JPH0666613A

JPH0666613A - フローセンサー

Info

Publication number: JPH0666613A
Application number: JP3203996A
Authority: JP
Inventors: Junji Manaka; 順二間中
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1994-03-11
Anticipated expiration: 2015-06-05
Also published as: JP3049122B2

Abstract

(57)【要約】【目的】集積回路の微細加工方法を用いて作製した熱
伝導検出方式の高速度応答性能を持つフローセンサーに
おいて、ヒータ部と検出部の間の空間距離を小さくし、
高速度応答、高精度、微少流量、高効率化をめざしたフ
ローセンサーを提供する。【構成】貫通孔もしくは空洞１１を有する基板１０
と、前記貫通孔もしくは空洞１１上に両持ち梁式もしく
は片持ち梁式に橋架された膜ヒータ部１２と膜検出部１
３を有する。ヒータ部１２と検出部１３とは被測定流体
の流れ方向Ｆに沿って２層又は３層以上に積層され、か
つ、各層間に空間Ｇを有する。この空間Ｇを膜厚で形成
することによって、微小間隔に、しかも高精度で形成す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、フローセンサー、より詳細に
は、極めて微少な気体の流速を検出するのに好適なフロ
ーセンサーに関する。

【０００２】

【従来技術】図３３は、従来のフローセンサーの一例を
説明するための要部構成図で、（ａ）図は平面図、
（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図で、図中、１は基
板、２は該基板１に形成された貫通孔もしくは空洞で、
該貫通孔もしくは空洞２の上部には、両持ち梁式又は片
持ち梁式に膜状のヒータ部及び検出部が取り付けられて
いる。図３２においては、中央にヒータ部４が、その前
後両側に検出部３,５が取り付けられている。

【０００３】周知のように、ヒータ部４を通電加熱して
おくと、被測気体が矢印Ｆの方向から流れた時、その流
量に応じて検出部５が熱伝導により温度上昇し、検出部
５が正の温度係数を持つ抵抗体であれば、流量を抵抗値
の増加分として検出することができる。なお、この場
合、検出部３は周囲温度の影響を補正するための抵抗と
して、又は気体がＦ方向と反対の方向に流れた時の検出
器として働く。ここで、検出部５をヒータ部４により効
率よく暖めるために、微細加工技術を用いて、ヒータ部
４と検出部５をできるだけ近接させる必要があるが、従
来技術では、ヒータ部４を検出部５の間隔Ｌは高々２−
３μｍが限界であった。また、たとえ、この間隔Ｌを更
に小さくできたとしても、検出部５の右端部はヒータ部
４と隔たっているため、この構造では、熱効率を改善す
る上で限界がある。

【０００４】また、ヒータ部４と検出部５の関係におい
て、検出能力を大きく取り出す改良案が種々検討されて
おり、例えば、発熱及び受熱抵抗体の抵抗値を増加して
出力電圧を大きくとり、微少流量での出力電圧差、誤差
の影響、判別回路での信号処理の困難性などをキャンセ
ルできるようにしている。図示の例では、抵抗体の膜厚
を薄くするか、パターン巾を細くするか、パターン長を
長くすることにより抵抗値の増大をはかれることができ
る。しかし、膜が薄くなると、膜の欠陥が多く、耐久
性、経時変化に難があり、厚さ０.３μｍ以下では不良
が多い。巾においては微細加工精度上、１μｍまでが限
界で、これ以下にするとバラツキ、歩留り、経時変化に
難点が増す。長さについては、パターン配置によっては
大面積になるため、熱容量が増し、消費電力の増大と応
答時間の遅れを起こし欠点となる。しかも、大面積にな
ると、発熱体の端部と受熱体の端部の距離が増してしま
い、そのように隔った場所同志では熱の相互伝導作用が
全く範囲外になってしまい、ムダな熱になってしまう。

【０００５】図３４は、前記ヒータ部４と検出部５との
関係を説明するための図で、ヒータ部４の抵抗Ｈ₂の熱
が検出部５の抵抗Ｌ₁に伝導する場合は、距離が小さい
ので熱の伝達効率は良いが、Ｈ₁の熱がＬ₂へ伝わる場合
は、距離が長くなり効率が小さい。また、気体が流れる
ことにより、ヒータ部４においてＨ₁部よりＨ₂部の方が
温度が上り、局部加熱を起こし、溶融断線を起こすこと
がある。

