JPH10197550A

JPH10197550A - マイクロフローセンサ素子

Info

Publication number: JPH10197550A
Application number: JP8358936A
Authority: JP
Inventors: Koji Tominaga; 浩二富永; Hideji Takada; 秀次高田; Koichi Matsumoto; 浩一松本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1996-12-28
Filing date: 1996-12-28
Publication date: 1998-07-31
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: JP3524707B2

Abstract

(57)【要約】【課題】気流の方向に関係なく高感度で高速応答が得
られるマイクロフローセンサ素子を提供する。【解決手段】強誘電体薄膜１の上下両面に上部電極２
と下部電極３を設けてなる焦電検出部４を基板５上に設
け、その上部電極２の上に、絶縁体薄膜６を介して所定
周期で温度が変調されるヒータ部７設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体の流れを検出
するためのマイクロフローセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロフローセンサチップ（図
９（Ａ），（Ｂ）参照）では、センサチップａの中央に
配置されたヒータ部ｂが測定対象となる流体の温度より
一定の温度だけ高くなるように電気回路（図示省略）に
よって加熱されるようになっており、気流のない時には
ヒータ部ｂの両側に対称に配置された温度センサｃ，ｄ
の温度は相等しい。なお、同図中、破線の円弧は等温線
を示す。

【０００３】しかし、気流を受けた場合には温度分布の
対称性が崩れて両側の温度センサｃ，ｄ間に温度差が生
じ、風上側の温度センサｃは風下側の温度センサｄより
温度が低くなる。これが抵抗値変化となり、それを電気
信号に変換して検出出力を得られるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来のマ
イクロフローセンサ素子では、気流を受けた時の温度分
布の変化により出力を得ているため、気流の方向の相違
によって検出出力がばらつくという難点があった。従っ
て、気流はきわめて層流に近い状態で一定の方向に向け
て素子上を流過させなければならなかった。

【０００５】しかるに、例えば閉空間内での測定では、
気流の方向がさまざまに変化することが多く、また、乱
流が発生することもあり、上述した従来のマイクロフロ
ーセンサ素子では精度の高い測定値を安定して得るのは
困難であった。

【０００６】本発明はこのような実情に鑑みてなされ、
気流の方向に関係なく高感度で高速応答が得られるマイ
クロフローセンサ素子を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するための手段を以下のように構成している。すなわ
ち、請求項１に記載の発明では、強誘電体薄膜の上下両
面に上部電極と下部電極を設けてなる焦電検出部を基板
上に設けると共に、所定周期で温度が変調されるヒータ
部を、絶縁体薄膜を介して前記上部電極の上に設けてな
ることを特徴としている。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の前記焦電検出部またはその周囲にガス流通用の通孔
を設けてなることを特徴としている。

【０００９】ヒータ部に周期的に電流を流すことによっ
て、そのときに上昇する温度の変化量に応じて焦電検出
部で焦電流を検出することができ、マイクロフローセン
サ素子の周りにガスの流れがあるときにはそのガスの流
れによってヒータ部の温度の上昇が抑制されるため、検
出出力は小さくなる。この出力差によって気体の流量を
検出することができる。

【００１０】上述の焦電検出部はヒータ部の直下に設け
られているため、ヒータ部の表面で僅かなりと言えども
気体の動きがあればその方向の如何を問わず、直ちに高
感度で応答性よく検出することができる。

【００１１】また、焦電検出部またはその周囲にガス流
通用の通孔を設けることにより、その焦電検出部に対し
て面直方向に流過する気体の流れをも検出することがで
きる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明のマイクロフローセ
ンサ素子の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１はマイクロフローセンサ素子の模式的な断面図で、
符号１は強誘電体（焦電体）薄膜、２はその強誘電体薄
膜１の上面に設けられた上部電極、３はその強誘電体薄
膜１の下面に設けられた下部電極であり、これらで焦電
検出部４を形成し、その焦電検出部４が基板５上に設け
られており、その上部電極２の上面には、絶縁体薄膜６
を介して、ヒータ部７が設けられ、その温度が所定の周
期で変調されるようになっている。

