JPH0795076B2 - 流速センサ - Google Patents

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。市販の空気の流れ速度センサは、一般的には、空気
の流れの中に挿入する長いプローブの先端に、１本の熱
線または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って引き起こさ
れる温度低下に伴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。

かかる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、破損や汚れを受けやすい。し
かも、この空冷による温度変化は全く直線性がないた
め、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。また、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、次のような市販の質
量流速センサがある。このセンサは、空気やその他の測
定ガスが通り抜ける金属管と、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る２つの大き
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り付けられる２つ
の熱電対から構成される。金属管を通しての空気の流れ
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目安となる。
これはかなり電力を必要とする大きな装置である。大き
なダクトの中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。従って、次のような特性を有
する流速センサもしくは質量流速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。すなわち、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、かつ、広い速度レンジにわたっ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
ようとして成された幾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
料か、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。

これらの試みは幾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多くの特性
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幅にこれらの要求を満足し、
技術的に優れている。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。

ヒュイジング（＊１）らが発明した流速センサは、シリ
コンチッ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つの温度検知素子と、これらの中心
に配置されシリコンチップを空気温度より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、チッ
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、０〜500cm/秒の速度範囲で
０〜0.2℃以下の温度変化に過ぎない。

＊１ J.H.Huijing,et al:IEEE Transactions on Elect
ron Devices,Vol.ED−29,No.1,pp.133−136,January,19
82 バップテン（＊２）らが発明した流速センサはシリコン
チップの向かい合う各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
ップは流れてくる空気の温度よりかなり熱せられる。抵
抗素子は電気的な２重ブリッジ回路で駆動される。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重ブリッジ回路は電気的にバランスする。空気
の流れがあると流れに対して垂直な上流および下流の抵
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。この温度差が２重ブリッジのバランスをくず
し、空気の流れ速度が測定される。

＊２ A.F.P.Van Putten,et al:Electronics Letters,V
ol.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つのセンサ
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、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 Bulle
tin,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、幅4
mm、最小板厚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を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。従って、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ので、
これらのセンサの温度の差が電圧の差をもたらし、流速
が測定される。

＊４ H.Rahnamai,et al:paper presented at the 1980
International Electron Devices Society of IEEE,Wa
shington D.C.,pp 680−684 December 8−10,1980 前述したように、これらの試みは幾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
る多くの特性に関して、いまだ不満足なものである。本
発明は、これらの要求を充分満足すべく技術を進歩させ
たものである。

本発明は単一の抵抗格子26と、これらを浮かして保持す
る基板20とから構成される。そしてこの抵抗格子は２つ
の電圧取り出し口を有し、２つの取り出し部分（熱感知
センサ部分）と非取り出し部分（中央部分）に区分さ
れ、２個の熱感知センサ部分は非取り出し部分の両側面
に対向して配置される。

本発明の具体的実施例として、基板20は半導体、その中
でも特に精密なエッチング技術を応用できる点と、チッ
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す単一の抵抗格子
26は薄膜のヒータのみならず、熱感知センサとして働
く。

この抵抗格子26としては、鉄とニッケルの合金、例え
ば、80％のニッケルと20％の鉄からなるパーマロイとい
ったものを使うことが適している。この抵抗格子26は、
例えば、窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層28、29によ
り包まれ、薄膜部材を形成する。第２図の実施例に示す
ように、センサは抵抗格子26Fを含む薄膜部材32Fから構
成され、幅150μ長さ400μの大きさを有する。

さらに、本発明で開示するセンサは、抵抗格子26を効果
的に包む空気スペース30を有する。この空気スペース30
はシリコンの表面36に微細構造をもって構成される。す
なわち、抵抗格子26は、厚さ約0.08〜0.12μ、線間約５
μ、線幅５μの線からなり、しかも、これらは全体の厚
さが約0.8μ以下になるように窒化シリコンの薄い膜に
より包まれるように構成される。そしてエッチングによ
り窪みである空気スペース30が薄膜部材32の下のシリコ
ンの基板20の中に125μの深さで正確に形成される。

