JPH0921668A

JPH0921668A - フローセンサ

Info

Publication number: JPH0921668A
Application number: JP7168424A
Authority: JP
Inventors: Yukito Sato; 幸人佐藤; Takayuki Yamaguchi; 隆行山口; Koichi Otaka; 剛一大高; Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高性能なフローセンサを得る。【解決手段】流体の流動方向に直角な第一の発熱部４
２と平行な第二の発熱部４３とを、薄膜支持体２５，２
６と薄膜ヒータ４４，４５と薄膜温度センサ４７，４８
との積層構造により形成し、これらの各々を最適な材料
で形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や流速
を検出するフローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市ガスや水道水などの流体の流
量や流速を検出するセンサとしてフローセンサがあり、
例えば、特開昭60−142268号公報、特公平5-7659号公
報、特開平2-132328号公報などに開示されている。

【０００３】このようなフローセンサ１の第一の従来例
を図１０及び図１１に基づいて以下に説明する。まず、
図１０及び図１１（ｇ）に示すように、単結晶シリコン
からなる一個の基板２に対し、その表面から内部を貫通
して表面に開通するように、空洞３がトンネル状に形成
されているので、この空洞３上に架橋構造の薄膜支持体
４が形成されている。図１０に示すように、前記空洞３
の連通方向は流体（図示せず）の流動方向と平行である
ため、前記薄膜支持体４の連通方向は流体の流動方向と
直角である。

【０００４】この薄膜支持体４には、流体の流動方向と
直角に細長い一個の薄膜ヒータ５と二個の薄膜温度セン
サ６，７とが設けられており、これらの薄膜温度センサ
６，７が前記薄膜ヒータ５に対して流体の流動方向の上
流と下流とに位置している。このため、前記薄膜支持体
４と前記薄膜ヒータ５と前記薄膜温度センサ６とによ
り、流体の流動方向と直角に細長い第一の発熱部８が形
成され、前記薄膜支持体４と前記薄膜ヒータ５と前記薄
膜温度センサ７とにより、流体の流動方向と直角に細長
い第二の発熱部９とが形成されている。これら第一・第
二の発熱部８，９は、一個の前記薄膜ヒータ５を共用
し、前記薄膜温度センサ６，７を各々有するので、発熱
する機能と温度を検出する機能とを各々有している。

【０００５】なお、前記薄膜ヒータ５や前記薄膜温度セ
ンサ６，７の電極パッド１０〜１５は、前記基板２の外
周近傍に形成されており、前記薄膜ヒータ５の電極パッ
ド１０，１１には駆動電源（図示せず）が接続され、前
記薄膜温度センサ６，７の電極パッド１２〜１５には検
出回路（図示せず）が接続されている。

【０００６】さらに、このフローセンサ１の製作方法
を、図１１に基づいて以下に説明する。まず、図１１
（ａ）に示すように、単結晶シリコンからなる一個の正
方形の基板２を用意し、図１１（ｂ)(ｃ）に示すよう
に、その表面に絶縁性薄膜１６と金属薄膜１７とを順次
成膜する。絶縁材薄膜１６は、例えば、ＳiＯ₂やＳi₃Ｎ
₄ やＴa₂Ｏ₅ 等からなり、スパッタリング法やＣＶＤ(C
hemical Vapor Deposition）法により成膜される。金属
薄膜１７は、例えば、Ｐt やＮi 等からなり、スパッタ
リング法や真空蒸着法等により成膜される。

【０００７】つぎに、図１１（ｄ）に示すように、金属
薄膜１７をフォトリソグラフィーとエッチングとにより
薄膜ヒータ５と薄膜温度センサ６，７との形状にパター
ニングし、図１１（ｅ）に示すように、この表面にパッ
シベーションとして絶縁性薄膜１８を成膜する。この絶
縁性薄膜１８は、例えば、ＳiＯ₂やＳi₃Ｎ₄ やＴa₂Ｏ₅
等からなり、スパッタリング法やＣＶＤ法により成膜さ
れる。

【０００８】つぎに、図１１（ｆ）に示すように、絶縁
性薄膜１６，１８をフォトリソグラフィーとエッチング
とにより薄膜支持体４の形状にパターニングし、基板２
を空洞３の開口形状に露出させる。そして、図１１
（ｇ）に示すように、ＫＯＨ溶液による異方性エッチン
グにより薄膜支持体４の裏側に空洞３を形成することに
より、フローセンサ１の製作が完了する。

【０００９】このような構成において、駆動電源の印加
電力により薄膜ヒータ５が発熱駆動され、薄膜温度セン
サ６，７の抵抗値の変化の比率が検出回路により検出さ
れる。

【００１０】この時、流体が流動しないと、薄膜ヒータ
５の発熱は周囲に静止した流体により薄膜温度センサ
６，７に同様に伝播されるため、第一の発熱部８と第二
の発熱部９とに温度差が発生しない。このため、薄膜温
度センサ６，７の抵抗値の比率は変化しないので、検出
回路により検出される流体の流量や流速は“０”とな
る。

