JPH10239130A

JPH10239130A - フローセンサ

Info

Publication number: JPH10239130A
Application number: JP9054241A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Seki; 知範積; Masakazu Shiiki; 正和椎木
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲の流体の流れの状態に関係なく、高精度
・高感度なセンサとすることができ、測定精度の高いフ
ローセンサを提供すること【解決手段】矩形状のシリコン基板１０の上面に絶縁
膜１２を設け、その上面に所定パターン形状の導電体膜
を形成し、ヒータ線１４を構成することにより、フロー
センサの基本構造が形成される。係る基本構造に対し、
絶縁膜の上面所定位置に、すなわち、前記ヒータ線に対
して直交方向に流体の流れを誘導するための整流板２０
を設ける。これにより、周囲の流体は、整流板を通過す
る際に、その進路が整流され、ヒータ線上を通過すると
きには、直交方向となる。よって、通過方向は常時一定
の角度となるので、ばらつきがなく、垂直方向に進むこ
とから高感度な測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検知部の温度変化
を電気信号の変化として検出し、ガスや液体などの流
量，流速，湿度等の物理量を測定するために用いられる
フローセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来のフローセンサの一例を示
している。同図に示すように、平面ロ字型の基板１の上
面に、誘電体等からなる絶縁膜２が接合されて一体化さ
れている。基板１の中央の開口部１ａに対向する絶縁膜
２の表面に所定パターンの多結晶シリコン薄膜を成膜し
てヒータ線３を形成しており、このヒータ線３が検知部
となる。

【０００３】このフローセンサは、ヒータ線３に通電す
るとそのヒータ線３が発熱する。一方、センサ周辺に流
体の流れが存在すると、ヒータ線３に発生している熱が
奪われ、ヒータ線３の抵抗値が変化する。そして、ヒー
タ線３の抵抗の温度係数は既知であるので、抵抗値の変
化から温度の変化を求めることができ、その温度変化
（奪われた熱量）から流速等を求めるようになってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のフローセンサでは、以下に示す問題があった。
すなわち、ヒータ線３のパターンの配置方向（図中Ｘ方
向）は、測定対象の流体の流れの方向（図中Ｙ方向）に
対し垂直方向になるように形成されている。このような
位置関係にすると、最も感度が高くなり、高精度な測定
が行える。しかし、実際の測定では、必ずしも流体の流
れが垂直になるとは限らない。すると、同じ流速でも抵
抗の変化が異なり、感度が低下するとともに、測定結果
にばらつきを生じ、精度が低下するという問題もある。
さらに、乱流域の成分が存在する場合には、あらゆる方
向の流れを検知してしまい、測定精度が劣化する。

【０００５】また、ヒータ線３は、平坦な誘電体膜２の
上面に形成されることから、そのヒータ線３を形成した
部分のみ突出した形状となる。しかも、そのヒータ線３
を形成した絶縁膜２の部分は基板１のない薄膜であるの
で、強度も弱い。その結果、流れてくる流体は、ヒータ
線３の突出した側面に突き当たることになるので、その
流体とともに、ゴミ等の物体が流れてきた場合には、突
出したヒータ線３等に当たりやすく、ヒータ線３の剥離
や、絶縁膜２等の破損等を生じるおそれがある。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、周囲の流体の流れの状態に関係なく、高精度・高感
度なセンサとすることができ、しかも、強度もある信頼
性の高いフローセンサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、基板上に開口部を有し、その開口
部を覆うようにして前記基板上面に絶縁膜を設けるとと
もに、その絶縁膜にヒータ線を設けてなるフローセンサ
において、前記ヒータ線に対して所定角度で交差する方
向に流体の流れを誘導するための整流板を設けるように
構成した（請求項１）。

【０００８】係る構成にすると、センサ設置周囲の流体
の流れ方向に関係なく、センサの検知部位であるヒータ
線上を通過する流体は、その上流側に設置された整流板
により整流されるので、常にヒータ線の配置方向に対し
て、所定角度の方向に通過する。よって、流体の流れ方
向に関係なく、また、仮にセンサの設置角度をラフにし
たとしても、検出感度は一定となり、測定結果がばらつ
かず、高精度のセンサとなる。