薄膜部材32は、空気スペース30の１つまたはそれ以上の
エッジにおいて、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１図に示すように、薄膜部材32は
空気スペース30を架橋するようにあるいは第1A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を包む窒化シリコンの膜が極めて薄くかつ断熱性も
よいことから、抵抗格子26の中央部分から熱感知センサ
部分に伝わる熱のほとんどが抵抗格子26を取り囲む空気
を通して伝えられることになる。

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
づいて説明する。抵抗格子26は、基板20の温度より200
℃高い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殆ど同じものである。

具体的には、シリコンの基板20がTO−100タイプのメタ
ルヘッドもしくはサーディプパッ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℃高くなるにすぎ
ない。

また抵抗格子26の温度を流れる空気の温度より200℃高
く保つといっても0.001Wより小さい電力が要求されるに
過ぎない。

図示のように、熱感知センサ部分（取り出し口98−102
間および100−104間の部分）は抵抗格子26の中央部分に
対して正確に対称に配置されるので、空気の流速が０の
時にはこの２つのセンサの抵抗値に差は生じない。

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部分は抵抗格子26へ向かう空気の流
れにより熱が運び去られるので冷やされ、下流に位置す
る熱感知センサ部分は抵抗格子26からの空気の流れによ
って熱せれる。これにより生じる熱感知センサ部分の間
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。

抵抗格子26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与えられる熱的絶縁
性と、空気スペース30の存在により、その応答性は測定
結果によれば時定数が0.005秒と非常に速く、熱感知セ
ンサ部分は空気の流れの変化に非常に速く応答する。

本発明において、抵抗格子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、熱感知センサ部分の温度
変化は抵抗値の変化となり、電圧の変化として検知され
ることとなる。

第４図の回路は抵抗格子26の温度を制御するためのもの
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によってモ
ニタされる。比較抵抗38は抵抗格子26と同様に格子状の
パーマロイによって構成され、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いことから、これらの絶縁層の垂直
方向を通して、熱が出入りする。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が周りの温度より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。

換言すれば、比較抵抗38は、基板20の温度とほとんど一
致する流れる空気の温度を検知することになる。

第４図の温度制御回路は抵抗格子26の温度を比較抵抗38
により検出される周囲温度よりも高い一定温度に保ため
のホイートストンブリッジ回路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℃に設定される。ホイートストンブリッジ回路46
は、ヒータ26と抵抗40からなる一辺と、比較抵抗38と抵
抗42、44からなる他の一辺から構成されている。アンプ
48、50からなる積分回路は、出力の電位を変化させるこ
とでブリッジ回路46がバランスするように動作し、ヒー
タ26によって消費される電力を一定に保つ。

本発明に開示するセンサの特徴の１つとしては広いレン
ジの空気の流れ速度に対して、熱感知センサ部分の感知
する温度と差が大きくとれるように構成されている点が
挙げられる。この結果、流速測定の精度が著しく高めら
れ測定も容易となる。空気の流れで冷やされる上流に位
置する熱感知センサ部分と、中央部分からの熱により熱
せられる下流に位置する熱感知センサ部分という２つの
センサの出力を結び付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
付けて大きな温度差を得るためには、 （１）熱感知センサ部分を空気に対して比較的強く熱的
に結合させることが必要となる。

すなわち、熱感知センサ部分がシリコンの基板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32F、32Gを包む窒化シリコン膜の長手方向
に沿った方向の熱伝導率が比較的小さいということと、
薄膜部材32F、32G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によって可能となる。

（２）この実施例において空気の流れの上流に位置する
熱感知センサ部分を大きく冷やすことが必要となる。こ
れには抵抗格子26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の長手方向に沿った方向の熱伝導が小さいということ
によって可能となる。