【０００６】図３５は、図３４における各部の温度を示
す図で、曲線Ａは気体の流れが止まっている状態、Ｂは
一定の流れを生じている時の状態を示し、前述のよう
に、Ｌ₂はヒータから離れているための温度が上らず、
従って、検出感度が悪く、また、Ｈ₂，Ｌ₁は、被測定流
体が流れている時、局部的な温度上昇を起し、溶融断線
する場合がある。要約すると、上記従来技術において
は、流れの方向Ｆに沿って、熱分布の偏りが必然的に存
在する。

【０００７】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、特に、集積回路の微細加工方法を用いて作製し
た熱伝導検出方式の高速度応答性能を持つフローセンサ
ーにおいて、ヒータ部と検出部の間の空間距離を小さく
し、さらに、高速度応答、高精度、微少流量、高効率化
をめざしたフローセンサーを提供することを目的として
なされたものである。

【０００８】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
貫通孔もしくは空洞を有する基板と、前記貫通孔もしく
は空洞上に両持ち梁式もしくは片持ち梁式に橋架された
膜ヒータ部及び膜検出部を有するフローセンサーにおい
て、前記ヒータ部と検出部とが被測定流体の流れ方向に
沿って２層又は２層以上に積層され、かつ、各層間に空
間を有することを特徴としたものであり、更には、
（２）前記（１）において、前記ヒータ部及び検出部を
抵抗膜のみで構成したこと、（３）前記（１）又は
（２）において、前記ヒータ部と検出部の両方、又は、
前記ヒータ部のみに細孔を有すること、（４）前記
（３）において、前記ヒータ部の細孔の位置と検出部の
細孔の位置をずらして配設したこと、（５）前記（１）
乃至（３）のいずれかにおいて、前記ヒータ部と検出部
の位置をずらして配設したこと、（６）前記（１）乃至
（５）のいずれかにおいて、前記ヒータ部及び／又は検
出部に整流体を混成したこと、（７）前記（１）乃至
（６）のいずれかにおいて、前記ヒータ部を中間層と
し、該中間層の上下（又は左右）に検出部を有するこ
と、（８）前記（１）乃至（７）のいずれかにおいて、
前記貫通孔の前記ヒータ部及び検出部を有する側と反対
の側に、小孔を多数有する整流体又はダストフィルター
膜を有することを特徴としたものであり、或いは、
（９）貫通孔を有する基板と該基板の一方の面におい
て、前記貫通孔を両持ち梁式又は片持ち梁式に橋架して
配設されたヒータ部と、他方の面において、前記貫通孔
を両持ち梁式又は片持ち梁式に橋架して配設された検出
部とから成ること、或いは、（１０）貫通孔を有する第
１の基板と、該第１の基板の前記貫通孔の上に両持ち梁
式又は片持ち梁式に橋架されたヒータ部と、貫通孔を有
する第２の基板と、該第２の基板の前記貫通孔の上に両
持ち梁式又は片持ち梁式に橋架された検出部とから成
り、前記第１の基板と第２の基板とが前記貫通孔を同心
にして一体的に接合されていることを特徴としたもので
ある。以下、本発明の実施例に基いて説明する。

【０００９】図１は、本発明によるフローセンサーの一
実施例を説明するための要部断面構成図で、図中、１０
は基板、１１は該基板１０に設けられた貫通孔もしくは
空洞、１２，１３は該貫通孔もしくは空洞１１上に両持
ち梁式又は片持ち梁式に設けられたヒータ部及び検出部
で、本発明においては、ヒータ部（発熱体）１２と検出
部（受熱体）１３とが、被測定流体の流れ方向Ｆに沿っ
て層状に積層されて形成されている。図１においては、
被測定流体の流れ方向Ｆは上下に沿う方向として示さ
れ、ヒータ部１２及び検出部１３は、この流れ方向に沿
う上下の方向に形成されている。而して、本発明におい
ては、発熱体部１２と受熱体部１３との層間の空隙Ｇ
は、膜厚で高精度に調整できるため、０.３〜１０μｍ
の範囲に設定でき、特に、微少流量に対応できる近接配
置が可能となり、更には、発熱体部１２の熱分布が均一
であり、しかも、受熱体部１３により均一に受けること
ができるので、非常に効率の良いものになる。

【００１０】図２，図３は、本発明によるフローセンサ
ーの構造を説明するための概要図で、図２は、上部ヒー
タ部、図３は下部検出部を示し、共に、（ａ）図は平面
図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面であり、図３に
おいて、（ｃ）図は、（ａ）図のＣ−Ｃ線断面図であ
る。図２及び図３において、１０は基板、１１は該基板
１０に設けられた貫通孔で、この貫通孔１１の上に上部
加熱部１２と下部検出部１３が両持ち梁式又は片持ち梁
式に層状に形成されて橋架されている。作成方法として
は、図３に示すようにして検出部１３を形成した後に、
空間Ｇに相当する部分に、Ａｌ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｓｉ
Ｏ₂，Ｔｉ，Ｗ，ポリイミドなどの材料のいずれかをパ
ターン形成し、その上に図２に示すように上部ヒータ部
１２を形成し、その後に、前記Ａｌ，Ｎｉ，…，ポリイ
ミドを溶出除去して空間Ｇを設ける。なお、貫通孔１１
は、前述のように、あらかじめ形成しておいてもよい
が、空間Ｇを形成した後に形成するようにしてもよい。

