JPS6050419A - サ−マル質量流量計 - 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、液体又は気体等の流体の質ｍ流ｍを測定プる
ことの可能なセンサを有するサーマル質量流量計に間す
るものである。サーマル′Ｒ量流同センザは、熱を印加
し且つセンサを通過して流れる流体の質量流量に依存す
る熱伝達間数を測定することによって動作する。公知の
徊成においては、１−要素型、２−要素型及び３−要素
型のものがある。１−要素型の例としては公知の熱線流
速バ１がある。２−要素型の槽底においては、もう１＠
の要素が他方の要素の上流側に設けられている。

これら両方の要素が電力によって加熱され且つ流体によ
って冷却される。上流側の要素は下流側の要素よりも流
れによって一層冷却され、測定濃度差は流体の質量流量
の間数である。３−要素型偶成においては、上流側感温
要素及び下流側感温要素の間に加熱した要素が設けられ
ている。この凋合においても、温度差が流れの測定値で
ある。水明ｍ書においては、２−要素型のものと３−要
素型のものとに関するものである。

過去において多数のサーマル買ｍ流量検知装置が開発さ
れている。基本的に、これらのものは、流れている流体
に熱エネルギを加えると共に流れている流体に関して離
隔させ流路壁上に設けられている２個のセンサの間の熱
伝達関数乃至は熱質量移動関数を測定するという原理に
基づいて動作するものであった。上流側のセンサと下流
側のセンサとの間の測定温度差は流体の質量流量の関数
である。質量流量と濃度差との間の関係がどの様なもの
であるかということは複雑であり、流体の特性及びセン
サの幾何学的形状によって異なる。

設ｇ１上の変数としては、センサの型（２−要素型又は
３−要素型）、熱伝達表面の寸法及び形状、要素から要
素へ及び要素から壁へ伝達される様な固体熱伝導、熱伝
達表面上の局所的速度に影響を与える流路形状等がある
。流れ信号に影響を与える流体の特性は組成（粘度、伝
導度、比熱等）に依存するものを包含しているが、状態
（温度、圧力）に依存するものは包含していない。何故
ならば、この装置は状態とは独立した質量流量を測定す
ることを意図されているものだからである。

大流量用の１・−マス（Ｔｌ）ｏｍａｓ　＞装置の初期
のものにおいては、何インチもの直径を有するパイプを
使用しており、ボー１〜を介して円形流れチャンネル内
に２個の離「轟させたセンサループを挿入すると共にそ
れらの間に別個の加熱要素を挿入して３−要素型の装置
を形成していた。これらのセンサは、適度の温度範囲に
亘って変化する温度依存性の電気抵抗を有するプラチナ
、ニッケル及びニクロム等の様な物質で形成されていた
。成る温度状態に於１ノる流体が第１の上流側センサを
通過し次いて一層高い温度に加熱されると、下流側の第
２センサの抵抗が変化され、センサ間の測定された温度
差が流量の測定値を表わプ。気体内の温度上昇は、加え
られた！？！ｉｆｉ、センサの幾何学的形状、導電度、
質量流屋及、び気体の特性の１ｌｌｌ数である。

最近になって、２−要素型の質量流闇討及びコントロー
ラがアメリカ合衆国カリフォルニア州カーソンのタイロ
ン　コーポレーションによって開発されており、そのＮ
Ｍ流量計においては、ニクロム線で形成されている１対
の等しく加熱される上流側及び下流側抵抗センサをセン
サ流管の周りに外部的に嘗廿しである。流体（気体）が
管内を流れると、熱が上流側の温度計／センサから下流
側の温度計／センサへ流線に沿って伝達され、流ｍに比
例丈る信号が形成される。流量が高ければ高い程、セン
サ間の信号の差異は一層大きい。各センサはブリッジ・
増幅器回路の一部を形成しており、流れに比例してＯ乃
至５Ｖ直流信号を発生ずる。この信号はポテンシオメー
タ等からの制御電圧と比較され、エラー信号が発生され
てバルブを調節し、予めセットした設定点に到達するま
で流れ状態を変化させる。この流ｍ計におけるセンサ流
管は約ｏ、ｏｉｏ−、’ンヂの内径を有しており、長さ
は１インチよりも長く、２乃至３３ＣＣＭの範囲の流用
を測定可能であるのに過ぎない。一定で且つ既知のバイ
パス比を維持すべく設計されている流れ分岐路を介して
センサの周りに付加的な気体の流れを通過させることに
よってより大きな流用に対して適用される。

アメリカ合衆国ペンシルバニア州のハツトフィールドの
プルックス　インスｉ・ルメントによって販売されてい
るｉｌｌ流量制御器は、水平なバイパスセン＋ｊＭを使
用しており、管の外部に上流側セン４ノコイル及び下流
側センサコイルを設け、これらセンサの間で管の外側に
同様に巻着させたヒータ要素が設けられている。ブリッ
ジ回路が下流側センサへ与えられる一層大きな熱によっ
て発生される）品度差を検知し、増幅器が制卸回路へ出
力を供給する。このセンサ管の内径はｏ、ｏｉｏインチ
乃至０．０６０インチである。上述した２つの装置の各
々において、管壁を介して熱伝導が発生し、その結果比
較的緩慢で且つ長い応答時間、即ち数秒の応Ｍｎ間とな
っている。この様な装置においても、通常、高定のいく
性能を得る為には、流入してくる流体の大気潤度よりも
１００℃乃至２００’Ｃ高い温度へ流体を加熱すること
が必要である。多くの気体に適用する場合に、このこと
は気体の安全な温度限界を超える可能性があり、又気体
を分解させたり汚染物と反応させたりする。非線形であ
り且つ補正係数が不統一的である為に、各々の気体組成
及び流Ｆ［！囲に対して、装置を較正せねばならない。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し新規な偶成を有するサ
ーマル質量流量及びその製造方法を提供することを目的
とする。即ち、本発明は、２−要素型又は３−要素型構
成の熱センサ及びヒータを基板のチャンネル内を延在す
るか又は架橋する一体部材の上に形成されているサーマ
ル質量流Ｍ８１に関するものである。この架橋部材は、
付着及びエツチング方法に続いて、基板内に一連のチャ
ンネル溝をエツチングして流路を形成することによって
形成されている。センサ及び加熱部材は、流体の流れと
熱的に接触している架橋部材上に設けられている。好適
実茄例においては、チャンネルを有する基板とそれと整
合するカバーとによって形成される流路構造が架橋部材
によって２等分されている。基板とカバーとに複数個の
チャンネルを設けるか、又は付加的に一連の積層させた
基板及びカバーを設けることによって冗長度が与えられ
ている。本発明は、更に、流体のサンプルした部分のみ
がアクティブな基板チャンネルを通過する係に配設され
ている基板とカバー又は基板と基板の組立体が設【ノら
れる全体的な流れ管路内に自ａ的な流路を有するもので
ある。

