JPS59105522A - 流量センサ−及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気体（以下、被測定ガスという。）の質量流
量の計測や制御に用いられる流量センサー、並びに、そ
の流量センサーの製造方法に関する。

従来の流量センサーは、第９図に示すように、内径が０
．２　ＮＭ〜１．ＯＨ程度の毛管流路を備えるステンレ
ス等の毛細管１０を用いて、これに１ｏ声〜５０μ笹程
度の非常に細い白金や鉄、ニッケル合金等の金Ｆ！４線
を巻付けて毛管流路で間隔をへたてる２個の発熱抵抗体
１１　、１５を形成するものであり、そして、被測定力
スの質量流量の計測や制御に際しては、前記抵抗体１１
　、１５に設けた３本の引出線１２・・にブリッジ回路
１３を掻続すると共に、該ブリッジ回路１３に電源１４
から電流を流して抵抗体１．１　、１５を発熱させ、か
つ、毛管流路に被測定ガスを流すのである。

すると、毛管流路を流れる被測定カスが熱運搬媒体とな
って、上流側の抵抗体１１と下流側の抵抗体１５との間
で湿度差を生じ、上流側抵抗体１１の電気抵抗値が減少
すると共に下流側抵抗体１５の電気抵抗値が増大する結
果、前記ブリッジ回路１３の平衡が崩れて、この電気抵
抗値の差に基いて被測定カスの質量流量に応じた電圧が
端子１６．１６から出力されるもので、この出力電圧を
基にして被測定カスの賀釦流量を計測し、あるいは、成
る質量流量に相当する電圧を出力するようにガス原画を
調節することによって、被測定ガスの質量流ｉを制御す
るものである。

ところが、温度差の検出を２個の抵抗体１１　、１５の
抵抗値変化として捉えるための電源１４を要し、しかも
、その電源１４の安定度によって検出感度が左右される
が故に、高感度測定にとって高安定電源を必要とするも
のであった。

また、個々の毛細管１０に極細の金属線を巻付ける作業
は、これの自動化に限度があって、どうしても熟練者の
手作業に頼らざるを得す、生産性が悪い上、巻付けが不
均一になったり密着度が異なったりするなど性能のばら
つきも多くなり、かつ、大量生産が困難で、生産コスト
が高くつく欠点があった。

更に、抵抗体１１　、１５の金属線として、絶縁の目的
で有機物質を塗布したものが用いられ、かつ、金属線の
巻き終り端の固定に際しても有機化合物の接着剤が用い
られているが、流量センサーの使用状態においては抵抗
体１１．　、１５が１２０°Ｃ〜１５０°Ｃ程度に昇温
するものであり、このような条件下では経時的に有機物
質が変質し、センサーの出力特性に影１が現われること
は必至で、ゼロドリフト及び感度の経時変化をきたし、
計測並びに制御の安定面でも問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みて成７されたものであって
、本第１発明においては、従来のものとは測定形態の異
なる新規な構成をもって、特性が均質で経年変化を生じ
ず、しかも高感度測定を期し得る流量センサーの提供を
目的としており、而して本第１発明による流量センサー
は、内部に毛管流路を形成した陶１面矩形のシリコン結
晶製毛管基材に対してそれの一側平面に、無機物質の電
気絶縁膜を設け、該電気絶縁膜上に膜状の発熱抵抗体を
形成すると共に、該発熱抵抗体に対してそれの上流側に
冷接点をかつ下流側に温接点を位置させる状態で膜状の
サーモバイルを設け、更に、前記抵抗体とサーモバイル
の夫々に外部配線接続用のポンディングパッドを設けで
あることを特徴としている。

そして本第２発明においては、上記構成の流量センサー
を大量生産し得、延いては、該流量センサーを廉価に製
造することのできる方法の提供を目的としており、而し
て本第２発明による流量センサーの製造方法は、はぼ同
寸法の複数個の溝を互いに平行に形成した板状基材と、
該基材の前記溝を閉じる板状魚体とを拡散接合して、多
数の毛管流路を並列に備えるシリコン結晶製の毛管基板
を作製し、該毛管基板の一側平面に無機物質の絶縁膜を
設けると共に、前記毛管流路の夫々に対応する箇所の前
記電気絶縁膜上に膜状の発熱抵抗体を形成し、該発熱抵
抗体の夫々に対して毛管流路の上流側と下流側に相当す
る箇所に冷接点と温接点を位置させる状態で、かつ、前
記発熱抵抗体に対して絶縁状態で、膜状のサーモバイル
を形成すると共に、該サーモバイルに外部配線接続用の
ポンディングパッドを設け、かつ、前記サーモバイルの
形成に先立っであるいは形成後に前記抵抗体に外部配線
接続用のポンディングパッドを設け、更に、無機物質の
表面保護膜を設けて後に前記毛管基板を毛管流路の隣接
中間において切断分離して、複数個の流量センサーを作
製することを特徴としている。

