JPH08114474A - 流量計センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い温度範囲に適用でき、高感度で高応等性
をもった流量計センサを歩留り良く安価に提供する。 【構成】 矩形のＳＯＩ基板１上のｎ型シリコン層帯状
部分にボロンイオンを注入してシリコン層の厚さ方向全
部に亘り不純物の入ったシリコン層２を形成し、その中
央部の区間を感温部３とする。感温部３を除いた感温部
３の両側のシリコン層２の上層にタンタル層４をバッフ
ァ層として白金層５を積層して二層構造としてシリコン
と白金とが共晶することを防いで感温部３の導線とし、
その端部に端子部２ａを形成する。更に、端子部２ａを
除いた上部面にＳｉＯ₂の絶縁層６を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流量計センサに関し、
より詳細には、流体の流れを感温抵抗体の抵抗変化とし
て検知する半導体を用いた感温抵抗体の流量計センサに
関し、特に、渦流量計に用いて好適な流量計センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】感温抵抗体を用いた流量計としては、加
熱体の上下流側に各々感温抵抗体を設置し、流体の物性
と、流量に応じた上下流側の感温抵抗体の抵抗値の差か
ら流量を求める熱式流量計が知られている。また、感温
抵抗体を利用した流量計として渦流量計がある。以下、
渦流量計の感温抵抗体について述べる。渦流量計は、周
知のように渦発生体から発生するカルマン渦が所定のレ
イノルズ数の範囲で流量に比例することを利用した推測
形の流量計である。渦流量計は簡易であり、流体の種類
に影響されず、レイノルズ数に依り特性が定められる特
徴を有することから液体、気体の流量計測用に好適であ
り、蒸気流量計等にも多用されている。

【０００３】渦流量計においては、渦を安定して発生さ
せるための渦発生体が基本要素となるものであるが、発
生したカルマン渦を検出する渦流量計センサは渦流量計
の他の基本要素となるものである。このため渦流量計セ
ンサは全流量範囲に亘って高感度で、使用される温度範
囲が広く、化学的に安定で信頼性の高いものが要求され
る。

【０００４】従来、渦流量計センサとしては、渦発生に
伴い発生する渦発生体まわりの圧力変化に応動した力変
化を検出するもの、あるいは渦による流れ変化を感温抵
抗体の抵抗変化または超音波の位相変化として検出する
方法が多く使用されている。

【０００５】感温抵抗体を用いた渦流量計センサは、流
速の２乗に比例した力変化を検出する方式とは異なり、
渦そのものを直接検出するものであるから、所定の仕様
範囲での出力レベルの変化が小さく力変化を検出する方
式と比べ信号処理が簡易であり、しかも安価であるとい
う特徴を有している。感温抵抗体としては従来温度・抵
抗変化の大きいサーミスタが用いられていた。サーミス
タは短冊状のもので、ガラスモールドされた金属ヘッダ
上面に固着され表面にガラスコーティングが施されて金
属ヘッダ内を貫通した導電ピンに両端が接続された構造
をもっている。

【０００６】しかし、サーミスタは、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎ
ｉ，Ｆｅ等の遷移金属酸化物を焼結した焼結体を短冊状
に切断したもので、成分比や焼結条件および寸法等によ
り抵抗が変化するなどの特性のバラツキが大きく、この
結果、製品歩留りが悪く、しかも熱応答性が劣るので高
周波出力が低下する等の問題があった。

【０００７】この問題点を解決するため、本出願人は、
先にシリコン（Ｓｉ）ウエファースにボロン（Ｂ）等の
不純物を拡散した下記の半導体感温センサを提案した。

【０００８】図５は、従来の半導体感温センサのセンサ
チップを説明するための図であり、図５（ａ）は平面
図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線断面図で
ある。図中、２１は温度センサチップ、２２はシリコン
（Ｓｉ）ウエファース、２３は感温部、２４は絶縁層、
２５は電極孔、２６はアルミニウム層電極である。

