JPH0545193A - Flow sensor - Google Patents

Flow sensor

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JPH0545193A
JPH0545193A JP3230944A JP23094491A JPH0545193A JP H0545193 A JPH0545193 A JP H0545193A JP 3230944 A JP3230944 A JP 3230944A JP 23094491 A JP23094491 A JP 23094491A JP H0545193 A JPH0545193 A JP H0545193A
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flow rate
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flow
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Yoshinori Sou
慶徳 荘
Setsuo Kotado
節夫 古田土
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Abstract

PURPOSE:To develop a flow sensor which has good responsibility and detecting sensitivity, is inexpensive and very convertible, and can be mass produced, because the isolation of a sensing part and a substrate is enough kept and the fluid of a measuring object flows in the vertical direction against the sensing part. CONSTITUTION:An insulating film is performed on the top of a substrate 1, and the substrate 1 has openings at the top and the bottom and a hole for penetrating a fluid through the openings. A sensing part 2 is provided in the state isolated from the substrate through the insulating film and built over the opening of the substrate top.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流量の測定を行
い、各産業の分野、例えば電子、環境、化学、水道、食
品及びその他の諸分野に利用することができる流量セン
サに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flow rate sensor for measuring a flow rate of a fluid, which can be used in various industrial fields such as electronics, environment, chemistry, water supply, food and other fields.

【0002】[0002]

【従来技術】流量に関する測定装置及びその測定方法
は、以前から研究開発が活発に行われ、特に、流量セン
サに関する技術は進歩がめざましく、本発明と密接に関
連する分野について考察すると、以下のような技術が従
来の技術として考えられる。
2. Description of the Related Art A measuring apparatus and a measuring method for a flow rate have been actively researched and developed for a long time. Particularly, a technology relating to a flow rate sensor has been remarkably advanced, and a field closely related to the present invention will be considered as follows. Various technologies are considered as conventional technologies.

【0003】(1)金属線型 金属線型の流量センサの測定原理は、金属線に一定の電
流を流し、その結果、一定の温度まで上昇し、その後、
その測定対象である流体の流量によって温度が変化する
ことによる電気抵抗の変化分を検知して流量を測定す
る。金属線型のセンサは検出感度、直線性、応答性に優
れ、広く用いられている。しかし、金属線型の流量セン
サの欠点として、流量センサを製作するために、個々の
部品を作製し、それを組み合わせて製作することが必要
であり、小型化が困難であり、その製作するコストも高
い。それに加えて、流量センサ自体の特性のばらつきが
大きく装置相互の交換性も良くない。そして、金属線の
耐環境性、耐腐食性もよくなく測定対象が限定されてし
まうという問題もある。
(1) Metal wire type The measurement principle of the metal wire type flow sensor is that a constant current is passed through the metal wire, and as a result, the temperature rises to a constant temperature, and thereafter,
The flow rate is measured by detecting the amount of change in electrical resistance due to the change in temperature depending on the flow rate of the fluid that is the measurement target. Metal line type sensors are widely used because of their excellent detection sensitivity, linearity and responsiveness. However, as a drawback of the metal wire type flow sensor, in order to manufacture the flow sensor, it is necessary to manufacture individual components and combine them, which is difficult to miniaturize, and the manufacturing cost is also high. high. In addition, the characteristics of the flow rate sensor itself vary widely, and the interchangeability between the devices is not good. There is also a problem that the environment resistance and corrosion resistance of the metal wire are not good and the measurement target is limited.

【0004】(2)薄膜型 薄膜型の流量センサは、絶縁された基板上に金属や半導
体膜を成長し、パターン化してセンシング部とする。製
作工程が簡素化され、コストも低くなるにつれて、研究
開発が盛んに行われてきた。しかし、薄膜型の流量セン
サの欠点として、厚さ1μm前後のセンシング部が、何
百μmの厚さを有し、熱容量がはるかに大きい基板と密
着しているので、基板からの影響を受けやすく、検出感
度や、応答速度の点で限界があり、特性の改善が望まれ
ていた。
(2) Thin-Film Type The thin-film type flow rate sensor grows a metal or semiconductor film on an insulated substrate and patterns it into a sensing portion. As the manufacturing process has been simplified and the cost has been reduced, research and development have been actively conducted. However, as a drawback of the thin-film type flow sensor, the sensing part having a thickness of about 1 μm has a thickness of hundreds of μm and is in close contact with a substrate having a much larger heat capacity, so that it is easily affected by the substrate. However, there is a limit in terms of detection sensitivity and response speed, and improvement in characteristics has been desired.

