JPH057659B2

JPH057659B2 -

Info

Publication number: JPH057659B2
Application number: JP58244964A
Authority: JP
Inventors: Jii Jonson Robaato; Ii Higashi Robaato; Jei Booree Fuiritsupu
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1993-01-29
Also published as: JPS60142268A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサ
に関する。市販されている空気の流れの中にそう
入する長いプロープの先に、１本の熱線かサーミ
スタを配置するものである。これは、空気の流れ
による冷却効果によつて引き起される温度低下
と、それにともなう電気抵抗値の変化により空気
の流れ速度を測定するものである。こういうデバ
イス構成であるからセンサエレメントは空気の流
れにさらされるので、破損や汚れを受け易いので
ある。しかもこの空冷による温度変化は全く直線
性がないたへ、得られる電気信号を電子回路によ
り、リニアライズすることが必要となる。さらに
これらは高価であり、量産には適さない。

本発明に関連しているものとして、次のような
市販されている質量流量センサがある。このセン
サは、空気やその他の測定ガスが通りぬける金属
管と、この金属管の１区域を抵抗加熱する変圧器
と、この区域に装着されている２ケの大きなヒー
トシンクと、この熱区域の中心とヒートシンクの
間の熱区域の中間に対称的に金属に取付けられる
２ケの熱電対から構成される。金属管を通してこ
の空気の流れが、上流にある熱電対を冷やし、下
流にある熱電対を熱する。変圧器が一定の電力で
駆動されているとき、この熱電対の出力電圧の差
が質量流量の測定のめやすとなる。これはかなり
電力を必要とする大きな装置である。大きなダク
トの内や、屋外での流量測定には適さないし、高
価であり量産もできない。

したがつて、次のような特性を有する流速セン
サもしくは質量流量センサと、これに関連する信
号処理回路が必要とされている。寿命が長く、メ
ンテナンスフリーで、小型で、低消費電力で、広
範囲な分野へ簡単に適用でき、大きな出力信号を
有し、そして広い速度レンジにわたつて直線性が
あるかあるいは容易に直線化できる出力特性を有
するようなものである。更に量産が可能で、低価
格なものでなければならない。

文献にはこれらの要求に関連して、流速センサ
を改善しようとなされたいくつかの試みが示され
ている。これらの試みは、以下に述べるように、
一般的には、焦電材料は、シリコンとその半導体
特性を利用しようとするものである。これらの試
みはいくつかの点で技術的な改善をもたらした
が、現在の流速センサとして求められている沢山
の特性に関して、いまだ不満足なものである。本
発明は、いかなる従来技術と比べても大巾にこれ
らの要求を満足するように、技術的に進歩してい
る。次に、よく知られている最も関連が深い従来
技術について述べることにする。

ヒユイジング（＊１）らが発明した流速センサ
は、シリコンチツプの両端近傍に埋め込まれた拡
散型トランジスタからなる同一の２ケの温度検知
素子と、これらの中薪心に配置されシリコンチツ
プを空気温度により45℃熱するための拡散型トラ
ンジスタからなるヒータ素子から構成される。空
気が流れると流れの上流に位置する温度検知素子
は、下流に位置する温度検知素子よりもわずかに
冷やされ、この２つの温度検知素子の温度差が電
流の差になり、電圧に変換されて空気の流速が測
定される。この温度検知素子は、感知できる程度
の温度差を実現するために、チツプの対向する両
端に配置させなくてはならないが、それでも生ず
る温度差は小さく、０〜50cm／秒の速度範囲で０
〜0.2℃以下の温度変化にすぎない。

＊１ J.H.Huijsing、et al：IEEE
Transactions on Electron Devices、Vol.ED
−29、No.１、pp.133−136、January、1982 バツプツテン（＊２）らが発明した流速センサ
は、シリコンチツプの向い合う各４辺上に埋め込
まれた同一の拡散型抵抗素子から構成される。す
べての抵抗素子は自己発熱し、これによりシリコ
ンチツプは流れてくる空気の温度によりかなり熱
せらられる。抵抗素子は電気的な２重ブリツヂ回
路で駆動される。空気の流れがないとき、すべて
の抵抗素子は同一温度になるので、２重ブリツヂ
回路は電気的にバランスする。空気の流れがある
とき、流れに対して垂直な上流及び下流の抵抗素
子は、流れに対して平行な両側の抵抗素子より冷
やされることになる。この温度差が２重ブリツヂ
のバランスをくずし、空気の流れ速度が測定され
る。

＊２ A.F.P.Van Putten、et al：Electronics
Letters、Vol.10.No.21、pp.425−426、
October、1974 マリン（＊３）らが発明した質量流量センサ
は、大きなシリコン細片上の拡散型抵抗素子から
なる２ケのセンサと、そのセンサの間の中心に配
置される拡散型のヒータ素子から構成される。こ
の技術は市販されている金属管を熱するタイプの
質量流量センサに類似している。空気の流れによ
り、流れの下流に位置するセンサは熱せられ上流
に位置するセンサは冷やされるので、これらのセ
ンサの温度の差がセンサ両端に生ずる電圧の差を
もたらし、質量流量が測定される。

＊３ K.Malin、et al：IBM Technical
Disclosure Bulletin、Vol.21、No.８、
January、1979 ラハナマイ（＊４）らは、結晶学的に配置され
る磨かれた単結晶のタンタル酸リチウムの薄い板
の背面全面に金属薄膜を付着させ、表面中心には
薄膜状に付着させたヒータ抵抗素子を配置し、こ
れから同じ距離離れて配置される２つの薄膜電極
とから構構成されるセンサを開示している。ここ
でタンタル酸リチウムの大きさは、長さ８mm、巾
４mm、最小板厚は0.06mmである。文献に述べられ
ているように、この板の下を空気が流れるように
するために、この板の両端を大きなネジ頭の上に
支持させている。上流と下流に位置する２つの電
極は、背面の電極面との間で分離した同一のコン
デンサを構成し、温度検知用のコンデンサとして
働く。動作は、例えば２〜10Hzのような低い周波
数の電圧でヒータ素子を駆動することで、ヒータ
素子を、流れる空気の温度に対して周期的に熱す
る。センサ素子も、タンタル酸リチウムと通して
の熱伝導により、これに対応して周期的に熱せら
れることになる。このタンタル酸リチウムは焦電
材料であることから温度に対応して分極を生ずる
ことになるが、空気の流れがないときには、２つ
のセンサに発生する周期的な分極電圧は同一のも
のとなる。従つて空気の流れがないときの２つの
センサの間の電圧の差は０となる。文献でも述べ
られているように、空気の流れがあるとき、上流
に位置するセンサ素子は下流に位置するセンサ素
子よりも冷やされることになるので、これらのセ
ンサの温度の差が電圧のの差をもたらし流速が測
定される。

＊４ H.Rahnamai、et al：paper presented
at the 1980 International Electron Devices
Society of IEEE、Wastington D.C.、pp.680
−684、December ８−10、1980 前述したように、これらの試みはいくつかの点
で技術的な改善をもたらしたが、現在のセンサと
して求められている沢山の特性に関しては、いま
だ不満足なものである。本発明は、これらの要求
を十分満足すべく技術を進歩させたものである。

本願の第１の発明は、熱伝導率の比較的小さい
薄膜の絶縁層で熱感知センサとヒータとを包んだ
２つの薄膜部材を、半導体基板の表面にエツチン
グにより形成された空気スペースに位置するよう
に、少なくともその一端が上記半導体基板に保持
されることにより、上記基板と非接触状態にし
て、かつ、極めて隣接して配置し得る構成とした
ものである。

次に、第２の発明は、上記第１の発明の改良に
係り、第１および第２の薄膜部材を同一平面上に
保つべく連結取段を設けた構成とたものである。

更に、第３および第４の発明は、薄膜のヒー
タ、一対の薄膜の熱感知センサに加えて、周囲の
温度をモニタするため、シリコン基板とヒートシ
ンクとした周囲温度検出手段と、ブリツジ回路制
御手段を設け、薄膜のヒータを周囲温度より一定
の高い温度で駆動し得る構成としたものである。

