JPH09243413A

JPH09243413A - 被覆部を有するセンサ

Info

Publication number: JPH09243413A
Application number: JP8050013A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Konda; 徳大根田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】各種センサにおいて、検知素子表面の汚れに
よる寿命低下を改善させる。【解決手段】半導体基板１０上に複数の検知素子１１
を設けたセンサ１において、検知素子１１を被覆部材１
５で被覆し、使用する検知素子の被覆部材を自動的に開
放するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や圧力
を測定する半導体微細加工技術を用いた流量センサや圧
力センサに関する。さらに詳細には、これらセンサの寿
命を伸ばす構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の機器内や管内の流体の流量や圧力
を測定するためのセンサとして、半導体微細加工技術を
用いて大量に生産される流量センサおよび圧力センサな
どが用いられている。

【０００３】図１０に流量検知素子を搭載したマイクロ
チップの構造を示す。図１０Ａはマイクロチップの製造
過程において半導体基板上に発熱体を形成した時点の平
面図であり、図１０Ｂは完成したマイクロチップの図１
０Ａに示したＢ−Ｂ位置での縦断面図である。マイクロ
チップ２は、シリコン基板２０の上に設けた酸化シリコ
ンからなる保護層２１と、この保護層２１上に形成され
た多結晶シリコン層と、この多結晶シリコン層をパター
ニングの後エッチングして形成された流量検知素子とし
て働く発熱体２３と、電極２４と、この電極に電気的に
接触するコンタクトパッド２５とこれらの表面を被う酸
化シリコンからなる保護層２６とから構成され、発熱体
２３の下部には、発熱体からの熱がシリコン基板２０に
逃げることを防ぐための断熱空間２７が設けられてい
る。

【０００４】図１１に一例として示すように、流量セン
サ３は、上記流量検知素子２３を搭載したマイクロチッ
プ２を基板３０上に貼り付け、マイクロチップ２のコン
タクトパッド２５と基板上にプリントなどによって設け
られた金配線３１とをアルミニウム線３２などによって
ボンディングし、金配線３１から導線３３を引き出して
構成されている。

【０００５】このような構成の流量センサ３は、例え
ば、図１２に示すように、管路３４中に流体に発熱体が
触れるように挿入され、流体が奪う熱量を発熱体の抵抗
値の変化として検出し、信号処理部８で処理して管路中
を流れる流体の流量を検出している。

【０００６】図１３に圧力センサ４の構造を示す。図１
３Ａは、圧力センサの断面を示す縦断面図であり、図１
３Ｂは圧力センサの固定の電極パターンを示し、図１３
Ｃは圧力センサの可動電極のパターンを示している。圧
力センサ４は、半導体基板４１とガラス基板４２を貼り
あわせて構成され、半導体基板４１の中央部を両面から
エッチングして可動電極となるダイアフラム４３を形成
し、このダイアフラム部の裏面に絶縁層４４を設けると
ともにダイアフラム部のほぼ中央部に接触スイッチの第
１電極４５を設けている。第１電極４５はガラス基板４
２上に設けた第２電極４７と対向する位置に設けられ、
図１３Ｃに示すようにリード線が接続される電極パッド
５１との間を引出し線５０で接続されている。ガラス基
板４２上には、図１３Ｂに示すようにコンデンサの一方
の電極を構成する固定電極４６と、接触スイッチの第２
電極４７と、ガス導入口４８が設けられている。この半
導体基板４１とガラス基板４２とを接触スイッチの電極
４５，４７が向かい合うように貼りあわせ、内空間４９
を形成している。このような圧力センサ４は、ダイアフ
ラム４３からなる可動電極４５と固定電極４６とでコン
デンサが構成され、内空間と外空間との圧力差の変化を
静電容量の変化として検出している。ここで接触スイッ
チは圧力差が所定値以上となったときに動作する。この
ような構成の圧力スイッチ４は、例えばガス配管路の内
壁に取り付けられてガス管路内の圧力を検出する。

