JPH0795076B2 - Flow velocity sensor - Google Patents

Flow velocity sensor

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JPH0795076B2
JPH0795076B2 JP1129640A JP12964089A JPH0795076B2 JP H0795076 B2 JPH0795076 B2 JP H0795076B2 JP 1129640 A JP1129640 A JP 1129640A JP 12964089 A JP12964089 A JP 12964089A JP H0795076 B2 JPH0795076 B2 JP H0795076B2
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Japan
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resistance
sensor
temperature
thin film
air
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JP1129640A
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Japanese (ja)
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JPH02132328A (en
Inventor
ロバート・ジー・ジョンソン
ロバート・イー・ヒガシ
フィリップ・ジェイ・ボーレエ
Original Assignee
山武ハネウエル株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサに関す
る。市販の空気の流れ速度センサは、一般的には、空気
の流れの中に挿入する長いプローブの先端に、1本の熱
線またはサーミスタを配置するものである。
The present invention relates to a flow velocity sensor for measuring the velocity of air flow. Commercially available air flow velocity sensors typically place a single hot wire or thermistor at the tip of a long probe that is inserted into the air flow.

これは、空気の流れによる冷却効果によって引き起こさ
れる温度低下に伴う電気抵抗値の変化により空気の流れ
速度を測定するものである。
This is to measure the air flow velocity by the change in electric resistance value accompanied by the temperature decrease caused by the cooling effect of the air flow.

かかるデバイス構成であるからセンサエレメントは空気
の流れにさらされるので、破損や汚れを受けやすい。し
かも、この空冷による温度変化は全く直線性がないた
め、得られる電気信号を電子回路により、リニアライズ
することが必要となる。また、これらは高価であり、量
産には適さない。
With such a device configuration, the sensor element is exposed to the air flow, and is therefore easily damaged or soiled. Moreover, since the temperature change due to the air cooling has no linearity, it is necessary to linearize the obtained electric signal by an electronic circuit. Moreover, these are expensive and are not suitable for mass production.

本発明に関連しているものとして、次のような市販の質
量流速センサがある。このセンサは、空気やその他の測
定ガスが通り抜ける金属管と、この金属管の1区域を抵
抗加熱する変圧器と、この区域に装着される2つの大き
なヒートシンクと、この熱区域の中心とヒートシンクの
間の熱区域の中間に対称的に金属に取り付けられる2つ
の熱電対から構成される。金属管を通しての空気の流れ
が、上流にある熱電対を冷やし、下流にある熱電対を熱
する。変圧器が一定の電力で駆動されているとき、この
熱電対の出力電圧の差が質量流量の測定の目安となる。
これはかなり電力を必要とする大きな装置である。大き
なダクトの中や屋外での流量測定には適さないし、高価
であり、量産もできない。従って、次のような特性を有
する流速センサもしくは質量流速センサとこれに関連す
る信号処理回路が必要とされている。すなわち、寿命が
長く、メンテナンスフリーで、小型で、低消費電力で、
広範囲な分野へ簡単に適用でき、大きな出力信号を有
し、かつ、広い速度レンジにわたって直線性があるかあ
るいは容易に直線化できる出力特性を有するようなもの
である。更に、量産が可能で、低価格なものでなければ
ならない。
Related to the present invention are the following commercially available mass flow rate sensors. This sensor consists of a metal tube through which air and other measuring gases pass, a transformer that resistively heats one area of this metal tube, two large heat sinks mounted in this area, and the center of this heat area and the heat sink. It consists of two thermocouples symmetrically attached to the metal in the middle of the thermal zone between. The flow of air through the metal tube cools the upstream thermocouple and heats the downstream thermocouple. When the transformer is driven with a constant electric power, the difference in the output voltage of the thermocouple is a measure for measuring the mass flow rate.
This is a large device that requires considerable power. It is not suitable for flow measurement in large ducts or outdoors, is expensive, and cannot be mass-produced. Therefore, there is a need for a flow velocity sensor or mass flow velocity sensor having the following characteristics and a signal processing circuit related thereto. That is, long life, maintenance-free, small size, low power consumption,
It is easily applicable to a wide range of fields, has a large output signal, and has output characteristics that are linear or easily linearized over a wide speed range. Furthermore, it must be mass-produced and inexpensive.

文献にはこれらの要求に関連して、流速センサを改善し
ようとして成された幾つかの試みが示されている。これ
らの試みは、以下に述べるように、一般的には、焦電材
料か、シリコンとその半導体特性を利用しようとするも
のである。
In the literature, in connection with these requirements, several attempts have been made to improve flow sensors. These attempts generally seek to utilize pyroelectric materials, or silicon and its semiconductor properties, as described below.

これらの試みは幾つかの点で技術的な改善をもたらした
が、現在の流速センサとして求められている多くの特性
に関して、いまだ不満足なものである。本発明は、いか
なる従来技術と比べても大幅にこれらの要求を満足し、
技術的に優れている。次に、よく知られている最も関連
が深い従来技術について述べることにする。
Although these attempts have provided technical improvements in some respects, they are still unsatisfactory with respect to many of the properties required of current flow sensors. The present invention significantly meets these requirements compared to any prior art,
It is technically superior. The well-known and most relevant prior art will now be described.

ヒュイジング(*1)らが発明した流速センサは、シリ
コンチップの両端近傍に埋め込まれた拡散型トランジス
タからなる同一の2つの温度検知素子と、これらの中心
に配置されシリコンチップを空気温度より45℃熱するた
めの拡散型トランジスタからなるヒータ素子から構成さ
れる。
The flow velocity sensor invented by Huising (* 1) et al. Has two identical temperature sensing elements consisting of diffusion type transistors embedded in the vicinity of both ends of the silicon chip, and the silicon chip placed in the center of them is 45 ° C above the air temperature. The heater element is composed of a diffusion type transistor for heating.

空気が流れると流れの上流に位置する温度検知素子は、
下流に位置する温度検知素子よりもわずか冷やされ、こ
の2つの温度検知素子の温度差が電流の差になり、電圧
に変換されて空気の流速が測定される。この温度検知素
子は、感知できる程度の温度差を実現するために、チッ
プの対向する両端に配置させなくてはならないが、それ
でも生ずる温度差は小さく、0〜500cm/秒の速度範囲で
0〜0.2℃以下の温度変化に過ぎない。
When air flows, the temperature sensing element located upstream of the flow
The temperature is slightly lower than that of the temperature detecting element located downstream, and the temperature difference between these two temperature detecting elements becomes the difference in current, which is converted into voltage and the flow velocity of air is measured. This temperature sensing element must be placed at opposite ends of the chip in order to realize a temperature difference that can be sensed, but the temperature difference that is still generated is small and is 0 to 500 cm / sec in the speed range. It is only a temperature change of less than 0.2 ℃.

*1 J.H.Huijing,et al:IEEE Transactions on Elect
ron Devices,Vol.ED−29,No.1,pp.133−136,January,19
82 バップテン(*2)らが発明した流速センサはシリコン
チップの向かい合う各4辺上に埋め込まれた同一の拡散
型抵抗素子から構成される。
* 1 JH Huijing, et al: IEEE Transactions on Elect
ron Devices, Vol.ED−29, No.1, pp.133−136, January, 19
82 The flow velocity sensor invented by Bapten (* 2) et al. Consists of the same diffusion resistance element embedded on each of the four sides of the silicon chip facing each other.

すべての抵抗素子は自己発熱し、これによりシリコンチ
ップは流れてくる空気の温度よりかなり熱せられる。抵
抗素子は電気的な2重ブリッジ回路で駆動される。空気
の流れがないとき、すべての抵抗素子は同一温度になる
ので、2重ブリッジ回路は電気的にバランスする。空気
の流れがあると流れに対して垂直な上流および下流の抵
抗素子は、流れに対して平行な両側の抵抗素子より冷や
される。この温度差が2重ブリッジのバランスをくず
し、空気の流れ速度が測定される。
All resistive elements are self-heating, which heats the silicon chip well above the temperature of the incoming air. The resistance element is driven by an electric double bridge circuit. In the absence of air flow, all resistive elements are at the same temperature, so the double bridge circuit is electrically balanced. The upstream and downstream resistance elements, which are perpendicular to the flow of air, are cooled more than the resistance elements on both sides parallel to the flow. This temperature difference destroys the balance of the double bridge and the air velocity is measured.

*2 A.F.P.Van Putten,et al:Electronics Letters,V
ol.10 No.21 pp.425−426,October,1974 マリン(*3)らが発明した質量流量センサは大きなシ
リコン細片上の拡散型抵抗素子からなる2つのセンサ
と、そのセンサの間の中心に配置される拡散型のヒータ
素子から構成される。
* 2 AFPVan Putten, et al: Electronics Letters, V
ol.10 No.21 pp.425-426, October, 1974 The mass flow sensor invented by Marin (* 3) is a center between the two sensors consisting of a diffusion type resistive element on a large silicon strip. It is composed of a diffusion type heater element which is arranged at.

