JP2007017263A - 検知素子、真空計及び真空管 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、立体的に拡散した熱を立体的な感温部で捕らえ、立体的な等温線を感温部で捕らえ、ヒータ部と感温部の距離はヒータ部と基板の距離より近くでき、熱を要素にもつ立体空間に関する現象に関与可能な、検知素子、真空計及び真空管を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の検知素子は、貫通孔又は空洞（１１）を有する基板（１０）と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する発熱電極（１３−１）を有するヒータ部（１３）と、貫通孔又は空洞上に反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する感温電極（１４−１，１５−１）を有する感温部（１４，１５）とを具備している。そして、本発明の検知素子は、ヒータ部から輸送される熱量を感温部により計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は検知素子、真空計及び真空管に関し、詳細には気体の流速、流量の測定に用いる熱式流量計に関する。

従来より、流体の流速・流量や雰囲気の成分・濃度を測定する手段として、流体に運ばれる熱や雰囲気に伝播する熱を検出して測定する方法がある。この方法を用いた熱式流量計における検出部であるセンサは、気体の流れの上流側に発熱源であるヒータを、下流側に感温部を設けて、下流側に伝達する熱量（温度変化量）あるいは伝達する所要時間として流速・流量を測定する。また、湿度計やガスクロマトグラフにおける検出部であるセンサは、雰囲気の中で発熱源であるヒータから雰囲気の成分や濃度に応じて与えられる熱伝導率により伝播する熱量（温度変化量）あるいは伝達する所要時間として湿度や気体成分・濃度を測定する。この場合、検出部であるセンサにおける発熱源のヒータや感温部の熱容量を小さくすることによって、かつ極近接させることによって、熱応答を早め、急変動や微少な流速・流量、微量成分や微量濃度を検出することができる。このセンサは、集積回路をつくる微細加工技術の手段によって実現されている。このようなセンサは、フローセンサ又は流速センサ、熱伝導式湿度センサや熱伝導式ガスセンサと呼ばれ、従来からいくつか提案されている。

その一つとしての特許文献１のフローセンサは、貫通孔もしくは空洞を有する基板と、貫通孔もしくは空洞上に両持ち梁式もしくは片持ち梁式に橋架された膜ヒータ部と膜検出部を有し、更にはヒータ部と検出部とは被測定流体の流れ方向に沿って２層又は３層以上に積層され、かつ各層間に空間を有している。この空間を膜厚で形成することによって、微小間隔に、しかも高精度で形成することができ、膜ヒータ部と膜検出部の間の空間距離を小さくし、高速度応答、高精度、微少流量、高効率化をめざしている。

また、特許文献２には、ヒータ線の形状を円形にしてヒータ線が発生する熱による温度分布の等温曲線を同心円形状にし、ヒータ線の円形形状に伴い、その両側に設けられる２つの温度センサ線の形状も円形にし、流体の移動方向が如何なる方向であっても、それに伴い発生する等温曲線の拡がり形状は常にヒータ線と温度センサ線に対して均一になり、検出値及び検出感度に流体の移動方向の依存性はなくなり、流体の移動方向の依存性なく流速または流量を検出することができるフローセンサが記載されている。詳細には、ヒータと感温部が平面上に隣接して並べてあり、上流側のヒータ発熱と流量に応じて暖められた気体の熱、すなわち運ばれる熱量を、下流平面側の感温部の温度上昇として捕らえ、更に温度センサ線はヒータ線からの熱の温度分布の等温線の形状に応じた形状を有するフローセンサが記載されている。このような構成を有する特許文献２によれば、ヒータ線が発生する熱による温度分布の等温線の形状に応じた形状を温度センサ線が有するので、流量や流速のわずかな変化による等温線のわずかな移動を、温度センサ線のほぼ全体の領域で検出することができ、より高感度のフローセンサを提供することができる。

以上の特許文献１、２により立体的に拡散した熱を感温部で捕らえるためには、感温部を立体形成してヒータを感温部で囲えばよく、かつ基板表面の影響を受けにくい場所の流れを検知する必要があるので、基板から離れた場所に感温部を形成すればよいことがわかる。更には立体的な感温部構造が必要であることがわかる。

そのために必要な立体化技術として特許文献３が提案されている。この特許文献３によれば、低いプラズマガス圧ではスパッタ蒸着膜応力が圧縮性であり、このプラズマガス圧が増加すると蒸着副層内の膜応力は引張応力に対して変化する。また、多くのスパッタ薄膜の固有応力は材料を蒸着する周囲圧に左右され、スパッタ中に圧力を変えることにより、得られた薄膜は基板−膜界面付近では圧縮応力（引張力）がかかり、また膜表面では引張応力（圧縮力）がかかる。更に、下部金層は解放されたときにコイルの外皮を形成し、リース層は湿式アンダーカットエッチングにより除去される。また、Ｓｉリリース層に対して可能なエッチャントはＫＯＨ（湿式処理）が施され、リリース窓口を除去した場合、弾性部材の固有応力プロファイルにより弾性部材は自らグルグル巻くことになる。このような技術を用いて新しい種類の高Ｑバリキャップを製造できる。これらのバリキャップは上述の同じマイクロバネ技術を使用し、必要な静電容量値を持ち、更にチップ上に集積化される。マイクロバネに基づくバリキャップ構造により抜けているオンチップＲＦ受動素子、インダクタ及びバリキャップを同じプロセス技術により作製できる。これらのマイクロバネバリキャップは平行板ＭＥＭＳコンデンサより低いバイアス電圧を必要とする追加の利点をもつ。フォトリソグラフィックパターン形成コンデンサの第二電極としてバネを用いること、および固定板とバネの間の電圧を変えることにより、バリキャップ構造の静電容量が変わる。
特許第３，０４９，１２２号明細書 特開平１１−１１８５５３号公報 特表２００３−５３３８９７号公報