以下、本発明による流量センサーの作製手順について説
明する。

■　先ず、第１図１イ）に示すように、はぼ同寸法の複
数個の溝ａ・・を互いに平行に形成したシリコン結晶製
の板状基材１と、該基材１の前記溝ａ・・を閉じる同じ
くシリコン結晶製の板状蓋体２を用意する、 これら板状基材１並びに板状蓋体２の夫々は、シリコン
インゴットをスライスしたウニハラ使用しており、前記
板状基材１として、タイヤモンドカッターを備えたダイ
シングマシンによって、４５０ｐｆｌさのシリコンウェ
ハに４００Ｐ深さ・８００μ巾・ＩＪＯＯ，ｕピッチの
渦ａ・・を加工したものを用い、板状数体２として、ｉ
％ｌａ・・の長さよりもやや中挟に割円りノ除した４５
０　／Ｊ、厚さのシリコンウェハｔ−用いているが、こ
れらの寸法設定は各種変更可能である。

ｅ　次に、同図（ハ）に示すように、缶体２の割内部の
両側に溝端部を臨ませる状態でかつ該蓋体２によって溝
ａ・・を閉じる状態で、板状基材１と蓋体２とを接合し
、多数の毛管流路Ａ・・を並列に備える毛管基板３を作
製する。

前記板状基材１に対して蓋体２を接合するに際して、同
図（ロ）に示すように、基材１と蓋体２の接合面に、真
空蒸着法やスパッタリング法などによって金の膜す、ｂ
を予め形成し、そして両者１゜２を所定位置で重ね合わ
せてこれを高温・高真空下に保ち、かつ、上下から加圧
し、もって、金膜すを介して基材１と蓋体２とを拡散に
よって接合しである。

而して、かかる拡散接合によれば、その接合面が合金化
するので機械的強度を高く期待でき、かつ、カスのリー
クも認められず、優れた接合を図り得るものとして採用
している。

■　次に、同図（ホ）に示すように、前記蓋体２の外表
面である毛管基板３の一側平面（板状基材１の底面側で
あっても良い。）に、酸化法やスパッタリング法による
二酸化珪素や、あるいは、プラズマＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎの略）法
による凹室化珪素等の無機物質の絶縁膜Ｃを形成する。

この絶縁膜Ｃの形成に先立って、同図に）に示すように
、前記蓋体２の絶縁膜形成面に研摩処理を施す。

即チ、シリコンインコツトをスライス１．テ形成したシ
リコンウェハには、そのスライス面に３０〜６０μ深さ
に達する加工変質層が形成されていて、スライス面が荒
れており、これでは、その表面に絶縁膜Ｃを形成しても
これが剥離する虞れがあり、而してその加工変質層２′
に、ラッピング更にはポリッシング等の機械的な、ある
いは更にアルカリなどの化学溶液を併用した化学的な研
摩処理を施すことにより、絶縁膜Ｃの形成を確実ならし
めるものであり、そしてこの際、熱容量を小に、あるい
は、センサー感度並びに特性を良好にかつ均質ならしめ
る目的で、研摩後の蓋体２の厚さはもとより、毛管基板
３自体の厚さを所定寸法にするために、基材１の裏面側
も研摩する。

■　次に、同図（へ）に示すように、前記毛管流路Ａ・
・の夫々に対応する箇所の前記絶縁膜Ｃ上に、第４つて
形成する。

詳しくは、前記蓋体２の両側に見える溝ａの両端を位置
決めの目安にして毛管流路Ａ・・に対応する所定位置に
、ニッケル・クロム膜をスパッタリング法などにより所
定大きさに形成し、該膜上にフォトレジストを塗布する
。

そして、所定形状の抵抗体パターンを有するマスクｔ−
前記フオドレジストにかりて露光並びに現像を行ない、
該フォトレジストにエツチングパターンを形成するので
ある。

そして次に、イオンビームミリング装置等によって抵抗
体膜をエツチングし、所定形状の抵抗体パター二／を形
成する。次いでイオンビームエツチング又は溶剤等によ
って前記フォトレジストを除去することにより、所定の
パターンの発熱抵抗体４を形成するのである。

