JPH07198439A - 感熱式流速センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流路中に配設される基板と、この基板の一部
に形成された堀と、この堀を跨いで形成された橋と、こ
の橋上に形成された電気抵抗体による発熱体と、前記橋
上に位置してこの発熱体の温度を測定する電気抵抗体に
よる発熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前記発熱
体による熱的影響を受けない位置に形成された電気抵抗
体による流体温度測定用測温体とを備え、前記発熱体温
度測定用測温体と前記流体温度測定用測温体と流路外の
第１，２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成し、こ
のブリッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加する電
圧を制御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流速セン
サのセンサ素子構造等に起因する温度特性を改善するこ
と。 【構成】 橋１１上で発熱体Ｒｈと発熱体温度測定用測
温体Ｒｓとを層間絶縁膜１４を介して重ねて形成して両
者間の温度差を実質的になくすとともに、制御回路の出
力段に温度補償回路を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス流量計、フローメ
ータ、空調機・冷却機の流速制御等に適用可能な傍熱型
の感熱式流速センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の流速センサとして、従来より種
々のものがあり、その一方式として感熱式のものがあ
る。この感熱式流速センサにも種々のものがあるが、そ
の基本は、発熱抵抗体を流体中に設置し、発熱抵抗体の
発熱量から流体によって奪われる熱量の変化を検出し、
流体の流速を測定するものである。

【０００３】具体例として、例えば、特開昭６０−１４
２２６８号公報や特開昭６１−２３５７２６号公報に示
されるように、Ｓｉ基板の一部に異方性エッチング技術
を用いて堀を形成するとともに、この堀上空を跨ぐよう
に橋を渡し、この橋上に感熱部を形成することで、感熱
部の熱容量を低減させ、基板及び基板支持部に対する熱
損を小さくするようにしたものがある。これによれば、
発熱・測温に要する投入電力を低減することができる。
そして、例えば、流体と橋との温度差を一定にし、２つ
の橋を同一電力で熱し、流体への放熱の不均衡さから生
ずる橋上流、下流側の温度差を検出することで、流速を
計測する、といった方法が採られる。

【０００４】このように、この種の流速センサの代表的
なマイクロブリッジ型流速センサは、低電力で高感度に
流速を測定できるため、極めて優れたセンサであるが、
周囲温度の影響を受けやすく、所謂、感度の温度依存性
が大きい性質を持つ。この性質は、マイクロブリッジ型
に限られるものではなく、感熱式流速センサ全般に共通
する大きな欠点である。これは、一般に、感度を上げ、
かつ、劣化の少ない材料として抵抗の温度係数の大きな
白金を抵抗体として用いていることによる。

【０００５】このため、例えば、図９に示すように、発
熱体Ｒｈ自身を、流体温度測定用測温体Ｒｒ、第１，２
の基準抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ とともに、ブリッジ回路１を形成
するものとし、ブリッジ回路１の出力をオペアンプ２で
増幅し、発熱体Ｒｈに対して印加する電圧を制御するよ
うにした直熱型の感熱流速センサにおいて、その感度の
温度補償を行う方法が数多く提案されている。

【０００６】しかし、測定誤差の原因となる流体温度測
定用測温体Ｒｒを形成する薄膜抵抗体の自己発熱による
温度上昇を低く抑えるには、この流体温度測定用測温体
Ｒｒに流れる電流を小さく設定する必要がある。このた
めには、ブリッジ回路１の第１の基準抵抗Ｒ₁ の抵抗値
を大きな値にする必要があり、これに伴い、ブリッジ回
路１の平衡をとるために、他方の第２の基準抵抗Ｒ₂ と
発熱体Ｒｈを形成する薄膜抵抗体の抵抗値の比も大きく
設定しなければならず、設計の自由度の小さいものとな
ってしまう。さらに、第２の基準抵抗Ｒ₂ による電圧降
下が存在するため、発熱体Ｒｈに充分な電圧を印加する
ためには、高い電源電圧の電源３が必要となり、低電圧
駆動が困難なものである。

【０００７】この点、図１０に示すように、発熱体Ｒｈ
とは別個に発熱体温度測定用測温体Ｒｓを設け、発熱体
Ｒｈに代えて、この発熱体温度測定用測温体Ｒｓを含む
ブリッジ回路４構成とするようにした傍熱型の感熱式流
速センサによれば、このような問題点がないという点で
優れているとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような傍熱型のも
のの動作は、発熱体Ｒｈと流体温度測定用測温体Ｒｓと
の温度が当然等しいという大前提に立つものであるが、
近年の我々の研究によれば、橋上の流体温度測定用測温
体の温度は発熱体から距離が離れると急激に減少するこ
とが判明したものである。即ち、発熱体とこれに１０μ
ｍ程度離れて存在する流体温度測定用測温体との温度は
等しくなく、大前提が成立しないものである。しかも、
環境温度が上昇すると、両者間の温度差も大きくなる傾
向にあることが判明したものであり、傍熱型において
も、回路的に温度補償することは困難となる。