本発明の具体的な実施例として、基板２０は半
導体、その中でも特に精密なエツチング技術を応
用できる点と、チツプの生産性の高い点からシリ
コンが選択される。そしてこの基板上に形成され
る格子形状をなくす全く同一の測温抵抗素子は薄
膜の熱感知センサ２２，２４として働き、この２
個のセンサの中央部に配置される格子形状をなく
す発熱抵抗素子は薄膜のヒータ２６として働く。
熱感知センサ２２，２４及びヒータ２６として
は、鉄とニツケルの合金、例えば80％のニツケル
と20％の鉄からなるパーマロイといたものを使う
ことが適している。こられ熱感知センサ２２，２
４及びヒータ２は、例えば窒化シリコンからなる
薄膜の絶縁層２８，３９により包まれて、薄膜部
材を形成する。第１図及び第２図の実施例に示す
ように、センサは、ヒータ２６の半分と熱感知セ
ンサ２２からなる薄膜部材３２と、ヒータ２６の
半分と熱感知センサ２４からなる薄膜部材３４と
から構成され、巾150μ長さ400μの大きさを有す
る。

更に本発明で開示するセンサは、熱感知センサ
２２，２４及びヒータ２６を効果的に囲む空気ス
ペース３０を有する。この空気スペース３０はシ
リコンの表面３６に微細構造をもつて形成され
る。すなわち熱感知センサ２２，２４及びヒータ
２６は、約0.08〜0.12μの厚さで線間に約5μの空
間を有する巾5μの緩からなり、しかもこれらは
全体の厚さが約0.8μ以下になるような窒化シリコ
ンの薄い膜によつて包まれるように構成される。
そしてエツチングによりくぼみである空気スペー
ス３０が、薄膜部材３２，３４の下のシリコン基
板２０の中に125μの深さで正確に形成される。
薄膜部材３２，３４は、空気スペース３０の１つ
またはそれ以上のエツヂにおいて、シリコンの基
板２０の表面３６の最上部に接続される。例えば
第３図に示すように、薄膜部材３２，３４は、空
気スペース３０を架橋するように、あるいは第３
Ａ図に示すように片持ちばりで構成することもで
きる。

窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体であ
る。薄膜部材３２，３４を包む窒化シリコンの膜
が極めて薄くかつ熱的絶縁もよいことから、窒化
シリコン膜によるヒータ２６の熱の損失は極めて
小さく、ヒータ２６から熱感知センサ２２，２４
に伝わる熱のほとんどがヒータ２６を取り囲む空
気を通して伝えられることになる。すなわち窒窒
化シリコン膜の熱伝導率が小さいことから、熱感
知センサ２２と２４をヒータ２６６に極めて隣隣
して配置することができ、ヒータ２６からの熱の
ほとんどは窒化シリコン膜を通らずにヒータ２６
を取り囲む空気を通して伝えられることになる。
そして、ヒータ２６近傍の空気中に効果的に強固
にささえられた熱感知センサ２２，２４は、ヒー
タ２６の面とその近傍の空気の温度を測定するプ
ローブとして働くことになる。

空気の流速を検出するという本発明の原理を第
２図に基いて説明する。ヒータ２６は、基板２０
の温度より200℃高くなる一定の温度に加熱され
る。このシリコンの基板２０の温度は流れている
空気の温度とほとんど同じものである。具体的に
は、シリコンの基板２０がTO−100タイプのメ
タルヘツドもしくはサーデイプパツケージのよう
なヒートシンクに搭載されている場合は、シリコ
ンの基板２０の温度は流れている空気の温度より
0.5℃程度高くなるにすぎない。又、ヒータ２６
の温度を流れる空気の温度より200℃高く保つと
いつても0.01Wより小さな電力が要求されるにす
ぎない。

ヒータ２６からの熱伝導の大部分は空気スペー
ス３０も含んだ周囲の空気を通して行われるが、
本発明の実施例において空気の流れがないとき、
熱感知センサ２２と２４は平均温度で約140℃
（200℃の約70％）に熱せられる。すなわち、図に
示すように、熱感知センサ２２と２４はヒータ２
６に対して正確に対称に配置されるので、空気の
流速が０のときにはこの２つのセンサの温度は同
一になり、この２つのセンサの抵抗値の差は生じ
ない。従つて0.1から1.0ｍＡの微小測定の電流を
流しても、この２つの熱感知センサに電圧の差は
発生しないことになる。

空気の流れがあるときには、この実施例におい
て上流に位置する熱感知センサ２２はヒータ２６
へ向う空気の流れにより熱が運び去られるので冷
やされ、一方、下流に位置する熱感知センサ２４
はヒータ２６からの空気の流れによつて熱せられ
ることになる。これによつて生ずる熱感知センサ
２２と２４の間の抵抗値の差が電圧値の差をもた
らし流速が測定される。増巾しないときのこの電
圧の差は、760cm／秒の空気の流れ速度において
0.1V程度のものである。

本発明においては、熱感知センサ２２と２４は
定電流で駆動され、前述したように空気が流れて
いる状態のもとでの温度のバランスの変化を検出
するように構成されている。なお、２つのセンサ
を定電圧モードで駆動するとか、定温度モード駆
動するとか、定電力モードで駆動するとかいうよ
うに、信号に生じさせるような方法であればこれ
に替わる他の方法で構成しても実現は可能であ
る。

ヒータ２６と熱感知センサ２２，２４の熱容量
が極めて小さいことと、基板への接続手段である
窒化シリコン膜により予えられる熱的絶縁性と、
空気スペース３０の存在により、本発明の応答性
は測定結果によれば時定数が0.005秒と非常に速
いものとする。すなわち熱感知センサ２２と２４
は空気の流れの変化に非常に速く応答できること
になる。

本発明において、ヒータ２６は空気の温度に対
して一定の温度となるように駆動され、熱感知セ
ンサ２２と２４は定電流で駆動されることから、
熱感知センサ２２と２４の温度変化は抵抗値の変
化として検知されることになる。これらの機能を
実現するための回路例を第４図及び第５図に示
す。第４図に示された回路はヒータ２６の温度を
制御するためのものであり、第５図に示された回
路は熱感知センサ２２と２４の間の抵抗値の差に
比例する信号電圧を得るためのものである。

本発明において周囲の空気の温度は、シリコン
の基板２０をヒートシンクとして形成される比較
抵抗３８によつてモニタされる。比較抵抗３８
は、熱感知センサ２２，２４及びヒータ２６と同
様に格子状のパーマロイによつて構成されかつシ
リコンの表面３６上に絶縁層２８と２９に包まれ
て配置される。

本発明において周囲の空気の温度は、シリコ
ンの基板２０をヒートシンクとして形成される比
較抵抗３８によつてモニタされる。比較抵抗３８
は、熱感知センサ２２，２４及びヒータ２６と同
様に格子状のパーマロイによつて構成されかつシ
リコンの表面３６上に絶縁層２８と２９に包まれ
て配置される。

絶縁層２８と２９の厚さは合わせて0.8μと非常
に薄いため相対的に熱伝導がよくなることから、
これらの絶縁層の垂直方向を通して、熱感知セン
サ２２，２４、ヒータ２６、比較抵抗３８にと熱
が出入りすることになる。比較抵抗３８は絶縁層
に包まれて基板２０の表面３６に直接取り付けら
れており、ヒータ２６がまわりの温度より200℃
高く熱せられていても周囲の空気の温度と0.5℃
以内の範囲にある基板２０の温度を容易にモニタ
できることになる。すなわち比較抵抗３８は、基
板２０の温度を検知することにより、それとほと
んど一致する流れる空気の温度を検知することに
なる。