更に詳細に説明すると、本発明は比較的低い流ｍｆ＠囲
においても正確に測定することの可能な極めて高度の冗
長構成を有する内部センサを具備した比較的小さな流路
を有し高速の応答時間とした流量計に間するものである
。これらの流れセンサ及び流路はシリコン基板、マイク
ロエツチング及び膜付着技術を使用することによって形
成される。

特定の適用例としては、半導体ウェハの化学蒸着。

熱酸化及びプラズマエツチングを行なう半導体処理ｖｉ
置における気体流用システムがある。

上述した１阿成を有する本発明の質量流量計は、約０．
２乃〒１１０５ＣＣの極めて低い流量範囲においても適
切な感度でもって流量を極めて正確に　゛測定すること
が可能である。必要な数のチトンネルを並設することに
よって一層大きな流量に対して使用することが可能であ
る。例えば、５，０００３００Ｍ用の装置は、各々が１
０８００Ｍの容量を有する５００個のセンサを並設する
ことによって構成することが可能である。従って、種々
のＭ法のセンサに対して熱的及び機械的な構成を別個に
最適化でる必要がなく、従ってコストを節減することが
可能である。更に、寸法が大きくなれば応答時間が遅く
なり、且つ高流量においてヒータに加えられる電力は過
剰なものとなる。本発明においては、各々が流れ全体の
同一の割合の部分を受け持ち且つ全てが同一の流れ抵抗
特性を有するセンサを並設しているので、理想的な流れ
の分岐及び勺ンブリングを行なうことを可能としている
。このように大量生産され且つ癩価なセン勺要素を使用
しており、多数のセンサを股↓プた高流用装置は適宜の
検査論理と共に欠陥を検出することを可能とし、冗長度
を与えている。

流体の温度センサ及びその上に設けられているヒータを
全体的な流れ管路内のその他の偶成から実質的に熱的１
ｌＩｌ！雌を確保するために架橋部材が構成されている
。このことは、架橋部材の１ｆｌｉＦとの接続部又はそ
の近傍の断面積を減少させ、且つ架橋部材をシリコン基
板上に付着させた二酸化シリコン又は窒化シリコンの様
な低い熱伝導率を有する物質から製造することによって
達成することが可能である。通常ニッケル又は耐火性金
属から偶成されているセンサ及びヒータが架橋部材上に
設けられている。膜付着技ｔｆｇによって適宜の相互接
続部が設けられており、且つ釡表面上に測定される流体
と接触してパンシベーション用の非反応性膜が付着形成
されている。ヒータを流体チャンネルの内部に設けるこ
とによって熱の外部的な自然対流による効果を実質的に
取除いている。従って、その結果得られる装置において
は、姿勢に基づく感度変化が減少されている。

複数個のセンサからの出力が所定の時間に亘って互いに
比較されてそれらの相対的な出力比における変化を検知
し、較正シフトを検出する。低出力センサ（プラグ接続
状態によって発生される）を無視すると共に、最初の出
力比を維持する高出力センサを使用することによって正
確な流れの測定を継続的に行なうことが可能である。セ
ンサの流路とバイパスの流路との間の流体の流れ特性は
、全ての流路に対して（Ｌ／Ｄ）／Ｒｅを特定の値に維
持Ｊるか、又は（Ｌ／Ｄ’）／Ｒｅを１．０以上として
広範囲の温度、圧力及び気体組成に対してサンプリング
精度を確保することによって整合させている。Ｌ／Ｄは
長さと直径の比を表わしており、又Ｒｅは流路のレイノ
ルズ数を表わしている。

（Ｌ／Ｄ）／Ｒｅの比は、非線形の入口及び出口損失と
比較した線形な層流圧力降下の相対的な重要性を表わし
ている。

環境の温度勾配に基づく流れの測定誤差は、高い熱伝導
性を有する基板を使用して、センサ流路内及び流れ管路
の流路ａｍ度を一様に維持することによって減少される
。測定される流体への熱伝達率を一層高くし且っセンサ
要素の質量を小さくすることにより、センサ管の外側に
巻着されているワイヤ要素を有する妊ンサよ“りも一層
高速の応答時間を与えることが可能である。熱伝達率を
高くすることによりセンサの応答時間が減少され、且つ
環境の温度勾配によって影響されることを最小どづる。

本発明は上述した如き特徴を有するので、種々の物質を
化学蒸着によって付着させたり基板又はウェハをエツチ
ングする場合に受信の液体乃至は気体の流量を極めて正
確に制御１１可ることが必要である半導体業界において
バッチ処理又は継続的処理操作として使用することが可
能である。測定されるべき流体は反応性の高いものであ
ってもよい。