【００１１】次に、図４乃至図８を参照しながら上記フ
ローセンサーの製造方法の詳細について説明するが、各
図において、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は（ａ）図の
Ｂ−Ｂ線断面図、（ｃ）図がある場合、（ｃ）図はＣ−
Ｃ線断面図である。図４乃至図８において、１０はＳ
ｉ，ガラス、アルミナ、耐熱性樹脂（エポキシ、ポリイ
ミド）或いはＮｉ，Ｃｒ，ＮｉＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，
Ｃｕ，ステンレス、コパール材などのいずれから成る基
板で、この基板１０上にＭｇＯ，ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，
Ａｌ₂Ｏ₃，Ｔａ₂Ｏ₅などのいずれかもしくは２種類以上
を組合せ、耐熱性絶縁材料層２２をＣＶＰ，蒸着、スパ
ッタリングなどの方法により０.２〜３.０μｍの厚さで
形成する。裏面にも耐熱性絶縁材料層２２と同様な膜２
１を形成する。なお、基板１０としては、後で貫通孔１
１を形成する場合に、形状を制御したい場合があること
等を考慮して、異種類の材料の積層基板、例えば、Ｎｉ
／Ａｌ／Ｎｉ，Ｃｕ／ポリイミド／Ｃｕ等から成る積層
基板を用いてもよい。２３は抵抗体層で、この抵抗体層
２３としては、ＮｉＣｒ，ＴａＮ，Ｐｔ，ＳｉＣ，Ｗ，
カンタル材料などのヒータ材料となる素材を蒸着、スパ
ッタリングなどの方法により０.１〜３.０μｍの厚さで
形成し、次いで、パターンエッチングなどの方法により
電極取り出し部、リード部、ヒータ部を形成し、最後
に、上部層２４を前記耐熱絶縁材料層２２と同様にして
形成して、図４に示す下部検出部を完成する。

【００１２】図５は、図４に示した下部検出部の上に、
前記空間Ｇを形成するための材料２５、例えば、Ｎｉ，
Ｃｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，ＮｉＣｒ，Ｃｒのいずれ
かを、０.２〜１０μｍの厚さで、蒸着、スパッタリン
グしてパターンエッチングした図を示すが、図５の材料
２５に代って、図６に示すように、ＳｉＯ₂，Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，ＮｉＣｒ，Ｃｒのいずれか
の材料２６を前記と同じく、０.２〜１０μｍ形成して
もよい。しかし、図６の場合は、図５の場合のように、
パターンエッチングしなくてもよい。この図５，図６
は、下部検出層と上部ヒータ層との間に、前記中間空間
層Ｇを形成するための工程を説明するための図であり、
後工程で、図５の場合には材料２５を全部、図６の場合
には材料２６の一部を、他の層をエッチングしないよう
選択的にサイドエッチングにて除去する必要がある。そ
のため、これらの材料及びエッチング液には組み合せに
条件がある。

【００１３】図７は、図５に示した空間形成材料層２５
の上部に、上部ヒータ部層を形成する工程を説明するた
めの図で、図５に示したごとくして空間形成材料層２５
を形成した後に、ＭｇＯ層２７を全面に形成し、更に、
Ｐｔ層２８をパターニングし、更に、ＭｇＯ層２９を全
面に形成する。層２７の形成条件と層２２の形成条件を
同じにし、層２８の形成条件と層２３の形成条件と同じ
にし、更に、２９の形成条件を２４の形成条件と同じに
すると、上部層と下部層の熱条件が一致し、検出能力が
安定し、非常に都合が良い。

