JPH0755523A

JPH0755523A - 流量センサ

Info

Publication number: JPH0755523A
Application number: JP5206716A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 宏志山田; Yozo Hirata; 陽三平田
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】熱容量、および熱伝導を小さくすることによ
り高い応答性を有するとともに、高い機械的強度を有す
る流量センサを提供する。【構成】基板１３と、この基板１３の表面に形成され
た絶縁膜１４と、この絶縁膜１４の表面に形成された流
量検出回路導体１５と、前記絶縁膜１４の表面に前記流
量検出回路導体１５を覆うように形成された導体保護膜
１６とを備えるとともに、前記基板１３の前記流量検出
回路導体１５の位置する部分に熱絶縁用空間部２１が形
成されており、さらに、前記絶縁膜１４には、前記流量
検出回路導体１５の形成された部分の下方に薄肉部２３
が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極めて微小な流体の流
速を検出するための流量センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小な流体の流速を検出する流量
センサとしては、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに、極めて熱容量の小さい薄膜構造部を有する流量セ
ンサチップからなるものが知られている。これは、基板
１表面に絶縁膜２、および導体保護膜３の２層を積層し
た薄膜構造部４内に、薄膜形成技術および薄膜加工技術
によって流量を検出するための、発熱体５と一対の感温
抵抗体６、６からなる流量検出回路導体７が形成された
ものであり、基板１裏面側の流量検出回路導体７の位置
する部分に熱絶縁用の空間部８が形成されており、流量
検出回路導体７の上流側と下流側における温度差（この
場合、一対の感温抵抗体６、６の抵抗値）が流速に応じ
て変化することを利用したものである。

【０００３】この流量センサ９においては、微小な流体
の流速を検出するために、前記流量検出回路導体７領域
の熱容量を小さくして、微小な温度変化を検出する必要
があり、前記流量検出回路導体７領域は薄膜構造になっ
ているわけである。また、微小な温度変化を検出するた
めには、流量検出回路導体７領域は、基板１との間にお
いて熱の流出入の遮断を行なう必要もあり、この熱絶縁
性を向上させるため、図７（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、発熱体５や各感温抵抗体６の周辺部に熱絶縁用の孔
１０、１０、…を設けた構造の流量センサ１１も製作さ
れていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示す従来の流量センサ９においては、前述した流量検出
回路導体７領域自体の熱容量の問題とともに、絶縁膜
２、および導体保護膜３の２層によって薄膜構造部４内
の流量検出回路導体７と基板１との熱伝導量が大きくな
る、あるいは流量検出回路導体７領域内における発熱体
５と一対の感温抵抗体６、６間での絶縁膜２を通した熱
伝導量が大きくなることによりセンサの応答性が低下す
るといった問題があり、この双方の問題を解決するため
には薄膜構造部４の膜厚を薄くすべきであるが、一方、
膜厚を薄くすればする程、薄膜構造部４の機械的強度が
弱くなり、衝撃により破損しやすくなるという問題があ
った。

【０００５】また、図７に示す熱絶縁用の孔１０、１
０、…を設けた流量センサ１１の場合には、異物が孔１
０の縁部に付着しやすく、センサの動作異常を起こしや
すいという問題があるとともに、孔のない構造のセンサ
に比べて薄膜構造部４の機械的強度が弱くなるという問
題があった。すなわち、いずれの流量センサの場合にお
いても、熱容量、または熱伝導量を小さくして流量セン
サの応答性を向上させることと、機械的強度を向上させ
ることを両立させた流量センサの実現は困難であった。

【０００６】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、熱容量、または熱伝導を小さくす
ることにより高い応答性を有するとともに、高い機械的
強度を有する流量センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の流量センサは、基板と、この基板
の表面に形成された絶縁層と、この絶縁層内に形成され
た流量検出回路導体とを備えてなり、前記基板の前記流
量検出回路導体の位置する部分に熱絶縁用の空間部が形
成されている流量センサにおいて、前記絶縁層の前記流
量検出回路導体の形成された領域に薄肉部が形成されて
いることを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項２記載の流量センサは、基板
と、この基板の表面に形成された絶縁層と、この絶縁層
の表面に形成された流量検出回路導体と、前記絶縁層の
表面に前記流量検出回路導体を覆うように形成された導
体保護層とを備えてなり、前記基板の前記流量検出回路
導体の位置する部分に熱絶縁用の空間部が形成されてい
る流量センサにおいて、前記絶縁層に、前記流量検出回
路導体の形成された位置の下方に薄肉部が形成されてい
ることを特徴とするものである。