【０００９】そして、上記した所定角度は、任意の値を
とることができるが、角度が大きくなるにつれて感度も
高くなる。そして、請求項２で規定するように垂直方向
になるように設定すると、もっとも高感度となる。

【００１０】また前記整流板で誘導された流体の流れ方
向で、前記ヒータ線の下流側に、前記流体の流れを遮断
する壁部を設けることもできる（請求項３）。係る構成
をとると、下流側からヒータ線側に流れ込む流体を阻止
できるので、乱流の発生を抑制できるとともに、測定精
度が向上する。

【００１１】また、上記した各構成を前提とし、さらに
前記開口部に対向する前記絶縁膜の上面に凹部を設け、
その低くなった凹部内に前記ヒータ線を設けるようにし
てもよい（請求項４）。係る構成にすると、ヒータ線の
上面を通過する流体にゴミなどがあったとしても、ヒー
タ線は凹部内に挿入されるため、上記ゴミ等が突き当た
ることがなく、ヒータ線１４や絶縁膜１２に過度な力が
加わって、破損するのを抑制できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図２は、本発明に係るフローセン
サの第１の実施の形態を示している。図１と比較すると
明らかなように、基本的な構成は従来と同様で、矩形状
のシリコン基板１０の上面に絶縁膜たる誘電体膜１２を
設けている。この誘電体膜１２は、例えば酸化膜や窒化
膜等からなる単層或いは複数層により構成されいてる。
また、シリコン基板１０は、平面略ロ字型からなり、中
央は上下に貫通する開口部１０ａとなる。従って、誘電
体膜１２は、シリコン基板１０の周囲の枠体部分１０ｂ
の上面にて接合され、開口部１０ａは、誘電体膜１２で
被覆される。その結果、誘電体膜１２のうち開口部１０
ａに対向する部分は、ダイアフラムのようになる。

【００１３】そして、誘電体膜１２の上面に所定パター
ン形状の導電体膜を形成する。この導電体膜は、例えば
多結晶シリコン薄膜を適宜折れ曲がった線状にパターニ
ングして形成し、これによりヒータ線１４を構成する。
このヒータ線１４は、凹部１０ａに対向する上記したダ
イアフラムの部位に形成される。また、このヒータ線１
４の両端は、凹部１０ａ外のシリコン基板１０の枠体部
分１０ｂにまで延長形成され、その端部が端子部１４
ａ，１４ａとなる。この端子部１４ａ，１４ａ間に通電
することにより、ヒータ線１４を発熱させる。この時、
誘電体層１２の上面側（ヒータ線１４の形成側）に流れ
る流体により吸熱させて温度低下し、それに基づきヒー
タ線１４の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化に基づ
いて前記流体の流量等を検出するようになっている。

【００１４】なお、図示省略するが、ヒータ線１４及び
誘電体層１２の表面を覆うようにして、酸化膜等の誘電
体膜が被膜されることにより、保護膜が設けられる。そ
して、係る場合に、上記した端子部１４ａの上方には保
護膜を設けずに露出させるようになる。

【００１５】ここで本発明では、絶縁膜１２の上面所定
位置、より具体的には、上記した枠体部分１０ｂの上方
接合部分で、測定対象の流体の流れ方向の上流側に、整
流板２０を起立形成している。この整流板２０は、同図
（Ｂ）に示すように、ヒータ線１４の配置方向（Ｘ方
向）に対して垂直方向（Ｙ方向）にのびるように配置さ
れている。

【００１６】係る構成にすることにより、仮にセンサ設
置周囲の流体の流れ方向が、同図（Ｂ）中一点鎖線で示
すように、垂直方向（Ｙ方向）に対して所定角度傾斜し
ているような場合であっても、ヒータ線１４上を通過す
る際には、整流板２０により整流されて、同図中破線で
示すようにヒータ線１４と直交するＹ方向に沿った方向
に流れるようになる。つまり、センサ周囲の流体の流れ
方向に関係なく、また仮に乱流域の成分が存在している
場合であっても、ヒータ線１４上を通過する流体の進行
方向は、常に一定であるので、測定結果にばらつきがな
く、高精度となる。しかも、その流体の流れ方向は、ヒ
ータ線１４に対して直交する方向であるので、最も高感
度となる。