第４図に示される温度制御回路は、ヒータ２６
の温度を、比較抵抗３８によつて検出される周囲
温度よりも高い一定温度に保つためのホイートス
トンブリツヂ回路４６により構成される。ここで
前述したように本発明の実施例では、この一定値
は約200℃に設定されている。ホイートストンブ
リツヂ回路４６は、ヒータ２６と抵抗４０により
一辺を、比較抵抗３８と抵抗４２，４４により一
辺を構成している。アンプ４８と５０からなる積
分回路は、出力の電位を変化させることでブリツ
ヂ回路４６がバランスするように動作し、ヒータ
２６によつて消費される電力を一定に保つように
する。

第５図に示す回路は、この実施例において空気
の流れの上流に位置する熱感知センサ２２と、下
流に位置する熱感知センサ２４との間の抵抗値の
差を検出するためのものである。この回路は、ア
ンプ７２からなる定電流電源部５２と、アンプ６
８と７０からなる差動増巾部５４から構成され
る。定電流電源部５２は、１辺に高インピーダン
ス抵抗５６，５８と、他辺に零調用可変抵抗６０
及び熱感知センサ２２，２４を有するホイートス
トンブリツヂ回路を駆動する。差動増巾部５４の
利得は可変抵抗６２により調整される。出力端６
４は熱感知センサ２２と２４の間の抵抗値の差に
比例する出力電圧する。

本実施例においては、アンプ４８，５０，６
６，７２には４ケのアンプをもつLM324の各々
のアンプを使用し、アンプ６８と７０には２ケの
アンプをもつOP−10の各々のアンプを使用して
いる。

本発明で開示するセンサの特徴の１つとして
は、広いレンヂの空気の流れ速度に対して、熱感
知センサ２２と２４の感知する温度の差が大きく
とれるようにと構成されている点があげられる。
この結果、空気の流れ速度の関数となる出力端６
４の出力が大きくとれるので、流速測定の精度が
著しく高められ測定も容易となる。この温度の差
が大きくとれることを、本発明の具体的実施例に
よつて得られる第６図に示す。すなわち、空気の
流れで冷やされる上流に位置する熱感知センサ２
２と、ヒータ２６からの熱により熱せられる下流
に位置する熱感知センサ２４という２つのセンサ
の出力を結びつけることで、大きな温度差の効果
が得られるのである。この熱することと冷やすこ
とを結びつけて大きな温度差を得るためには、 (1) 熱感知センサ２２，２４を空気と比較強く熱
的に接触させることが必要となる。すなわち熱
感知センサ２２，２４がシリコンの基板２０か
ら実質的に熱的に絶縁されなくてはいけない。
そしてこれは、薄膜部材３２，３４を包む窒化
シリコン膜の流手方向に沿つた方向の熱伝導率
が比較的小さいということ、薄膜部材３２，３
４と基板２０の間に約125μの深さで正確に形
成される空気スペース３０により可能となる。

(2) この実施例において空気の流れの上流に位置
する熱感知センサ２２を大きく冷やすことが必
要となる。これには熱感知センサ２２の温度を
高く設定する必要がある。そしてこれは、空気
スペース３０を介することで熱感知センサ２２
をシリコンの基板２０から熱絶縁することと、
薄膜部材３２の長手に沿つた方向の熱伝導率が
小さいということと、ヒータ２６の温度を高く
設定することによつて可能となる。このヒータ
２６の温度が高く設定できるためにも、空気ス
ペース３０を介してヒータ２６をシリコンの基
板２０から熱的に絶縁することと、薄膜部材３
２，３４の長手に沿つた方向の熱伝導率が小さ
いということが必要である。

(3) この実施例において空気の流れの下流に位置
する熱感知センサ２４を、ヒータ２６からの熱
を伝えることで大きく熱することが必要とな
る。これは空気スペース３０を介することで熱
感知センサ２４をシリコンの基板２０から熱的
に絶縁することと、薄膜部材３４の長手に沿つ
た方向の熱伝導率が小さいということと、ヒー
タ２６の温度を高く設定することによつて可能
となる。このヒータ２６の温度が高く設定でき
るためにも、空気スペース３０を介してヒータ
２６をシリコンの基板２０から熱的に絶縁する
ことと、薄膜部材３２，３４の長手に沿つた方
向の熱伝導率が小さいということが必要であ
る。

(4) 熱感知センサ２２と２４の中心と、ヒータ２
６のエツヂ部の間の距離を最適な値に選択する
必要がある。

第７図には、空気の流れ速度が０のときの理
想化された空気の温度分布曲線７４と、空気の
流れ速度がある任意な値のときの理想化された
空気の温度分布曲線７６と、理想的に狭ばめら
れた熱感知センサ２２と２４の最も適切な配置
距離を示す。ヒータ２６に対して流れの上流側
は空気で冷やされることから、この温度分布曲
線はこの側で距離の関数である△Ｔ１という値
だけ下げられることになる。ここで、この△Ｔ
１はヒータ２６の上流側のエツヂからＤ１離れ
た位置で最も大きくなる。一方、流れの下流側
はこの流れによつて伝わる熱で距離の関数であ
る△Ｔ２という値だけ温度が上がることにな
る。ここでこの△Ｔ２は、ヒータ２６の下流側
のエツヂからＤ２離れた位置で最も大きくな
る。Ｄ１とＤ２は等しい値である必要はない
が、流れの速度が０のとき流速センサからの出
力が０となるようにするために、流れ速度が０
のときには熱感知センサ２２と２４の温度は等
しくしなくてはならない。このため本発明の望
ましい実施例としては、熱感知センサ２２，２
４が実際には巾をもつていることを考慮し、熱
感知センサ２２の中心までの距離Ｄ１と熱感知
センサ２４の中心までの距離Ｄ２を等しくとる
必要がある。これから、Ｄ１とＤ２が等しいと
いう条件の下で、符号を考えなけれは流速セン
サの出力は最大となるので、熱感知センサ２２
上にわたる△Ｔ１の平均値と、熱感知センサ２
４上にわたる△Ｔ２の平均値の合計が最大とな
ることになる。以上のことはある適当な位置で
起こることがみつけられており、数百フイー
ト／分の流れ速度の速度レンヂにおいては、こ
のＤ１（＝Ｄ２）の値はヒータの巾のほぼ1/2
の長さである。

従来技術による流速センサではわずかな温度差
しか得られなかつたのに対し、本発明では具体的
数値を示すならば、860cm／秒の流れ速度におい
ては△Ｔ１の平均値と△Ｔ２の平均値の合計が約
50℃と比較的大きくとれる。これは、長手方向の
伝導率の小さい非常に薄い窒化シリコンの膜で薄
膜部材３２，３４を包んだことと、熱感知センサ
２２，２４及びヒータ２６を空気で囲むように空
気スペース３０を設けたことで、熱感知センサ２
２，２４及びヒータ２６をシリコンの基板２０か
ら熱的に絶縁できるようになつたことから可能に
なつたのである。熱感知センサ２２，２４及びヒ
ータ２６の下に形成される空気スペース３０の巾
とくぼみの深さの寸法を正確につくるには、後述
する精密エツチング技術により実現される。この
空気スペース３０が精度よく形成されることによ
り、センサチツプ間の熱的絶縁性のばらつきを均
一にすることができる。すなわち、センサチツプ
間の空気の流れに対する応答のばらつきを均一に
することができる。

従来技術では、これらのセンサエレメントは、
シリコンチツプのような基板に埋められるとか密
着させられるとかいうような構成がとられてい
た。このため、センサエレメントの有意な温度差
を取り出すために、センサエレメントをヒータの
巾に比較して長い距離だけヒータから離す必要が
あつた。しかしこのような従来技術で得られる温
度差は、熱的な絶縁を基に構成される本発明のそ
れに比べ、1/100程度の小さなものにすぎないの
である。

