JPH0146009B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、毛管流路内を流れる被測定ガスを熱
運搬媒体として該被測定ガスに熱エネルギーを授
与しかつこの被測定ガスによる熱移動に伴う温度
差に起因する電気抵抗値の差によつて被測定ガス
の質量流量に対応した電圧を出力する抵抗体を、
前記毛管流路の外壁に設けた流量センサー及びそ
の製造方法に関する。

上記の流量センサーには、抵抗体として２個の
加熱抵抗体を毛管流路方向に間隔をへだてて設け
た所謂自己加熱形式のものと、１個の加熱抵抗体
と該加熱抵抗体の前後に毛管流路方向で間隔をへ
だてて２個の感熱抵抗体を設けた所謂補助加熱形
式のものとがあり、何れも抵抗体はブリツジ回路
に接続されている。

而して、前者の自己加熱形式のものにおいて
は、ブリツジ回路に電流を流して加熱抵抗体を加
熱し、かつ、毛管流路に被測定ガスを流すと、該
被測定ガスに対して上流側の加熱抵抗体から熱エ
ネルギーが授与され、この被測定ガスを熱運搬媒
体として下流側加熱抵抗体への熱移動が行なわれ
る。この結果、上流側加熱抵抗体の電気抵抗値が
減少し、下流側加熱抵抗体の電気抵抗値が増大し
て、ブリツジ回路の平衡が崩れ、この電気抵抗値
の差に基いて被測定ガスの質量流量に応じた電圧
を出力するものであり、そして後者の補助加熱形
式のものにおいては、両感熱抵抗体にはほとんど
電流を流さず、かつ、加熱抵抗体に電流を流して
これを発熱させるものであつて、これによつて加
熱抵抗体の熱エネルギーが下流側の感熱抵抗体に
移動し、この熱移動に伴う両感熱抵抗体の電気抵
抗値の差に基いて、被測定ガスの質量流量に応じ
た電圧を出力するものである。

かかる流量センサーは、流体の質量流量を正確
に計測するための質量流量計（マスフローメー
タ）、並びに質量流量を正確に制御するための質
量流量制御器（マスフローコントローラ）のセン
サーとして、半導体工業、自動車工業、分析機
器、一般工業の各分野に広く利用され、とりわけ
半導体工業の分野では、半導体製造の原料となる
ガスの流量の精密な計測と制御が半導体の質と歩
留りに重大な影響を及ぼすことから、既に半導体
製造装置に大量に導入されており、更に未だ導入
されていない部門についても、ニードルバルブと
ロータメータの組合せから、急速に質量流量制御
器の採用に移行する傾向にある。

而して、特性が均質でかつ経年変化しない流量
センサーが要求され、しかも、そのようなセンサ
ーを廉価に市場供給されることが望まれている
が、現状の技術では上記要望を満し得ることがで
きないものであつた。

即ち、従来は、内径が0.2mm〜１mm程度の毛管
流路を備える金属製の円形断面の毛細管を用い
て、これの毛管流路の外周に抵抗体を巻き付けて
流量センサーを作製しているが、個々の毛細管に
抵抗体の金属線を巻き付ける作業は、これの自動
化に限度があつてどうしても手作業に頼らざるを
得ず、生産性が悪い上、均質なる特性のものを多
量生産することが困難で、生産コストが高くつく
ものであつた。

更に、抵抗体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、該抵抗体
を巻き終つた状態においてこれを固定するために
有機化合物の接着剤が塗布されるが、流量センサ
ーの使用状態においては、抵抗体に流される電流
によつて該抵抗体は120℃〜150℃程度に昇温する
ものであり、このような条件下では時間が経つほ
どに有機物質が次第に変質し、センサーの出力特
性に影響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来し、計測の安定性の面で
問題があつたのである。

