(57)【要約】【課題】流体温度と周囲温度とが異なる場合であっても充分な温度補正を行うことができるフローセンサを提供する。【解決手段】シリコン基板１１の表面側に流体の流れ方向の上流側Ｐと下流側Ｑとに位置する一対の温度センサ１４，１５が設けられ、シリコン基板１１の表面側に一対の温度センサ１４，１５の間に位置するマイクロヒータ１３が設けられ、流体と直接接しないようにシリコン基板１１に設けられた周囲温度測定用のリファレンス抵抗１６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面側に設けられて流体の流れ方向の上流側と下流側とに位置する一対の温度センサと、前記基体の表面側に設けられて前記一対の温度センサの間に位置するヒータと、前記流体と直接接しないように前記基体に設けられた周囲温度測定用の温度センサとを備えていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記周囲温度測定用の温度センサが、前記基体の裏面側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記基体の表面を覆う絶縁膜を有し、そして、
前記周囲温度測定用の温度センサが、前記基体と前記絶縁膜との間に介在するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項４】
前記基体の表面側に一対の温度センサ並びにこの一対の温度センサの間に位置するようにヒータをそれぞれ形成する導通線形成ステップと、前記流体と直接接しないように周囲温度測定用の温度センサを前記基体に形成する周囲温度センサ形成ステップとを備えていることを特徴とするフローセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内を流れるガスや水等の流体の流量を計測に用いられるフローセンサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、流路内を流れるガスや水等の流体の流量を計測する流量計測装置として、熱型のフローセンサを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この熱型のフローセンサは、流体の温度よりも高い温度を有するヒータを流量測定対象である流体の流れの中に設置し、ヒータによって加熱された流体の温度分布が流速の増加に伴って変化するという原理を利用したものである。
【０００４】
図６（Ａ），（Ｂ）は、従来の熱型のフローセンサの一例を示し、図６（Ａ）は従来のフローセンサの平面図、図６（Ｂ）は従来のフローセンサの断面図である。
【０００５】
図６（Ａ），（Ｂ）において、フローセンサ１００は、シリコン基体１０２の一面に凹状の空隙部１０２ａを形成し、この空隙部１０２ａを覆うようにしてシリコン基体１０２の一面に絶縁薄膜１０３を設け、この絶縁薄膜１０３の一部によって空隙部１０２ａの上に薄膜状のダイヤフラム１０３ａを形成している。このダイヤフラム１０３ａは空隙部１０２ａ内の空間（空気）によってシリコン基体１０２と断熱されている。
【０００６】
ダイヤフラム１０３ａの表面中央部にはヒータ１０４が設けられている。また、このヒータ１０４を挟んで対称な位置にそれぞれ測温体１０５，１０６が設けられている。さらに、ダイヤフラム１０３ａの外側における絶縁薄膜１０３の表面には、周囲温度測温用の抵抗体１０７が設けられている。そして、これらヒータ１０４、測温体１０５，１０６及び抵抗体１０７を覆うようにシリコン基体１０２は保護膜１０８で被覆されている。尚、図６（Ａ）において、符号１０４ａ，１０４ｂ、符号１０５ａ，１０５ｂ、符号１０６ａ，１０６ｂ、符号１０７ａ，１０７ｂは、それぞれ電源端子又は出力端子である。
【特許文献１】特開２００２−２０２１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の如く構成された流量計測装置のフローセンサ１００にあっては、周囲温度測温用の抵抗体１０７が測温体１０５，１０６と同一のシリコン基体１０２上に設けられていた。従って、シリコン基体１０２の温度検出用素子として機能する測温体１０５，１０６と周囲温度を測定する温度検出用素子としての抵抗体１０７とが同じ流路内に配置されることとなり、流体温度と周囲温度とが全く違う場合、温度補正が充分になされないという問題が生じていた。
【０００８】
よって本発明は、上述した問題点に鑑み、流体温度と周囲温度とが異なる場合であっても充分な温度補正を行うことができるフローセンサ及びその製造方法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】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載の流量計測装置は、基体の表面側に設けられて流体の通過方向上流側と下流側とに位置する一対の温度センサと、前記基体の表面側に設けられて前記一対の温度センサの間に位置するヒータと、流体と直接接しないように前記基体の裏面側に設けられた周囲温度測定用の温度センサとを備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のフローセンサにおいて、前記周囲温度測定用の温度センサが、前記基体の裏面側に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載のフローセンサにおいて、前記基体の表面を覆う絶縁膜を有し、そして、前記周囲温度測定用の温度センサが、前記基体と前記絶縁膜との間に介在するように設けられていることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項４記載の流量計測装置の製造方法は、前記基体の表面側に一対の温度センサ並びにこの一対の温度センサの間に位置するようにヒータをそれぞれ形成する導通線形成ステップと、前記流体と直接接しないように周囲温度測定用の温度センサを基体に形成する周囲温度センサ形成ステップとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように請求項１に記載した本発明のフローセンサによれば、流路に流れる流体の温度に関係なく正確に周囲温度（センサチップ等）の温度を検出することができるため、より高精度な流量を検出することができ、充分な温度補正を行うことができる。