JPH04218777A - マイクロフローセンサおよびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発熱抵抗体により加熱
された測温抵抗体の抵抗値が流体の通過によって変化す
ることから流体の流量を測定するマイクロフローセンサ
およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】流体の通過によって抵抗値の変化する測
温抵抗体を加熱する発熱抵抗体は、測温抵抗体に近接し
て配置することにより熱効率を向上させる。図２（ａ）
，（ｂ）は従来のマイクロフローセンサの構造を示し、
例えば特開平１−１９５３２７号公報に記載されている
ように測温抵抗体１および発熱抵抗体２は下地誘電体層
３の上に同一平面上に近接して形成されている。 発熱抵抗体２に電極５を介して電流が流されると測温抵
抗体１の温度が上昇する。そして、その温度は測温抵抗
体１の面上をその長さ方向に直角に流体が流れると低下
し、その温度変化による測温抵抗体１の抵抗値変化を電
極４を介して接続されるブリッジ回路で算出する。下地
誘電体層３は、発熱抵抗体２および測温抵抗体１の絶縁
とそれらからの放熱を抑えて消費電力の低減を図るため
のものである。

【０００３】このようなマイクロフローセンサは、シリ
コン基体６の表面に熱酸化によりＳｉＯ２　層３を形成
し、次にその上に白金膜を成膜してフォトリソグラフィ
法により測温抵抗体１および発熱抵抗体２にパターニン
グし、さらに電極４，５を形成したのち、基体６の裏面
よりプラズマエッチングによって測温抵抗体１および発
熱抵抗体２の下方に空洞部７を加工することによって製
造する。空洞部７の加工により、測温抵抗体１および発
熱抵抗体２の下側には下地誘電体層３のみとなり、熱容
量が小さくなるので、測温抵抗体１の温度の変化は鋭敏
となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２に示すような従来
のマイクロフローセンサでは、測温抵抗体１と発熱抵抗
体２が基体６の空洞部７の上に形成されるので、測定精
度を高めるために測温抵抗体１の抵抗値を高めようとす
ると、空洞部７の面積を大きくするか、発熱抵抗体２の
占有面積を小さくしなければならない。空洞部７の面積
を大きくするとセンサの寸法が大きくなると共に強度的
な問題が生じ、発熱抵抗体２の占有面積を小さくすると
、伝熱効率が低下して発熱抵抗体２の消費電力が大きく
なるという問題があった。消費電力は、発熱抵抗体から
基体へ熱が放散されやすいことによっても大きくなる。

【０００５】また、図２に示すような従来のマイクロフ
ローセンサでは、熱酸化により形成されるＳｉＯ２　層
３は約２μｍの厚さであるため、空洞部７の周りに残さ
れた基体６と下地誘電体層との接合部の機械的強度が小
さくなる。さらに、発熱抵抗体，測温抵抗体が測定ガス
に露出しているため、これらの抵抗体に腐食が発生した
り、ガス中のちりの付着などによりセンサの感度が劣化
するという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、上記の問題を解決し、感
度および測定精度が高く、消費電力の小さいマイクロフ
ローセンサあるいはその製造方法を提供することにある
。さらに本発明の目的は、発熱抵抗体，測温抵抗体を支
持する誘電体層と基体の接合部の機械的強度が改善され
、また感度の劣化の小さいマイクロフローセンサあるい
はその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【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、本発明は、発熱抵抗体により加熱される測温抵抗
体の抵抗値の測温抵抗体に接近して流体の流れることに
よる変化から流体の流量を測定するマイクロフローセン
サにおいて、一平面上に形成された発熱抵抗体と中間誘
電体層を介して測温抵抗体が別の平面上に形成されたも
のとする。そして、そのようなマイクロフローセンサに
おいて、発熱抵抗体は周辺部を環状基体に支持された誘
電体層の上に形成され、発熱抵抗体および測温抵抗体の
いずれも環状基体に囲まれた空洞部の上方に位置するこ
とが有効である。あるいは最初に述べたマイクロフロー
センサにおいて、下地誘電体層上に形成された測温抵抗
体および発熱抵抗体の上に保護強化層を備えているもの
とする。そのような保護強化層が下地誘電体層よりも熱
伝導率の大きい絶縁体からなることが望ましい。