本発明は、上述の実情に鑑みて成されたもので
あつて、本第１発明においては、特性が均質で経
年変化を生じない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、毛管流路を形成した断面角形のシリコン結晶
製毛管基材の一側面に無機物質の絶縁膜を設け、
該絶縁膜上に、フオトリソグラフイー及びエツチ
ングによつて膜状の抵抗体を形成すると共に、該
抵抗体に対して、無機物質の表面保護膜と外部配
線接続用のボンデイングプレートを設けた点に特
徴がある。

そして本第２発明においては、特性が均質で経
年変化を生じない流量センサーを多量生産し得、
延いては廉価に該流量センサーを製造することの
できる流量センサーの製造方法を提供することを
目的とし、ほ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無機物質の絶縁膜を形成
すると共に、前記毛管流路の夫々に対応する箇所
の前記絶縁膜上に、フオトリソグラフイー及びエ
ツチングによつて膜状の抵抗体を形成し、次いで
前記抵抗体の夫々に対して外部配線接続用のボン
デイングプレート並び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央
において切断分離し、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、本発明方法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図イに示すように、ほぼ同寸法の
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、シリコンインゴツトをスライスしたウエハ
を使用しており、前記板状基材１として、ダイ
ヤモンドカツターを備えたダイシングマシンに
よつて、450μ厚さのシリコンウエハに400μ深
さ・800μ巾・1100μピツチの溝ａ…を加工した
ものを用い、板状蓋体２として、溝ａ…の長さ
よりもやや巾狭に割円切除した450μ厚さのシ
リコンウエハを用いているが、これらの寸法設
定は各種変更可能である。

次に、同図ハに示すように、蓋体２の割円部
の両側に溝端部を臨ませる状態でかつ該蓋体２
によつて溝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、真空蒸着法やスパツタリング法な
どによつて金の膜ｂ，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、
もつて、金膜ｂを介して基材１と蓋体２とを拡
散によつて接合してある。

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、ガスのリークも認められず、優れた
接合を図に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
の底面側であつても良い。）に、酸化法やスパ
ツタリング法による二酸化珪素や、プラズマ
CVD（Chemical Vapour Depositionの略）法
による四窒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の形成に先立つて、同図ニに示
すように、前記蓋体２の絶縁膜形成面に研摩処
理を施す。

即ち、シリコンインゴツトをスライスして形
成したシリコンウエハには、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
ツピング更にはポリツ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、補助加熱形式のものを例にとつて同図
ヘに示すように、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、１個の加熱抵
抗体４ａと、該加熱抵抗体４ａの前後に毛管流
路方向で間隔をへだてる状態で２個の感熱抵抗
体４ｂとからなる抵抗体４を、夫々フオトリソ
グラフイー及びエツチングによつて形成する。

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、加熱抵抗体用として例えば
ニツケル・クロム膜を、かつ、感熱抵抗体用と
して例えばニツケル膜を、順次（順序は不問で
ある。）スパツタリング法などにより所定の大
きさに形成し、該膜上にフオトレジストを塗布
する。

そして、所定形状の抵抗体パターンを有する
マスクを前記フオトレジストにかけて露光並び
に現像を行ない、該フオ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
よつて抵抗体膜をエツチングし、所定形状の抵
抗体パターンを形成する。次いでイオンビーム
エツチング又は溶剤等によつて前記フオトレジ
ストを除去することにより、所定のパターンの
加熱並びに感熱の抵抗体４ａ，４ｂ，４ｂを形
成するのである。

前記加熱並びに感熱抵抗体４ａ，４ｂのパタ
ーの一例を第４図に示す。尚、図中のｄは膜状
抵抗体部分であり、ｅ，ｅはボンデイングパツ
トである。

次いで、第１図トに示すように、外気や大気
中の水分の影響等から前記加熱及び感熱抵抗体
４ａ，４ｂ，４ｂを保護するために、前記ボン
デイングパツトｅ…を除く膜状抵抗体部分ｄ…
の表面に、スパツタリング法による二酸化珪素
やプラズマCVD法による四窒化珪素等の無機
物質の保護膜ｆを形成する。