【００１３】このような構成により、ヒータ部７の温度
の変化量に応じてその直下に設けられている焦電検出部
４で焦電流を検出することができ、その周りに気体の流
れがあるときには、その気体の流れによってヒータ部７
の温度の上昇が抑制されるため、検出出力は小さく現れ
ることとなり、この出力差によって気体の流量を検出す
ることができる。なお、図１中、１１，１２はコンタク
トホール、１５は上部引出電極、１６は下部引出電極で
ある。

【００１４】このようなマイクロフローセンサ素子の製
造方法について模式的に説明すると（図２（Ａ）〜
（Ｈ）参照）、まず、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）ま
たはＳｉ（シリコン）の単結晶からなる基板５の上に、
例えばスパッタ法により、下部電極３としてのＰｔ（白
金）を約２０００Å厚に形成する（図２（Ａ）参照）。

【００１５】下部電極３の上に、ＭＯＣＶＤ法（有機
金属化学気相成長法）によって、ＰＺＴ系またはＰＬＺ
Ｔ系の強誘電体薄膜１を約２〜５μｍ厚に形成する（図
２（Ｂ）参照）。

【００１６】強誘電体薄膜１の上に、例えばスパッタ
法により、上部電極２としてのＡｕ（金）またはＰｔ
（白金）を約２０００Å厚に形成する（図２（Ｃ）参
照）。

【００１７】上部電極２、強誘電体薄膜１、下部電極
３の順でフォトリソグラフィ法によりパターニングをお
こなう（図２（Ｄ）参照）。このとき、エッチング用
（ガス抜き兼用）の通孔（図示省略）を形成しておく。

【００１８】焦電検出部４を覆う絶縁体薄膜６を形成
する。このとき、その絶縁体薄膜６にはエッチング用
（ガス抜き兼用）の通孔（図示省略）およびコンタクト
ホール１１，１２を形成する（図２（Ｅ）参照）。絶縁
体薄膜６は、有機系膜（例えばポリイミド系）でも無機
系膜（例えばＳｉＯ₂）でもよく、金属よりも熱伝導率
の低いものが好ましい。

【００１９】絶縁体薄膜６の上のヒータ部７となるヒ
ータ用電極膜（例えばＰｔ又はＮｉＣｒ）を形成し、フ
ォトリソグラフィ法によりパターニングをおこなう。こ
のとき、そのＰｔ又はＮｉＣｒをコンタクトホール１
１，１２に落し込み、上部電極２および下部電極３の引
出し電極１５，１６を形成する（図２（Ｆ）参照）。

【００２０】焦電検出部４の直下の基板５をエッチン
グにより部分的に取り除く、その作業は基板５の表面側
からでも裏面側からでもよい。表面側からおこなう場合
は、エッチング用の通孔から所定温度のリン酸液をエッ
チング液として注入すればよい。なお、図２（Ｇ）のよ
うに下方広がり状に取除部５１を形成してもよく、図２
（Ｈ）のように中空部５２を形成してもよい。

【００２１】以上のように形成されるマイクロフローセ
ンサ素子の測定原理についてさらに説明すると（図３参
照）、上述のヒータ部７には、ある周期のパルス電流を
流すことにより周期的に温度を上昇させるようにして、
その温度変化を焦電検出部４によって検出させることが
できるが、もし、気体流が存在しないときには検出出力
は一定値となる。

【００２２】しかし、気体流があると、ヒータ部７の温
度上昇が妨げられるため、その分だけ検出出力は低下す
る。つまり、気体の流量が大である程検出出力は小さな
値となる。従って、気体流がないときに対する検出出力
の差によって気体の流量を求めることができるのであ
る。

【００２３】上述のヒータ部７における気体の流れは一
定方向に向いていなくてもよく、また、層流状態でなく
てもよく、少なくともそのヒータ部７の表面に気体の動
きがあれば、必ずヒータ部７の温度の上昇が抑制され
る。一方、この温度の検出をおこなう焦電検出部４は、
ヒータ部７の直下に配置されているため、きわめて高い
感度で高速応答が可能となる。従って、気体流の方向に
関係なく常に高精度な測定値を得ることができるのであ
る。