個々のウェハを一様に処理するために多くの個別的に制
御Ｉ！される供給点が必要とされる場合がある。

成る場合の処理Ｒａ　ｉｊ極めて短く、秒単位で測定さ
れ、従って流れ測定方式は短い安定化時間を有し且つ早
い応答時間を有するものでなければならない。本発明に
Ｊ３いては、熱伝達が改善されており、且つ外部コイル
、を有する金属検知管よりも数桁小さな熱質量を有ブる
ウェブ乃至は架橋部Ｕを使用し・ているので、応答時間
が高速となっている。

従来のものにおいては数秒で８５つだのと比較して、応
答時間は数ミリ秒となっている。

本発明においては、熱源及びセンサがガスの流れと密接
しており、従って効率を一層向上させると共に操作温度
を低下させている。本発明装置においては、２５℃の温
度差程度の小さな温度差でも有効に動作することが可能
であるが、多くの従来技術の装置においては１００°乃
至２０’０℃の温度差が必要である。又、本発明の改善
された流量５１の典型的な実施例の寸法は小さく、例え
ば１立方インチ程度であり、従って装置全体の寸法を減
少することが可能である。一方、従来の装置においては
１６乃至は６６立方インチ程度の範囲の大きさを有して
いる。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について詳細に説明する。第１図は本発明の流量計１０
を示しており、それは長手方向に延在する一連の浩１３
ａ−ｂを具備した第１基板パネル乃至は要素１１と、対
応する１組の溝１４ａ等を具備するカバープレート乃至
第２要素１２とを有している。要素１１と１２とを組立
ててフリッ１〜接合させることにより、Ｆｔ　１３及び
７４とによって流１８２１が形成される。これら溝の闇
のパネル１１とプレート１２の長子部分は番号１５で示
した様に当接し、従って隣接する溝、例えば１３ａ及び
１３ｂ１は互いに密封状態とされる。

活を少くとも部分的に横断して延在するセンサ要素を形
成するパネル１１の上端を償切って１対の架橋部材又は
ウェア１６ａ　（上流側）及び１６ｂ（下流側）が形成
されている。後に詳述する如く、□このウェブは窒化シ
リコンや酸化シリコンの様な　１熱伝導性及び導電性が
低い物質で形成することが可能であり、ニッケルの柊な
高い熱抵抗係数を有　ｊブる物質をウェブ上に付着させ
てその表面上に濡　“度検知パターン１７を形成してい
る。本明細閂に　１（ｌ”）いて、パ熱伝聯性が低い″
ということは、その熱伝導性が約０．１５ワッｔ−／ｃ
Ｍ℃より小さいも　゛のであることを意味覆る。適宜の
電気的相互接続　（・パターン１８ａ及び１８ｂがセン
サパターンから　−）８度検知用のブリッジ回路（第２
０）へ延在して　１いる。上流側センサ１６ａと下流側
センサ１６１１　Ｌとの中間に第３ウエブ１６Ｃが設【
プられており、　νそれは抵抗ヒータとして機能する高
抵抗のバター　省ン１７ａを有している。動作について
説明すると、流体が流路２１内をセンサ１６ａがらセン
サ１６ｂへ送給すると共に、ヒータ１７ａが上流側のセ
ンサ１６ａと下流側のセンサ１６ｂとを差動的に加熱す
る。各ウェブ１６ａ−ＯＩＪ！溝と溝との間の平坦表面
１５と接続する接続点に隣接して矩形の穴１９．２０が
設けられており、取付点における断面積を減少させると
共に、センサ及びウェブがら基板パネル１１への熱伝導
を制限している。好直実施例においては、各ウェブ１６
ａ−ｃが対向する清、例えば１３ａと１４ａ等によって
形成さする流路２１を実効的に２等分している。

典型的な実施例においては、縦横高さが０．３イ／チＸ
　０．３イ／チＸ　０．２０ミルのシリコンチップ二〇
飼の溝が設けられており、谷溝は３Ｗｌのつ工ｌを有し
ており、その内２つは温度センサを有し５おり、中間の
ウェアは電気的に駆動される抵抗二一夕を有している。

パネル１１及びカバー１２１のチャンネルは約２．８ミ
ルの深さを有しており、〔って流路２１の高さは約５．
６ミルである。チャンネルの幅は約２３ミルである。ウ
ェブはヂ１７ンネルを横切っての幅が約２３ミルであり
、高さが約３ｐｍであって、チャンネル長１こン台って
７７ミル延在している。ウェアは中心間川明において３
５ミル師隅しており、一方ヂヤンネルは中心間距剛にお
いて４３ミルＦ＠隔している。

第２図は上述したセンサと共に使用することの可能な制
量回路を示している。ウェブ１６ｃ上のヒータ１７ａに
よって印加されるセンサパターン１７の）易度差によっ
てセンサ抵抗内に発生される在化に基づく鋸度を表わす
信号を担持する相互接続体が従来のブリッジ回路２２へ
接続されている。

回路２２は温度差を検知し、差信号を増幅器２３へ供給
する。増幅器２３はアナログ・デジタル変換器２４を介
して制御回路２６へ出力を供給する。

他のヂトンネルにおける他のグループのセンサからの（
＝Ｊ加的な入力２６ａ−ｃをアナログ・デジタル変換ｆ
ｆ３２４へ接続し、流れの牌Ｊｌｌ！値を冗長してｆ共
給することが可能である。制御器２６は設定点入力端を
有しており、その人ツノ端における信号が変換器２４か
らの入力と比較されて流体流れ制御バルブ２７を操作し
流体導管乃至はチャンネル内の流体の流れをその設定点
へ調節する。

