JPH05264566A - フローセンサ - Google Patents
フローセンサInfo
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- JPH05264566A JPH05264566A JP4091600A JP9160092A JPH05264566A JP H05264566 A JPH05264566 A JP H05264566A JP 4091600 A JP4091600 A JP 4091600A JP 9160092 A JP9160092 A JP 9160092A JP H05264566 A JPH05264566 A JP H05264566A
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- Japan
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- film heater
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 薄膜ヒータを基板側と熱的および電気的に分
離すると共に、気体流に渦を生じさせないフローセンサ
を得る。 【構成】 ｎ形シリコン基板１の表面に高濃度ホウ素添
加単結晶シリコン層２を形成する。この基板の両面にSi
O2膜４、５を熱酸化の手法で形成し、裏面のSiO2膜５に
窓をあける。こうして基板１を異方性エッチングする
と、ｎ形シリコン基板１に空洞１５ができ、高濃度ホウ
素添加単結晶シリコン層２は異方性エッチャントに侵さ
れず、空洞１５の上にダイヤフラム状に残る。これを薄
膜ヒータ６として利用する。薄膜ヒータ６には気体の流
れに沿って電流が流れるように、電極７，７は上流側と
下流側に設ける。薄膜ヒータ６の上流側と下流側におい
て、溝３の上のSiO2膜４にスリット８を形成し、薄膜ヒ
ータ６と基板１を熱的および電気的に分離する。薄膜ヒ
ータ上に気体の流れに沿って、上流側、中央部、下流側
にそれぞれ温度センサ９ａ，ｂ，ｃを設ける。
離すると共に、気体流に渦を生じさせないフローセンサ
を得る。 【構成】 ｎ形シリコン基板１の表面に高濃度ホウ素添
加単結晶シリコン層２を形成する。この基板の両面にSi
O2膜４、５を熱酸化の手法で形成し、裏面のSiO2膜５に
窓をあける。こうして基板１を異方性エッチングする
と、ｎ形シリコン基板１に空洞１５ができ、高濃度ホウ
素添加単結晶シリコン層２は異方性エッチャントに侵さ
れず、空洞１５の上にダイヤフラム状に残る。これを薄
膜ヒータ６として利用する。薄膜ヒータ６には気体の流
れに沿って電流が流れるように、電極７，７は上流側と
下流側に設ける。薄膜ヒータ６の上流側と下流側におい
て、溝３の上のSiO2膜４にスリット８を形成し、薄膜ヒ
ータ６と基板１を熱的および電気的に分離する。薄膜ヒ
ータ上に気体の流れに沿って、上流側、中央部、下流側
にそれぞれ温度センサ９ａ，ｂ，ｃを設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、微細な気体の流速を
検出するためのフローセンサに関する。
検出するためのフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】気体の流れの中にヒータを置くと、ヒー
タの上流側は気体流で冷やされ、下流側は気体流で運ば
れる熱で暖められる。そこで、ヒータの上流側と下流側
の温度差を測れば、気体の流速を検出することができ
る。このような原理に基づき、マイクロヒータの上流側
と下流側に温度センサを配置したフローセンサが提案さ
れている（例えば、特開平２−１９３０１９号公報参
照）。
タの上流側は気体流で冷やされ、下流側は気体流で運ば
れる熱で暖められる。そこで、ヒータの上流側と下流側
の温度差を測れば、気体の流速を検出することができ
る。このような原理に基づき、マイクロヒータの上流側
と下流側に温度センサを配置したフローセンサが提案さ
れている（例えば、特開平２−１９３０１９号公報参
照）。
【０００３】
【従来の技術】従来のフローセンサはヒータが載ってい
る薄膜の上下両面が気体の流れにさらされるよう、薄膜
の上流側と下流側に大きな開口があいていた。この大き