【０００７】このような流量センサや圧力センサなどは
いずれも流体中に設置されるので、永く使用するとセン
サの表面に流体中に飛散あるいは分散している油分や塵
埃等が付着堆積し、検知感度が低下する。すなわち、熱
式流量センサの場合、熱線部分から流体への熱伝達が低
下して、流量検知感度が低下する。また、差圧式流量セ
ンサや振動式流量センサもしくは圧力センサの場合、ダ
イアフラムやカンチレバーの変形が阻害され感度が低下
してしまう。加えて、熱式流量センサでは、熱線部分の
熱容量が小さいので、油分や塵埃などがセンサ表面へ付
着堆積することによる熱容量の増加が、応答速度の低下
を招くこととなる。

【０００８】このようなセンサを油分や塵埃などの付着
堆積が無視できない場所で使用する場合、上述の感度の
変化や応答速度の変化が測定基準範囲に入るよう、定期
的にセンサを交換しなければならない。一般にセンサの
設置個所は、管内や機器内の密閉個所であることが多
く、センサの交換時には流体の流れを止めたり機器の動
作を停止させなければならず、さらに、機器の分解を伴
うことも多く、極めて煩雑である。また、センサ自体
は、強度の強くない微細構造を持つことから、センサ交
換の作業時にはセンサを破壊しないように細心の注意を
払うことが必要であり、センサの交換には熟練が必要と
なることも多い。このように、従来の構造を持つこれら
各種センサの交換には、多くの費用と時間がかかるとい
う問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するもので、各種センサを汚れが生じる環境で使
用する場合、これらセンサ自体を交換せずに汚れが発生
した検出素子を新たな検出素子と置き換えることができ
るセンサの構造を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、一つのセンサに複数個の検出素子を設け
て予備の検出素子を有する構造とし、少なくとも予備の
検出素子の表面を被覆部材で覆う構造とした。

【００１１】また、本発明は、半導体微細加工技術を用
いて大量生産可能な被覆部材とするとともに、人手を介
することなく外部からの操作によって自動的に開けられ
る構成とした。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１を用いて本発明の実施の形態
を説明する。図１は、本発明に係る熱式流量センサの概
念を示す斜視図である。熱式流量センサ１は、シリコン
などの半導体基板１０の上に半導体微細加工技術によっ
て形成された流量検知素子１１を複数個搭載して構成さ
れる。各流量検知素子１１の上は、直接手を触れること
なく外部からの信号などによって自動的に開くことがで
きる被覆部材１５で覆われている。この被覆部材１５
は、使用中および使用後の検知素子１１では開放されて
流体に接触するようにされており（１５−１）、未使用
の検知素子１１では被覆されたままとなって（１５−
２）流体と接触しないようにされている。

【００１３】検知素子１１は、上述のような熱式流量検
知素子以外にも差圧式流量検知素子等であることがで
き、また、圧力検知素子であることもできる。

【００１４】さらに被覆部材１５としては、信号によっ
て自動的に開放する構成のものであって良く、また、信
号によって自動的に開閉する構成のものであっても良
い。このような構成を得るためには、バイモルフ構造を
有する片持ち梁を用い、通電による発熱によって開放さ
せたり開閉させるものとすることができる。また、被覆
部材１５が熱によって溶断する材料を用いてヒータを内
蔵させて構成し、該ヒータを加熱することによって、被
覆部材１５を溶断させて開放する構成とすることができ
る。さらに、被覆部材を誘電体材料で構成し静電力で検
知素子の上から移動させる構成とすることもできる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
図２は、本発明に係る熱式流量センサの一実施例の構成
を示す平面図である。熱式流量センサ１は、シリコンな
どの半導体基板１０上に複数の熱式流量検知素子１１が
複数個設けられている。この場合、半数の検知素子１１
−１は最初に使用される検知素子であり、残りの半数の
検知素子１１−２は当面使用されず後に使用される予備
系検知素子である。各検知素子１１は、図１０に示され
る熱式流量検知素子の構造と同様の構造とすることがで
き、多結晶シリコンからなる熱線１２を有している。半
数の熱式流量検知素子１１−１は金属薄膜からなる配線
１３によって並列に接続され、また他の半数の熱式流量
検知素子１１−２は金属薄膜からなる配線１４によって
並列に接続されて、流体の流れの平均値が得られるよう
に構成され、それぞれ別の流量検知系として働く。これ
らの熱線１２や配線１３，１４は、通常の半導体微細加
工技術の手法を用いて形成することができる。