小型のセンサ流路は粒子汚染によって影響され、較正点
をシフトする可能性がある。単一の基板内に多数の流れ
センυを偶成することにより、センサに対し経済的に冗
長度を与えることが可能である。一連の並列接続したチ
ャンネル内にお【プる各センサ流路を独立してモニタす
ることにより、チャンネル内の各センサの組合せの相対
的な出力を比較することが可能である。成るチャンネル
内の特定のセンサの組合せの出力が他のチャンネルと比
較して低下している場合には、低出力を出しているセン
サチャンネルが汚染されているか又は粒子汚染によって
部分的に閉塞されていることを表わ１゜ 制卸回路２６は元の（汚染されていない）流れ比が維持
されているか否かを判別し、その結果汚染されていない
場合には、全てのセンサのグループの読取値を平均化で
る。一方、相対的な流れ比が変化する場合には、低い値
を示しているセン１すのグループからの読取値を無視し
、元の流れ比を維持しているチャンネルからの高い読取
値のみを流れ状態を表わすものとして使用する。元の流
れ比が維持されない場合には、汚染状態が発生している
ことを表わすアラーム信号が発生される。

比例的・積分・微分制卸アルゴリズムを使用して下流側
のバルブをサーボ動作さゼ流れを設定点へ制御する。従
来の装置においては、各センυとバイパスとの組合せ及
び特定の気体組成に対して特有の出力及び制御ｎの直線
性をＲＩＭ　ｆｌｆｌ　ｎる為に個々的に較正を行なう
ことが必要である。本発明においては、能動的なセンサ
流路と受動的なバイパス流路（第３図ンの両方に対する
流体の流れ特性を密接して維持することによって、広範
囲の潤度。

圧力及び気体組成に亘ってサンプリング精度を維持づる
ことが可能であるということが分った。

較正器乃至はメモリ調べ器２８は、マイクロプロセサを
有しており、該マイクロプロセサはプログラム可能なリ
ードオンリーメモリ（ＦＲＯＭ）内に較正用のテーブル
データをプロットすると共にストアし、流れている気体
に対する小さなセンサの非線形性に対し補正を行なう７
１ヘリクス状のデータポイントを有している。他の気体
に対する変換常数がテーブル内に設置Ｊられており、他
の気体が選定された構台には、コンピュータが自動的に
増幅器の利得を調節する。センサのサンプリング精度及
び直線性が維持されるので、出力信号レベルをセンサ増
幅器のスケール係数によって成る１つの気体から別の気
体又は混合気体に対してスケーリングすることが可能で
ある。スケーリングされると、流れはフルスケールの範
囲を変化させ、最大流量におけるセンサの圧力効果ΔＰ
及びバルブの圧力効果ΔＰの値を変化させる。このΔＰ
が外部的な条件によって過剰であると、フルスケール範
囲の定格を上述した如くセンサが線形である場合に得ら
れる流量から減少さゼる必要がある。

最大流ｍにおいて同一の線形性がある場合には以下の如
き間係が成立する。

Ｌ／Ｄ −ｍｉｎ　、　＝　同一の　Ｒｅ）ｍａｘｅ −同一の（ρｓＱｓ）ｍａｘ μ μ Ｑｓ）ｍａｘ＋ｘ　− ρＳ 尚、ρＳは標準状態における密度であり、ＱｓはＳ　Ｃ
、ＣＭ単位での流量であり、μは粘度である。

センサの圧力降下は流れ及び粘度と共に変化し、以下の
如く表ね４ことが可能である。

ΔＰ　ｏＣμＱｓ ΔＰｃＩ：　μ２／ρＳ　（セン４））ΔＰが上昇する
と密度が増加づるので、バルブの広間圧力降下は流れの
非線形関数である。しかしながら、低△Ｐにおいては、
以下の如く近似することが可能である。

ΔＰ　ｃｃ　ＰｓＱｓ２　（近似） 従って、新たなセンサの流れにおいては、ΔＰ　伏　μ
２゛／ρＳ　（バルブ） 上式の関係は多少保守的である。即ち、バルブの圧力降
下が高くなると、実際の値は計界したよりも多少低くな
る。センサ及びバルブの圧力降下スケーリングは粘度及
び密度に関し同じであるので、全圧力降下は同一の係数
によってスケーリングすることが可能である。

Ｎ２との比較 相対　相対　相対　相対的　相対的制ｍ１器密度　粘度
　流れ　圧力降下　定格例 Ｎ２　１，０００　１，０００　１．０００　１．００
０　３０／２Ｈ２０，０７１９０，５０２６，９８２３
，５０５２００／　６ｌ−１ｅ　００１４２７　１，０
５３　７，３７９　７．００８　２００／１１アルゴン
　１，４２６３　１．２８３　０．９００　１ｊ５４　
２５／　２　ｏｒ　３０．’　３ＳｉＨ４１，Ｔ５１　
０，６４９　０．５６４　０．３６６　１５１０．６ｏ
ｒ２０／１ｓ＋Ｈ２ｃ１２３．ｅｏａ　ｏ、６０３　０
．１６７２　０．１００８　５１０．２ＳｉＣ１４ｅ、
ｏ５２　０．５４０　０，０８９２　０．０４８２　３
１０．１バルブ制御 完全な流れ制御システム内のバルブ制御は前述した様な
センサ１ｌｉｌＪ１１１とは独立している。センサ及び
それに開運したレギュレータ乃至はコン１−ローラは独
立した流れ１−ランスデューザとして考えられる。流れ
制御回路は１ｌ１９定した流れ信号を入力信号と比較し
、流れ内のセンサと直列して設けられているバルブを操
作することによって差をＯとするように動作する、公知
の如く、動的ＩＩＩＩｔＩｌアルゴリズムをＭｌ化して
最良の応答及び制御の定常状態精度を与え、且つセンサ
及びバルブの動的特性に依存づる。