な開口があるため、気体の流れが乱流になり、温度差と
気体流速の関係が簡単な公式から求めることができず、
面倒な校正が必要であった。
る薄膜の上下両面が気体の流れにさらされるよう、薄膜
の上流側と下流側に大きな開口があいていた。この大き
な開口があるため、気体の流れが乱流になり、温度差と
気体流速の関係が簡単な公式から求めることができず、
面倒な校正が必要であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、薄膜ヒー
タを基板側と熱的および電気的に分離すると共に、気体
流に渦を生じさせないフローセンサを得ることを目的と
する。
タを基板側と熱的および電気的に分離すると共に、気体
流に渦を生じさせないフローセンサを得ることを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明のフローセンサ
は、気体の流れにさらされる薄膜ヒータの上流側と下流
側の温度をそれぞれ温度センサで測定し、それらの温度
差から気体の流速を検出するようにした点は従来通りで
ある。
は、気体の流れにさらされる薄膜ヒータの上流側と下流
側の温度をそれぞれ温度センサで測定し、それらの温度
差から気体の流速を検出するようにした点は従来通りで
ある。
【０００６】しかし、薄膜ヒータは基板に設けられた空
洞の上にを形成し、該薄膜ヒータの上流側と下流側に、
該薄膜ヒータを基板側と切り離すスリットを設ける。該
スリットは、気体の流れが層流を保つ程度の細い幅を有
している。
洞の上にを形成し、該薄膜ヒータの上流側と下流側に、
該薄膜ヒータを基板側と切り離すスリットを設ける。該
スリットは、気体の流れが層流を保つ程度の細い幅を有
している。
【０００７】
【作用】ヒータを気体の流れに置いた場合、気体の流れ
が層流の場合、ヒータが気体によって奪われる熱量ΔＱ
は次の式で求めることができる。 ΔＱ＝ｋ(Re)1/2＝ｋ(VL/ν)1/2 ここで、Vは気体の流速、Reはレイノルズ数、νは気体
の粘性係数である。
が層流の場合、ヒータが気体によって奪われる熱量ΔＱ
は次の式で求めることができる。 ΔＱ＝ｋ(Re)1/2＝ｋ(VL/ν)1/2 ここで、Vは気体の流速、Reはレイノルズ数、νは気体
の粘性係数である。
【０００８】このフローセンサのスリットは気体流に渦
を生じさせない程度に細いので、気体流はスリットを越
える際に渦を生ずることがなく、層流状態を保つ。した
がって、温度差と気体流速の関係は、上式から簡単に導
くことができる。
を生じさせない程度に細いので、気体流はスリットを越
える際に渦を生ずることがなく、層流状態を保つ。した
がって、温度差と気体流速の関係は、上式から簡単に導
くことができる。
【０００９】また、スリットは、薄膜ヒータで生じたジ
ュール熱が基板側に逃げるのを阻止すると共に、薄膜ヒ
ータを流れる電流が基板側に漏れ出るのを阻止する。こ
れによってフローセンサの精度が上がる。
ュール熱が基板側に逃げるのを阻止すると共に、薄膜ヒ
ータを流れる電流が基板側に漏れ出るのを阻止する。こ
れによってフローセンサの精度が上がる。
【００１０】
【実施例】図１において、ｎ形シリコン基板１の表面に
塗布拡散剤を用いてホウ素を高濃度に、たとえば、約１
×１０20cm-3程度添加、熱拡散し、高濃度ホウ素添加単
結晶シリコン層２を形成する。この層は、電気抵抗が小
さいので、ヒータとして利用できる。また、この層は、
P++-Si（特に高濃度のＰ形シリコンの意味）となり、数
百℃以下の温度では金属的で、正の抵抗温度係数をも
つ。なお、ホウ素はｎ形シリコン基板の全面に添加する
のではなく、ホウ素を添加しない部分を四角形の枠状に
残す（この部分は後で溝３になる）。
塗布拡散剤を用いてホウ素を高濃度に、たとえば、約１
×１０20cm-3程度添加、熱拡散し、高濃度ホウ素添加単
結晶シリコン層２を形成する。この層は、電気抵抗が小
さいので、ヒータとして利用できる。また、この層は、
P++-Si（特に高濃度のＰ形シリコンの意味）となり、数
百℃以下の温度では金属的で、正の抵抗温度係数をも
つ。なお、ホウ素はｎ形シリコン基板の全面に添加する
のではなく、ホウ素を添加しない部分を四角形の枠状に
残す（この部分は後で溝３になる）。
【００１１】この基板の両面にSiO2膜４、５を熱酸化の