【０００８】また本発明のマイクロフローセンサの製造
方法は、基体の上に誘電体層を介して発熱抵抗体を形成
し、その発熱抵抗体の上に中間誘電体層を被覆し、その
中間誘電体層の上に測温抵抗体を形成し、次いで前記基
体の中央部を除去して発熱抵抗体および測温抵抗体の下
方に空洞部を形成するものとする。なおまた別の本発明
は、基体の上に厚さ３μｍ以上の誘電体層を介して発熱
抵抗体および測温抵抗体を形成し、次いで前記基体の中
央部を除去して空洞部を形成し、さらにその空洞部から
発熱抵抗体および測温抵抗体の下方の誘電体層をエッチ
ングして誘電体層を所定の厚さにするものとする。そし
て、そのような方法において、誘電体層をスパッタリン
グ法あるいは熱ＣＶＤ法で形成する。

【０００９】

【作用】測温抵抗体と発熱抵抗体とを別の平面に形成す
るため、基体の空洞部の上方の全面積を測温抵抗体に利
用でき、限られた大きさで高い抵抗値を得ることができ
るため測定精度を高めることができる。また流体に近接
する測温抵抗体の面積が増大するため温度が変化しやす
く、感度が向上する。さらに、発熱抵抗体の長さも長く
できるので均一な加熱ができ、熱は発熱抵抗体から薄い
中間誘電体層を介して測温抵抗体に達するから、伝熱効
率が高く、発熱抵抗体の消費電力が小さくなる。また、
測温抵抗体および発熱抵抗体上に保護強化層を備えるこ
とでセンサ部の腐食やちりの付着などによる感度の低下
を防止できる。この保護強化層の材料に熱伝導率の大き
い絶縁体を使用すると微流量のガスに対しても上流側と
下流側の測温抵抗体の温度勾配が大きくなりセンサ感度
が向上できる。

【００１０】さらに、基体上に形成する誘電体層の厚さ
をスパッタリング法あるいは熱ＣＶＤ法などを用いて３
μｍ以上に形成し、基体の中央部を除去して空洞部を形
成したのち、発熱抵抗体および測温抵抗体の下方の誘電
体層を所要の厚さまでエッチングすれば、基体の接合部
の誘電体層を従来より厚くして機械的強度を高くし、発
熱抵抗体および測温抵抗体の下方の誘電体層を薄くして
発熱抵抗体から基体への放熱を低減して消費電力を小さ
くすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を引用して説
明する。図２と共通の部分に同一の符号を付した図１（
ａ），（ｂ）において、環状シリコン基体６に支持され
る下地誘電体層３の空洞７の上方には図１（ａ）では鎖
線で示される屈曲した発熱抵抗体２だけが形成され、や
はりその下地誘電体層３上に形成された電極５に接続さ
れている。そして、発熱抵抗体２および電極５を中間誘
電体層８が被覆し、測温抵抗体１およびそれに接続され
る電極４は、その中間誘電体層８の上に設けられている
。

【００１２】このマイクロフローセンサは、次のように
して製造される。先ず、２．５ｍｍ角，厚さ４００μｍ
のシリコン基体の一面上に熱酸化により２μｍの厚さの
ＳｉＯ２　層３を形成し、その上に白金からなる厚さ０
．２μｍの発熱抵抗体２をスパッタリング法およびフォ
トリソグラフィ法により形成する。次いでスパッタリン
グ法によりＳｉＯ２　層８を０．５μｍの厚さに積層し
、さらにその上に測温抵抗体１を発熱抵抗体２と同じ方
法で形成し、最後にプラズマエッチングにより凹加工し
て４００μｍ角の空洞部７を形成する。この実施例では
、空洞部７の上に誘電体層３が露出しているが、薄いシ
リコンダイヤフラム部を残すように形成することもでき
る。