この技術は、市販されている金属管を熱するタイプの質
量流量センサに類似している。空気の流れにより、下流
に位置するセンサは熱せられ、上流に位置するセンサは
冷やされるので、これらのセンサの温度の差がセンサ両
端に生ずる電圧の差をもたらし、質量流量が測定され
る。
This technique is similar to commercially available metal tube heating type mass flow sensors. The air flow heats the downstream sensor and cools the upstream sensor so that the temperature difference between these sensors results in a voltage difference across the sensor and the mass flow rate is measured.

*3 K.Malin,et al:IBM Technical Disclosure Bulle
tin,Vol.21,No.8 January,1979 ラハナマイ(*4)らは、結晶学的に配置される磨かれ
た単結晶のタンタル酸リチウムの薄い板の背面全面に金
属薄膜を付着させ、表面中心には薄膜状に付着させたヒ
ータ抵抗素子を配置し、これから同じ距離離れて配置さ
れる2つの薄膜電極とから構成されるセンサを開示して
いる。
* 3 K. Malin, et al: IBM Technical Disclosure Bulle
tin, Vol.21, No.8 January, 1979 Lahanamai (* 4) et al. attached a thin metal film to the entire back surface of a thin plate of polished single crystal lithium tantalate arranged crystallographically A sensor including a heater resistance element attached in a thin film shape at the center and two thin film electrodes arranged at the same distance from the heater resistance element is disclosed.

ここで、タンタル酸リチウムの大きさは、長さ8mm、幅4
mm、最小板厚0.06mmである。文献に述べられているよう
に、この板の下を空気が流れるようにするために、この
板の両端を大きなネジ頭の上に支持させている。上流と
下流に位置する2つの電極は、背面の電極面との間で分
離した同一のコンデンサを構成し、温度検知用のコンデ
ンサとして働く。動作は、例えば、2〜10Hzのような低
い周波数の電圧でヒータ素子を駆動することで、ヒータ
素子を、流れる空気の温度に対して周期的に熱する。セ
ンサ素子も、タンタル酸リチウムを通しての熱伝導によ
り、これに対応して周期的に熱せられる。このタンタル
酸リチウムは焦電材料であることから温度に対応して分
極を生ずることになるが、空気の流れがないときには、
2つのセンサに発生する周期的な分極電圧は同一のもの
となる。従って、空気の流れがないときの2つのセンサ
の間の電圧の差は0となる。文献でも述べられているよ
うに、空気の流れがあるとき、上流に位置するセンサ素
子は下流に位置するセンサ素子よりも冷やされるので、
これらのセンサの温度の差が電圧の差をもたらし、流速
が測定される。
Here, the size of lithium tantalate is 8 mm in length and 4 in width.
mm, minimum plate thickness 0.06 mm. As described in the literature, both ends of the plate are supported on large screw heads to allow air to flow under the plate. The two electrodes located on the upstream side and the downstream side form the same capacitor separated between the electrode surface on the back surface and serve as a capacitor for temperature detection. The operation is to heat the heater element periodically with respect to the temperature of the flowing air by driving the heater element with a voltage having a low frequency such as 2 to 10 Hz. The sensor element is also correspondingly heated periodically by heat conduction through the lithium tantalate. Since this lithium tantalate is a pyroelectric material, it causes polarization depending on the temperature, but when there is no air flow,
The periodic polarization voltages generated in the two sensors are the same. Therefore, the voltage difference between the two sensors when there is no air flow is zero. As mentioned in the literature, when there is a flow of air, the sensor element located upstream is cooled more than the sensor element located downstream,
The difference in temperature of these sensors results in a difference in voltage and the flow velocity is measured.

*4 H.Rahnamai,et al:paper presented at the 1980
International Electron Devices Society of IEEE,Wa
shington D.C.,pp 680−684 December 8−10,1980 前述したように、これらの試みは幾つかの点で技術的な
改善をもたらしたが、現在のセンサとして求められてい
る多くの特性に関して、いまだ不満足なものである。本
発明は、これらの要求を充分満足すべく技術を進歩させ
たものである。
* 4 H. Rahnamai, et al: paper presented at the 1980
International Electron Devices Society of IEEE, Wa
shington DC, pp 680-684 December 8-10, 1980 As mentioned above, these attempts have provided technological improvements in some respects, but still remain uncertain with regard to many of the properties demanded of today's sensors. It is unsatisfactory. The present invention is an advance of the technology to sufficiently satisfy these requirements.

本発明は単一の抵抗格子26と、これらを浮かして保持す
る基板20とから構成される。そしてこの抵抗格子は2つ
の電圧取り出し口を有し、2つの取り出し部分(熱感知
センサ部分)と非取り出し部分(中央部分)に区分さ
れ、2個の熱感知センサ部分は非取り出し部分の両側面
に対向して配置される。
The present invention comprises a single resistive grid 26 and a substrate 20 which holds them in a floating manner. This resistance grid has two voltage outlets and is divided into two takeout portions (heat detection sensor portion) and non-takeout portions (center portion). The two heat detection sensor portions are on both sides of the nontakeout portion. Is placed opposite to.

本発明の具体的実施例として、基板20は半導体、その中
でも特に精密なエッチング技術を応用できる点と、チッ
プの生産性の高い点からシリコンが選択される。そして
この基板上に形成される格子形状をなす単一の抵抗格子
26は薄膜のヒータのみならず、熱感知センサとして働
く。
As a specific example of the present invention, the substrate 20 is a semiconductor, and silicon is selected from the viewpoint that a particularly precise etching technique can be applied and the chip productivity is high. And a single resistive grid in the form of a grid formed on this substrate
26 functions not only as a thin film heater but also as a heat detecting sensor.

この抵抗格子26としては、鉄とニッケルの合金、例え
ば、80%のニッケルと20%の鉄からなるパーマロイとい
ったものを使うことが適している。この抵抗格子26は、
例えば、窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層28、29によ
り包まれ、薄膜部材を形成する。第2図の実施例に示す
ように、センサは抵抗格子26Fを含む薄膜部材32Fから構
成され、幅150μ長さ400μの大きさを有する。
As the resistance grid 26, it is suitable to use an alloy of iron and nickel, for example, a permalloy made of 80% nickel and 20% iron. This resistance grid 26
For example, it is wrapped with thin film insulating layers 28 and 29 made of silicon nitride to form a thin film member. As shown in the embodiment of FIG. 2, the sensor is composed of a thin film member 32F including a resistance grid 26F and has a size of width 150μ and length 400μ.

さらに、本発明で開示するセンサは、抵抗格子26を効果
的に包む空気スペース30を有する。この空気スペース30
はシリコンの表面36に微細構造をもって構成される。す
なわち、抵抗格子26は、厚さ約0.08〜0.12μ、線間約5
μ、線幅5μの線からなり、しかも、これらは全体の厚
さが約0.8μ以下になるように窒化シリコンの薄い膜に
より包まれるように構成される。そしてエッチングによ
り窪みである空気スペース30が薄膜部材32の下のシリコ
ンの基板20の中に125μの深さで正確に形成される。
Further, the sensor disclosed in the present invention has an air space 30 that effectively encloses the resistive grid 26. This air space 30
Are microstructured on the surface 36 of silicon. That is, the resistance grid 26 has a thickness of about 0.08 to 0.12μ and a line spacing of about 5
.mu. and a line width of 5 .mu., and these are configured to be wrapped by a thin film of silicon nitride so that the total thickness is about 0.8 .mu. or less. Then, an air space 30, which is a depression, is accurately formed in the silicon substrate 20 below the thin film member 32 by etching to a depth of 125 μ.

薄膜部材32は、空気スペース30の1つまたはそれ以上の
エッジにおいて、シリコンの基板20の表面36の最上部に
接続される。例えば第1図に示すように、薄膜部材32は
空気スペース30を架橋するようにあるいは第1A図に示す
ように片持ちばりで構成することもできる。
Membrane member 32 is connected to the top of surface 36 of silicon substrate 20 at one or more edges of air space 30. For example, as shown in FIG. 1, the thin film member 32 may be configured to bridge the air space 30 or to form a cantilever as shown in FIG. 1A.

窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体である。薄膜部
材32を包む窒化シリコンの膜が極めて薄くかつ断熱性も
よいことから、抵抗格子26の中央部分から熱感知センサ
部分に伝わる熱のほとんどが抵抗格子26を取り囲む空気
を通して伝えられることになる。
Silicon nitride is a very good thermal insulator. Since the silicon nitride film that surrounds the thin film member 32 is extremely thin and has a good heat insulating property, most of the heat transferred from the central portion of the resistance grid 26 to the heat sensing sensor section is transferred through the air surrounding the resistance grid 26.