【００１１】一方、流体が流動すると、第一の発熱部８
においては、流体が薄膜温度センサ６から薄膜ヒータ５
に向かって流動するので、薄膜ヒータ５により加熱され
ていた薄膜温度センサ６が外部から流入する流体により
冷却される。第二の発熱部９においては、流体が薄膜ヒ
ータ５から薄膜温度センサ７に向かって流動するので、
薄膜温度センサ７は薄膜ヒータ５により加熱された流体
により加熱される。

【００１２】このため、第一の発熱部８と第二の発熱部
９とには、流体の流量や流速に対応した温度差が発生す
るので、この温度差に従って薄膜温度センサ６，７の抵
抗値の比率が変化することになり、検出回路により流体
の流量や流速が検出される。なお、流体の流速が高速の
場合は、下流に位置する第二の薄膜温度センサ７も冷却
されるが、この場合でも第一の薄膜温度センサ６と第二
の薄膜温度センサ７とには流体の流量や流速に対応した
温度差が発生する。

【００１３】しかし、上述のようなフローセンサ１で
は、薄膜ヒータ５の発熱は流体だけでなく薄膜支持体４
によっても薄膜温度センサ６，７に伝播される。このた
め、第一の発熱部８と第二の発熱部９とが近接している
と、薄膜支持体４から薄膜温度センサ６，７に伝播され
る熱量が増大するために流体により発生する温度差が相
対的に減少し、フローセンサ１の感度が低くなる。一
方、第一の発熱部８と第二の発熱部９とが離反している
と、薄膜支持体４から薄膜温度センサ６，７に伝播され
る熱量は低減されるが流体により発生する温度差も減少
するので、フローセンサ１の感度が低くなる。

【００１４】このような課題を解決するため、薄膜温度
センサ６，７と薄膜ヒータ５との間の位置で薄膜支持体
４にスリットを形成し、薄膜支持体により薄膜ヒータ５
から薄膜温度センサ６，７に伝播される熱量を低減する
ことが提案されている。しかし、この場合も第一の発熱
部８と第二の発熱部９とがスリットのために離反するの
で、やはりフローセンサ１の感度が低下する。

【００１５】ここで、上述のような課題を解決したフロ
ーセンサ１９を、第二の従来例として図１２に基づいて
以下に説明する。このフローセンサ１９では、一個の基
板２０に第一の空洞２１と第二の空洞２２とが形成され
ており、細長い第一・第二の発熱部２３，２４が、長手
方向が流体の流動方向に対して直角と平行となるよう第
一・第二の空洞２１，２２上に各々形成されている。前
記第一・第二の発熱部２３，２４は、薄膜支持体２５，
２６上に薄膜ヒータ２７，２８と薄膜温度センサ２９，
３０とを並設した架橋構造からなり、前記薄膜ヒータ２
７，２８や前記薄膜温度センサ２９，３０の電極パッド
３１〜３８が前記基板２０の外周近傍に個々に形成され
ている。

【００１６】このような構造において、この第二の従来
例のフローセンサ１９では、流体の流動により第一の発
熱部２３と第二の発熱部２４とに発生する温度差に基づ
いて流体の流量や流速を検出する。

【００１７】より詳細には、駆動電源の印加電力により
第一の薄膜ヒータ２７と第二の薄膜ヒータ２８とが発熱
駆動され、第一の薄膜温度センサ２９と第二の薄膜温度
センサ３０との抵抗値の変化の比率が検出回路により検
出される。この時、流体が流動しないと、第一の薄膜ヒ
ータ２７と第二の薄膜ヒータ２８との発熱は、周囲に位
置する流体と第一の薄膜温度センサ２９と第二の薄膜温
度センサ３０とに静的に伝播されるだけなので、第一の
薄膜温度センサ２９と第二の薄膜温度センサ３０とに温
度差が発生することがない。このため、第一の薄膜温度
センサ２９と第二の薄膜温度センサ３０との抵抗値の比
率も変化しないので、検出回路により流体の流量や流速
が“０”として検出される。

【００１８】一方、流体が流動すると、第一の発熱部２
３の第一の発熱部２３は、流体の流動方向と直角に細長
いので冷却されやすいが、第二の発熱部２４の第二の発
熱部２４は、流体の流動方向と平行に細長いので冷却さ
れにくい。より詳細には、第二の発熱部２４は、流動し
て冷却に関与する流体が少量であり、上流の部分は流動
する流体に冷却されても、この冷却により加熱された流
体が下流に流動することにより、下流の部分は流動する
流体により冷却されないので、全体的には冷却されにく
い。

【００１９】つまり、第一の発熱部２３と第二の発熱部
２４とには、流体の流量や流速に対応した温度差が発生
するので、この温度差に従って変化する第一の薄膜温度
センサ２９と第二の薄膜温度センサ３０との抵抗値の比
率により、流体の流量や流速が検出される。このフロー
センサ１９では、流体の流量や流速に対応した第一の発
熱部２３と第二の発熱部２４との温度差を、その相対的
な位置や距離とは関係なく、その形状と方向とに起因さ
せて発生させることができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】第二の従来例として上
述したフローセンサ１９では、流体の流動方向に直角な
第一の発熱部２３と平行な第二の発熱部２４との温度差
に基づいて流体の流量や流速を検出することができる。