【0005】(3)改良薄膜型 改良薄膜型の流量センサは、上記の薄膜型を改良したも
のであり、センシング部が基板に密着している上記の薄
膜型の欠点を克服するため、センシング部と基板との間
のアイソレーションを十分に確保した流量センサであ
る。この改良薄膜型の技術の説明を図5を用いて行う。
改良薄膜型の流量センサは以下の工程により製作され
る。まず、p型のシリコンウェハの基板にn型のコンタ
クト部を形成する。次に、シリコンの基板1上に二酸化
シリコン膜3を形成する。その後、コンタクト穴14を
開けて、全面的にn型のポリシリコン膜4をディポジシ
ョンし、ポリシリコン膜4をパターニングし、それか
ら、ポリシリコン膜4のセンシング部2の下に位置する
二酸化シリコン膜3をエッチングする。この構造ではセ
ンシング部2と基板1は二酸化シリコン膜3の厚さに相
当する分だけ、アイソレーションが確保される。この結
果、通常の薄膜型の流量センサに比べて検出感度が向上
する。
(3) Improved Thin-Film Type The improved thin-film type flow sensor is an improvement of the above-mentioned thin-film type. In order to overcome the drawbacks of the above-mentioned thin-film type in which the sensing part is in close contact with the substrate, the sensing part This is a flow sensor that ensures sufficient isolation between the substrate and the substrate. This improved thin film type technique will be described with reference to FIG.
The improved thin film type flow sensor is manufactured by the following steps. First, an n-type contact portion is formed on a p-type silicon wafer substrate. Next, a silicon dioxide film 3 is formed on the silicon substrate 1. After that, the contact hole 14 is opened, the n-type polysilicon film 4 is deposited over the entire surface, the polysilicon film 4 is patterned, and then the silicon dioxide film located below the sensing portion 2 of the polysilicon film 4. Etch 3. In this structure, the sensing portion 2 and the substrate 1 are secured in isolation by an amount corresponding to the thickness of the silicon dioxide film 3. As a result, the detection sensitivity is improved as compared with a normal thin film type flow sensor.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記(3)の
所謂、改良薄膜型の流量センサの欠点としては、次のよ
うな事項があげられる。第1の欠点として、基板1とセ
ンシング部2との間隔が一定程度に限られ、およそ2μ
m程度にしかならないが、もし、基板1とセンシング部
2との間隔をこれ以上得ようとすると、二酸化シリコン
膜3に亀裂を生じる可能性がある。第2の欠点として、
二酸化シリコン膜3のコンタクト穴14にポリシリコン
膜4を完全に充填しなければならないので、コンタクト
穴14が深すぎると、ポリシリコン膜4が基板1にまで
達せず、導電しない可能性がある。第3の欠点として、
改良薄膜型の流量センサは、二酸化シリコン膜3の上に
ポリシリコン膜4しか成長できず、結晶シリコン膜を成
長することができないので、センシング部2はポリシリ
コン膜4で構成され、キャリアの移動度がバルクシリコ
ン膜よりも大幅に減少し、検出感度が低下することにな
る。
However, the drawbacks of the so-called improved thin film type flow sensor of the above (3) are as follows. The first drawback is that the distance between the substrate 1 and the sensing unit 2 is limited to a certain level, and is about 2 μm.
Although it is only about m, if an attempt is made to increase the distance between the substrate 1 and the sensing portion 2, a crack may occur in the silicon dioxide film 3. The second drawback is that
Since the contact hole 14 of the silicon dioxide film 3 must be completely filled with the polysilicon film 4, if the contact hole 14 is too deep, the polysilicon film 4 may not reach the substrate 1 and may not be conductive. The third drawback is
Since the improved thin film type flow sensor can grow only the polysilicon film 4 on the silicon dioxide film 3 and cannot grow the crystalline silicon film, the sensing unit 2 is composed of the polysilicon film 4 and the carrier movement. The degree is significantly lower than that of the bulk silicon film, and the detection sensitivity is lowered.

【0007】また、その他の流量センサの係る問題とし
て、一般に従来からの流量センサは、検出感度に問題が
あり、特に測定対象が微量の場合、その流量を十分な精
度でもって測定ができなかった。
Further, as another problem related to the flow rate sensor, the conventional flow rate sensor generally has a problem in detection sensitivity, and particularly when the measurement target is a small amount, the flow rate cannot be measured with sufficient accuracy. ..