【００１６】予備系の熱式流量検知素子１１−２の上に
は、例えばポリイミドからなる被覆材１５が通常の薄膜
技術を用いて設けられており、例えば多結晶シリコンか
らなる配線１６の細くくびれて発熱体として働く部分１
７によって支持されるとともに、該発熱体部１７は金属
薄膜からなる配線１８に接続されるように構成されてい
る。この被覆材１５は普通の状態では、検知素子１１−
２の表面を覆っているが、検知素子を更新するときに
は、配線１６−発熱体部１７−配線１８を介して所定の
電流を流すことによって被覆材料の両端をささえる発熱
体部１７が発熱により溶断して被覆材が取り除かれる。
この後、配線１３からの検知信号に代えて配線１４から
の検知信号を用いて流量を演算することによって、油分
や塵埃が付着堆積していない新たな検知素子を働かせる
ことができる。本例では発熱体部１７を細くくびれたパ
ターンで作成したが、幅を変えずにイオン注入量を減ら
すことによっても作成することができる。

【００１７】図３〜６を用いて、被覆手法の他の例を説
明する。この例は熱膨張率の差を利用したバイモルフ
（bimorph）構造を含む被覆材を流量センサに適用した
例を示す。図３および図４は、この例になる流量センサ
の各製造工程における断面構造を示し、図５はこの例に
よる流量センサの全体構造を示す断面図であり、図６は
図５の流量センサの平面図である。まず、厚さ３００μ
ｍのシリコン基板６１の上に酸化シリコン絶縁層６２を
厚さ１μｍに形成する。この上に多結晶シリコン層を１
μｍの厚さに形成した後、発熱体６３を形成する。この
上に酸化シリコン保護膜６４を０．４μｍの厚みに形成
し、さらにこの上に窒化シリコン保護膜６５を０．１μ
ｍの厚さに形成した後、前記窒化シリコン保護膜６５お
よび酸化シリコン保護膜６４に発熱体６３に達する電極
取付穴を穿設する。この後、該電極取付穴部に金電極６
６を形成する（図３Ａ）。

【００１８】次に、窒化シリコン保護膜６５および電極
６６上にＰＳＧ犠牲層６７を２μｍ形成した後、発熱体
６３をはずれた部分に窒化シリコン保護膜６５に達する
バイモルフ構造体の取付穴６８を形成する（図３Ｂ）。

【００１９】次いで、ＰＳＧ犠牲層６７と取付穴６８上
に金を１μｍ製膜した後、電極６６を除いて発熱体６３
の上部を覆う片持ち梁の金薄膜６９を形成する（図３
Ｃ）。この後、片持ち梁の金薄膜６９の上に酸化シリコ
ン薄膜７０を０．３μｍの厚さに形成し（図３Ｄ）、こ
の上に熱線７１となる金を０．２μｍの厚さに成膜し、
エッチングして片持ち梁形式のバイモルフ構造体７２を
形成する（図４Ａ）。

【００２０】この後、ＰＳＧ犠牲層６７を除去してバイ
モルフ構造体７２と発熱体６３との間に微少間隙を形成
する（図４Ｂ）。バイモルフ構造体７２は片持ち梁の形
状で窒化シリコン６５上に形成される。次いで、シリコ
ン基板６１の裏面からエッチングによって熱絶縁空間７
３を形成した後、電極６６およびバイモルフ構造体７２
の熱線７１にそれぞれリード線７４を接続して、流量セ
ンサ素子を完成させる（図４Ｃ）。図４Ｄは、バイモル
フ構造体７２の熱線７１に電圧を印加してバイモルフ構
造体を塑性変形させて、流量センサの表面の被覆を開い
た状態を示している。