しかしながら、特許文献１によれば、上流側のヒータの熱は下流側に向けて立体的に拡散するが流路が狭く絞られているため流れの立体的な拡散がない分、熱は感温部に運ばれやすいが、流路が流体より熱伝導率が大きい固体なので、流路を狭めたことにより内壁への熱伝導がより多く、感温部ではその流路熱伝導成分が加わり、正確な測定が困難となっていた。また、熱容量も大きいため基板に蓄熱し、その蓄熱からの熱放散が流れに加わることになり、下流の感温部への影響がある。更に、高精度に近接して形成しているため、比較的影響が少ない場合もあるが、ヒータと感温部と基板の配置関係について、ヒータと感温部との距離はヒータと基板との距離より近く、かつヒータ及び感温部は基板からできるだけ遠距離である必要となる。

また、特許文献２では、センサの検知する流れは基板表面であって、計測しなければならない流れの中ではない。より正確には、基板表面の影響を受けにくい場所の流れを検知する必要がある。基板の表面に近づくほど気体の粘性により流れにくくなるので、基板から距離が近いほどその干渉分は大きくなり、微少流量が計測できない。粘性の高い流体が計測しにくく、粘性の高くなる温度領域においては計測しにくい。ヒータと感温部が平面上に隣接して並べてあり、上流側のヒータ発熱と流量に応じて暖められた気体の熱、すなわち運ばれる熱量を、下流平面側の感温部の温度上昇として捕らえることにおいて、温度センサ線は、ヒータ線からの熱の温度分布の等温線の形状に応じた形状を有することを特徴として示しているが、同一平面上にヒータと感温部が並べてあり、上流側のヒータの熱は、下流側に向けて立体的に拡散するので感温部ではその熱拡散成分の一平面成分しか捕らえられないことになり、伝達効率が低く感度も小さくなるので低雑音高分解能の信号処理回路を必要とする。また、乱流要素があると影響が大きいため、立体的に拡散した熱を立体的な等温線を感温部で捕らえる必要がある。

更に、特許文献３は、チップ上の立体構造コイルが開示されているが、可変コンデンサ、電磁コイルや接点用途であり、熱輸送機構のためのヒータと感温部ではない。このように機能が違うので材料や形状や配置が異なるが、熱輸送機構に基づいたヒータと感温部に関しては、新たな構成を加える必要がある。流体の流速や配管内を流れる流量を、熱輸送機構によって測定するセンサとしては、ヒータと感温部との距離はヒータと基板との距離より近く、ヒータ及び感温部は基板からできるだけ遠距離である必要がある。できるだけ、立体的に拡散した熱を立体的な等温線を感温部で捕らえる必要がある。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、立体的に拡散した熱を立体的な感温部で捕らえ、立体的な等温線を感温部で捕らえ、ヒータ部と感温部の距離はヒータ部と基板の距離より近くでき、熱を要素にもつ立体空間に関する現象に関与可能な、検知素子、真空計及び真空管を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の検知素子は、貫通孔又は空洞を有する基板と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する発熱電極を有するヒータ部と、貫通孔又は空洞上に反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する感温電極を有する感温部とを具備している。そして、本発明の検知素子は、ヒータ部から輸送される熱量を感温部により計測する。よって、立体的に拡散した熱量を立体的な感温部で捕らえられることにより、立体的な等温線を感温部で捕らえることができ、またヒータ部と感温部の距離はヒータ部と基板の距離より近くできる。

また、ヒータ部と感温部が隣接配列され、流体の流速・流量又は雰囲気の熱伝導率に応じてヒータ部から流体によって輸送される熱量を感温部により計測することにより、基板上のパターンを並列配置して平面加工により製造可能にすると共に、流体の流速・流量を計測するためのフローセンサとして利用できる。

更に、ヒータ部から感温部の間の距離と、流体の流速・流量又は雰囲気の熱伝導率に応じてヒータ部から流体によって輸送される熱伝達する時間とにより、流速を計測する。よって、熱伝達時間を計測し流速を算出可能なセンサを提供できる。

また、発熱電極及び感温電極は、パイプ形状の曲面に沿った形状をなすことが好ましい。

更に、流体の流れに沿ってヒータ部が感温部の内側に配列されていることにより、微少検出のためにヒータ部と感温部との距離をより一層近接させることができる。

また、流体の流れを横切る方向に沿ってヒータ部が感温部の内側に配列されていることにより、流体の流れの方向を検出できる。

更に、感温部の感温電極が円環状に配列され、ヒータ部の発熱電極が円環状の感温部の中心に配置されていることにより、流れ方向の角度の偏移があっても変動が少なく、かつ乱流条件下で計測することができる。

また、ヒータ部を空洞領域に配置した第１の基板と、感温部を空洞領域に配置した第２の基板とを、互いの空洞領域を対向させて一体的に接合することにより、構造や形状の自由度が高い検知素子を提供できる。

更に、本発明の検知素子は、貫通孔又は空洞を有する基板と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する電極を有する抵抗体を具備している。そして、発熱タイミングに抵抗体に発熱用電流を流して抵抗体を発熱させ、検出タイミングに抵抗体に検出用電流を流して、発熱時の抵抗体の抵抗値から検出時の抵抗体の抵抗値を減算した減算値に基づいて輸送される熱量を算出する。よって、熱の授受によるロスが少なく、かつヒータ部及び感温部は流れに広がった形状にあるので、特に流れがｘ−ｙ面、ｚ−ｙ面で角度θの範囲で偏移しても影響が少なく許容範囲は広くなる。