空気の流速を検出するという本発明の原理を第2図に基
づいて説明する。抵抗格子26は、基板20の温度より200
℃高い一定の温度に加熱される。このシリコンの基板20
の温度は流れている空気の温度と殆ど同じものである。
The principle of the present invention of detecting the flow velocity of air will be described with reference to FIG. The resistance grid 26 is 200 degrees above the substrate 20 temperature.
It is heated to a constant temperature that is ℃ higher. This silicon substrate 20
The temperature of is almost the same as the temperature of the flowing air.

具体的には、シリコンの基板20がTO−100タイプのメタ
ルヘッドもしくはサーディプパッケージのようなヒート
シンクに搭載されている場合は、シリコンの基板20の温
度は、流れている空気の温度より0.5℃高くなるにすぎ
ない。
Specifically, when the silicon substrate 20 is mounted on a heat sink such as a TO-100 type metal head or a sardip package, the temperature of the silicon substrate 20 is 0.5 ° C higher than the temperature of the flowing air. It just gets higher.

また抵抗格子26の温度を流れる空気の温度より200℃高
く保つといっても0.001Wより小さい電力が要求されるに
過ぎない。
Further, even if the temperature of the resistance grid 26 is kept 200 ° C. higher than the temperature of the flowing air, electric power smaller than 0.001 W is merely required.

図示のように、熱感知センサ部分(取り出し口98−102
間および100−104間の部分)は抵抗格子26の中央部分に
対して正確に対称に配置されるので、空気の流速が0の
時にはこの2つのセンサの抵抗値に差は生じない。
As shown in the figure, the heat detection sensor part (ejection port 98-102
Between the two sensors and between 100 and 104) are arranged symmetrically with respect to the central part of the resistance grid 26, so that there is no difference in the resistance values of the two sensors when the air velocity is zero.

空気の流れがあるときにはこの実施例において上流に位
置する熱感知センサ部分は抵抗格子26へ向かう空気の流
れにより熱が運び去られるので冷やされ、下流に位置す
る熱感知センサ部分は抵抗格子26からの空気の流れによ
って熱せれる。これにより生じる熱感知センサ部分の間
の抵抗値の差が電圧値の差をもたらし流速が測定され
る。
When there is a flow of air, the heat-sensing sensor portion located upstream in this embodiment is cooled as heat is carried away by the air-flow towards the resistance grid 26, and the heat-sensing sensor portion located downstream from the resistance grid 26. It is heated by the flow of air. The resulting difference in resistance between the heat sensitive sensor portions causes a difference in voltage value and the flow velocity is measured.

抵抗格子26の熱容量が極めて小さいことと、基板への接
続手段である窒化シリコン膜により与えられる熱的絶縁
性と、空気スペース30の存在により、その応答性は測定
結果によれば時定数が0.005秒と非常に速く、熱感知セ
ンサ部分は空気の流れの変化に非常に速く応答する。
Due to the extremely small heat capacity of the resistance grid 26, the thermal insulation provided by the silicon nitride film that is the means for connecting to the substrate, and the presence of the air space 30, its response has a time constant of 0.005 according to the measurement results. Very fast in seconds, the heat sensitive sensor portion responds very quickly to changes in air flow.

本発明において、抵抗格子26は空気の温度に対して一定
の温度となるように駆動され、熱感知センサ部分の温度
変化は抵抗値の変化となり、電圧の変化として検知され
ることとなる。
In the present invention, the resistance grid 26 is driven so as to have a constant temperature with respect to the temperature of the air, and the temperature change of the heat detecting sensor portion changes the resistance value and is detected as the voltage change.

第4図の回路は抵抗格子26の温度を制御するためのもの
である。
The circuit of FIG. 4 is for controlling the temperature of the resistance grid 26.

本発明において周囲の空気の温度は、シリコンの基板20
をヒートシンクとして形成される比較抵抗38によってモ
ニタされる。比較抵抗38は抵抗格子26と同様に格子状の
パーマロイによって構成され、かつ、シリコンの表面36
上に絶縁層28と29に包まれて配置される。
In the present invention, the temperature of the ambient air depends on the silicon substrate 20.
Is monitored by a comparison resistor 38 formed as a heat sink. The comparative resistor 38 is composed of a lattice-shaped permalloy like the resistor lattice 26, and has a silicon surface 36.
It is arranged on top of which it is wrapped in insulating layers 28 and 29.

絶縁層28と29の厚さは合わせて0.8μと非常に薄いため
相対的に熱伝導がよいことから、これらの絶縁層の垂直
方向を通して、熱が出入りする。比較抵抗38は絶縁層に
包まれて基板20の表面36に直接取り付けられており、ヒ
ータ26が周りの温度より200℃高く熱せられていても周
囲の空気の温度と0.5℃以内の範囲にある基板20の温度
を容易にモニタできる。
Since the insulating layers 28 and 29 have a total thickness of 0.8 μm and are relatively thin, they have relatively good heat conduction, so that heat flows in and out through these insulating layers in the vertical direction. The comparative resistor 38 is wrapped in an insulating layer and attached directly to the surface 36 of the substrate 20 and is within 0.5 ° C. of the ambient air temperature even if the heater 26 is heated 200 ° C. above the ambient temperature. The temperature of the substrate 20 can be easily monitored.

換言すれば、比較抵抗38は、基板20の温度とほとんど一
致する流れる空気の温度を検知することになる。
In other words, the comparison resistor 38 detects the temperature of the flowing air which almost matches the temperature of the substrate 20.

第4図の温度制御回路は抵抗格子26の温度を比較抵抗38
により検出される周囲温度よりも高い一定温度に保ため
のホイートストンブリッジ回路46により構成される。こ
こで前述したように本発明の実施例では、この一定値は
約200℃に設定される。ホイートストンブリッジ回路46
は、ヒータ26と抵抗40からなる一辺と、比較抵抗38と抵
抗42、44からなる他の一辺から構成されている。アンプ
48、50からなる積分回路は、出力の電位を変化させるこ
とでブリッジ回路46がバランスするように動作し、ヒー
タ26によって消費される電力を一定に保つ。
The temperature control circuit of FIG. 4 compares the temperature of the resistance grid 26 with the comparison resistance 38
It is composed of a Wheatstone bridge circuit 46 for maintaining a constant temperature higher than the ambient temperature detected by. As described above, in the embodiment of the present invention, this constant value is set to about 200 ° C. Wheatstone bridge circuit 46
Is composed of one side composed of the heater 26 and the resistor 40, and another side composed of the comparative resistor 38 and the resistors 42 and 44. Amplifier
The integrating circuit composed of 48 and 50 operates so that the bridge circuit 46 is balanced by changing the potential of the output, and keeps the electric power consumed by the heater 26 constant.

本発明に開示するセンサの特徴の1つとしては広いレン
ジの空気の流れ速度に対して、熱感知センサ部分の感知
する温度と差が大きくとれるように構成されている点が
挙げられる。この結果、流速測定の精度が著しく高めら
れ測定も容易となる。空気の流れで冷やされる上流に位
置する熱感知センサ部分と、中央部分からの熱により熱
せられる下流に位置する熱感知センサ部分という2つの
センサの出力を結び付けることで大きな温度差の効果が
得られるのである。この熱することと冷やすことを結び
付けて大きな温度差を得るためには、 (1)熱感知センサ部分を空気に対して比較的強く熱的
に結合させることが必要となる。
One of the characteristics of the sensor disclosed in the present invention is that it is configured to have a large difference from the temperature sensed by the heat sensing sensor portion with respect to the flow velocity of air in a wide range. As a result, the accuracy of the flow velocity measurement is remarkably enhanced, and the measurement becomes easy. A large temperature difference effect can be obtained by combining the outputs of two sensors, that is, a heat-sensing sensor portion located upstream that is cooled by the flow of air and a heat-sensing sensor portion located downstream that is heated by heat from the central portion. Of. In order to combine the heating and the cooling to obtain a large temperature difference, (1) it is necessary to thermally couple the heat detecting sensor portion to the air relatively strongly.

すなわち、熱感知センサ部分がシリコンの基板20から実
質的に熱的に絶縁されなくてはいけない。そしてこれ
は、薄膜部材32F、32Gを包む窒化シリコン膜の長手方向
に沿った方向の熱伝導率が比較的小さいということと、
薄膜部材32F、32Gと基板20の間に約125μの深さで正確
に形成される空気スペース30によって可能となる。
That is, the heat sensitive sensor portion must be substantially thermally isolated from the silicon substrate 20. And this is that the thermal conductivity in the direction along the longitudinal direction of the silicon nitride film enclosing the thin film members 32F and 32G is relatively small,
This is made possible by an air space 30 precisely formed between the thin film members 32F, 32G and the substrate 20 at a depth of about 125μ.

