JPH077008B2 - 流速センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流体の流量を検出する流速センサに関し、特に
シリコン基板等を基台として用いたマイクロダイアフラ
ム構造の流速センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の流速センサとしては、例えば特開昭60−
142268号公報に開示されたものがあり、その概要を第８
図，第９図を用いて説明する。第８図において、１はシ
リコンからなる半導体基台、2,3はエツチングのための
開口部、４は貫通孔、５は薄膜支持部、６はその根元、
７は薄膜のヒータエレメント、8,9は薄膜の感温抵抗エ
レメント、10は半導体基台１上に形成された薄膜の周囲
測温抵抗エレメントである。すなわち、半導体基台１上
には異方性エツチングにより両側の開口部2,3を連通す
る貫通孔４が形成されており、この貫通孔４の上部には
半導体基台１から空間的に隔離され、結果的に半導体基
台１から熱的に絶縁された薄膜支持部５が形成されてい
る。そしてこの薄膜支持部５の表面には、通常の薄膜形
成技術によりヒータエレメント７とそれを挟む感温抵抗
エレメント8,9とが配列して形成されたセンサ本体とし
ての下流則検出部11が構成されている。また、半導体基
台１上の角部には周囲測温抵抗エレメント10が形成され
ている。なお、17は半導体基台１上の各開口2,3の中央
部分に形成されたスリツト状開口であり、これら開口部
2,3及び17によつて囲まれた半導体（シリコン）基台１
の下側をそれら開口部を介してKOH等の溶液で異方性エ
ツチングすることにより、エツチングの断面形状が逆台
形を有する貫通孔４つまり空隙部４が形成されるととも
に、その空隙部４によつて、半導体基台１からヒータエ
レメント及び感温抵抗エレメント8,9が熱的に絶縁され
て支持された薄膜支持部５が形成されている。

ここで、ヒータエレメント７を周囲温度よりもある一定
の高い温度で制御したもとで、第８図に示す矢印の方向
から流体21が流れると、上流側の感温抵抗エレメント８
は冷却されて降温するのに対し、下流側の感温抵抗エレ
メント９は流体の流れを媒体としてヒータエレメント７
からの熱伝導が促進され、温度が昇温するために温度差
が生じる。このため、感温抵抗エレメント8,9をホイー
ストスンブリツジ回路（図示せず）に組込み、その温度
差を電圧に変換することにより、流体の流速に応じた電
圧出力が得られ、その結果、流体の流速を検出すること
ができる。

ところで、このセンサ素子の薄膜支持部５は非常に薄く
弱いため、製造工程においてチツプを切断する際に、一
般的な技術であるダイシング・ソーを用いることができ
ない。そのため、素子切断はブレーキングによつて行わ
れるが、ブレーキングを容易にするために、第９図に示
す切断用ストリート18をエツチングしておく必要があ
る。また、チツプの形状を一様に保つために、チツプ製
造の最終工程である異方性エツチングの際に前記ストリ
ート18をエツチングする必要があつた。

以上の制約からセンサ素子の設計は、第９図に示すよう
に、（001）面を表面とするシリコンウエハを用い、切
断用ストリート18を〔110〕方向に平行に配置し、開口
部2,3の端を同じく〔110〕方向にあわせ、薄膜支持部５
の端を〔110〕方向と平行でない（例えば〔100〕方向）
のように設計する必要があつた。この結果、流速センサ
は、第８図に示すように、流体21の流れ方向に対して角
部を向けて使用しなければならなかつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来の流速センサは、その角部を流体の流れ
方向に向けて用いるため、特に高流速の流体を計測する
際、第５図に示すように、黒雲状に示された渦を含む乱
れ22が流速検出部11に掛かつてしまう。このため、角部
で発生した渦のためセンサ出力が不安定になり、また測
定再現性を悪化させていた。

さらに、薄膜支持部５の根元６の位置が第９図の6a,6b
及び6cのようにばらつくため、そのセンサの感度にばら
つきを生じていた。すなわち、空隙部４のエツチング停
止位置はエツチング液の温度，濃度等が要因となつてば
らつきを生じさせ、その結果、薄膜支持部５の根元が第
９図の6bのようになつた場合、薄膜支持部５上の各エレ
メント7,8,9の半導体基台１に対する熱絶縁が高まり、
感度は上昇するのに対し、逆に第９図の6cのようになつ
た場合は熱絶縁が低下し、感度は下ることになる。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、センサ出力を
安定にするとともに、センサ素子間の特性の再現性を良
くした流速センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

状の目的を達成するために、本発明の流速センサは、基
台上に、薄膜ヒータエレメントと該ヒータエレメントの
両側に各々独立した薄膜感温抵抗エレメントからなる流
速検出部を設け、この流速検出部の下側を、その基台表
面に設けたエツチング用開口部を介して溶液による異方
性エツチングで除去して、前記流速検出部を該基台から
隔離して支持したダイアフラム構造を有し、前記エツチ
ング用開口部は、前記流速検出部の基台表面に、その
〔100〕方向に伸びた細いスリツト状開口を単位要素と
し、これらを多数個組み合せて各々スリツト状開口を対
角線とする正方形のエツチング領域が重なるように配置
したものである。