ラハナマイらの従来技術を例にとるならば、ヒ
ータとセンサのエレメントはタンタル酸リチウム
板上に付着されている。（タンタル酸リチウムの
固有伝導度はシリコンのそれよりも小さいが、窒
化シリコンのそれよりも70％も大きな値を示す）。
ヒータとセンサのエメレントは少なくとも60μの
厚さを有するタンタル酸リチウム板に密着されて
取付けられている。この60μという値は、本発明
の薄膜部材３２，３４を包む窒化シリコン膜の厚
さである0.8μという値に比べ75倍に厚いものなの
である。リチウム基板に密着したヒータエレメン
トと、そのエツヂから０〜500μの間の距離に広
がつて配置されるセンサエメレントとの間の熱の
伝導は、センサとヒータとの間の空気を介するも
のより、60μのリチウム基板を介するもので支配
されてしまうのである。すなわち、ヒータは空気
によつて効果的に取囲まれてはいないため、ヒー
タからセンサへの熱の大部分はリチウム基板を通
して伝わつてしまうことになる。この結果、この
500μの巾を有するセンサは、本発明に比べ、空
気の流れに対してわずかな温度の値しか変化でき
ないことになる。ここで本発明のセンサは、ヒー
タのエツヂから０〜100μの間の距離に広がつて
配置される。

従来技術に対しての本発明のもう１つの長所
は、熱感知センサ２２，２４及びヒータ２６をシ
リコンの基板２０から効果的に熱絶縁させるため
に設けられる空気スペース３０である。これによ
り前述したように、シリコンの基板２０の温度は
おおよそ0.5℃以下という、ほとんど無視できる
温度上昇に押えることができることになる。この
ため、本発明では、流速に対する出力特性は、シ
リコン基板とそれを支持するハウジングといつた
ものとの間の熱的接触に全く依存しないというこ
とになる。これに対し従来技術では、センサの出
力特性は取付け本体との熱的接触に大きく影響さ
れていた。事実、ラハナマイらのセンサにおいて
も、出力特性は、取付け構造の方法に大きく影響
されている。ヒユイジングらの従来技術において
も、シリコンチツプの固定台が流速に対する出力
特性を悪くしていることが述べられている。バン
プツテンらの従来技術においても、シリコンチツ
プの熱的なシヨートを最小にするためにシリコン
チツプを普通に使われている200μから50μにと薄
くしているが、このために固定台からの熱伝導に
より感度の低下を受け易くなる。マリンらの従来
技術においても、熱的もろさを防ぐために長いシ
リコンの細片が用いられているが同様に固定台の
影響を受けてしまうことになる。

本発明の２番目の長所は、広い流速レンヂにわ
たつて、熱感知センサ２２と２４の温度の差の直
線性がよい点にある。従来技術においては、この
温度の差は、流れ速度の平方根に比例している。
この依存性のために、放物線的な出力特性として
知られているように、流れ速度がＶのときに流速
がある値変化すると、２つのセンサの温度の差は
その１／２√Ｖ倍だけ変化することになる。このような増分特性であるから、流速が速くなるほど変
化は小さいものになつてしまう。その結果、電子
回路のノイズやドリフトによつて誤差を受け易く
なるのである。本発明は流速の変化に対しての出
力特性の直線性が良好であるとともに、例えば０
〜1016cm／秒あるいはそれ以上の流速領域で得ら
れる電気出力信号が増巾しないでも大きく取れる
ため、速い流速測定においてもドリフト等による
誤差をほとんど無視できる程度にまで減らすこと
ができる。本発明によるセンサの、流速に対する
この温度差の典型的な出力特性を第８図に示す。
この図には合わせて、ヒユイジングからのセンサ
の特性も比較のために示してある。

具体的な実施例として前述したように、本発明
のセンサにおいて、ヒータ２６の全抵抗値は第４
図に示した回路により、任意の周囲温度において
一定に保たれる。上述したような直線性のよい特
性は、ヒータ２６の近傍の温度分布に傾斜がある
領域（第７図参照）の大部分をカバーするように
十分広くまた適切に配置された熱感知センサ２２
と２４を用いることで得られる。

このような構成にあつて、熱感知センサ２２の
内部エツヂ７６は、ヒータ２６の近接エツヂ７８
に極めて隣接（例えば5μの線巾）して配置され
ている。空気の流れがないとき、近接エツヂ７８
からこの程度離れた近傍の空気温度はほとんど近
接エツジ７８の温度に一致する。具体的実施例と
して、熱感知センサ２２と２４はおおよそ100μ
の巾を有していることから、熱感知センサ２２の
外部エツヂ８０はヒータ２６の近接エツヂ７８か
らおおよそ100μ離れて配置されている。空気の
流れがないとき、この100μ程度離れた位置での
空気温度は、ヒータ２６の温度より周囲の空気温
度すなわちシリコン基板の温度に近いものとなる
（第７図参照）。このため、熱感知センサ２２の外
部エツヂ８０は、遅い空気の流れ速度でも簡単に
シリコンの基板２０の温度近くに冷やされてしま
う。一方、熱感知センサ２２の内側部分はヒータ
２６により密接に熱的に結合されているの、で速
い空気の流れに対しても、シリコン基板の温度近
くに冷やされることはなく、速い空気の流速に容
易に応答する。熱感知センサ２２の各々の格子部
からの温度変化効果が合成されると、流れの上流
に位置するこのセンサの流速に対する温度特性
は、広い流速レンヂにわたつてより一定なものと
なる。この特性は、ほぼ従来技術の場合に相当す
るヒータのエツヂから離れたいかなる位置にある
単一の点素子またはライン素子による特性と、対
照をなすものである。本発明の望ましい具体例に
より実測された熱感知センサ２２の広い流速レン
ヂにわたつてのこの直線性のある温度特性を第６
図に示す。

流れの下流に装置する熱感知センサ２４につい
ては、空気の流れによる熱伝達により抵抗値の増
加が発生するが、上流に位置する熱感知センサ２
２の空冷による抵抗変化よりは小さいものであ
る。しかし本発明では、熱感知センサ２４の内部
エツヂ８４とヒータ２６の近接エツヂ８６との間
隔は5μ、熱感知センサ２４の外部エツヂ８８と
ヒータ２６の近接エツヂ８６との間隔はおおよそ
100μと、従来技術に比べて近接しているので、
ヒータ２６から熱感知センサ２４への空気の流れ
による熱伝導は広い流速レンヂにわたつて効果的
なものとなつている。主に空気スペース３０によ
るこの効果的な熱伝達と熱感知センサ２４の熱的
絶縁により、広い流速レンヂにわたつて、流速の
増加とともに熱感知センサ２４の温度が大きく上
昇することになる。本発明の望ましい具体例によ
り実測された、下流に位置する熱感知センサ２４
の流れ速度に対しての温度変化を第６図に示す。
上流に位置する熱感知センサ２２と、下流に位置
する熱感知センサ２４の流速に対する特性を合成
すると、第８図に示す特性が得られる。この図か
ら、ヒユイジングらの従来技術の特性カーブと比
較して、広い流速レンヂにわたつて直線性がある
点、そして大きな信号レベルが得られる点がわか
る。

本発明のセンサの流れ速度に対して大きな出力
特性を有するという利点の１つとしては、センサ
寿命を長くし乱流の影響からのがれるために流れ
速度を減ずることが望まれているような分野への
適用を促進させるという点がある。また本センサ
では、空気の流れがシリコン基板面に平行となる
ことと、シリコン基板面上に流れの遅い表面層が
形成されるので空気の流れの速い領域は実質上こ
の表面層から離れることになることから、薄膜の
熱感知センサ２２，２４及び薄膜ヒータ２６は、
空気に含まれる粒子の衝突による損傷からまぬが
れることができるという利点もある。