第３図は流管バイパスシステムの１部を形成するフロー
メータ１０を示している。通常ステンレススチールで４
１ｆｆ成される流れｗ９管４０は受動的なバイパス通路
４１乃至４４及び導管の中央において横方向に延在して
設けられている流れ分岐流開削１０を有している。２部
栴成からなる基板４５内の能動的センサ流路２１は導管
４０の壁内の全ての流路を通過する全体の流れの１部を
サンプルする。４１乃至４４で表わされている流路はセ
ンサ１０の長手方向に延在している卵容器状のパンフル
乃至は壁によって取囲まれており、流体の受動流路を形
成している。全ての能動的センサ及び受動的バイパス流
路に対して、（Ｌ　／　Ｄ　）　、／Ｒｅ≧　１．０の
条件を維持することにより、一定で線形的な流れの分岐
を確保することが可能である。Ｌ／Ｄは、センサを有す
る流路又はバイパスの両方において、流路の実効的な長
さと直径の比である。

Ｄは水力学的直径であって、流路の断面が円形でない場
合には、４Ｘ（断面ｆＪ’ｌ／周辺長さ）で表わされる
。Ｒｅは流路内の流れのレイノルズ数である。（Ｌ／Ｄ
）／Ｒｅが小さくなり過ぎるとく　１．０以下）、流れ
とΔＰとの間の関係を表わす曲線は入口及び出口での損
失効果により直線性（層流）から逸れることとなる。

流れ一ΔＰ曲梓が線形である場合には、センサの流れは
全体の流れ（センサ＋バイパス）の一定の割合の１部で
ある。気体が異なるとスケーリング係数が変化する場合
があるが、気体の特性と最人流轡との相合ぜが（Ｌ／Ｄ
）／Ｒｅを余り低くしない限り線形性が変化することは
ない。

（Ｌ／Ｄ）／Ｒｅが低過ぎると、流れは圧力降下に関し
線形では無くなり、非線形性は圧力、温度及び気体の特
性によって変化する。従って、一定の流れの分岐を維持
づる為には、センサ及びバイパスが同一の長さ及び直径
であることが必要である。そうでないと、（Ｌ／Ｄ）／
Ｒｅが異なると異なった線形性からの逸れを発生し、従
って較正（キャリフレージョン）は気体の特性及び状態
によって変化することとなる。この様な直線性からの逸
れを第９図に示しである。

第４図に示した如く、ウェブ１５ａ−ｃは空気流内にお
いて羽乃至は翼として門前する。１実施例において、こ
のウェブは１乃至７ｐｍの厚さを有している。Ｕ口の入
射角から少し逸れるだけで入射角を増加させる様な不均
面な力が発生される様に空気力学的な力が作用づる。入
射角に対重るこの空気力学的力の変化割合が偏向に対す
るｔｌ緘的抵抗（即ち、スプリング常数）の変化割合よ
りも大きい場合には、スト−ルが発生ずるまで入射角が
増加する。ストールが発生すると、空気力学的な力が減
少され、羽は小さな入射角へ復帰し、ストールの回復が
行なわれ、その様なプロセスが繰返される。このサイク
ルは迅速に繰返して行なわれフラッタ−と呼ばれる。

この様なウェブに関する潜在的な問題は、翼状ウェブ及
びその支持体捩り剛性を十分に大きくしてフラッタ−を
防止するか、又は翼の屈曲ピボット点を岡の圧力中心（
２５％弦の点）の前側に位置（＝Ｊけて応答が自己励起
型ではなく自己矯正型とすることによって解決すること
が可能である。本発明の構成における計界から示される
如く、フラッタ−を防止づるのに十分な程度に支持体の
剛性を大きくすることが可能であるが、この部分の４ｎ
或は壁からの熱的な０ＩＩＩＩＩに関して妥協を行なう
ことを必要とする。最悪の条件下において（最大の入口
圧及び密度で下流側に流れの抵抗となるものが無い場合
）、適切な剛性を有する構成は無視づることは出来ない
が認容することの可能な熱伝導性を有するものである。

支持体を非対象に形成して屈曲点を翼の先端へ近付ける
ことによりこの様な妥協を改善することが可能である。

第５図は典型的なセンサ乃至はヒータ５０の詳摺を示し
ている。ウェブ６１ａは長手方向チャンネル６５の両側
における基板平坦部５１及び５２の間に架橋している。

矩形の穴５３及び５４がウェブ６１ａの平坦部５１及び
５２への接続部においてエツチング等により切除して設
けられており、小さな断面積を有する接続体５５ａ、５
５ｂ及び５６ａ、５６ｂを形成している。このことは、
ウェアから基板へ熱が流れることを防止することに貢献
する。ウェブ６１ａの表面はニッケル又はクロム等の様
な高い温度抵抗係数を有する物置でジグザグ状のパター
ン６２ａ乃至６２ｄを有しており、その表面上に温度セ
ンサ乃至はヒータを形成している。

第６Ａ図は第５図中の直＃１１６−６に治って取ったウ
ェアの断面図であって、シリコン基板６０と架構部材乃
至はウェブ６１ａを形成する窒化シリコン（又は酸化シ
リコン）付着層と、抵抗パターン６２ａ−ｄと、窒化シ
リコン（又は酸化シリコン）被覆層６３と、ウェブを雨
後のエツチング工程から保護するレジスト層６４とを示
している。

第６Ｂ図は、ウェブ６１ａ及びパターン化したセンサ６
２ａ−ｃｌの最終的な形態を示しており、その上に被覆
されている窒化シリコンコーティング６３のパッシベー
ション用非反応性税及び窒化シリコン、パラリン（Ｐａ
ｒａｌｙ口ｅ）、トリフルオロクロロエチレン（テフロ
ン）、ポリイミド、二酸化シリコン等の様な付加的なパ
ッシベーション用非反応性フィルム層６７を設けてウェ
ブ及び基板を流量計を通過して給送される反応物から保
護する。従来のエツチング工程の結果として、湾６５は
ウェア下側の基板を長手方向に延在している。