【０００９】例えば、図１０に示すような測定回路構成
で、ある流体温度において、流体温度と発熱体Ｒｈとの
温度差がΔＴとなるようにする場合、その流体温度にお
ける各部の抵抗値を各々Ｒｒ，Ｒｓ，Ｒ₁ ，Ｒ₂ とし、
流体温度測定用測温体Ｒｓの温度係数をαとすると、 Ｒ₁・Ｒｓ（１＋α・ΔＴ）＝Ｒ₂・Ｒｒ を満足するように、第１，２の基準抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ の抵
抗値を設定すればよいといえる。しかし、現実には発熱
体Ｒｈと流体温度測定用測温体Ｒｓとの温度は同じでは
ないため、図１０に示すような測定回路構成では、流体
温度の変化に対して流体温度と発熱体Ｒｈとの温度差Δ
Ｔを一定に保つことはできないものである。

【００１０】つまり、傍熱型においても、その感度の温
度依存性の原因として Ａ．発熱体Ｒｈと流体温度測定用測温体Ｒｓとの温度差
の温度依存性 Ｂ．図１０に示すような測定回路の回路構成に起因する
ΔＴの温度依存性 Ｃ．発熱体Ｒｈの抵抗値の温度依存性 といった事項が考えられ、温度補償が必要となってい
る。

【００１１】ここに、このような傍熱型の感熱流速セン
サが持つ感度の温度依存性を、センサチップの構造及び
材料面から補正しようとする試みとして、例えば、特開
昭６３−２４１３１２号公報によれば、発熱体をその抵
抗温度係数の絶対値が２００ｐｐｍ／℃以下の材料、例
えば、ニクロム合金により形成するようにしたものが示
されている。しかし、ニクロムはニッケルとクロムとの
２元合金であり、マイクロブリッジ型流速センサにおい
ては、薄膜抵抗体として成膜するのは必ずしも容易では
ない。特に、量産時において薄膜抵抗体のＮｉとＣｒと
の比を一定に保つことが困難であり、バッチ間ばらつき
が大きくなり、調整のためのコストが高くつく欠点があ
る。

【００１２】しかして、本発明は、傍熱型の欠点である
発熱体と流体温度測定用測温体との温度差を解消するこ
とで回路的な温度補償を容易になし得るような感熱式流
速センサを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、流路中に配設される基板と、この基板の一部に形成
された堀と、この堀を跨いで形成された橋と、この橋上
に形成された電気抵抗体による発熱体と、前記橋上に位
置してこの発熱体の温度を測定する電気抵抗体による発
熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前記発熱体によ
る熱的影響を受けない位置に形成された電気抵抗体によ
る流体温度測定用測温体とを備え、前記発熱体温度測定
用測温体と前記流体温度測定用測温体と流路外の第１，
２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成し、このブリ
ッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加する電圧を制
御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流速センサにお
いて、前記橋上で前記発熱体と前記発熱体温度測定用測
温体とを層間絶縁膜を介して重ねて形成し、前記制御回
路の出力段に温度補償回路を設けた。

【００１４】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明中の温度補償回路に代えて、発熱体に直列に温度補
償抵抗を接続した。

【００１５】請求項３記載の発明では、流路中に配設さ
れる基板と、この基板の一部に形成された堀と、この堀
を跨いで形成された橋と、この橋上に形成された電気抵
抗体による発熱体と、前記橋上に位置してこの発熱体の
温度を測定する電気抵抗体による発熱体温度測定用測温
体と、前記基板上で前記発熱体による熱的影響を受けな
い位置に形成された電気抵抗体による流体温度測定用測
温体とを備え、前記発熱体温度測定用測温体と前記流体
温度測定用測温体と流路外の第１，２の基準抵抗とによ
りブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路の出力に基
づき前記発熱体に印加する電圧を制御する制御回路を設
けた傍熱型の感熱式流速センサにおいて、前記発熱体
を、前記橋上でクロムと白金とを順次成膜した２層構造
を４００℃以上の温度でアニーリングしてなる白金クロ
ム合金により形成した。

【００１６】請求項４記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明と同様に、橋上で前記発熱体と前記発熱体温
度測定用測温体とを層間絶縁膜を介して重ねて形成した
上で、発熱体温度測定用測温体と前記流体温度測定用測
温体とをほぼ同じ抵抗値に設定し、制御回路を前記発熱
体の温度が前記流体の温度より一定温度だけ高い温度と
なるように制御するものとした。

【００１７】請求項５記載の発明では、請求項４記載の
発明に関して、発熱体を、その抵抗値の温度係数が発熱
体温度測定用測温体の抵抗値の温度係数に比べて極めて
小さい材料によるものとした。

【００１８】請求項６記載の発明では、請求項１，２又
は４記載の発明に関して、発熱体に対するボンディング
パッド部をクロムと白金との２層構造により形成した。

【００１９】

【作用】請求項１記載の発明においては、橋上において
流体温度測定用測温体が層間絶縁膜を介して発熱体上に
重ねて形成されているので、流体温度測定用測温体の温
度を発熱体の温度とほぼ完全に等しいものとすることが
でき、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因する
温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との間
の温度差を解消し得るものとなり、かつ、出力側に温度
補償回路を設けているので、回路的な温度補償も確保さ
れるため、良好なる温度特性の改善が可能となる。

【００２０】請求項２記載の発明においても、請求項１
記載の発明と同様に、橋上において流体温度測定用測温
体が層間絶縁膜を介して発熱体上に重ねて形成されてい
るので、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因す
る温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との
間の温度差を解消し得る上に、差動増幅器等により構成
される温度補償回路に代えて、温度補償抵抗を発熱体に
直列に接続しているので、簡単かつ低コストにして回路
的な温度補償をなし得るとともに、差動増幅器等による
場合のような雑音、ドリフト等の影響のないものとな
り、設計に際してはある温度における発熱体の抵抗値の
みを考慮するようにすればよいので、センサ素子の製造
上のばらつきも小さなものとなる。