第２図において図式的に表わした熱感知センサ
２２，２４及びヒータ２６を、一実施例である第
９図に詳細に示す。開口部８２は、後述するエツ
チングを容易とするために窒化シリコン内に刻ま
れる。リード部９２とパーマロイ板９０は、薄膜
部材３２と３４上における対称的な熱伝達特性を
保証するために対称的に作られる。この実施例で
は、薄膜部材３２と３４の大きさは、おおよそ巾
150μ、長さ300μである。熱感知センサ２２，２
４及びヒータ２６の厚さは0.08μであり、熱感知
センサ２２，２４の抵抗値は740Ωで、ヒータ２
６の抵抗は840Ωである。熱感知センサ２２，２
４の大きさは、おおよそ巾100μ、長さ175μであ
る。前述したように、熱感知センサ２２と２４は
ヒータ２６から１ライン巾（5μ）分、離れてい
る。すなわち、熱感知センサ２２の内部エツヂ７
６はヒータ２６の近接エツヂ７８から5μ、熱感
知センサ２４の内部エツヂ８４はヒータ２６の近
接エツヂ８６から5μだけ離れている。本発明の
他の実施例については、特に述べないならば熱感
知センサ２２，２４及びヒータ２６の厚さは
0.08μであり、格子を形成する線の巾は5μで線間
の距離は5μであり、この格子は80％のニツケル
と20％の鉄からなるパーマロイで構成されている
ものとする。本発明に述べられている他の寸法と
同様に、これらの値は実際のデバイスにおいて使
われた適切なものではあるが、アプリケーシヨン
に応じて変えるべきものであるからして、これに
限定するものではない。

本発明の他の実施例を第１０図に示す。第９図
に示される実施例と同様に、第１０図に示す実施
例も、空気スペース３０を架橋する３２Ａ，３４
Ａとラベル付けされた２つの薄膜部材から構成さ
れる。そして、分割されたヒータ２６Ａが用いら
れており、薄膜部材３２Ａ上にこのヒータ２６Ａ
の半分が薄膜部材３４上にこのヒータ２６Ａの残
り半分が配置される。センサ２２Ａ，２４Ａは、
前述した熱感知センサ２２，２４より狭く、その
大きさは、おおよそ巾90μ、長さ175μである。そ
の上、センサ２２Ａと２４Ａは、ヒータ２６Ａか
ら25μと、前述した実施例よりも離て配置され
る。すなわち、センサ２２Ａのエツヂ７６Ａはヒ
ータ２６Ａのエツヂ７８Ａから25μ、センサ２４
Ａのエツヂ８４Ａはヒータ２６Ａのエツヂ８６Ａ
から25μだけ離れて配置されている。この実施例
では、薄膜部材３２Ａ，３４Ａの大きさはおおよ
そ巾150μ、長さ350μであり、センサ２２Ａ，２
４Ａの抵抗値は670Ωで、ヒータ２６Ａの抵抗値
は840Ωである。更に第１０図の実施例において
は、薄膜部材３２Ａと３４Ａは、パーマロイ板９
６によつて強化された連結部９４により連結され
る。この連結部９４は、薄膜部材３２Ａと３４Ａ
を同一平面上に保つための役割を果す。リード部
９２Ａは、薄膜部材３２Ａ，３４Ａの中心部の強
度を増すために、薄膜部材３２Ａ，３４Ａの中心
線に沿つて配置される。

予備実験によれば、同じ流れ速度についてみる
ならば、第１０図の実施例の出力は、第９図の実
施例の出力より約100％も大きいものであつた。
しかしながら、これらの実験において、第９図の
実施例は第１図に示すようにチツプの中心位置に
配置させたが、一方第１０図の実施例はチツプの
端に配置させた。そのため、第１１図に示すよう
に空気スペース３０Ａの上流部分が開かれるか、
あるいは第１２図に示すように空気スペース３０
AAの下流部分が開かれることになり側壁により
遮られないので、空気がより流れ易くなる。第１
１図の配置例と第１２図の配置例では、どちらも
チツプの中心に配置する第９図の配置例より出力
特性は大きくなるのであるが、第１１図の方が第
１２図よりもかなり大きな出力を示した。第１０
図の実施例が第９図の実施例より大きな出力を示
した点について、配置位置の違いからきているの
か、設計上の違いからきているのか、あるいはそ
の両方が関与しているのか、いまだ判明していな
い。第１１図の実施例においては、基板２０Ａの
先端エツヂの少なくとも一部分を取り除くという
変更ができることを書き留めておく。すなわち、
例えば基板２０Ａの部分１１８を線１２０のとこ
ろまで取り除くことで、薄膜部材３２Ａの先端エ
ツヂの露出を大きくさせていくといつたことであ
る。そして、第１１図の実施例が、チツプの中心
に配置された第９図の実施例よりかなり大きな出
力特性を示したことについては、少なくとも以下
に示す２つの観点から説明され得ることを書き留
めておく。第１の点は、前述したように第１１図
の実施例では空気スペース３０Ａの上流部分が開
かれるので、側壁によつて遮られない流れを受け
ることになるからである。このように、この薄膜
部材３２Ａと３４Ａ、特に３２Ａの先端エツヂ部
はより流れを受け易くなることになる。第２の点
は、第１７図に示すように、シリコン基板２０Ａ
の先端エツヂから始まる自由流速包絡線３７Ａ
が、第１６図に示すシリコン基板２０の先端エツ
ヂから始まる自由流速包絡線３７より、薄膜部材
３２Ａ，３４Ａを高速の流速に近く置いているこ
とがわかる。包絡線３７の場合、第１６図に示す
薄膜部材３２，３４は、第１７図に示す薄膜部材
３２Ａ，３４Ａに比べ速い流れ速度に対して遠く
なることから、速い流速に露出されることも少な
くなる。

第１３図に示す実施例では、センサ２２Ｃ，２
４Ｃとヒータ２６Ｃは、空気スペースを架橋する
別々の薄膜部材上に配置されている。この実施例
では、ヒータ２６Ｃはセンサ２２Ｃ，２４Ｃの近
い方のエツヂから50μ離れて配置される。すなわ
ち、ヒータ２６Ｃのエツヂ７８Ｃはセンサ２２Ｃ
のエツヂ７６Ｃから50μ、ヒータ２６Ｃのエツヂ
８６Ｃはセンサ２４Ｃのエツヂ８４Ｃから50μ離
れて配置される。この実施例では、センサ２２
Ｃ，２４Ｃ及びヒータ２６Ｃの抵抗値は1000Ω
で、大きさはおおよそ巾135μ、長さ150μである。
そして３つの架橋部の大きさはおおよそ巾150μ、
長さ300μである。パーマロイ板９０Ｃは薄膜部
材の強度を増すためと、リード部９２Ｃからみて
架橋部の両端の熱伝達特性をほぼ同じものとする
ために加えられる。

第１３図に示すセンサの出力特性は、第９図及
び第１０図に示すセンサの出力特性よりかなり小
さなものであつた。これは、ヒータ２６Ｃとセン
サ２２Ｃ，２４Ｃとの間を50μと広げたことと、
センサの巾を大きくしたことでセンサとヒータと
の中心線の距離が広がつたことに起因していると
考えられる。従つて第１３図の実施例と関連づけ
て第７図を参照するならば、センサ２２Ｃと２４
Ｃの中心線は適切な距離Ｄ１，Ｄ２よりかなり離
れて配置されることになり、その結果、一定の流
れ速度においてセンサ２２Ｃと２４Ｃとの間で得
られる平均的温度差はかなり小さくなつてしまう
のである。

