JPH045572A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流体の流速を検出する流速センサに関し、特に
シリコン等の半導体基板を用いたマイクロダイアフラム
流速センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この樵の流速センサとしてマイクロブリッジ流速
センサを例にとって第７図を用いて説明する。第７図に
おいて、１は例えばシリコンからなる半導体基板でｓｂ
、この半導体基板１の中央部には、異方性エツチングに
よシ両側の開口２゜３を連通する貫通孔つまシ空隙部４
が形成されておシ、この空隙部４の上部には半導体基板
１からブリッジ状に空間的に隔離され、結果的に半導体
基板１から熱的に絶縁された橋絡部５が形成されている
。そしてこの橋絡部５の表面には、通常の薄膜形成技術
によシ薄膜のヒータエレメントＴとそれを挾む薄膜の測
温抵抗エレメント８．９とが配列して形成されている。

また、半導体基板１上の角部には薄膜の周囲測温抵抗エ
レメント１０が形成されている。なお、１１は半導体基
板１上の各開口２，３の中央部分に形成され念スリット
状の中央開口であり、これら開口２，３及び１１によっ
て囲まれた半導体基板１つまりシリコンの下側をそれら
開口２．３及び１１ｔ−介してＫＯＨ等ノ溶液で異方性
エッ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によって半導体基板１からヒータエレメント７及び
測温抵抗エレメント８，９が熱的に絶縁されて支持され
た橋絡部５が形成される。

また、第８図（ａ）及び（ｂ）は第７図に示すマイクロ
ブリッジ流速センサの動作を示す説明図であり、同図（
ｍ）は各エレメントの温度分布を示し、同図（ｂ）は第
７図のＡ−Ａ’線断面を示している。なお、図中符号６
は半導体基板１上に形成されるヒータニレメン）７等の
素子を保護するための保腹膜であり、これは、熱伝導率
の低い窒化シリコンなどの材料から々る。

ここで、ヒータエレメント７を周囲温度よシもある一定
の高い温度ｔｈ１．ｔｈ２（例えば、６３℃：周囲温度
基準）で制御すると、測温抵抗エレメント８，９の温度
す、ｔ＜（例えば、３５℃：周囲温度基準）は第８図（
ａ）に示すようにヒータエレメント７の温度ｔｈｌ　、
　ｔｈ２　　を中心として略対称となる。このとき、例
えば第６図に示す矢印２１の方向からの気体が移動する
と、上流側の測温抵抗エレメント８は冷却されΔＴ３　
だけ降温する。

−万、下流側の測温抵抗エレメント９は気体の流れを媒
体としてヒータエレメントγからの熱伝導が促進され、
温度がΔＴ４だけ昇温するために温度差が生じる。この
ため、測温抵抗エレメント８゜９をホイートストンブリ
ッジ回路に組込み、その温度差を電圧に変換することに
よシ、気体の流速に応じた電圧出力が得られ、その結果
、気体の流速を検出することができる。

このように従来のマイクロブリッジ流速センサは、薄膜
技術および異方性エツチング技術により形成された極め
て熱容量の小さい薄膜橋絡構造を有するもので、応答速
度が極めて速く、高感度。

低消費電力であり、しかも量産性が良いなどの優れ九利
点を有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の流速センサでは、半導体
基板の一部に橋絡部５を形成する場合、その基板表面の
橋絡部５の両側に設けた開口２，３及び１１を用いてエ
ツチングを行なっているが、この方法では、その橋絡部
５の寸法開口部２，３゜１１の大きさによって制限され
てしまう。また、エツチング用開口のうち特に両側の開
口２，３が比較的大きくなるので、流体特に気体の検出
時に飛来してくるゴミ（ダスト）等がその開口２，３の
周辺に付着した９、あるいは空隙部４内に入や込む等し
て、センサの特性に悪影響を与えるという問題があった
。