【０００９】また、請求項３記載の流量センサは、基板
と、この基板の表面に形成された絶縁層と、この絶縁層
の表面に形成された流量検出回路導体と、前記絶縁層の
表面に前記流量検出回路導体を覆うように形成された導
体保護層とを備えてなり、前記基板の前記流量検出回路
導体の位置する部分に、熱絶縁用の空間部が形成されて
いる流量センサにおいて、前記絶縁層、または前記導体
保護層のいずれか一方に、前記流量検出回路導体の周辺
部に位置させて、厚み方向に貫通する欠落部が形成さ
れ、同他方が該欠落部を覆う構成とされていることを特
徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１記載の流量センサによれば、流量検出
回路導体の領域に形成された薄肉部により流量検出回路
導体領域の熱容量が小さくなるので、流量検出回路が微
小な温度変化を検知することができる。また、その一
方、薄肉部以外の部分が流量センサの機械的強度を保持
する。

【００１１】また、請求項２記載の流量センサによれ
ば、流量検出回路導体の下方にあたる位置に形成された
薄肉部により流量検出回路導体領域の熱容量が小さくな
るので、流量検出回路が微小な温度変化を検知すること
ができる。また、その一方、流量検出回路導体周辺の薄
肉部以外の部分が流量センサの機械的強度を保持する。

【００１２】また、請求項３記載の流量センサによれ
ば、流量検出回路導体の周辺部に絶縁層、または導体保
護層のいずれか１層のみ存在する部分（欠落部）がで
き、この１層部が形成されたことにより流量検出回路導
体内外の熱伝導量が低減して、流量検出回路が微小な温
度変化を検知することができる。また、１層部が流量セ
ンサの機械的強度を保持する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の流量センサの第１実施例を図
１および図２を用いて説明する。図１は、本実施例の流
量センサの（ａ）平面図、（ｂ）断面図を示すものであ
って、この流量センサ１２は、図１（ｂ）に示すよう
に、基板１３と、この基板１３の表面に形成された絶縁
膜１４（絶縁層）と、この絶縁膜１４の表面に形成され
た流量検出回路導体１５と、これら流量検出回路導体１
５を覆うように絶縁膜１４の表面に形成された導体保護
膜１６（導体保護層）と、基板１３の裏面側に形成され
た絶縁膜１７とからなるものである。この流量検出回路
導体１５は、図１（ａ）に示すように、ヒータ１８（発
熱体）と、絶縁膜１４の表面においてヒータ１８の両側
方の位置に形成された感温抵抗体１９、２０（上流側抵
抗体１９、下流側抵抗体２０）とからなるものである。

【００１４】そして、基板１３の流量検出回路導体１５
の下方にあたる部分には、基板１３が部分的に取り除か
れることにより絶縁膜１４を裏面側に露出させる熱絶縁
用空間部２１が形成され、前記絶縁膜１４、流量検出回
路導体１５、および導体保護膜１６が薄膜構造部２２を
形成している。また、図１（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、薄膜構造部２２における絶縁膜１４には、流量検出
回路導体１５のパターン領域の下方にそれぞれ薄肉部２
３が形成されている。

【００１５】つぎに、前記構成の流量センサ１２を作成
する手順を図２を用いて説明する。まず、基板としては
厚さ２００μｍのシリコン基板１３を用い（図２
（ａ））、このシリコン基板１３表面に熱酸化法によっ
て膜厚５００ｎｍの酸化シリコン膜２４を形成し、リソ
グラフィ技術によりこの酸化シリコン膜２４をパターニ
ングする。（図２（ｂ））。なお、ここでパターニング
される酸化シリコン膜２４の平面形状は、最終的には、
図１（ａ）に示す薄肉部２３の平面形状となるものであ
り、後ほど、流量検出回路導体１５パターンが形成され
る領域である。