また、本発明の検知素子は、貫通孔又は空洞を有する基板と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する抵抗体を具備している。そして、発熱タイミングに抵抗体に発熱用電流を流して抵抗体を発熱させ、検出タイミングに抵抗体に検出用電流を流して、発熱時の抵抗体の抵抗値から検出時の抵抗体の抵抗値を減算した減算値に基づいて輸送される熱量を算出する。よって、熱の授受によるロスが少ない。

更に、本発明の検知素子は、貫通孔又は空洞を有する基板と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する第１の抵抗体と、貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する第２の抵抗体とを具備している。そして、第１の抵抗体から輸送される熱量を第２の抵抗体により計測し、あるいは第２の抵抗体から輸送される熱量を第１の抵抗体により計測する。よって、熱の授受によるロスが少なく、流れの方向に対応して計測できる。

また、別の発明としての真空計は、上記記載の検知素子を真空容器に封入し、ヒータ部及び感温部の各電極パッドから真空容器外部へ配線を引き出して、真空容器の内部における気体の熱伝導率の圧力依存性を感温部から得られる温度変動分として真空度に換算する。よって、熱伝導度検出型の、圧力、真空度計測ができる。

更に、別の発明としての真空管は、上記記載の検知素子を真空容器に封入し、ヒータ部及び感温部の各電極パッド及び基板から真空容器外部へ配線を引き出して、ヒータ部をフィラメント、感温部をグリッド及び基板をコレクタとし、フィラメントとコレクタ間に流れる電流を計測し、真空度に換算する。よって、発熱温度を下げても効率良く熱電子を捕獲できる三極真空管などを提供できる。

本発明の検知素子よれば、ヒータ部は反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する発熱電極を有し、基板に設けられた貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられている。また、感温部は貫通孔又は空洞上に反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する感温電極を有し、基板に設けられた貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられている。そして、本発明の検知素子は、ヒータ部から輸送される熱量を感温部により計測する。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態例の検知素子１００は、基板１０と、当該基板１０に設けられた空洞１１を橋架するように設けられたブリッジ１２上にそれぞれ配置されたヒータ部１３及び２つの感温部１４，１５とを含んで構成されている。そして、２つの感温部１４，１５はヒータ部１３を挟んで両側に並列して配置されており、また感温部１４，１５を構成する感温電極１４−１、１５−１はパイプ形状の曲面に沿った形状を成し、互いに対向して形成されている。また、ヒータ部１３の発熱電極１３−１には、給電リード線１３−２がそれぞれ接続され、各給電リード線１３−２には電極パッド１３−３がそれぞれ設けられ、ヒータ部１３は電極パッド１３−３からの電力供給によりジュール発熱する。更に、感温部１４，１５を構成する感温電極１４−１、１５−１の各端子には検出リード線１４−２、１５−２がそれぞれ接続され、各検出リード線１４−２、１５−２には電極パッド１４−３、１５−３がそれぞれ設けられている。また、感温部１４，１５は近傍の空間から熱伝導により温度依存性の特性を有する。ｘ軸に沿った流れにおいて、上流に設置したヒータ部１３の熱が流速に応じて空間に拡散、それをパイプ形状の曲面に沿った感温部１４，１５で捕らえる。感温電極１４−１、１５−１により形成されたパイプ形状の感温部１４，１５の各内部を流れる流体の流速、流量を計測する。熱拡散の方向はｘ軸方向への流れに沿うだけではなく、３次元方向に発散する。ｘ軸に沿った流れではヒータ部１３に対して感温部１４，１５は３次元に配置されていることになるので、感温部１４，１５はヒータ部１３からの熱拡散を立体空間で捕らえるので熱伝達効率が大きい。流体は摩擦により基板表面付近では表面から遠い場所よりも流速は遅いが、ヒータ部１３と感温部１４，１５が基板１０上に起立し基板表面から離れているため、基板１０の表面上に配置されている場合に比べ、微流速であっても測定でき、一方流速の早い場合であっても表面からの流れの剥離による乱流の影響も少ない。この微小流速を測定する際に基板表面から離れることが有利である点について説明すると、基板端面からの基板表面に沿った距離と基板表面から離れる距離における空気の流速測定特性を示す図２からわかるように、空気の流速を測定するためには基板表面から離れる必要があり、境界層の厚さより小さい流速測定箇所では流体の物性値や基板構造などの依存性が複雑に影響し合い、真の流速を求めるためには測定値を補正する必要が生じ、そのための不確定さが加わるので、微小流速を測定するためには基板表面から離れることがより一層有利となる。なお、ストークスの法則に従って、層流速度が壁の摩擦抵抗を受ける境界層の厚さδ≠５＊（ｖｘ／Ｕ）＾（１／２）で得られる。但し、ｖ＝η／ρ、η：動粘性係数、ρ：密度、ｘ：端面からの距離、Ｕ：流速、である。