(2)この実施例において空気の流れの上流に位置する
熱感知センサ部分を大きく冷やすことが必要となる。こ
れには抵抗格子26の温度を高く設定する必要がある。そ
してこれは、空気スペース30を介することで熱感知セン
サをシリコンの基板20から熱絶縁することと、薄膜部材
32の長手方向に沿った方向の熱伝導が小さいということ
によって可能となる。
(2) In this embodiment, it is necessary to greatly cool the heat detection sensor portion located upstream of the air flow. This requires setting the temperature of the resistance grid 26 high. This is because the heat sensing sensor is thermally insulated from the silicon substrate 20 through the air space 30, and the thin film member is used.
This is possible due to the small heat conduction in the direction along the longitudinal direction of 32.

(3)この実施例において空気の流れの下流に位置する
熱感知センサ部分を、中央部分からの熱を伝えることで
大きく熱することが必要となる。これは空気スペース30
を介することで熱感知センサ部分をシリコンの基板20か
ら熱的に絶縁することと、薄膜部材32F、32Gの長手に沿
った方向の熱伝導が小さいということと、抵抗格子26の
温度を高く設定することによって可能となる。
(3) In this embodiment, the heat detection sensor portion located downstream of the air flow needs to be heated significantly by transmitting heat from the central portion. This is an air space 30
To thermally insulate the heat sensing sensor portion from the silicon substrate 20, the heat conduction in the direction along the lengths of the thin film members 32F and 32G is small, and the temperature of the resistance grid 26 is set high. It becomes possible by doing.

(4)熱感知センサ部分と、中央部分の間の距離を最適
な値に選択する必要がある。
(4) It is necessary to select an optimum value for the distance between the heat detection sensor portion and the central portion.

第2図に示す実施例は、電圧取り出し口98、100を有す
る電気的抵抗性の格子26Fから構成され、この電圧取り
出し口は、全抵抗の各々の終端とにおける抵抗区間の電
圧の測定を可能としている。図示の電圧取り出し口98、
100は14本からなる格子の各々の両端の3本の格子線を
取り出しているが、これに限らず望む何本の格子線数を
取り出すことも可能である。更に、取り出し部分と非取
り出し部分(中央部分)との間隔も、図示の間隔から所
望の間隔に変更可能である。
The embodiment shown in FIG. 2 consists of an electrically resistive grid 26F with voltage outlets 98, 100, which allows the measurement of the voltage across the resistance section at each end of the total resistance. I am trying. Voltage outlet 98 shown,
Although 100 takes out three grid lines at each end of a grid of 14 lines, it is not limited to this and any desired number of grid lines can be taken out. Further, the distance between the taken-out portion and the non-take-out portion (central portion) can be changed from the shown distance to a desired distance.

図示のように、電気的抵抗性の格子26Fは、薄膜部材32F
の中央の面積のほとんどを占めている。格子26Fの格子
線は薄膜部材32の長手方向に対して平行に配置される。
As shown, the electrically resistive grid 26F is a thin film member 32F.
Occupies most of the central area of. The grid lines of the grid 26F are arranged parallel to the longitudinal direction of the thin film member 32.

格子26Fの全抵抗値は1510Ωで、電圧取り出し口98、100
は、全抵抗値の両終端とにより区切られる330Ωの抵抗
区間の測定を可能とならしめている。格子26Fを空気ス
ペース30の上に支持する薄膜部材32Fの大きさは、図示
の実施例においては、おおよそ幅150μ、長さ400μであ
る。パーマロイ板106と108は電気的に絶縁されていて、
薄膜部材32Fを強化するために使われている。
The total resistance of the grid 26F is 1510Ω, and the voltage outlets 98, 100
Makes it possible to measure the 330 Ω resistance section delimited by both ends of the total resistance. The size of the thin film member 32F supporting the grid 26F above the air space 30 is approximately 150μ wide and 400μ long in the illustrated embodiment. Permalloy plates 106 and 108 are electrically isolated,
It is used to strengthen the thin film member 32F.

第3図に示す実施例においては、抵抗格子は薄膜部材の
長手方向に沿って配置されており、空気の流れも図示の
ように、典型的には、薄膜部材の長手方向に平行になる
ように配置される。
In the embodiment shown in FIG. 3, the resistance grids are arranged along the longitudinal direction of the thin film member and the air flow is also typically parallel to the longitudinal direction of the thin film member as shown. Is located in.

空気の流れが薄膜部材の横方向に合わされたとき表面の
形状で小さな乱流が発生する可能性があるのに対して、
これらの実施例の長所は、この小さな乱流を引き起こさ
ない連続的な表面を保証するということにある。空気の
流れを薄膜部材の長手方向に合わせる実施例の考えられ
る欠点としては空気の流れを薄膜部材の横方向に合わせ
る実施例と比べ、薄膜部材の下の空気の流れが殆どなく
なることである。
Whereas a small turbulence may occur in the shape of the surface when the air flow is laterally aligned with the thin film member,
The advantage of these embodiments is that they guarantee a continuous surface that does not cause this small turbulence. A possible disadvantage of the embodiment in which the air flow is aligned with the longitudinal direction of the thin film member is that there is almost no air flow under the thin film member as compared to the embodiment in which the air flow is aligned with the lateral direction of the thin film member.

リード部102、104を第4図に示すような回路に接続する
ことで、格子26Fは、周囲より約200℃高い温度に自己加
熱される。
By connecting the leads 102, 104 to a circuit such as that shown in FIG. 4, the grid 26F is self-heated to a temperature approximately 200 ° C. above ambient.

そのような温度においては、格子26Fの全抵抗値はおお
よそ2500Ωになる。空気の流れが、薄膜部材32Fの横方
向に向けられるため下流側よりも上流側をより冷やすこ
とになる。2つの電圧取り出し口区間が同一であるとす
るならば、空気の流れがないときは、電圧の差は0であ
る。空気の流れがあるときには、2つの電圧取り出し口
区間に温度差が生じるために抵抗値に差が生じ、電圧差
が発生する。この電圧差が空気の流れ速度に対応するセ
ンサの出力となる。
At such temperatures, the total resistance of grid 26F is approximately 2500Ω. Since the air flow is directed in the lateral direction of the thin film member 32F, the upstream side is cooled more than the downstream side. If the two voltage outlet sections are the same, the voltage difference is zero when there is no air flow. When there is a flow of air, a temperature difference occurs between the two voltage outlet sections, so that a difference in resistance value occurs and a voltage difference occurs. This voltage difference becomes the output of the sensor corresponding to the air flow velocity.

第3図に示す実施例は、抵抗性の格子26Gの格子線が薄
膜部材32Gの中心線に対して直交するように配置されて
いる点と、空気の流れが薄膜部材32Gの中心線に対して
平行に向けられている点を除けば、第2図の実施例と実
質的に同一のものである。第3図の実施例において格子
26Gの全抵抗値は1420Ωで、電圧取り出し口98G、100Gと
全抵抗の各終端との抵抗区間の抵抗値は420Ωである。
第2図と第3図の実施例の格子の全抵抗値は、典型的に
は、約25℃において、おおよそ500Ωから2000Ωの範囲
の値にある。全抵抗値の各終端とと電圧取り出し口との
抵抗区間の抵抗値は、典型的には、格子の全抵抗値のお
およそ20%から40%の範囲の値にある。この実施例に示
されたその他の値も一例に過ぎず、これに限定するもの
ではない。
In the embodiment shown in FIG. 3, the grid lines of the resistive grid 26G are arranged so as to be orthogonal to the center line of the thin film member 32G, and the air flow is relative to the center line of the thin film member 32G. 2 is substantially the same as the embodiment of FIG. 2 except that it is oriented parallel. The grid in the embodiment of FIG.
The total resistance value of 26G is 1420Ω, and the resistance value of the resistance section between the voltage extraction ports 98G and 100G and each terminal of the total resistance is 420Ω.
The total resistance of the gratings of the embodiments of FIGS. 2 and 3 is typically in the range of about 500Ω to 2000Ω at about 25 ° C. The resistance value of the resistance section between each end of the total resistance value and the voltage outlet is typically in the range of approximately 20% to 40% of the total resistance value of the grid. The other values shown in this embodiment are merely examples, and the present invention is not limited thereto.