【0008】つまり、本発明が解決しようとする課題
は、良好な応答性と検出感度を有し、センシング部と支
持基板とのアイソレーションが十分に維持され、かつ安
価で交換性の高い、大量生産のできる流量センサを開発
することである。そして、そのための条件としては以下
のことが要求される。 (1)半導体技術による安価で大量生産が可能という利
点は失わず、シリコン等の加工技術を利用し、センサの
低コスト、量産性の利点を保持すること。 (2)センシング部と基板との間で熱による影響を受け
ないように、センシング部が基板に対して絶縁され、か
つ架橋状態になっていること。 (3)センシング部の材質は検出感度の向上を図るた
め、望ましくはバルクシリコンで形成されていること。
That is, the problem to be solved by the present invention is to have a good responsiveness and detection sensitivity, to sufficiently maintain the isolation between the sensing part and the support substrate, and to be inexpensive, highly exchangeable, and in large quantities. It is to develop a flow sensor that can be produced. Then, the following is required as a condition therefor. (1) To maintain the advantages of low cost and mass producibility of the sensor by using the processing technology such as silicon without losing the advantage that semiconductor technology can be mass-produced at low cost. (2) The sensing unit is insulated from the substrate and is in a bridged state so as not to be affected by heat between the sensing unit and the substrate. (3) The material of the sensing part is preferably made of bulk silicon in order to improve the detection sensitivity.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決し、なおかつ上記の条件を満たすため、以下の構造の
流量センサを半導体技術を用いて製作したものである。
本発明の流量センサは、基板の上面に絶縁膜が施され、
その基板は上面と下面に開口部を有し、その開口部を経
由して流体を貫通せしめるための孔を有する。そして、
基板の上面の開口部に絶縁膜を介して基板から乖離さ
れ、架橋された状態で設けられた薄膜状の半導体を材質
とする流量のセンシング部2を有する。
In order to solve the above problems and satisfy the above conditions, the present invention is to manufacture a flow rate sensor having the following structure using semiconductor technology.
The flow sensor of the present invention has an insulating film on the upper surface of the substrate,
The substrate has openings on the upper surface and the lower surface, and holes for allowing fluid to pass through the openings. And
A flow rate sensing unit 2 made of a thin film semiconductor is provided in an opening on the upper surface of the substrate so as to be separated from the substrate via an insulating film and provided in a bridged state.

【0010】そして、この流量センサでは、基板1の下
面にある開口部から流入した流体は、基板上部の開口部
から排出され、その排出時にセンシング部2により流量
等の測定が行われるのが一般的であるが、センシング部
2の上部に施された保護膜を除去し、上面で測定を行う
ことも可能である。
In this flow rate sensor, the fluid flowing from the opening in the lower surface of the substrate 1 is discharged from the opening in the upper part of the substrate, and the flow rate and the like are measured by the sensing unit 2 when the fluid is discharged. However, it is also possible to remove the protective film provided on the upper part of the sensing unit 2 and perform the measurement on the upper surface.

【0011】[0011]

【実施例】まず、測定原理をセンサの材料をシリコンを
用いた場合で説明する。センシング部の抵抗Rは、温度
tと式(1)の関係にある。 Rt=R(t0)〔1+α(t−t0)〕・・・・(1) Rt :温度tのときの抵抗値 R(t0):温度t0のときの抵抗値 α :抵抗の温度係数 この場合、流量が0の場合、センシング部2に定電流I
を流すと、熱平衡になった時点で、センシング部2の温
度がt0となり、抵抗はR(t0)となる。流量が0よ
りも大きいとき、センシング部2に定電流Iを流すと、
熱平衡になった時点で、センシング部2の温度がt0よ
りも下がって、抵抗も式(1)に応じてRtになる。そ
して、抵抗の変化量であるα(t−t0)を測定して、
流量を検出できる。すなわち、測定対象の流量が変化す
ると、センシング部2の温度が変化し、センシング部2
の抵抗がそれに応じて変化する。この抵抗の変化量を検
出して流量が検出される。
[First Embodiment] First, the principle of measurement will be described in the case where silicon is used as the material of the sensor. The resistance R of the sensing unit has a relationship with the temperature t according to the equation (1). Rt = R (t0) [1 + α (t−t0)] ... (1) Rt: Resistance value at temperature t R (t0): Resistance value at temperature t0 α: Temperature coefficient of resistance In this case , When the flow rate is 0, the constant current I is applied to the sensing unit 2.
When the temperature is in equilibrium, the temperature of the sensing unit 2 becomes t0 and the resistance becomes R (t0). When a constant current I is passed through the sensing unit 2 when the flow rate is greater than 0,
At the time of thermal equilibrium, the temperature of the sensing unit 2 falls below t0, and the resistance also becomes Rt according to the equation (1). Then, α (t−t0), which is the amount of change in resistance, is measured,
Flow rate can be detected. That is, when the flow rate of the measurement target changes, the temperature of the sensing unit 2 changes, and the sensing unit 2
The resistance of will change accordingly. The flow rate is detected by detecting the amount of change in this resistance.