【００１４】図８は、ボンディングワイヤーを接続する
ための取り出し電極ａ，ｂ，ｃ，ｄと貫通孔１１を作る
ための表裏の窓開け工程を説明するための図で、前記Ｍ
ｇＯ層をＣＦ₄又はＣＦ₄＋Ｏ₂プラズマにてドライエッ
チング或いはＡｒ+によるイオンエッチングにてパター
ンエッチングする。次いで、単結晶Ｓｉ基板１０を、エ
チレンジアミン＋カテコールもしくはＮａＯＨ水溶液、
ＫＯＨ水溶液、アンモニア水のいずれかによって異方性
エッチングして貫通孔１１を形成する。図８において
は、Ｓｉ（１００）基板を使用して（１１１）面でエッ
チストップできるように（１１１）面に対して、ヒータ
部を５−８５°の角度に配置し（図８では約４５°に配
置してある）、基板の向い合う表裏の位置からエッチン
グを進めて、貫通孔１１を形成する。次に、前記空間Ｇ
を形成するため、前記Ｎｉ層２５をエッチングするが、
前記ＭｇＯのエッチングでＮｉ層２５のサイドが露出し
ているので、このＮｉ層２５をＨＮｏ₃水溶液やリン酸
液などのエッチング液でサイドエッチングして空間Ｇを
形成する。なお、３１は被測定気体の流れＦに対する整
流体として働く。

【００１５】図９は、上述のごとくして形成したフロー
センサーの取り出し電極ａ，ｂ，ｃ，ｄを接続してブリ
ッジ回路を形成し、抵抗Ｒ₁を上部ヒータ層の抵抗、Ｒ₂
を下部検出層の抵抗としたもので、これら抵抗Ｒ₁，Ｒ₂
を通して被測定流体をＦ方向に流すと、ブリッジ回路の
出力端子間には、気体の流量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔ
を得ることができる。

【００１６】図１０は、図８の変形実施例を示す図で、
図９から明らかなように、電極ｂ，ｃはショートされて
いるので、図１０はこれを、フローセンサーパターンの
リードパターンの配置で結線したもので、３２がその結
線部を示す。この結線部３２は、図７の段階で、下部の
Ｐｔ膜２３と上部のＰｔ膜２８をつなぐため、ＭｇＯ層
２４の一部とＭｇＯ層２７の一部をエッチング除去して
つくる。その結果、取り出し電極が１個、配線も１本不
要になり、無駄を省くことができる。

【００１７】図１１乃至図１３は、図６に示した変形実
施例に対するその後の工程を説明するための図で、図１
１に示すように、ＳｉＯ₂層２６の上にＭｇＯ層３３、
Ｐｔ層３４、ＭｇＯ３５を形成し、次いで、図１２に示
すように、ボンディングワイヤー取り出し電極及び貫通
孔作成用の窓開けを、ＭｇＯ層３３，３５をブラズマエ
ッチングし、露出したＳｉＯ₂層２６の一部をフッ酸に
て除去する。露出したＭｇＯ層を再びプラズマエッチン
グし、Ｓｉ層を表裏からエッチングして貫通孔を作る。
中間のＳｉＯ₂層２６は、側壁が露しているので、サイ
ドエッチングすることにより空間Ｇが形成され、図１３
に示すフローセンサーのチップが完成する。

【００１８】図１４は、上部ヒータ層、下部検出層を抵
抗膜Ｐｔのみで構成した例を示す。図４乃至図１３に示
した実施例では、貫通孔１１の周辺のＰｔ膜は絶縁材料
のＭｇＯなどに包まれている。而して、この図１４に示
した実施例においては、この絶縁材料ＭｇＯを用いてい
ない。そのため、上部加熱側では加熱に直接関与しない
絶縁材料がなくなり、余分に加熱しなければならない熱
容量が不要となり、昇温時間を短くし、ヒータに与える
電力が更に小さくなり、長寿命となる。また、下部受熱
側では更に昇温が高速になり、高感度になる。

【００１９】図１５は、図４乃至図１３に示した実施例
の変形実施例として上記上部層及び下部層又は上部層の
みに細孔３６を設けた側を示す図で、（ａ）図は平面
図、（ｂ）図は上部層及び下部層に細孔を設けた時のＢ
−Ｂ線断面構成図、（ｃ）図は上部層のみに細孔を設け
た時のＣ−Ｃ線断面（Ｂ−Ｂ線断面と同じ）構成図で、
図１５では、貫通孔１１の周辺の細孔３６の状態を示し
ている。而して、（ｂ）図に示した例は、加熱部（上部
層）１２と受熱部（下部層）１３の一部に細孔３６を設
けて、気体の流れをむらなくし、高効率化を図ったもの
であり、（ｃ）図は、上部層１２の加熱側にのみ細孔３
６を設け、下部層１３の受熱側には細孔を設けないもの
で、上部層の細孔３６から空間Ｇ内に流入した気体は、
これら上部層と下部層の層間クリアランスを通して流れ
る。なお、（ｂ）図、（ｃ）図において、細孔３６を２
個設けた例を示したが、一連の孔でもよく、また、多数
個配設してもよいことは容易に理解できよう。