【００２１】上述したフローセンサ１９では、薄膜配線
からなる薄膜ヒータ２７，２８や薄膜温度センサ２９，
３０を空洞２１，２２上に配置するため、これらの空洞
２１，２２上に薄膜支持体２５，２６を橋架させてい
る。つまり、これらの薄膜支持体２５，２６は第一・第
二の発熱部２３，２４の構造部品であり、センサ動作に
は寄与しておらず、熱容量を有するために第一・第二の
発熱部２３，２４の感度を低下させている。

【００２２】また、上述したフローセンサ１９では、薄
膜ヒータ２７，２８と薄膜温度センサ２９，３０とを同
一材料で形成しているが、これでは各々に最適な機能を
発揮できないので、良好な特性を実現することが困難で
ある。

【００２３】さらに、上述したフローセンサ１９では、
第一・第二の発熱部２３，２４を一個の基板２０上に配
列しているので、この基板２０が大型化している。しか
も、各々二個の薄膜ヒータ２７，２８と薄膜温度センサ
２９，３０との電極パッド３３〜３６を個々に形成して
いるので、その個数が多大で生産性が低下しており、基
板２０の小型化も阻害されている。

【００２４】このように多数の電極パッド３３〜３６に
配線を接続する作業も煩雑であり、このように多数の配
線をフローセンサ１９に接続すると、その配線が流体の
流動を阻害してフローセンサ１９の特性が低下すること
もある。特に、第二の発熱部２４の後方の電極パッド３
４，３８は、流体の流動方向で第二の空洞２２と重複す
る位置に配置されているので、ここに配線を接続すると
第二の空洞２２の流体特性が阻害されて第二の発熱部２
４の特性が低下する可能性が高い。

【００２５】また、上述したフローセンサ１９は、二個
の空洞２１，２２が形成されているが、特に第二の空洞
２２は開通方向が流動方向に直角なので、内部に塵埃が
堆積しやすい。このように空洞２２に塵埃が堆積する
と、その流動特性が変化し、第二の発熱部２４の熱容量
にも影響するので、フローセンサ１９の特性が低下す
る。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、第一の発熱部と第二の発熱部とは共に発熱するが、
第一の発熱部は、その長手方向と略直角に流体が流動す
るので冷却されやすく、第二の発熱部は、その長手方向
と略平行に流体が流動するので冷却されにくく、第一の
発熱部と第二の発熱部とに流体の流量や流速に対応した
温度差が発生する。しかも、第一の発熱部と第二の発熱
部とが、薄膜支持体と薄膜ヒータと薄膜温度センサとの
積層構造により形成されるので、各々に最適な材料を使
用して最良の機能を発揮させることができる。

【００２７】請求項２記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とは共に発熱するが、第一の発熱部は、そ
の長手方向と略直角に流体が流動するので冷却されやす
く、第二の発熱部は、その長手方向と略平行に流体が流
動するので冷却されにくく、第一の発熱部と第二の発熱
部とに流体の流量や流速に対応した温度差が発生する。
しかも、第一の発熱部と第二の発熱部とが、薄膜ヒータ
と薄膜温度センサとの積層構造により形成されるので、
各々に最適な材料を使用して最良の機能を発揮させるこ
とができ、薄膜支持体の熱容量により第一の発熱部と第
二の発熱部との感度が低下することもない。

【００２８】請求項３記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とは共に発熱するが、第一の発熱部は、そ
の長手方向と略直角に流体が流動するので冷却されやす
く、第二の発熱部は、その長手方向と略平行に流体が流
動するので冷却されにくく、第一の発熱部と第二の発熱
部とに流体の流量や流速に対応した温度差が発生する。
しかも、第一の発熱部と第二の発熱部とが、サーミスタ
薄膜ヒータにより形成されるので、薄膜支持体の熱容量
により第一の発熱部と第二の発熱部との感度が低下する
ことがなく、サーミスタ薄膜ヒータのみで薄膜ヒータと
薄膜温度センサとの機能を兼用することができる。

【００２９】請求項４記載の発明では、薄膜温度センサ
がサーモパイルからなるので、薄膜温度センサは温度に
対応した電力を発生する。

【００３０】請求項５記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とが片持梁構造に形成されるので、第一の
発熱部と第二の発熱部とが基板に対して良好に熱絶縁さ
れる。

【００３１】請求項６記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とがダイアフラム構造に形成されるので、
第一の発熱部と第二の発熱部とが強固で空洞に塵埃が堆
積することもない。

【００３２】請求項７記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との一方が基板の表面に形成されると共に
他方が裏面に形成されるので、基板の面積を増加させる
ことなく第一の発熱部と第二の発熱部とが配置される。

【００３３】請求項８記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との電極パッドが流体の流動を阻害しない
位置に配置されるので、電極パッドに接続した配線が第
一の発熱部と第二の発熱部とにおける流体の流動を阻害
しない。

【００３４】請求項９記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との電極パッドが一部共通に形成されるの
で、電極パッドに接続する配線の個数が削減される。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第一の形態を図１
及び図２に基づいて以下に説明する。なお、本発明の実
施の第一の形態に関し、第二の従来例と同一の部分は、
同一の名称と符号とを利用して詳細な説明は省略する。