（３）この実施例において空気の流れの下流に位置する
熱感知センサ部分を、中央部分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部分をシリコンの基板20か
ら熱的に絶縁することと、薄膜部材32F、32Gの長手に沿
った方向の熱伝導が小さいということと、抵抗格子26の
温度を高く設定することによって可能となる。

（４）熱感知センサ部分と、中央部分の間の距離を最適
な値に選択する必要がある。

第２図に示す実施例は、電圧取り出し口98、100を有す
る電気的抵抗性の格子26Fから構成され、この電圧取り
出し口は、全抵抗の各々の終端とにおける抵抗区間の電
圧の測定を可能としている。図示の電圧取り出し口98、
100は14本からなる格子の各々の両端の３本の格子線を
取り出しているが、これに限らず望む何本の格子線数を
取り出すことも可能である。更に、取り出し部分と非取
り出し部分（中央部分）との間隔も、図示の間隔から所
望の間隔に変更可能である。

図示のように、電気的抵抗性の格子26Fは、薄膜部材32F
の中央の面積のほとんどを占めている。格子26Fの格子
線は薄膜部材32の長手方向に対して平行に配置される。

格子26Fの全抵抗値は1510Ωで、電圧取り出し口98、100
は、全抵抗値の両終端とにより区切られる330Ωの抵抗
区間の測定を可能とならしめている。格子26Fを空気ス
ペース30の上に支持する薄膜部材32Fの大きさは、図示
の実施例においては、おおよそ幅150μ、長さ400μであ
る。パーマロイ板106と108は電気的に絶縁されていて、
薄膜部材32Fを強化するために使われている。

第３図に示す実施例においては、抵抗格子は薄膜部材の
長手方向に沿って配置されており、空気の流れも図示の
ように、典型的には、薄膜部材の長手方向に平行になる
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。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。

リード部102、104を第４図に示すような回路に接続する
ことで、格子26Fは、周囲より約200℃高い温度に自己加
熱される。

そのような温度においては、格子26Fの全抵抗値はおお
よそ2500Ωになる。空気の流れが、薄膜部材32Fの横方
向に向けられるため下流側よりも上流側をより冷やすこ
とになる。２つの電圧取り出し口区間が同一であるとす
るならば、空気の流れがないときは、電圧の差は０であ
る。空気の流れがあるときには、２つの電圧取り出し口
区間に温度差が生じるために抵抗値に差が生じ、電圧差
が発生する。この電圧差が空気の流れ速度に対応するセ
ンサの出力となる。

第３図に示す実施例は、抵抗性の格子26Gの格子線が薄
膜部材32Gの中心線に対して直交するように配置されて
いる点と、空気の流れが薄膜部材32Gの中心線に対して
平行に向けられている点を除けば、第２図の実施例と実
質的に同一のものである。第３図の実施例において格子
26Gの全抵抗値は1420Ωで、電圧取り出し口98G、100Gと
全抵抗の各終端との抵抗区間の抵抗値は420Ωである。
第２図と第３図の実施例の格子の全抵抗値は、典型的に
は、約25℃において、おおよそ500Ωから2000Ωの範囲
の値にある。全抵抗値の各終端とと電圧取り出し口との
抵抗区間の抵抗値は、典型的には、格子の全抵抗値のお
およそ20％から40％の範囲の値にある。この実施例に示
されたその他の値も一例に過ぎず、これに限定するもの
ではない。

第２図と第３図に示す２つの電圧取り出し口を有する単
一の抵抗素子は、２個の温度検知素子と１個のヒータ素
子を個別に形成したものに比し、端子数を４端子と少な
くでき、温度検知素子部分と中央のヒータ素子部分の間
の距離を最小にできるので、全体としてコンパクトにで
きる。従って、前者の６端子の場合に往々にして必要と
なる、例えば、温度検知素子とヒータ素子間の強化用パ
ーマロイ板やエッチング用開口部を設けないで済む。