第2図と第3図に示す2つの電圧取り出し口を有する単
一の抵抗素子は、2個の温度検知素子と1個のヒータ素
子を個別に形成したものに比し、端子数を4端子と少な
くでき、温度検知素子部分と中央のヒータ素子部分の間
の距離を最小にできるので、全体としてコンパクトにで
きる。従って、前者の6端子の場合に往々にして必要と
なる、例えば、温度検知素子とヒータ素子間の強化用パ
ーマロイ板やエッチング用開口部を設けないで済む。
The single resistance element with two voltage outlets shown in FIG. 2 and FIG. 3 has four terminals as compared with one in which two temperature detection elements and one heater element are individually formed. Since the distance between the temperature detecting element portion and the central heater element portion can be minimized, the overall size can be reduced. Therefore, it is not necessary to provide, for example, a strengthening permalloy plate or an etching opening between the temperature detecting element and the heater element, which is often required in the former case of 6 terminals.

尚、予備実験によれば、同じ流れ速度についてみるなら
ば、抵抗格子をチップの中心位置に配置させたものより
チップの端に配置させた方が出力は大きかった。そのた
め、空気スペース30の上流部分あるいは下流部分の側壁
が欠かれると、側壁により遮られないので、空気がより
流れやすくなる。どちらが欠かれてもチップの中心に配
置する配置例より出力特性は大きくなるのであるが、空
気スペースの上流部分の側壁を欠いた方が下流部分の側
壁を欠いたものよりもかなり大きな出力を示した。
According to a preliminary experiment, if the same flow velocity is observed, the output is larger when the resistance grid is arranged at the end of the chip than when the resistance grid is arranged at the center position of the chip. Therefore, when the side wall of the upstream portion or the downstream portion of the air space 30 is cut off, the side wall does not block the side wall, so that the air flows more easily. The output characteristics will be greater than the example where the chip is placed in the center of the chip, whichever is lacking, but the lack of the side wall in the upstream part of the air space shows significantly higher output than the one without the side wall in the downstream part. It was

これに替わる流速センサの構成としては、空気スペース
30を横切る1つあるいは複数の薄膜部材に設けられる、
2つの自己発熱性の抵抗素子を有するものが考えられ
る。ここで1つの抵抗素子は他の抵抗素子に対して下流
に置かれ、どちらの抵抗素子もヒータおよびセンサとし
て交互に働くように構成される。すなわち、上流の抵抗
素子が周囲に対して一定温度高くなるように熱せられる
と、下流の抵抗素子の温度が検出される。
As an alternative flow velocity sensor configuration, air space
Provided on one or more thin film members across 30
A device having two self-heating resistance elements can be considered. Here, one resistance element is placed downstream with respect to the other resistance element, both resistance elements being configured to act alternately as a heater and a sensor. That is, when the upstream resistance element is heated to a constant temperature higher than the surroundings, the temperature of the downstream resistance element is detected.

次に、2つの抵抗素子はその機能を交代し、前にセンサ
として働いた抵抗素子は今度は周囲に対して一定温度高
くなるように熱せられ、ヒータとして働いた抵抗素子の
温度が検出される。
Next, the two resistance elements switch their functions, and the resistance element that previously worked as a sensor is heated to a constant temperature higher than the surroundings this time, and the temperature of the resistance element that worked as a heater is detected. .

このように2つの抵抗素子は各々、自己発熱モードと温
度検出モードを交互に切り換えていく。すなわち、抵抗
素子が温度検出モードにあるときは、自らの発熱によっ
て熱せられることはなく、自己発熱モードにある他の抵
抗素子によって熱せられる。2つの抵抗素子がそれぞれ
交互に自己発熱モードで同じ温度に熱せられるようにさ
れているならば、空気の流れがないとき、温度検出モー
ドにおける各々の抵抗素子は、ほとんど同一の温度に熱
せられることになる。このように、空気の流れがないと
いう状態の下では、2つのパルス化された温度信号の差
はほとんど0になる。
In this way, the two resistance elements alternately switch the self-heating mode and the temperature detection mode. That is, when the resistance element is in the temperature detection mode, it is not heated by its own heat generation but is heated by another resistance element in the self-heat generation mode. If the two resistance elements are alternately heated to the same temperature in the self-heating mode, each resistance element in the temperature detection mode should be heated to almost the same temperature in the absence of air flow. become. Thus, under no air flow, the difference between the two pulsed temperature signals will be almost zero.

そして空気の流れがあるときには、下流の抵抗素子は上
流の抵抗素子よりも熱せられることから、2つの抵抗素
子の温度信号に有意な差が生じ、その結果、流れ速度信
号が得られることになる。
When there is a flow of air, the resistance element on the downstream side is heated more than the resistance element on the upstream side, so that there is a significant difference between the temperature signals of the two resistance elements, and as a result, the flow velocity signal is obtained. .

他のこれに替わる速度センサの構成としては、空気スペ
ース30を横切る1つあるいは複数の薄膜部材に設けられ
る、3つの抵抗素子を有するものが考えられる。ここで
の中央の抵抗素子は自己発熱の温度パルスの増加と減少
が電流パルスの頂部と底部において熱的な平衡に近づく
ようなパルス幅と間隔を有する電流パルスによって発熱
されるよう構成される。典型的には、このパルス幅とパ
ルス間隔は著しく設定される。センサとして働く2つの
抵抗素子は、空気を介しての熱伝達により発熱パルスに
対応するものを感知する。
Another alternative configuration of the speed sensor is one having three resistance elements provided on one or more thin film members that traverse the air space 30. The central resistive element here is configured to be heated by current pulses having a pulse width and spacing such that the increase and decrease of the self-heating temperature pulse approaches thermal equilibrium at the top and bottom of the current pulse. Typically, this pulse width and pulse interval are set significantly. The two resistive elements, which act as sensors, sense what corresponds to the heat pulse by heat transfer through the air.

すなわち、先に述べたように空気の流れに影響されて、
発熱パルスはセンサ素子内に対応する発熱パルスを引き
起こす。抵抗素子をパルスで発熱させるための回路は、
一定の温度で発熱させるいわばDCモードに要求される回
路よりはかなり複雑となるが応用上いくつかの利点が得
られる。
That is, as mentioned above, being affected by the flow of air,
The exothermic pulse causes a corresponding exothermic pulse in the sensor element. The circuit to heat the resistive element with pulse is
Although it is much more complicated than the circuit required for DC mode to generate heat at a constant temperature, it has some advantages in application.

たとえば、この構成の流速センサの出力は、実際上、2
つのセンサ素子によって感知される温度パルスに対応す
る電圧パルスを引き算することによって得られる。すな
わち、2つの交流パルスの差が出力されることになる。
このような交流成分の出力は、流速センサと信号処理回
路との間に電圧絶縁(直流的な絶縁)が要求されるよう
なときには、都合がよい。他の利点としては、センサと
して働く2つの抵抗素子の抵抗値のわずかな変化の違い
により引き起こされる流速測定の誤差を小さくすること
ができるという点がある。この抵抗値の変化の違いは、
例えば、センサの汚れとか酸化の違いにより引き起こさ
れる。2つのセンサの交流電圧の差をとることにより、
こういう誤差はなくすことはできないが小さくすること
はできる。なぜなら、差をとることによって、酸化とか
汚れとかによるセンサの抵抗値の変化は、抵抗値そのも
のの変化としてではなくて交流パルスのわずかな変化と
してとらえられるからである。
For example, the output of the flow velocity sensor in this configuration is actually 2
Obtained by subtracting the voltage pulse corresponding to the temperature pulse sensed by the two sensor elements. That is, the difference between the two AC pulses is output.
The output of such an AC component is convenient when voltage insulation (DC insulation) is required between the flow velocity sensor and the signal processing circuit. Another advantage is that it is possible to reduce the error in the flow velocity measurement caused by the slight difference in the resistance values of the two resistance elements serving as the sensor. The difference in this change in resistance is
For example, it can be caused by dirt on the sensor or a difference in oxidation. By taking the difference of the AC voltage of the two sensors,
Such an error cannot be eliminated, but it can be reduced. This is because, by taking the difference, the change in the resistance value of the sensor due to oxidation or dirt can be regarded as a slight change in the AC pulse, not as a change in the resistance value itself.

よって、出力の電圧誤差の大きさは、おおよそ、センサ
のパルス抵抗値に対する抵抗値の比と等しくなる因子ま
で減少させることができる。
Therefore, the magnitude of the output voltage error can be reduced to a factor that is approximately equal to the ratio of the resistance value to the pulse resistance value of the sensor.

パルスモードの使い方は応用上望ましいが、信号処理回
路が複雑になることから、本発明の実施例においては必
ずしも必要ではないし、典型的には用いられていない。
なお、パルスモードの動作でパルス的に熱するためにヒ
ューレッドパッカード社の3310というファンクションジ
ェネレータを用いた。そのような回路はシリコンの基板
20上、すなわち、領域116において集積化させることが
可能である。
Although the use of the pulse mode is desirable for application, it is not always necessary or typically used in the embodiments of the present invention because the signal processing circuit becomes complicated.
In addition, a 3310 function generator manufactured by Hewlett-Packard Co. was used to heat in a pulsed manner in a pulse mode operation. Such circuits are silicon substrates
It is possible to integrate on 20, ie in the region 116.

