JPH0611374A

JPH0611374A - 流体フローセンサ

Info

Publication number: JPH0611374A
Application number: JP5064468A
Authority: JP
Inventors: Takeshige Ichimura; 剛重市村; Hidetoshi Umemoto; 秀利梅本; Kazunari Kubota; 一成窪田; Noriyuki Hirayama; 則行平山
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】流体流れの流量を広い範囲で検出することがで
き、信頼性に優れる流体フローセンサを得る。【構成】半導体基体１に誘電体膜４を介して橋絡部３を
形成するとともにこの橋絡部３の上に４個の薄膜熱感知
体１１，１２，１３，１４を形成し、この薄膜熱感知体
をホィートストンブリッジ回路に組む。薄膜熱感知体を
加熱体としてまた抵抗測温体として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は流体フローセンサの構
造に係り、特に流体フローセンサの橋絡部と薄膜熱感知
体に係る構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱容量の小さい薄膜架橋構造のフローセ
ンサが知られている。図１２は従来の流体フローセンサ
を示し、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２
（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。半導体基体１に形成
された橋絡部３の表面に薄膜ヒータ６と薄膜熱感知体
５，７が積層される。薄膜熱感知体５，７は薄膜ヒータ
６を中心にして対称に配置される。８，９はそれぞれ電
極である。橋絡部は誘電体膜４により形成される。１０
は流体の流れ方向である。

【０００３】このようなセンサは薄膜技術とエッチング
技術により形成され、熱容量が小さい上、消費電力も小
さく応答速度の速いセンサが得られる。またこのセンサ
はガス流路に影響を与えないし量産性が良いという特徴
もある。流体流れがないときは、温度分布は約１００℃
に維持されたヒータ６を中心にして対称となり、また流
体流れがあるときは、薄膜熱感知体５が冷却され、薄膜
熱感知体７が加熱され、温度が上昇する。そこで薄膜熱
感知体をホィートストンブリッジ回路に組み込み、温度
差を電圧に変換して流速に対応した出力を得ていた。薄
膜熱感知体の電気抵抗は約１ｋΩであり、外付けの固定
抵抗も同じく約１ｋΩである。ホィートストンブリッジ
回路の電源電圧は１Ｖであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のセ
ンサにおいては薄膜熱感知体５の冷却効果はあるもの
の、薄膜熱感知体７の加熱効果は大きくなく数ｃｍ／ｓ
程度の流体流れを検出することはできるが、１ｃｍ／ｓ
程度の流体流れを検出することはできないという問題が
あった。またヒータを用いているために消費電力を小さ
くすることには限界があり、またヒータで加熱されるた
めに長期の信頼性に欠けるという問題があった。さらに
従来の流体フローセンサにおいては１００ｃｍ／ｓ以上
の流速になると出力が非直線性を示し、測定レンジが狭
いという問題もあった。

【０００５】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、フローセンサの感度を向上させることにより、あ
るいは非直線性を改善することにより測定レンジの広い
流体フローセンサを提供し、併せて低消費電力で高信頼
性の流体フローセンサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によれば、半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱感
知体とを有し、橋絡部は誘電体膜から成るとともに薄膜
熱感知体を支持し、薄膜熱感知体は加熱体であるととも
に測温抵抗体であり、同種の４個のものがホィートスト
ンブリッジ回路を構成するものであるとすることにより
達成される。

【０００７】第二の発明によれば、半導体基体に設けら
れた橋絡部と、薄膜熱感知体とを有し、橋絡部は溝を有
する誘電体膜で溝の頂上に薄膜熱感知体を支持し、薄膜
熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であり、同
種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を構成す
るものであるとすることにより達成される。第三の発明
によれば、半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱感
知体と、流体障壁を有し、橋絡部は誘電体膜からなると
ともに薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱感知体は加熱体で
あるとともに測温抵抗体であり、同種の４個のものがホ
ィートストンブリッジ回路を構成するものであり、流体
障壁は前記薄膜熱感知体間に配設された衝立であるとす
ることにより達成される。

【０００８】第四の発明によれば半導体基体に設けられ
た橋絡部と、薄膜熱感知体とを有し、橋絡部は肉薄部
と、凸部である肉厚部とからなる誘電体膜で肉薄部と肉
厚部にそれぞれ薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱感知体は
加熱体であるとともに測温抵抗体であり、同種の４個の
ものがホィートストンブリッジ回路を構成するものであ
るとすることにより達成される。