尚、予備実験によれば、同じ流れ速度についてみるなら
ば、抵抗格子をチップの中心位置に配置させたものより
チップの端に配置させた方が出力は大きかった。そのた
め、空気スペース30の上流部分あるいは下流部分の側壁
が欠かれると、側壁により遮られないので、空気がより
流れやすくなる。どちらが欠かれてもチップの中心に配
置する配置例より出力特性は大きくなるのであるが、空
気スペースの上流部分の側壁を欠いた方が下流部分の側
壁を欠いたものよりもかなり大きな出力を示した。

これに替わる流速センサの構成としては、空気スペース
30を横切る１つあるいは複数の薄膜部材に設けられる、
２つの自己発熱性の抵抗素子を有するものが考えられ
る。ここで１つの抵抗素子は他の抵抗素子に対して下流
に置かれ、どちらの抵抗素子もヒータおよびセンサとし
て交互に働くように構成される。すなわち、上流の抵抗
素子が周囲に対して一定温度高くなるように熱せられる
と、下流の抵抗素子の温度が検出される。

次に、２つの抵抗素子はその機能を交代し、前にセンサ
として働いた抵抗素子は今度は周囲に対して一定温度高
くなるように熱せられ、ヒータとして働いた抵抗素子の
温度が検出される。

このように２つの抵抗素子は各々、自己発熱モードと温
度検出モードを交互に切り換えていく。すなわち、抵抗
素子が温度検出モードにあるときは、自らの発熱によっ
て熱せられることはなく、自己発熱モードにある他の抵
抗素子によって熱せられる。２つの抵抗素子がそれぞれ
交互に自己発熱モードで同じ温度に熱せられるようにさ
れているならば、空気の流れがないとき、温度検出モー
ドにおける各々の抵抗素子は、ほとんど同一の温度に熱
せられることになる。このように、空気の流れがないと
いう状態の下では、２つのパルス化された温度信号の差
はほとんど０になる。

そして空気の流れがあるときには、下流の抵抗素子は上
流の抵抗素子よりも熱せられることから、２つの抵抗素
子の温度信号に有意な差が生じ、その結果、流れ速度信
号が得られることになる。

他のこれに替わる速度センサの構成としては、空気スペ
ース30を横切る１つあるいは複数の薄膜部材に設けられ
る、３つの抵抗素子を有するものが考えられる。ここで
の中央の抵抗素子は自己発熱の温度パルスの増加と減少
が電流パルスの頂部と底部において熱的な平衡に近づく
ようなパルス幅と間隔を有する電流パルスによって発熱
されるよう構成される。典型的には、このパルス幅とパ
ルス間隔は著しく設定される。センサとして働く２つの
抵抗素子は、空気を介しての熱伝達により発熱パルスに
対応するものを感知する。

すなわち、先に述べたように空気の流れに影響されて、
発熱パルスはセンサ素子内に対応する発熱パルスを引き
起こす。抵抗素子をパルスで発熱させるための回路は、
一定の温度で発熱させるいわばDCモードに要求される回
路よりはかなり複雑となるが応用上いくつかの利点が得
られる。

たとえば、この構成の流速センサの出力は、実際上、２
つのセンサ素子によって感知される温度パルスに対応す
る電圧パルスを引き算することによって得られる。すな
わち、２つの交流パルスの差が出力されることになる。
このような交流成分の出力は、流速センサと信号処理回
路との間に電圧絶縁（直流的な絶縁）が要求されるよう
なときには、都合がよい。他の利点としては、センサと
して働く２つの抵抗素子の抵抗値のわずかな変化の違い
により引き起こされる流速測定の誤差を小さくすること
ができるという点がある。この抵抗値の変化の違いは、
例えば、センサの汚れとか酸化の違いにより引き起こさ
れる。２つのセンサの交流電圧の差をとることにより、
こういう誤差はなくすことはできないが小さくすること
はできる。なぜなら、差をとることによって、酸化とか
汚れとかによるセンサの抵抗値の変化は、抵抗値そのも
のの変化としてではなくて交流パルスのわずかな変化と
してとらえられるからである。

