JPH10332455A - フローセンサ及びその製造方法 - Google Patents

フローセンサ及びその製造方法

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JPH10332455A
JPH10332455A JP9143697A JP14369797A JPH10332455A JP H10332455 A JPH10332455 A JP H10332455A JP 9143697 A JP9143697 A JP 9143697A JP 14369797 A JP14369797 A JP 14369797A JP H10332455 A JPH10332455 A JP H10332455A
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fluid
temperature
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Hiroyoshi Shoji
浩義 庄子
Junichi Azumi
純一 安住
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 流速変化等の影響を受けても断線等の不良を
生ぜず、長寿命化を図りやすいフローセンサを提供す
る。 【解決手段】 第1の温度検出部と第2の温度検出部と
が、流体の流れの方向Fに貫通した空洞25上を橋架す
る架橋構造としてセンサ基板24に形成されたセンサチ
ップ22を備え、このセンサチップ22が流体の流れの
方向に沿わせた凹状流路36を有する実装基板23上に
フェースダウン実装されているので、金線等による配線
露出個所がなく、流路中に晒されても断線等の心配は全
くなく、長期に渡って信頼性の高いフローセンサ21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、流体の流量や流速
などを測定するためのフローセンサ及びその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、都市ガスや水道水などの流体
の流量や流速を測定するためのセンサとしてフローセン
サ(マイクロフローセンサ)が知られている(例えば、
特開昭60−142268号公報、特公平5−7659
号公報、特開平2−132328号公報等参照)。
【0003】このようなフローセンサの一例を図8を参
照して説明する。図8はフローセンサのセンサチップ1
の構造を概略的に示すもので、単結晶シリコンによる1
枚のセンサ基板2には、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。これにより、空洞3上の中央部には架橋構造の支持
部4が形成されている。ここに、空洞3は流体の流れの
方向Fに平行となるように形成され、支持部4の長手方
向は空洞3に直交することで流体の流れの方向Fに対し
て直交するように設定されている。
【0004】この支持部4上の中央部には細長い1つの
薄膜ヒータ5がパターン形成され、さらに、この薄膜ヒ
ータ5を挾む形で上下流に位置させて2つの温度センサ
6,7がパターン形成されている。ここに、薄膜ヒータ
5が発熱手段として機能し、薄膜ヒータ5と温度センサ
6とにより流体の流れの方向Fに直交する方向に細長い
第1の温度検出部8が形成され、薄膜ヒータ5と温度セ
ンサ7とにより流体の流れの方向Fに直交する方向に細
長い第2の温度検出部9が形成されている。即ち、これ
らの第1,2の温度検出部8,9は1つの薄膜ヒータ5
を発熱手段として共用し、各々温度を検出する機能を備
えている。
【0005】このようなセンサチップ1は、例えば、図
9(a)に示すようなセラミックス実装基板10、又
は、図9(b)に示すようにCAN型パッケージ11上
に実装されて、フローセンサ12として流路中に配設さ
れる。具体的には、実装基板10やパッケージ11上に
シリコン樹脂等の接着剤でダイボンドされ、周知のワイ
ヤボンディング法によってボンディングパッド13と実
装基板10やパッケージ11との間が金線14により配
線接続される。
【0006】このような構成において、駆動電源から薄
膜ヒータ5に電力を供給することにより薄膜ヒータ5が
発熱駆動され、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。
【0007】ここに、流体の流れがない状態(流量ない
しは流速が0)では、薄膜ヒータ5の発熱は周囲の静止
している流体により温度センサ6,7に同様に伝播され
るため、第1の温度検出部8と第2の温度検出部9とで
は温度差を生じない。即ち、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
量や流速は0となる。
【0008】一方、流体の流れが生ずると、上流側の第
1の温度検出部8では、流体が温度センサ6側から薄膜
ヒータ5側に流動するので薄膜ヒータ5により加熱され