【０００９】

【作用】薄膜熱感知体をヒータとして機能させ主として
その冷却効果を流量検出に利用するので消費電力の大き
い独立の薄膜熱感知体加熱用のヒータは不要となる。薄
膜熱感知体を従来の２個から４個に増やすので、ホィー
トストンブリッジ回路を構成したときに出力電圧が従来
の約２倍に大きくなる。

【００１０】薄膜熱感知体の周辺に溝構造を設けると薄
膜熱感知体の熱容量が局所的に小さくなる。肉厚部と肉
薄部による段差あるいは流体障壁を設けると、流体障壁
や段差の前段から後段に流体を流したときに後段にある
薄膜熱感知体の温度低下が抑制される。

【００１１】

【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。実施例１図１は第一の発明の実施例に係る流体フローセンサを示
し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ
−Ａ矢視断面図である。この流体フローセンサにおいて
は薄膜熱感知体１１，１２，１３，１４が橋絡部３の上
に形成される。薄膜熱感知体の電気抵抗は約１ｋΩであ
る。橋絡部は空洞部２の上に橋渡しされる。

【００１２】薄膜熱感知体１１と１２は相互に櫛歯状に
噛み合わされる。薄膜熱感知体１３と１４も同様であ
る。１１ａと１１ｂ、１２ａと１２ｂ、１３ａと１３
ｂ、１４ａと１４ｂはそれぞれ薄膜熱感知体１１，１
２，１３，１４の電極取り出し部である。流体は矢印１
０の方向に流れる。このような流量フローセンサは以下
のようにして調製される。半導体基体１は生産性と加工
性の観点から単結晶シリコンウェハが用いられる。この
シリコンウェハは水蒸気中１１００℃の温度で加熱して
半導体基体１の表面に０．５ないし１．５μｍ厚さの酸
化膜を形成する。これは誘電体膜４となる。この誘電体
膜はまたＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜でもよい。誘電体膜の上には次に薄膜熱感
知体用の薄膜が、スパッタリングの手法により４０ない
し１００μｍの厚さに形成される。この薄膜はついでホ
トリソグラフィの手法により５ないし１０μｍ幅のスト
ライプ状に加工される。薄膜形成は蒸着法でもよいが誘
電体膜との密着性の点からスパッタリングの手法が好ま
しい。薄膜熱感知体の材料としては抵抗の温度係数の大
きい白金，ニッケル，またはこれらの合金が用いられ
る。ニッケルを用いる場合は下地の誘電体膜との間に約
１０ｎｍの酸化ニッケルを介在させ密着性を向上させ
る。

【００１３】次に薄膜熱感知体の下部に相当する半導体
基体を部分的にエッチングする。薄膜熱感知体の加工形
状にあわせて、半導体基体１の裏面にエッチングレジス
トを塗布し薄膜熱感知体１１ないし１４の直下に相当す
る部分が開口される。このレジスト膜をエッチングマス
クとしてＳＦ₆とＯ₂の混合ガス中でプラズマエッチさ
れる。半導体基体と誘電体膜のエッチング速度は半導体
基体の方が誘電体膜より約１００倍大きいので誘電体膜
のエッチングは進行せず、橋絡部３が形成される。半導
体基体のドライエッチング条件はＳＦ₆の流量が５０ｓ
ｃｃｍ，Ｏ₂ガス流量が１５ｓｃｃｍ，放電電力７０Ｗ
／１００ｍｍφに設定される。このときシリコンのエッ
チング速度は３μｍ／ｍｉｎ程度である。エッチングレ
ジストとしては１ないし２μｍのアルミニウム膜が用い
られる。

【００１４】図２は第一の発明の実施例に係る流体フロ
ーセンサの薄膜熱感知体を示す拡大図である。薄膜熱感
知体は４本の幅５ないし１０μｍ，厚さ４０ないし１０
０μｍのストライプである。薄膜熱感知体１１と１２
（および１３と１４）は温度差を小さくするために相互
に櫛歯状に噛み合わされた形状である。薄膜熱感知体１
１，１２（および１３と１４）の間隔は５０ないし２０
０μｍである。

【００１５】以上の工程はシリコンウェハの一括処理に
より効率良く生産される。このあとシリコンウェハから
センサチップが分割して取り出されセンサ用マウントに
載置されリードボンディングにより組み立てが完了す
る。上述のようにして得られた流体フローセンサの流量
検出は以下のようにして行われる。