【００２１】請求項３記載の発明においては、橋上に形
成する発熱体構造に関して、橋上にクロムと白金とを順
次成膜して２層構造とし、この２層構造に対して４００
℃以上の温度でアニーリングして白金クロム合金に合金
化したものとして形成したので、発熱体の抵抗値の温度
係数がクロムと白金との膜厚、及び、アニーニング温度
で規定されるものとなり、これらの膜厚に関する誤差を
バッチ内で±５％程度、バッチ間でも±１０％程度に納
めることが可能であり、アニーリング温度の誤差は設定
温度に対して±数度程度に抑えることが可能であり、温
度係数の小さい薄膜の発熱体をバッチ間でばらつきのな
い状態で量産し得るものとなる。

【００２２】請求項４記載の発明においても、請求項１
記載の発明と同様に、橋上において流体温度測定用測温
体が層間絶縁膜を介して発熱体上に重ねて形成されてい
るので、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因す
る温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との
間の温度差を解消し得る上に、測温体同士の抵抗値の設
定を同等にするとともに、制御回路を発熱体の温度が流
体の温度よりも一定温度だけ高くなるように制御するも
のとして構成したので、回路構成に起因する発熱体・流
体温度測定用測温体間の温度差の温度依存性をも解消し
得るものとなる。

【００２３】請求項５記載の発明においては、請求項４
記載の発明に加えて、発熱体をその抵抗値の温度係数が
極めて小さい物質により形成しているので、発熱体の抵
抗値の温度依存性をも解消し得るものとなる。

【００２４】請求項６記載の発明においては、発熱体の
ボンディングパッド部をクロムと白金との２層構造とし
ているので、センサチップ作製時においてクロムの接着
性の良さによりボンディングパッド部での膜剥がれを防
止でき、歩留まりを向上させ得るものとなる。

【００２５】

【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１及び図
２に基づいて説明する。本実施例においても、流路中に
配設される基板と、この基板の一部に形成された堀と、
この堀を跨いで形成された橋と、前記基板上に成膜され
た熱的かつ電気的絶縁膜と、この橋上に形成された電気
抵抗体による発熱体と、前記橋上に位置してこの発熱体
の温度を測定する電気抵抗体による発熱体温度測定用測
温体と、前記基板上で前記発熱体による熱的影響を受け
ない位置に形成された電気抵抗体による流体温度測定用
測温体とを備え、前記発熱体温度測定用測温体と前記流
体温度測定用測温体と流路外の第１，２の基準抵抗とに
よりブリッジ回路を形成することを基本とするものであ
り、発熱体、流体温度測定用測温体、発熱体温度測定用
測温体及び第１，２の基準抵抗、又は、これらの抵抗値
として、図１０の場合と同様に、Ｒｈ，Ｒｒ，Ｒｓ，Ｒ
₁ ，Ｒ₂ で示すものとする（以下の実施例でも同様とす
る）。

【００２６】本実施例では、センサ構造において、橋上
の発熱体Ｒｈの温度を正確に測定する（発熱体温度測定
用測温体Ｒｓの温度と同じにする）ために、図１に示す
ように、発熱体Ｒｈの真上に発熱体温度測定用測温体Ｒ
ｓを重ねて形成するようにした点を第１の特徴としてい
る。まず、基板（図示せず）としてＳｉウエハが用いら
れ、絶縁体及び橋材料としてＴａ₂Ｏ₅を１μｍの膜厚で
スパッタリングで成膜した後、橋１１上にＰｔの膜１２
を約１０００Åの膜厚、Ｔａ₂Ｏ₅膜１３を約１０００Å
の膜厚で順次成膜し、このＴａ₂Ｏ₅膜１３をマスクとし
て、発熱体Ｒｈ及び流体温度測定用測温体Ｒｒを形成す
る。ついで、Ｔａ₂Ｏ₅膜を約２０００Åの膜厚で成膜し
て層間絶縁膜１４とし、その層間絶縁膜１４上（発熱体
Ｒｈ部分の上）にＰｔの膜１５を１０００Åの膜厚、Ｔ
ａ₂Ｏ₅膜１６を約１０００Åの膜厚で順次形成膜し、膜
１５部分を発熱体温度測定用測温体Ｒｓとする。最後
に、これらの表面にＴａ₂Ｏ₅膜を約５００Åの膜厚で成
膜して保護層１７としたものである。

【００２７】なお、絶縁膜材料としては、Ｔａ₂Ｏ₅に限
らず、ＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ等であってもよい。
特に、ＡｌＮの場合、その熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋ
と高いので、保護層１７として優れたものになる。ま
た、本実施例では、発熱体Ｒｈ、発熱体温度測定用測温
体Ｒｓの抵抗値をＰｔによるものとして各々約１ｋΩ，
２ｋΩとしており、発熱体Ｒｈの線幅のほうが発熱体温
度測定用測温体Ｒｓの線幅よりも広くできるので、発熱
体温度測定用測温体Ｒｓを発熱体Ｒｈの線幅のほぼ中心
線上に重ねることができる。ここに、発熱体Ｒｈと発熱
体温度測定用測温体Ｒｓとの距離は、約３０００Å程度
であるので、発熱体温度測定用測温体Ｒｓの温度は発熱
体Ｒｈの温度にほぼ完全に等しいと見做すことができ
る。