ていたこの温度センサ6は流体によって冷却される状態
となり、その温度は低下する。下流側の第2の温度検出
部9では、流体が薄膜ヒータ5側から温度センサ7側に
流動するのでこの温度センサ6は薄膜ヒータ5により加
熱された流体によってさらに加熱される状態となり、そ
の温度は上昇する。このため、温度センサ6,7の抵抗
値の比率が流体の流速に応じた量だけ変化するので、検
出回路により流量又は流速を検出することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
フローセンサ12を流路中に配設した場合、フローセン
サチップ1や配線用の金線14が流体の流れの中に直接
晒されることになるため、大流量時には大きな流体抵抗
を受けることになる。特に、金線14は低コスト化を図
る等の理由で主に20〜30μm程度の非常に細いもの
が使用されるため、流量変動による流体抵抗の変動の影
響を受けて断線等の不良を生ずることが懸念される。こ
のような断線等の不良があると、長期に渡って継続的に
計測するセンサとしての信頼性を確保できず、長寿命化
を図る上で支障を来す。
【0010】また、フローセンサ12等のハンドリング
時の接触等によっても、金線14等の断線やショート等
の不良が発生し、センサ製造上の歩留まり低下の要因と
もなりかねない。
【0011】そこで、本発明は、流速変化等の影響を受
けても断線等の不良を生ずることがなく、長寿命化を図
りやすいフローセンサ及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
【0012】また、製造上でも断線等の心配がなく、歩
留まりを向上させ得るフローセンサ及びその製造方法を
提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明のフ
ローセンサは、発熱手段を備えた第1の温度検出部と第
2の温度検出部とが、流体の流れの方向に対して略直交
する方向に形成されて、流体の流れに伴い前記第1の温
度検出部と前記第2の温度検出部との間に生ずる温度差
に基づいて流体の流量を検出するフローセンサにおい
て、前記第1の温度検出部と前記第2の温度検出部と
が、流体の流れの方向に貫通した空洞上を橋架する架橋
構造としてセンサ基板に形成されたセンサチップを備
え、このセンサチップが流体の流れの方向に沿わせた凹
状流路を有する実装基板上にフェースダウン実装されて
いる。従って、センサチップが実装基板上にフェースダ
ウン実装されているので、金線等による配線露出個所が
なくなり、流路中に晒されても断線等の心配は生じな
い。ここに、フローセンサとしての機能は、センサチッ
プにおける空洞と架橋構造と実装基板側の凹状流路とに
よって第1,2の温度検出部を流体中に晒すことで確保
される。
【0014】請求項2記載の発明のフローセンサは、発
熱手段を備えた第1の温度検出部と第2の温度検出部と
が、流体の流れの方向に対して略直交する方向に形成さ
れて、流体の流れに伴い前記第1の温度検出部と前記第
2の温度検出部との間に生ずる温度差に基づいて流体の
流量を検出するフローセンサにおいて、前記第1の温度
検出部と前記第2の温度検出部とが形成されたセンサチ
ップを備え、このセンサチップが流体の流れの方向に沿
わせた凹状流路を有する実装基板上に前記凹状流路上を
橋架する架橋構造を形成する状態でフェースダウン実装
されている。従って、センサチップが実装基板上にフェ
ースダウン実装されているので、金線等による配線露出
個所がなくなり、流路中に晒されても断線等の心配は生
じない。ここに、フローセンサとしての機能は、センサ
チップ自体が実装基板側の凹状流路に対して架橋構造を
なすようにフェースダウン実装することによって第1,
2の温度検出部を流体中に晒すことで確保される。
【0015】請求項3記載の発明は、請求項1又は2記
載のフローセンサにおいて、架橋構造は、平面的に見て
蛇行屈曲形状に形成されている。従って、実装基板にフ
ェースダウン実装されたセンサチップに関して実装基板
自体の熱膨張等によって架橋構造部分にストレスがかか
ることもあるが、蛇行屈曲形状の架橋構造によりエキス
パンド特性を持たせることで、このストレスを緩和させ
ることができ、長寿命化を図る上で都合がよい。
【0016】請求項4記載の発明のフローセンサの製造
方法は、発熱手段を備えた第1の温度検出部と第2の温
度検出部とをセンサ基板上に形成しエッチングにより所
定のパターンにパターニングしてセンサチップを作製
し、このセンサチップを流体の流れの方向に沿わせた凹
状流路を有する実装基板上に前記凹状流路上を橋架する
架橋構造を形成する状態でフェースダウン実装した後、
前記センサ基板をエッチングにより除去するようにし
た。従って、請求項2記載の発明のフローセンサを簡単
に製造できる。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図1
ないし図3に基づいて説明する。本実施の形態のフロー