【０００９】図に示した温度センサチップ２１はｎ型の
シリコン（Ｓｉ）ウエファース２２上の帯状区域に高圧
の加速電圧を加えてボロン（Ｂ）イオンを注入して正抵
抗特性の感温部２３としたもので、感温部２３が形成さ
れた温度センサチップ２１上にはＣＶＤ（Chemical Vap
or Deposition）によるＳｉＯ₂の絶縁体層２４が設けら
れ、感温部２３の両端には電極２６が接続されている。
電極２６は絶縁体層２４上に蒸着され、絶縁体層２４を
貫通した電極孔２５を介して感温部２３と接続されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】シリコンウエファース
上にシリコン層を構成した感温部２３は温度−４０℃〜
＋１００℃の温度範囲では略温度に比例した抵抗特性を
もっているが１３０℃近傍に変曲点を有し、これ以上の
温度では抵抗値が減少するので高温流体の流量計測には
不適であった。また、シリコン層の厚さは、シリコンウ
エファースの厚さに比べて無視される程極めて薄く、感
温部２３の殆どはシリコンで占められている。しかも、
シリコンの放熱係数が大きいので動特性としての感度を
大きくすることができなかった。また、電極は、アルミ
ニウム電極２６であり、外部導線と、ハンダ付け、金ペ
ースト又は銀ペーストにより簡易に接続することができ
ず、超音波溶接等の手段により接続しなければならない
ので高価となる。またアルミニウムの融点（約６６０
℃）は低いので、焼成温度８００℃の金ペースト等が使
用できない。さらにまた、金ペーストがシリコン基板に
付着するとシリコン基板は感温部２３のバイパス路とな
るなどの問題があり、従来の半導体感温センサは前記の
温度・抵抗特性を含めて高温流体の流量計測用としては
不向きであった。

【００１１】本発明は、上述した課題に鑑みなされたも
ので、温度・抵抗特性がより広い温度範囲で直線を保
ち、高感度な動特性をもち使用上においても容易に接続
できる端子をもった流量計センサを提供することを目的
とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）流体の流れ変化による感温抵抗体
の抵抗変化として流量を検知する流量計センサにおい
て、前記感温抵抗体を、絶縁材からなる基台と、該基台
上に形成されたシリコン層に、層の厚さ方向全体に亘っ
て不純物が入った不純物層とした感温抵抗部と、該感温
抵抗部両端の前記不純物層に高融点金属と貴金属とを順
次積層して二層構造とした電極とで構成したこと、更に
は、（２）前記（１）において、前記高融点金属をタン
グステン又はモリブデン又はタンタルとし、前記貴金属
を白金又は金としたこと、更には、（３）前記（１）又
は（２）において、前記感温抵抗体と、絶縁体を貫通し
た導電ピンを有するヘッダと、前記ヘッダ上にマウント
接着された前記感温抵抗体の電極と前記導電ピンとを接
続した導電部材と、該導電部材を前記ヘッダ上に絶縁コ
ーティングした絶縁体とで構成したことを特徴とするも
のである。

【００１３】

【作用】感温抵抗体の基板として放熱係数の小さいイン
シュレータのＳＯＩ（Siliconon Insulator）基板を用
いて、インシュレータ上のシリコン層に層の厚さ方向全
体に亘ってボロン等の不純物の入った半導体抵抗による
微小な感温部を構成する。該感温部の端子を該感温部両
端の不純物の入ったシリコン層に対してタンタル（Ｔ
ａ）をバッファ層として白金（Ｐｔ）層を形成して、シ
リコンと白金とが共晶することを防ぎ高温度に耐えられ
るようにし、端子部に金ペーストを使用できるようにす
る。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）（請求項１に対応） 図１は、本発明による流量計センサの実施例を説明する
ための図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図
１（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線断面図である。以下、本発明に
よる流量計センサを渦流量計に適用した場合について説
明する。図中、１はＳＯＩ基板、２は不純物の入ったシ
リコン層、３は感温部、４はタンタル（Ｔａ）層、５は
白金（Ｐｔ）層、６は二酸化けい素ＳｉＯ₂よりなる絶
縁層、Ｓは感温抵抗体である。なお、図において、不純
物の入ったシリコン層２と、感温部３とを明確に区別す
るため異なる斜線で示しているが、共に不純物の入った
シリコン層である。

【００１５】ＳＯＩ基板１は例えば石英、サファイア等
をインシュレータとして上面に０.５μｍ（マイクロメ
ータ）程度のｎ型のＳｉ層を有する矩形の板状体であ
る。ＳＯＩ基板１上のｎ型シリコン層短辺中央から長辺
方向に延びる帯状部分に対しボロンイオンを注入するこ
とにより不純物の入ったシリコン層２（以降、シリコン
層と記す）が形成される。このときシリコン層２は層の
厚さ方向全体に均一して不純物が入っている。