手法で形成し、裏面のSiO2膜５に窓をあける。こうして
基板１を異方性エッチングすると、ｎ形シリコン基板１
に空洞１５ができ、高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層
２は異方性エッチャントに侵されず、空洞１５の上にダ
イヤフラム状に残る。これを薄膜ヒータ６として利用す
る。ホウ素を添加しなかった部分はエッチされて溝３に
なり、薄膜ヒータ６と周囲の高濃度ホウ素添加単結晶シ
リコン層２を分離する。
手法で形成し、裏面のSiO2膜５に窓をあける。こうして
基板１を異方性エッチングすると、ｎ形シリコン基板１
に空洞１５ができ、高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層
２は異方性エッチャントに侵されず、空洞１５の上にダ
イヤフラム状に残る。これを薄膜ヒータ６として利用す
る。ホウ素を添加しなかった部分はエッチされて溝３に
なり、薄膜ヒータ６と周囲の高濃度ホウ素添加単結晶シ
リコン層２を分離する。
【００１２】次いで、SiO2膜４にあけた小窓から薄膜ヒ
ータ６に一対の電極７、７を形成する。薄膜ヒータ６に
は気体の流れに沿って電流が流れるように、電極７，７
は上流側と下流側に設ける。
ータ６に一対の電極７、７を形成する。薄膜ヒータ６に
は気体の流れに沿って電流が流れるように、電極７，７
は上流側と下流側に設ける。
【００１３】薄膜ヒータ６の上流側と下流側において、
溝３の上のSiO2膜４にスリット８を形成し、薄膜ヒータ
６と基板１を熱的および電気的に分離する。スリット８
は太すぎると、薄膜ヒータに沿って流れる気体に渦がで
き、気体によって奪われる熱量を簡単な式から求めるこ
とができなくなる。そこで、スリットの幅は２０μmほ
どの小さなものにしている。
溝３の上のSiO2膜４にスリット８を形成し、薄膜ヒータ
６と基板１を熱的および電気的に分離する。スリット８
は太すぎると、薄膜ヒータに沿って流れる気体に渦がで
き、気体によって奪われる熱量を簡単な式から求めるこ
とができなくなる。そこで、スリットの幅は２０μmほ
どの小さなものにしている。
【００１４】薄膜ヒータ上には、気体の流れに沿って、
上流側、中央部、下流側にそれぞれ温度センサ９ａ，
ｂ，ｃを設ける。各温度センサは熱伝対をはじめ様々な
タイプのものが使えるが、この実施例ではｐｎ接合ダイ
オードで構成されている。これをつくるには、薄膜ヒー
タ上のSiO2膜４に窓をあけて薄膜ヒータ６である高濃度
ホウ素添加単結晶シリコン層２を露出させ、この部分に
ｎ形シリコン層１０をエピタキシャル成長させる。薄膜
ヒータである高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層２はｐ
形であるので、ｎ形シリコン層１０と高濃度ホウ素添加
単結晶シリコン層２のそれぞれに電極１１，１２を付け
ればｐｎ接合ダイオードとなる。ｐｎ接合ダイオード
は、１５０℃以上であると、逆方向飽和電流の温度依存
性から温度を知ることができ、感度も非常に高い。ま
た、１００℃以下で使用するときは、順方向電流の立上
がり電圧の変化から、その接合部の温度を知ることがで
きる。
上流側、中央部、下流側にそれぞれ温度センサ９ａ，
ｂ，ｃを設ける。各温度センサは熱伝対をはじめ様々な
タイプのものが使えるが、この実施例ではｐｎ接合ダイ
オードで構成されている。これをつくるには、薄膜ヒー
タ上のSiO2膜４に窓をあけて薄膜ヒータ６である高濃度
ホウ素添加単結晶シリコン層２を露出させ、この部分に
ｎ形シリコン層１０をエピタキシャル成長させる。薄膜
ヒータである高濃度ホウ素添加単結晶シリコン層２はｐ
形であるので、ｎ形シリコン層１０と高濃度ホウ素添加
単結晶シリコン層２のそれぞれに電極１１，１２を付け
ればｐｎ接合ダイオードとなる。ｐｎ接合ダイオード
は、１５０℃以上であると、逆方向飽和電流の温度依存
性から温度を知ることができ、感度も非常に高い。ま
た、１００℃以下で使用するときは、順方向電流の立上
がり電圧の変化から、その接合部の温度を知ることがで
きる。
【００１５】中央部の温度センサ９ｂは、これで薄膜ヒ
ータ６の中央部の温度をモニタし、該温度が一定になる
ように該薄膜ヒータに流れる電流を制御する。こうして
おいて、温度センサ９ａ，９ｃで薄膜センサ６の上流側