【００２８】次いで、このような構造の発熱体Ｒｈ、発
熱体温度測定用測温体Ｒｓ等を含む傍熱型の温度補償を
含む回路構成について図２を参照して説明する。本実施
例の場合も、図１０に示した傍熱型の基本回路構成と同
様に、流体温度測定用測温体Ｒｒと発熱体温度測定用測
温体Ｒｓと第１，２の基準抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ とによりブリ
ッジ回路１８が形成されている。なお、本実施例の場合
は、第１の基準抵抗Ｒ₁ と流体温度測定用測温体Ｒｒと
の間に固定抵抗Ｒｔが介在されている。そして、第１の
基準抵抗Ｒ₁ と固定抵抗Ｒｔ及び流体温度測定用測温体
Ｒｒとの接続中点と、第２の基準抵抗Ｒ₂ と発熱体温度
測定用測温体Ｒｓとの接続中点との各々の電位を入力と
するオペアンプ１９が制御回路として設けられ、ダイオ
ードＤを介して発熱体Ｒｈに対して電源２０により印加
する電圧を制御するように構成されている。

【００２９】さらに、このオペアンプ１９の出力側に
は、差動増幅器構成の温度補償回路２１が接続されてい
る。この温度補償回路２１はオペアンプ２２とこのオペ
アンプ２２に対する入力抵抗Ｒ₄ ，Ｒ₅ 、負帰還抵抗Ｒ
₆ 及び接地抵抗Ｒ₇ により構成されている。ここに、入
力抵抗Ｒ₄ は固定抵抗Ｒｔと流体温度測定用測温体Ｒｒ
との接続中点Ｂに接続され、入力抵抗Ｒ₅ オペアンプ１
９の出力（即ち、発熱体Ｒｈの一端）である点Ａに接続
されている。

【００３０】このような構成において、発熱体温度測定
用測温体Ｒｓと発熱体Ｒｈとの温度差が０である場合、
この回路は、流体温度測定用測温体Ｒｒと発熱体温度測
定用測温体Ｒｓ（即ち、発熱体Ｒｈ）との温度差が所定
の値ΔＴを保つように、発熱体Ｒｈに印加する電圧の制
御を行う。ここに、発熱体Ｒｈの温度を流体温度より所
定の値ΔＴだけ上昇させるのに必要な熱量が被測定流量
のみに依存し流体温度に依存しないとすれば、この発熱
体Ｒｈで消費される電力も流体温度に依存せず、一定の
値となる。ところが、発熱体Ｒｈは前述したようにＰｔ
により形成されており、その温度係数αが約３０００ｐ
ｐｍ／℃と比較的大きいので、流体温度の変化に伴う発
熱体Ｒｈの温度変化によりその抵抗値が変化し、発熱体
Ｒｈでの所定の電力消費を得るのに要する発熱体Ｒｈの
両端電圧は変化する。この際、Ｐｔは正の温度係数を持
つので、流体温度が上昇し、これに伴い制御の結果、Δ
Ｔを一定の値に保つために発熱体Ｒｈの温度を上昇させ
ると、発熱体Ｒｈの抵抗値は増大し、発熱体Ｒｈの両端
電圧は上昇する。即ち、点Ａの電圧は流体温度に伴い上
昇する。

【００３１】一方、流体温度測定用測温体Ｒｒも温度係
数αが正なるＰｔにより形成されているので、点Ｂの電
圧は流体温度の上昇に伴い上昇する。従って、差動増幅
器構成の温度補償回路２１は、この点Ｂの電圧に所定の
係数を乗算して点Ａの電圧より減算して出力とすること
により、流体温度の変化の影響を低減させ得る温度補償
が可能となる。

【００３２】つづいて、請求項２記載の発明の一実施例
を図３及び図４により説明する。本実施例は、前記実施
例と同じセンサ構造とするが、回路構成に関して、前記
実施例の温度補償回路２１を省略し、発熱体Ｒｈと直列
に温度補償抵抗Ｒｃを接続するだけで、発熱体Ｒｈの温
度変化に伴う発熱体Ｒｈの抵抗変化による出力電圧変動
を回避するようにしたものである。

【００３３】図３の等価回路を示す図４において、発熱
体Ｒｈで消費される電力Ｐｈは、 ｉ＝Ｖ／（Ｒｃ＋Ｒｈ） ……………………………（１） Ｐｈ＝ｉ²Ｒｈ＝｛Ｖ／（Ｒｃ＋Ｒｈ）}²Ｒｈ …………（２） Ｖ＝（Ｒｃ＋Ｒｈ）√（Ｐｈ／Ｒｈ） ………………（３） なる関係式で分析される。ここに、発熱体Ｒｈの変化に
よる印加電圧Ｖの変化を最小にする条件を求めるため
に、（３）式をＲｈで偏微分すると、 ∂Ｖ／∂Ｒｈ ＝√(Ｐｈ／Ｒｈ)−｛Ｐｈ(Ｒｃ＋Ｒｈ)／２√(Ｐｈ／Ｒｈ)｝(１／Ｒｈ²） ………………（４） となる。∂Ｖ／∂Ｒｈ＝０となる温度補償抵抗Ｒｃの抵
抗値は、 Ｒｃ＝Ｒｈ ……………………………………………（５） となる。即ち、ある発熱体Ｒｈの温度Ｔｘにおいて、流
体温度の変化による出力電圧の変化率を最小にするに
は、この温度Ｔｘでの発熱体Ｒｈの抵抗値と温度補償抵
抗Ｒｃの抵抗値とを等しくすればよい。