【0012】本発明の流量センサは検出感度と応答速度
とが従来のセンサに比べて非常に向上している。その理
由は、以下に述べる。 t2:センシング部2の温度 t1:流体の温度 V :流速 C :センシング部の熱容量 とすれば、センシング部2から、流速Vとセンシング部
2の温度と流体の温度との差(t2−t1)とに比例す
る熱量Qは測定対象である流体の中に発散して、センサ
の温度がQ/Cだけ減少する。この原理からわかるよう
に、流速が同じならば、センシング部2の熱容量Cが小
さいほど、センシング部2の温度の変化量、すなわち感
度が向上することになる。しかし、従来の技術では、基
板1とセンシング部2が密着しているので、センシング
部2の温度が上昇すると、それに応じて基板1の温度も
変化してしまい、結局、センサの熱容量が大きくなり、
センサの感度と応答速度が低下する。本発明のセンサは
センシング部2が基板1に対して架橋構造になっている
ので、センシング部2の温度が変化しても、基板1の温
度は殆ど変化しない。センシング部2の熱容量が非常に
小さいので、検出感度と応答速度が向上できる。
The flow rate sensor of the present invention has greatly improved detection sensitivity and response speed as compared with conventional sensors. The reason will be described below. t2: temperature of the sensing unit 2 t1: temperature of the fluid V: flow velocity C: heat capacity of the sensing unit. From the sensing unit 2, the difference between the velocity V, the temperature of the sensing unit 2 and the temperature of the fluid (t2-t1). A heat quantity Q proportional to and diverges into the fluid to be measured, and the temperature of the sensor decreases by Q / C. As can be seen from this principle, if the flow velocity is the same, the smaller the heat capacity C of the sensing unit 2, the higher the amount of change in the temperature of the sensing unit 2, that is, the sensitivity. However, in the conventional technique, since the substrate 1 and the sensing unit 2 are in close contact with each other, if the temperature of the sensing unit 2 rises, the temperature of the substrate 1 also changes accordingly, and eventually the heat capacity of the sensor increases. ,
The sensitivity and response speed of the sensor are reduced. In the sensor of the present invention, since the sensing unit 2 has a bridge structure with respect to the substrate 1, even if the temperature of the sensing unit 2 changes, the temperature of the substrate 1 hardly changes. Since the heat capacity of the sensing unit 2 is very small, the detection sensitivity and response speed can be improved.

【0013】それに加えて、本発明は、基板の上部下部
に開口部を有しているので、測定対象たる流体は基板に
対して常に、垂直方向に流れ、開口部の断面積が非常に
小さいため、流体の流れをセンサ部にのみ限った場合、
流体の流速は従来のものに比べて非常に速くなる。この
結果、本発明による流量センサは、従来技術によるセン
サに比較して、検出感度が向上できるので、流量が微小
の場合にも測定することが可能となる。
In addition to this, since the present invention has an opening in the upper and lower portions of the substrate, the fluid to be measured always flows in the direction perpendicular to the substrate, and the cross-sectional area of the opening is very small. Therefore, if the fluid flow is limited to the sensor section,
The flow velocity of the fluid is much faster than the conventional one. As a result, the flow rate sensor according to the present invention can improve the detection sensitivity as compared with the sensor according to the prior art, so that it is possible to measure even when the flow rate is minute.

【0014】そして、この流量センサの製造方法の概略
を図2を用いて以下に述べる。以下の説明は、特に有効
と思われる材質であるシリコンを基板として用いた場合
を例として述べる。 (1)まず、シリコンからなる300μmの厚さで、
(100)方向に結晶成長されているn特性のシリコン
の上部基板11と、1.5μmの二酸化シリコン膜3を
熱酸化により形成したシリコンの基板1とがある。 (2)次に、直接接合技術で、上部基板11と基板1と
を接合する。 (3)センサに必要な厚さだけを残して、上部基板11
を研磨する。その結果、基板1上にn特性の薄膜状のシ
リコン膜12が残る。 (4)薄膜状のシリコン膜12を熱酸化し、1μmのシ
リコン酸化膜を形成し、それととも、基板1の下側に
略、正方形の開口部を開ける。正方形の一辺は(11
0)方向に一致する。正方形の一辺の長さはセンサの種
類により異なるが、100〜1000μm程度である。
その後、二酸化シリコン膜3をマスクとして、EPW腐
食液(エチレンジアミン、パイロカテコール、水の混合
液)で異方性エッチングする。EPW腐食液は二酸化シ
リコン膜3に対するエッチッグスピードとシリコンのエ