【００２１】図５は、上記工程によって得られた流量セ
ンサ素子を複数個設けた流量センサの全体構造を示す断
面図で、右側の２個の流量センサ素子はバイモルフ構造
体７２が開かれて使用後もしくは使用中の使用可能な状
態を示している。また、左側の２個の流量センサ素子は
バイモルフ構造体７２で覆われて保護されている状況を
示している。図６は、図５に示した流量センサの全体構
造を示す平面図である。

【００２２】図７〜９を用いて、被覆方法の他の例を説
明する。この例は静電力を利用した回転機構を含む被覆
材を流量センサに適用した例を示す。図７および図８は
この例になる流量センサの各製造工程における断面構造
を示す。まず、厚さ３００μｍのシリコン基板８１の上
に酸化シリコン絶縁層８２を厚さ１μｍに形成する。こ
の上に多結晶シリコン層を１μｍの厚さに形成した後、
発熱体８３および閉止用電極８４ならびに図９に示す開
放用電極９５〜９８を形成する。さらにこの上に０．４
μｍの厚みの酸化シリコン保護膜８５と、０．１μｍの
厚みの窒化シリコン保護膜８６を形成する（図７Ａ）。

【００２３】次に、厚さ２μｍのＰＳＢ犠牲層８７をこ
の上に積層形成した後、マスクを用いてロータの脚用の
くぼみ８８をわずかなＰＳＧ犠牲層８７の厚みを残して
形成するとともに、窒化シリコン層８６に達する軸受用
開口９０を形成する（図７Ｂ）。

【００２４】次いで、この上に多結晶シリコン層を２μ
ｍの厚みに形成した後、エッチングしてロータ型カバー
８９を形成する。このときロータ型カバーの一端部近傍
には前記開口９０が形成される（図７Ｃ）。

【００２５】この上に再度ＰＳＧ犠牲層を１μｍの厚み
に形成し、マスクを用いてエッチングを施し軸受用筒体
９１を形成する（図７Ｄ）。この軸受用筒体９１は、中
心部の開口が前記窒化シリコン層８６にまで達してい
る。

【００２６】次にこの上に前記開口９０の底から多結晶
シリコン層を形成し、多結晶シリコン製の軸９２を形成
する（図８Ａ）。

【００２７】次いでロータ８９の下部のＰＳＧ犠牲層８
７および軸受用筒体９１のＰＳＧ犠牲膜を除去する。こ
の処理によって、ロータ８９は発熱体８３および閉止用
電極８４の上方に微少間隙をもって浮いた状態とされる
とともにロータ８９の前方下方には脚９３が形成されロ
ータが電極に接するのを阻止している。ロータの一端部
近傍には軸９２を回転中心とする軸受が形成される（図
８Ｂ）。

【００２８】次に、シリコン基板８１の裏面から熱絶縁
空間９４をエッチングによって形成し、流量センサ素子
が形成される（図８Ｃ）。これを、前記実施例と同様に
ガラス基板に貼付けて流量センサが構成される。

【００２９】図９は、本実施例によって得られた流量セ
ンサ素子を上部から見た平面概念図であり、図９（Ａ）
は発熱体８３がカバーで覆われた未使用状態のセンサ素
子を、図９（Ｂ）は発熱体８３からカバーが移動した使
用中または使用後の状態のセンサを示している。

【００３０】図９（Ａ）に示すように、未使用の流量セ
ンサ素子の上部を多結晶シリコン製のロータ型カバー８
９が覆っており、流体から発熱体を保護している。この
とき閉止用電極８４に電位を与えることによって、ロー
タ型カバー８９は、図示の位置に停止している。新しく
このセンサ素子を使用するときには、閉止用電極８４に
印加している電位を取り除き、開放電極９５〜９８に順
次電位を与えることによってロータ型カバー８９は多結
晶シリコン製軸を中心に回転して、図９（Ｂ）に示す位
置まで移動し、発熱体８３は流体に曝されて使用可能な
状態となる。