【００３６】まず、ここで例示するフローセンサ４１で
は、図１に示すように、一個の基板２０の第一・第二の
空洞２１，２２上に、流体の流動方向に直角と平行とに
第一・第二の発熱部４２，４３が架橋構造に形成されて
いるが、図２に示すように、これら第一・第二の発熱部
４２，４３は、薄膜支持体２５，２６と薄膜ヒータ４
４，４５と絶縁性薄膜４６と薄膜温度センサ４７，４８
とパッシベーション膜４９との積層構造からなる。ま
た、図１に示すように、薄膜ヒータ４４，４５は一方の
電極パッド５０が共通化されており、前記薄膜温度セン
サ４７，４８も一端の電極パッド５１が共通化されてい
る。

【００３７】これらの電極パッド３２，３４，３５，３
８，５０，５１は、流体の流動方向で第一・第二の空洞
２１，２２に重複しない位置に形成されているので、こ
れは前記第一・第二の発熱部４２，４３の周囲の流体の
流動を阻害しない位置に配置されている。

【００３８】ここで、上述したフローセンサ４１の製作
方法の一具体例を簡略に説明する。まず、単結晶シリコ
ンからなる 3.0(mm)×3.0(mm）×500(μm)の基板２０の
表面に、膜厚1.2(μm)のＳiＯ₂薄膜が、前記薄膜支持体
２５，２６となる絶縁性薄膜としてスパッタリング法に
より成膜される。この表面に膜厚3000(Å)のＴa₂Ｎ薄膜
が直流スパッタリング法により成膜され、これがパター
ニングされて前記薄膜ヒータ４４，４５が形成される。
この上に膜厚5000(Å)のＳｉＯ₂ 薄膜が前記絶縁性薄膜
４６として高周波スパッタリング法により成膜され、こ
の表面に膜厚2000(Å)のＳｉＣ薄膜が高周波スパッタリ
ング法により成膜される。これがパターニングされて前
記薄膜温度センサ４７，４８が形成されるので、この上
に膜厚1.0(μm)のＳｉＯ₂ 薄膜が前記パッシベーション
膜４９として高周波スパッタリング法により成膜され
る。

【００３９】そして、これらの薄膜が第一の発熱部４２
と第二の発熱部２４との形状にパターニングされ、ＫＯ
Ｈ溶液による異方性エッチングにより第一の空洞２１と
第二の空洞２２とが深さ250(μm)に形成される。する
と、これら第一・第二の空洞２１，２２上には、絶縁性
薄膜からなる前記薄膜支持体２５，２６より上方の薄膜
が残存するので、ここに前記第一・第二発熱部４２，４
３が架橋構造に形成される。

【００４０】なお、上述した製作方法の一具体例では、
薄膜支持体２５，２６の材料としてＳｉＯ₂ を例示した
が、これは絶縁性と機械強度とを満足する各種材料が利
用できるので、例えば、Ｔa₂Ｏ₅ ，Ｓi₃Ｎ₄ などが利用
できる。同様に、薄膜ヒータ４４，４５の材料としてＴ
a₂Ｎを例示したが、これも発熱温度や消費電力や耐久性
などを満足する各種材料が利用できるので、例えば、Ｔ
ａＳｉＯ₂ ，ＮｉＣｒなどが利用できる。薄膜温度セン
サ４７，４８の材料としては半導体サーミスタの一材料
であるＳｉＣを例示したが、これも抵抗温度係数や耐久
性を満足する各種材料が利用できるので、例えば、Ｐ
ｔ，Ｇｅ，ＭｎＯ，Ｆe₂Ｏ₃ 等の金属酸化物などが利用
できる。さらに、各種薄膜の作成方法も上述したスパッ
タリング法に限定されず、材料の特性などを考慮して、
真空蒸着法やＣＶＤ法などが利用できる。

【００４１】このような構成において、駆動電源（図示
せず）の印加電力により第一・第二の発熱部４２，４３
の薄膜ヒータ４４，４５が発熱駆動され、第一・第二の
発熱部４２，４３の薄膜温度センサ４７，４８の抵抗値
の変化の比率が検出回路（図示せず）により検出され
る。

【００４２】この時、流体が流動しないと、第一・第二
の薄膜ヒータ４４，４５の発熱は、周囲に位置する流体
と第一・第二の薄膜温度センサ４７，４８に静的に伝播
されるだけなので温度差が発生することがない。このた
め、第一・第二の薄膜温度センサ４７，４８の抵抗値の
比率も変化しないので、検出回路により流体の流量や流
速が“０”として検出される。

【００４３】一方、流体が流動すると、第一の発熱部４
２は、流体の流動方向と直角に細長いので冷却されやす
いが、第二の発熱部４３は、流体の流動方向と平行に細
長いので冷却されにくい。より詳細には、第二の発熱部
４３は、流動して冷却に関与する流体が少量であり、上
流の部分は流動する流体に冷却されても、この冷却によ
り加熱された流体が下流に流動することにより、下流の
部分は流動する流体により冷却されないので、全体的に
は冷却されにくい。

【００４４】つまり、第一の発熱部４２と第二の発熱部
４３とには、流体の流量や流速に対応した温度差が発生
するので、この温度差に従って変化する第一・第二の薄
膜温度センサ４７，４８の抵抗値の比率により、流体の
流量や流速が検出される。

