JPH1114416A

JPH1114416A - マイクロフローセンサの製造方法

Info

Publication number: JPH1114416A
Application number: JP9164540A
Authority: JP
Inventors: Morikiyo Uenishi; 盛聖上西
Original assignee: Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】製造段階での低コストな調整で一対の抵抗体
間の抵抗値を一致させて、出力におけるゼロ点シフト量
を小さくできるマイクロフローセンサの製造方法を提供
する。【解決手段】一対の抵抗体６，７のうち、製造段階で
抵抗値の低いほうの抵抗体、例えば抵抗体７に対して測
定時の温度よりも高温に通電加熱してその抵抗値を上昇
させることで、エレクトロマイグレーションにより定常
状態での抵抗値を定常的に僅かずつ変化させ、他方の抵
抗体、例えば抵抗体６の抵抗値に等しくなった時点で調
整を終了させるだけで、一対の抵抗体６，７の抵抗値が
簡単・低コストで一致した製品となるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスメータ等に応
用されて流体の流量を測定するためのマイクロフローセ
ンサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の流量を測定するフローセン
サの一つに感熱式マイクロフローセンサがある。このよ
うなマイクロフローセンサの例として、例えば、特開平
２−２５９５２７号公報に示されるようなものがある。
これは、流体の流れの方向に対して交差する方向に一対
の抵抗体を配設し、これらの抵抗体を発熱させ、流体の
流れにより抵抗体の熱が奪われる際に上流側の抵抗体と
下流側の抵抗体とでは温度差が生じることを利用したも
のであり、温度差に応じた抵抗値の変化として検出され
る。このような一対の抵抗体を用いたマイクロフローセ
ンサによれば、１つの抵抗体のみを発熱させる方式に比
して、流量ゼロ点での温度変化が小さい、感度の温度変
化が小さい、といったメリットがある。

【０００３】反面、一対の抵抗体は抵抗値が等しくなる
ように設計されるものの、現実には、少なからず抵抗値
に違いがあり、一対の抵抗体の定常状態（例えば、２５
℃なる常温状態）での抵抗値の差がそのまま流量ゼロ点
のシフト量となって現われる。このようなシフト量が数
Ω程度の場合、本来は問題とはならないが、流量に対す
る抵抗体の抵抗値変化（感度）がそれ程大きくない場合
にはＡ／Ｄ変換器の分解能（ダイナミックレンジ）のう
ち、かなりの部分がシフトする出力の調整範囲となって
しまい（シフト量をより正確に把握する必要があるた
め）、実際の流量信号に割り当てる分解能が低くなって
しまう不都合を生ずる。この対応策として、マイクロフ
ローセンサを駆動する際の発熱温度を高くして感度を上
げることで出力を大きくすることも考えられるが、駆動
時の発熱温度を高くすることは抵抗体の劣化を早めるた
め、マイクロフローセンサの信頼性を著しく損なうこと
にもなりかねず、好ましくない。また、一対の抵抗体の
みで構成せず、これらの一対の抵抗体を平衡ブリッジ回
路中に組込んで、可変抵抗などの調整によって一対の抵
抗体間の抵抗値の違いを補正する手法もあるが、平衡ブ
リッジ回路は経時的な安定性に乏しく、長期間に渡って
調整状態を安定に維持することは難しい。

【０００４】そこで、一対の抵抗体の抵抗値が現実に等
しい値を持つように調整することが好ましいといえる。
この点、薄膜からなる抵抗体の抵抗値を調整する方法と
してレーザトリミング法を用いることが知られている
（例えば、特開平４−７７６２２号公報、特開平２−２
６４８２３号公報等参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、レーザトリ
ミング法による抵抗値の調整は、基板や抵抗体の下層部
分などに用いられる材料が耐熱性の高いものである場合
に限られてしまう。同時に、レーザトリマのような専用
の装置が必要となり、製造コストが高くなってしまう。
さらには、マイクロフローセンサでは抵抗体上に保護の
ための絶縁性薄膜を形成する場合が多いので、このよう
な絶縁性薄膜を有するものにはレーザトリミング法は適
さない。