また、ヒータ部１３より上流の感温部１４は、感温材料の温度特性を利用するに当たり、流体の最初の温度情報を捕らえるものであり、あるいは流れが逆向きになった場合のための測定手段であるが、感温部１４はヒータ部１３からの熱拡散を立体空間で捕らえることができる。基板表面上に配置されている場合では、流れに対して角度が変わると感度が敏感に影響を受け、１方向しか最大感度が得られないが、本実施の形態例のように、感温部１４，１５がヒータ部１３に対して立体配置されていると流れに対する角度調整値に余裕があり、ｘ軸に沿った流れに角度がついても立体で捕らえられるので流れの軸とセンサ配置の合わせが容易となる。更に、上向きと下向きとの姿勢についてはでは熱の流れは大きく違いがある。暖められた気体は上昇するので基板が下面向きであると空洞に熱だまりを生じ、基板が上面向きであると空洞に熱だまりを生じないのでこの姿勢の影響があるが、ヒータ部１３と感温部１４，１５が基板１０上に起立し基板の表面から離れているため、基板１０の影響は少なく取り付け場所が増える。

次に、ヒータ部１３や感温部１４，１５は立体構造であっても平面加工により製造でき、その製造方法について製造工程図である図３〜図５に従って説明する。図３及び図４の（ａ）並びに図５の（ａ）は平面図、図４の（ｂ）は側面図、図５の（ｂ）は図５の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、図５の（ｃ）は図５の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
先ず、図３に示すように、基板１０上にヒータ部１３の発熱電極１３−１と給電リード線１３−２、感温部１４，１５の感温電極１４−１、１５−１、検出リード線１４−２,１５−２、電極パッド１４−３，１５−３の導電材料膜をパターン形成する。ここで、ヒータ部１３や感温部１４，１５は抵抗温度係数の大きな材料としてPt、W等の金属材料を用いる。また、給電リード線１３−２、検出リード線１４−２,１５−２も同材料で形成するので同時形成でき簡便である。そして、給電リード線１３−２、検出リード線１４−２,１５−２は熱を発生させないように電気抵抗値を低くしなければならないので、電流を流す方向に対して巾を広く、熱容量を増やすために基板１０上に配置する。なお、感温部１４，１５はゼーベック効果を有する熱電材料で形成してもよい。この熱電材料の場合冷接点は基板１０上の空洞のない領域に配置する。

そして、図４の（ａ）に示すように、基板１０上のヒータ部１３の発熱電極１３−１、感温部１４，１５の感温電極１４−１,１５−１の領域の絶縁層をエッチング除去すると、図４の（ｂ）に示すようにヒータ部１３と感温部１４，１５は下部層の密着がなくなり、片持ち梁になるので、反り曲がり効果で曲面を形成し基板１０上に起立する。なお、この絶縁層のエッチングにおいては、各パターンの下部の絶縁層に対して、絶縁層の縁からヒータ部１３と感温部１４，１５のパターン巾の１／２の距離まで回り込んでアンダーカットエッチングすることにより、ヒータ部１３と感温部１４，１５が反り曲がり片持ち梁にできる。

更に、図５の（ａ）に示すように、絶縁層のエッチング除去された基板面の露出する領域だけをエッチングし空洞１１を形成する。図４の（ｂ）からわかるように、基板１０上に起立するので、その構造でもよいが、図５の（ｂ），（ｃ）に示す構造であれば、図４の（ｂ）に比べてヒータ部１３と感温部１４，１５は熱容量の大きい基板１０から更に遠ざかるので、流体の熱伝達に、基板１０からの熱影響はより小さくなり、さらに効果がある。公知の技術を用い基板１０のエッチングによって、図中破線で示す絶縁層のふちの内側までエッチングが進行するので、空洞１１上にブリッジ１２が形成され、片持ち梁の感温部１４，１５はブリッジ１２の両持ち梁によって支えられることになる。

ここで、感温部を立体形成する方法について図６を用いて説明する。例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ステンレス、コバール、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ガラス、セラミック、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の耐熱性基板２０上に、まず下部層２１としてＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等の電気絶縁性材料を０．３〜３μｍ程度、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の成膜法を用いて形成する。この成膜時においては真空度を１０^-６〜１０^-３Ｔｏｒｒ以下にすることが望ましく、後述する焼締め処理において密度が増し収縮しないように、高真空度雰囲気中で成膜し、できるだけ空孔率を減じて高密度にさせておく必要がある。次に、上部層２２として発熱体層および取出し電極等を構成するＮｉＣｒ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｉｒ−Ｐｔ合金、ＳｉＣ、ＴａＮ、カンタル合金等の導電性抵抗発熱材料を０．１〜３μｍ程度、蒸着、スパッタリング等により成膜する。この上部層２２を所定の形状にフォトエッチングしパターン形成する。更に、保護被覆層２３を積層する場合においては、下部層２１と同等の電気絶縁性材料を使用し同等の条件にて成膜すれば良い。ここで、上部層２２及び保護被覆層２３は下部層２１から引続き成膜されるため、表面状態のあらさや段差が増し、また膜厚が増すほど粒度が大きくなり、空孔や欠陥を多く含むため焼締め処理後においては下部層よりさらに収縮させることが可能となり、梁部の反り曲がりが形成できる。また、上部層２２及び保護被覆層２３の成膜時においては、下部層の成膜時の場合よりも真空度を下げて１０^-４〜１０^-２Ｔｏｒｒ程度にしておけば、空孔を多く含む膜質が得られ、やはり焼締め処理後において収縮させることもできる。次に、基板２０に空洞部２４をエッチングによって形成すると下部層２１、上部層２２からなる梁部あるいは下部層２１、上部層２２、保護被覆層２３からなる梁部ができる。更に、これを３５０〜８００℃で焼締めを行えば所定の反り曲がり形状が得られる。なお、空洞部２４を形成する前に焼締めを行っても空洞部形成後に上部層２２、保護被覆層２３の収縮しようとする力により基板２０から束縛されていた力が無くなるため、やはり反り曲がり形状が得られる。従って、焼締め処理と空洞部２４の形成の順序は特定しなくても可能である。