【００４５】そして、本発明の実施の第一の形態のフロ
ーセンサ４１では、流体の流量や流速に対応した第一の
発熱部４２と第二の発熱部４３との温度差を、その相対
的な位置や距離とは関係なく、その形状と方向とに起因
させて発生させている。このため、第一の発熱部４２と
第二の発熱部４３とが充分に離反して基板２０などを伝
播する熱量の影響が排除されており、フローセンサ４１
は感度が良好である。しかも、第一の発熱部４２と第二
の発熱部４３とは、基板２０に連結される両端部が幅狭
なので、第一の発熱部４２と第二の発熱部４３とから基
板２０に伝播される熱量が低減されており、さらに感度
が改善されている。

【００４６】しかも、このフローセンサ４１では、第二
の発熱部４３が第一の発熱部４２の下流に位置するの
で、この第一の発熱部４２の発熱が流動する流体により
第二の発熱部４３に伝播される。このため、流体の流量
や流速に対応した第一の発熱部４２と第二の発熱部４３
との温度差が、より良好に発生することになり、さらに
フローセンサ４１は感度が良好である。

【００４７】なお、流体の温度によるフローセンサ４１
の温度差変動が問題となる場合には、流体の温度を検出
する専用の薄膜温度センサ（図示せず）を基板２０上に
設けておき、この薄膜温度センサの検出温度より一定温
度だけ薄膜ヒータ４４，４５の発熱温度を高めることが
望ましい。

【００４８】また、上述したフローセンサ４１では、第
一の発熱部４２の長手方向が流体の流動方向に直交し、
第二の発熱部４３の長手方向が流体の流動方向と平行で
あることを例示したが、本発明は上記方式に限定される
ものではなく、これらの方向は実用範囲で傾斜しても良
い。

【００４９】そして、上述したフローセンサ４１は、第
一・第二の発熱部４２，４３が薄膜支持体２５，２６と
薄膜ヒータ４４，４５と薄膜温度センサ４７，４８との
積層構造からなるので、薄膜支持体２５，２６を流体の
流動により破壊されない充分な強度の材料により製作す
ることができ、薄膜ヒータ４４，４５を発熱温度が安定
した抵抗温度係数が小さい材料により作成することがで
き、薄膜温度センサ４７，４８を測温感度が良好な抵抗
温度係数が大きい材料により作成することができる。つ
まり、第一・第二の発熱部４２，４３の各部を最適な材
料で作成することができるので、フローセンサ４１は、
測温感度、応答速度、機械強度、などが良好である。

【００５０】しかも、上述したフローセンサ４１では、
第一・第二の発熱部４２，４３が一部の電極パッド５
０，５１を共用するので、電極パッド３２…の総数が削
減されており、生産性が向上すると共に小型化も可能と
なっている。この場合、電極パッド３２…に配線を接続
する作業も軽減され、この配線により流体の流動が阻害
されてフローセンサ４１の特性が低下することも防止さ
れている。特に、全部の電極パッド３２…が、流体の流
動方向で第一・第二の空洞２１，２２と重複しない位置
に配置されているので、配線により第一・第二の空洞２
１，２２の流体特性が阻害されてフローセンサ４１の特
性が低下することが防止されている。

【００５１】なお、上述したフローセンサ４１では、電
極パッド３２…を基板２０の表面に形成することを想定
したが、本発明は上記方式に限定されるものではなく、
図３に示すように、基板２０にＶ溝５２を形成し、ここ
に電極パッド３２…を形成することも可能である。この
場合、配線５３をＶ溝５２の内部で電極パッド３２…に
接続することができるので、外乱により配線５３が電極
パッド３２から脱落することを防止することができ、配
線５３と電極パッド３２との接続部分が流体の流動を阻
害することも防止できる。

【００５２】さらに、上述したフローセンサ４１では、
薄膜温度センサ４７，４８を抵抗が温度に対応して変化
するＳｉＣ等で形成し、ここに電圧を印加して抵抗変化
を測定することを例示した。しかし、本発明は上記方式
に限定されるものではなく、例えば、薄膜温度センサ４
７，４８を加熱により発電するサーモパイルで形成し、
その起電力を測定することも可能である。この場合、検
出回路は薄膜温度センサ４７，４８に電力を供給する必
要がなく、薄膜温度センサ４７，４８の出力を直接に読
み取ることができる。さらに、ブリッジ回路を組み上げ
て０点調整を行なう必要もないので、生産性も良好で信
頼性も向上する。

【００５３】また、上述したフローセンサ４１では、第
一・第二の空洞２１，２２上に位置する第一・第二の発
熱部４２，４３を架橋構造に形成したが、本発明は上記
方式に限定されるものでもなく、図４に示すように、フ
ローセンサ５４の第一・第二の発熱部５５，５６を片持
梁構造に形成することや、図５に示すように、フローセ
ンサ５７の第一・第二の発熱部５８，５９をダイアフラ
ム構造に形成することも可能である。

【００５４】片持梁構造の第一・第二の発熱部５５，５
６は、架橋構造より基板２０に連続する部分が少ないの
で、熱絶縁性を改善してフローセンサ６１の感度を向上
させることができ、第一・第二の発熱部５５，５６の消
費電力を低減することもできる。ダイアフラム構造の第
一・第二の発熱部５８，５９は、架橋構造より機械強度
が良好なので、過酷な条件での使用に対応することがで
き、塵埃が凹部からなる空洞６０に堆積することによる
特性変化も発生しない。