尚、第４図中のｄは膜状抵抗体部分であり、ｅ。

ｅはホンティングパッドである。

■　次いで、第１図（ト）に示すように、前記ポンディ
ングパッドｅ・・を除く膜状抵抗体部分ｄ・・の表面に
、スパッタリング法による二酸化珪素やプラズマＣＶＤ
法による１窒化珪素等の無機物質の絶縁膜ｆを形成する
。

■　さて次に、同図（力に示すように、前記発熱抵抗体
４の夫々に対してそれの毛管流路への上流側と下流側に
相当する箇所に冷接点Ｃ・・と温接点Ｈ・・を位置させ
る状態で、前記発熱抵抗体４の上部側にサーモバイル６
を形成する。

詳しくは、第５図に示すように、既述したフォトリソグ
ラフィー及びエツチング法によって、１個の発熱抵抗体
４に対して枚数の金属膜（例えばアンチモン：Ｓｂ）ｇ
・・を並列状に形成し、次に、前記金属膜ｇ・・の各端
部を除く状態で該金属膜ｇ・・の上面に絶縁膜りを形成
すると共に、フォトリソグラフィー及びエツチングによ
って、隣る金属膜ｇ、ｇの端部どうしを接続する状態で
、かつ、前記金属Ｐｇとは異なる材質（例えばビスマス
＝Ｉｈ）の金属膜１・・を形成し、これをもって膜状の
サーモパイル６を形成するのである。尚、図中のｊ、ｊ
は、直列接続された金属膜ｇ・・、１・・の端部夫々に
設けたポンディングパッドである。

■　次に、第１図（男に示すように、外部配線接続用の
ポンディングパッド５・・を、例えば既述したフォトリ
ソグラフィー及びエツチングによって前記ポンディング
パッドｅ、ｊに接続状態で設け、かつ、該パッド５・・
を除いて保護膜ｋを設ける。尚、前記ポンディングパッ
ド５の材料としては、ボンディングの容易さ並びに化学
的安定性等の面から金が最も望ましいが、その材質は種
々変更可能である。

■　さて次に、第２図に示すように、前記毛管基板３を
歪体２の割円切除部近くに沿って切断（図中ｘ　１）す
ると共に、更に、並列状態に形成した毛管流路Ａ・・の
隣接中央において毛管基板３を切断（図中Ｘ２）分離し
、かつ、両側の毛管流路Ａ、Ａにおいては流路Ａ・・の
隣接中央に相当する箇所で円弧部Ａ、　、　Ａ、を切断
（図中Ｘ３）切除して、毛管基板３を断面角形の毛管基
材７・・とすることによって、（功 第３図に示すような流量センサーＳを、１個の毛管基板
３をもって一挙に多数個作製することができるのである
。

上記構成の流量センサーＳに、第６図に示す電気回路を
接続し、前記発熱抵抗体４に電源８から電流を流してこ
れを発熱さセると共に、毛管流路Ａに被測定ガスを流す
のである。

すると、該被測定ガスが加熱されて、発熱抵抗体４の上
流側と下流側における冷接点Ｃと温接点Ｈ間に温度差が
生じる結果、上記接点Ｃ，Ｈ間に、被測定ガスの質量流
量に応じた熱起電力が生じるものであり、この熱起電力
を基にして被測定ガスの質量流量を計測することができ
るのであり、あるいは、成る質量流量に相当する熱起電
力を生じさせるようにガス流量を調節することによって
、被測定ガスの質量流量の制御を行なうことができるの
である。

第７図に毛管基板３の変影例を示す。このものは厚さ方
向で貫通するスリット溝ａ・・を互いに平行に形成した
シリコン結晶製の板状基材１と、該基材１の溝ａ・・を
上下から閉じる同じくシリコン結晶製の２枚の蓋体２，
２とから形成されている。

尚、既述した作製手順の一部を変更することによって、
単品の流量センサーＳを作製することが司能である。

即ち、第８図に示すように、適宜の手段によって毛管流
路Ａを形成した断面が矩形のシリコン結晶製毛管基材７
を作製し、この毛管基材７に対しテ上記■、■、■、■
、■と同様のプロセスを経ることによって、単品の流量
センサーＳを作製でき、かくして作製した複数個のセン
サーＳ・・は、それらの特性が同じものとなる。