【００１７】また、図示の例では、整流板２０の形状
は、扁平な矩形平板状としたが、本発明はこれに限るこ
とはなく、同図（Ｂ）中、二点鎖線で示すように、整流
板２０の先端側２０ａを尖らす（薄くする）ようにして
も良い。これにより、ガイド機能を発揮させ、よりスム
ーズに整流板２０間に測定対象の流体を流れ込ませると
ともに、整流板２０の設置にともなう乱流成分の発生を
低減させることができるようになる。

【００１８】ここで簡単に製造プロセスを説明すると、
例えば、化学気相堆積法処理により平板状のシリコン基
板１０の上面全面に、酸化膜１２ａや窒化膜１２ｂ等の
絶縁膜１２を積層形成する。この時、シリコン基板１０
の下面の周囲（最終的に残す枠体部分）にも、同様にし
て酸化膜２１ａ，窒化膜２１ｂを形成する。そして、絶
縁膜１２の上面所定位置に多結晶シリコン薄膜をパター
ニングして設け、ヒータ線１４や端子部（図示省略）を
形成する。その後、化学気相堆積法処理により上面全面
を酸化膜等で被覆して保護膜２２を形成する。さらに、
保護膜２２のうち、端子部に対向する部位をエッチング
で除去して当該端子部を露出させ、その後露出した部分
に金属を蒸着，スパッタなどにて成膜する。これにより
図３（Ａ）に示すような中間品が形成される。そして、
ここまでの工程は、従来のものと同様である。

【００１９】次に、通常であれば、シリコン基板１０の
下面をエッチングしてダイアフラムを形成する工程に移
行するが、それに先立ち、保護膜２０の上面に、ポリイ
ミド樹脂等の絶縁体２３を成膜する（図３（Ｂ）参
照）。

【００２０】そして、その後に、ポリイミド樹脂等の絶
縁体２３を露光現像して、エッチングを行うことによ
り、不要部分を除去し、図２に示したような整流板２０
を形成する。さらに、シリコン基板１０をＫＯＨ等を用
いたディープエッチングを行う。すると、シリコン基板
１０の上面は保護膜２２で覆われるとともに、下面の周
囲も酸化膜２１ａ，窒化膜２１ｂで覆われているので、
それら各膜で覆われていないシリコン基板１０の下面中
央部が除去され、開口部１０ａが形成される（図３
（Ｃ）参照）。これにより、整流板２０付きのフローセ
ンサが製造できる。

【００２１】図４は、本発明の他の実施の形態を示して
おり、本実施の形態では、ヒータ線１４の上流側に整流
板２０を設けるのは、上記したのと同様であるが、ヒー
タ線１４の下流側に流体の流れを阻害する遮断壁２５を
設けていることを特徴としている。下流側からの逆流は
なく、上流側から流れてくる流体は、整流板２０を経て
整流されて、ヒータ線１４上を垂直方向に移動後、遮断
壁２５に突き当たり進路を変えて側方より外部へ導かれ
る。このように遮断壁２５を設けることにより、乱流成
分の発生を抑制でき、検出精度が高まる。なお、その他
の構成並びに作用効果は、上記した実施の形態と同様で
あるので、同一符号を付し、その詳細な説明を省略す
る。

【００２２】図５は、さらに別の実施の形態を示してお
り、この例では、下流側にも整流板２０′を設けてい
る。このようにすると、ヒータ線１４を挟んで対向配置
される整流板２０，２０′のいずれが上流側にきても、
同様の整流効果を発揮できるようになる。よって、乱流
域に設置した場合であっても、確実に計測が可能とな
る。

【００２３】図６は、上記した図５の実施の形態を基本
とし、流体の進行方向に沿って、つまり、整流板２０，
２０′と平行にのびるようにして遮断壁２７を設けてい
る。係る遮断壁２７を設けることにより、図中矢印で示
すヒータ線１４の横側か進入してくる流体を遮断でき
る。よって、整流板２０を通過した正規の流体のみをヒ
ータ線１４上を通過させることができ、精度が向上す
る。