【００１６】図３は第一の発明の実施例に係る流体フロ
ーセンサにつき流量検出の原理を示すホィートストンブ
リッジ回路を示し、図３（ａ）は流量出力を得るための
流量測定モードに係る回路図、図３（ｂ）は誤差出力を
得るための誤差測定モードに係る回路図である。４個の
薄膜熱感知体１１，１２，１３，１４にブリッジ電圧
（Ｖ_B ⁺−Ｖ_B ^-) を印加する。ブリッジ電圧の印加に
より薄膜熱感知体が加熱され、周囲温度に対して１０な
いし２０℃上昇する。ブリッジ電圧２Ｖ，消費電力３ｍ
Ｗで薄膜熱感知体が加熱される。矢印の方向にガス流が
あると、薄膜熱感知体１１，１２は冷却され温度が下が
る。これに対し薄膜熱感知体１３，１４はガスの運ぶ熱
によって加熱され温度が上昇するので流量出力端子に流
速に対応した出力が得られる（流量測定モード）。

【００１７】これに対し、長期間にわたる現実の測定に
おいては薄膜熱感知体の抵抗が経時変化を起こすので流
量測定に誤差をもたらす。この経時変化による誤差を出
力するために誤差測定モードが実施される。誤差測定モ
ードにおいては流体流れがある場合、薄膜熱感知体１
１，１２は温度が下がり、薄膜熱感知体１３，１４の温
度は上昇するが、この場合流量に比例した出力はなく、
薄膜熱感知体の経時変化に対応した出力が得られる。流
体の流れがない場合も同様である。流量測定モードで得
られた出力と誤差測定モードで得られた出力の差をとる
と、経時的変化の影響を受けないで流速に比例した出力
を得ることができる。

【００１８】図４は第一の発明の実施例に係る流体フロ
ーセンサの電気結線図である。４個の薄膜熱感知体がス
イッチＳＷ_1,ＳＷ_2,ＳＷ_3,ＳＷ₄により切り換えられ
る。図５は第一の発明の実施例に係る流体フローセンサ
のスイッチＳＷ_1,ＳＷ_2,ＳＷ_3,ＳＷ₄の切り換えを示す
状態図である。図６は第一の発明の実施例に係る流体フ
ローセンサの測定動作を示すシーケンス図である。ブリ
ッジ電圧は一定の周期でオンオフされる。ブリッジ電圧
のオンと同期して流量測定信号をオンとし、応答時間に
必要とされる一定時間経過後流量出力が測定され流量測
定信号はオフとなる。応答時間は約１０ｍｓである。流
量測定信号のオフに同期して誤差測定信号がオンし、誤
差出力を測定する。このようにして得られた流量出力と
誤差出力の差を求め、流量出力が得られる。実施例２図７は第二の発明の実施例に係る流体フローセンサを示
し、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ
−Ｃ矢視断面図である。この流体フローセンサにおいて
は電気抵抗が１ｋΩの薄膜熱感知体１１Ｘ、１２Ｘ、１
３Ｘ、１４Ｘが溝の頂面に形成される。この構造では薄
膜熱感知体とその周辺の熱容量が局部的に小さくなるの
で流体フローセンサの感度が増大する。流体は矢印１０
の方向に流れる。

【００１９】このような流体フローセンサは以下のよう
にして調製される。シリコンからなる半導体基体１に誘
電体膜４である酸化シリコンSiO₂膜を減圧ＣＶＤ法やス
パッタリングにより、２μｍ厚さに成膜した。酸化シリ
コンSiO₂膜に替えて、窒化シリコンSi₃N₄膜を用いるこ
ともできる。誘電体膜４の上に薄膜熱感知体がスパッタ
リングの手法で４０ないし１００ｎｍの厚さに成膜され
る。この膜はホトリソグラフィの手法で５ないし１０μ
ｍ幅のストライプ状に加工される。薄膜熱感知体は抵抗
の温度係数の大きい白金またはニッケルおよびこれらの
合金を用いることができる。ニッケルを用いるときは下
地との密着性を高めるために１０ｎｍ厚さの酸化ニッケ
ルを介在させる。

【００２０】薄膜熱感知体の周辺の誘電体膜４である酸
化シリコンSiO₂膜がレジスト膜をエッチングマスクとし
てＣＦ₄とＨ₂の混合ガス中でプラズマエッチングされ
る。幅８μｍで深さ１μｍの溝が形成される。前記エッ
チングは溝に相当する部分の誘電体膜を深さ方向に完全
に除去して空間部２に貫通させてもよい。