【００２０】図１６は、上部層１２と下部層１３の細孔
３６の位置を互にずらして配置した場合の例を示す断面
構成図で、このようにすると、気体の流路が発熱体層、
受熱体層に行きわたるため、熱交換が効率よく行なわ
れ、更に高感度になる。また、受熱体層になるべく均一
に熱を与えれば、流量に対して高感度（高Ｓ／Ｎ）にな
る。そして、発熱層の温度分布が均一になれば、局所発
熱になる断線劣化に対して劣化防止となる。この例のよ
うに熱交換が均一であると、これらが十分期待できる。

【００２１】図１７は、上部層１２、下部層１３の発
熱、受熱パターンの位置を互にずらして配置した例を示
す断面構成図で、この例によると、図１６に示した例に
比して、細孔３６を細分化した形となり、気体の流れが
すみずみまで行き渡る。

【００２２】図１８は、上部層１２と下部層１３を交互
に配置する場合、上部層１２と下部層１３を同一工程の
成膜により形成した場合の構造を示す図で、（ａ）図は
平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図で、図示
のように、上部発熱層１２₁，１２₂に対して段差を設け
て下部受熱層１３₁，１３₂，１３₃を形成することによ
り、同一工程の膜でできる。これにより、工程が簡略化
されること、上、下同質な膜であるため、特性（シート
抵抗値、経時特性）がそろっていて、バラツキが少く、
歩留りが良く、信頼性も高い等の利点がある。

【００２３】次に、図１９を参照して、上部層と下部層
を同一の工程にて作成する場合のセンサーの製造方法に
ついて説明する。Ｓｉ基板１０上に、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔ
ｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ａｌ又はＳｉＯ₂等の膜５１を
（０.５〜１０μｍの範囲内）蒸着又はスパッタリング
した後、フォトエッチングし、（ａ）図に示すように、
短冊形状にする。この短冊形状の膜５１の上部に発熱層
を設置するため、短冊形状膜５１はその周囲端で膜の段
切れを生じないようにするため、周囲端の立ち上り角度
θを、（ｂ）図に示すように、最大４５°程度以下にお
さえる構造とするのが好ましい。これはフォトエッチン
グの際、サイドエッチングを用いることによって可能で
ある。（ｃ）図は、（ｂ）図に示した実施例とは別の実
施例を示す図で、この実施例では、Ｓｉ基板１０上に短
冊状のパターンを、等方性エッチングもしくはＳｉ基板
が（１００）面方位の材料であれば異方性エッチングに
より、（１１１）面をパターン膜５１′で配置できるよ
う、深さ１μｍ（０.５〜１０μｍの範囲）除去して、
パターン５１と同様の溝パターン５２を作る。なお、こ
の実施例の以降の工程は図２２を参照して説明する。

【００２４】図２０は、図１９（ｂ）に示した実施例の
工程の続きで、基板１０及びＮｉ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｍｏ，
Ｗ，Ｃｒ，Ａｌ，ＳｉＯ₂膜等の短冊状パターン５１上
にＭｇＯ層５３、Ｐｔ層５４をパターン形成し、次い
で、ＭｇＯ膜５５をつける。この時、上部発熱層５４₂
がパターン５１の上部に、下部受熱層５４₁，５４₃がパ
ターン５１のわきにくるように配置する。また、基板１
０の裏面全面にもＭｇＯ層５６をつけておくが、これ
は、図１９に示した段階でつけておいてもよい。次で、
図２１に示すように、フォトエッチングもしくはプラズ
マエッチングにより、５５，５３のＭｇＯを取り出し、
電極、発熱、受熱層パターン、Ｓｉエッチング用窓を除
去する。次いで、層５１のＡｌ層（層５１がＡｌの場
合）を酸によりサイドエッチングして完全に除去する。
その後、Ｓｉ基板１０を表裏から異方性エッチングして
貫通孔を作り、図１８に示した例を完成する。

【００２５】図２２は、図１９（ｂ）に示した実施例の
続き工程で、６１，６２はＭｇＯ層、６３はＰｔパター
ン、６４はＭｇＯ層で、これらを図示のごとく形成した
後、図２３に示すように、ＭｇＯ層をパターンエッチン
グし、次いで、図２４に示すように、裏側から異方性エ
ッチングして貫通孔１１を作って完成する。