ッチッグスピードとが1:100であり、二酸化シリコ
ン膜3の界面でエッチッグを中止することが容易であ
る。この結果、基板1にシリコンカップ13が形成され
る。この場合、シリコンカップ13の形状はテーパ構造
が流体のセンシング部への集中の観点から望ましい。 (5)上部基板11の側にフォトリソグラフィ技術によ
りセンシング部2を形成し、その後、センシング部2の
部分を保護するため、5000オングストロームの厚さ
の二酸化シリコン膜3を形成する。 (6)センシング部2に電極を接続するため、二酸化シ
リコン膜3にコンタクト穴14を開ける。 (7)電極としてアルミニュウムを蒸着し、2.0μm
のアルミニュウム膜5を形成する。アルミニュウム膜5
にフォトリソグラフィ技術により配線(図示せず)を形
成する。 (8)シリコンカップ13の底面(言い換えれば、基板
1の上面の開口部に接する面)の二酸化シリコン膜3を
エッチッグして除去し、最終構造となる。この最終構造
で、センシング部2と基板1とは、最初の段階で基板1
に、熱酸化で付着されている二酸化シリコン膜3により
熱的に絶縁されている。また、基板1の上面の開口部に
架橋状態で乖離されてセンシング部2が設けられてお
り、基板からの熱の影響は最小限になる。
An outline of a method of manufacturing this flow sensor will be described below with reference to FIG. In the following description, the case where silicon, which is a particularly effective material, is used as the substrate will be described as an example. (1) First, with a thickness of 300 μm made of silicon,
There are an n-characteristic upper silicon substrate 11 having crystallographic growth in the (100) direction and a silicon substrate 1 having a 1.5 μm silicon dioxide film 3 formed by thermal oxidation. (2) Next, the upper substrate 11 and the substrate 1 are joined by the direct joining technique. (3) Only the thickness required for the sensor is left, and the upper substrate 11
To polish. As a result, the n-characteristic thin film silicon film 12 remains on the substrate 1. (4) The thin silicon film 12 is thermally oxidized to form a silicon oxide film of 1 μm, and a substantially square opening is formed on the lower side of the substrate 1. One side of the square is (11
0) Match the direction. The length of one side of the square varies depending on the type of sensor, but is about 100 to 1000 μm.
Then, using the silicon dioxide film 3 as a mask, anisotropic etching is performed with an EPW etchant (a mixture of ethylenediamine, pyrocatechol and water). The EPW etchant has an etching speed for the silicon dioxide film 3 and an etching speed for silicon of 1: 100, and it is easy to stop the etching at the interface of the silicon dioxide film 3. As a result, the silicon cup 13 is formed on the substrate 1. In this case, the shape of the silicon cup 13 is preferably a tapered structure from the viewpoint of the concentration of fluid on the sensing portion. (5) The sensing portion 2 is formed on the side of the upper substrate 11 by the photolithography technique, and then the silicon dioxide film 3 having a thickness of 5000 angstrom is formed in order to protect the portion of the sensing portion 2. (6) A contact hole 14 is formed in the silicon dioxide film 3 in order to connect the electrode to the sensing section 2. (7) Aluminum is vapor-deposited as an electrode, and 2.0 μm
And the aluminum film 5 is formed. Aluminum film 5
Wiring (not shown) is formed by photolithography. (8) The silicon dioxide film 3 on the bottom surface of the silicon cup 13 (in other words, the surface in contact with the opening on the top surface of the substrate 1) is etched and removed to form the final structure. In this final structure, the sensing part 2 and the substrate 1 are
And is thermally insulated by the silicon dioxide film 3 attached by thermal oxidation. Further, the sensing unit 2 is provided in the opening on the upper surface of the substrate 1 so as to be separated in a bridged state, and the influence of heat from the substrate is minimized.