【００３４】例えば、ΔＴ＝４０℃なる条件下で流体温
度２０℃において流体温度の変化に伴う出力電圧を最小
にするには、４０＋２０＝６０℃での発熱体Ｒｈの抵抗
値と同一の抵抗値を持つ温度補償抵抗Ｒｃを用いるよう
にすればよい。

【００３５】本実施例による場合、前記実施例の差動増
幅器構成の温度補償回路２１による温度補償に比べて、
温度補償抵抗Ｒｃによるだけであって簡単で低コストで
ある。また、温度補償のためにオペアンプ２２を必要と
しないので、その雑音、ドリフト等の影響もないものと
なり、設計に際してある温度における発熱体Ｒｈの抵抗
値のみを考慮して抵抗値設定すればよいので、センサ素
子の製造上のばらつきのないものともなる。

【００３６】さらに、請求項３記載の発明の一実施例を
図５及び図６により説明する。本実施例は、温度係数が
極めて小さく、かつ、量産時においてもバッチ間ばらつ
きの少ない材料で発熱体Ｒｈを形成することにより、セ
ンサ感度の温度依存性を回避し得るようにしたものであ
る。図５にその作製工程を含む発熱体Ｒｈの構成例を示
す。まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉによる基板２
３上に、電気的絶縁性及び熱的絶縁性に優れた材料、例
えば、ＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｔａ₂Ｏ₅などの絶縁膜２４
を蒸着、スパッタリング法などによって成膜する。次い
で、この絶縁膜２４上にＣｒの膜２５も同様の方法で成
膜し、図５（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィ法に
より発熱体形状にパターニングする。さらに、パターニ
ングされたこの膜２５上を含む基板２３上（絶縁膜２４
上）にＰｔの膜２６も同様の方法で成膜し、図５（ｃ）
に示すようにフォトリソグラフィ法により発熱体形状に
パターニングする。この時、これと並行して膜２６は流
体温度測定用測温体形状にもパターニングされる。これ
により、ＣｒとＰｔとの２層構造が得られる。その後、
図５（ｃ）に示すようにこれらの表面に、例えば、Ｔａ
₂Ｏ₅による保護膜２７を成膜し、約５００℃の温度でア
ニーリングを行うことにより、図５（ｄ）に示すように
パターニングされているＣｒとＰｔとの２層構造部分２
８が合金化されて白金クロム合金となり、発熱体Ｒｈが
完成する。

【００３７】この後、基板２３についてドライエッチン
グにより堀形状のパターニングを行い、さらに、ＫＯＨ
による異方性エッチングにより堀を形成することにな
る。

【００３８】このような白金クロム合金として完成した
発熱体Ｒｈを含むセンサ構造の場合の測定回路構成は、
図１０に示したようなものでよい。この場合のブリッジ
回路４の第１，２の基準抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ の抵抗値は、発
熱体Ｒｈと流体との温度差ΔＴを任意の値としたときに
平衡状態となるように設定すればよい。

【００３９】この結果、橋（発熱体Ｒｈ）の温度は、流
体の流れがない場合、流体温度よりΔＴだけ高いものと
なる。流体の流れにより、橋が冷されるので、発熱体温
度測定用測温体Ｒｓの抵抗値が変化し、その変化分に比
例して発熱体Ｒｈに電流が流れ、橋（発熱体Ｒｈ）の温
度を一定に保つ。この時の電圧変化を、流体の流れに対
するセンサ出力とする。一定流量におけるセンサ出力と
環境温度との関係を示すと、図６に示すようになる。図
６は本実施例方式（白金クロム合金による発熱体Ｒｈ）
と従来方式（白金による発熱体Ｒｈ）とによるセンサ出
力を対比して示すものである。本実施例方式によれば、
白金クロム合金からなる発熱体Ｒｈは約５００℃のアニ
ーリングにより合金化されたものであり、その温度係数
が大幅に低下しているため、図示のように、環境温度の
影響を受けにくいものとなっている。この時、発熱体Ｒ
ｈの温度係数は合金化の度合いにより制御でき、この合
金化の度合いはアニーリング温度で制御できるものであ
る。

【００４０】即ち、本実施例においては、橋１１上に形
成する発熱体Ｒｈの構造に関して、この発熱体Ｒｈの抵
抗値の温度係数がＣｒとＰｔとの膜厚、及び、アニーニ
ング温度で規定されるものとなるが、ここに、Ｃｒ及び
Ｐｔの厚みに関しては蒸着、スパッタリング法等におけ
る誤差がバッチ内で±５％程度、バッチ間においても±
１０％程度に納めることが可能であり、かつ、アニーリ
ング温度に関しては、設定温度の誤差或いは温度分布は
±数度程度に抑えることが可能であるため、温度係数の
小さい薄膜の発熱体Ｒｈをバッチ間でばらつきのない状
態で量産できるものとなる。

