、アイソレーション層３２
で分離されたｐ型のエピタキシャル層２２内にｎ型拡散
層３３を形成し、ｎ型拡散層３３内にｐ十型拡散層３４
およびｎ十型拡散層３５を形成し、ｎ型拡散層３３、ｐ
十型拡散層３４、ｎ十型拡散層３５とｐ型のエピタキシ
ャル層２２とでトランジスタを形成した。トランジスタ
は、その電圧電流特性が温度により変化することを利用
して温度を測定することができる。このトランジスタを
図中Ａの位置に配置した。 ［００４４］この実施例では、発熱部２８とトランジス
タの距離を１．０ｍｍとした。窒素を流体として０．３
ｃｍ３／ｍｉ ｎの流量（流速理論値１０ｍｍ／ｓ）で
流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様の出力
波形を得、発熱部通電時刻から出力ピークまでの時間τ
は１００ｍ５であった。この値から計算される流速測定
値は１０ｍｍｚ’ｓである。次に、アルゴンを流体とし
て０．３ｃｍ３／ｍｉ ｎの流量（流速理論値１０順／
Ｓ）で流速を測ったところ、図５に示す出力波形と同様
の出力波形を得たが、アルゴンと窒素の温度拡散率がほ
ぼ同じで、アルゴンの熱伝導率が窒素の熱伝導率の約０
゜６８倍のため、測定された温度の絶対値は約１．５倍
となっていた。これから求められる時間τは９９．９ｍ
ｓで、この値から計算される流速測定値は１０．０１ｍ
ｍ／ｓである。 ［００４５］また、トランジスタ出力に故意に周期的で
ない雑音を加えて複数回測定したところ、時間τは９９
，６ｍｓから１００．４ｍｓの間でばらついた。そこで
、１００回の同期加算を行った波形より時間τを求めた
ところ、１００．０ｍｓの値を得た。この値から計算さ
れる流速測定値は１０ｍｍ／Ｓである。 ［００４６１次に、発熱部通電を周期的に行い、その周
期と同じ周期の周期的雑音を故意にトランジスタ出力に
加えて複数回測定したところ、時間τは全て９９．４ｍ
ｓであった。発熱部通電の周期を変えずに、１００回の
同期加算波形より時間τを求めたところ、９９．４ｍｓ
と同期加算前と全く同じ値を得た。そこで、発熱部通電
を周期的でなく無作為に行って、１００回の同期加算波
形より時間τを求めたところ、１００．０ｍｓの値を得
た。この値から計算される流速測定値は１０ｍｍ、／ｓ
である。 ［００４７］
【発明の効果】本発明によれば、流体の違いによる温度
拡散率や熱伝導率の違い、測温部の汚れに感度が影響さ
れず、かつ雑音に強い熱式の流速測定装置を実現でき、
ひいてはこの流速測定装置を用いた流量コントローラー
やプロセス監視システムなどの精度や信頼性を向上させ
ることができる。
拡散率や熱伝導率の違い、測温部の汚れに感度が影響さ
れず、かつ雑音に強い熱式の流速測定装置を実現でき、
ひいてはこの流速測定装置を用いた流量コントローラー
やプロセス監視システムなどの精度や信頼性を向上させ
ることができる。
【図１】本発明の第１の実施例による流速測定装置の断
面図である。
面図である。
【図２】本発明の第１の実施例による流速測定装置の要
部上面図である。
部上面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による流速測定装置の鳥
轍概要断面図である。
轍概要断面図である。
【図４】本発明のエピタキシャル層を用いない実施例に
よる流速測定装置の断面図である。
よる流速測定装置の断面図である。
【図５】温度検出器の出力を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例による流速測定装置の断
面図である。
面図である。
【図７】本発明の第３の実施例による流速測定装置の断
面図である。
面図である。
【図８】従来の熱式流速計を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 温度検出器
２ 流体流路
２１ シリコン基板
２２ エピタキシャル層
２３ 第１絶縁層
２４ 第１導体層
２５ 第２絶縁層
２６ 第２導体層
２８ 発熱部
２９ ガラス
３０ 空間
【図１】
【図４】
【図７】
（７２）発明者
同村 和彦
神奈川県川崎市中原区井田１６１８
鐵株式会社第−技術研究所内
新日本製
Claims (5)
- 【請求項１】シリコン基板上に断熱のための空間と絶縁
層とを介して設置された発熱用金属から構成される発熱
部と、前記発熱部から一定の間隔をあけて前記シリコン
基板上に設置されたシリコン・サーモパイルから構成さ
れる温度検出器とを、流体流路となる溝を有するガラス
の溝内に貼付配置したことを特徴とするシリコンを用い
た流速測定装置。 - 【請求項２】温度検出器としてダイオードを形成したこ
とを特徴とする請求項１記載のシリコンを用いた流速測
定装置。 - 【請求項３】温度検出器としてトランジスタを形成した
ことを特徴とする請求項１記載のシリコンを用いた流速
測定装置。 - 【請求項４】流体管を構成したシリコン中の流路に面し
たシリコン基板上に、流体の移動方向に対し上流側に設
置した発熱部により流体を短時間加熱し、加熱時刻から
下流側に設置した温度検出器の出力ピークまでの時間を
用いて流速を求めることを特徴とするシリコンを用いた
流速測定方法。 - 【請求項５】流体管を構成したシリコン中の流路に面し
たシリコン基板上に、流体の移動方向に対し上流側に設
置した発熱部により流体を複数回短時間加熱し、温度検
出器によりそれぞれの温度を検出し、温度検出器の出力
波形を流体加熱時刻を基準として足し合わせた波形を求
め、発熱部における流体加熱から温度検出器の出力ピー
クまでの時間を用いて流速を求めることを特徴とするシ
リコンを用いた流速測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2413810A JPH04208814A (ja) | 1990-12-03 | 1990-12-03 | シリコンを用いた流速測定装置および流速測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2413810A JPH04208814A (ja) | 1990-12-03 | 1990-12-03 | シリコンを用いた流速測定装置および流速測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04208814A true JPH04208814A (ja) | 1992-07-30 |
Family
ID=18522375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2413810A Withdrawn JPH04208814A (ja) | 1990-12-03 | 1990-12-03 | シリコンを用いた流速測定装置および流速測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04208814A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003532099A (ja) * | 2000-05-04 | 2003-10-28 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 液体用のフローセンサ |
| JP2006017722A (ja) * | 2004-06-30 | 2006-01-19 | Codman & Shurtleff Inc | ストリームライン・パッケージングを有する熱式流量センサ |
| CN103717526A (zh) * | 2011-07-13 | 2014-04-09 | 国家科研中心 | 包括加热元件的微型传感器以及与其相关联的制造方法 |
-
1990
- 1990-12-03 JP JP2413810A patent/JPH04208814A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003532099A (ja) * | 2000-05-04 | 2003-10-28 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 液体用のフローセンサ |
| JP2006017722A (ja) * | 2004-06-30 | 2006-01-19 | Codman & Shurtleff Inc | ストリームライン・パッケージングを有する熱式流量センサ |
| CN103717526A (zh) * | 2011-07-13 | 2014-04-09 | 国家科研中心 | 包括加热元件的微型传感器以及与其相关联的制造方法 |
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