【００５５】なお、上述のように第一・第二の発熱部４
２…は、架橋構造、片持梁構造、ダイアフラム構造、に
形成することができるが、片持梁構造は熱絶縁性が向上
するが機械強度は低下し、ダイアフラム構造は機械強度
が向上するが熱絶縁性は低下し、架橋構造は熱絶縁性も
機械強度も中間的である。つまり、上述のような構造
は、何れも一長一短であり、使用する環境の条件や装置
に必要な性能などに対応して選択されるものである。

【００５６】つぎに、本発明の実施の第二の形態を図６
及び図７に基づいて以下に説明する。（なお、ここで例
示するフローセンサ６１に関し、前述したフローセンサ
４１と同一の部分は、同一の名称と符号とを利用して詳
細な説明は省略する。）まず、このフローセンサ６１は、図６に示すように、一
個の基板２０の第一・第二の空洞２１，２２上に、流体
の流動方向に直角と平行とに第一・第二の発熱部６２，
６３が架橋構造に形成されているが、図７に示すよう
に、これら第一・第二の発熱部６２，６３は、薄膜ヒー
タ６４，６５と絶縁性薄膜４６と薄膜温度センサ６６，
６７とパッシベーション膜４９との積層構造からなり、
薄膜支持体を有しない。なお、図６に示すように、前記
薄膜ヒータ６４，６５は、長方形に形成されているが、
これに連続する配線部分６８は細長いので、ここには金
属薄膜が積層されている。

【００５７】このフローセンサ６１を製作する場合は、
基板２０の表面にＴa₂Ｎ薄膜により前記薄膜ヒータ６
４，６５が形成され、以下は前述したフローセンサ４１
と同様に、各薄膜が形成されて第一・第二の空洞２１，
２２が形成され、薄膜支持体を有しない前記第一・第二
の発熱部６２，６３が架橋構造に形成される。

【００５８】このような構成において、本発明の実施の
第二の形態のフローセンサ６１も、前述したフローセン
サ４１と同様に、流体の流量や流速に対応した第一の発
熱部６２と第二の発熱部６３との温度差を形状と方向と
に起因させて発生させるので、基板２０などを伝播する
熱量の影響が排除されて感度が良好である。

【００５９】しかも、このフローセンサ６１では、第一
・第二の発熱部６２，６３が薄膜ヒータ６４，６５と薄
膜温度センサ６６，６７との積層構造からなり、薄膜支
持体を有しないので、第一・第二の発熱部６２，６３の
熱容量が低減されて感度が向上している。さらに、第一
・第二の発熱部６２，６３の各部を最適な材料で作成す
ることができるので、フローセンサ６１は、測温感度、
応答速度、機械強度、などが良好である。

【００６０】つぎに、本発明の実施の第三の形態を図８
に基づいて以下に説明する。（なお、ここで例示するフ
ローセンサ７１に関し、上述したフローセンサ６１と同
一の部分は、同一の名称と符号とを利用して詳細な説明
は省略する。）まず、このフローセンサ７１は、一個の基板２０の第一
・第二の空洞２１，２２上に、流体の流動方向に直角と
平行とに第一・第二の発熱部７２，７３が架橋構造に形
成されているが、これら第一・第二の発熱部７２，７３
は、サーミスタ薄膜ヒータ７４，７５とパッシベーショ
ン膜４９との積層構造からなり、薄膜支持体や薄膜温度
センサを有しないので、前記サーミスタ薄膜ヒータ７
４，７５が薄膜温度センサを兼用している。

【００６１】このフローセンサ７１を製作する場合は、
基板２０の表面にＳｉＣ薄膜により前記サーミスタ薄膜
ヒータ７４，７５が形成され、以下は前述したフローセ
ンサ４１と同様に、各薄膜が形成されて第一・第二の空
洞２１，２２が形成され、薄膜支持体を有しない前記第
一・第二の発熱部７２，７３が架橋構造に形成される。
なお、前記サーミスタ薄膜ヒータ７４，７５としては、
発熱と測温と強度とを実現する各種材料が利用できるの
で、例えば、多結晶ＳｉやアモルファスＳｉ(Ｈ)なども
利用できる。

【００６２】このような構成において、本発明の実施の
第三の形態のフローセンサ７１も、前述したフローセン
サ４１と同様に、流体の流量や流速に対応した第一の発
熱部６２と第二の発熱部６３との温度差を形状と方向と
に起因させて発生させるので、基板２０などを伝播する
熱量の影響が排除されて感度が良好である。

【００６３】しかも、このフローセンサ７１では、第一
・第二の発熱部７２，７３がサーミスタ薄膜ヒータ７
４，７５からなり、薄膜支持体を有しないので熱容量が
低減されて感度が向上している。さらに、第一・第二の
発熱部７２，７３は、サーミスタ薄膜ヒータ７４，７５
のみで発熱と測温とを実現しているので、その構造が単
純で生産性が良好である。