【００４１】請求項４記載の発明の一実施例を図７によ
り説明する。まず、本実施例のセンサ素子構造は図１に
より説明した請求項１記載の発明のものと同様であり、
特に、橋１１部分に関しては、発熱体Ｒｈと発熱体温度
測定用測温体Ｒｓとが層間絶縁膜１４を介して重ねて形
成された構造とされている。即ち、発熱体Ｒｈと発熱体
温度測定用測温体Ｒｓとの温度差を極力低減させるよう
な構造とされている。

【００４２】このようなセンサ素子構造に対して、測定
回路構成としては基本的には図１０に示したような傍熱
型の基本回路構成を採用し得るが、前述したように、流
体温度の変化に対して流体と発熱体Ｒｈとの温度差を一
定に保つことができない、という欠点があるので、本実
施例では、図７に示すようにブリッジ回路２９の構成を
工夫したものである。回路構成上は、ブリッジ回路２９
において第１の基準抵抗Ｒ₁ と流体温度測定用測温体Ｒ
ｒとの間に固定抵抗Ｒｔが介在されているとともに、ブ
リッジ回路２９の出力側にオペアンプ（制御回路）３０
を接続したものであるが、ブリッジ回路２９における各
抵抗値を次のように設定することで、発熱体Ｒｈの温度
制御の精度を向上させ、流体温度の変化による影響、即
ち、温度依存性を低減させるようにしたものである。

【００４３】例えば、２０℃における測温体の抵抗値を
各々Ｒｒ，Ｒｓ、流体温度と測温体との温度差をΔＴ、
両測温体の抵抗値の温度係数をαとすると、第１，２の
基準抵抗の抵抗値Ｒ₁ ，Ｒ₂ は、 Ｒ₁Ｒｓ＝Ｒ₂Ｒｒ ………………………………（６） なる関係を満たすものであり、また、 Ｒｔ＝α・ΔＴＲｒ ……………………………（７） により、 Ｒｔ＝｛Ｒ₁Ｒｓ（１＋α・ΔＴ）／Ｒ₂｝−Ｒｒ ……（８） を満足するような固定抵抗Ｒｔの抵抗値を設定する。た
だし、流体温度測定用測温体Ｒｒ及び発熱体温度測定用
測温体Ｒｓの自己発熱によりブリッジ回路２９の設定温
度差の制御が乱れることを防止するため、第１，２の基
準抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂は充分に大きな抵抗値を持つように設
定する必要がある。また、これらの両測温体Ｒｒ，Ｒｓ
の自己発熱をほぼ同程度とするために、これらの両測温
体Ｒｒ，Ｒｓの抵抗値がほぼ同じ値を持つようにセンサ
チップは作製される。具体的には、発熱体温度測定用測
温体Ｒｓの抵抗値は流体温度測定用測温体Ｒｒの抵抗値
に対して、０．９〜１．１倍の範囲に収まるように設定
される。さらには、両測温体Ｒｒ，Ｒｓの経時変化もほ
ぼ同傾向を示し、ブリッジ回路２９の調整時からのずれ
が小さくなるように構成されている。

【００４４】このような条件による場合において、流体
温度２０℃なる環境下では、図７に示す回路は、 Ｒ₂（Ｒｔ＋Ｒｒ）＝Ｒ₁Ｒｓ（１＋α・ΔＴ） ……（９） なる平衡状態に達する。

【００４５】そして、流体温度が２０＋Δｔになった場
合を考え、この状態での発熱体温度測定用測温体Ｒｓの
温度を２０＋ΔＴ＋Δｔ′とする。すると、このような
条件下では、図７に示す回路は、 Ｒ₁{Ｒｓ(１＋α・ΔＴ＋α・Δｔ′)}＝Ｒ₂{Ｒｒ(１＋α・Δｔ)＋Ｒｔ｝ ……………………………………（10） なる平衡状態に達する。これらの（９)(10）式より、 Ｒｒ（１＋α・ΔＴ）＝Ｒｒ＋α・Δｔ′・Ｒ₁Ｒｓ／Ｒ₂ ……………………………………（11） となり、これらの（６）〜（11）式より、Δｔ＝Δｔ′
となるため、流体温度にかかわらず流体と発熱体温度測
定用測温体Ｒｓとの温度差を常にΔＴに保つように制御
が行われる。このようにして、測定回路の回路構成に起
因するΔＴの温度依存性が改善される。

【００４６】さらに、請求項５記載の発明の一実施例を
図８により説明する。図７に示した請求項４記載の発明
の実施例構成の場合、そのセンサチップ並びに測定回路
を作製する上で、特に問題なく実現でき、かつ、良好な
る温度補償を実現し得るが、−３０℃〜８０℃のような
広範囲の温度領域においては、ある流量におけるセンサ
出力は図８に示すような特性を持つ。従って、このよう
な−３０℃〜８０℃の全領域に渡って精度よく温度補償
することはできない。