センサ21は、センサチップ22を実装基板23上にフ
ェースダウン実装させた構造として形成されている。
【0018】図2及び図3にセンサチップ22の構造を
示す。このセンサチップ22は、単結晶シリコンによる
1枚の矩形状のセンサ基板24をベースとするものであ
る。このセンサ基板24には、その表面から内部を貫通
して表面に開通するように空洞25がトンネル状に形成
されている。これにより、空洞25上の中央部には架橋
構造の支持部26が形成されている。ここに、空洞25
は流体の流れの方向Fに平行となるように形成され、支
持部26の長手方向は空洞25に直交することで流体の
流れの方向Fに対して直交するように設定されている。
前記空洞25は例えばKOH溶液などを用いた異方性エ
ッチングにより対角線方向に形成され、前記支持部26
は例えばSiO2 ,Ta25,SiN等の絶縁膜により
膜厚1〜2μm程度に形成されている。
【0019】前記支持部26上の中央部には細長い1つ
の薄膜ヒータ27がパターン形成され、さらに、この薄
膜ヒータ27を挾む形で上下流に位置させて2つの温度
センサ28,29がパターン形成されている。ここに、
薄膜ヒータ27が発熱手段として機能し、薄膜ヒータ2
7と温度センサ6とにより流体の流れの方向Fに直交す
る方向に細長い第1の温度検出部30が形成され、薄膜
ヒータ27と温度センサ7とにより流体の流れの方向F
に直交する方向に細長い第2の温度検出部31が形成さ
れている。即ち、これらの第1,2の温度検出部30,
31は1つの薄膜ヒータ27を発熱手段として共用し、
各々温度を検出する機能を備えている。これらの薄膜ヒ
ータ27や温度センサ28,29としては主にPtが用
いられ、その膜厚は100〜3000Å程度とされてい
る。さらに、これらの薄膜ヒータ27や温度センサ2
8,29のパターンの端部はボンディングパッド32,
33,34に各々接続されている。ボンディングパッド
32は電源供給用であり、ボンディングパッド33,3
4は検出回路用である。これらのボンディングパッド3
2,33,34上には周知のハンダバンプ法等によりバ
ンプ35が形成されている。
【0020】一方、実装基板23側にあっては、図1中
に示すように、センサチップ22側の空洞25よりも長
さも幅も大きな穴(又は、堀)36が凹状流路として形
成されている。この穴36の長手方向は流体の流れの方
向Fに平行となるように設定されている。また、この実
装基板23にあっては前記穴36の周辺に位置させて前
記ボンディングパッド32,33,34の各々と対応す
る配列の引出電極37,38,39が所定のパターンで
形成されている。
【0021】このような実装基板23に対してセンサチ
ップ22を位置合わせして穴36上にフェースダウン実
装することにより、対応するボンディングパッド32,
33,34と引出電極37,38,39との間が各々バ
ンプ35により接続状態となり、フローセンサ21が完
成する。
【0022】このような構成のフローセンサ21が流路
中に配設される。この場合、実装基板23の穴36の長
手方向が流体の流れの方向Fに沿うように配設される。
このような状態で、流体は空洞25と穴36との間の空
間を通りながら上流側から下流側に流れる。これによ
り、支持部26上の第1,2の温度検出部30,31は
流体中に晒されることになり、図8で説明した従来例の
場合と同様の検出原理で流体の流量や流速が検出され
る。
【0023】本実施の形態のフローセンサ21によれ
ば、金線等による配線を行わないので、流路中に晒され
て流速や流量の変化を受けても断線等の心配が生じな
い。このため、長期に渡って信頼性の高い測定を行える
フローセンサとなる。また、このようなフローセンサ2
1を製造する上でもハンドリング時の配線の断線等の心
配を生じないため、歩留まりも向上することになる。
【0024】本発明の第二の実施の形態を図4及び図5
に基づいて説明する。前記実施の形態で示した部分と同
一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する(以下
の実施の形態でも同様とする)。本実施の形態のフロー
センサ41では、センサチップ22に代えて、空洞25
を有しないセンサチップ42が用いられ、このセンサチ
ップ42が実装基板23上にフェースダウン実装されて
いる。即ち、本実施の形態のセンサチップ42はセンサ
基板自体を有しないもので、絶縁膜構成の支持部26の
みの構成とされている(この支持部26上には前記実施
の形態の場合と同様に、薄膜ヒータ27等が形成されて
いる…図4参照)。そして、このようなセンサチップ4
2が実装基板23の穴36上を橋架する架橋構造をなす
ように実装基板23上にフェースダウン実装され、対応
するボンディングパッド32,33,34と引出電極3
7,38,39との間が各々バンプ35により接続状態
とされている。
【0025】このような構成のフローセンサ41が流路
中に配設される。この場合も、実装基板23の穴36の
長手方向が流体の流れの方向Fに沿うように配設され