よって、出力の電圧誤差の大きさは、おおよそ、センサ
のパルス抵抗値に対する抵抗値の比と等しくなる因子ま
で減少させることができる。

パルスモードの使い方は応用上望ましいが、信号処理回
路が複雑になることから、本発明の実施例においては必
ずしも必要ではないし、典型的には用いられていない。
なお、パルスモードの動作でパルス的に熱するためにヒ
ューレッドパッカード社の3310というファンクションジ
ェネレータを用いた。そのような回路はシリコンの基板
20上、すなわち、領域116において集積化させることが
可能である。

本センサを製造するプロセスは、（100）の結晶面を有
するシリコンウェハーが用いられ、これの表面には窒化
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4000オングストロームの厚さであり、普通の低圧
ガス放電のスパッタリング技術により付着形成される。

次に、典型的には、80％のニッケルと20％の鉄からなる
パーマロイの一様な層を、800オングストロームの厚さ
をもって窒化シリコン膜上にスパッタリングにより付着
させる。

適当なフォトマスクとフォトレジストエッチング液を使
うことにより、第２図の26Fに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、スパッタに
より付着される。この層の厚さは、典型的には、4000オ
ングストロームで、抵抗素子を酸化から防ぐために形成
される。

薄膜部材32F、32Gを形成するために、開口部82F、82G
が、窒化シリコン幕を通して（100）結晶面のシリコン
表面までエッチングされる。開口部82F、82Gの大きさ
は、ほとんど設計上の選択事項である。破線114F、114G
が空気スペース30のおおよその形状を表している。

最後に、窒化シリコンを傷めない異方性のエッチング液
を使い制御された方法により薄膜部材32F、32Gの下のシ
リコンをエッチングする。エッチング液としては、KOH
とイソプロピルアルコールを混合したものが適してい
る。

空気スペースの傾斜面はエッ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、エッ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32F、32
G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、エッ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
素をドープしたエッチングを停止させるストップ層を用
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。エッ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の精度もしくは約２％で制御できる。

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性を
導き出すことになる。

第1A図に示されるような片持ちばりの薄膜部材の下や、
第１図に示されるような架橋する薄膜部材の下を有効的
に削り取るために、第３図に110として示される薄膜部
材32の直線エッジはシリコンの〔110〕結晶軸に対して
０でない或る角度112をもって配置される。（本発明に
おいては、薄膜部材の直線エッジもしくは軸を、シリコ
ンの〔110〕結晶軸に対して或る角度で配置するという
内容も含んでいるが、薄膜部材のエッジを直線に形成し
た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得る。しかしながら、これから
述べるように、薄膜部材の配置は、このアンダーカット
を最小時間で実現するような角度をもって配置され
る。） 角度112をほぼ45゜とすることによって、薄膜部材の下
を削り取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１図に示されるような両端が接
続しているブリッジ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
エッジをほぼ〔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ッジが〔11
0〕軸方向に配置されていると、この直線エッジに沿っ
てさらされる（111）結晶面に対して、異方性のエッチ
ング液が削り取っ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、平坦にすることになる。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。

第１図および第1A図には、第４図の回路の集積化のため
の領域116も示されている。図示の実施例において、薄
膜部材の典型的な大きさは、幅127μ〜178μ、長さ254
μ〜508μ、厚さ0.8μ〜1.2μである。典型的にはパー
マロイからなる抵抗格子26、比較抵抗38はおおよそ800
オングストローム（典型的には800〜1600オングストロ
ームの間にある）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倍の値に増大する。パーマロイ格
子の線幅は約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20
0μである。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。

実測では自定数は0.005秒であった。

従って、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
も可能である。

抵抗格子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で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可能である。