【００１６】帯状のシリコン層２は感温部３と、該感温
部３と端子２ａとの間の導線部となるものである。感温
部３は、シリコン層２による正抵抗特性をもっており帯
状体の中央部に所定長さ部分を占めている。導線部は感
温部３を除いた感温部３の両端側のシリコン層２に厚さ
約０.０８μｍのタンタル層４をバッファ層としてタン
タル層４の上層に厚さ約０.５μｍの白金層５を形成し
て二層構造としている。

【００１７】タンタル層４は、シリコン層２のシリコン
と白金とを直接接続して、シリコンと白金とが共晶して
共晶温度（８３０℃）となることを防ぐバッファとなる
ものである。タンタルとシリコンとの共晶温度は１３８
５℃であるからタンタル層４を白金層５とシリコン層２
との間に介在させることにより優れた耐熱特性のセンサ
が得られる。

【００１８】感温部３と、シリコン層２、タンタル層
４、白金層５の導線部とが形成されたＳＯＩ基板１上面
は上記導線部と接続した端子部２ａだけを残して二酸化
シリコン（ＳｉＯ₂）の絶縁層６が形成される。端子部
２ａは表面が白金であるから、高温に耐え、且つハンダ
付けも可能であるから低温流体計測用には安価なハンダ
付けにより外部導線と接続できる。

【００１９】以上の構成による流量計センサは、感温部
３が層全体に亘りシリコン層であるから図３に示すよう
に温度・抵抗特性は広い温度範囲に亘ってリニアであ
り、Ｓｉウエファース上に不純物拡散させた従来の半導
体センサのように１３０℃近傍で変曲点を有することが
ない。

【００２０】また、インシュレータが石英の場合は放熱
係数が小さく、シリコンウエファースの（１／１０）程
度なので、高感度となり、しかも微細構造により感温部
３のシリコン層２の厚さを薄く、しかも長さを短かくす
ることができるので熱容量も小さく、応答性が優れた感
温抵抗体とすることができる。例えば図４に示すように
１.６６ＫＨｚ程度の高周波の渦信号も高感度に検出す
ることができる。

【００２１】（実施例２）（請求項２に対応） 実施例１においては、シリコン層２と白金層の間にバッ
ファとしてのタンタル（融点３,０３０℃）層４を構成
してシリコンと白金とが共晶して低い共晶温度となるこ
とを防いだが、バッファ層としては高融点材であればよ
く例えば、タングステン（Ｗ：融点３,４１０℃）又は
モリブデン（Ｍｏ：融点２,６２０℃）でもよく、白金
層５は金等の貴金属でもよい。

【００２２】（実施例３）（請求項３に対応） 図２は、図１に示した感温抵抗体Ｓを取り扱い易いよう
にブロック化した渦流量計用の流量センサの一例を説明
するための図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）
は図２（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線断面図で、図中、７はヘッ
ダ、８は導電ピン、９は導電体膜、１０はコーティング
ガラスであり、図１と同様の作用をする部分には、図１
と同じ参照番号を付している。

【００２３】ヘッダ７は、例えば、異径の鍔部７ａと胴
部７ｂを有するセラミックスの筒状体で、鍔部７ａの直
径上に溝７ｃが設けられている。溝７ｃは図１に示した
感温抵抗体Ｓをヘッダ７の面と等しくなるように矩形の
ＳＯＩ基板１を嵌め込むための溝で、溝７ｃの両端近く
にヘッダ７の軸と平行な２本のピン穴７ｄが穿孔されて
おり、ピン穴７ｄにはニッケル又は白金等の導電ピン８
が挿入されガラス等の高温接着剤で固着されている。

【００２４】溝７ｃの中央部には感温抵抗体Ｓが挿入さ
れ、必要に応じガラス等で固着する。溝７ｃ内に挿入さ
れた感温抵抗体Ｓの白金層からなる端子２ａは導電ピン
８との間を例えば金ペーストのような導電塗料やハンダ
等の導電部材９で接合される。但し、ハンダ付けによる
導電部材９を用いた場合は常温近傍の流体計測用にのみ
適用される。

【００２５】導電部材９は外気に露出しているので高融
点温度のガラス等によりコーティングされ絶縁処理され
る。以上の如く構成された実施例３による流量計センサ
は、渦による流体の流れと感温抵抗体Ｓの面とが同一面
となるように埋設されて使用されるが通常、渦流量計セ
ンサはブリッジ回路の２辺に組込まれて同相成分を打ち
消し位相差信号として渦検出が行われる。