る。このような状態で、流体は穴36内の空間を通りな
がら上流側から下流側に流れる。これにより、穴36を
跨ぐ架橋構造をなす支持部26上の第1,2の温度検出
部30,31は流体中に晒されることになり、流体の流
量や流速の検出に供される。
【0026】本実施の形態のフローセンサ41による場
合も、金線等による配線を行わないので、流路中に晒さ
れて流速や流量の変化を受けても断線等の心配が生じな
い。このため、長期に渡って信頼性の高い測定を行える
フローセンサとなる。また、このようなフローセンサ4
1を製造する上でもハンドリング時の配線の断線等の心
配を生じないため、歩留まりも向上することになる。
【0027】本発明の第三の実施の形態を図6に基づい
て説明する。本実施の形態は、最終的に図5に示したよ
うな構造のフローセンサ41を作製するための製造方法
に関する。なお、図6では支持部26上の薄膜ヒータ2
7等の状態やそのボンディングパッド32等を同時に図
示するため、異なる断面位置の形状を併せて示してい
る。
【0028】まず、図6(a)に示すようにセンサ基板
であるシリコン基板43上に絶縁性薄膜44と金属薄膜
45とを順次成膜する。ここに、絶縁性薄膜44は、例
えばSiO2 やSi34やTa25等の絶縁材料を用い
てスパッタリング法、CVD法等により膜厚1.5μm
程度に成膜される。また、金属薄膜45は、例えばPt
やNi等の金属材料を用いて真空蒸着法やスパッタリン
グ法などにより膜厚0.2μm程度に成膜される。
【0029】次に、図6(b)に示すように、金属薄膜
45をフォトリソグラフィ法とエッチング法とを用い
て、薄膜ヒータ27と温度センサ28,29との形状に
パターニングし(各々のボンディングパッド32,3
3,34部分を含む)、さらに、表面には、パッシベー
ション層として絶縁性薄膜46を成膜する。この絶縁性
薄膜46は絶縁性薄膜44と同様の材料、成膜法でよ
く、膜厚0.3μm程度に成膜される。
【0030】この後、図6(c)に示すように、絶縁性
薄膜46,44をフォトリソグラフィ法とエッチング法
とを用いて、支持部26の形状(図4参照)にパターニ
ングする。このとき、ボンディングパッド32,33,
34上の絶縁性薄膜46も同時にエッチングする。
【0031】続いて、図6(d)に示すように、ボンデ
ィングパッド32,33,34上にバンプ35を形成
し、実装基板23上にフェースダウン実装する。バンプ
35は周知のように蒸着法や電気メッキ法や半田ボール
法などにより形成できる。また、フェースダウン実装
は、バンプ35と配線電極(引出電極37,38,3
9)とを位置合わせしてから加熱することにより行え
る。
【0032】このようにフェースダウン実装した後、特
に図示しないが、KOH溶液などのエッチング液を用い
てエッチングを行うことにより、センサチップ42にお
けるシリコン基板43を除去することで、図5に示した
ようなフローセンサ41が完成する。
【0033】本実施の形態によれば、実装基板23にフ
ェースダウン実装してからシリコン基板43をエッチン
グ除去することによりフローセンサ41を完成している
ので、図2等に示したような空洞25を形成するための
異方性エッチングを行う必要がなく、エッチング工程が
簡単になる。また、ダイシングの際に支持部26の保護
が必要ないため、工程の短縮も望める。
【0034】本発明の第四の実施の形態を図7に基づい
て説明する。本実施の形態は、薄膜ヒータ27等が形成
されて架橋構造をなす支持部26の平面形状に関する。
即ち、図2や図4に示す支持部26ではその長手方向に
直線的に形成されているが、本実施の形態では略コ字状
の繰返しパターンにより全体的には蛇行屈曲形状をなす
ように形成されている。
【0035】支持部26をこのような蛇行屈曲形状に形
成することにより、ある程度エキスパンド特性を持つも
のとなり、実装基板23自体の熱膨張等によって穴36
上に橋架されている支持部26にストレスがかかったと
してもそのストレスを緩和させることができる。よっ
て、長期に渡って使用されるフローセンサ21,41に
関して長寿命化を図る上で都合がよい。
【0036】なお、支持部26の蛇行屈曲形状に関して
本実施の形態では略コ字状の繰返しパターンとしたが、
必ずしもこのようなパターンに限らず、例えば、波状
(正弦波状)パターン等であってもよい。
【0037】
【発明の効果】請求項1記載の発明のフローセンサによ
れば、第1の温度検出部と第2の温度検出部とが、流体
の流れの方向に貫通した空洞上を橋架する架橋構造とし
てセンサ基板に形成されたセンサチップを備え、このセ
ンサチップが流体の流れの方向に沿わせた凹状流路を有
する実装基板上にフェースダウン実装されているので、
金線等による配線露出個所がなくなり、流路中に晒され
ても断線等の心配は全くなく、長期に渡って信頼性の高
いフローセンサを提供できる。
【0038】請求項2記載の発明のフローセンサによれ
ば、第1の温度検出部と第2の温度検出部とが形成され