本発明の流量センサーＳ並びにその製造方法においては
、 ■＝発熱抵抗体４及びサーモパイル６を、す７トオフ法
によって形成すること。

Ｉ：発熱抵抗体４を形成し、それのポンディングパッド
ｅにポンディングパッド５，５を設けて後に、サーモバ
イル６を形成すると共にそれのパッドｊ。

ｊにポンディングパッド５，５を設けること。

■；サーモパイル６において、一方の金属膜ｇ・・の上
面に他方の金属膜１を設けること。

１ｖ＝毛管流路八方向においても複数のセンサー主体を
形成して、これらを切断分離して多数の流量センサーＳ
を作製すること。

等の変形が可能である。

以上説明したように本第１発明の流量センサーは、温度
差検出器としてサーモパイルを用いたので無電源となり
、電源変動等の影響を受けない高感度測定が可能である
。

毛管流路の上流側及び下流側の絶対温度に関係の影響を
受は難い。

発熱抵抗体とサーモパイルを分離させていること、及び
、有機物質を全く用いていないことによって、センサー
素子の経年変化を生じることがない。

断面矩形の毛管基材の一側平面に、発熱抵抗体とサーモ
パイルを設けるものであるから、それらα５） を半導体プロセスで形成することが可能となり、現在の
半導体技術をもって、均質で信頼性の高い流量センサー
を生産性良く得られる。

更に、発熱抵抗体及びサーモパイルを、例えば金属製の
毛管基材の一側面に設けることが考えられるのであるが
、金属はその熱膨張率が高いために、抵抗体の発熱によ
って毛管流路が曲って計測上の誤差を生じる虞れがあり
、この点にあって毛管基材をシリコン結晶部とすること
により、シリコンはその熱膨張率が金属例えば鉄の約ん
で曲りによる計測上の誤差を極めて小にでき、優れた計
測結果を得ることができるのである。

そして本第２発明による流量センサーの製造方法によれ
ば、上記した優れた機能を有する流量センサーの複数個
を一挙に得られるものであり、これによって、均質で信
頼性が高く、シかも、経年変化を生じない等の優れた機
能を有する流量センサーの多量生産を実現でき、延いて
は流量センサーの大幅なコストダウンを達成するに至っ
た。

【図面の簡単な説明】

（１６） 図面は本発明による流量センサー及びその製造方法に係
り、第１図（イ）〜（す）は流量センサーの製作手順を
示す説明図、第２図は流量センサーを切断分離する以前
の全体平面図、第３図は流量センサーの縦断面図、第４
図は発熱抵抗体のパターンを示す正面図、第５図はサー
モパイルの斜視図、第６図は電気回路図、第７図は毛管
基板の変形例を示す部分破断分解斜視図、第８図は毛管
基材の変形例を示す部分斜視図である。第９図は従来の
流量センサーと共に電気回路を示す説明図である。 １・・・板状基材、２・・・板状蓋体、３・・・毛管基
板、４・・・発熱抵抗体、５・・・ポンディングパッド
、６・・・サーモパイル、７・・・毛管基材、ａ・・・
溝、ｋ・・・表面保護膜、Ａ・・・毛管流路、Ｃ・・・
冷接点、Ｈ・・・温接点、Ｓ・・・流量センサー。 α“）−１１？：

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　内部に毛管流路を形成した断面矩形のシリコン結晶
   製毛管基材に対してそれの一側平面に電気絶縁膜を設け
   、該電気絶縁膜上に膜状の発熱抵抗体を形成すると共に
   、該発熱抵抗体に対してそれの上流側に冷接点をかつ下
   流側に温接点を位置させる状態で膜状のサーモパイルを
   設け、更に、前記抵抗体とサーモパイルの夫々に外部配
   線接続用のポンディングパッドを設けであることを特徴
   とする流量センサー。 ■　はぼ同寸法の複数個の溝を互いに平行に形成した板
   状基材と、該基材の前記溝を閉じる板状蓋体とを拡散接
   合して、多数の毛管流路を並列に備えるシリコン結晶製
   の毛管基板を作製し、該毛管基板の一側平面に電気絶縁
   膜を設けると共に、前記毛管流路の夫々に対応する箇所
   の前記電気絶縁膜上に膜状の発熱抵抗体な形成し、該発
   熱抵抗体の夫々に対して毛管流、路の上流側と下流側に
   相当する箇所に冷接点と温接点を位置させる状態で、か
   つ、前記発熱抵抗体に対して電気絶縁状態で、膜状ノサ
   ーモバイルを形成すると共に、該サーモパイルに外部配
   線接続用のボンディングバッドヲ設け、かつ、前記サー
   モパイルの形成に先立っであるいは形成後に前記抵抗体
   に外部配線接続用のポンディングパッドを設け、巣に、
   表面保論膜を設けて後に前記毛管基板を毛管流路の隣接
   中間において切断分離して、複数個の流量センサーを作
   製することを特徴とする流量センサーの製造方法。