JPH05307045A

JPH05307045A - 流速センサ

Info

Publication number: JPH05307045A
Application number: JP3301860A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Mori; 武寿森; Masahiro Tsuboi; 正博坪井
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1993-11-19

Abstract

(57)【要約】【目的】感温膜における温度の検出と温度の制御を別
々に行うことができるようにし、感温膜が安定した経時
的特性を示す小型の流速センサを提供する。【構成】シリコン基板１の一方の表面にヒータ２が形
成されている。ヒータ２は、たとえばボロン等のｐ型不
純物による拡散層により形成されている。ヒータ２の上
面には絶縁膜３が形成されており、この絶縁膜３上に感
温膜４が形成されている。感温膜４と、この感温膜４の
加熱を行うヒータ２が別々に形成されているため、感温
膜４による温度検出と、感温膜４の温度制御とを別々に
行うことができる。したがって、感温膜４において温度
変化を検出しながら、ヒータ２に流す電流を制御し、感
温膜４を流速測定に適した温度に加熱することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体等の流体の流速を
計測するための流速センサに係わり、特に感温膜として
サーミスタを用い、このサーミスタの流体中における電
気抵抗値の変化により温度変化を検出し、この温度変化
を流速に換算する流速センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流速センサは、たとえば
心機能検査のため右心カテーテル法により心拍出量を測
定する際に用いられている。この流速センサとしては、
抵抗体であるサーミスタを用いた熱型センサの他、熱電
対型、ｐｎ接合型などのセンサが用いられている。

【０００３】これらの中で、特に、微小部分の流速を計
測するには、センサ自体の大きさを小型化する必要があ
ることから、簡単な構造を取ることができる熱型のもの
が主として用いられている。この熱型の流速センサで
は、まず抵抗体である感温膜（サーミスタ）に多くの電
流を流すことで、感温膜を高温に加熱する。次に、セン
サ自体を流体中に保持し、その流体により熱が奪われる
ことによる感温膜の温度変化を検出し、この温度変化を
流体の流速に換算するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱型流速センサでは、予め感温膜を加熱するとき、およ
びその後の流速の計測時において、それぞれ感温膜に直
接電流を流すため、感温膜における温度の検出と温度の
制御を別々に行うことができなかった。つまり、流体お
よびその周囲環境の温度に対してセンサの温度を最良の
条件に設定するためには、感温膜に流す電流値を変え、
自己加熱量を制御する必要があった。このため、感温膜
自体に多くの電流を流す必要があり、この電流によりセ
ンサの電気的特性に影響を与えていた。すなわち、抵抗
値が一定方向に変化していく等のドリフト現象が起こり
易いという問題があった。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、感温膜における温度の検出と温度の
制御を別々に行うことができ、感温膜が安定した経時的
特性を示す小型の流速センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による流速センサ
は、対向する２面を有するセンサ基板と、このセンサ基
板に設けられ、被検出流体中における温度変化を検出す
る感温膜と、前記センサ基板上に感温膜とは別に設けら
れ、前記感温膜を所定の温度に加熱するヒータとを備え
ている。

【０００７】前記ヒータと前記感温膜とは、前記センサ
基板の同一面側において絶縁膜を介して積層状に設ける
ようにしてもよく、また前記感温膜を前記センサ基板の
一方の面側に設け、前記ヒータを前記センサ基板の他方
の面側に設けるようにしてもよい。

【０００８】ヒータは、センサ基板内に形成した不純物
拡散層、あるいはセンサ基板上に形成した多結晶シリコ
ン膜としてもよく、また、チタン、タングステン、タン
タル等により形成された比較的抵抗値の大きな導電性薄
膜により形成してもよい。

【０００９】また、センサ基板としては、シリコン、ゲ
ルマニウム等の半導体基板が用いられるが、容易に、し
かも安価に手に入れることができるシリコン基板を用い
ることが好ましい。感温膜は、ゲルマニウム、シリコン
の単体、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、
あるいはこれらの複合体等の、温度変化により電気抵抗
値が変化する物質で形成される。この感温膜とヒータと
の間に設けられる絶縁膜は、シリコンオキシナイトライ
ド膜 (SiOxNy) 、シリコン酸化膜 (SiOx) 、シリコン窒
化膜 (SiNy) 等を用いることができる。