第７図に関連して前述したように、１つのセン
サ全体にわたつて△Ｔ１の平均値と、他方のセン
サ全体にわたつての△Ｔ２の平均値の合計値を最
大にするようにすることが望ましい。これは理想
的には、抵抗値は非常に小さなものとなるが非常
に狭いセンサエレメントを使うことで、最も適切
に実行できるであろう。しかしながら実用的な回
路的考察から、センサの抵抗値は少なくとも
100Ω以上は要求され、700Ωから1000Ωの間にあ
ることが望ましいのである。この要求と、薄膜部
材構造の長さにかかる実際的制限と、気流密度上
の制限と、これらと関連する抵抗素子の薄膜の厚
さとを結びつけると、適当な抵抗値を実現するた
めに、センサ格子の巾は少なくとも75μは必要で
あるということになる。これらのことから、望ま
しい実施例のセンサの巾はそれ程狭くできなく
て、多少の巾を有することになる。第７図に示さ
れた理想的な温度カーブ上の△Ｔ１の平均値と△
Ｔ２の平均値の合計を最大にするためには、巾が
75μかそれ以上という結果となつたが、センサの
エツヂをヒータのエツヂに近づけなくてはならな
いため、第９図の実施例において、窒化シリコン
の絶縁層を通してヒータからセンサのエツヂに伝
わる望ましくない熱は無視できるものではなくな
る。従つて出力特性も最大となろうというものよ
りは小さくなつてしまう。5μというわずかなス
ペースにしたことにより、実測された出力特性は
従来技術の３〜５倍であつたが、第１０図の実施
例の出力特性とはほとんど同じかむしろいく分小
さなものであつた。これらの考察の結果から次の
結論が導き出される。実施例において、他の寸法
を等しいままにして窒化シリコン膜の厚さ0.8μを
厚くすると、流速に対する出力特性が大きく低下
することになる。これは、厚さを増すと、これを
通しての熱伝導が増加することで、センサはヒー
タにより密接に熱的に接合されてしまうことにな
るからである。

第１３図の実施例の考えられる欠点としては、
ヒータと２つのセンサが空気スペースを架橋する
別々の薄膜部材上にあることから、製造過程を通
しての色々な種類の物理的変形といつたもので、
ヒータとセンサの１部が同一平面でなくなりがち
になることにある。この欠点は、第９図及び第１
０図の実施例では実質上無視できるものであるこ
とに注意しておく。すなわち、各々のセンサは直
接同一薄膜部材上にあるヒータの一部に隣接する
ので、ヒータとセンサはほぼ同一平面上にあるこ
とが保証されるのである。

第１４図に示す実施例において、連結部９４Ｄ
によつて連結された薄膜部材３２Ｄ，３４Ｄは、
各々その上にヒータ２６Ｄとセンサ２２Ｄ，２４
Ｄの半分ずつを直列に配置して、空気スペース上
に架橋されている。センサ２２Ｄと２４Ｄの熱的
バランスを保証するために、パーマロイの格子２
２Ｄ，２４Ｄ，２６Ｄとパーマロイ板９０Ｄ，９
０DD及びリード部９２Ｄは、180゜の回転対称を
有している。パーマロイ板９０Ｄは、薄膜部材の
中心線に沿つた強度を増すために設けられ、パー
マロイ板９０DDは薄膜部材の中心線に沿つた強
度を増すとともに、対照的な熱伝達特性を与える
ためのものである。この実施例において、空気の
流れは、今まで述べた薄膜部材の横方向に沿つて
合わされる実施例とは異なる、典型的には薄膜部
材の流さ方向に合わされる。センサ２２Ｄ，２４
Ｄは比較的狭く、各センサの半分の大きさは巾
75μ、長さ135μである。ヒータ２６Ｄのエツヂと
センサ２２Ｄ，２４Ｄは25μ離されている。各薄
膜部材上に、センサ２２Ｄ，２４Ｄ及びヒータ２
６Ｄの半分ずつをもたすことが、同一平面を保証
することを助けている。第１４図の実施例におい
て、各薄膜部材の大きさは巾150μ、長さ480μで
あり、ヒータ２６Ｄの抵抗値は1300Ωで、センサ
２２Ｄ，２４Ｄの抵抗値は1050Ωである。この実
施例の流れに対する出力特性は、前述した実施例
に比べて小さなものである。これは、薄膜部材の
下の空気が流れが比較的小さいことと、センサが
空気スペースの壁に、より近いためシリコン基板
と熱的により密接に結合されていることに起因し
ている。

第１５図に示す実施例では、空気スペースを架
橋する薄膜部材は１つにより構成されていて、流
れは典型的には薄膜部材の流さ方向に合わされ
る。この薄膜部材の大きさはおおよそ巾150μ、
長さ480μであり、ヒータ２６Ｅの抵抗値は710Ω、
センサ２２Ｅ，２４Ｅの抵抗値は440Ωである。
抵抗値が小さい点と、エレメントが１つの薄膜部
材上に配置さている点を除けば、この実施例は実
質的に第１４図の実施例と同一のものであり、パ
ーマロイ板９０Ｅとリード部９２EEは薄膜部材
の中心宣に沿つた強度を増し、リード部９２Ｅと
９２EEは180゜の熱的な対称性を与える。

第１４図、第１５図、に示された実施例におい
ては、ヒータとセンサは薄膜部材の長手方向に沿
つて配置されており、空気の流れも図示されてい
るように典型的には薄膜部材の長手方向と平行に
なるように配置される。空気の流れが薄膜部材の
横方向に合わされたとき表面の形状で小さな乱流
が発生する可能性があるのに対して、これらの実
施例の長所は、この小さな乱流を引き起こさない
連続的な表面を保証するということにある。第１
４図の実施例に関連して述べたように、空気の流
れを薄膜部材の長手方向に合わせる実施例の考え
られる欠点としては、空気の流れを薄膜部材の横
方向に合わせる実施例と比べ、薄膜部材の下の空
気の流れが殆どなくなることである。

本センサを製造するプロセスは、（100）の結晶
面を有するシリコンウエハーが用いられ、これの
表面３６には窒化シリコンの絶縁層２９が形成さ
れる。この絶縁層２９は典型的には4000Åの厚さ
であり、普通の低圧ガス放電のスパツタリング技
術により付着され形成される。次に、典型的には
80％のニツケルと20％の鉄からなるパーマロイの
一様な層を、800Åの厚さをもつて窒化シリコン
膜上に、スパツタリングにより付着させる。

適当なフオトマスクとフオトレジストエツヂン
グ液を使うことにより、第２図の２２，２４，２
６，３８示すようなパーマロイのエレメントが描
かれる。

そして２番目の窒化シリコンの絶縁層２８が、
スパツタにより付着される。この層の厚さは典型
的には4000Åであり、抵抗素子を酸化から防ぐた
めに形成される。

薄膜部材３２，３４を形成するために、開口部
８２（他の実施例では８２Ａ，８２Ｃ，８２Ｄ，
etcとラベル付されている）が、窒化シリコンを
通して（100）結晶面のシリコン表面までエツチ
ングされる。開口部８２の大きさは、ほとんど設
計上の選択の問題である。破線１１４（他の実施
例では１１４Ａ，１１４Ｃ，１１４Ｄ、etcとラ
ベル付されている）が空気スペース３０のおおよ
その形状を表わしている。

最後に、窒化シリコンをいためない異方性のエ
ツチング液を使い、制御された方法により、薄膜
部材３２，３４の下のシリコンをエツチングす
る。エツチング液としては、KOHとイソプロパ
ノールアルコールを混合したものが適している。
空気スペース３０の傾斜面は、エツチング液に対
して抵抗性のある（111）あるいは他の結晶面に
より囲まれている。空気スペース３０の底面は、
エツチング液に対してほとんど抵抗性のない
（100）結晶面であり、薄膜部材３２，３４から一
定の距離すなわち125μの深さの位置におかれて
いる。この深さは、エツチングの時間を加減する
ことで実現される。空気スペースの深さを制御す
るために、ホウ素をドープしたようなエツチング
を停止させるストツプ層を用いることもできる
が、本発明の形成には特に必要ではない。エツチ
ングの時間を加減することで、空気スペース３０
の深さは約3μの精度もしけは約２％で制御でき
ることになる。この精度が、薄膜部材を取り囲む
空気スペースの熱伝達特性と、空気の流れ速度に
対する特性の正確な再現制を導き出すことにな
る。