【0015】以上のプロセスは、以下の長所を有する。 1)通常のシリコン成長プロセスを用いることができる
ので、センシング部2のタイプ、キャリア濃度、サイズ
を幅広い範囲で変えられる。 2)シリコン/二酸化シリコン/シリコンの直接接合技
術によって完全な架橋状態でセンシング部2を有し、応
答性が向上する。 3)センシング部2はバルク結晶からなり、キャリアの
移動度が高く、センサの検出感度を向上することができ
る。 4)シリコンプレーナプロセスを用いることができるの
で、量産性がよく、それに加えてセンサの交換性、パラ
メータの均一性もよい。
The above process has the following advantages. 1) Since the normal silicon growth process can be used, the type, carrier concentration, and size of the sensing unit 2 can be changed in a wide range. 2) Having the sensing unit 2 in a completely crosslinked state by the direct bonding technique of silicon / silicon dioxide / silicon, the responsiveness is improved. 3) The sensing unit 2 is made of a bulk crystal, has high carrier mobility, and can improve the detection sensitivity of the sensor. 4) Since a silicon planar process can be used, mass productivity is good, and in addition, sensor interchangeability and parameter uniformity are good.

【0016】(第2の実施例)次に、この流量センサ6
を実際に測定装置に利用した場合の実施例を図3を用い
て以下に述べる。本発明の流量センサ6は構造上、セン
シング部2と基板1とが完全に分離され、架橋状態で基
板1の上部に設置され、また基板1の上部と下部に開口
部を有しているので、センシング部2を測定対象の流れ
方向に対して、垂直方向に設置することが可能となり、
微小流量測定をするときの検出感度の向上に貢献でき
る。以下、ガスコントローラの微小流量測定の例を示
す。流量センサ6の開口部とパッケージ7の開口部との
位置合わせを行い、ボンディングによってリード線8を
引き出し、流量センサ6とコネクタ9とを一体化し、さ
らにコネクタ9とガス配管(図示せず。)を連接する。
ここで、測定対象は以下のとおりである。 測定ガス N2、O2 流量 0.1ml〜1ml/分 ガス配管内径 6mm 平均流速 0.006〜0.06cm/s ガスはセンサ部以外は閉じたガス配管中を流れるので、
センサ部のシリコンカップ13上部を流れる流量は、配
管の流量に等しい。流体の流速はガス管の断面積に反比
例する。流量センサ6の開口部は0.5mm辺長の正方
形の場合、配管面積S1と開口面積S2の比は式(2)
で表される。 3×3×π/0.5×0.5=113 ・・・(2)
(Second Embodiment) Next, the flow rate sensor 6
An example in which the above is actually used in a measuring device will be described below with reference to FIG. Since the flow rate sensor 6 of the present invention has a structure in which the sensing unit 2 and the substrate 1 are completely separated, and is installed on the upper portion of the substrate 1 in a bridged state, and has openings in the upper and lower portions of the substrate 1. , It becomes possible to install the sensing unit 2 in a direction perpendicular to the flow direction of the measurement target,
It can contribute to the improvement of detection sensitivity when measuring minute flow rates. Hereinafter, an example of minute flow rate measurement of the gas controller will be shown. The opening of the flow sensor 6 and the opening of the package 7 are aligned, the lead wire 8 is drawn out by bonding, the flow sensor 6 and the connector 9 are integrated, and the connector 9 and the gas pipe (not shown). To connect.
Here, the measurement target is as follows. Measurement gas N2, O2 Flow rate 0.1 ml to 1 ml / min Gas pipe inner diameter 6 mm Average flow velocity 0.006 to 0.06 cm / s Since gas flows in the gas pipe closed except for the sensor part,
The flow rate of the sensor portion above the silicon cup 13 is equal to the flow rate of the pipe. The flow velocity of the fluid is inversely proportional to the cross-sectional area of the gas pipe. When the opening of the flow sensor 6 is a square having a side length of 0.5 mm, the ratio of the piping area S1 to the opening area S2 is calculated by the formula (2).
It is represented by. 3 × 3 × π / 0.5 × 0.5 = 113 (2)

【0017】すなわち、配管の面積とセンサ開口部の面
積との比は113となり、その比を流速に掛けるとそれ
ぞれ、 0.006×113=0.67、 0.06×113=6.7となる。 この結果、流量センサ6を流れるガスの流速は、0.6
7cm/s〜6.7cm/sであり、検出感度は従来技
術と比較して100倍程度、高められる。第2の実施例
の測定装置に本発明の流量センサ6を組み込んだことに
より、流量センサ自体が有する測定対象が微量の場合の
検出感度が良好であるという効果をより高めることが可
能となった。それに加えて、低コストのチップを使用し
たので、装置全体のコストが低減されるという利点も得
られた。また、その他付随する利点として、流量センサ
6の開口部の大きさを測定対象、測定範囲に合わせて任
意に変化させることが可能となった。例えば、流量セン
サ6の基板1に設けられた開口部の一辺の長さが例え
ば、0.1mmから5mmまで、変化させることが可能
な場合、開口面積は2500倍の範囲で変動可能なの
で、多くの測定対象、広範な測定範囲での測定が可能で
ある。
That is, the ratio of the area of the pipe to the area of the sensor opening is 113, and when the ratio is multiplied by the flow velocity, it is 0.006 × 113 = 0.67 and 0.06 × 113 = 6.7, respectively. Become. As a result, the flow velocity of the gas flowing through the flow sensor 6 is 0.6.
It is 7 cm / s to 6.7 cm / s, and the detection sensitivity is increased by about 100 times as compared with the conventional technique. By incorporating the flow rate sensor 6 of the present invention into the measurement apparatus of the second embodiment, it is possible to further enhance the effect that the detection sensitivity is good when the flow rate sensor itself has a small measurement target. .. In addition, since the low-cost chip is used, the cost of the entire device is reduced. Further, as an additional advantage, the size of the opening of the flow sensor 6 can be arbitrarily changed according to the measurement target and the measurement range. For example, when the length of one side of the opening portion provided in the substrate 1 of the flow rate sensor 6 can be changed from 0.1 mm to 5 mm, for example, the opening area can be changed within a range of 2500 times, It is possible to measure in a wide range of measurement targets.