【００２６】図２に示した流量計センサは一つのヘッダ
７に組み込まれているので渦発生体自体、または、渦発
生体と別に設けられたカルマン渦による流体流路内に簡
単に取り付けられ、しかも、感温抵抗体Ｓの素子は半導
体製造技術を用いた微細加工プロセスで高精密に加工さ
れるので特性のバラツキがなく、任意の２個を選んでブ
リッジ回路に組み込まれてもオフセットを生ずるような
ことがないので、歩留りが良く、熱式渦流量計センサの
特徴を生かすことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下の効果がある。 （１）請求項１に対応する効果： （ａ）感温部３は層全体がシリコン層２からなる感温抵
抗体Ｓであるから温度・抵抗特性が広い範囲で直線であ
り変曲点を有しないから高低温の流体の流量を測定する
ことができる。 （ｂ）同様に、感温部３の電極導線は、感温部３のシリ
コン層２にタンタル層４をバッハ層として白金層５と二
層構造としたのでシリコンと白金とによる共晶温度とな
ることがないので高温まで適用でき、しかも白金は後工
程による熱処理プロセスに耐えることができる。 （ｃ）ＳＯＩ基板１の基板は放熱係数が従来の渦流量計
センサに用いられていたシリコンウエハースの放熱係数
の（１／１０）程度であるから高感度のセンサが得ら
れ、しかも、消費電力を小さくすることができる。 （ｄ）感温部３は容積が小さく、熱容量が極めて小さい
ので、応答性が優れ、高い周波数の信号も検出できる。 請求項２に対応する効果：シリコン層に対して高融点金
属をバッファ層として貴金属を形成したのでシリコンと
貴金属とが共晶して融点を低くすることがないのでタン
タル層をバッファ層とした白金層の二層構造の場合と同
様の効果が得られる。 請求項３に対応する効果：微細加工プロセスで作られた
感温抵抗体Ｓをヘッダ７に取り付けて一体のブロックと
したので取り付けが簡単で、抵抗・温度特性の揃った渦
流量計センサが得られるので歩留りが良く安価な渦流量
計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による流量計センサの実施例を説明す
るための図である。

【図２】 図１に示した感温抵抗体Ｓを取り扱い易いよ
うにブロック化した渦流量計センサの一例を説明するた
めの図である。

【図３】 抵抗・温度特性である。

【図４】 高周波温度検出信号例である。

【図５】 従来の半導体感温センサのセンサチップを説
明するための図である。

【符号の説明】

１…ＳＯＩ基板、２…シリコン層、３…感温部、４…タ
ンタル（Ｔａ）層、５…白金（Ｐｔ）層、６…二酸化け
い素ＳｉＯ₂の絶縁層、７…ヘッダ、８…導電ピン、９
…導電体膜、１０…コーティングガラス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三橋 雅彦 神奈川県横浜市金沢区富岡東１−１−17 (72)発明者 松原 直基 東京都新宿区上落合３丁目10番８号 株式 会社オーバル内 (72)発明者 佐藤 秀臣 東京都新宿区上落合３丁目10番８号 株式 会社オーバル内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流れ変化による感温抵抗体の抵抗
   変化として流量を検知する流量計センサにおいて、前記
   感温抵抗体を、絶縁材からなる基台と、該基台上に形成
   されたシリコン層に、層の厚さ方向全体に亘って不純物
   が入った不純物層とした感温抵抗部と、該感温抵抗部両
   端の前記不純物層に高融点金属と貴金属とを順次積層し
   て二層構造とした電極とで構成したことを特徴とする流
   量計センサ。
2. 【請求項２】 前記高融点金属をタングステン又はモリ
   ブデン又はタンタルとし、前記貴金属を白金又は金とし
   たことを特徴とする請求項１に記載の流量計センサ。
3. 【請求項３】 前記感温抵抗体と、絶縁体を貫通した導
   電ピンを有するヘッダと、前記ヘッダ上にマウント接着
   された前記感温抵抗体の電極と前記導電ピンとを接続し
   た導電部材と、該導電部材を前記ヘッダ上に絶縁コーテ
   ィングした絶縁体とで構成したことを特徴とする請求項
   １に記載の流量計センサ。