【００６４】そして、第一・第二の発熱部７２，７３の
電極パッド３２，３４，５０が三個だけと少ないので、
ここに配線を接続する作業も容易であり、この配線によ
り流体の流動が阻害されてフローセンサ７１の特性が低
下することも良好に防止されている。

【００６５】つぎに、本発明の実施の第四の形態を図９
に基づいて以下に説明する。（なお、ここで例示するフ
ローセンサ８１に関し、前述したフローセンサ４１と同
一の部分は、同一の名称と符号とを利用して詳細な説明
は省略する。）まず、ここで例示するフローセンサ８１では、正方形で
小型の基板８２に形成された一つの空洞８３が表面と裏
面とに開口しており、流体の流動方向と直角に細長い架
橋構造の第一の薄膜支持体８４が、基板８２の表面に対
角線状に形成され、流体の流動方向と平行に細長い架橋
構造の第二の薄膜支持体８５が、基板８２の裏面に対角
線状に形成されている。

【００６６】そして、前記第一・第二の薄膜支持体８
４，８５には、第一・第二の薄膜ヒータ８６，８７とが
各々形成されており、これら第一・第二の薄膜ヒータ８
６，８７は薄膜温度センサを兼用している。このため、
前記第一の薄膜支持体８４と前記第一の薄膜ヒータ８６
とにより、流体の流動方向と直角に細長い第一の発熱部
８８が形成され、前記第二の薄膜支持体８５と前記第二
の薄膜ヒータ８７とにより、流体の流動方向と平行に細
長い第二の発熱部８９が形成されている。

【００６７】なお、前記第一・第二の発熱部８８，８９
の電極パッド９０〜９３は、前記基板８２の表面と裏面
とに各々形成されているが、その位置は流体の流動を阻
害しない前記基板８２の両側の角部に配置されている。

【００６８】また、上述のようなフローセンサ８１を製
作する場合には、前記基板８２の表面と裏面との両方か
らパターニングを行なう必要があるが、これは両面露光
機（図示せず）により簡易に実現される。また、前記第
一・第二の薄膜ヒータ８６，８７は、Ｐｔやサーミスタ
などにより形成される。

【００６９】このような構成において、流体が流動する
と、第一の発熱部８８は、流体の流動方向と直角に細長
いので冷却されやすいが、第二の発熱部８９は、流体の
流動方向と平行に細長いので冷却されにくく、この温度
差に従って変化する第一・第二の薄膜ヒータ８６，８７
との抵抗値の比率により、流体の流量や流速が検出され
る。さらに、上述したフローセンサ８１では、第一の発
熱部８８と第二の発熱部８９との薄膜支持体８４，８５
が立体的に交差しており、その裏側に位置する空洞８３
が一体に形成されているので、全体が小型軽量化されて
いる。

【００７０】なお、上述したフローセンサ８１では、基
板８２と一体に形成した薄膜支持体８４，８５に薄膜ヒ
ータ８６，８７を設けることにより第一・第二の発熱部
８８，８９を形成することを例示したが、本発明は上記
方式に限定されるものではない。例えば、細長いサーミ
スタ薄膜ヒータのみで第一・第二の発熱部を設けること
や、細長い薄膜ヒータに薄膜温度センサを積層して第一
・第二の発熱部を設けることや、薄膜支持体に薄膜ヒー
タと温度センサとを設けて第一・第二の発熱部を形成す
ることや、薄膜支持体に温度センサを設けて別体の薄膜
ヒータを近接配置することにより第一・第二の発熱部を
形成することも可能である。

【００７１】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、流体の流動方
向に略直角な第一の発熱部と略平行な第二の発熱部とを
薄膜支持体と薄膜ヒータと薄膜温度センサとの積層構造
により形成したことにより、薄膜支持体と薄膜ヒータと
薄膜温度センサとの各々を最適な材料で形成して第一の
発熱部と第二の発熱部とを良好な特性に製作することが
できるので、高性能なフローセンサを得ることができ
る。

【００７２】請求項２記載の発明では、流体の流動方向
に略直角な第一の発熱部と略平行な第二の発熱部とを薄
膜ヒータと薄膜温度センサとの積層構造により形成した
ことにより、この薄膜ヒータと薄膜温度センサとの積層
構造からなる第一・第二の発熱部は、薄膜ヒータと薄膜
温度センサとの各々の機能を効果的に利用することがで
き、別体の薄膜支持体を有しないので熱容量が低減され
て感度が良好である。

【００７３】請求項３記載の発明では、流体の流動方向
に略直角な第一の発熱部と略平行な第二の発熱部とをサ
ーミスタ薄膜ヒータにより形成したことにより、このサ
ーミスタ薄膜ヒータからなる第一・第二の発熱部は、薄
膜温度センサを兼用することができるので、構造が簡略
化されて生産性が良好であり、別体の薄膜支持体を有し
ないので熱容量が低減されて感度が良好である。

【００７４】請求項４記載の発明では、薄膜温度センサ
がサーモパイルからなることにより、その起電力から温
度を直接に読み取ることができるので、温度を検出する
回路を簡略化することができる。

【００７５】請求項５記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とを片持梁構造に形成したことにより、第
一・第二の発熱部を基板から良好に熱絶縁することがで
きるので、第一・第二の発熱部の感度を向上させると共
に消費電力を低減することができる。