従って、ウェアは整合されている基板とカバーの夫々の
溝によって形成されている流路を２等分している。

１個の溝を有すると共に２個のセンサを有し、且つ基板
とカバーとの間にフリットのシールを施した１個のエツ
チング形成した流路シリコン基板を！！７造する典型的
なシーケンスは以下の如くである。即ち、熱酸化によっ
て基板上に５，０ＯＯＡのＳｉ　０２ＦＦを形成する。

全部の側面にフォトレジストを付与し、ウェブ及び相互
接続径路を刻設するだめのマスクを使用して露光及びｍ
像を行なう（☆）。醇化マスクをエツチングし、レジス
トを剥離し、且つシリコンを５μｍの深さへ等方的にエ
ツチングする。化学蒸着（ＣＶＤ）によって　２．００
ＯＡの序ざの３１３Ｎ４居を付着形成し、フｉ　ｔ−レ
ジストを付与し、マスクを介し゛（上面を露光するとと
もに現像しく☆）、マスク領域をエツチングしく☆）レ
ジストをｆｌＩＪ　ＮｉＬ　、上面のコンタク１〜ビツ
トを非等方的に２．５乃至３ミルの深さにエツチングし
、必要な場合にＳｉ　３Ｎａ　、必要な場合にはＣＶＤ
　５ｉ３Ｎｉを剥離し、背面側にフォトレジストを且っ
前面側にマスクを付与し、溝を介して背面側を露光づる
とともにレジストを現像しく☆）、マスクをエツチング
しく☆）、レジスｊ・をｆ１離し、上面側のコンタク１
ヘピツトへ貫通して底部の溝を約１８．５ミルの深さへ
エツチングしく☆）、８１３Ｎ４を剥離し、３０，０Ｏ
ＯＡ　ｆ７）　シｕ　−１ンを酸化して二酸化シリコン
とさせ、クリーニングし、前面及び背面にニッケルを付
着形成し、前面にレジストを付与すると共に背面をマス
クし、前面の相互接続体及び抵抗用マスクを露光すると
・共に現像しく☆）、前面のニッケルをエツチングし、
レジストをＰｕ１ｌし、レジストを付与し、ウェブ及び
溝用のマスクを露光し、レジス１へを現像し、５ＩＯ２
をエツチングしく☆）、シリコンを２．８ミルの深さへ
エツチングし、背面側にフＡトレジスｉ〜を付与し、背
面相互接続体マスクを露、光し、レジス］・を現像しく
☆）、ニッケルをエツチングしく☆）、レジストを剥離
し、窒化シリコンを付着形成し、背面側にレジストを付
与すると共に前面側をマスクし、開放背面コンタクトマ
スクを露光し、レジストを現像しく☆）、窒化物をエツ
チングしてニッケルのポンディングパッドをオーブンに
させると共にレジストをｆ！ｊ陛する（☆）。尚、上記
シーケンスにおいて、（介）を付したステップは検査を
行なうステップであることを表わしている。又、レジス
ト、エッチャント、反応物及び詳細な製造技術は半導体
製造技術において通常に使用されているものである。上
述したステップのシーケンスを行なうことにより第６Ｂ
図に示した框造の流量計が得られ、ｆｖ面側（カバーに
対向する側面と反対の側面）上に電気的コンタクトが設
けられており、そのコンタクトヘセンサパターンから薄
膜ニッケルリードが延在している。これらのリードはシ
リコンウェハを介して選択的にエラ、チングした透孔を
介して延在している。

第７図は本発明で使用されるセンサの別の実施例を示し
ている。ウェブ７゛０が１個の平坦部７６からエツチン
グ形成した溝７９の方へ片持梁状に延在しており、その
自由端は平行な平坦部７８から約３ミル離隔した点に位
置している。本実施例においては、センサ抵抗を並設し
て示してあり、互いに対向し＃を隔された抵抗母＃！Ｊ
７１．７３とそれらの間に設けられた抵抗要素７２ａ、
７２ｂ及び７２Ｃとを有しており、リード７４及び７５
が母線の対向端部から延在しており、それらの母線は開
口（コンタクト窓）及び相互接続リードによってコンタ
ク１−パッドへ接続されており、それらのコンタクトノ
５ツドはブリッジ回路（第２図）へ接続されている。第
５図及び第７図に示した抵抗径路は一体的な加熱要素と
して機能すると共に、２−要素型流量計にＪ５ける温度
センサとしても慨能する。

第８図は一層大きな流量を処理するのに適した流量計の
積層信造を有する実施例を示している。

この堤合には、内１１＋ｌ＋基板８２及び８３は一側面
上にウェブ及び活を有しており、且つ他側面上にウェア
のない溝を有しており、それと隣接する基板に対してカ
バーとして１履能する。平坦な上面８６を有し底部に溝
を形成した第１図のタイプの基板カバー８１を使用して
基板８２のウェブを有する溝を設けた上面に当接させて
ｑす、ウェブを有する溝を設けた上表面を有する基板８
４を使用して基板８３の溝のみを設けた下部表面へ当接
させている。基板８４は古のない平坦な底部表面８７を
有している。所望の流百範囲、所望の冗長度及び導管８
５の直径に応じて任意の数の汎を基板に酸１プることが
可能である。チャンネル同士を適切に接合させてエツチ
ングしたｆ１加的な基板を積層させてサンドイッチ構造
を構成づることが可能である。