【００１０】本発明の流速センサでは、感温膜と、この
感温膜の加熱を行うヒータが別々に形成されているた
め、感温膜による温度検出とこの感温膜の温度制御とを
別々にに行うことができる。したがって、感温膜におい
て流速による温度変化を検出しながら、ヒータに流す電
流を制御し、感温膜の温度を流速測定に適した温度に自
由に設定することができる。また、感温膜に対して多く
の電流を流す必要がなくなる。したがって、感温膜を薄
膜化することができ、その結果感温膜の経時的特性が安
定化する。

【００１１】さらに、センサ基板の片面にヒータと感温
膜を積層して形成する構成とすることにより、センサ自
体の外形を小さくすることができ、これによりセンサの
熱容量が小さくなり、応答感度が高くなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例に係わる流速セン
サの平面構成を表し、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面
構造を表すものである。

【００１４】本実施例の流速センサでは、ｎ型のシリコ
ン基板１の一方の表面にヒータ２が形成されている。ヒ
ータ２は、たとえばボロン等のｐ型不純物による拡散層
により形成されている。ヒータ２の上面には絶縁膜３が
形成されており、この絶縁膜３上に感温膜４が形成され
ている。感温膜４はたとえばアモルファスゲルマニウム
（ａ−Ｇｅ）により形成されている。感温膜４にはそれ
ぞれアルミニウム等の金属で形成された櫛型状の配線層
５ａ、５ｂが接続されている。

【００１５】絶縁膜３上には、アルミニウム（Ａｌ）膜
６ａ、クロム（Ｃｒ）膜６ｂおよび銅（Ｃｕ）膜６ｃの
３層構造からなるコンタクトパッド６が設けられてい
る。このコンタクトパッド６と配線層５ａ、５ｂとは電
気的に接続されている。またコンタクトパッド６の銅膜
６ｃには半田７を介してリード線８が接続されている。
リード線８は後述の検出回路１６（図３）に接続されて
いる。さらに、絶縁膜３上には、アルミニウム（Ａｌ）
膜９ａ、クロム（Ｃｒ）膜９ｂおよび銅（Ｃｕ）膜９ｃ
の３層構造からなるコンタクトパッド９が設けられてい
る。コンタクトパッド９の銅膜９ｃには半田１１を介し
てリード線１２が接続されている。リード線１２は後述
のヒータ制御回路１４（図３）に接続されている。絶縁
膜３にはコンタクトホール１０が形成され、コンタクト
パッド９とヒータ２とはこのコンタクトホール１０を介
して電気的に接続されている。

【００１６】図３はこのような構成の流速センサ１３を
用いた計測システム全体の概略構成を表すものである。

【００１７】ヒータ２の温度はヒータ制御回路１４によ
り制御されるようになっている。計測に際しては、まず
最初に、ヒータ２に電流を流すことなく、流速センサ１
３を被検出流体１５中に保持した状態で、感温膜４によ
り周囲温度を測定する。すなわち、この感温膜４の電気
抵抗値が周囲温度に応じて変化し、この電気抵抗値の変
化による電流値または電圧値の変化を検出回路１６が検
出する。この検出温度はヒータ制御回路１４へ送られ、
ヒータ制御回路１４はこの検出温度をもとにヒータ２に
流す電流を制御し、感温膜４を流速測定に適した温度ま
で加熱する。その後、計測が開始されるもので、感温膜
４は被検出流体１５中において熱が奪われ、その温度が
変化する。この感温膜４の温度変化に伴い、感温膜４の
電気抵抗値が変化し、この電気抵抗値の変化による電流
値または電圧値の変化を検出回路１６が検出する。この
検出回路１６の検出結果は流速算出回路１７へ送られ、
ここで流速が算出される。一方、検出回路１６の検出結
果はヒータ制御回路１４へ再びフィードバックされ、ヒ
ータ制御回路１４はこの検出結果をもとにヒータ２の温
度を制御する。