【０００６】そこで、本発明は、製造段階での低コスト
な調整で一対の抵抗体間の抵抗値を一致させて、出力に
おけるゼロ点シフト量を小さくすることができるマイク
ロフローセンサの製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
基板上に形成された凹部を跨ぐ絶縁性薄膜による橋と、
前記基板から熱的に絶縁されてこの橋上に流体の流れの
方向に対して交差する方向に薄膜で形成されてほぼ等し
い抵抗値を有する上下流で一対の抵抗体と、これらの一
対の抵抗体に一定の電流を流して発熱させる発熱駆動手
段とを備え、流体の流れによる一対の抵抗体間の抵抗値
の変化に応じて流量を測定するためのマイクロフローセ
ンサの製造方法において、定常状態における抵抗値の低
いほうの抵抗体に対して前記発熱駆動手段により測定時
の温度よりも高温に通電加熱して他方の抵抗体の抵抗値
と等しくなるまで抵抗値を上昇させるように調整する。
従って、製造段階で抵抗値の低いほうの抵抗体に対して
測定時の温度よりも高温に通電加熱してその抵抗値を上
昇させることで、エレクトロマイグレーションにより定
常状態での抵抗値を定常的に僅かずつ変化させ、他方の
抵抗体の抵抗値に等しくなった時点で調整を終了させる
だけで、一対の抵抗体の抵抗値を簡単・低コストで一致
させることができ、よって、実使用時の流量ゼロ点のシ
フト量が極力小さいマイクロフローセンサとなり、測定
時において流量出力の変換に割り当て得るＡ／Ｄ変換器
の分解能の多く取ることができる。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載のマ
イクロフローセンサの製造方法において、橋を形成する
絶縁性薄膜はＴａ₂Ｏ₅よりなり、抵抗体はＰｔよりな
り、抵抗値の低いほうの抵抗体を通電加熱する温度が３
５０℃以下である。従って、絶縁性薄膜としてＴａ
₂Ｏ₅、抵抗体としてＰｔを用いる条件下で調整のための
通電加熱の際に温度上昇を３５０℃以下にすることで単
調増加特性を利用できるため抵抗値調整を容易に行え
る。

【０００９】請求項３記載の発明は、請求項２記載のマ
イクロフローセンサの製造方法おいて、抵抗値をＲ、２
５℃での抵抗値をＲ₂₅、温度をＴとしたとき、α＝（１
／Ｒ₂₅）ｄＲ／ｄＴで定義される抵抗体の抵抗温度係数
αが３２００ppm ／℃以上である。従って、抵抗体とし
てＰｔを用いる条件下でその抵抗温度係数αを３２００
ppm ／℃以上とすることで調整時の抵抗値変化が単調増
加特性を示すため抵抗値調整を容易に行える。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図面に基
づいて説明する。まず、本実施の形態で対象とするマイ
クロフローセンサ１の構成例を図１及び図２により説明
する。このマイクロフローセンサ１では、Ｓｉ（１０
０）ウェハによる基板２上にＴａ₂Ｏ₅による絶縁性薄膜
３がスパッタリング法により形成され、さらに、フォト
リソグラフィ法によりマイクロブリッジの形状にパター
ニングし、ＣＤＥ（Ｃhemical Ｄry Ｅtching）法によ
りエッチングすることにより、基板２上には凹部４とこ
の凹部４を跨ぐ橋５とよりなるマイクロブリッジが形成
されている。ここに、絶縁性薄膜３による橋５の長手方
向はＳｉ（１００）ウェハ表面の＜１００＞方向に平行
となるように形成されている。このような橋５には流体
の流れの方向に対して上流側と下流側とに位置すること
になるＰｔによる一対の抵抗体６，７が薄膜により形成
されている。これらの抵抗体６，７の抵抗値はほぼ等し
くなるように設計されている。８はこれらの表面に形成
されたＴａ₂Ｏ₅なる絶縁性薄膜による保護膜である。