【００１３】図３は、本発明の実施例のマイクロフロー
センサ（線３１）と従来例のマイクロフローセンサ（線
３２）の流量に対する測温抵抗体の抵抗変化値を示す。 このときの測定条件は使用ガスは窒素で、ガスを流さな
いときの測温抵抗体１および発熱抵抗体２の温度は１０
０℃であった。これにより、発熱抵抗体２の上に中間誘
電体層８を形成して次に測温抵抗体１を形成した場合の
方が、流入ガスにより測温抵抗体１が冷却されやすく、
抵抗値の変化分が大きいので信号の検出感度が向上する
ことがわかる。

【００１４】図４に示す本発明の別の実施例では、図２
について述べたように熱酸化により形成したＳｉＯ２　
層３の上に白金からなる測温抵抗体１および発熱抵抗体
２ならびに電極４，５を形成したのち、熱伝導率の大き
なＡｌＮ膜９をスパッタリング法で厚さ０．５μｍに形
成して保護強化層として被覆した。また、異なる実施例
してＳｉＯ２　膜をスパッタリング法で０．５μｍの厚
さに形成して被覆した。図５は発熱抵抗体および測温抵
抗体上に保護強化層を備えたものについて流量に対する
出力電圧を示している。保護強化層の材質として熱伝導
率の大きいＡｌＮを用いたもの（線５１）と下地誘電体
層と同じＳｉＯ２　を用いたもの（線５２）の比較を行
った。 これらの膜厚は共に０．５μｍであり、熱伝導率の大き
いＡｌＮを用いた方が流量に対しての感度が大きく出力
電圧が増加することがわかる。なお、熱伝導率の大きい
保護強化層の材料としては、ＡｌＮのほかにＳｉ３　Ｎ
４　を用いてもよい。

【００１５】本発明のさらに別の実施例による図６に示
したマイクロフローセンサは次のようにして製造された
基体として直径４インチ，厚さ４００μｍのシリコン基
体６を用い、その一面上にスパッタリング法により５μ
ｍの厚さのＳｉＯ２　膜３０を形成し、その上に成膜し
た厚さ０．２μｍの白金をフォトリソグラフィ法で発熱
抵抗体２および測温抵抗体１にパターニングした。次に
反対側からのプラズマエッチングにより凹加工して４０
０μｍ角の空洞部７を多数形成し、さらに（ＮＨ４　Ｆ
：ＨＦ＝１０：１）のエッチング液により空洞部７側か
らＳｉＯ２　膜をエッチングし、厚さ２μｍだけ除去し
た。このあと、各空洞部７を囲む２．５ｍｍ角に分割し
て形成したマイクロフローセンサと図１に示した従来の
マイクロフローセンサとの流量に対する出力電圧を比較
した。図７はその結果を示し、線７１は実施例、線７２
は従来例のマイクロフローセンサである。発熱抵抗体２
を基体１から離して設置することで、同一投入パワーに
対して出力電力が増加した。これにより検出感度は向上
することがわかる。また下地誘電体層３と基体６との接
合部では、誘電体層が３μｍから５μｍへ厚くなってい
るので、その部分の機械的強度が向上した。なお、Ｓｉ
Ｏ２　膜３０はスパッタリング法の代わりに熱ＣＶＤ法
で形成してもよく、厚さは３〜６μｍにされる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、測温抵抗体とそれを加
熱する発熱抵抗体を別の平面上に形成することにより、
長さが長く従って抵抗値の大きい測温抵抗体の形成が容
易となり、また発熱抵抗体の面積も大きくなって均一加
熱が可能となって流量測定精度および感度が向上する。

【００１７】さらに、測温抵抗体と発熱抵抗体が中間誘
電体層を介して接近して存在するので伝熱効果が上がり
、加熱に要する消費電力が低減する。そして、測温抵抗
体および発熱抵抗体の双方を基体の空洞部上に形成すれ
ば、熱容量が減少し、感度が向上する。このような空洞
部は、発熱抵抗体および測温抵抗体を基体上に重ねて形
成後、基体に反対側から凹加工することにより容易に形
成できる。