【0018】次に、第3の実施例を図4を用いて説明す
る。この第3の実施例は、測定対象の流れの方向を測定
する装置に本発明の流量センサ6を応用したものであ
る。本実施例の適用領域として、空調システムの送風流
量、流速分布モニタ等に応用できる。本実施例では、流
量センサ6のパッケージ7へ組み込む方法は、第2の実
施例と同様であるが、コネクタ9とともに、開口部の面
積がコネクタ9の断面積よりも広い断面積を持つガイド
10を有する。そして、本発明の流量センサ6を2基
(6a、6b)、対として設け、一方のセンサのガイド
10の向きと他方のガイド10の向きとを逆方向に設置
する。かつ、それぞれのセンサ6a、6bは測定対象た
る流体が流れてくる方向に平行に設ける。測定対象が静
止しているときは、二つの流量センサ6a、6bの出力
が同じになるように第3の実施例の測定装置を調整す
る。測定対象がA方向からB方向に流れているとき、6
aの方が測定対象は絞られて小孔を通る流速が6bのそ
れより大きくなる。逆に測定対象がB方向からA方向に
流れているときも、6bの方が出力信号が大きくなる。
すなわち、二つのセンサの出力の絶対値は流速によって
決められ、二つの流量センサ6a、6bから出力される
値の符号は測定対象が流れる方向を反映する。また、測
定装置で、測定対象が静止しているとき、6a、6bの
出力信号が等しくなるように調整して、この流量センサ
は測定対象の流れる方向、流量を同時にモニタすること
も可能である。この第3の実施例の利点として、安価
で、高寿命である本発明の流量センサ6を用いているの
で、システム全体のコストが低減される。また、この流
量センサ6を平面方向に限らず、色々な方向に設置すれ
ば、測定対象の三次元的な流向および流量を測定でき
る。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. The third embodiment is an application of the flow rate sensor 6 of the present invention to a device for measuring the flow direction of an object to be measured. As an application area of the present embodiment, it can be applied to an air flow rate of an air conditioning system, a flow velocity distribution monitor, and the like. In this embodiment, the method of incorporating the flow sensor 6 into the package 7 is the same as that of the second embodiment, but with the connector 9, the guide 10 has a cross-sectional area in which the area of the opening is wider than the cross-sectional area of the connector 9. Have. Then, two flow rate sensors 6 (6a, 6b) of the present invention are provided as a pair, and the direction of the guide 10 of one sensor and the direction of the other guide 10 are set in opposite directions. Moreover, the respective sensors 6a and 6b are provided parallel to the direction in which the fluid to be measured flows. When the measurement target is stationary, the measurement device of the third embodiment is adjusted so that the outputs of the two flow rate sensors 6a and 6b are the same. When the measurement target is flowing from A direction to B direction, 6
In a, the object to be measured is narrowed and the flow velocity through the small hole is higher than that in 6b. On the contrary, when the measurement target is flowing from the B direction to the A direction, the output signal of 6b is larger.
That is, the absolute values of the outputs of the two sensors are determined by the flow velocity, and the signs of the values output from the two flow rate sensors 6a and 6b reflect the flow direction of the measurement target. Further, in the measuring device, when the measurement target is stationary, the output signals of 6a and 6b are adjusted to be equal, and this flow sensor can simultaneously monitor the flow direction and flow rate of the measurement target. .. As an advantage of the third embodiment, since the flow sensor 6 of the present invention which is inexpensive and has a long life is used, the cost of the entire system is reduced. If the flow rate sensor 6 is installed not only in the plane direction but also in various directions, the three-dimensional flow direction and flow rate of the measurement target can be measured.

【0019】なお、上記実施例はシリコンの基板上に半
導体技術により設けられたセンシング部について述べて
きたが、基板、センシング部の材質は、他のものであっ
ても差し支えないことはいうまでもない。
Although the above embodiments have described the sensing portion provided on the silicon substrate by the semiconductor technology, it goes without saying that the substrate and the sensing portion may be made of other materials. Absent.

【0020】[0020]

【効果】本発明は(シリコン/二酸化シリコン/シリコ
ン)の直接接合技術を用いて形成され、センシング部は
基板と完全に乖離された状態に置かれ測定対象たる流体
を基板の下面から上面に向けて設けられた貫通部を流れ
るようにし、流量の測定を行っているので以下の効果が
得られる。まず、第1に、基板とセンシング部との間隔
をほぼ、開口部の辺長の最大1・5倍近くまで拡大でき
るので、基板から受ける影響は除去されて、応答速度が
向上できる。第2に、キャリアの移動度が10×10c
m/vsオーダであるポリシリコン膜4の代わりに、キ
ャリアの移動度が400〜1000×400〜1000
cm/vsのバルクシリコン膜でセンシング部を製作す
ることが可能となったので、検出感度が大幅に向上でき
る。第3に、通常のシリコンプロセスを用いることがで
きるので、センシング部2のタイプ、キャリア濃度、サ
イズを幅広い範囲で変えられる。第4に、シリコンプロ
セス、すなわち方向性エッチッグによって上下開口部に
またがる流体の通路(貫通部)を設けることができるの
で、流体をテーパ構造にして装置で取り込むことが可能
である。第5に、本発明の流量センサは、高感度であ
り、測定対象が微量の場合においても、有効かつ精度よ
く測定を行える。
[Effect] The present invention is formed by using the direct bonding technique of (silicon / silicon dioxide / silicon), and the sensing unit is placed in a state where it is completely separated from the substrate, and the fluid to be measured is directed from the lower surface to the upper surface of the substrate. Since the flow rate is measured by flowing through the penetrating portion provided as above, the following effects can be obtained. First, since the distance between the substrate and the sensing portion can be increased to almost 1.5 times the maximum side length of the opening, the influence of the substrate can be eliminated and the response speed can be improved. Second, the carrier mobility is 10 × 10c
Instead of the polysilicon film 4 having the order of m / vs, the carrier mobility is 400 to 1000 × 400 to 1000.
Since it is possible to fabricate the sensing unit with a cm / vs bulk silicon film, the detection sensitivity can be significantly improved. Third, since the normal silicon process can be used, the type, carrier concentration, and size of the sensing unit 2 can be changed in a wide range. Fourthly, since the fluid passage (penetration portion) extending over the upper and lower openings can be provided by the silicon process, that is, the directional etching, the fluid can be taken into the device in a tapered structure. Fifth, the flow rate sensor of the present invention has high sensitivity and can perform effective and accurate measurement even when the measurement target is a small amount.