次に、流体の流量を測定する方法として、サーマルトレーサ法があるがこれについて概説しておく。例えば特開昭６０−１８６７１４号公報に記載されているように、流体を通流する配管の内部に、所定の熱パルスを発生して流体に与えるヒータを設け、そのヒータより所定距離離れた下流位置に温度検出部を設けた流量測定装置がある。これは、流れている流体に熱パルスを与え、流れにのって移動してきた熱分布の最大温度を所定の位置で検出する。そして、その熱パルスを与えた時点から、最大温度を検出した時点までの時間を用いて、流体の流量を求めるようにしたものである。

図７は本発明の第２の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す平面図である。同図において図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す第２の実施の形態例の検知素子２００は、感温部１５を複数並列に配列し、ヒータ部１３を時間間欠で加熱することにより、熱波が所定の距離のそれぞれの感温部１５に到達する時間を捕らえて流速を計測するものである。

次に、図８は本発明の第３の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。同図に示す第３の実施の形態例の検知素子３００は、基板１０上に起立している２つの感温部１４，１５の各内部のｘ軸位置にヒータ部１３を配置して構成されている。図中の流れ成分はｘ軸に沿うよう導かれ、ヒータ部１３から熱が加わる。熱拡散の方向は流れに沿うだけではなく、３次元方向に発散するので、感温部１４，１５はヒータ部１３の熱拡散を立体空間で捕らえることができる。この場合、ヒータ部１３の発熱部は感温部１４，１５よりも流れの内部にあるため、ｘ軸に沿った流れに角度がついても、立体で捕らえられるので流れの軸とセンサ配置の合わせが容易である。第１及び第２の実施の形態例のようなヒータ部１３と感温部１４，１５が並列のフローセンサ構造より、更にヒータ部１３と感温部１４，１５を近接させられるため、微少流量の検出に効果が高い。

ここで、第３の実施の形態例の検知素子の製造工程について当該製造工程を示す図９及び図１０に従って説明する。なお、図９及び図１０の（ａ）は平面図、図１０の（ｂ）は図１０の（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。

図９に示すように、感温部１４，１５の上部にヒータ部１３が重なる構造であるため、犠牲層を用いてヒータ部１３を次工程で形成する必要がある。そこで、先ず基板１０上に感温部１４,１５の感温電極１４−１,１５−１、検出リード線１４−２,１５−２、電極パッド１４−３,１５−３の導電材料膜をパターン形成する。ヒータ部１３や感温部１４，１５は抵抗温度係数の大きな材料としてPt、W等の金属材料を用いる。次に、ヒータ部１３となる領域に後に選択エッチング除去できる犠牲層、例えばＮｉ等をパターン形成する。次に、ヒータ部１３の発熱電極１３−１、給電リード線１３−２、電極パッド１３−３の導電材料膜をパターン形成する。そして、基板１０上のヒータ部１３の領域の犠牲層と、ヒータ部１３、感温部１４，１５の領域の絶縁層をエッチング除去し、基板面の露出する領域だけをエッチングし空洞１１を形成する。図１０に示すように、ヒータ部１３と感温部１４，１５は下部層の密着がなくなり、片持ち梁になるので、反り曲がり効果で曲面を形成し基板１０上に起立する。感温部１４,１５の軸位置にあるヒータ部１３の熱が捕らえられる。なお、図１０の（ｂ）に示すように、ヒータ部１３は片持ち梁構造をつなぐ両持ち梁構造なので、両持ち梁構造の部分は反り曲がり効果は小さく、直線に近い。

図１１は本発明の第４の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。この第４の実施の形態例に係る検知素子４００は、図８に示す第３の実施の形態例の検知素子３と同様に感温部４０の内部にヒータ部４１が配置されたフローセンサ構造であるが動作は異なり、流れをｙ−ｚ面に導き、パイプ形状の感温部４０とヒータ部４１に対し概ね直角に流す。ヒータ部４１はパイプ軸位置にあるので、特に流れがｚ−ｙ面で角度θの範囲で偏移しても影響が少ない。ｘ−ｙ面での角度偏移は感温部４０が横広がりなので許容範囲は広くなる。また、感温部４０が串歯形状になっているので整流作用があり、乱流条件下でも安定した出力が得られ整流素子が不要である。

ここで、第４の実施の形態例の検知素子の製造工程について当該製造工程を示す図１２に従って説明する。なお、同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＥ−Ｅ’線断面図である。図８の第３の実施の形態例の検知素子の製造工程では、感温部１４，１５の上部にヒータ部１３が重なる構造であったため、犠牲層を用いてヒータ部１３を次工程で形成する必要があった。しかし、基板１０上に起立した時点で感温部１４，１５の内側にヒータ部１３があればよいので、反り曲がり効果を利用して平面加工により形成できる。そこで、図１２に示すように、基板１０上で感温部４０に重ならないように、感温電極４０−１の間にヒータ部４１の発熱電極４１−１のパターンを配置し、片持ちによって感温部４０とヒータ部４１のパターンが反り曲がり、感温部４０の内側にヒータ部４１を形成できる。このように、感温部４０のパターンを２対、対向させて、その間の隙間にヒータ部４１のパターンを設けることにより、犠牲層が不要で製造でき、Pt材料層の成膜は１回で簡便になる。