そして次に、同図チに示すように、外部配線
接続用のボンデイングプレート５…を、例えば
既述したフオトリソグラフイー及びエツチング
によつて前記ボンデイングパツトｅ…に接続状
態で設ける。このボンデイングプレート５の材
料としては、ボンデイ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を蓋体２の割円切除部近くに沿つて切断す
る（図中x₁）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
を切断分離（図中x₂）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A₁，A₁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…
とすることによつて、１個の毛管基板３から複
数個の補助加熱形式の流量センサーＳ…を作製
することができる。（第３図参照） 尚、前記ボンデイングプレート５…の外部配
線接続部を２箇所にまとめ、更に、流量センサ
ーＳの幅を小と成すべく、加熱抵抗体用ボンデ
イングプレート５，５を感熱抵抗体４ｂ，４ｂ
の上部にオーバーラツプさせて配置したので、
保護膜ｆの形成後にボンデイングプレート５…
を設ける手順を踏んだが、前記加熱抵抗体用ボ
ンデイングプレート５，５を感熱抵抗体４ｂ，
４ｂにオーバーラツプさせない構成をとるなら
ば、ボンデイングプレート５…を設けて後に保
護膜ｆを形成するも良い。

第５図は本発明にかかる流量センサーＳの変
形例を示し、詳しくは、抵抗体４が、加熱機能
を有しかつ感熱機能をも要する加熱・感熱兼用
の抵抗体４ｃ，４ｄから成り、而してこの構成
においても、保護膜ｆとボンデイングプレート
５を設ける手順は不問である。

さて、前記補助加熱形式の流量センサーＳに
対する電気回路は第４図に示す如くであり、即
ち、感熱抵抗体４ｂ，４ｂにはほとんど電流を
流さず、加熱抵抗体４ａに電流を流す構成とす
るものであり、而して前期毛管流路Ａに被測定
ガスを流すと該ガスは加熱抵抗体４ａによつて
加熱され、その熱が下流側の感熱抵抗体４ｂに
伝わり、この結果、両感熱抵抗体４ｂ，４ｂの
温度抵抗値に差が生じ、両感熱抵抗体４ｂ，４
ｂに対するブリツジ回路の平衡が崩れて、被測
定ガスの質量流量に応じた電圧が端子６，６に
出力されるものである。

前記自己加熱形式の流量センサーＳに対する
電気回路は第５図に示す如くであり、即ち、両
抵抗体４ｃ，４ｄに電流を流してそれらを共に
発熱させるものであり、而して毛管流路Ａに被
測定ガスを流すと、上流側の抵抗体４ｃから下
流側の抵抗体４ｄに熱が移動し、前記補助加熱
形式のものと同様に、被測定ガスの質量流量に
応じた電圧が端子６，６に出力されるもので、
何れの形式においても出力電圧を基にして被測
定ガスの質量流量を計測でき、あるいは、その
計測結果を基にして質量流量の制御を行なうこ
とができる。

第６図に毛管基板３の変形例を示す。このも
のは厚さ方向で貫通するスリツト溝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
によつて、単品の流量センサーＳを作製するこ
とが可能である。

即ち、第７図に示すように、適宜の手段によ
つて毛管流路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
に対して上記、、、と同様のプロセス
を経ることによつて、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。

以上説明したように本第１発明の流量センサ
ーによれば、断面が矩形の毛管基材の一側面に
抵抗体を設けるものであるから、該抵抗体を自
動化の容易なフオトリソグラフイー及びエツチ
ングによつて形成でき、而して生産性の向上を
図ることができる。

そして、フオトリソグラフイー及びエツチン
グを採用する故に、前記抵抗値の再現性が著る
しく良好な抵抗体を形成できると共に、有機物
質を全く用いていないので、特性が均質でしか
も経年変化を生じることがない。