【００１１】より実際的な製造方法について説明する。
まず、基板２上にＴａ₂Ｏ₅膜を成膜し、その上にＰｔ薄
膜を形成した後、さらに、Ｔａ₂Ｏ₅膜を成膜し、フォト
リソグラフィ法によりパターニングして表層のＴａ₂Ｏ₅
膜をＣＤＥ法により抵抗体６，７の形状にエッチング
し、さらに、抵抗体の形状にエッチングされたＴａ₂Ｏ₅
膜をマスクとして逆スパッタリング法によってＰｔ膜を
エッチングし、抵抗体６，７を形成する。この後、保護
膜として表面にＴａ₂Ｏ₅膜を成膜する。この後、フォト
リソグラフィ法とＣＤＥ法とにより橋５の形状にＴａ₂
Ｏ₅膜を形成し、最後に、ＫＯＨ水溶液を用いて基板２
であるＳｉを異方性エッチングして橋５の下部が連通す
る凹部４を形成することで基板２に対して熱的絶縁を図
り、マイクロフローセンサ１の構造体が完成する。な
お、抵抗体６，７の各々の端部は配線用のボンディング
パッド９，１０とされている。

【００１２】ここで、図３に示すように、前記抵抗体
６，７の一端に対しては発熱駆動手段となる定電流源１
１，１２が別個に接続され、他端側は接地されている。
これらの定電流源１１，１２は同じ電流値の定電流を抵
抗体６，７に流すが、図示しない制御回路の下に予め設
定されたサイクルの定電流パルスにて間欠駆動させるよ
うに設定されている。また、定電流源１１，１２と抵抗
体６，７との各々の接続中点ａ，ｂからは出力端子が引
き出され、演算増幅器（図示せず）に入力されて用いら
れることになる。この演算増幅器の出力がＡ／Ｄ変換器
等に入力されてデジタル的な流量測定値が得られるよう
に構成される。

【００１３】即ち、マイクロフローセンサ１を流路中に
配設し、定電流源１１，１２により抵抗体６，７に対し
て同じ電流値の定電流パルスを間欠的に流すことによ
り、抵抗体６，７が或る一定の目標温度となるように昇
温させる。ここに、流体に流れがない場合には上流側の
抵抗体６と下流側の抵抗体７とは抵抗値が等しいので、
各々の抵抗体６，７にかかるａ，ｂ点の電圧の差を演算
増幅器の出力とした場合、その出力は０となる。一方、
流体に流れが生ずると、上流側の抵抗体６で発生した熱
が下流側の抵抗体７側へ移動することにより、上流側の
抵抗体６と下流側の抵抗体７とでは温度差が生ずる。即
ち、上流側の抵抗体６は流体の流れにより冷される傾向
を示し、下流側の抵抗体７は抵抗体６の熱を受けて加熱
される傾向を示す。このような温度差に伴い、抵抗体
６，７には抵抗値の差が生ずる。ここに、これらの抵抗
体６，７には定電流源１１，１２によって同じ定電流が
流されているので、抵抗値の差に対応する電圧差がａ，
ｂ点に生ずるので、演算増幅器によってこの電圧差が検
出される。このときの電圧差は流体の流量ないしは流速
に比例するので、この電圧値をＡ／Ｄ変換器でデジタル
信号に変換することで流量を検出できる。

【００１４】ここで、マイクロフローセンサ１の製造段
階で、一対の抵抗体６，７はそれらの定常状態における
抵抗値が等しくなるように設計されるが、現実にはこれ
らの抵抗体６，７の抵抗値には少なからず違いを生ず
る。そこで、本実施の形態では、製造段階で抵抗体６，
７間の抵抗値の違いがなくなるように抵抗値を調整して
から、製品として出荷させるようにしたものである。こ
のため、ａ，ｂ点には演算増幅器に代えて、抵抗、電
流、電圧等の測定可能なデジタルマルチメータ１３が接
続される。