第３Ａ図に示されるような片持ちばかりの薄膜
部材の下や、第３図に示されるような架橋する薄
膜部材の下を有効的に削りとるために、第２図に
110として示される薄膜部材３４の直線エツヂは、
シリコンの〔110〕結晶軸に対して０でない角度
１１２をもつて配置される。（本発明においては、
薄膜部材の直線エツヂもしくは軸を、シリコンノ
〔110〕結晶軸に対してある角度で配置するという
内容も含んでいるが、薄膜部材のエツヂを直線に
形成しない、もしくは軸が容易に決定できないよ
うな形に薄膜部材を形づくることもありうる。し
かしながらこれから述べるように、薄膜部材の配
置は、このアンダーカツトを最小時間で実現する
ような角度をもつて配置される。）角度１１２をほぼ45゜とすることによつて、薄
膜部材の下を削りとる時間は最小とすることがで
きる。更に角度を0゜としないことで、第３図に示
されるような両端を接続しているブリツヂの製作
が可能となるのである。すなわちこのような架橋
する薄膜部材は、薄膜部材の直線エツヂをほぼ
〔110〕軸方向に配置させたのでは形成することが
できない。これは薄膜部材の直線エツヂが〔110〕
軸方向に配置されていると、この直線エツヂに沿
つてさらされる（111）結晶面に対して、異方性
のエツヂング液が削りとつていかないことからき
ている。

角度１１２を45゜にすると、半導体と薄膜部材
との支持境界面をすばやく丸め、平たんにするこ
とになる。これにより、45゜に角度を持たない場
合に発生する窒化シリコンの絶縁層２９の下の２
つの（111）結晶面の交差点における応力集中点
をなくすことができる。

前述したように、いくつかの応用例において
は、２つの薄膜部材を連結手段を用いて連結する
ことが望ましい。（この連結手段としては、例え
ば第１０図の連結部９４や第１４図の連結部９４
Ｄを参照）。第１０図において、連結部９４は、
各々の薄膜部材と空気スペース３０の底との間の
スペースを一様に保つように働く。すなわちこれ
らの間の熱伝達特性の一様性を保つとともに、デ
バイス内での特性の均一性を補助するのである。
同様な理由により、前述したように１つの薄膜部
材上には、抵抗素子を１つもしくはそれ以上の素
子を配置するか、１つの素子と他のエレメントの
一部を同時に配置させた方が好都合である。（第
１，２，９，１０，１１，１２，１４，１５図参
照）。第９図の薄膜部材３２と３４の架橋部の両
終端にみられる小さなエツチング用の長方形の開
口部８２は、薄膜部材３２と３４の下のシリコン
の基板２０のアンダーカツトをより形成しやすく
するために設けられる。しかしながら、このよう
な小さなエツヂング用の長方形の開口部８２がな
くても、センサの性能は満足される。

第３図及び第３Ａ図には、第４図及び第５図に
示されるような回路の集積化のための領域１１６
も示されている。これらに示された実施例におい
て、薄膜部材の典型的な大きさは、巾127μ〜
178μ、流さ254μ〜508μ、厚さ0.8μ〜1.2μである。
典型的にはパーマロイからなる、熱感知センサ２
２，２４、ヒータ２６、比較抵抗３８は、おおよ
そ800Å（典型的には800Åから1600Åの間にあ
る）の厚さで、その抵抗値は室温すなわち20〜25
℃において、おおよそ200Ω〜2000Ωの間にある。
なおパーマロイの抵抗値は、温度が室温から400
℃になると、おおよそ３倍の値に上昇する。パー
マロイ格子の線巾は約5μで線間も約5μとするこ
とができる。空気スペース３０の深さは典型的に
は125μであるが、この深さはおおよそ25μから
250μの間で容易に変えることができる。シリコ
ンの基板２０の厚さは、典型的には200μである。
以上に示したこれらの値は一例にすぎず、これに
限定するものではない。

薄膜部材の大きさが上述の典型的なものである
と、熱容量は非常に小さなものとなる。薄膜部材
とヒータと熱感知センサの熱容量が極めて小さい
点と、これらが窒化シリコン層という薄い絶縁手
段により基板に支持されることで熱的に絶縁され
ている点と、これらを取り囲む空気スペースの存
在により、応答時間は非常に短いものとなる。実
測されたところでは時定数は0.005秒であつた。
したがつて熱感知センサが空気の流れの変化に対
して非常にすばやく応答できる。また、望むなら
ばヒータを50Hzもしくはそれ以上の周波数でパル
ス的に駆動させることも可能となる。

ヒータ２６の動作温度は、典型的には100℃〜
400℃の間に設定されるが、望ましい動作温度と
しては周囲に対しておおよそ200℃高く設定する。
パーマロイ素子を用いるならば、これはわずか２
〜３ｍＷの電力にて実現できる。こういう電力レ
ベルあれば集積回路で対応できるので、前述した
ように望むならばセンサとともに同じシリコン基
板上に製作することも可能である。

25℃において600Ωから1000Ωの間の抵抗を有
するヒータ抵抗素子を使うならば、２〜3Vの電
圧、２〜３ｍＡの電流を用いることで適切な動作
温度になるための電力消費を与えることになる。
又、本実施例において、パーマロイのヒータ素子
の抵抗値を600Ωから1000Ωの間に選択したのは、
エレクトロマイグレーシヨンによる素子の損傷と
いう因子もあるからである。エレクトロマイグレ
ーシヨンとは電流密度がある臨界値を越えると
き、物質の移動によつて引き起こされる導電体内
部の損傷メカニズムであり、温度に依存してい
る。パーマロイに関してのこの臨界値は25℃にお
いて10×10⁶A／cm²のオーダである。望ましい実
施例として、ヒータ素子の抵抗値は典型的には
600Ω〜1000Ω、線巾は5μ、そして厚さは0.08μに
設定されているので、電流密度は実質的に約0.6
〜10⁶A／cm²より小さなものとなる。この程度の
電流密度では、エレクトロマイグレーシヨンは有
害な因子ではない。

工業上で用いられている標準の温度センサのイ
ンピーダンスは100Ω程度である。しかしながら
本発明の目的からして、そのような小さい抵抗値
のセンサは、本発明の実施例において用いられて
いる25℃で600Ω〜1000Ωの抵抗値を有し厚さが
おおよそ0.08μのものに比べて、望ましいもので
はない。例えば、製造する上で、上流と下流に位
置する２つの熱感知センサの抵抗値は0.1％の程
度の精度で一致させることが望ましい。この一致
は、より高い抵抗値を使うことでより容易とな
る。その上より高い抵抗値のセンサを用いれば、
シリコンチツプ上のリード部に関係する抵抗値の
違いとつた望ましくない影響も減ずることができ
る。更に、空気の流れがわずかに変化したことに
よる電圧の変化を、小さな電流で正確に得ること
にするためには、より高い抵抗を使うことが必要
となつてくる。加えるに、小さな電流を使えば、
熱感知センサ自身の自己発熱を避けることができ
る。この場合、この熱感知センサの自己発熱は、
ヒータの熱の場を変化させ、空気の流れに対する
温度感度を減少させるのであるが、そうひどい影
響とはならない。加えるに、熱感知センサに流れ
る電流が大きくなると、空気の流れがないときの
２つのセンサの間の色々な不一致といつた望まし
くな影響を大きくしてしまうことになる。

製造上の目的からすれば、ヒータと熱感知セン
サの両方のパーマロイの厚さを同じに選べば、よ
り簡単になり、より経済的になる。この観点か
ら、前述したように本実施例でも、ヒータと熱感
知センサの抵抗値は、典型的には0.08μ厚のパー
マロイにより似たような値であるとともに容易に
実現できる値となつている。