【００１８】別の本発明によれば、発熱抵抗体および測
温抵抗体上に保護強化層を備えることでセンサ部の腐食
やごみの付着によるセンサ感度の劣化を防ぐことができ
るようになり、特に保護強化層に耐環境性のある熱伝導
率の大きい材質を選定するとセンサ感度を向上できる。

【００１９】さらに、空洞部上の下地誘電体層をスパッ
タリング法あるいは熱ＣＶＤ法などにより厚くし、空洞
部側からエッチングして測温抵抗体および発熱抵抗体の
下方を適切な厚さにすることにより、下地誘電体層の機
械的強度を従来より大きく、かつ消費電力を小さくする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のマイクロフローセンサを示
し、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図

【図２】従来のマイクロフローセンサを示し、（ａ）が
平面図、（ｂ）が断面図

【図３】本発明の実施例および従来例のマイクロフロー
センサのガス流量に対する測温抵抗体の抵抗値変化分の
関係線図

【図４】本発明の別の実施例のマイクロフローセンサの
断面図

【図５】図４のマイクロフローセンサおよび異なる実施
例のマイクロフローセンサの流量に対する出力電圧の関
係線図

【図６】本発明のさらに別の実施例のマイクロフローセ
ンサの断面図

【図７】図６のマイクロフローセンサおよび従来例のマ
イクロフローセンサの流量に対する出力電圧の関係線図

【符号の説明】

１　　　　測温抵抗体 ２　　　　発熱抵抗体 ３　　　　下地誘電体層 ６　　　　基体 ７　　　　空洞部 ８　　　　中間誘電体層 ９　　　　ＡｌＮ膜 ３０　　　　厚いＳｉＯ２　膜

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱抵抗体により加熱される測温抵抗体の
   抵抗値の測温抵抗体に接近して流体の流れることによる
   変化から流体の流量を測定するものにおいて、一平面上
   に形成された発熱抵抗体と中間誘電体層を介して、測温
   抵抗体が別の平面上に形成されたことを特徴とするマイ
   クロフローセンサ。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、発熱抵抗体
   は周辺部を環状基体に支持された誘電体層の上に形成さ
   れ、発熱抵抗体および測温抵抗体のいずれも環状基体に
   囲まれた空洞部の上方に位置する請求項１記載のマイク
   ロフローセンサ。
3. 【請求項３】発熱抵抗体により加熱される測温抵抗体の
   抵抗値の測温抵抗体に接近して流体の流れることによる
   変化から流体の流量を測定するものにおいて、下地誘電
   体層上に形成された測温抵抗体および発熱抵抗体の上に
   保護強化層を備えたことを特徴とするマイクロフローセ
   ンサ。
4. 【請求項４】請求項３記載のものにおいて、保護強化層
   が下地誘電体層よりも熱伝導率の大きい絶縁体からなる
   マイクロフローセンサ。
5. 【請求項５】基体の上に誘電体層を介して発熱抵抗体を
   形成し、その発熱抵抗体の上を中間誘電体層により被覆
   し、その中間誘電体層の上に測温抵抗体を形成し、次い
   で前記基体の中央部を除去して発熱抵抗体および測温抵
   抗体の下方に空洞部を形成することを特徴とするマイク
   ロフローセンサの製造方法。
6. 【請求項６】基体の上に厚さ３μｍ以上の誘電体層を介
   して発熱抵抗体および測温抵抗体を形成し、次いで前記
   基体の中央部を除去して空洞部を形成し、さらにその空
   洞部から発熱抵抗体および測温抵抗体の下方の誘電体層
   をエッチングして誘電体層を所定の厚さにすることを特
   徴とするマイクロフローセンサの製造方法。
7. 【請求項７】請求項６記載の方法において、誘電体層を
   スパッタリング方法で形成するマイクロフローセンサの
   製造方法。
8. 【請求項８】請求項６記載の方法において、誘電体層を
   熱ＣＶＤ法で形成するマイクロフローセンサの製造方法
   。