【００２６】次に、図２５を参照して、整流体を混成し
て熱伝達効率を改善した例について説明する。図２５に
おいて、６５は上部発熱体、６６は下部受熱体、６７は
整流体で、この実施例は、発熱体６５の熱を効率よく受
熱体６６に伝達させるために整流体６７を設けて気体の
流路をコントロールするようにしたものである。仮に、
整流体６７の位置に受熱体を設定するとすると、発熱体
６５から受ける熱は両端の受熱体より多くなり、温度は
必然的に高い。しかし、両端の受熱体と同等の温度分布
であるとすると、流量に対して複雑な出力特性を示すこ
とにはなりにくいので、出力信号の回路処理が容易であ
る。また、６５の発熱体間の寸法に対し整流体６７の位
置に受熱体を設けると、密度が高まり高精度が要求され
比較的作りにくい。一方、この部分に何もなく気体がス
トレートに通りぬけるようであると両端の受熱体６６に
あまり熱が当らないので効率が悪い。そこで、この実施
例では、流れを両端の受熱体６６に近づけるものとして
整流体６７を設けた。

【００２７】図２６は、上部検出層、中間ヒータ層、下
部検出層から成る多段構成のフローセンサーの一例を説
明するための図である。以上には、上部ヒータ層と下部
検出層から成る２段構成のフローセンサーについて説明
したが、図示のように、上部検出層７１、中間ヒータ層
７２、下部検出層７３の３段構成にすることも可能で、
このようにすると、中間ヒータ層７２に対して検出層７
１，７３が上下両側に配設されているため、気体の流れ
方向が逆転した場合でも検出することができる。なお、
図では、取り出し電極は６個あるが、共通化して４個に
することも可能である。また、図１５に３６にて示した
ような細孔を設けることも可能である。（ｃ）図は上述
のごとき３断構成のフローセンサーの使用例を説明する
ための図で、図中、８０は流量計ユニット、８１は流路
管、８２はバルブ、７０は（ａ）図及び（ｂ）図に示し
たフローセンサーであるが、この（ｃ）図において、気
体の流れがＩＮ→ＯＵＴに向いているとすると、ヒータ
発熱部７２の熱を検出部７３が受けて抵抗値の変化を生
じ、流量を知ることができる。ところが、バルブ８２を
閉じた時は、流れは止り、熱の変換はない。ここで、Ｉ
Ｎ側の配管に漏れがあったりすると、一時的にＯＵＴ側
からＩＮ側への流れの向きが生じるが（ＩＮ側減圧のた
め）、この場合に、検出部７１を検出器としてこの時の
流量を検出することができる。これにより、フローセン
サー７０によりＩＮ側の漏れ探しなどの保守点検、安全
確認等を行うことができる。この場合、すなわち、ＩＮ
側が減圧した場合、フローセンサー７０とバルブ８２間
の内容積が大きい方が、ＩＮ側への流れが大きいので確
実にモレが検出できる。従って、フローセンサー７０を
流量計ユニット８０内の取り付ける位置としては、ＩＮ
側にできるだけ偏った位置に設置した方が良い。なお、
流れの向きが図の様である場合、７２→７３の熱交換で
流量を検出することができるだけでなく、検出器７１に
より気体の元の温度を検出しヒータ７２，検出器７３の
温度補償として利用できる。

【００２８】図２７は、１枚の基板の表裏の発熱層と受
熱層を設けた場合の実施例を説明するための図で、
（ａ）図は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図
で、図中、１０は基板、１１は貫通孔、１２は上部発熱
体、１３は下部受熱体、８５はパッシベーション膜（保
護用）、ａは表面の引き出し電極で、図示のように、１
枚の基板１０の表裏に同一組み合せ材料を配置するた
め、前記実施例のごとき多層構成による場合の成膜時の
膜同志の付着強度に対する配慮が不要になる。

【００２９】図２８は、２枚の基板１０₁，１０₂上にそ
れぞれ発熱体１２、受熱体１３を配置し、これらを図示
のように、接着剤８６で張り合せて図２７の実施例と同
様の効果を得るようにした場合の断面構成図で、その平
面図は、図２７の（ａ）図と同じである。ただし、引き
出し電極ａ，ｂは重ならないようにずらして配置してあ
る。なお、接着剤８６としては、アクリル系−エポキン
系、あるいは、フリットガラスやハンダ、ロウ材などを
用いる。

