JPS6243522A - 流量センサ - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、絶縁基板上に薄膜状の発熱抵抗体を形成し、
さらに温度補償用抵抗体を付加した熱式流量センサの構
造に関する。

〈従来の技術〉 従来、熱式流量センサとして以下の種類がある。

（１）流路用主管にバイバヌ流路用の側路管を設け、こ
の側路管へヒーターを連結し、側路管を加熱した際の流
体の流れにより側路管の流れ方向に生じる温度分布から
流量を検知する方式を用いた流量計。この流量計は精度
が良く、半導体ガスの流量コントローラーとしてなど広
く用いられているが、構造上小型化や量産に不向きで、
高価であるため用途が限定されてしまうという欠点があ
る。

（２）流体中に発熱抵抗体と測温抵抗体を設け、上記発
熱抵抗体を加熱し、上記発熱抵抗体から周囲の流体に伝
達される熱量の変化を利用して流速を測定する方式を用
いた熱線式流量センサ。

この方式では測温抵抗体によ多流体の温度を検知し、流
体と発熱抵抗体の温度差を一定に保持することによシ、
流体温度の影響を補償することができ、かつ迅速な応答
が得られる。この方式を用いた流量センサには従来発熱
抵抗体と測温抵抗体に白金やタングステンなどの抵抗線
を用いたものがあるが、抵抗値が小さく素子間のバラツ
キも大きいので発熱温度の制御性や温度測定の精度が悪
い。また細線を用いるため加工が困難で量産性に欠ける
などの欠点がある。

（３）　　上記熱線式の抵抗線の代わシに、絶縁基板上
にパターン化した金属薄膜を用いる熱膜式流量センサ。

この方式はパターンの微細化にょシ小型化することがで
き、１枚の基板内に多数の素子を並べて作製できるので
量産性に優れ、バラツキも少ないなど多くの長所を有し
、現在研究開発が盛んになっている。

（４）　　シリコンチップ上に形成された拡散抵抗ある
いはトランジヌタを発熱用および測温用として用いル流
量センサ。この流量センサはシリコンプロセス技術を利
用しているので量産性に優れるが、反面素子間の温度特
性のバラツキが大きく、また発熱温度を高く設定するこ
とができないなどの欠点を有している。

本発明に係る熱式流量センサは、以上のうちの熱膜式に
属する。

熱膜式流量センサの原理は熱線式と同じであり、通常、
発熱抵抗体（いわゆるホｙトヮイヤー）と測温抵抗体（
いわゆるコールドワイヤー）より構成されておシ、（１
）式で表わされる。

■ｚＲｈ＝（Ａ＋ＢＰ）　（ｒｈ−Ｔａ）　川（１）に
発熱抵抗体の電流 Ｒｈ二　　　り　　の抵抗 Ｔｈ：　　　ｐ　　　の温度 Ｔａ：流体温度（測温抵抗体の温度） Ｕ：流体速度 Ａ、Ｂ：定数 発熱抵抗体に通電し、発熱抵抗体を発熱させる。

流体の速度が速い場合には、発熱抵抗体から大量の熱が
流体に奪われる。逆に流速が遅い場合には発熱抵抗体か
ら奪われる熱量も少ない。従って、発熱抵抗体へ通電す
る電流値を一定とし、流体を流してその時の発熱抵抗体
の温度と、流体の温度を測定することによシ、流体の流
速を求めることができる。また、流体に対する発熱抵抗
体の温度差を一定とし、この温度差を一定に保持するよ
うに発熱抵抗体へ流す電流値を制御することによシミ流
値の変化に対応して、流体の流速が求められる。通常、
応答速度が速いという理由で、後者の発熱抵抗体と流体
間の温度差を一定に保持する方式が多く採用される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 いずれの方式で計測するとしても、熱式流量センサにお
いては流体温度Ｔａと発熱抵抗体の温度Ｔｈを絶えず検
知する必要がある。従って流量計測を行なうためには、
発熱抵抗体の他に流体温度を検知するためのｌｉｔ！Ｉ
温抵抗体が必要であうかつ双方による温度検知を精度よ
く行なうためにはお互いに熱的に絶縁されている必要が
ある。以上の理由から、従来の熱式流量センサは発熱抵
抗体と測温抵抗体の双方が別々に支持された構造配置と
ならざるを得す、寸法が大きい、量産性が悪いなどの欠
点を有していた。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、発熱抵抗体と測温抵抗体の双方を同一微小基
板内に並べて配置しかつエツチング技術と薄膜技術を用
いて発熱抵抗体付近の基板を局部的にエツチング除去し
、上記双方の抵抗体間を熱的に絶縁することによって、
小型で高性能な量産性に適した流量センサを構成したこ
とを特徴とする。

〈実施例〉 以下、実施例に従って本発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）　ＣＢ）　（Ｃ）は本発明の１実施例を示
す流量センサの製造工程毎の断面図、第２図はその平面
図である。シリコン等エツチング可能な基板１ノ上に真
空蒸着、スパッタリング、プラズマＣＶＤ法などの方法
によってアルミナ等の電気絶縁性および耐薬品性の良好
な絶縁薄膜２を堆積させる。