と下流側の温度を計測し、その温度差から気体の流速を
求める。
ータ６の中央部の温度をモニタし、該温度が一定になる
ように該薄膜ヒータに流れる電流を制御する。こうして
おいて、温度センサ９ａ，９ｃで薄膜センサ６の上流側
と下流側の温度を計測し、その温度差から気体の流速を
求める。
【００１６】ところで、この薄膜ヒータの温度係数は正
であるので、温度が低いほど電気抵抗が小さく、同一の
電流のときは、消費電力が小さく、発熱が少ない。図１
において、薄膜ヒータの上流側は気体の流れで冷やされ
るので発熱が少ない。逆に、下流側は、同一電流に対し
て、上流側に比べて暖まるので、ヒータの電気抵抗が大
きくなり、一層発熱することになる。したがって、上流
側は気体流によって冷やされると、ヒータ加熱も小さく
なり、さらに低い温度になる傾向になり、下流側は、そ
の逆になり、上流側と下流側に大きな温度差が発生す
る。したがって、気体の流れを高感度に検知することが
できる。
であるので、温度が低いほど電気抵抗が小さく、同一の
電流のときは、消費電力が小さく、発熱が少ない。図１
において、薄膜ヒータの上流側は気体の流れで冷やされ
るので発熱が少ない。逆に、下流側は、同一電流に対し
て、上流側に比べて暖まるので、ヒータの電気抵抗が大
きくなり、一層発熱することになる。したがって、上流
側は気体流によって冷やされると、ヒータ加熱も小さく
なり、さらに低い温度になる傾向になり、下流側は、そ
の逆になり、上流側と下流側に大きな温度差が発生す
る。したがって、気体の流れを高感度に検知することが
できる。
【００１７】図２は、薄膜ヒータの抵抗温度係数が負の
場合の実施例である。ｐ形シリコン基板２１の上にｎ形
シリコン層（厚みは３μm程度）２２をエピタキシャル
形成する。次いで、ｎ形シリコン層２２にホウ素を熱拡
散して矩形枠状のｐ形シリコン領域（この部分は後で溝
２３になる）をつくる。この基板の両面にSiO2膜２４，
２５を熱酸化の手法で形成し、裏面２５に窓をあける。
こうして、６０℃、５０％程度の苛性ソーダ水溶液中
で、ｎ形エピタキシャル層２２を正になるようにして電
解エッチングすると、ｐ形シリコン基板２１が異方性エ
ッチされて空洞３５ができ、その空洞の上にｎ形シリコ
ン層２２がダイヤフラム状に残る。このダイヤフラム部
分を薄膜ヒータ２６として利用する。この薄膜ヒータの
温度係数は負となる。
場合の実施例である。ｐ形シリコン基板２１の上にｎ形
シリコン層（厚みは３μm程度）２２をエピタキシャル
形成する。次いで、ｎ形シリコン層２２にホウ素を熱拡
散して矩形枠状のｐ形シリコン領域（この部分は後で溝
２３になる）をつくる。この基板の両面にSiO2膜２４，
２５を熱酸化の手法で形成し、裏面２５に窓をあける。
こうして、６０℃、５０％程度の苛性ソーダ水溶液中
で、ｎ形エピタキシャル層２２を正になるようにして電
解エッチングすると、ｐ形シリコン基板２１が異方性エ
ッチされて空洞３５ができ、その空洞の上にｎ形シリコ
ン層２２がダイヤフラム状に残る。このダイヤフラム部
分を薄膜ヒータ２６として利用する。この薄膜ヒータの
温度係数は負となる。
【００１８】なお、ホウ素拡散領域はエッチされて溝２
３になり、薄膜ヒータと周囲のｎ形エピタキシャル層２
２を分離する。薄膜ヒータには流体の流れに直角な方向
に電流が流れるように、電極２７は流れを挟んで対向位
置に設ける。スリット２８は図１と同様に形成する。
３になり、薄膜ヒータと周囲のｎ形エピタキシャル層２
２を分離する。薄膜ヒータには流体の流れに直角な方向
に電流が流れるように、電極２７は流れを挟んで対向位
置に設ける。スリット２８は図１と同様に形成する。
【００１９】薄膜ヒータ２６の上に形成される温度セン
サ９ａ，ｂ，ｃはどんな種類のものでもよいが、ここで
は半導体サーミスタが使われている。これは、０．２μ
m程度の厚みにスパッタリングし、４００℃、N2 中で熱
処理したゲルマニーム層３０に電極３１，３２を取り付
けたもので、１００℃以下の温度で使用するのに適す
る。
サ９ａ，ｂ，ｃはどんな種類のものでもよいが、ここで
は半導体サーミスタが使われている。これは、０．２μ
m程度の厚みにスパッタリングし、４００℃、N2 中で熱
処理したゲルマニーム層３０に電極３１，３２を取り付
けたもので、１００℃以下の温度で使用するのに適す
る。