この様な問題点を解決するなめに、例えば特開昭６１−
８８５３２号公報の如く、半導体基板上に形成すべき空
隙部のパターンに応じて、その基板表面の中央部に幅の
広いスリットと、その周辺に沿って幅の狭いスリットを
それぞれ設け、これらスリットを介して半導体基板を異
方性エッチングすることにより、ダイアフラム構造とし
たものが開示されている。しかし、かかる構造の流速セ
ンサは、一定の空隙部を設けるためには、スリットをあ
る程度の幅にしなければならず、ゴミによる影響を激減
させるまでは至らなかった。また、ダイアプラム面積に
対し、を隙部の深さが深いため、ダイアフラム自体の厚
さが厚くなるという欠点を有していた。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的は
、ゴミ等の影響を少なくし、しかもダイアフラムを大き
くとれる構造にすることによシ、性能を向上させた流速
センサを提供することにある。

〔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、
基板上に、発熱部と該発熱部の両側に各々独立した測温
抵抗部を設け、該発熱部及び測温抵抗部の下側および周
辺を、その基板表面に設けた多数の細いスリットを介し
て溶液にてエッチングすることにより空隙化して、該発
熱部及び測温抵抗部を前記基板から隔離して支持したダ
イアフラム構造を有するものである。

〔作用〕

したがって、本発明においては、基板の表面に設けた多
数の細いスリットを介してエツチングを行うことにより
、効率良くエツチングすることができるので、比較的大
きいダイアフラムを容易にかつ短い時間で形成できる。

そのため、ダイアフラムに形成すべき発熱部及び測温抵
抗部のパターンが大きくとれ、検出感度を増大させるこ
とができる。また、各々のスリットはその幅が１０〜２
０μｍ程度と微細であるので、空隙部への流体の流れが
少なくなシ、各スリット周辺へのゴミの何着やその空隙
部内へのゴミの入９込みを効果的に解消できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に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パタ
ーン構造の平面図である。この実施例は、半導体基板１
上の中央部分にヒータエレメント７を設けるとともに、
該ヒータエレメント７の両側に各々独立した測温抵抗エ
レメント８，９を設ける。そして、このヒータエレメン
ト７及び測温抵抗エレメント８．９は例えば窒化シリコ
ン等の保護膜で覆われている。また、この半導体基板１
上の表面にはエツチングのための多数の細いスリット１
２を設け、ヒータエレメント７及び測温抵抗エレメント
８．９の下側および周辺を、その基板表面に設けた多数
の細いスリット１２を介して例えば異方性エツチングな
どのエツチング方法によりエッチングすることにより空
隙化して、空隙部４を形成する。これにより、その空隙
部４の上部には、半導体基板１からダイアフラム状に空
間的に隔離され、その基板よりヒータエレメント７及び
測温抵抗エレメント８，９が熱的に絶縁されて支持され
念ダイアフラム５鳳が形成される。

このとき、本発明は、半導体基板１として例えば（１０
０）面を表面とするシリコン基板を用いる場合、その（
１００）面にＫＯＨ等の溶欲による異方性エツチングを
施すと、（１１１）面に沿ってエツチングが進行するこ
とを利用し、多数の細いスリット１２は、第１図に示す
ように、上流側において（１１１）面に対応する境界線
ａ、ｂで囲まれた三角形の領域１３】をエツチングする
第１のスリット部１２１と、中流側において（１１１）
面に対応しない境界線ｃ、ｄで囲まれた四角形の領域１
３２をエツチングする第２のスリット部１２２と、下流
側において（１１１）面に対応する境界線ａ、ｂで囲ま
れた三角形の領域１３３をエツチングするための第３の
スリット部１２３からなシ、各々のスリット部分は気体
の進行方向２１に対してほぼ平行と垂直に交互に配列し
て設けられる。そして、各第１．第２及び第３のスリッ
ト部１２１〜１２３は、センサを構成するヒータエレメ
ント７及び測温抵抗エレメント８，９の下部および周辺
において上述の異方性エツチングにより各々のスリット
部分を対角線とする正方形の領域にわたってシリコン基
板をエツチングする際に、第４図に示す如く各々のスリ
ット部分１２１〜１２３（第４図では１２、の一部のみ
）が作るエツチング領域Ａが重なるように、所定の寸法
が決められている。このとき、第２のスリット部１２２
のうちヒータエレメントＴ及び測温抵抗エレメント８，
９からなるセンサとダイアフラム５ａの付け根にあるも
のは、必ず流体の流れに平行になるように設ける。