【００４７】そこで、本実施例では、発熱体Ｒｈと流体
温度測定用測温体Ｒｓとの温度差の温度依存性に関して
は、図１に示したような発熱体Ｒｈと発熱体温度測定用
測温体Ｒｓとを層間絶縁膜１４を介して重ねて形成する
構造により解消し、測定回路の回路構成に起因するΔＴ
の温度依存性に関しては、図７で説明したようなブリッ
ジ回路２９の改良により解消し（これらの対策が前記実
施例で説明した請求項４記載の発明に相当する）、さら
に、発熱体Ｒｈの抵抗値の温度依存性に関しては、発熱
体Ｒｈとして温度係数の極めて小さい材料で形成するこ
とで解消するようにしたものである。具体的には、ニク
ロム合金、白金クロム合金等が用いられるが、少なくと
も発熱体Ｒｈの抵抗値の温度係数がＰｔ等による測温体
Ｒｒ，Ｒｓの抵抗値の温度係数の１／３以下のものであ
ればよい。

【００４８】本実施例では、このような３項目に対する
対策を施すことにより、温度依存性の影響を低減させて
いるので、広い温度範囲に渡ってセンサ感度の温度依存
性を無視し得るレベルにできることになる。

【００４９】さらに、請求項６記載の発明について説明
する。測温体Ｒｒ，Ｒｓ或いは発熱体ＲｈをＰｔで作製
した場合、下地層との密着性は必ずしもよくない。特
に、パッド部分は大きさが大きいので剥離しやすく、セ
ンサチップ作製時の歩留まり低下の原因ともなる。そこ
で、本実施例では、発熱体ＲｈをＰｔで作製する場合、
そのボンディングパッド部分をＣｒとＰｔとの２層構造
とし、クロム層を接着層として利用することにより、Ｐ
ｔの密着性を向上させるようにしたものである。これに
より、センサチップ作製時においてパッド部での膜剥が
れを防止でき、歩留まりを向上させ得る。なお、測温体
Ｒｒ，Ｒｓの配線部は細いので、比較的密着性が高いの
で、Ｐｔの下にクロム層を特に設ける必要はない。

【００５０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、流路中に
配設される基板と、この基板の一部に形成された堀と、
この堀を跨いで形成された橋と、この橋上に形成された
電気抵抗体による発熱体と、前記橋上に位置してこの発
熱体の温度を測定する電気抵抗体による発熱体温度測定
用測温体と、前記基板上で前記発熱体による熱的影響を
受けない位置に形成された電気抵抗体による流体温度測
定用測温体とを備え、前記発熱体温度測定用測温体と前
記流体温度測定用測温体と流路外の第１，２の基準抵抗
とによりブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路の出
力に基づき前記発熱体に印加する電圧を制御する制御回
路を設けた傍熱型の感熱式流速センサにおいて、前記橋
上で前記発熱体と前記発熱体温度測定用測温体とを層間
絶縁膜を介して重ねて形成し、前記制御回路の出力段に
温度補償回路を設けたので、流体温度測定用測温体の温
度を発熱体の温度とほぼ完全に等しいものとすることが
でき、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因する
温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との間
の温度差を解消できるものとなり、かつ、出力側に温度
補償回路を設けているので、回路的な温度補償も確保で
きるため、良好なる温度特性の改善が可能となる。

【００５１】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様に、橋上において流体温度測定用測温体
が層間絶縁膜を介して発熱体上に重ねて形成されている
ので、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因する
温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との間
の温度差を解消することができる上に、差動増幅器等に
より構成される温度補償回路に代えて、温度補償抵抗を
発熱体に直列に接続したので、簡単かつ低コストにして
回路的な温度補償を行うことができるとともに、差動増
幅器等による場合のような雑音、ドリフト等の影響のな
いものとなり、設計に際してはある温度における発熱体
の抵抗値のみを考慮するようにすればよいので、センサ
素子の製造上のばらつきも小さくできる。

【００５２】請求項３記載の発明によれば、橋上に形成
する発熱体構造に関して、橋上にクロムと白金とを順次
成膜して２層構造とし、この２層構造に対して４００℃
以上の温度でアニーリングして白金クロム合金に合金化
したものとして形成したので、発熱体の抵抗値の温度係
数がクロムと白金との膜厚、及び、アニーニング温度で
規定されるものとなり、これらの膜厚に関する誤差をバ
ッチ内で±５％程度、バッチ間でも±１０％程度に納め
ることが可能であり、アニーリング温度の誤差は設定温
度に対して±数度程度に抑えることが可能であるため、
温度係数の小さい薄膜の発熱体をバッチ間でばらつきの
ない状態で量産できるものとなる。

【００５３】請求項４記載の発明によれば、請求項１記
載の発明と同様に、橋上において流体温度測定用測温体
が層間絶縁膜を介して発熱体上に重ねて形成されている
ので、傍熱型の感熱流速センサでセンサ素子に起因する
温度特性、即ち、発熱体と流体温度測定用測温体との間
の温度差を解消することができる上に、測温体同士の抵
抗値の設定を同等にするとともに、制御回路を発熱体の
温度が流体の温度よりも一定温度だけ高くなるように制
御するものとして構成したので、回路構成に起因する発
熱体・流体温度測定用測温体間の温度差の温度依存性を
も解消することができる。

【００５４】請求項５記載の発明によれば、請求項４記
載の発明に加えて、発熱体をその抵抗値の温度係数が極
めて小さい物質により形成したので、発熱体の抵抗値の
温度依存性をも解消することができ、広範囲の温度に渡
ってセンサ感度の温度依存性を改善できるものとなる。

【００５５】請求項６記載の発明によれば、請求項１，
２又は４記載の発明に関して、発熱体に対するボンディ
ングパッド部をクロムと白金との２層構造により形成し
たので、センサチップ作製時においてクロムの接着性の
良さによりボンディングパッド部での膜剥がれを防止で
き、歩留まりを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示す橋上部分
の概略断面構造図である。