【００１６】つぎに、シリコン基板１３の表面に窒化シ
リコンからなる膜厚８００ｎｍの絶縁膜１４をスパッタ
法、プラズマＣＶＤ法等の方法により堆積させる（図３
（ｃ））。その後、酸化シリコン膜２４上の絶縁膜１４
の膜厚が４００ｎｍになるまで絶縁膜１４を研磨する
（図３（ｄ））。一方、シリコン基板１３の裏面に窒化
シリコンからなる裏面絶縁膜１７をスパッタ法、プラズ
マＣＶＤ法等の方法により堆積させる（図３（ｄ））。
なお、裏面絶縁膜１７は、後述するように、シリコン基
板１３に熱絶縁用空間部２１を形成する際のエッチング
加工のマスクとするために設けられるものである。

【００１７】つぎに、絶縁膜１４表面にヒータ１８およ
び感温抵抗体１９、２０を形成する金属膜を成膜し、リ
ソグラフィ技術により所望の回路パターン形状に加工す
る（図３（ｅ））。なお、この金属膜は、Ｎｉ，Ｎｉ−
Ｆｅ，Ｐｔ等を用いて、真空蒸着法、スパッタ法等によ
り膜厚８０ｎｍに成膜したものである。そして、窒化シ
リコンからなる膜厚１００ｎｍの導体保護膜１６を絶縁
膜１４または裏面絶縁膜１７の場合と同様の方法により
形成する（図３（ｆ））。

【００１８】つぎに、ヒータ１８および感温抵抗体１
９、２０の形成された位置に熱絶縁用空間部２１を形成
するため、裏面絶縁膜１７のパターニングを行なってヒ
ータ１８および感温抵抗体１９、２０の下方にあたる部
分を除去し、シリコン面２５（基板１３の裏面）を露出
させる（図３（ｇ））。そして、異方性エッチングによ
り露出したシリコン面２５から絶縁膜１４の裏面が露出
するまで基板１３のエッチングを行ない、熱絶縁用空間
部２１を形成する（図３（ｈ））。なお、異方性エッチ
ング液としては、一般に用いられているＫＯＨ（水酸化
カリウム）溶液を用いる。このエッチング液は、シリコ
ンをエッチングするが、窒化シリコン、酸化シリコン等
の絶縁膜はエッチングしない性質のものである。

【００１９】つぎに、前述したように、熱絶縁用空間部
２１を形成した際、酸化シリコン膜２４が露出するの
で、バッファードフッ酸でこの酸化シリコン膜２４を除
去する（図３（ｉ））。このとき、酸化シリコンのバッ
ファードフッ酸に対するエッチング速度は、窒化シリコ
ンより１０倍以上早いので、絶縁膜１４をエッチングす
ることなく、酸化シリコン膜２４のみを選択的に除去す
ることができる。以上の手順により、膜厚９００ｎｍの
薄膜構造部２２（流量検出回路導体１５領域）の一部分
の絶縁膜１４の膜厚を４００ｎｍと薄くした流量センサ
１２を製作することができる。

【００２０】本実施例の流量センサ１２は、流量検出回
路導体１５領域にあたる薄膜構造部２２の一部に薄肉部
２３を形成したものであり、ヒータ１８下部の絶縁膜１
４が薄いためにヒータ部の熱容量を小さくすることがで
きるので、ヒータの消費電力を低減することができる。
さらに、感温抵抗体１９、２０下部の絶縁膜１４も薄い
ために感温抵抗体部の熱容量を小さくすることができる
ので、熱応答を向上させ、流量センサ１２を感度の高い
ものとすることができる。

【００２１】一方、薄膜構造部２２の薄肉部２３以外の
部分は、この薄膜構造部２２の機械的強度を保持する効
果を有しており、衝撃等による薄膜構造部２２の破損を
防止することができる。すなわち、本実施例の流量セン
サ１２は、低消費電力、高感度といった良好な特性と高
い機械的強度の双方を合わせ持ったものとすることがで
きる。

【００２２】なお、本実施例においては、図１（ａ）に
示すように、ヒータ１８、一対の感温抵抗体１９、２０
それぞれの領域に一括した大面積の薄肉部２３を形成す
るようにしたが、薄肉部２３の面積は小さいほど薄膜構
造部２２の機械的強度を向上させることができるので、
例えば、図３に示すように、ヒータ２６、感温抵抗体２
７、２８の回路パターンを変更して熱容量を小さくする
特性面の効果は保持しつつ、ヒータ２６、感温抵抗体２
７、２８それぞれの領域において小分割した薄肉部２
９、２９、…を形成するようにして機械的強度をさらに
向上させることもできる。

