JPS6244627A - 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）流路用主管にバイパス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り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つことにより、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りに、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よシ、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
いはトランジス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、以上のうちの熱嘆式に
属する。

熱膜式流量センサの原理は熱線式と同じであシ、通常、
発熱抵抗体（いわゆるホットワイヤー）と測温抵抗体（
いわゆるコールドワイヤー）よシ構成されており、（１
）式で表わされる。

１２Ｒｈ＝（Ａ　十ＢＪ）（Ｔｈ　−Ｔａ）　・・・・
（１）■　＝発熱抵抗体の電流 Ｒｈ二　　　り　　の抵抗 Ｔｈ：　　　〃　　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測温抵抗体が必
要であシ、かつ双方による温度検知を精度良く行なうた
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、発熱抵抗体と側
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。

ところで発熱抵抗体と測温抵抗体の両者を、同一微小基
板内に配置し、さらにエツチング技術、薄膜技術を用い
て両者を熱的に絶縁した構造の流量センサについてはす
でに本発明者よシ特許出願されているが、本発明も、こ
のような流量センサの一形態であシ、スクリーン印刷等
の厚膜技術を用いてさらに改良を加えたものである。

〈実施例〉 以下、実施例に従。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。シリコン基板１の上にスクリーン印刷、スピ
ンコード法、ヌプレー法などの厚膜形成方法によってガ
ラスペースト等から成る電気絶縁性の高い半固体材を塗
布し、乾燥・焼成処理することにより絶縁膜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
真空蒸着、スパッタリング等の方法で堆積させた後、エ
ツチング技術によシ金属薄膜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
より局部的に除去し、絶縁膜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ニ］　　　　　　バー処理を行な
うことができるつウェハーを分割切断して取シ出した素
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、絶縁膜２の材料としては各種
のガラスペースト、誘電体ベースト、セラミックペース
ト等があるがシリコン基板ｌの熱膨張率に極力近いもの
を用いる方が歪の発生も少なく密着性も強くなって望ま
しい。また熱絶縁効果を大きくするためには熱伝導率の
小さいものを使用する。膜厚については、熱容量を小さ
くし熱絶縁効果を大きくする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〜数
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。さらに金属薄膜３の代わυにサー
ミスタ等の金属以外の感温抵抗体材料を用いてもよい。

シリコン基板１のエツチング方法としてはガラスペース
トがエツチングされないようにエチレンジアミン・ピロ
カテコール・水系又は水酸化カリウム水溶液等のエッチ
ャントを用いる結晶軸異方性エツチングが適している。

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り、熱的な応答速度も
速くなる。

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１ｏ内に上記製法によシ作製された１対の
７ｊｌｌＩ温抵抗体６と発熱抵抗体７が設置されている
。流路１０内には図中の矢印の方向に流体が流れており
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ヌ
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ラ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
、これに対して一定の温度差となるように発熱抵抗体７
への通電がフィード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）発熱抵抗体と側温抵抗体を同一基板内に設着でき
、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。

またダイヤフラム構造を形成する絶縁膜として厚膜を用
いているため、薄膜を用いる場合に比較して、製作が容
易で量産効率が高くなり、また高温焼成するため密着力
が強く機械的強度も向上する。さらにペースト材料は熱
伝導率が低く熱絶縁効果も高くなる。

【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膜を付着形成し、該電気絶縁膜上
   に発熱抵抗体および測温抵抗体を並設するとともに該発
   熱抵抗体近辺又は該両抵抗体近辺で前記基板を局部的に
   エッチング除去したダイアフラム構造を具備して成る熱
   式流量センサにおいて、前記電気絶縁膜として厚膜絶縁
   性ペーストを用いたことを特徴とする流量センサ。 ２、発熱抵抗体および測温抵抗体として白金、ニッケル
   、ニッケル合金またはサーミスタ材料のいずれかを用い
   た特許請求の範囲第１項記載の流量センサ。 ３、基板として、シリコンを用いた特許請求の範囲第１
   項記載の流量センサ。