【００３０】図２９は、基板１０に形成した貫通孔１１
のエッチング用窓を利用して整流体及びダストフィルタ
ーを設けた場合の実施例を説明するための図で、同図
は、図８に示したフローセンサーに適用した場合の例を
示し、図示のように、基板１０の裏面に設けた膜２１の
エッチング窓部に多数個の小孔８７を設けたものであ
る。これを気体の流れ方向のＦ側から見ると、図３０に
示すようになる。今、基板１０として、Ｓｉ（１００）
基板を用いると、貫通孔１１をエッチングにより形成す
る都合上、Ｓｉ（１１１）面が貫通孔１１内に残置され
ないよう、図３０に示すように、角孔８７をＳｉ（１１
１）に対して菱形を示す角度で設置する。なお、丸孔で
ある場合は角度は問わない。小孔８７は基板１０および
他の層材料に対し選択的なエッチングがされなければな
らない制限条件のため、その材料２１は、ＳｉＯ₂の場
合、フッ酸を主成分とする公知のエッチング液でフォト
レジストをマスクとしてパターンエッチングできる。Ｓ
ｉＯ₂の他にはＴａ₂Ｏ₅，ＭｇＯ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃
などであるが、制限条件の組合せによっては、Ｎｉ，Ａ
ｌ，ＮｉＣｒ，コバール、ステンレス、Ｍｏ，Ｃｒなど
の金属材料、或いは、エポキシ、ポリイミド、フォトレ
ジストそのものによって形成することも可能である。な
お、これらの小孔８７は整流装置、もしくはダストフィ
ルターの役目をなすことを目的とし、一連の微細加工プ
ロセスに都合よくマッチできるよう考えられたものであ
る。

【００３１】図３１は、上述のごとき貫通孔内を気体が
通過する形式のフローセンサーを流量計本体に取り付け
た場合の一例を説明するための図で、図中、９０は流路
管、９１はフローセンサーで、図示のように、フローセ
ンサー９１は流路内の流れに対して直角に設置する。な
お、この他に、本発明によるフローセンサーをフルディ
ック式流量計やカルマン渦流量計に取り付けて複合流量
計とすることも可能である。

【００３２】以上に、両持ち梁式のセンサーの例につい
て説明したが、図３２に、上述のごときフローセンサー
を片持ち梁式に構成した時の概要を示す。図３２におい
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面
図で、図中、１０は基板、１１は貫通孔、１２は上部発
熱体層、１３は下部受熱体層を示し、これら上部発熱体
層１２と下部受熱体層１３は、貫通孔１１の上部に片持
ち梁式に相互に間隙Ｇを介して層状に構成されている。
なお、ａは上部発熱体用の電極、ｂ，ｃは上部発熱体層
と下部受熱体層の共通電極、ｄは下部受熱体用の電極で
ある。

【００３３】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、発熱部と受熱部を層構造にしたので、発熱部と受熱
部を近接させることができ、熱効率のよいフローセンサ
ーを提供することができる。発熱部と受熱部の層間を膜
厚で高精度に形成できるため、層間隔が０.３〜１０μ
ｍ程の微小間隔なフローセンサーを提供することができ
る。発熱部からの熱分布を均一にし、かつ、これを受熱
部において均一に受けることができるので、効率のよい
フローセンサーを提供することができる。更には、発熱
体及び受熱体に流入する気体を、層流形成体及びダスト
フィルターとして働く多数の小孔を有する層を通して供
給するようにしたので、故障のない、長寿命のフローセ
ンサーを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるフローセンサーの一実施例を説
明するための要部断面構成図である。