本センサを製造するプロセスは、(100)の結晶面を有
するシリコンウェハーが用いられ、これの表面には窒化
シリコンの絶縁層29が形成される。この絶縁層29は典型
的には4000オングストロームの厚さであり、普通の低圧
ガス放電のスパッタリング技術により付着形成される。
In the process of manufacturing the present sensor, a silicon wafer having a (100) crystal face is used, and an insulating layer 29 of silicon nitride is formed on the surface thereof. This insulating layer 29 is typically 4000 angstroms thick and is deposited by conventional low pressure gas discharge sputtering techniques.

次に、典型的には、80%のニッケルと20%の鉄からなる
パーマロイの一様な層を、800オングストロームの厚さ
をもって窒化シリコン膜上にスパッタリングにより付着
させる。
Next, a uniform layer of Permalloy, typically 80% nickel and 20% iron, is sputter deposited onto the silicon nitride film to a thickness of 800 Å.

適当なフォトマスクとフォトレジストエッチング液を使
うことにより、第2図の26Fに示すようなパーマロイの
エレメントが描かれる。
By using an appropriate photomask and photoresist etchant, a permalloy element as depicted at 26F in FIG. 2 is drawn.

そして2番目の窒化シリコンの絶縁層28が、スパッタに
より付着される。この層の厚さは、典型的には、4000オ
ングストロームで、抵抗素子を酸化から防ぐために形成
される。
A second insulating layer 28 of silicon nitride is then deposited by sputtering. This layer is typically 4000 angstroms thick and is formed to protect the resistive element from oxidation.

薄膜部材32F、32Gを形成するために、開口部82F、82G
が、窒化シリコン幕を通して(100)結晶面のシリコン
表面までエッチングされる。開口部82F、82Gの大きさ
は、ほとんど設計上の選択事項である。破線114F、114G
が空気スペース30のおおよその形状を表している。
Openings 82F, 82G to form thin film members 32F, 32G
Is etched through the silicon nitride screen to the silicon surface of the (100) crystal plane. The size of the openings 82F, 82G is almost a design choice. Dashed lines 114F, 114G
Represents the approximate shape of the air space 30.

最後に、窒化シリコンを傷めない異方性のエッチング液
を使い制御された方法により薄膜部材32F、32Gの下のシ
リコンをエッチングする。エッチング液としては、KOH
とイソプロピルアルコールを混合したものが適してい
る。
Finally, the silicon under the thin film members 32F and 32G is etched by a controlled method using an anisotropic etching solution that does not damage the silicon nitride. As an etching solution, KOH
A mixture of and isopropyl alcohol is suitable.

空気スペースの傾斜面はエッチング液に対して抵抗性の
ある(111)あるいは他の結晶面により囲まれている。
空気スペース30の底面は、エッチング液に対してほとん
ど抵抗性のない(100)結晶面であり、薄膜部材32F、32
Gから一定の距離すなわち125μの深さの位置におかれて
いる。この深さは、エッチングの時間を加減することで
実現される。空気スペースの深さを制御するためにホウ
素をドープしたエッチングを停止させるストップ層を用
いることもできるが、本発明の形成には特に必要ではな
い。エッチングの時間を加減することで、空気スペース
30の深さは約3μの精度もしくは約2%で制御できる。
The inclined surface of the air space is surrounded by (111) or other crystal planes that are resistant to the etchant.
The bottom surface of the air space 30 is a (100) crystal plane that has almost no resistance to the etching liquid, and the thin film members 32F, 32
It is located at a certain distance from G, that is, at a depth of 125μ. This depth is achieved by adjusting the etching time. A stop layer that stops the boron-doped etch to control the depth of the air space can also be used, but is not specifically required for the formation of the present invention. By adjusting the etching time, the air space
The depth of 30 can be controlled with an accuracy of about 3μ or about 2%.

この精度が、薄膜部材を取り囲む空気スペースの熱伝達
特性と、空気の流れ速度に対する特性の正確な再現性を
導き出すことになる。
This accuracy leads to the heat transfer characteristics of the air space surrounding the thin film member and the accurate reproducibility of the characteristics with respect to the air flow velocity.

第1A図に示されるような片持ちばりの薄膜部材の下や、
第1図に示されるような架橋する薄膜部材の下を有効的
に削り取るために、第3図に110として示される薄膜部
材32の直線エッジはシリコンの〔110〕結晶軸に対して
0でない或る角度112をもって配置される。(本発明に
おいては、薄膜部材の直線エッジもしくは軸を、シリコ
ンの〔110〕結晶軸に対して或る角度で配置するという
内容も含んでいるが、薄膜部材のエッジを直線に形成し
たいもしくは軸が容易に決定できないような形に薄膜部
材を形づくることもあり得る。しかしながら、これから
述べるように、薄膜部材の配置は、このアンダーカット
を最小時間で実現するような角度をもって配置され
る。) 角度112をほぼ45゜とすることによって、薄膜部材の下
を削り取る時間は最小とすることができる。更に角度を
0゜としないことで、第1図に示されるような両端が接
続しているブリッジの製作が可能となるのである。すな
わち、このような架橋する薄膜部材は、薄膜部材の直線
エッジをほぼ〔110〕軸方向に配置させたのでは形成す
ることができない。これは薄膜部材の直線エッジが〔11
0〕軸方向に配置されていると、この直線エッジに沿っ
てさらされる(111)結晶面に対して、異方性のエッチ
ング液が削り取っていかないことからきている。
Under a cantilevered thin film member as shown in Figure 1A,
In order to effectively scrape under a bridging thin film member as shown in FIG. 1, the straight edge of thin film member 32, shown as 110 in FIG. 3, is non-zero with respect to the [110] crystallographic axis of silicon. Are arranged at an angle 112. (In the present invention, the straight edge or axis of the thin film member also includes the content of arranging at a certain angle with respect to the [110] crystal axis of silicon. However, it is possible to shape the thin-film member in such a way that it cannot be determined easily.However, as will be described below, the arrangement of the thin-film member is arranged at an angle that realizes this undercut in a minimum time. By setting 112 to approximately 45 °, the time to scrape under the thin film member can be minimized. Further, by not setting the angle to 0 °, it becomes possible to manufacture a bridge whose both ends are connected as shown in FIG. That is, such a bridging thin film member cannot be formed by arranging the straight edges of the thin film member substantially in the [110] axis direction. This is because the straight edge of the thin film member is [11
This is because when it is arranged in the [0] axial direction, the anisotropic etching solution does not scrape off the (111) crystal plane exposed along this straight edge.

角度112を45゜にすると、半導体と薄膜部材との支持境
界面をすばやく丸め、平坦にすることになる。これによ
り、45゜に角度を持たない場合に発生する窒化シリコン
の絶縁層29の下の2つの(111)結晶面の交差点におけ
る応力集中点をなくすことができる。
When the angle 112 is 45 °, the supporting interface between the semiconductor and the thin film member is quickly rounded and flattened. As a result, it is possible to eliminate stress concentration points at the intersections of two (111) crystal planes below the silicon nitride insulating layer 29, which occur when the angle is not 45 °.

第1図および第1A図には、第4図の回路の集積化のため
の領域116も示されている。図示の実施例において、薄
膜部材の典型的な大きさは、幅127μ〜178μ、長さ254
μ〜508μ、厚さ0.8μ〜1.2μである。典型的にはパー
マロイからなる抵抗格子26、比較抵抗38はおおよそ800
オングストローム(典型的には800〜1600オングストロ
ームの間にある)の厚さで、その抵抗値は室温すなわち
20〜25℃において、おおよそ200Ω〜2000Ωの間にあ
る。なおパーマロイの抵抗値は、温度が室温から400℃
になると、おおよそ3倍の値に増大する。パーマロイ格
子の線幅は約5μで線間も約5μとすることができる。
空気スペース30の深さは典型的には125μであるが、こ
の深さはおおよそ25μから250μの間で容易に変えるこ
とができる。シリコンの基板20の厚さは、典型的には20
0μである。これらの値は一例にすぎず、これに限定す
るものではない。
Also shown in FIGS. 1 and 1A is a region 116 for integration of the circuit of FIG. In the illustrated embodiment, the thin film member typically has a width of 127 μ to 178 μ and a length of 254 μm.
μ-508μ, thickness 0.8μ-1.2μ. Resistor grid 26, typically made of permalloy, comparative resistor 38 is approximately 800
It has a thickness of angstroms (typically between 800 and 1600 angstroms) and its resistance is room temperature
It is approximately between 200Ω and 2000Ω at 20 to 25 ° C. The resistance value of permalloy ranges from room temperature to 400 ° C.
Then, the value increases to about 3 times. The line width of the permalloy grating can be about 5μ and the line spacing can be about 5μ.
The depth of the air space 30 is typically 125μ, but this depth can easily be varied between approximately 25μ and 250μ. The thickness of the silicon substrate 20 is typically 20
It is 0μ. These values are merely examples and are not limiting.