次に、図１３は本発明の第５の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態例の検知素子５００は、図１１に示す第４の実施の形態例の検知素子４００と同様に、感温部の内部にヒータ部が配置されたフローセンサ構造図である。本実施の形態例の検知素子５では、感温部５０の感温電極５０−１が円環状に配列されている。円環状に配列された感温部５０の感温電極５０−１と同様に、検出リード線５０−２、ヒート部５１の給電リード線５１−２、電極パッド５０−３,５１−３は、図１３中半分のみ記載しているが、放射状に配列されている。また、感温部５０の感温電極５０−１とヒータ部５１の発熱電極５１−１は反り曲がった際に向き合うように互いに逆向きの配置にする。本実施の形態例の検知素子５によれば、流れをｘ−ｙ面に導き、ヒータ部５１は感温部５０で囲まれる曲面の中心にあるので、流れはｚ軸に多少偏移しても影響が少ない。よって、ｘ−ｙ面に沿った流れの全ての方向を検出することができる。また、感温部５０が串歯形状になっているので整流作用があり、乱流条件下でも安定した出力が得られ整流素子が不要である。

ここで、第５の実施の形態例の検知素子の製造工程について当該製造工程を示す図１４及び図１５に従って説明する。なお、図１４及び図１５の（ａ）は平面図、図１５の（ｂ）は図１５の（ａ）のＦ−Ｆ’線断面図である。図１４に示すように、基板１０上に感温部５０の感温電極５０−１と検出リード線５０−２、ヒータ部５１の発熱電極５１−１と給電リード線５１−２、電極パッド５０−３，５１−３の導電材料膜をパターン形成する。そして、図１５の（ａ），（ｂ）に示すように、基板１０上の感温部５０の感温電極５０−１とヒータ部５１の発熱電極５１−１の領域の絶縁層をエッチング除去すると、感温部５０とヒータ部５１は下部層の密着がなくなり、片持ち梁になるので、反り曲がり効果で曲面を形成し基板１０上に起立する。また、基板面の露出する領域だけを更にエッチングして空洞５２を形成する。

次に、図１６は本発明の第６の実施の形態例に係る検知素子におけるヒータ部の構成を示す図である。また、図１７は本実施の形態例の検知素子における感温部の構成を示す図である。更に、図１８は本実施の形態例の検知素子の全体構成を示す図である。なお、図１６の（ａ）及び図１７の（ａ）は平面図、図１６の（ｂ）は図１６の（ａ）のＧ−Ｇ’線断面図、図１７の（ｂ）は図１７の（ａ）のＨ−Ｈ’線断面図、図１８の（ａ）は断面図、図１８の（ｂ）は図１８の（ａ）のＩ−Ｉ’線断面図である。図１８に示す本実施の形態例の検知素子６００は、図１６のヒータ部６０を形成された基板と、図１７の感温部６１を形成された基板を組み合わせて、基板間の空洞６２に流体を流す構造を有している。従来技術ではヒータ部から感温部へ熱輸送される前に、基板壁面との熱交換による影響があるが、基板壁面に到達する前の場所に感温部があるので、影響が小さくできる。１枚の基板よりも組み合わせの工程や、組み合わせ精度に負担が増す反面、微細構造が基板にはさまれているため、基板に起立する構造が露出していないので、破壊されにくいため取り扱いが容易である。

図１９は本発明の第７の実施の形態例に係る検知素子におけるヒータ部の構成を示す図である。また、図２０は本実施の形態例の検知素子における感温部の構成を示す図である。更に、図２１は本実施の形態例の検知素子の全体構成を示す断面図である。なお、図１９の（ａ）及び図２０の（ａ）は平面図、図１９の（ｂ）は図１９の（ａ）のＪ−Ｊ’線断面図、図２０の（ｂ）は図２０の（ａ）のＫ−Ｋ’線断面図である。本実施の形態例の検知素子７００は、上述したように感温部７１の内側にヒータ部７０があればよいので、図１９に示すようにヒータ部７０は両持ち梁にして反り曲がり形状ではなく、図２０に示すように感温部７１は反り曲がり、図２１に示すように感温部７１の内側にヒータ部７０を形成できる。

次に、図２２は本発明の第８の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図であり、図２３の（ａ）は本実施の形態例の検知素子を示す平面図、図２３の（ｂ）は図２３の（ａ）のＬ−Ｌ’線断面図である。図２２及び図２３に示す本実施の形態例の検知素子８００は、基板１０上に配設され、串歯形状の単一の抵抗体８０を反り曲がり片持ち梁の形状で形成し、この抵抗体８０はヒータ部と感温部を兼用している。更に、抵抗体８０には当該抵抗体を加熱しない程度の小電流を流して又は小電圧を印加され、また大電流を流して又は大電圧を印加して抵抗体８０を発熱させる。そして、図示していない抵抗値検出手段により小電流の供給又は小電圧の印加時における抵抗体８０の第１の抵抗値を検出し、また大電流の供給又は大電圧の印加時における抵抗体８０の第２の抵抗値を検出する。検出した第２の抵抗値から第１の抵抗値を減算して、この減算値に基づいて流量を算出できる。

図２４は本発明の第９の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図であり、図２５の（ａ）は本実施の形態例の検知素子を示す平面図、図２５の（ｂ）は図２５の（ａ）のＭ−Ｍ’線断面図である。図２４及び図２５に示す本実施の形態例の検知素子９００は、第８の実施の形態例の検知素子８と同様に、ヒータ部と感温部を兼ねた単一の抵抗体９０を傾斜形状に形成したものであり、この抵抗体９０は空洞９１を架橋するように設けられている。動作は第８の実施の形態例の検知素子８００と同様であるので省略する。