次に白金等の抵抗温度係数の大きな金属薄膜３を上記絶
縁薄膜２と同様の方法で堆積させた後、エツチング技術
により金属薄膜３をパターン化し、絶縁薄膜２上に必要
な距離だけ隔てて並設された発熱抵抗体４および温度補
償用測温抵抗体５とする。さらに発熱抵抗体４およびそ
のごく近傍を含む領域内にある基板１をエツチングによ
シ局部的に除去し、絶縁性薄膜２のみで発熱抵抗体４を
支持するいわゆるダイヤフラム構造を形成する。この際
リード接続端子をダイヤフラム外周に設け、発熱抵抗体
４を延設して接続すれば、後のリード接続工程でダイヤ
フラムの破損を避けることができる。また発熱抵抗体４
の抵抗調節部をダイヤフラム外周に並設することも可能
である。以上のようにして作製される素子は数ミリ程度
の微小な素子であり、大きな基板上に多数個数べて、同
時に作製するいわゆるウェハー処理を行なうことができ
る。ウェハーを分割切断して取り出した素子を支持台（
図示せず）に接着し、リード接続を行なって流量センサ
とする。

なお、上記構造において、絶縁薄膜２の材料としてはア
ルミナ以外にジルコニア等のセラミック材料或いは窒化
シリコンや酸化シリコン等を用いてもよい。また、膜構
成は単層膜に限らず２種以上を重ねた多層膜或いは２種
以上の材料を均一に混合した混合膜でもよい。膜厚につ
いては、熱絶縁効果の点からは薄い方がよいが、極端に
薄くなると強度上の問題が生じるので１μｍ〜１０μｍ
の範囲が好ましい。金属薄膜３の材料としては、白金以
外にニッケルあるいはニッケル合金が抵抗温度係数大で
適している。さらに、金属薄！Ｉ３の代わシにサーミス
タ等の金属以外のＷ＆温低抵抗体材料用いてもよい。

シリコン基板ｌのエツチング方法としては、弗硝酸系の
エッチャントを用いる等方性エツチング、あるいはエチ
レンジアミン・ピロカテコール・水系のエッチャントに
代表される結晶軸異方性エツチングのいずれの方法でも
よい。

上記実施例においては、発熱抵抗体４の付近に対応する
基板領域をエツチング除去したが、測温抵抗体５の側に
位置する基板を局部的にエツチング除去しても良く、両
方を同時にエツチング除去してもよい。実際には両方エ
ツチング除去する方が熱絶縁効果が良くなシ、熱的な応
答速度も速くなるので好ましい。

このようにして作製した発熱抵抗体４と測温抵抗体５を
用いた流量センサの模式構成図を第３図に示す。流体が
通過する流路１０内に上記製法により作製された１対の
測温抵抗体６と発熱抵抗体７が設置されている。流路１
０内には図中の矢印の方向に流体が流れておシ発熱抵抗
体７の上流側に測温抵抗体６が配置されている。測温抵
抗体６および発熱抵抗体７はそれぞれ他の電気抵抗素子
８．９と連結されており、ブリッジを構成している。電
気抵抗素子８．９の中間接続点はアースされている。こ
れらのブリッジはブリッジ抵抗の差電圧を増幅器１１で
差動増幅し、測温抵抗体６と発熱抵抗体７にエミッタ端
子が共通接続されるスイッチング用トランジスタ１２の
ベース電位を制御してトランジスタ１２を駆動するフィ
ードバック回路に接続されている。発熱抵抗体７は測温
抵抗体６とともに流路１０内を流れるオイル、化学薬液
あるいはガス等の流体温度が変化しても流体との温度差
が常に一定に保持されるようにフィードバック回路によ
って制御されている。

トランジスタ１２をオンにして入力端子１３よシ供給さ
れる電流を発熱抵抗体７に通電し、発熱抵抗体７を発熱
させる。

第３図に示す実施例では、流体の温度変化にも追従でき
るように発熱抵抗体７の上流側に測温抵抗体６を配設し
、この測温抵抗体６と発熱抵抗体でブリッジ回路を構成
している。即ち、測温抵抗体６で流体の温度が測定され
、これに対して一定温度差となるように発熱抵抗体７へ
の通電がフィトバック回路を介して制御される。

〈発明の効果〉 以上詳述したように本発明の熱式流量センサは、次のよ
うな実用上極めて有益な利点を有する。

（１）発熱抵抗体と測温抵抗体が基板の局部的除去によ
シ熱的絶縁状轢となるため双方を同一基板内に設置する
ことができ、小型化できる。

（２）熱絶縁効果が良好で、測定精度が向上する。

（３）　　低消費電力化が可能である。

（４）熱応答速度が非常に速くなる。

（５）量産に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例を示す流量センサの製作工
程断面図である。 第２図は、第１図に示す流量センサ素子の平面図である
。 第３図は、第１図に示す熱式流量センサの動作説明に供
する模式構成図である。 １・・・基板　　２・・・絶縁薄膜　　３・・・金属薄
膜４・・・発熱抵抗体　　５・・・測温抵抗体代理人　
弁理士　　福　士　愛　彦（他２名）第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エッチング可能な基板上に該基板とはエッチング特
   性の異なる電気絶縁性薄膜を付着形成し、さらに該絶縁
   性薄膜上に発熱抵抗体および測温抵抗体を並設した構造
   を具備して成る熱式流量センサにおいて、少なくとも前
   記発熱抵抗体近辺で前記基板が局部的にエッチング除去
   されていることを特徴とする流量センサ。 ２、発熱抵抗体と測温抵抗体の両近辺で基板が局部的に
   エッチング除去されている特許請求の範囲第１項記載の
   流量センサ。 ３、基板にシリコンウェハーを用い、電気絶縁性薄膜と
   して、アルミナ、ジルコニア、窒化シリコン及び酸化シ
   リコンの中から選択された単層膜または多層膜を用いた
   特許請求の範囲第１項記載の流量センサ。 ４、廃熱抵抗体および測温抵抗体として白金、ニッケル
   、ニッケル白金またはサーミスタ材料のいずれかを適宜
   選択して用いた特許請求の範囲第１項記載の流量センサ
   。