以上、本発明をシリコン基板を使用した場合について説
明したが、二酸化シリコン又はサファイア等の様なその
他の結晶性乃至は非結晶性物質又はニッケル、モネル（
、ｍｏｎｅｌ　）又はステンレススチール等の様な金后
を基板又はカバーとして使用プることが可能である。ウ
ェブを基板の１〜ツブレベルに設けた場合を示したが、
基板の中間のレベルに形成することも可能であり、溝を
設けていないカバープレー１−を使用して全流路を閉じ
ることが可能である。本明ｍ書において使用する゛′ウ
ェブ″という用語は付着形成した支持体層及び抵抗径路
と、設けた場合にはそれと関連する保護層とを意味して
いる。ウェブは、図示した如く、チャンネル架橋部材と
することが可能であり、又はチャンネル底部の様な壁表
面から台座状に上方向へ延在するものでも良く、又はウ
ェブ区域をアンダーカットすることなどによって基１反
から熱的に間隔して（−Ｊ設した暦としてチャンネル壁
内側表面上に形成でることも可能である。

つ■ブが能動流路を２等分でる好適実施例において蓼よ
、ウェブの好適な厚さ乃至は重点（流体流路に対して垂
直方向）は約１乃至７戸の範囲である。この実施例にお
いて（ま、ウェアの浮さは、好適には、能動流路の全高
さの約１％乃至５％である。

更に、等しく加熱く流れ熱し条件下において）したセン
サからの流体の流れによって生じる温度差にｒ４Ｅして
センサ制御を行なう場合について説明したが、その様な
制卸はその他の方法によって行なうことも可能である。

例えば、ヒータの電力は出力温度差信号とは独立的に調
整することが可能である。この点に関する変形例として
は、適宜の変＠（電圧、電流、電力、又１３Ｌそれらの
組合せ）を調整すると共にヒータ抵抗の温度係数を適切
に選択することによって１ワることの可能な自動的）届
度補［Ｆｔ等がある。又、温度差信号はヒータのフィー
ドバック制御によって調節することが可０しである。ヒ
ータの励起（電圧又は電流）が出力信号となる。更１こ
、上述した偶成の何れかにおいてｘｒｒｉｍされるパラ
メータの可変スケジュールをその他のパラメータ（例え
ば、温度又は出力信号レベル）のＩｐｌ数として使用し
、補償ハ至は線形化を達成することが可能である。以上
、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが
、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきものでは
なく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の
変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の質ｍ流量計センサ及び加熱偶成を示し
た部分切断斜視図、第２図は本発明流邑削及び流れ制ｎ
器を示した説−切回、第３図は流体専管内に流体バイパ
スと共に一体化したＩｆｆｔ流量計の断面図、第４因は
第３図における４−４！に沿って取ったａｉ面図、第５
図は基板ウェア上に付着形成した典型的なセンサを示し
た拡大図、第６Ａ図はチャンネルエツチングを行なう前
の基板上に設けたセンサの第５図の６−６１ｉ！に沿り
て取った断面図、第６Ｂ図はチャンネルエツチングを行
なった後の基板上に設（）たセンサの第５図中の６−６
線に沿って取った断面図、第７図は片持梁状の架橋部材
又はウェアの別の実施例を示した平面図、第８図は流体
導管内に冗長なアレイを形成する一連の流量計基板を示
した本発明の別の実施例を示した部分断面図、第９図は
流路の長さ／直径と流路のレイノルズ数の比の関数とし
て流れが線形特性から逸れる状態を示したグラフ図、で
ある。 （符号の説明） １０：　質量流量計 １１：　基板パネル １２：　カバープレー１〜 １３．１４　：　ｒＲ １ら：　平坦部 １７：　湿度検知パターン １８：　相互接続パターン ２１：　流路 特許出願人　イ　ノ　バ　ス 手続補正口 昭和５８年１２月ｔ！１日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示　昭和５８年　特　許　願　第　２０３
７５２　＠２、発明の名称　サーマル質量流量計 ３、補正をする壱 事件との関係　特許出願人 名称　イノバス ４、代理人 ５、補正命令の日付　自　発 ６、補正により増加する発明の数　な　し７．１正の対
象　図　面 ８、補正の内容　別紙の通り