たセンサチップを備え、このセンサチップが流体の流れ
の方向に沿わせた凹状流路を有する実装基板上に凹状流
路上を橋架する架橋構造を形成する状態でフェースダウ
ン実装されているので、金線等による配線露出個所がな
くなり、流路中に晒されても断線等の心配は全くなく、
長期に渡って信頼性の高いフローセンサを提供できる。
【0039】請求項3記載の発明によれば、請求項1又
は2記載のフローセンサにおいて、架橋構造は、平面的
に見て蛇行屈曲形状に形成されているので、実装基板に
フェースダウン実装されたセンサチップに関して実装基
板自体の熱膨張等によって架橋構造部分にストレスがか
かることもあるが、蛇行屈曲形状の架橋構造によりエキ
スパンド特性を持たせることで、このストレスを緩和さ
せることができる。
【0040】請求項4記載の発明のフローセンサの製造
方法によれば、発熱手段を備えた第1の温度検出部と第
2の温度検出部とをセンサ基板上に形成しエッチングに
より所定のパターンにパターニングしてセンサチップを
作製し、このセンサチップを流体の流れの方向に沿わせ
た凹状流路を有する実装基板上に凹状流路上を橋架する
架橋構造を形成する状態でフェースダウン実装した後、
センサ基板をエッチングにより除去するようにしたの
で、センサ基板を有しない構造の請求項2記載の発明の
フローセンサを簡単に製造することができ、かつ、セン
サチップ側に空洞を形成する必要がなく異方性エッチン
グ工程を要しないため、製造工程も簡単化することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態を示し、(a)は平
面図、(b)はそのA‐A線概略断面図である。
【図2】そのセンサチップ構造を示す平面図である。
【図3】(a)は図2におけるB‐B線概略断面図、
(b)は図2におけるC‐C線概略断面図である。
【図4】本発明の第二の実施の形態を示すセンサチップ
の平面図である。
【図5】フローセンサを示す概略断面図である。
【図6】本発明の第三の実施の形態を工程順に示す概略
断面図である。
【図7】本発明の第四の実施の形態を示す平面図であ
る。
【図8】従来のセンサチップ例を示し、(a)は平面
図、(b)はそのD‐D線概略断面図である。
【図9】その実装例を示す側面図である。
【符号の説明】
22 センサチップ 23 実装基板 24 センサ基板 25 空洞 26 架橋構造 27 発熱手段 30 第1の温度検出部 31 第2の温度検出部 36 凹状流路 42 センサチップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安住 純一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発熱手段を備えた第1の温度検出部と第
    2の温度検出部とが、流体の流れの方向に対して略直交
    する方向に形成されて、流体の流れに伴い前記第1の温
    度検出部と前記第2の温度検出部との間に生ずる温度差
    に基づいて流体の流量を検出するフローセンサにおい
    て、 前記第1の温度検出部と前記第2の温度検出部とが、流
    体の流れの方向に貫通した空洞上を橋架する架橋構造と
    してセンサ基板に形成されたセンサチップを備え、この
    センサチップが流体の流れの方向に沿わせた凹状流路を
    有する実装基板上にフェースダウン実装されていること
    を特徴とするフローセンサ。
  2. 【請求項2】 発熱手段を備えた第1の温度検出部と第
    2の温度検出部とが、流体の流れの方向に対して略直交
    する方向に形成されて、流体の流れに伴い前記第1の温
    度検出部と前記第2の温度検出部との間に生ずる温度差
    に基づいて流体の流量を検出するフローセンサにおい
    て、 前記第1の温度検出部と前記第2の温度検出部とが形成
    されたセンサチップを備え、このセンサチップが流体の
    流れの方向に沿わせた凹状流路を有する実装基板上に前
    記凹状流路上を橋架する架橋構造を形成する状態でフェ
    ースダウン実装されていることを特徴とするフローセン
    サ。
  3. 【請求項3】 架橋構造は、平面的に見て蛇行屈曲形状
    に形成されてい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。
  4. 【請求項4】 発熱手段を備えた第1の温度検出部と第
    2の温度検出部とをセンサ基板上に形成しエッチングに
    より所定のパターンにパターニングしてセンサチップを
    作製し、このセンサチップを流体の流れの方向に沿わせ
    た凹状流路を有する実装基板上に前記凹状流路上を橋架
    する架橋構造を形成する状態でフェースダウン実装した
    後、前記センサ基板をエッチングにより除去するように
    したことを特徴とするフローセンサの製造方法。
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