【００２４】図７は、さらに別の形態を示しており、整
流板２０の先端延長部２０ｂを外側に広がるように傾斜
配置する。これにより、係る先端延長部２０ｂがガイド
板として機能し、よりスムーズに周囲の流体を呼び込む
とともに、整流させヒータ線１４上を直交方向に通過さ
せることができる。

【００２５】図８は、さらに別の形態を示しており、こ
の形態では、整流板２０の上面に天板２９を設けてい
る。これにより、上側から斜めに進入してくるのを抑制
でき、絶縁膜１２と平行な平面上を、ヒータ線１４と垂
直方向に進むことになり、より整流機能が発揮でき、精
度の向上が図れる。

【００２６】なお、この天板２９付の整流板２０を製造
するには、上記した製造方法の説明のように、シリコン
基板１０の上に順次所定層を製造するのではなく、たと
えば、整流板２０と天板２９とが一体に形成されたもの
を別途用意し、それをヒータ線１４などが形成されたシ
リコン基板１０（絶縁膜１２）の上に接合一体化するこ
とにより形成できる。

【００２７】図９は、さらに本発明の他の実施の形態を
示している。本実施の形態では、上記した各形態を基本
にし、ヒータ線１４の形成面を加工している。つまり、
同図（Ａ）に示すように、シリコン基板１０の開口部１
０ａに対向する絶縁膜１２の上面、つまりダイヤフラム
部分に凹部３０を設ける。このときの凹部３０の深さ
は、ヒータ線１４の厚みよりも大きくしている。これに
より、凹部３０上にヒータ線１４を設けても、ヒータ線
１４の上面は絶縁膜１２の上面よりも下方に位置するこ
とになる。その結果、たとえ流体に混ざってゴミなどが
流れてきても、係るゴミはヒータ線１４に引っかかるこ
ともなく、そのままセンサ外に排出される。よって、ヒ
ータ線１４に無理な力が加わることもなく、ヒータ線１
４が絶縁膜１２や保護膜から剥離したり、絶縁膜１２自
体が破損したりすることがなくなり、強度が増す。

【００２８】さらに本例では、凹部３０の内側面を傾斜
面３０ａにしている。そして、同図（ｂ）から明らかな
ように、ヒータ線１４は、係る傾斜面３０ａを介して、
端子部１４ａに接続されている。このように、傾斜面と
したことから、ヒータ線１４ａが断線することを可及的
に抑制できる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るフローセン
サでは、絶縁膜の上面所定位置に整流板を設けたため、
周囲の流体の流れ方向に関係なく、ヒータ線に対して所
定の角度で導くことができる。よって、高精度・高感度
なセンサとすることができる。また、請求項３のように
構成した場合には、乱流の発生を可及的に抑制できるの
で、より精度が向上する。さらには、請求項４のように
構成すると、上記効果に加えて、さらに、強度もある信
頼性の高いフローセンサを製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例を示す図である。

【図２】本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示
す図である。

【図３】その製造プロセスの一例を示す図である。

【図４】他の実施の形態を示す図である。

【図５】さらに他の実施の形態を示す図である。

【図６】さらに別の実施の形態を示す図である。

【図７】さらに別の実施の形態を示す図である。

【図８】さらに別の実施の形態を示す図である。

【図９】さらに別の実施の形態を示す図である。

【符号の説明】

１０シリコン基板１２絶縁膜１４ヒータ線２０整流板２５遮断壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に開口部を有し、その開口部を覆
うようにして前記基板上面に絶縁膜を設けるとともに、
その絶縁膜にヒータ線を設けてなるフローセンサにおい
て、前記ヒータ線に対して所定角度で交差する方向に流体の
流れを誘導するための整流板を設けたことを特徴とする
フローセンサ。
【請求項２】前記所定角度は、直交方向であることを
特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】前記整流板で誘導された流体の流れ方向
で、前記ヒータ線の下流側に、前記流体の流れを遮断す
る壁部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のフロ
ーセンサ。
【請求項４】前記開口部に対向する前記絶縁膜の上面
に凹部を設け、その凹部内に前記ヒータ線を設けることを特徴とする請
求項１〜３のいずれか１項に記載のフローセンサ。