【００１５】本実施の形態における製造段階での抵抗値
の調整方法について説明する。いま、抵抗体６，７のう
ち、抵抗体７の抵抗値が抵抗体６の抵抗値よりも低い場
合を想定する。まず、抵抗値が低いほうの抵抗体７に接
続された定電流源１２から電流を流すことにより、この
抵抗体７を流量測定時用に設定された実際の駆動温度よ
りも高温となるように通電加熱する。このような通電加
熱により、抵抗体７の抵抗値は少しずつ高くなってい
く。このように電流を流して高温にすることで抵抗体の
抵抗値が上昇するということは、エレクトロマイグレー
ションにより定常状態での抵抗値が定常的に僅かずつ変
化していくことを意味する。この場合、定電流源１２か
らは適宜サイクルで断続的に電流を流すものとし、電流
が途切れる度に、定常状態での抵抗体７の抵抗値をデジ
タルマルチメータ１３を通じて直接的又は間接的に測定
する。このように測定される抵抗体７の抵抗値が目標の
値（抵抗体６の抵抗値…調整前に測定済み）に十分に近
くなった時点で、抵抗体７への通電加熱を停止させるこ
とにより、調整を終了する。即ち、定常状態における一
対の抵抗体６，７間の抵抗値差がほぼ０なる状態の製品
となる。このような抵抗値の調整は、本来の定電流源１
１，１２の他に、デジタルマルチメータ１３等を用いる
だけで低コストで簡単に行える。

【００１６】このようにエレクトロマイグレーションに
より定常状態での抵抗値が等しくされた抵抗体６，７を
有するマイクロフローセンサ１を用いれば、上記の説明
の通りの流量測定動作を行わせることができる。特に、
抵抗体６，７間の抵抗値の差に起因するゼロ点シフト量
の補正のためにＡ／Ｄ変換器に割り当てる分解能は極わ
ずかでよく、純粋に流量出力の変換に割り当て得る分解
能を多くすることができるため、流量に対する感度がそ
れ程大きくない測定条件下でも、良好なる測定結果が得
られることになる。

【００１７】ところで、本実施の形態のように、橋５を
Ｔａ₂Ｏ₅なる絶縁性薄膜により形成し、抵抗体６，７を
Ｐｔ薄膜により形成した条件下での、抵抗値の低いほう
の抵抗体７を通電加熱する温度を考察する。例えば、定
電流源１２により抵抗体７を３５０℃まで昇温させた場
合と４００℃まで昇温させた場合とで、時間の経過に伴
う抵抗体７の抵抗変化率を測定したところ、図４に示す
ような結果が得られたものである。この測定結果によれ
ば、４００℃まで昇温させた場合には抵抗値の変化が波
打つような不安定な変化を示すのに対し、３５０℃程度
までの昇温であれば抵抗値の変化が極めて滑らかな単調
増加特性を示すことがわかる。よって、抵抗値の低いほ
うの抵抗体６又は７の抵抗値を調整するために通電加熱
する際の温度を３５０℃以下にすれば、抵抗値調整が容
易になることがわかる。

【００１８】また、本実施の形態のように、抵抗体６，
７をＰｔ薄膜により形成した条件下での、これらの抵抗
体６，７の抵抗温度係数αについて考察する。この抵抗
温度係数αは、α＝（１／Ｒ₂₅）ｄＲ／ｄＴで定義され
るものとする（ただし、Ｒ；抵抗値、Ｒ₂₅；室温なる２
５℃での抵抗値、Ｔ；温度）。例えば、α＝３２００pp
m ／℃なる抵抗体６，７を用いた場合とα＝２９００pp
m ／℃なる抵抗体６，７を用いた場合とで、時間の経過
に伴う抵抗体７の抵抗変化率を測定したところ、図５に
示すような結果が得られたものである。ちなみに、α＝
３２００ppm ／℃なる抵抗温度係数はＰｔをスパッタリ
ングする際に基板２の温度を４００℃に加熱することに
より得られ、α＝２９００ppm ／℃なる抵抗温度係数は
Ｐｔをスパッタリングする際に基板２を加熱しないこと
により得られた数値である。この測定結果によれば、α
＝２９００ppm ／℃程度の抵抗温度係数では抵抗値の変
化として時間の経過に伴い一旦抵抗値が減少しその後増
加する不安定な特性を示すのに対し、α＝３２００ppm
／℃なる抵抗温度係数では抵抗値の変化が小さい上に極
めて滑らかな単調増加特性を示すのがわかる。よって、
抵抗体６，７として用いるＰｔの抵抗温度係数αとして
は、３２００ppm ／℃以上であることが、抵抗値の調整
を容易かつ適正に行う上で好ましいことがわかる。