次に、図２６は本発明の第１０の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す図であり、同図の（ａ）は本実施の形態例の検知素子を示す平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＮ−Ｎ’線断面図である。同図に示す本実施の形態例の検知素子１０００は、ヒータ部１００と感温部１０１をそれぞれ傾斜形状に形成して独立に設け、ヒータ部１００と感温部１０１は空洞１０２を架橋するように設けられている。このように、ヒータ部１００と感温部１０１を基板１０の表面から離れた空間に、基板１０の表面の電極パッド１０３とヒータ部１００や感温部１０１のある高さの異なるステップを越えて連続した電気配線１０４のパターンを設け、ヒータ部１００や感温部１０１が形成される領域に空洞１０２を設けるにあたり、ステップを急崚ではなく緩やかな傾斜角度にしている。なお、Ｓｉ異方性エッチング手段では、基板面を（１ ０ ０）面にすれば、ＳｉＯ_２の部分マスクを用いてＫＯＨなどのアルカリ水溶液のＳｉ異方性エッチング液により傾斜角５４．７４度の（１ １ １)面などの高精度の傾斜形状が得られ、それらが利用できる。

ここで、第１０の実施の形態例の検知素子の製造工程について製造工程断面図である図２７に従って以下に説明する。先ず、同図の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００１上に下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２層を形成する。なお、Ｎｉ、ＣｕやＡｌの金属材料やポリイミド、エポキシなどの樹脂材料でもよい。ただし、金属材料であれば導電性があるので、後述する導電抵抗膜を形成する工程の前にＳｉＯ_２などの絶縁膜を積層しておく必要がある。そして、同図の（ｂ）に示すように、フォトレジストパターンをマスクして、下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２層を部分エッチングする。マスク周辺のエッチング速度を低下する効果を利用し傾斜形状も形成する。ここで、形成された傾斜形状部を含む凸部が後述する工程において除去され、図２６のヒータ部１００と感温部１０１の構造を形成するための犠牲になる。そして、同図の（ｃ）に示すように、図２６の電極パッド１０３、電気配線１０４、ヒータ部１００と感温部１０１となる導電抵抗膜１００３のＰｔ膜を積層する。次に、同図の（ｄ）に示すように、導電抵抗膜１００３のＰｔ膜のパターンを形成する。そして、同図の（ｅ）に示すように、上部保護膜１００４のＳｉＯ_２膜を積層するが、この膜は有っても無くてもよい。次に、同図の（ｆ）に示すように、図２６のヒータ部１００、感温部１０１の領域と電極面の上部保護膜１００４のＳｉＯ_２膜をエッチング除去する。また、同図の（ｇ）に示すように、図２６のヒータ部１００、感温部１０１の領域のＳｉ基板をエッチング除去し図２６の空洞１０２を形成して完成とする。

また、更に別の製造工程について製造工程断面図である図２８に従って以下に説明する。先ず、同図の（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００１上に下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２膜を積層し、同図の（ｂ）に示すように、下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２膜を部分エッチングする。そして、同図の（ｃ）に示すように、下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２膜の領域を残してＳｉ基板１００１上をエッチングし、傾斜形状も形成する。この場合上記のＳｉ異方性エッチングを用いる。そして、同図の（ｄ）に示すように、下部絶縁層１００２のＳｉＯ_２膜を全面に形成する。次に、同図の（ｅ）に示すように、導電抵抗膜１００３のＰｔ膜を積層する。次に、同図の（ｆ）に示すように、導電抵抗膜１００３のＰｔ膜のパターンを形成する。そして、同図の（ｇ）に示すように、上部保護膜１００４のＳｉＯ_２膜を積層する。次に、同図の（ｈ）に示すように、図２６のヒータ部１００、感温部１０１の領域と電極パッド１０３の領域における上部保護膜１００４のＳｉＯ_２膜をエッチング除去する。そして、同図の（ｉ）に示すように、図２６のヒータ部１００、感温部１０１の領域のＳｉ基板１００１をエッチング除去し図２６の空洞１０２を形成して完成とする。

次に、図２９は別の発明の一実施の形態例に係る真空計の構成を示す斜視図である。同図に示す別の発明の真空計２０００は熱伝導型の真空計であり、例えば第４の実施の形態例の検知素子４００を真空容器２００１に封入し、各電極パッドから容器外部へ配線を繋げ、ヒータ部４１への加熱電力供給を行い、ヒータ部４１から空間へ熱伝導する熱量を感温部４０で捕らえる。感温部４０の検出出力は空間の真空度に対応する。ヒータ部４１から空間へ熱伝導する場合、立体的に拡散するので、反り曲がりの感温部４０で囲まれることにより効率よく高出力が得られるとともに、感温部４０の外側からの影響も少なくなる。