【００７６】請求項６記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部とをダイアフラム構造に形成したことによ
り、第一・第二の発熱部の機械強度を改善して耐久性を
向上させることができ、空洞に塵埃が堆積することによ
る特性変化も解消することができる。

【００７７】請求項７記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との一方を基板の表面に形成すると共に他
方を裏面に形成したことにより、基板の面積を増加させ
ることなく第一の第一・第二の発熱部と第二の第一・第
二の発熱部とが配置されるので、フローセンサを小型軽
量化することができる。

【００７８】請求項８記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との電極パッドを流体の流動を阻害しない
位置に配置したことにより、電極パッドに接続した配線
が流体の流動を阻害して特性が低下することを防止でき
る。

【００７９】請求項９記載の発明では、第一の発熱部と
第二の発熱部との電極パッドを一部共通に形成したこと
により、電極パッドと配線との個数を削減できるので、
生産性を向上させることができ、小型軽量化も実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第一の形態のフローセンサを示
す平面図である。

【図２】第一・第二の発熱部を示す縦断面図である。

【図３】電極パッドと配線との接続部部の変形例を示す
縦断面図である。

【図４】フローセンサの一変形例を示す平面図である。

【図５】フローセンサの他変形例を示す平面図である。

【図６】本発明の実施の第二の形態のフローセンサを示
す平面図である。

【図７】第一・第二の発熱部を示す縦断面図である。

【図８】本発明の実施の第三の形態のフローセンサを示
す平面図である。

【図９】本発明の実施の第四の形態のフローセンサを示
す平面図である。

【図１０】第一の従来例のフローセンサを示す平面図で
ある。

【図１１】フローセンサの製作工程を示す工程図であ
る。

【図１２】第二の従来例のフローセンサを示す平面図で
ある。

【符号の説明】

２０，８２基板２１第一の空洞２２第二の空洞２５，２６，８４，８５薄膜支持体３２，３４，３５，３８，５０，５１，９０〜９３
電極パッド４１，５４，５７，６１，７１，８１フローセンサ４２，５５，５８，６２，７２，８８第一の発熱部４３，５６，５９，６３，７３，８９第二の発熱部４４，４５，６４，６５，８６，８７薄膜ヒータ４７，４８，６６，６７薄膜温度センサ７４，７５サーミスタ薄膜ヒータ８３空洞

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村光照宮城県宮城郡七ケ浜町汐見台三丁目二番地ノ五六

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一個の基板に第一の空洞と第二の空洞と
を形成し、細長い第一の発熱部を長手方向が流体の流動
方向と略直角となるよう第一の空洞上に形成し、細長い
第二の発熱部を長手方向が流体の流動方向と略直角とな
るよう第二の空洞上に形成し、流体の流動により前記第
一の発熱部と前記第二の発熱部とに発生する温度差に基
づいて流体の流量や流速を検出するフローセンサにおい
て、前記第一の発熱部と前記第二の発熱部とを薄膜支持
体と薄膜ヒータと薄膜温度センサとの積層構造により形
成したことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】一個の基板に第一の空洞と第二の空洞と
を形成し、細長い第一の発熱部を長手方向が流体の流動
方向と略直角となるよう第一の空洞上に形成し、細長い
第二の発熱部を長手方向が流体の流動方向と略直角とな
るよう第二の空洞上に形成し、流体の流動により前記第
一の発熱部と前記第二の発熱部とに発生する温度差に基
づいて流体の流量や流速を検出するフローセンサにおい
て、前記第一の発熱部と前記第二の発熱部とを薄膜ヒー
タと薄膜温度センサとの積層構造により形成したことを
特徴とするフローセンサ。
【請求項３】一個の基板に第一の空洞と第二の空洞と
を形成し、細長い第一の発熱部を長手方向が流体の流動
方向と略直角となるよう第一の空洞上に形成し、細長い
第二の発熱部を長手方向が流体の流動方向と略直角とな
るよう第二の空洞上に形成し、流体の流動により前記第
一の発熱部と前記第二の発熱部とに発生する温度差に基
づいて流体の流量や流速を検出するフローセンサにおい
て、前記第一の発熱部と前記第二の発熱部とをサーミス
タ薄膜ヒータにより形成したことを特徴とするフローセ
ンサ。
【請求項４】薄膜温度センサがサーモパイルからなる
ことを特徴とする請求項１又は２記載のフローセンサ。
【請求項５】第一の発熱部と第二の発熱部とを片持梁
構造に形成したことを特徴とする請求項１，２又は３記
載のフローセンサ。
【請求項６】第一の発熱部と第二の発熱部とをダイア
フラム構造に形成したことを特徴とする請求項１，２又
は３記載のフローセンサ。
【請求項７】第一の発熱部と第二の発熱部との一方を
基板の表面に形成すると共に他方を裏面に形成したこと
を特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のフ
ローセンサ。
【請求項８】第一の発熱部と第二の発熱部との電極パ
ッドを流体の流動を阻害しない位置に配置したことを特
徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記載のフ
ローセンサ。
【請求項９】第一の発熱部と第二の発熱部との電極パ
ッドを一部共通に形成したことを特徴とする請求項１，
２，３，４，５，６，７又は８記載のフローセンサ。