したがって、本実施例によると、シリコン基板１上の表
面に設けた多数の細いスリット１２を用いてそのシリコ
ンの異方性エツチングを行うことによ）、第２図及び第
３図に示すように、エツチングの断面形状が従来例と同
様な逆台形状のパターンをもつ空隙部４を形成すること
ができる。その結果、効率良くエツチングができるので
、所定のダイアフラム５ｍを容易に形成できるとともに
、比較的大きいダイアフラムを短時間に形成できる。

また、不要な部分をアンダーカットせずに大きいダイア
プラムを形成したり、エッチピットを深くせずに大きい
ダイアプラムを形成できる。さらに、応力の集中を避け
、平坦で大きなダイアフラムを形成できる等の利点を有
する。なお、第３図において、１４は半導体基板１０表
面、１５Ｆｉ、その空隙部４内の傾斜面、１６はその底
面を示す。また、図中同一符号は同一または相当部分を
示している。

なお、上記実施例では、多数の細いスリット１２は流体
の進行方向に対しほぼ平行と垂直に交互に配列して設け
たが、この多数の細いスリット１２のうちセンサ近傍部
及びダイアフラム付け根部近傍を除くスリット部１２１
，１２３（図示せず）を、第５図に示すように流体の進
行方向２１と平行に配列して設けたシ、あるいは、第６
図に示すように流体の進行方向２１とほぼ垂直に配列し
て設けても、第１図の実施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の流速センサによれば、基板
上に配設された発熱部及び測温抵抗部の下側および周辺
を空隙化し、その空隙部によって基板から発熱部及び測
温抵抗部を熱的に絶縁したダイアフラムを形成するに際
し、基板表面に多数の細かいスリットを設け、これに異
方性エツチングを行なうので、従来例とは異なり、基台
面下部に底の浅い幅広の空隙部を容易にしかも短時間で
゛形成できる（底の浅い幅広のダイヤスラムを短時間で
容易に作成可能）。さらに、センサ表面の各々のエツチ
ング用スリットが微細であるので、その表面にゴミが付
きにくくなると共に、空隙部内へのゴミの入シ込みが少
なくなり、その結果、流速センサの安定動作、ダイアフ
ラム部の熱的独立性が高いことによる検出感度の向上が
図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流速センサの一実施例を示すパタ
ーン構造の平面図、第２図は第１図における各々のスリ
ット部と空隙部との対応状態を示す概略図、第３図は第
１図における上流側の空隙部分の一部破断斜視図、第４
図は上記実施例の説明に供する上流側スリット部の一部
平面図、第５図及び第６図はそれぞれ本発明の他の実施
例を説明するための上流側の領域のスリットの配列状態
を示す一部平面図、第７図は従来の流速センサの一例を
示す斜視図、第８図（ａ）及び（ｂ）は第７図に示す流
速センサの動作を示す説明図である。 １・・・・半導体基板、４・・・・空隙部、５ａ・・・
・ダイアフラム、７・・・・ヒータエレメント、８．９
・・・・測温抵抗エレメント、１０・・・・周囲測温抵
抗エレメント、１２・・・・スリット、１２１　・・・
・第１のスリット部、１２２　・・・・第２のスリット
部、１２３・・・・第３のスリット部。 第２ＷＪ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、発熱部と該発熱部の両側に各々独立し
   た側温抵抗部を設け、該発熱部及び測温抵抗部の下側お
   よび周辺を、その基板表面に設けた多数の細いスリット
   を介して溶液にて異方性エッチングすることにより空隙
   化して、該発熱部及び側温抵抗部を前記基板から隔離し
   て支持したダイアフラム構造を有することを特徴とする
   流速センサ。
2. （２）請求項１において各々のスリットは、各スリット
   によるエッチング領域が重なるように設けたことを特徴
   とする流速センサ。
3. （３）請求項１において、センサ近傍部及びダイアフラ
   ム付け根部近傍を除くスリットは、流体の進行方向に対
   しほぼ平行と垂直に交互に配列して設けたことを特徴と
   する流速センサ。
4. （４）請求項１において、センサ近傍を除くスリットは
   、流体の進行方向とほぼ平行あるいは垂直のいずれかに
   配列して設けたことを特徴とする流速センサ。