沢山の計画中の応用に関しても、本発明の望ま
しい素子は、前述したきたように、パーマロイの
抵抗素子である。薄膜部材３２，３４が薄い窒化
シリコン層に包まれているので、パーマロイ素子
は空気による酸化から防がれて、400℃を越す温
度のヒータ素子としても用いることが可能とな
る。このパーマロイ素子の抵抗の温度依存性は白
金と類似しており、どちらも０℃において
4000ppmの抵抗温度係数を有している。しかしな
がら、本発明の構造に対しては白金よりもパーマ
ロイの方が優れている。白金も温度検知用の抵抗
素子として普通に使われているが、パーマロイ白
金のおおよそ２倍の抵抗値を有するという利点が
ある。しかも、薄膜状でみるならば、パーマロイ
の抵抗温度係数は800〜1600Åの厚さで最大をと
るが、一方、白金は少なくとも3500Åの厚さにな
つてしまう。パーマロイの抵抗温度係数はおおよ
そ1600Åの厚さで最大となるが、本発明で800Å
を選んだのは、抵抗値が２倍になる点と、抵抗温
度係数も1600Åの値からわずかに小さいにすぎな
いからである。従つて800Åの厚さのパーマロイ
素子を用いることで、白金に要求されるわずか1/
８の表面積で同じ抵抗値を実現できることになる。
すなわち、パーマロイを使うことでヒータとセン
サの熱効率を増せるとともに、要求される表面積
を小さくできるので価格も下げられることにな
る。

すなわち、本発明においては、開示したよう
に、パーマロイ素子は微小構造の温度変化検出セ
ンサ素子とヒータ素子の両方に用いられる。

更にパーマロイからなるヒータとセンサを1μ
程度の厚さの窒化シリコンの絶縁層中に包み込む
ことで、特に高い温度で問題となる酸化の現象に
対しての保護膜を提供している。窒化シリコンの
絶縁層は、シリコン基板からパーマロイ素子を熱
的に絶縁する機能も有する。そして窒化シリコン
は、エツチングに対して高い抵抗性を有している
ことから、薄膜部材３２，３４の寸法を精度よく
コントロールすることもできる。更に、この窒化
シリコンの有しているエツチングに対して高い抵
抗性の特性から、空気スペース３０の深さをエツ
チングにより25〜250μといつたように深くでき
ることになる。この空気スペースは、最も重要で
ある熱伝達因子を決定する。

以上のように、本発明の望ましい実施例として
は、開示したような微小構造とのかね合いから、
パーマロイで熱感知センサとヒータを形成する。
窒化シリコンの絶縁層は支持用材料として、また
望む構造を形成するために必要なエツチング時間
を実現するための保護的材料として用いられる。
更に前述したように、薄膜部材をシリコン結晶面
に対して適切に配向させることで、人工的なエツ
チング停止手段を使うことなく望む構造を形成で
きるとともに、最小時間で削りとることができる
ことになる。更に、異方性のエツチングを用いる
ことで25〜250μといつた深い空気スペースを形
成することにより、抵抗素子を集積化半導体デバ
イスに普通に配置する方法に比べて、大きな熱的
絶縁が実現されることになる。

本発明の要旨は、実施例に述べてきたものに限
定されるものではない。例えば、熱感知センサ素
子やヒータ素子はパーマロイに限ぎるものではな
く、適切なものであれば何でもよい。他の例とし
ては、酸化亜鉛膜のような焦電型材料や、薄いフ
イルム状の熱電対や、半導体材料のサーミスタ膜
や、パーマロイ以外の好ましい抵抗温度係数をも
つ金属膜があるであろう。注意しなくてはいけな
いことは、本文では時々、測定される流れの媒体
としては空気であることを述べてきたが、本発明
は他の沢山のガス性の物質に対して応用できるも
のであることを加えておく。すなわち、本発明の
応用上の目的からして、“空気”と使われる言葉
の意味は一般的なガス性の物質を含んでいると定
義することにする。

【図面の簡単な説明】

第１，２，３，３Ａ図と第９〜１５図には、本
発明の実施例を示す。第４図と第５図には、本発
明に使う回路例を示す。第６，７，８，１６１７
図には、本発明の特性図を示す。２０……基板、２２，２４……熱感知センサ、
２６……ヒータ、２８，２９……絶縁層、３０…
…空気スペース、３２，３４……薄膜部材。

Claims

【特許請求の範囲】１結晶面（100）と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、一対の熱感知センサの一方とヒータの一部とを
含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜部材
であつて、上記結晶面（100）に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、少なくともその一端が上
記半導体基板に保持され、そのほとんど大部分が
この基板と非接触状態に配置される第１の薄膜部
材と、一対の熱感知センサの他方と上記ヒータの残部
とを含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜
部材であつて、上記結晶面（100）に対してほぼ
平行となる平面上に配置されるとともに上記空気
スペースに位置するように、少なくともその一端
が上記半導体基板に保持され、そのほとんど大部
分がこの基板と非接触状態に配置される第２の薄
膜部材と、を具備するとともに、上記一対の薄膜の熱感知センサは、上記ヒータ
を挟んで位置して成ることを特徴とする流速セン
サ。２薄膜の絶縁層は、窒化シリコンから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流速セ
ンサ。３結晶面（100）と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、一対の熱感知センサの一方とヒータの一部とを
含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜部材
であつて、上記結晶面（100）に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、少なくともその一端が上
記半導体基板に保持され、そのほとんど大部分が
この基板と非接触状態に配置される第１の薄膜部
材と、一対の熱感知センサの他方と上記ヒータの残部
とを含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜
部材であつて、上記結晶面（100）に対してほぼ
平行となる平面上に配置されるとともに上記空気
スペースに位置するように、少なくともその一端
が上記半導体基板に保持され、そのほとんど大部
分がこの基板と非接触状態に配置される第２の薄
膜部材と、上記第１および第２の薄膜部材同士を連結する
連結部材と、を具備するとともに、上記一対の薄膜の熱感知センサは、上記ヒータ
を挟んで位置して成ることを特徴とする流速セン
サ。４薄膜の絶縁層は、窒化シリコンから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の流速セ
ンサ。５結晶面（100）と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、上記結晶面（100）に対してほぼ平行となる平
面上に配置されるとともに上記空気スペースに位
置するように、少なくともその一端が上記半導体
基板に保持され、そのほとんど大部分がこの基板
と非接触状態に配置される薄膜のヒータと、上記結晶面（100）に対してほぼ平行となる平
面上に配置されるとともに上記空気スペースに位
置するように、少なくともその一端が上記半導体
基板に保持され、そのほとんど大部分がこの基板
と非接触状態に配置される一対の薄膜の熱感知セ
ンサと、上記半導体基板に設けられる周囲温度を検出す
るための比較抵抗素子と、この比較抵抗素子と上記薄膜のヒータとを含む
ブリツジ回路を制御するための電子回路を具備
し、上記一対の薄膜の熱感知センサの各々は上記ヒ
ータの対向する両側面に配置され、上記ヒータは、上記電子回路により、周囲温度
より一定の高い温度で駆動されることを特徴とす
る流速センサ。６結晶面（100）と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、薄膜の絶縁層により包まれて薄膜部材を形成
し、更に、上記結晶面（100）に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、上記薄膜部材の少なくと
も一端が上記半導体基板に保持され、そのほとん
ど大部分がこの基板と非接触状態に配置される薄
膜のヒータと、薄膜の絶縁層により包まれて薄膜部材を形成
し、更に、上記結晶面（100）に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、上記薄膜部材の少なくと
も一端が上記半導体基板に保持され、そのほとん
ど大部分がこの基板と非接触状態に配置される一
対の薄膜の熱感知センサと、上記半導体基板に設けられる周囲温度を検出す
るための比較抵抗素子と、この比較抵抗素子と上記薄膜のヒータとを含む
ブリツジ回路を制御するための電子回路を具備
し、上記一対の薄膜の熱感知センサの各々は上記ヒ
ータの対向する両側面に配置され、上記ヒータは、上記電子回路により、周囲温度
より一定の高い温度で駆動されることを特徴とす
る流速センサ。