【００２１】図１０は第一の発明の実施例に係る流体フ
ローセンサと第二の発明の実施例に係る流体フローセン
サの特性を従来の流体フローセンサの特性と対比して示
す線図である。第一の発明の実施例に係る流体フローセ
ンサと第二の発明の実施例に係る流体フローセンサの特
性は従来の流体フローセンサの特性よりも感度が向上し
ていることがわかる。実施例３図８は第三の発明の実施例に係る流体フローセンサを示
し、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ
−Ｄ矢視断面図である。この流体フローセンサにおいて
は薄膜熱感知体１１Ｙ、１２Ｙと薄膜熱感知体１３Ｙ、
１４Ｙの間にレジストからなる流体障壁１６が形成され
る。流体障壁１６はレジストに替えてワイヤや幅２０μ
ｍの板状のフィルムを流体フローセンサの表面から１０
ないし３０μｍ離して外部から挿入してもよい。実施例４図９は第四の発明の実施例に係る流体フローセンサを示
す断面図である。この流体フローセンサにおいては薄膜
熱感知体１１Ｚ、１２Ｚと薄膜熱感知体１３Ｚ、１４Ｚ
の支持される誘電体膜の間に段差１７が形成される。こ
の段差は誘電体膜４である酸化シリコンSiO₂膜を減圧Ｃ
ＶＤ法で５μｍの厚さに形成した後に誘電体膜の一部を
エッチング液を用いて３μｍの厚さに除去する。

【００２２】前記の例では段差部１７を設けているがこ
れに加えて、後段の薄膜熱感知体１３Ｚ，１４Ｚの前方
または上部に金箔，ポリイミドフィルム，アルミニウム
ワイヤ等を１０ないし５００μｍの間隔を設けて設置
し、薄膜熱感知体上部の流体流量を調整することも行わ
れる。図１１は第一発明の実施例に係る流体フローセン
サと第三の発明の実施例に係る流体フローセンサと第四
の発明の実施例に係る流体フローセンサの特性を従来の
流体フローセンサの特性と対比して示す線図である。第
三の発明の実施例に係る流体フローセンサと第四の発明
の実施例に係る流体フローセンサの特性は感度と直線性
が向上していることがわかる。

【００２３】

【発明の効果】第一の発明によれば、半導体基体に設け
られた橋絡部と、薄膜熱感知体とを有し、橋絡部は誘電
体膜から成るとともに薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱感
知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であり、同種の
４個のものがホィートストンブリッジ回路を構成するも
のであるので、薄膜熱感知体をヒータとして機能させ主
としてその冷却効果を流量検出に利用することとなり、
独立で消費電力の大きな薄膜熱感知体加熱用のヒータは
不要となる。また薄膜熱感知体を従来の２個から４個に
増やしているのでホィートストンブリッジ回路を構成し
たときに出力電圧が従来の約２倍に大きくなる。このよ
うにして流体の微流量が検出可能であるうえ、低消費電
力で信頼性に優れる流体フローセンサが得られる。

【００２４】第二の発明によれば半導体基体に設けられ
た橋絡部と、薄膜熱感知体とを有し、橋絡部は溝を有す
る誘電体膜で溝の頂上に薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱
感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であり、同種
の４個のものがホィートストンブリッジ回路を構成する
ものであるので、薄膜熱感知体の周辺に設けられた溝構
造により薄膜熱感知体の熱容量が局所的に小さくなり、
溝のない流体フローセンサよりも感度がさらに大きくな
る。

【００２５】第三の発明によれば半導体基体に設けられ
た橋絡部と、薄膜熱感知体と、流体障壁を有し、橋絡部
は誘電体膜からなるとともに薄膜熱感知体を支持し、薄
膜熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であり、
同種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を構成
するものであり、流体障壁は前記薄膜熱感知体間に配設
された衝立であるので、流体障壁の前段から後段に流体
を流したときに流体障壁により後段にある薄膜熱感知体
の温度低下が抑制され、非直線性が改善される。

【００２６】第四の発明によれば半導体基体に設けられ
た橋絡部と、薄膜熱感知体とを有し、橋絡部は肉薄部
と、凸部である肉厚部とからなる誘電体膜で肉薄部と肉
厚部にそれぞれ薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱感知体は
加熱体であるとともに測温抵抗体であり、同種の４個の
ものがホィートストンブリッジ回路を構成するものであ
るので、肉厚部と肉薄部による段差により肉薄部にある
薄膜熱感知体の温度低下が抑制され、非直線性が改善さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサを
示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の
Ａ−Ａ矢視断面図