〔作用〕

本発明においては、流体を計測する際に、渦発生の原因
となつているセンサの角部を流れ方向に向けることな
く、流れ方向に対しセンサの直線端部を向けることがで
きるので、角部で発生する渦を含んだ乱れがセンサの検
出部へ達せず、センサ出力が不安定になり、測定の再現
性も向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面を示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明による流速センサの一実施例を示す概略
斜視図であり、第２図は第１図の流速検出部の詳細平面
図である。この実施例の流速センサは、半導体基台１上
に、第１図及び第２図に示すように、薄膜ヒータエレメ
ント７と該ヒータエレメント７の両側に各々独立した薄
膜感温抵抗エレメント8,9からなる流速検出部11を設
け、この半導体基台１の表面には、その流速検出部11の
下側の半導体基台を溶液による異方性エツチングによつ
て除去するためのエツチング用開口部12が形成されてい
る。この開口部12は、第３図に示すように、（001）面
を表面とする半導体基台１に対しその〔100〕方向に伸
びたスリツト状開口12aを単位要素とし、これら多数の
スリツト状開口12aを組み合せて各々のスリツト状開口1
2aを対角線とする正方形の領域14、つまり１つのスリツ
ト状開口12aの異方性エツチングで除去されるエツチン
グ領域14が部分的に重なるように配置されている。そし
て流速検出部11の各根元11aは、半導体基台１の〔110〕
方向になるように開口部12の端部12bを備えてある。

しかして、かかる構成のセンサ素子を従来と同様の方法
で異方性エツチングを行うと、流速検出部11の下側は、
半導体基台１の表面に設けた多数のスリツト状開口12a
からなる開口部12を介して異方性エツチングで除去され
るので、この流速検出部11が半導体基台１から隔離して
支持されたダイアフラム部13を有する流速センサを形成
できる。このとき、切断用ストリート部18（第９図参
照）は従来と同様のプロセスとし、素子の流速検出部11
をその直線端部と平行になるような構成にする。なお、
図中同一符号は同一または相当部分を示している。

このように上記実施例の流速センサによると、一対の感
温抵抗エレメント8,9とその間に置かれたヒータエレメ
ント７からなる流速検出部11は、第１図のように、流体
21の流れの方向に対向して並べられるので、その流速検
出部11の直線端部11aを流れ方向21に向けて流速検出を
行うことができる。また、流速検出部11は、第２図に示
すように、ヒータエレメント７の中心線7aを軸とする線
対称構造になるように構成する。つまり、ヒータエレメ
ント７の中心線7aのところでエツチング用開口部12は12
cのような形状とし、エツチング用開口部12,ヒータエレ
メント7,感温抵抗エレメント8,9が中心線7aを軸として
線対称の位置に配置されるように構成すると、流速ゼロ
のとき、ヒータエレメント７からの熱は等しく両側の感
温抵抗エレメント8,9に伝わることになる。従つて、本
実施例の流速センサでは、上流側および下流側感温抵抗
エレメント8,9の差を出力としているので、上記構成を
とることにより、流速以外の熱的不平衡はキヤンセルさ
れ、流速信号だけを正確に出力することが可能になる。

さらに、流速センサの角部から発生する渦による乱れ22
の影響は、第４図に示すように、本実施例の流速センサ
においては乱れ22が流速検出部11に及ばないため、その
影響を除去することができる。すなわち、第４図（ｂ）
は第４図（ａ）のＩ−Ｉ′断面図である。流体21の流れ
は流速検出部11上においてほぼ２次元の流れと見做すこ
とができ、同図に示したように流速検出部11上において
安定した流れを形成できる。これによつて、センサ出力
は安定し、測定再現性も向上させることができた。因
に、角部からの乱れは、乱流の場合15〜20°の角度で広
がるので、流速検出部11はその乱れが及ばないところに
配置する必要がある。

また、第４図（ｂ）に示してあるが、異方性エツチング
によつて堀り込まれたセンサ素子の前縁部15は角度θに
して54.7°で傾斜しており、流体が渦を発生しにくくな
つている。

また、第２図において、エツチング用開口部12として細
いスリツト状開口12aを多数組合せている理由は、
第３図に示すように流速検出部11の下部をもれなく、エ
ツチングできるようにするためと、 そのエツチング
が迅速に、かつ一様にできるようにするためである。こ
れについてさらに第６図及び第７図を用いて説明する。