薄膜部材の大きさが上述の典型的なものであると、熱容
量は非常に小さなものとなる。薄膜部材とヒータと熱感
知センサの熱容量が極めて小さい点と、これらが窒化シ
リコン層という薄い絶縁手段により基板に支持されるこ
とで熱的に絶縁されている点と、これらを取り囲む空気
スペースの存在により、応答時間は非常に短いものとな
る。
When the size of the thin film member is the above-mentioned typical size, the heat capacity becomes very small. The heat capacity of the thin film member, the heater and the heat detecting sensor is extremely small, they are thermally insulated by being supported on the substrate by a thin insulating means such as a silicon nitride layer, and the presence of an air space surrounding them. Makes the response time very short.

実測では自定数は0.005秒であった。The actual constant was 0.005 seconds in the actual measurement.

従って、熱感知センサが空気の流れの変化に対して非常
にすばやく応答できる。また、望むならばヒータを50Hz
もしくはそれ以上の周波数でパルス的に駆動させること
も可能である。
Therefore, the heat sensitive sensor can respond very quickly to changes in the air flow. Also, if desired, heater at 50Hz
Alternatively, it is possible to drive in a pulsed manner at a higher frequency.

抵抗格子26の動作温度は、典型的には、100〜400℃の間
に設定されるが、望ましい動作温度としては周囲に対し
ておおよそ200℃高く設定する。パーマロイ素子を用い
るならば、これはわずか2〜3mWの電力にて実現でき
る。こういう電力レベルであれば集積回路で対応できる
ので、前述したように望むならばセンサとともに同じシ
リコン基板上に製作可能である。
The operating temperature of the resistance grid 26 is typically set between 100 and 400 ° C, but the desired operating temperature is set approximately 200 ° C above ambient. With a permalloy element, this can be achieved with only a few mW of power. These power levels can be accommodated by integrated circuits, so they can be fabricated with the sensor on the same silicon substrate if desired, as described above.

25℃において600〜1000Ωの間の抵抗を有する抵抗格子
を使うならば、2〜3Vの電圧、2〜3mAの電流を用いる
ことで適切な動作温度になるための電力消費を与えるこ
とになる。また、本実施例において、パーマロイの抵抗
素子の抵抗値を600〜1000Ωの間に選択したのは、エレ
クトロマイグレーションによる素子の損傷という因子も
あるからである。エレクトロマイグレーションとは、電
流密度がある臨界値を越える時、物質の移動によって引
き起こされる導体内部の損傷メカニズムであり、温度に
依存している。パーマロイに関してのこの臨界値は25℃
において10×106A/cm2のオーダであり、望ましい実施例
として、ヒータ素子の抵抗値は典型的には600〜1000
Ω、線幅は5μ、厚さは0.08μに設定されているので、
電流密度は実質的に約0.6×106A/cm2より小さなものと
なる。この程度の電流密度では、エレクトロマイグレー
ションは有害な因子ではない。
If a resistive grid with a resistance between 600 and 1000 Ω at 25 ° C. is used, then a voltage of 2-3 V and a current of 2-3 mA will be used to provide the power dissipation to reach the proper operating temperature. In the present embodiment, the reason why the resistance value of the permalloy resistance element is selected to be 600 to 1000Ω is that there is also a factor of element damage due to electromigration. Electromigration is a damage mechanism inside a conductor caused by movement of a substance when a current density exceeds a certain critical value, and is dependent on temperature. This critical value for permalloy is 25 ° C
In an order of 10 × 10 6 A / cm 2 , as the preferred embodiment, the resistance value of the heater element is typically 600-1000
Ω, line width is 5μ and thickness is 0.08μ, so
The current density is substantially less than about 0.6 × 10 6 A / cm 2 . At this current density, electromigration is not a detrimental factor.

工業上で用いられている標準の温度センサのインピーダ
ンスは100Ω程度である。しかしながら、本発明の目的
からして、そのような小さい抵抗値のセンサは、本発明
の実施例において用いられている25℃で600〜1000Ωの
抵抗値を有し、厚さがおおよそ0.08μのものに比べて、
望ましいものではない。例えば、製造する上で、上流と
下流に位置する2つの熱感知センサの抵抗値は0.1%の
程度の精度で一致させることが望ましい。この一致は、
より高い抵抗値のセンサを用いれば、シリコンチップ上
のリード部に関係する抵抗値の違いといった望ましくな
い影響も減らすことができる。さらに、空気の流れがわ
ずかに変化したことによる電圧の変化を、小さな電流で
正確に得るためには、より高い抵抗を使うことが必要と
なってくる。加えるに、小さな電流を使えば、熱感知セ
ンサ自身の自己発熱を避けることができる。この場合、
この熱感知センサの自己発熱は、ヒータの熱の場を変化
させ、空気の流れに対する温度感度を減少させるのであ
るが、そうひどい影響とはならない。加えるに、熱感知
センサに流れる電流が大きくなると、空気の流れがない
ときの2つのセンサの間の色々な不一致といった望まし
くない影響を大きくしてしまう。
The impedance of a standard temperature sensor used in the industry is about 100Ω. However, for the purposes of the present invention, such a low resistance sensor has a resistance value of 600-1000 Ω at 25 ° C. used in the embodiments of the present invention and a thickness of approximately 0.08μ. Compared to the one
Not desirable. For example, in manufacturing, it is desirable to match the resistance values of the two heat detection sensors located upstream and downstream with an accuracy of the order of 0.1%. This match is
Higher resistance sensors can also reduce undesired effects such as different resistance values associated with the leads on the silicon chip. Furthermore, in order to accurately obtain a voltage change due to a slight change in the air flow with a small current, it is necessary to use a higher resistance. In addition, a small current can be used to avoid self-heating of the heat sensing sensor itself. in this case,
The self-heating of the heat-sensitive sensor changes the heat field of the heater and reduces the temperature sensitivity to the air flow, but not so badly. In addition, the higher currents flowing through the heat sensitive sensors exacerbate the undesirable effects of various mismatches between the two sensors in the absence of air flow.

製造上の目的からすれば、ヒータと熱感知センサの両方
のパーマロイの厚さを同じに選べば、より簡単になり、
より経済的になる。この観点から前述したように本実施
例でも、ヒータと熱感知センサの抵抗値は、典型的には
0.08μ厚のパーマロイにより似たような値であるととも
に容易に実現できる値となっている。
For manufacturing purposes, choosing the same permalloy thickness for both the heater and the heat-sensitive sensor makes it easier.
Become more economical. From this point of view, as described above, the resistance values of the heater and the heat detection sensor are also typically in this embodiment.
The value is similar to that of 0.08μ thick permalloy and can be easily realized.

多くの計画中の応用に関しても、本発明の望ましい素子
は、前述したように、パーマロイの抵抗素子である。薄
膜部材32F、32Gが薄い窒化シリコン層に包まれているの
で、パーマロイ素子は空気による酸化から防がれて、40
0℃を越す温度のヒータ素子としても用いることが可能
となる。このパーマロイ素子の抵抗の温度依存性は白金
と類似しており、どちらも0℃において約4000ppmの抵
抗温度係数を有している。
For many planned applications, the preferred element of the present invention is a permalloy resistive element, as described above. Since the thin film members 32F and 32G are wrapped in a thin silicon nitride layer, the permalloy element is protected from oxidation by air,
It can also be used as a heater element having a temperature exceeding 0 ° C. The temperature dependence of the resistance of this permalloy element is similar to that of platinum, and both have a resistance temperature coefficient of about 4000 ppm at 0 ° C.

しかしながら、本発明の構造に対しては、白金よりもパ
ーマロイの方が優れている。白金も温度検知用の抵抗素
子として普通に使われ、パーマロイは白金のおおよそ2
倍の抵抗値を有するという利点がある。しかも、薄膜状
でみるならば、パーマロイの抵抗温度係数は800〜1600
オングストロームの厚さで最大となるが、白金は少なく
とも3500オングストロームの厚さになる。
However, permalloy is superior to platinum for the structure of the present invention. Platinum is also commonly used as a resistance element for temperature detection, and permalloy is about 2% that of platinum.
It has the advantage of having double the resistance value. Moreover, if viewed as a thin film, the temperature coefficient of resistance of permalloy is 800-1600
The maximum thickness is angstroms, but platinum is at least 3500 angstroms thick.