【図２】回路図である。

【図３】請求項２記載の発明の一実施例を示す回路図で
ある。

【図４】その等価回路図である。

【図５】請求項３記載の発明の一実施例を工程順に示す
概略断面図である。

【図６】従来例を対比して示す特性図である。

【図７】請求項４記載の発明の一実施例を示す回路図で
ある。

【図８】請求項５記載の発明を説明するための感度の温
度依存性を示す特性図である

【図９】直熱型の従来例を示す回路図である。

【図１０】傍熱型の従来例を示す回路図である。

【符号の説明】

１１ 橋 １４ 層間絶縁膜 １８ ブリッジ回路 １９ 制御回路 ２１ 温度補償回路 ２３ 基板 ２９ ブリッジ回路 Ｒｈ 発熱体 Ｒｓ 発熱体温度測定用測温体 Ｒｒ 流体温度測定用測温体 Ｒ₁ 第１の基準抵抗 Ｒ₂ 第２の基準抵抗 Ｒｃ 温度補償抵抗

フロントページの続き (72)発明者 村田 憲彦 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 宮地 達生 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路中に配設される基板と、この基板の
   一部に形成された堀と、この堀を跨いで形成された橋
   と、この橋上に形成された電気抵抗体による発熱体と、
   前記橋上に位置してこの発熱体の温度を測定する電気抵
   抗体による発熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前
   記発熱体による熱的影響を受けない位置に形成された電
   気抵抗体による流体温度測定用測温体とを備え、前記発
   熱体温度測定用測温体と前記流体温度測定用測温体と流
   路外の第１，２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成
   し、このブリッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加
   する電圧を制御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流
   速センサにおいて、前記橋上で前記発熱体と前記発熱体
   温度測定用測温体とを層間絶縁膜を介して重ねて形成
   し、前記制御回路の出力段に温度補償回路を設けたこと
   を特徴とする感熱式流速センサ。
2. 【請求項２】 流路中に配設される基板と、この基板の
   一部に形成された堀と、この堀を跨いで形成された橋
   と、この橋上に形成された電気抵抗体による発熱体と、
   前記橋上に位置してこの発熱体の温度を測定する電気抵
   抗体による発熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前
   記発熱体による熱的影響を受けない位置に形成された電
   気抵抗体による流体温度測定用測温体とを備え、前記発
   熱体温度測定用測温体と前記流体温度測定用測温体と流
   路外の第１，２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成
   し、このブリッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加
   する電圧を制御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流
   速センサにおいて、前記橋上で前記発熱体と前記発熱体
   温度測定用測温体とを層間絶縁膜を介して重ねて形成す
   るとともに、前記発熱体に直列に温度補償抵抗を接続し
   たことを特徴とする感熱式流速センサ。
3. 【請求項３】 流路中に配設される基板と、この基板の
   一部に形成された堀と、この堀を跨いで形成された橋
   と、この橋上に形成された電気抵抗体による発熱体と、
   前記橋上に位置してこの発熱体の温度を測定する電気抵
   抗体による発熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前
   記発熱体による熱的影響を受けない位置に形成された電
   気抵抗体による流体温度測定用測温体とを備え、前記発
   熱体温度測定用測温体と前記流体温度測定用測温体と流
   路外の第１，２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成
   し、このブリッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加
   する電圧を制御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流
   速センサにおいて、前記発熱体を、前記橋上でクロムと
   白金とを順次成膜した２層構造を４００℃以上の温度で
   アニーリングしてなる白金クロム合金により形成したこ
   とを特徴とする感熱式流速センサ。
4. 【請求項４】 流路中に配設される基板と、この基板の
   一部に形成された堀と、この堀を跨いで形成された橋
   と、この橋上に形成された電気抵抗体による発熱体と、
   前記橋上に位置してこの発熱体の温度を測定する電気抵
   抗体による発熱体温度測定用測温体と、前記基板上で前
   記発熱体による熱的影響を受けない位置に形成された電
   気抵抗体による流体温度測定用測温体とを備え、前記発
   熱体温度測定用測温体と前記流体温度測定用測温体と流
   路外の第１，２の基準抵抗とによりブリッジ回路を形成
   し、このブリッジ回路の出力に基づき前記発熱体に印加
   する電圧を制御する制御回路を設けた傍熱型の感熱式流
   速センサにおいて、前記橋上で前記発熱体と前記発熱体
   温度測定用測温体とを層間絶縁膜を介して重ねて形成す
   るとともに、前記発熱体温度測定用測温体と前記流体温
   度測定用測温体とをほぼ同じ抵抗値に設定し、前記制御
   回路を前記発熱体の温度が前記流体の温度より一定温度
   だけ高い温度となるように制御するものとしたことを特
   徴とする感熱式流速センサ。
5. 【請求項５】 発熱体を、その抵抗値の温度係数が発熱
   体温度測定用測温体の抵抗値の温度係数に比べて極めて
   小さい材料によるものとしたことを特徴とする請求項４
   記載の感熱式流速センサ。
6. 【請求項６】 発熱体に対するボンディングパッド部を
   クロムと白金との２層構造により形成したことを特徴と
   する請求項１，２又は４記載の感熱式流速センサ。