【００２０】この薄膜ヒータ２６の温度係数は負である
ので、温度が下がると電気抵抗が大きくなる。そして、
薄膜ヒータを流れる電流の方向が気体の流れに直角であ
るので、流れの上流側は冷えて、ヒータの分布抵抗が大
きくなり、電流は上流側を流れにくくなる。このため、
薄膜ヒータの上流側では、発熱が押えられる。一方、下
流側では、気体の流れによる熱の移動で暖められるの
で、抵抗が小さくなり、電流が余計流れるようになり、
その分、余分に発熱する。
ので、温度が下がると電気抵抗が大きくなる。そして、
薄膜ヒータを流れる電流の方向が気体の流れに直角であ
るので、流れの上流側は冷えて、ヒータの分布抵抗が大
きくなり、電流は上流側を流れにくくなる。このため、
薄膜ヒータの上流側では、発熱が押えられる。一方、下
流側では、気体の流れによる熱の移動で暖められるの
で、抵抗が小さくなり、電流が余計流れるようになり、
その分、余分に発熱する。
【００２１】このように、上流側の温度センサ２９ａの
ところでは一層冷えるようになり、下流側センサ２９ｃ
のところでは一層熱せられ、２つの温度センサの温度差
が大きくなり、感度が増大する。中央部の温度センサ２
９ｂは前と同じように、薄膜ヒータの中央部の温度をモ
ニタする。
ところでは一層冷えるようになり、下流側センサ２９ｃ
のところでは一層熱せられ、２つの温度センサの温度差
が大きくなり、感度が増大する。中央部の温度センサ２
９ｂは前と同じように、薄膜ヒータの中央部の温度をモ
ニタする。
【００２２】
【発明の効果】この発明は以上説明したように、薄膜ヒ
ータの上流側と下流側にスリットを設けたので、薄膜ヒ
ータで生じたジュール熱が基板側に逃げるのを阻止で
き、また、薄膜ヒータを流れる電流が基板側に漏れ出る
のを阻止できるので、フローセンサの精度が向上する。
ータの上流側と下流側にスリットを設けたので、薄膜ヒ
ータで生じたジュール熱が基板側に逃げるのを阻止で
き、また、薄膜ヒータを流れる電流が基板側に漏れ出る
のを阻止できるので、フローセンサの精度が向上する。
【００２３】また、スリットは気体流に渦を生じさせな
い程度に細いので、気体流はスリットを越える際、渦を
生ずることがなく、層流状態を保つ。したがって、薄膜
ヒータの上下流の温度差と気体流速の関係が簡単な公式
から求めることができる。
い程度に細いので、気体流はスリットを越える際、渦を
生ずることがなく、層流状態を保つ。したがって、薄膜
ヒータの上下流の温度差と気体流速の関係が簡単な公式
から求めることができる。
【図１】フローセンサの第１の実施例であり、（ａ）は
平面図、（ｂ）は断面図である。
平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】フローセンサの第２の実施例であり、同じく、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
１，２１ 基板 ６，２６ 薄膜ヒータ ８，２８ スリット ９，２９ 温度センサ １５，３５ 空洞
Claims (1)
- 【請求項１】 気体の流れにさらされる薄膜ヒータの上
流側と下流側の温度をそれぞれ温度センサで測定し、そ
れらの温度差から気体の流速を検出するようにしたフロ
ーセンサにおいて、基板に設けられた空洞の上に該薄膜
ヒータを形成し、該薄膜ヒータの上流側と下流側に、該
薄膜ヒータを基板側と切り離すスリットを設け、該スリ
ットは気体の流れが層流を保つ程度の細い幅を有してい
ることを特徴とするフローセンサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4091600A JP2742641B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | フローセンサ |
| US08/033,783 US5406841A (en) | 1992-03-17 | 1993-03-17 | Flow sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4091600A JP2742641B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | フローセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05264566A true JPH05264566A (ja) | 1993-10-12 |