【００１９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、定常状態
における抵抗値の低いほうの抵抗体に対して発熱駆動手
段により測定時の温度よりも高温に通電加熱して他方の
抵抗体の抵抗値と等しくなるまで抵抗値を上昇させるよ
うに調整することでマイクロフローセンサを製造するよ
うにしたので、製造段階で抵抗値の低いほうの抵抗体に
対して測定時の温度よりも高温に通電加熱してその抵抗
値を上昇させ、他方の抵抗体の抵抗値に等しくなった時
点で調整を終了させるだけで、一対の抵抗体の抵抗値を
簡単・低コストで一致させることができ、よって、実使
用時の流量ゼロ点のシフト量が極力小さくなり、測定時
において本来の流量出力の変換に割り当て得るＡ／Ｄ変
換器の分解能の多く取ることができ、流量に対する感度
がそれ程大きくない測定条件下でも精度のよい測定結果
が得られるマイクロフローセンサを提供することができ
る。

【００２０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載のマイクロフローセンサの製造方法において、絶縁性
薄膜としてＴａ₂Ｏ₅、抵抗体としてＰｔを用いる条件下
では調整のための通電加熱の際の温度上昇を３５０℃以
下としたので、抵抗値の変化特性として単調増加を利用
することができ、よって、通電加熱による抵抗値調整を
容易に行うことができる。

【００２１】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載のマイクロフローセンサの製造方法おいて、抵抗体と
してＰｔを用いる条件下でこの抵抗体の抵抗温度係数α
を３２００ppm ／℃以上としたので、抵抗値の変化特性
として単調増加を利用することができ、よって、通電加
熱による抵抗値調整を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のマイクロフローセンサ
の構成を模式的に示す平面図である。

【図２】その流れの方向に沿う対角線上の断面図であ
る。

【図３】その駆動測定回路を示す回路図である。

【図４】昇温温度に依存する時間‐抵抗変化率特性を示
す特性図である。

【図５】抵抗温度係数に依存する時間‐抵抗変化率特性
を示す特性図である。

【符号の説明】

１マイクロフローセンサ２基板４凹部５橋６，７抵抗体１１，１２発熱駆動手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された凹部を跨ぐ絶縁性薄
膜による橋と、前記基板から熱的に絶縁されてこの橋上
に流体の流れの方向に対して交差する方向に薄膜で形成
されてほぼ等しい抵抗値を有する上下流で一対の抵抗体
と、これらの一対の抵抗体に一定の電流を流して発熱さ
せる発熱駆動手段とを備え、流体の流れによる一対の抵
抗体間の抵抗値の変化に応じて流量を測定するためのマ
イクロフローセンサの製造方法において、定常状態における抵抗値の低いほうの抵抗体に対して前
記発熱駆動手段により測定時の温度よりも高温に通電加
熱して他方の抵抗体の抵抗値と等しくなるまで抵抗値を
上昇させるように調整することを特徴とするマイクロフ
ローセンサの製造方法。
【請求項２】橋を形成する絶縁性薄膜はＴａ₂Ｏ₅より
なり、抵抗体はＰｔよりなり、抵抗値の低いほうの抵抗
体を通電加熱する温度が３５０℃以下であることを特徴
とする請求項１記載のマイクロフローセンサの製造方
法。
【請求項３】抵抗値をＲ、２５℃での抵抗値をＲ₂₅、
温度をＴとしたとき、α＝（１／Ｒ₂₅）ｄＲ／ｄＴで定
義される抵抗体の抵抗温度係数αが３２００ppm ／℃以
上であることを特徴とする請求項２記載のマイクロフロ
ーセンサの製造方法。