【００２３】つぎに、本発明における流量センサの第２
実施例を図４および図５を用いて説明する。図４は、本
実施例の流量センサの（ａ）斜視図、（ｂ）断面図を示
すものである。この流量センサ３１は第１実施例の流量
センサ１２とほぼ同様の構成を持つものであって、図４
（ｂ）に示すように、基板１３と、絶縁膜１４と、流量
検出回路導体１５と、導体保護膜１６とからなるもので
ある。また、流量検出回路導体１５は、図４（ａ）に示
すように、ヒータ１８（発熱体）と、一対の感温抵抗体
１９、２０（上流側抵抗体１９、下流側抵抗体２０）と
からなるものである。

【００２４】そして、図４（ｂ）に示すように、基板１
３の流量検出回路導体１５の下方にあたる部分には熱絶
縁用空間部２１が形成されている。また、図４（ａ）、
（ｂ）に示すように、流量検出回路導体１５領域である
薄膜構造部２２には、絶縁膜１４のみが部分的に除去さ
れた保護膜１層部（欠落部）３０、３０、…がヒータ１
８および感温抵抗体１９、２０の周辺に多数、形成され
ている。なお、図４（ａ）に示す保護膜１層部３０の平
面形状は、従来の技術として図７で示した流量センサ１
１における熱絶縁用の孔１０の形状と同様のものであ
る。

【００２５】つぎに、前記構成の流量センサ３１を作成
する手順を図５を用いて説明する。なお、各工程の具体
的仕様については、第１実施例とほぼ同様であり詳細な
説明は省略する。まず、シリコン基板１３の表面に絶縁
膜１４を堆積させた後（図５（ａ））、この絶縁膜１４
をパターニングして保護膜１層部を形成する箇所の絶縁
膜１４を除去する（図５（ｂ））。つぎに、絶縁膜１４
表面にヒータ１８および感温抵抗体１９、２０を形成す
る金属膜３２を成膜した後、回路パターン形状に加工す
る（図５（ｃ））。

【００２６】さらに、導体保護膜１６を堆積させ（図５
（ｄ））、この導体保護膜１６をパターニングする（図
５（ｅ））。なお、このパターニングは、ヒータ１８お
よび感温抵抗体１９、２０の端子部３３において導体保
護膜１６を除去し、導線等と接合のため金属膜３２表面
を露出させるためのものである。つぎに、シリコン基板
１３の裏面側のエッチングを行ない、熱絶縁用空間部２
１を形成する（図５（ｆ））。以上の手順により、薄膜
構造部２２（流量検出回路導体１５領域）に、絶縁膜１
４が除去され導体保護膜１６のみからなる保護膜１層部
３０が形成された流量センサ３１を製作することができ
る。

【００２７】本実施例の流量センサ３１は、流量検出回
路導体１５領域にあたる薄膜構造部２２の一部に保護膜
１層部３０、３０、…を形成したものであり、この保護
膜１層部３０、３０、…を介した熱伝導量は、図６で示
した従来の流量センサ９における絶縁膜２層を介した熱
伝導量に比べて半分以下にまで低減される。したがっ
て、ヒータ１８で発生した熱が絶縁膜を通して感温抵抗
体１９、２０に伝達されたり、熱が感温抵抗体１９、２
０から基板１３に伝達される割合が減少し、すなわち、
熱絶縁性が向上して、流量センサ３１を感度の高いもの
とすることができる。

【００２８】一方、本流量センサ３１の保護膜１層部３
０、３０、…は、図７で示した従来の流量センサ１１に
おける熱絶縁用の孔１０、１０、…を導体保護膜１６１
層で埋めた形に相当するので、図７の流量センサ１１に
比べて機械的強度を向上させることができるとともに、
孔１０の縁部に異物が付着してセンサが動作異常を起こ
すといった不具合もなくすことができる。すなわち、本
実施例の流量センサ３１は、良好な感度と高い機械的強
度の双方を合わせ持ったものとすることができる。