更に、前記抵抗体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
の発熱によつて毛管流路が曲つて計測上の誤差
を生じる虞れがあり、この点にあつて毛管基材
をシリコン結晶製とすることにより、シリコン
はその熱膨張率が金属例えば鉄の約1/6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、これは即ち、毛管流路を並列状態に備えさ
せた毛管基板の一側平面に、フオトリソグラフ
イー及びエツチングによつて抵抗体を形成する
ことによつてはじめて可能になつたものであ
り、これによつて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つた。

【図面の簡単な説明】

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〜チは流量センサーの
製作手順を示す説明図、第２図は流量センサー
を分離する以前の全体平面図、第３図は抵抗体
部分を拡大した断面図、第４図は電気回路と共
に流量センサーを示す説明図、第５図は同じく
流量センサーの変形例の説明図、第６図は毛管
基板の変形例を示す部分破断分解斜視図、第７
図は毛管基材の部分斜視図である。 １……板状基材、２……板状蓋体、３……毛
管基板、４……抵抗体、５……ボンデイングプ
レート、７……毛管基材、ａ……溝、Ａ……毛
管流路、ｃ……絶縁膜、ｆ……保護膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 毛管流路内を流れる被測定ガスを熱運搬媒体
   として該被測定ガスに熱エネルギーを授与しかつ
   この被測定ガスによる熱移動に伴う温度差に起因
   する電気抵抗値の差によつて被測定ガスの質量流
   量に対応した電圧を出力する抵抗体を、前記毛管
   流路の外壁に設けた流量センサーであつて、前記
   毛管流路を形成した断面矩形のシリコン結晶製毛
   管基材の一側面に無機物質の絶縁膜を設け、該絶
   縁膜上に、フオトリソグラフイー及びエツチング
   によつて膜状の抵抗体を形成すると共に、該抵抗
   体に対して、無機物質の表面保護膜と外部配線接
   続用のボンデイングプレートとを設けてあること
   を特徴とする流量センサー。 ２ 前記抵抗体が、毛管流路方向で間隔をへだて
   て設けた２個の加熱抵抗体から成り、上手側加熱
   抵抗体の被測定ガスに対する熱エネルギーの授与
   によつて生ずる温度差に起因する両加熱抵抗体の
   電気抵抗値の差によつて、被測定ガスの質量流量
   に応じた電圧を出力する特許請求の範囲第１項に
   記載の流量センサー。 ３ 前記抵抗体が、１個の加熱抵抗体と該加熱抵
   抗体の前後に毛管流路方向で間隔をへだてて設け
   た２個の感熱抵抗体とから成り、前記加熱抵抗体
   の被測定ガスに対する熱エネルギーの授与、並び
   に、加熱後の被測定ガスの下手側発熱体に対する
   熱エネルギー授与によつて生ずる温度差に起因す
   る両感熱抵抗体の電気抵抗値の差によつて、被測
   定ガスの質量流量に応じた電圧を出力する特許請
   求の範囲第１項に記載の流量センサー。 ４ 毛管流路内を流れる被測定ガスを熱運搬媒体
   として該被測定ガスに熱エネルギーを授与しかつ
   この被測定ガスによる熱移動に伴う温度差に起因
   する電気抵抗値の差によつて被測定ガスの質量流
   量に対応した電圧を出力する抵抗体を、前記毛管
   流路の外壁に設けた流量センサーの製造方法であ
   つて、ほ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無機物質の絶縁膜を形成する
   と共に、前記毛管流路の夫々に対応する箇所の前
   記絶縁膜上に、フオトリソグラフイー及びエツチ
   ングによつて膜状の抵抗体を形成し、次いで前記
   抵抗体の夫々に対して外部配線接続用のボンデイ
   ングプレート並び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央にお
   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。 ５ 前記絶縁膜の形成に先立つて、前記毛管流路
   の絶縁膜形成面を研摩処理することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載の流量センサーの製
   造方法。