図３０は別の発明の一実施の形態例に係る真空管の構成を示す斜視図である。同図に示す別の発明の真空管３０００は３極管型電離真空管であり、例えば第４の実施の形態例の検知素子４００と同じ構成の素子を真空容器３００１に封入したものである。なお、第４の実施の形態例の検知素子４００における感温部４０はグリッド３００２、ヒータ部４１はフィラメント３００３、空洞の底面の基板１０はコレクタ３００４となる。よって、フィラメント３００３から空間へ（熱）電子放出する場合、立体的に拡散するので、反り曲がりのグリッド３００２で囲まれることにより効率よく高出力が得られるとともに、外側からの影響も少なくなる。コレクタ３００４となる基板の空洞はフィラメント３００３、グリッド３００２に対応する凹部形状になっているので都合よい。グリッド３００２のアシストにより引き出されたフィラメント３００３の（熱）電子はコレクタ３００４の基板との間に流れる電流であり、真空度に対応する。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 基板端面からの基板表面に沿った距離と基板表面から離れる距離における空気の流速測定特性図である。 第１の実施の形態例の検知素子の製造工程図である。 第１の実施の形態例の検知素子の製造工程図である。 第１の実施の形態例の検知素子の製造工程図である。 感温部を立体形成する方法を説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 第３の実施の形態例の検知素子の製造工程を示す平面図である。 第３の実施の形態例の検知素子の製造工程を示す図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 第４の実施の形態例の検知素子の製造工程を示す図である。 本発明の第５の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 第５の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す平面図である。 第５の実施の形態例の検知素子の製造工程を示す図である。 本発明の第６の実施の形態例に係る検知素子におけるヒータ部の構成を示す図である。 第６の実施の形態例の検知素子における感温部の構成を示す図である。 第６の実施の形態例の検知素子の全体構成を示す図である。 本発明の第７の実施の形態例に係る検知素子におけるヒータ部の構成を示す図である。 第７の実施の形態例の検知素子における感温部の構成を示す図である。 第７の実施の形態例の検知素子の全体構成を示す断面図である。 本発明の第８の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 第８の実施の形態例の検知素子の構成を示す図である。 本発明の第９の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す斜視図である。 第９の実施の形態例の検知素子の構成を示す図である。 本発明の第１０の実施の形態例に係る検知素子の構成を示す図である。 第１０の実施の形態例の検知素子の別の製造工程を示す製造工程断面図である。 第１０の実施の形態例の検知素子の更に別の製造工程を示す製造工程断面図である。 別の発明の一実施の形態例に係る真空計の構成を示す斜視図である。 別の発明の一実施の形態例に係る真空管の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０；基板、１１；空洞、１２；ブリッジ、１３；ヒータ部、
１４，１５；感温部、
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００；検知素子、
２０００；真空計、３０００；真空管。

Claims (13)

1. 貫通孔又は空洞を有する基板と、前記貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する発熱電極を有するヒータ部と、前記貫通孔又は空洞上に反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する感温電極を有する感温部とを具備し、前記ヒータ部から輸送される熱量を前記感温部により計測することを特徴とする検知素子。
2. 前記ヒータ部と前記感温部とが隣接配列され、流体の流速・流量又は雰囲気の熱伝導率に応じて前記ヒータ部から流体によって輸送される熱量を前記感温部により計測する請求項１記載の検知素子。
3. 前記ヒータ部から前記感温部の間の距離と、流体の流速・流量又は雰囲気の熱伝導率に応じて前記ヒータ部から流体によって輸送される熱伝達する時間とにより、流速を計測する請求項１又は２に記載の検知素子。
4. 前記発熱電極及び前記感温電極は、パイプ形状の曲面に沿った形状をなす請求項１〜３のいずれかに記載の検知素子。
5. 流体の流れに沿って前記ヒータ部が前記感温部の内側に配列されている請求項１記載の検知素子。
6. 流体の流れを横切る方向に沿って、前記ヒータ部が前記感温部の内側に配列されている請求項１記載の検知素子。
7. 前記感温部の前記感温電極が円環状に配列され、前記ヒータ部の前記発熱電極が円環状の前記感温部の中心に配置されている請求項１記載の検知素子。
8. 前記ヒータ部を空洞領域に配置した第１の基板と、前記感温部を空洞領域に配置した第２の基板とを、互いの空洞領域を対向させて一体的に接合する請求項１〜７のいずれかに記載の検知素子。
9. 貫通孔又は空洞を有する基板と、前記貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、反り曲がり片持ち梁の形状をなすと共に空間に起立する電極を有する抵抗体を具備し、発熱タイミングに前記抵抗体に発熱用電流を流して前記抵抗体を発熱させ、検出タイミングに前記抵抗体に検出用電流を流して、発熱時の前記抵抗体の抵抗値から検出時の前記抵抗体の抵抗値を減算した減算値に基づいて輸送される熱量を算出することを特徴とする検知素子。
10. 貫通孔又は空洞を有する基板と、前記貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する抵抗体を具備し、発熱タイミングに前記抵抗体に発熱用電流を流して前記抵抗体を発熱させ、検出タイミングに前記抵抗体に検出用電流を流して、発熱時の前記抵抗体の抵抗値から検出時の前記抵抗体の抵抗値を減算した減算値に基づいて輸送される熱量を算出することを特徴とする検知素子。
11. 貫通孔又は空洞を有する基板と、前記貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する第１の抵抗体と、前記貫通孔又は空洞上に橋架するように設けられ、傾斜形状をなす電極を有する第２の抵抗体とを具備し、前記第１の抵抗体から輸送される熱量を前記第２の抵抗体により計測し、あるいは前記第２の抵抗体から輸送される熱量を前記第１の抵抗体により計測することを特徴とする検知素子。
12. 請求項１〜１２のいずれかに記載の検知素子を真空容器に封入し、前記ヒータ部及び前記感温部の各電極パッドから真空容器外部へ配線を引き出して、真空容器の内部における気体の熱伝導率の圧力依存性を前記感温部から得られる温度変動分として真空度に換算することを特徴とする真空計。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の検知素子を真空容器に封入し、前記ヒータ部及び前記感温部の各電極パッド及び前記基板から真空容器外部へ配線を引き出して、前記ヒータ部をフィラメント、前記感温部をグリッド及び前記基板をコレクタとし、前記フィラメントと前記コレクタ間に流れる電流を計測し、真空度に換算することを特徴とする真空管。
    
    

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