【００２４】図４はマイクロフローセンサ素子の好まし
い実施形態を示す平面図、図５はそのＸ−Ｘ線矢視断面
図、図６〜図８はその製造工程の説明図である。これら
の図において、前記図１ないし図２と同じ部材は符号を
そのまま使用する。

【００２５】図４，図５にて、符号１３は絶縁体薄膜
６、上部電極２、強誘電体薄膜１、下部電極３を貫通し
て形成されるエッチング用とガス抜き兼用の通孔、１４
は焦電検出部４の周囲の絶縁体薄膜６に形成されたエッ
チング用とガス抜き兼用の通孔である。また、１５は上
部引出電極で、その接続端がコンタクトホール１１，１
１内で上部電極２と接続されている。１６は下部引出電
極で、その接続端が、コンタクトホール１２，…内で下
部電極３の接続端３１と接続されている。１７，１８は
ヒータ部７の引出電極＋，−である。この場合、上記通
孔１３，１４を設けているので、基板５の一部を図２
（Ｇ）のように取り除けば、焦電検出部４に対して面直
方向に流れる気体流をも検出することができる。

【００２６】図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図２
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）と対応し、図７（Ａ），（Ｂ）
は上部電極２のパターニング、（Ｃ），（Ｄ）は強誘電
体薄膜１のパターニングの各工程を示し、図２（Ｄ）と
対応する。

【００２７】図８（Ａ），（Ｂ）は下部電極３のパター
ニング、（Ｃ），（Ｄ）は絶縁体薄膜６の形成、
（Ｅ），（Ｆ）はヒータ部７および上部引出電極１５、
下部引出電極１６の各形成工程を示し、図８（Ｃ），
（Ｄ）は図２（Ｅ）、図８（Ｅ），（Ｆ）は図２（Ｆ）
と対応する。なお、図８（Ｄ）にて符号６１〜６４は絶
縁体薄膜６に形成される各引出電極取出部の切欠であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
フローセンサ素子によれば、強誘電体薄膜の上下両面に
上部電極と下部電極を設けてなる焦電検出部を基板上に
設け、その上部電極の上に絶縁体薄膜を介して、所定周
期で温度が変調されるヒータ部を設けているので、マイ
クロフローセンサ素子の周りにガスの流れがあるときに
はそのガスの流れによってヒータ部の温度の上昇が抑制
されるため、焦電検出部での検出出力は小さくなり、こ
の出力差によって気体の流量を検出することができる。

【００２９】その焦電検出部はヒータ部の直下に設けら
れているため、ヒータ部の表面で僅かなりと言えども気
体の動きがあればその方向の如何を問わず、直ちに高感
度で応答性よく検出することができる。

【００３０】また、焦電検出部またはその周囲にガス流
通用の通孔を設けることにより、その焦電検出部に対し
て面直方向に流過する気体の流れを検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロフローセンサ素子の模式的断
面図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｈ）は同マイクロフローセンサ素子
の模式的な製造工程の説明図である。

【図３】同気体流の変化に対する焦電検出部の応答出力
の変化を示す説明図である。

【図４】同マイクロフローセンサ素子の一実施形態を示
す平面図である。

【図５】図４のＸ−Ｘ線矢視断面図である。

【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は同実施形態における製造工程
の一部を説明するための図である。

【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は同製造工程の他の一部を説明
するための図である。

【図８】（Ａ）〜（Ｆ）は同残りの製造工程を説明する
ための図である。

【図９】（Ａ），（Ｂ）は従来のマイクロフローセンサ
素子の測定原理の説明図である。

【符号の説明】

１…強誘電体薄膜、２…上部電極、３…下部電極、４…
焦電検出部、５…基板、６…絶縁体薄膜、７…ヒータ
部、１３，１４…通孔。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電体薄膜の上下両面に上部電極と下
部電極を設けてなる焦電検出部を基板上に設けると共
に、所定周期で温度が変調されるヒータ部を、絶縁体薄
膜を介して前記上部電極の上に設けてなることを特徴と
するマイクロフローセンサ素子。
【請求項２】前記焦電検出部またはその周囲にガス流
通用の通孔を設けてなる請求項１に記載のマイクロフロ
ーセンサ素子。