| JP2742641B2 JP2742641B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=14031055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4091600A Expired - Fee Related JP2742641B2 (ja) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | フローセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2742641B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11251104A (ja) * | 1998-02-27 | 1999-09-17 | Hokuriku Electric Ind Co Ltd | 発熱型薄膜素子センサとその製造方法 |
| EP1291621A1 (en) * | 2000-05-19 | 2003-03-12 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heat-sensitive type flow rate detecting element and holder therefor |
| JP2003115683A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-18 | Ge Medical Systems Global Technology Co Llc | フィルタ目詰まり監視方法および電子機器 |
| US6675644B2 (en) | 1998-10-28 | 2004-01-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Thermo-sensitive flow rate sensor |
| US6701782B2 (en) | 2001-07-27 | 2004-03-09 | Denso Corporation | Flow sensor |
| KR100434540B1 (ko) * | 2001-07-28 | 2004-06-05 | 삼성전자주식회사 | 마이크로 채널과 마이크로 채널내 유체와 직접 접촉하는센서와 히터를 구비하는 구조물 및 그 제조 방법 |
| KR100849011B1 (ko) * | 2006-05-15 | 2008-07-30 | 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 | 감열식 유량 센서의 유량 검출 소자 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0472523A (ja) * | 1990-07-13 | 1992-03-06 | Yamatake Honeywell Co Ltd | フローセンサ |
-
1992
- 1992-03-17 JP JP4091600A patent/JP2742641B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0472523A (ja) * | 1990-07-13 | 1992-03-06 | Yamatake Honeywell Co Ltd | フローセンサ |
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| EP1291621A1 (en) * | 2000-05-19 | 2003-03-12 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heat-sensitive type flow rate detecting element and holder therefor |
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