25℃において600〜1000Ωの間の抵抗を有する抵抗格子
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。また、本実施例において、パーマロイの抵抗
素子の抵抗値を600〜1000Ωの間に選択したのは、エレ
クトロマイグレーショ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ョンとは、電
流密度がある臨界値を越える時、物質の移動によって引
き起こされる導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のオーダであり、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600〜1000
Ω、線幅は５μ、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
ショ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600〜1000Ω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、
より高い抵抗値のセンサを用いれば、シリコンチップ上
のリード部に関係する抵抗値の違いといった望ましくな
い影響も減らすことができる。さらに、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
正確に得るためには、より高い抵抗を使うことが必要と
なってくる。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った望まし
くない影響を大きくしてしまう。

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っている。

多くの計画中の応用に関しても、本発明の望ましい素子
は、前述したように、パーマロイの抵抗素子である。薄
膜部材32F、32G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、40
0℃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℃において約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、パーマロイは白金のおおよそ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800〜1600
オングストロームの厚さで最大となるが、白金は少なく
とも3500オングストロームの厚さになる。

パーマロイの抵抗温度係数はおおよそ1600オングストロ
ームの厚さで最大となるが、本発明で800オングストロ
ームを選んだのは、抵抗値が２倍になる点と、抵抗温度
係数も1600オングストロームの値からわずかに小さいに
過ぎないからである。従って、800オングストロームの
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。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。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。

さらに、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、エッチングに対して高い抵抗性を
有しているので、薄膜部材32F、32Gの寸法を精度よくコ
ントロールすることもできる。さらに、この窒化シリコ
ンの有しているエッチングに対して高い抵抗性の特性か
ら、空気スペース30の深さをエッチングにより25〜250
μといったように深くできる。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兼ね合いから、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
要なエッ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。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、人工的なエッチン
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、最小時間で削り取ることができる。

さらに、異方性のエッチングを用いることで25〜250μ
といっ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、薄いフィルム状の熱電対や、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
を持つ金属膜があるであろう。注意しなければいけない
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、本発明は他の多くのガ
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、1A、２、３図には、本発明の実施例を、第４図に
は、本発明に使う回路例を示す。 20……基板 26、26F、26G……抵抗格子 28、29……絶縁層 30……空気スペース 32、32F、32G……薄膜部材 38……比較抵抗素子 116……集積回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】全抵抗値を有する薄膜の単一の抵抗素子
   と、半導体基板からなる流速センサであって、この単一
   の抵抗素子は２つの電圧取り出し口を有し、上記各電圧
   取り出し口は全抵抗値の各終端との間で区切られるセン
   サ抵抗区間の電圧の測定を可能とならしめ、かつ、上記
   センサ抵抗区間を上記センサ抵抗区間を除いた上記抵抗
   素子の対向する両側面に配置せしめるとともに、上記半
   導体基板は、単一の抵抗素子の殆ど大部分を上記半導体
   基板と非接触な状態に保持し、更に、単一の抵抗素子
   は、各電圧取り出し口と全抵抗値の各終端との間で区切
   られた２つのセンサ抵抗区間が温度検知素子として働
   き、これらの温度検知素子部分を除いた中央の抵抗区間
   はヒータ素子として働くように用いられることを特徴と
   する流速センサ。
2. 【請求項２】最上表面に形成される空気スペースを有す
   る半導体基板と、少なくともその一端がこの半導体基板
   に保持された上記空気スペースを横切る１つあるいは複
   数の薄膜部材に設けられて成る２つの自己発熱性の抵抗
   素子と、この２つの抵抗素子を、一方がヒータとして働
   くときは他方がセンサとして働くように交互に自己発熱
   モードと温度検出モードに切替え、自己発熱モードにあ
   るときの素子を周囲に対して一定温度高くなるように動
   作させ、温度検出モードにある素子の方から交互にパル
   ス化された温度信号を差を取り出す回路手段とからな
   り、上記２つの抵抗素子は、被測定流体の流れの上流と
   下流に位置するように近接して平置されてなることを特
   徴とする流速センサ。