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体用のサーマル質量流！ｆｆｆにおいて、基板を
   有すると共に、流体を輸送するために前記基板の表面上
   に延在して設けた細長チャンネルを有しており、前記基
   板は互いにＰＩｉ隔されて且つ前記チャンネルの少くと
   も１部を横切って延在している少くとも２個の一体部材
   を有しており、前記部材の各々の上に温度センサを形成
   する手段を有しており、流体が輸送される際に前記セン
   サ間の温度差を与える為に前記流体を加熱する為の手段
   が前記チャンネル内に設けられていることを特徴とすル
   サーマル’ＲＩ　２ｍ　ＩＩ　Ｎｌ。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記センサ手段が
   前記部材上に延在している抵抗パターンであることを特
   徴とするサーマルｎ量流量計。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記一体部材が前
   記チャンネルの横断方向に一方のチャンネル端部から別
   のＮｌ！隔されているチャンネル端部へ延在しているこ
   とを１とするサーマル質量流百計。 ４、特許請求の範囲第２項において、前記一体部材が前
   記チャンネルの横断方向に一方のチャンネル端部から片
   持梁上に延在していることを特徴とするサーマル質量流
   量計。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記部材から前記
   基板への熱伝導を最小とする為に前記部材内に減少した
   断面積を形成する手段を設けたことを特徴とするサーマ
   ル質量流量計。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記減少した断面
   積を形成する手段が前記部材と前記チャンネルとの間の
   接続部に隣接した間口を有することを特徴とするサーマ
   ル質量流量計。 ７、特許請求の範囲第１項において、前記部材が熱伝導
   率の低い物質から構成されていることを特徴とするサー
   マル質量流量計。 ８、特許請求の範囲第１項において、前記基板内に複数
   個のＩ艮゛チャンネルが設けられており、且つ前記複数
   個の細長チャンネルを横切って複数個の一体部材が設け
   られていることを特徴とするサーマル質量流量計。 ９、特許請求の範囲第１項において、各々が前記温度セ
   ンサの１つを担持する２個の一体部材が設けられており
   、且つ前記２個の部材の間であって前記流体を加ａする
   手段を取付ける為に前記部材から離隔して設けられてい
   る第３の一体部材を有することを特徴とするサーマル質
   量流量計。 １０、特許請求の範囲第９項において、前記３個の部材
   が前記センシ及び加熱手段を形成する為にその上に抵抗
   パターンを形成する手段を有することを特徴とするサー
   マル質履流百計。 １１、特許請求の範囲第１項において、前記基板が前記
   チャンネルと前記一体部材とを具備した第１要素と、剪
   記第１要素の前記チャンネルに対応するａ艮チャンネル
   を具備した第２要素とを有しており、前記要素が互いに
   接着されていて、前記一体部材が前記対応するチャンネ
   ルによって形成されている流路を２等分していることを
   特徴とするサーマル質量流量計。 １２、サーマル質量流量計において、流れ導管と、前記
   導管の１部を横切って延在する流れ分岐基板部材と、前
   記基板部材の外部において前記導管内の受動流体流路を
   形成する手段と、細長チャンネルを形成する手段ど、前
   記チャンネルを横切って延在しており且つ前記チャンネ
   ルの艮手刀向に互いにＰＩｉ隔されている前記基板と一
   体的な少くとも１対の温度検知部材を形成する手段と、
   前記チャンネル内に設けられており前記チャンネルを介
   しての流体の流れから得られる前記温度検知部材を差動
   的に加熱すると共に前記流体の流量を表示する手段とを
   有することを特徴とするサーマル質量流量計。 １３、特許請求の範囲第１２項において、ｆｆＪ記基板
   基板部材記導管を横切って左右対称に延在していること
   を特徴とするサーマル質量流量計。 １４、特許請求の範囲第１２項において、前記基板部材
   内に複数個の測長能動チャンネルが同一面内に位置して
   設けられており、前記チャンネルの複数個のものが前記
   少くとも１対の温度検知部材を形成する手段と前記差動
   的に温度検知部材を加熱する手段とを有しており、その
   際に前記導管を横切って複数個の流体の流量の読みが得
   られることを特１歎とブるサーマル質量流量計。 １５、特許請求の範囲第１４項において、各チャンネル
   内における流量をモニタする手段と、障害物が存在する
   チャンネルであることを表わすチャンネル内の流量の低
   い読みを無視する手段とを有することを特徴とするサー
   マル質量流量計。 １６、特許請求の範囲第１２項において、前記導管を偵
   切って平行に延在する複数個の基板部材を設けてあり、
   各基板部材が前記流れ測定差動温度センサを具備した複
   数個の能動チャンネルを有するものであることを特徴と
   するサーマル質量流量計。 １７、特許請求の範囲第１４項において、前記チャンネ
   ルと前記受動流体流路に対する流体の流れ特性を整合さ
   せる手段を有することを特徴とするガーマル′Ｒ量流量
   訂。 １８、特許請求の範囲第１４項において、（Ｌ／Ｄ）／
   Ｒｅの比を１．０以上に維持する手段を有しており、Ｌ
   ／Ｄは複数個の能動チャンネルと受動流体流路の実効的
   な長さ／直径であり、Ｒｅはチャンネル及び受動流体流
   路内の流れのレイノルズ数であることを特徴とするサー
   マル質１　＊　Ｉ　ｌｉｔ。 １９、サーマル質量流量計を製造する方法において、 ａ）　基板を用意し、 ｂ）　前記基板上に低熱伝導率で電気的絶縁性の支持層
   を付着形成し、 Ｃ）　前記層上に電気的抵抗物質を付着形成し、ｄ）　
   前記電気抵抗物質をエツチングして別々の区域にパター
   ンを形成して前記支持層上に抵抗径路を形成し、 ｅ）　前記基板の不連続的に＠隔して整合した部分の上
   において前記電気的に絶縁性の支持層を有限の寸法にエ
   ツチングし、 ｆ）　前記基板内に前記基板を横断し且つ各不通続部分
   において＊１＆！Ｍ及びパターンの下側を延在、する長
   手方向力溝を前記基板内にエツチング形成し、 ｇ）　前記基板の−を形成した側面をシールして流体の
   流路を形成し、該流路が前記抵抗径路を有すると共に前
   記流路を横切って延在し連続的にＰｌｉ隔した方向に延
   在する前記層の残部を有覆ることを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１９項において、前記基板がシリ
   コンであり、前記支持層がシリコン化合物であり、前記
   高抵抗物質がニッケルを含有することを特徴とする方法
   。 ２、特許請求の範囲第１９項において、前記シール工程
   において、基板カバーを用意し、前記カバーの表面に汎
   を形成し、前記カバーの満は前記基板の溝と対向し且つ
   整合して流路を形成し、該流路内を前記連続的に方向付
   【プられた前記層の残部が前記流路を横切って延在する
   ことを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１９項において、前記残存する層
   と前記基板の間の熱径路断面を減少する為に前記基板と
   の接続部に隣接した前記層の前記残存部分内に開口をエ
   ツチング形成することを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１９項において、かくして得られ
   た基板の露出表面上にパッシベーション膜を付着形成す
   ることを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１９項において、工程ｂ）におい
   て、前記基板を横切って一連の溝をエツチング形成し整
   合したチャンネルを形成することを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１９項において、一連の基板を用
   意し、前記基板の両側面に一連の溝をエツチング形成し
   、これらの基板を組合せることによって流路を横切って
   延在づる残存層部分を有する溝を整合させることによっ
   て流路を形成することを特徴とする方法。