【００１８】本実施例では、温度センサである感温膜４
と、この感温膜４の加熱を行うヒータ２が別々に形成さ
れているため、感温膜４の温度設定を自由に行うことが
できる。したがって、感温膜４において流速による温度
変化を検出しながら、ヒータ制御回路１４によりヒータ
２に流す電流を制御し、感温膜４を流速測定に適した温
度に加熱することができる。

【００１９】また、本実施例の流速センサでは、シリコ
ン基板１の片面にヒータ２と感温膜４とを積層させて形
成したので、センサ自体の外形を小さくすることができ
る。これにより、センサの熱容量が小さくなり、応答感
度が高くなる。また、従来構造のセンサに比べて、感温
膜４を流速測定に適した温度に加熱する際に、感温膜４
に対して多くの電流を流す必要がないため、感温膜４を
薄膜化することができ、その結果感温膜４の経時的特性
が安定化する。

【００２０】次に、本実施例の流速センサの製造方法
を、図４ないし図７を参照して説明する。

【００２１】まず、図４（Ａ）に示すような、たとえば
厚さ３００μｍのｎ型シリコン基板（抵抗率４〜８Ω・
ｃｍ）２０を用意した。次に、このシリコン基板２０の
両面にそれぞれシリコン酸化膜(SiO₂)２１を形成した。
このシリコン酸化膜２１の形成はパイロジェニック酸化
で行い、温度１１００°Ｃ、６０分の酸化処理で約０．
６μｍのシリコン酸化膜２１を形成した。

【００２２】続いて、ヒータ配線のパターニングをレジ
ストで行い、バッファフッ酸によりシリコン酸化膜(SiO
₂)２１をエッチングし、同図（Ｂ）に示すようなイオン
注入用の開口部２２を形成した。エッチング時間は、温
度３０°Ｃで、約５分とした。

【００２３】次に、同図（Ｃ）に示すように、開口部２
２を通して、シリコン基板２０の表面にｐ型不純物たと
えばボロンＢ⁺２３のイオン注入を行い、その後１１０
０°Ｃで４０分のアニール処理を行った。これにより、
図５（Ａ）に示すようにｐ型不純物拡散層からなるヒー
タ２４が形成された。イオン注入は、加速電圧４０KeV
、ドーズ量５×１０¹⁵ions/cm²とした。続いて、シリ
コン基板２０の表面上に、プラズマＣＶＤ法（化学的気
相成長法）により絶縁膜たとえばシリコンオキシナイト
ライド膜 (SiOxNy) ２５を形成した。シリコンオキシナ
イトライド膜２５の成膜は、シリコン基板２１を５００
℃に加熱し、圧力を０．４５toor、高周波出力を４００
W とし、反応ガスとしてシラン（Ｓi Ｈ₄）を１０SCC
M、窒素（Ｎ ₂）を２０７SCCM、亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）
を２８SCCM流し、時間１０分で膜厚１μｍのシリコンオ
キシナイトライド膜２５を形成した。

【００２４】次に、ゲルマニウム（Ｇｅ）をターゲット
としてスパッタリングを行い、シリコン基板２０の表面
のシリコンオキシナイトライド膜２５上に、膜厚１μｍ
のアモルファスゲルマニウム（ａーＧｅ）膜を形成し
た。このスパッタリングは、基板温度を３００°Ｃ、ガ
ス流量をアルゴン（Ａｒ）＝４SCCM、成膜圧力を３×１
０^-3Torr、高周波出力を１２０Ｗとして１０分間行っ
た。続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行っ
てアモルファスゲルマニウム膜のパターニングを行い、
同図（Ｂ）に示すような感温膜２６を形成した。この反
応性イオンエッチングは、たとえばエッチングガスとし
てフロン（ＣＦ₄）と酸素（Ｏ₂）を用い、その流量を
ＣＦ₄＝３８SCCM、Ｏ₂＝２SCCMとし、エッチング時の
圧力を０．２Torr、高周波出力を１５０Ｗとし、エッチ
ング時間を７分とした。