第６図，第７図はどちらも領域14の下部をエンチツグで
きる開口部を持つている。しかし、領域14の全域がエツ
チングされるためには、下方向には同図（ｂ）の断面図
に示しただけエツチングをする必要があり、第６図より
も第７図の方が約２倍時間がかかることがわかる。例え
ば、領域14を一辺0.5mmの正方形とすると、第６図の場
合には深さが約0.18mm、第７図の場合には0.35mmとな
る。このとき、厚さ0.63mmのシリコンウエハを用い、裏
面から同量だけエツチングされるとすると、第６図の場
合、残り0.27mm、第７図き場合には貫通してしまうの
で，この方法は使えない。

また、エツチング用開口部12として細いスリツト状開口
12aを流速検出部11の全域に多数個配置することによ
り、異方性エツチングが領域14にわたつて一様に進むこ
とが実験で確認された。このとき、〔110〕方向に平行
な流速検出部11の根元11aは異方性エツチングで残され
た（111）面の一致するので、それ以上奥へはエチング
は進まない。こうして、流速検出部11の根元11aはプロ
セスパラメータに影響されることなく決定され、つま
り、（111）面でエツチングが停止する（正確には極端
に遅くなる）という異方性エツチングの特性によつてプ
ロセス条件に関係なく定まり、センサ素子間の特性のば
らつきを小さく抑えることができる。なお、第６図にお
いて、16は異方性エツチングにより形成された半導体基
台１と流速検出部11を支持するダイアフラム部13との間
の逆台形状の空隙部であり、また第７図中12₀はエツチ
ング領域14を形成するためのスリツト状開口、16aは前
記空隙部16と同様の空隙部である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明は、基台の一部を異方性エツチング
で除去し、その除去した部分の上に残したダイアフラム
上に薄膜ヒータエレメントと一対の薄膜感温抵抗カレメ
ントからなる流速検出部を設けた流速センサにおいて、
エツチングのための開口部を、前記流速検出部の基台表
面にその〔100〕方向に伸びた細いスリツト状開口を単
位要素としてそのスリツト状開口を多数個組み合わせた
構成とし、それぞれのスリツト状開口が作るエツチング
領域が重なるように配置したので、流体の流れ方向に対
しセンサの直線端部を向けることができる。これによつ
て、従来のように角部で発生する渦を含んだ乱れが流速
検出部へ達せず、センサ出力が安定になるとともに、測
定再現性も向上する等の効果がある。

また、本発明の別の発明によると、エツチング用開口部
において各スリツト状開口の端部を基台の〔110〕方向
の線上に合わせた構造とすることにより、流速検出部の
根元がプロセスによらず、センサ素子を再現性良く形成
できる効果がある。

さらに本発明の別の発明によると、上記センサにおいて
流速検出部をヒータエレメントの中心軸を軸とする線対
称構造とすることにより、流速以外の熱的不平衡による
出力への悪影響を改善する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による流速センサの概略斜視
図、第２図は第１図の流速検出部の詳細平面図、第３図
は上記実施例におけるエツチング方法を説明するための
図、第４図（ａ）及び（ｂ）は上記実施例の作用効果を
説明するための概念図および同図（ａ）のＩ−Ｉ′断面
図、第５図は従来例による欠点を説明するための概念
図、第６図（ａ）及び（ｂ）は上記実施例の説明に供す
る一部平面図および同図（ａ）のII−II′断面図、第７
図（ａ）及び（ｂ）は第６図と対比して説明するための
エツチング工程の一部平面図および同図（ａ）のIII−I
II′断面図、第８図は従来例による流速センサの概略斜
視図、第９図は第８図の製造工程におけるエツチングプ
ロセスの説明図である。 １…半導体基台、７…薄膜ヒータエレメント、8,9…薄
膜感温抵抗エレメント、10…薄膜周囲測温抵抗エレメン
ト、11…流速検出部、12…エツチング用開口部、12a…
スリツト状開口、13…ダイアフラム部、14…エツチング
領域、16…空隙部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基台上に、薄膜ヒータエレメントと該ヒー
   タエレメントの両側に各々独立した薄膜感温抵抗エレメ
   ントからなる流速検出部を設け、この流速検出部の下側
   を、その基台表面に設けたエツチング用開口部を介して
   溶液による異方性エツチングで除去して、前記流速検出
   部を該基台から隔離して支持したダイアフラム構造を有
   し、前記エツチング用開口部は、前記流速検出部の基台
   表面に、その〔100〕方向に伸びた細いスリツト状開口
   を単位要素とし、これを多数個組み合せて各々のスリツ
   ト状開口を対角線とする正方形のエツチング領域が重な
   るように配置したことを特徴とする流速センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、エツチング用開口部
   は、各スリツト状開口の端部を基台の〔110〕方向の線
   上に合わせたことを特徴とする流速センサ。
3. 【請求項３】請求項２において、流速検出部の構造がヒ
   ータエレメントの中心線を軸とする線対称になるように
   構成したことを特徴とする流速センサ。