パーマロイの抵抗温度係数はおおよそ1600オングストロ
ームの厚さで最大となるが、本発明で800オングストロ
ームを選んだのは、抵抗値が2倍になる点と、抵抗温度
係数も1600オングストロームの値からわずかに小さいに
過ぎないからである。従って、800オングストロームの
厚さのパーマロイ素子を用いることで、白金に要求され
るわずか1/8の表面積で同じ抵抗値を実現できる。すな
わち、パーマロイを使うことでヒータとセンサの熱効率
を増せるとともに、要求される表面積を小さくできるの
で価格も下げられる。本発明においては、開示したよう
に、パーマロイ素子は微小構造の温度変化検出センサ素
子とヒータ素子の両方に用いられる。
The temperature coefficient of resistance of permalloy is maximum at a thickness of approximately 1600 angstroms, but 800 angstroms was selected in the present invention because the resistance value doubles and the temperature coefficient of resistance is also slightly lower than the value of 1600 angstroms. Because it is only small. Therefore, by using a 800 Å thick permalloy element, the same resistance can be achieved with only 1/8 the surface area required for platinum. That is, by using permalloy, the thermal efficiency of the heater and the sensor can be increased, and the required surface area can be reduced, so that the price can be reduced. In the present invention, as disclosed, the permalloy element is used as both a temperature change detection sensor element having a microstructure and a heater element.

さらに、パーマロイからなるヒータとセンサを1μ程度
の厚さの窒化シリコンの絶縁層中に包み込むことで、特
に高い温度で問題となる酸化の現象に対して保護膜を提
供している。窒化シリコンの絶縁層は、シリコン基板か
らパーマロイ素子を熱的に絶縁する機能も有する。そし
て、窒化シリコンは、エッチングに対して高い抵抗性を
有しているので、薄膜部材32F、32Gの寸法を精度よくコ
ントロールすることもできる。さらに、この窒化シリコ
ンの有しているエッチングに対して高い抵抗性の特性か
ら、空気スペース30の深さをエッチングにより25〜250
μといったように深くできる。この空気スペースは、最
も重要である熱伝達因子を決定する。
Furthermore, by enclosing the heater and sensor made of permalloy in an insulating layer of silicon nitride having a thickness of about 1 μm, a protective film is provided against the phenomenon of oxidation, which is a problem particularly at high temperatures. The insulating layer of silicon nitride also has a function of thermally insulating the permalloy element from the silicon substrate. Since silicon nitride has a high resistance to etching, the dimensions of the thin film members 32F and 32G can be controlled accurately. Furthermore, due to the high resistance of silicon nitride to etching, the depth of the air space 30 is set to 25 to 250 by etching.
It can be deep, such as μ. This air space determines the most important heat transfer factor.

以上のように、本発明の望ましい実施例としては、開示
したような微小構造との兼ね合いから、パーマロイで熱
感知センサとヒータを形成する。窒化シリコンの絶縁層
は支持用材料として、また望む構造を形成するために必
要なエッチング時間を実現するための保護的材料として
用いられる。前述したように、薄膜部材をシリコン結晶
面に対して適切に配向させることで、人工的なエッチン
グ停止手段を使うことなく望む構造を形成できるととも
に、最小時間で削り取ることができる。
As described above, in the preferred embodiment of the present invention, the heat detection sensor and the heater are formed of permalloy in consideration of the disclosed microstructure. The insulating layer of silicon nitride is used as a supporting material and as a protective material to achieve the etching time required to form the desired structure. As described above, by appropriately orienting the thin film member with respect to the silicon crystal plane, it is possible to form a desired structure without using an artificial etching stopper, and it is possible to remove the thin film member in a minimum time.

さらに、異方性のエッチングを用いることで25〜250μ
といった深い空気スペースを形成することにより、抵抗
素子を集積化半導体デバイスに普通に配置する方法に比
べて、大きな熱的絶縁が実現されることになる。
Furthermore, by using anisotropic etching, 25-250μ
By forming such a deep air space, greater thermal insulation will be achieved compared to the way resistors elements are commonly placed in integrated semiconductor devices.

本発明の要旨は、実施例に述べてきたものに限定される
ものではない。例えば、熱感知センサ素子やヒータ素子
はパーマロイに限るものではなく、適切なものであれば
何でもよい。他の例としては、酸化亜鉛膜のような焦電
型材料や、薄いフィルム状の熱電対や、半導体材料のサ
ーミスタ膜や、パーマロイ以外の好ましい抵抗温度係数
を持つ金属膜があるであろう。注意しなければいけない
ことは、本文では時々、測定される流れの媒体としては
空気であることを述べてきたが、本発明は他の多くのガ
ス性の物質に対して応用できるものであることを加えて
おく。すなわち、本発明の応用上の目的からして、「空
気」と使われる言葉の意味は、一般的なガス性の物質を
含んでいると定義することにする。
The gist of the present invention is not limited to what has been described in the embodiments. For example, the heat sensing sensor element and the heater element are not limited to permalloy, and any appropriate element may be used. Other examples would be pyroelectric materials such as zinc oxide films, thin film thermocouples, thermistor films of semiconductor materials, and metal films with a preferred temperature coefficient of resistance other than permalloy. It should be noted that while the text has sometimes stated that air is the medium of the measured flow, the present invention is applicable to many other gaseous substances. Add. That is, for the purpose of applying the present invention, the meaning of the term "air" is defined to include a general gaseous substance.

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

第1、1A、2、3図には、本発明の実施例を、第4図に
は、本発明に使う回路例を示す。 20……基板 26、26F、26G……抵抗格子 28、29……絶縁層 30……空気スペース 32、32F、32G……薄膜部材 38……比較抵抗素子 116……集積回路
1, 1A, 2 and 3 show an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an example of a circuit used in the present invention. 20 ... Substrate 26, 26F, 26G ... Resistor grid 28, 29 ... Insulating layer 30 ... Air space 32, 32F, 32G ... Thin film member 38 ... Comparative resistance element 116 ... Integrated circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】全抵抗値を有する薄膜の単一の抵抗素子
と、半導体基板からなる流速センサであって、この単一
の抵抗素子は2つの電圧取り出し口を有し、上記各電圧
取り出し口は全抵抗値の各終端との間で区切られるセン
サ抵抗区間の電圧の測定を可能とならしめ、かつ、上記
センサ抵抗区間を上記センサ抵抗区間を除いた上記抵抗
素子の対向する両側面に配置せしめるとともに、上記半
導体基板は、単一の抵抗素子の殆ど大部分を上記半導体
基板と非接触な状態に保持し、更に、単一の抵抗素子
は、各電圧取り出し口と全抵抗値の各終端との間で区切
られた2つのセンサ抵抗区間が温度検知素子として働
き、これらの温度検知素子部分を除いた中央の抵抗区間
はヒータ素子として働くように用いられることを特徴と
する流速センサ。
1. A flow velocity sensor composed of a thin film single resistance element having a total resistance value and a semiconductor substrate, wherein the single resistance element has two voltage outlets. Is capable of measuring the voltage of the sensor resistance section separated from each end of the total resistance value, and the sensor resistance section is arranged on opposite side surfaces of the resistance element excluding the sensor resistance section. At the same time, the semiconductor substrate holds most of the single resistance element in a non-contact state with the semiconductor substrate, and further, the single resistance element has each voltage output port and each termination of total resistance value. The flow velocity sensor is characterized in that the two sensor resistance sections divided between and act as a temperature detecting element, and the central resistance section excluding these temperature detecting element portions is used as a heater element.
【請求項2】最上表面に形成される空気スペースを有す
る半導体基板と、少なくともその一端がこの半導体基板
に保持された上記空気スペースを横切る1つあるいは複
数の薄膜部材に設けられて成る2つの自己発熱性の抵抗
素子と、この2つの抵抗素子を、一方がヒータとして働
くときは他方がセンサとして働くように交互に自己発熱
モードと温度検出モードに切替え、自己発熱モードにあ
るときの素子を周囲に対して一定温度高くなるように動
作させ、温度検出モードにある素子の方から交互にパル
ス化された温度信号を差を取り出す回路手段とからな
り、上記2つの抵抗素子は、被測定流体の流れの上流と
下流に位置するように近接して平置されてなることを特
徴とする流速センサ。
2. A semiconductor substrate having an air space formed on the uppermost surface thereof, and two self-supports provided on at least one thin film member crossing the air space held by the semiconductor substrate. The heat-generating resistance element and these two resistance elements are alternately switched to the self-heating mode and the temperature detection mode so that when one functions as a heater, the other functions as a sensor. And a circuit means for extracting the difference between the temperature signals alternately pulsed from the element in the temperature detection mode, the two resistance elements being the fluid to be measured. A flow velocity sensor characterized in that the flow velocity sensor is arranged in parallel so as to be located upstream and downstream of the flow.
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