【００３１】以上のように本発明によれば、複数の検知
素子のうち必要な素子の保護カバーを開放し、未使用の
検知素子を保護カバーで覆っておくことによって、流体
中の油分や塵埃などによって、使用中の検知素子が汚れ
たときに、新たな検知素子を使用することができる。さ
らに、第３の実施例においては、検出が必要なときにの
み保護カバーを開放しその他の時間は検知素子を保護カ
バーで覆っておくようにロータ型保護カバーを移動させ
ることによって、検知素子を使用できる時間を極めて長
くすることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明は、熱式流量セン
サなどのセンサの検知素子を同一の基板上に複数個並べ
て配設し、少なくとも当面使用しない検知素子を被覆材
で覆っておき、必要となった検知素子の被覆材を自動的
に外して順番に使用していくことによって、油分や塵埃
などの付着によって検知素子の検知能力低下による寿命
を、設置した検知素子の個数だけ延ばすことができる。
このことによって、配管中などに設置されたセンサの交
換時期を大幅に延長することができ、センサ交換時に管
内の流れを止めたり機器の動作を停止させたり機器を分
解したりする回数を減らすことができる。

【００３３】さらに、連続した測定を必要としないセン
サの場合、自動開閉可能な被覆手段を採用することによ
って、測定を行っていない間カバーを閉じて検知素子へ
の油分や塵埃などの付着堆積を防止することによって、
一つのセンサの寿命を大きく延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセンサの構成の概要を示す斜視
図。

【図２】本発明に係る流量センサの具体的構成例の概念
を示す概念平面図。

【図３】本発明の第２の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す製造工程図（その１）。

【図４】本発明の第２の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す製造工程図（その２）。

【図５】本発明の第２の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す縦断面図。

【図６】図５のセンサの構成の概要を示す平面図。

【図７】本発明の第３の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す製造工程図（その１）。

【図８】本発明の第３の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す製造工程図（その２）。

【図９】本発明の第３の実施例に係る保護カバーを備え
たセンサの構成の概要を示す平面図。

【図１０】熱式流量検知素子の構成の概要を示す概念
図。

【図１１】従来の流量検知素子を用いた従来の流量セン
サの構成例を示す平面図。

【図１２】流量センサの設置例を示す概念図。

【図１３】圧力センサの圧力検知素子の構成の概要を示
す概念図。

【符号の説明】

１流量センサ２流量検出素子３流量センサ４圧力センサ８信号処理部１０半導体基板１１流量検知素子１２熱線１３，１４，１８配線（金属薄膜）１５被覆部材１６多結晶シリコン配線１７発熱体部２０シリコン基板２１酸化シリコン層（保護層）２２多結晶シリコン層２３熱線２４電極２５コンタクトパッド２６保護層（酸化シリコン層）２７断熱空間３０基板３１金配線３２ボンディングワイヤ３３引出線６１，８１シリコン基板６２，８２酸化シリコン膜６３，８３発熱体６４，８５酸化シリコン保護膜６５，８６窒化シリコン保護膜６６電極６７，８７ＰＳＧ犠牲層６８，９０取付開口６９金薄膜７０酸化シリコン薄膜７１熱線７２バイモルフ構造体７３，９４熱絶縁空間７４リード線８４閉止用電極８８脚用くぼみ８９ロータ型カバー９１軸受用筒体９２軸受９３脚９５，９６，９７，９８開放用電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成された複数の検知素
子を有する半導体センサにおいて、検知素子の表面を自
動的に開放することができる被覆部材で覆ったことを特
徴とするセンサ。
【請求項２】検知素子が流量検知素子である請求項１
記載のセンサ。
【請求項３】検知素子が圧力検知素子である請求項１
記載のセンサ。
【請求項４】被覆部材が熱によって溶断する材料で支
持されて構成される請求項１乃至請求項３のいずれか記
載のセンサ。
【請求項５】被覆部材がバイモルフ構造を持つ片持ち
梁で構成された請求項１乃至請求項３のいずれか記載の
センサ。
【請求項６】被覆部材が静電力で移動される請求項１
乃至請求項３のいずれか記載のセンサ。