【0021】本発明の応用としては、高感度、高速応
答、低コストであり、パラメータの均一性がよいため次
の分野で用いられている。 (1)ガスのフローコントローラに導入すれば、高性能
かつ小型のシステムができる。 (2)ガス流量の実時モニタに用いられる。 (3)使い捨ての型で医療、健康関係で用いられる。例
えば、呼吸量測定、血液流量測定等に用いられる。 (4)交換性に優れており、かつ安定性がよいため、下
水、石油加工、食品等、対象物により、センサ表面が汚
れやすい分野で用いられる。
As the application of the present invention, it is used in the following fields because of its high sensitivity, high-speed response, low cost, and good uniformity of parameters. (1) If it is introduced into a gas flow controller, a high-performance and compact system can be made. (2) Used for real-time monitoring of gas flow rate. (3) It is a disposable type and is used for medical and health purposes. For example, it is used for respiratory volume measurement, blood flow rate measurement, and the like. (4) Since it has excellent exchangeability and good stability, it is used in fields where the sensor surface is easily soiled by the target object such as sewage, petroleum processing, and food.

【0022】[0022]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来の技術を説明する図。FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional technique.

【図2】本発明の構成を示す斜視図及び正面図。FIG. 2 is a perspective view and a front view showing the configuration of the present invention.

【図3】本発明の製造工程を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板。 2 センシング部。 3 二酸化シリコン膜。 4 ポリシリコン膜。 5 アルミニュウム膜。 6 流量センサ。 7 パッケージ。 8 リード線。 9 コネクタ。 10 ガイド。 11 上部基板。 12 薄膜状のシリコン膜。 13 シリコンカップ。 14 コンタクト穴。 1 substrate. 2 Sensing section. 3 Silicon dioxide film. 4 Polysilicon film. 5 Aluminum film. 6 Flow sensor. 7 packages. 8 lead wires. 9 connectors. 10 guides. 11 Upper substrate. 12 Thin film silicon film. 13 Silicon cup. 14 contact holes.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上面に絶縁膜が施され、上面と下面に開
口部を有し、開口部を経由して流体を貫通せしめるため
の孔を有する基板(1)と、絶縁膜を介して前記基板か
ら乖離され、基板上面の開口部に架橋された状態で設け
られた流量のセンシング部(2)とを備えた流量セン
サ。
1. A substrate (1) having an upper surface provided with an insulating film, having openings in the upper surface and the lower surface, and having holes for allowing a fluid to pass through the opening, and the substrate (1) having the opening interposed therebetween. A flow rate sensor provided with a flow rate sensing portion (2) provided in a state of being separated from the substrate and being bridged to an opening on the upper surface of the substrate.
【請求項2】 上面に絶縁膜が施され、上面と下面に開
口部を有し、開口部を経由して流体を貫通せしめるため
の孔を有する半導体基板(1)と、絶縁膜を介して前記
基板から乖離され、基板上面の開口部に架橋された状態
で設けられた薄膜状半導体部材からなる流量のセンシン
グ部(2)とを備えた流量センサ。
2. A semiconductor substrate (1) having an insulating film on the upper surface thereof, having openings on the upper surface and the lower surface, and having holes for allowing a fluid to penetrate through the opening, and an insulating film. A flow rate sensor comprising: a flow rate sensing section (2) which is separated from the substrate and is provided in a state of being bridged to an opening on the upper surface of the substrate.
【請求項3】 前記半導体基板が、シリコンからなる第
2項記載の流量センサ。
3. The flow sensor according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is made of silicon.
【請求項4】 前記薄膜状半導体部材がバルクシリコン
からなる第2項記載の流量センサ。
4. The flow sensor according to claim 2, wherein the thin film semiconductor member is made of bulk silicon.
【請求項5】 前記半導体基板が、シリコンからなり、
前記薄膜状半導体部材がバルクシリコンからなる第2項
記載の流量センサ。
5. The semiconductor substrate is made of silicon,
The flow sensor according to claim 2, wherein the thin film semiconductor member is made of bulk silicon.
【請求項6】 前記半導体基板が、シリコンからなり、
前記孔が異方性エッチングにより設けられたテーパ構造
を有すること特徴とする第2項記載の流量センサ。
6. The semiconductor substrate is made of silicon,
The flow rate sensor according to claim 2, wherein the hole has a tapered structure provided by anisotropic etching.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11295127A (en) * 1998-04-06 1999-10-29 Mitsubishi Electric Corp Flow detecting element and flow sensor, and manufacture of flow detecting element

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11295127A (en) * 1998-04-06 1999-10-29 Mitsubishi Electric Corp Flow detecting element and flow sensor, and manufacture of flow detecting element

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