【図２】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサの
薄膜熱感知体を示す拡大図

【図３】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサに
つき流量検出の原理を示すホィートストンブリッジ回路
を示し、図３（ａ）は流量出力を得るための流量測定モ
ードに係る回路図、図３（ｂ）は誤差出力を得るための
誤差測定モードに係る回路図

【図４】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサの
電気結線図

【図５】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサの
スイッチＳＷ_1,ＳＷ_2,ＳＷ_3,ＳＷ₄の切り換えを示す状
態図

【図６】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサの
測定動作を示すシーケンス図

【図７】第二の発明の実施例に係る流体フローセンサを
示し、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の
Ｃ−Ｃ矢視断面図

【図８】第三の発明の実施例に係る流体フローセンサを
示し、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の
Ｄ−Ｄ矢視断面図

【図９】第四の発明の実施例に係る流体フローセンサを
示す断面図

【図１０】第一の発明の実施例に係る流体フローセンサ
と第二の発明の実施例に係る流体フローセンサの特性を
従来の流体フローセンサの特性と対比して示す線図

【図１１】第一発明の実施例に係る流体フローセンサと
第三の発明の実施例に係る流体フローセンサと第四の発
明の実施例に係る流体フローセンサの特性を従来の流体
フローセンサの特性と対比して示す線図

【図１２】従来のフローセンサを示し、図１２（ａ）は
平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面
図

【符号の説明】

１半導体基体２空洞部３橋絡部４誘電体膜５薄膜熱感知体６薄膜ヒータ７薄膜熱感知体８電極９電極１０流体流れ方向１１薄膜熱感知体１２薄膜熱感知体１３薄膜熱感知体１４薄膜熱感知体１１Ｘ薄膜熱感知体１２Ｘ薄膜熱感知体１３Ｘ薄膜熱感知体１４Ｘ薄膜熱感知体１１Ｙ薄膜熱感知体１２Ｙ薄膜熱感知体１３Ｙ薄膜熱感知体１４Ｙ薄膜熱感知体１１Ｚ薄膜熱感知体１２Ｚ薄膜熱感知体１３Ｚ薄膜熱感知体１４Ｚ薄膜熱感知体１１ａ電極取出部１１ｂ電極取出部１２ａ電極取出部１２ｂ電極取出部１３ａ電極取出部１３ｂ電極取出部１４ａ電極取出部１４ｂ電極取出部１５溝１６流体障壁１７段差部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平山則行神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱
感知体とを有し、橋絡部は誘電体膜から成るとともに薄膜熱感知体を支持
し、薄膜熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であ
り、同種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を
構成するものであることを特徴とする流体フローセン
サ。
【請求項２】半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱
感知体とを有し、橋絡部は溝を有する誘電体膜で溝の頂上に薄膜熱感知体
を支持し、薄膜熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であ
り、同種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を
構成するものであることを特徴とする流体フローセン
サ。
【請求項３】半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱
感知体と、流体障壁を有し、橋絡部は誘電体膜からなるとともに薄膜熱感知体を支持
し、薄膜熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であ
り、同種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を
構成するものであり、流体障壁は前記薄膜熱感知体間に配設された衝立である
ことを特徴とする流体フローセンサ。
【請求項４】半導体基体に設けられた橋絡部と、薄膜熱
感知体とを有し、橋絡部は肉薄部と、凸部である肉厚部とからなる誘電体
膜で肉薄部と肉厚部にそれぞれ薄膜熱感知体を支持し、薄膜熱感知体は加熱体であるとともに測温抵抗体であ
り、同種の４個のものがホィートストンブリッジ回路を
構成するものであることを特徴とする流体フローセン
サ。
【請求項５】請求項１記載の流体フローセンサにおい
て、薄膜熱感知体は２個づつ櫛歯状に組み合わされて二
つの対となるものであることを特徴とする流体フローセ
ンサ。
【請求項６】請求項３記載の流体フローセンサにおい
て、薄膜熱感知体は２個づつ櫛歯状に組み合わされて二
つの対となるものであり、流体障壁はこの二つの対の間
に配置されるものであることを特徴とする流体フローセ
ンサ。
【請求項７】請求項４記載の流体フローセンサにおい
て、薄膜熱感知体は２個づつ櫛歯状に組み合わされて二
つの対となるものであり、各対はそれぞれ肉厚部と肉薄
部に配置されるものであることを特徴とする流体フロー
センサ。
【請求項８】請求項１，２，３，４に記載の流体フロー
センサにおいて、ホィートストンブリッジ回路は切替え
により流量に依存する出力と流量に依存しない出力の取
り出せる出力端子を備えるものであることを特徴とする
流体フローセンサ。