【００２９】なお、本実施例においては、保護膜１層部
３０、３０、…を形成するに際して、絶縁膜１４をパタ
ーニング、除去して、導体保護膜１６により保護膜１層
部３０、３０、…を形成するようにしたが、この構造に
代えて、導体保護膜１６をパターニング、除去して、絶
縁膜１４により保護膜１層部３０、３０、…を形成する
ようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、請求項１
記載の流量センサは、流量検出回路導体領域に薄肉部が
形成されているので、薄肉部が存在しない従来の流量セ
ンサに比べて、流量検出回路導体領域の熱容量が小さく
なり、流量検出回路の熱応答性が向上する。また、その
一方、薄肉部以外の部分が流量センサの機械的強度を保
持する。したがって、本流量センサは、応答性が高いも
のであると同時に、高い機械的強度を持つものとするこ
とができる。

【００３１】また、請求項２記載の流量センサは、流量
検出回路導体の下方にあたる位置に薄肉部が形成されて
いるので、薄肉部が存在しない従来の流量センサに比べ
て、流量検出回路導体領域の熱容量が小さくなり、流量
検出回路の熱応答性が向上する。また、その一方、流量
検出回路導体周辺の薄肉部以外の部分が流量センサの機
械的強度を保持する。したがって、本流量センサは、応
答性が高いものであると同時に、高い機械的強度を持つ
ものとすることができる。

【００３２】また、請求項３記載の流量センサは、流量
検出回路導体の周辺部に、絶縁層、または導体保護層の
いずれか一方が欠落した欠落部ができ、この欠落部にい
ずれか１層のみが存在する構成となっているので、流量
検出回路導体領域全てが２層で構成された従来の流量セ
ンサに比べて、流量検出回路導体領域内外の熱伝導量が
低減して、流量検出回路の熱応答性が向上する。また、
孔等の欠損部分が存在しないので、流量センサの機械的
強度も保持されている。したがって、本流量センサは、
応答性が高いものであると同時に、高い機械的強度を持
つものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における流量センサの第１実施例を示す
（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）におけるＡ―Ａ線に沿う断
面図である。

【図２】同実施例の製作手順を示す図である。

【図３】同実施例の変形例を示す平面図である。

【図４】本発明における流量センサの第２実施例を示す
（ａ）斜視図、（ｂ）（ａ）におけるＢ―Ｂ線に沿う断
面図である。

【図５】同実施例の製作手順を示す図である。

【図６】従来の流量センサの一例を示す（ａ）斜視図、
（ｂ）（ａ）におけるＣ―Ｃ線に沿う断面図である。

【図７】従来の流量センサの他の一例を示す（ａ）斜視
図、（ｂ）（ａ）におけるＤ―Ｄ線に沿う断面図であ
る。

【符号の説明】

１２、３１流量センサ１３基板１４絶縁膜（絶縁層）１５流量検出回路導体１６導体保護膜（導体保護層）２１熱絶縁用空間部２３薄肉部３０保護膜１層部（欠落部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板の表面に形成された絶
縁層と、この絶縁層内に形成された流量検出回路導体と
を備えてなり、前記基板の前記流量検出回路導体の位置する部分に熱絶
縁用の空間部が形成されている流量センサにおいて、前記絶縁層の前記流量検出回路導体の形成された領域に
薄肉部が形成されていることを特徴とする流量センサ。
【請求項２】基板と、この基板の表面に形成された絶
縁層と、この絶縁層の表面に形成された流量検出回路導
体と、前記絶縁層の表面に前記流量検出回路導体を覆う
ように形成された導体保護層とを備えてなり、前記基板の前記流量検出回路導体の位置する部分に熱絶
縁用の空間部が形成されている流量センサにおいて、前記絶縁層に、前記流量検出回路導体の形成された位置
の下方に薄肉部が形成されていることを特徴とする流量
センサ。
【請求項３】基板と、この基板の表面に形成された絶
縁層と、この絶縁層の表面に形成された流量検出回路導
体と、前記絶縁層の表面に前記流量検出回路導体を覆う
ように形成された導体保護層とを備えてなり、前記基板の前記流量検出回路導体の位置する部分に熱絶
縁用の空間部が形成されている流量センサにおいて、前記絶縁層、または前記導体保護層のいずれか一方に、
前記流量検出回路導体の周辺部に位置させて、厚み方向
に貫通する欠落部が形成され、同他方が該欠落部を覆う
構成とされていることを特徴とする流量センサ。