【００２５】続いて、シリコン基板２０の表面に同図
（Ｃ）に示すように、絶縁膜たとえば膜厚０．２μｍの
シリコンオキシナイトライド膜２７を形成した。成膜条
件は、時間を２分とした以外は、図５（Ａ）に示した工
程と同様とした。

【００２６】次に、図６（Ａ）に示すように、このシリ
コンオキシナイトライド膜２７をバッファフッ酸により
櫛型状にエッチングし、多数の開口部２８と、ヒータ接
続用のコンタクトホール３５とを形成した。

【００２７】続いて、同図（Ｂ) に示すように、配線材
としてアルミニウム（AL) 膜２９、クロム膜（Cr) ３
０、および銅膜(Cu)３１をそれぞれ１μｍ、０．０５μ
ｍ、２μｍの厚みに積層して蒸着し、その後アルミニウ
ム膜２９を選択的にエッチングして櫛型状の配線層３２
ａ、３２ｂを形成し、またアルミニウム膜２９、クロム
膜３０および銅膜３１を選択的にエッチングすることに
よりコンタクトパッド３３、３４を形成した。これによ
りコンタクトパッド３３と配線層３２ｂとが接続される
とともに、コンタクトパッド３４とヒータ２４とがコン
タクトホール３５を介して電気的に接続された。

【００２８】次に、シリコン基板２０の表面に図５
（Ｃ）の工程と同じ条件で、プラズマＣＶＤ法により図
６（Ｃ）に示すような膜厚１μｍのシリコンオキシナイ
トライド膜３６を形成した。

【００２９】続いて、このシリコンオキシナイトライド
膜３６をバッファフッ酸により選択的にエッチングし、
図７（Ａ）に示すようにコンタクトバッド３３、３４上
にそれぞれコンタクトホール３７を形成した。

【００３０】次に、シリコン基板２０の裏面側をシリコ
ン酸化膜２１とともに、アルカリ性エッチング液、たと
えばヒドラジン水溶液を用いてエッチングし、シリコン
基板２０を１５０μｍ程度に薄くした。このような工程
により、長さ１ｍｍ、幅０．３ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ
の微小な流速センサを作製することができた。

【００３１】以上実施例を挙げて本発明を説明したが、
本発明は上記実施例に限定するものではなく、その要旨
を変更しない範囲で種々変形可能である。たとえば、上
記実施例においては、ヒータ２４および感温膜２６をシ
リコン基板２０の同一面に積層して形成するようにした
が、これは図８に表すように、ヒータ２４と感温膜２６
とを別々の面に形成するようにしてもよく、このような
構成にしても上記実施例と同様の効果を得ることができ
る。なお、図２と同一構成部分については同一符号を付
してその説明を省略する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の流速センサ
によれば、感温膜と、この感温膜の加熱を行うヒータと
を別々に形成するようにしたので、感温膜による温度検
出とこの感温膜の温度制御とを別々に行うことができ
る。したがって、感温膜において被検出流体の流速によ
る温度変化を検出しながら、ヒータに流す電流を制御
し、感温膜を流速測定に適した温度に加熱することがで
きる。また、感温膜に対して多くの電流を流す必要がな
くなるため、感温膜を薄膜化することができ、その結果
感温膜の経時的特性が安定化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる流速センサの平面図
である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】図１の流速センサを用いた計測システムの全体
構成を表すブロック図である。

【図４】図１の流速センサの製造工程を表す断面図であ
る。

【図５】図１の流速センサの製造工程を表す断面図であ
る。

【図６】図１の流速センサの製造工程を表す断面図であ
る。

【図７】図１の流速センサの製造工程を表す断面図であ
る。

【図８】本発明の他の実施例に係わる流速センサの構成
を表す断面図である。

【符号の説明】

１、２０シリコン基板２、２４ヒータ４２６感温膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する２面を有するセンサ基板と、このセンサ基板に設けられ、被検出流体中における温度
変化を検出する感温膜と、前記センサ基板上に感温膜とは別に設けられ、前記感温
膜を所定の温度に加熱するヒータとを備えたことを特徴
とする流速センサ。