【図２】本発明によるフローセンサーのヒータ部の構
造を説明するための概要図である。

【図３】本発明によるフローセンサーの検出部の構造
を説明するための概要図である。

【図４】フローセンサーの製造方法の詳細について説
明する図である。

【図５】下部検出層と上部ヒータ層との間に、中間空
間層Ｇを形成するための工程の一部を説明するための図
である。

【図６】下部検出層と上部ヒータ層との間に、中間空
間層Ｇを形成するための他の工程の一部を説明するため
の図である。

【図７】空間形成材料層の上部に、ヒータ部層を形成
する工程を説明するための図である。

【図８】ボンディングワイヤーを接続するための取り
出し電極と貫通孔を作るための窓開け工程を説明するた
めの図である。

【図９】フローセンサーの取り出し電極を接続してブ
リッジ回路を形成した図である。

【図１０】図８の変形実施例を示す図である。

【図１１】図６に示した変形実施例に対するその後の
工程を説明するための図である。

【図１２】図１１の工程に続く工程で、ボンディング
ワイヤー取り出し電極及び貫通孔作成用の窓開け工程を
説明するための図である。

【図１３】図１１に示した工程の次の後の工程を説明
するための図である。

【図１４】上部ヒータ層、下部検出層を抵抗膜のみで
構成した例を示す図である。

【図１５】上部層及び下部層又は上部層のみに細孔を
設けた側を示す図である。

【図１６】上部層と下部層の細孔の位置を互にずらし
て配置した場合の例を示す断面構成図である。

【図１７】上部発熱層と下部受熱層の位置を互にずら
して配置した例を示す断面構成図である。

【図１８】上部層と下部層を交互に配置する場合、上
部層と下部層を同一工程の成膜により形成した場合の構
造を示す図である。

【図１９】上部層と下部層を同一の工程にて作成する
場合のセンサーの製造方法を説明するための図である。

【図２０】図１９（ｂ）に示した実施例の工程の続き
を示す図である。

【図２１】電極、発熱、受熱層パターン、Ｓｉエッチ
ング用窓を除去するための図である。

【図２２】図２１（ｃ）に示した実施例の続き工程を
示す図である。

【図２３】図２２のＭｇＯ層をパターンエッチングす
るための図である。

【図２４】図２３の裏側から異方性エッチングして貫
通孔を作って完成するための図である。

【図２５】整流体を混成して熱伝達効率を改善した例
について説明するための図である。

【図２６】上部検出層、中間ヒータ層、下部検出層か
ら成る３段構成のフローセンサーの一例を説明するため
の図である。

【図２７】１枚の基板の表裏の発熱層と受熱層を設け
た場合の実施例を説明するための図である。

【図２８】２枚の基板上にそれぞれ発熱体、受熱体を
配置し、これらを接着剤で張り合せた場合の断面構成図
である。

【図２９】基板に形成した貫通孔のエッチング用窓を
利用して整流体及びダストフィルターを設けた場合の実
施例を説明するための図である。

【図３０】図２９の整流体の角孔をＳｉ（１１１）に
対して菱形を示す角度で設置するための図である。

【図３１】貫通孔内を気体が通過する形式のフローセ
ンサーを流量計本体に取り付けた場合の一例を説明する
ための図である。

【図３２】本発明によるフローセンサーを片持ち梁式
に構成した時の概要を示す図である。

【図３３】従来のフローセンサーの一例を説明するた
めの図である。

【図３４】従来のフローセンサーのヒータ部と検出部
の関係を説明するための図である。

【図３５】図３４に示したフローセンサーの各部の温
度を示す図である。

【符号の説明】

１０…基板、１１…貫通孔、１２…上部発熱体、１３…
下部受熱体、３１…整流体、３６…細孔、７０…フロー
センサ、８０…流量計ユニット、８１…流路管、８２…
バルブ、８６…接着剤。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】貫通孔もしくは空洞を有する基板と、前
記貫通孔もしくは空洞上に両持ち梁式もしくは片持ち梁
式に橋架された膜ヒータ部及び膜検出部を有するフロー
センサーにおいて、前記ヒータ部と検出部とが被測定流
体の流れ方向に沿って２層又は３層以上に積層され、か
つ、各層間に空間を有することを特徴とするフローセン
サー。
【請求項２】前記ヒータ部及び検出部を抵抗膜のみで
構成したことを特徴とする請求項１に記載のフローセン
サー。
【請求項３】前記ヒータ部と検出部の両方、又は、前
記ヒータ部のみに細孔を有することを特徴とする請求項
１又は２に記載のフローセンサー。
【請求項４】前記ヒータ部の細孔の位置と検出部の細
孔の位置をずらして配設したことを特徴とする請求項３
に記載のフローセンサー。
【請求項５】前記ヒータ部と検出部の位置をずらして
配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
に記載のフローセンサー。
【請求項６】前記ヒータ部及び／又は検出部に整流体
を混成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか
１に記載のフローセンサー。
【請求項７】前記ヒータ部を中間層とし、該中間層の
上下（又は左右）に検出部を有することを特徴とする請
求項１乃至６のいずれか１に記載のフローセンサー。
【請求項８】前記貫通孔の前記ヒータ部及び検出部を
有する側と反対の側に、小孔を多数有する整流体又はダ
ストフィルター膜を有することを特徴とする請求項１乃
至７のいずれか１に記載のフローセンサー。
【請求項９】貫通孔を有する基板と該基板の一方の面
において、前記貫通孔を両持ち梁式又は片持ち梁式に橋
架して配設されたヒータ部と、他方の面において、前記
貫通孔を両持ち梁式又は片持ち梁式に橋架して配設され
た検出部とから成ることを特徴とするフローセンサー。
【請求項10】貫通孔を有する第１の基板と、該第１の
基板の前記貫通孔の上に両持ち梁式又は片持ち梁式に橋
架されたヒータ部と、貫通孔を有する第２の基板と、該
第２の基板の前記貫通孔の上に両持ち梁式又は片持ち梁
式に橋架された検出部とから成り、前記第１の基板と第
２の基板とが前記貫通孔を同心にして一体的に接合され
ていることを特徴とするフローセンサー。