よって、流体温度と周囲温度とが異なる場合であっても充分な温度補正を行うことができるため、フローセンサを用いた流量計測の精度の向上に貢献することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、周囲温度測定用の温度センサを基体の裏面側に設けるようにしたことから、例えば、基体を固定するステムと基体との間等に周囲温度測定用の温度センサを設けることができるため、流体温度の影響を受けることなく、確実に周囲温度のみを検出することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、基体と該基体の表面を覆う絶縁膜との間に周囲温度測定用の温度センサを介在させるようにしたことから、製造効率を向上することができ、確実に周囲温度のみを検出することができる。
【００１６】
以上説明したように請求項４に記載した本発明の流量計測装置の製造方法によれば、基体の表面側に一対の温度センサ並びにこの一対の温度センサの間に位置するようにヒータをそれぞれ形成し、流体と直接接しないように周囲温度測定用の温度センサを基体の裏面側等に形成するようにしたことから、流路に流れる流体の温度に関係なく正確に周囲温度（センサチップ等）の温度を検出することができるため、より高精度な流量を検出することができ、充分な温度補正を行うことができる。よって、流体温度と周囲温度とが異なる場合であっても充分な温度補正を行うことができるため、フローセンサを用いた流量計測の精度の向上に貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の一実施形態に係るフローセンサを用いた流量計測装置について、図面を参照して以下に説明する。なお、図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る流量計測装置の概念図、図１（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る流量計測装置に用いられるフローセンサの概略断面図、図２は本発明の一実施形態に係る流量計測装置に用いられるフローセンサの平面図である。
【実施例１】
【００１８】
図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、流量計測装置は、ガスや水等の流体を搬送する流路Ｒ内に配置されたフローセンサ１０と、このフローセンサ１０への電源供給や温度信号制御等を行う制御部３０とを備えている。
【００１９】
フローセンサ１０は、シリコン基板（基体）１１と、シリコン基板１１の表面側、即ち、流路Ｒに直接接する面側に設けられてその一部にダイヤフラム１２ａを形成した絶縁薄膜１２と、ダイヤフラム１２ａ上に形成された白金（Ｐｔ）・パーマロイ（鉄）・ニッケル（Ｎｉ）等からなるヒータ１３と、ヒータ１３よりも流路Ｒの流体搬送方向上流Ｐ側に形成された温度センサとしての上流側サーモパイル１４と、ヒータ１３よりも流路Ｒの流体搬送方向下流Ｑ側に形成された温度センサとしての下流側サーモパイル１５と、シリコン基板１１の裏面側、即ち、流路Ｒに直接接しない面側に設けられた周囲温度測定用の温度センサとしてのリファレンス抵抗（又は測温ダイオード）１６とを備えている。
【００２０】
ヒータ１３は、図２に示すように、図示を略する電源から制御部３０によって電流制御された駆動電流を供給する電源端子１３Ａ，１３Ｂ及び電源端子１３Ｃ，１３Ｄとを備えている。
【００２１】
上流側サーモパイル１４並びに下流側サーモパイル１５は、それぞれ温度信号を制御部３０に出力するための出力端子１４Ａ，１４Ｂ及び出力端子１５Ａ，１５Ｂをそれぞれ備えている。
【００２２】
リファレンス抵抗１６は、周囲温度信号を制御部３０に出力するための出力端子１６Ａ，１６Ｂを備えている。
【００２３】
このような構成において、フローセンサ１０は、ヒータ１３に対して流体の搬送方向（上流Ｐ側から下流Ｑ側）に向けて略直交方向に配置され、流体の物性状態情報を検出する。この際、リファレンス抵抗１６は、ヒータ１３の発熱に伴う温度上方に影響を受けることなくシリコン基板１３の温度を周囲温度として制御部３０に出力することができる。
【００２４】
制御部３０は、その周囲温度よりも一定温度以上に上昇するようにヒータ１３を加熱制御する。
【００２５】
ヒータ１３が加熱を開始すると、ヒータ１３から発生した熱は、流路Ｒを流れる流体を媒体として、流体の熱拡散効果と上流Ｐ側から下流Ｑ側へと向かって流れる流体の流速との相乗効果によって、各サーモパイル１４，１５に伝達される。
【００２６】
即ち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル１４と下流側サーモパイル１５に均等に伝達され、上流側サーモパイル１４からの上流側温度信号と下流側サーモパイル１５からの下流側温度信号との温度差信号は零となる。
【００２７】
一方、流体に流速が発生すると、その流速によって下流側サーモパイル１５に伝達される熱量が多くなり、上流側サーモパイル１４に伝達される熱量は少なくなるため、下流側温度信号と上流側温度信号との温度差信号は流速に応じた値となる。
【００２８】
制御部３０は、上流側サーモパイル１４及び下流側サーモパイル１５から入力される上流側温度信号と下流側温度信号との差信号を、リファレンス抵抗１６から入力される周囲温度信号に基づいて補正を行い、その差信号に基づいて流体の流速を計測する。
【００２９】
以上説明したフローセンサ１０によれば、流路Ｒに流れる流体の温度に関係なく正確に周囲温度（センサチップ等）の温度を検出することができるため、より高精度な流量を検出することができ、充分な温度補正を行うことができる。よって、流体温度と周囲温度とが異なる場合であっても充分な温度補正を行うことができるため、フローセンサ１０を用いた流量計測の精度の向上に貢献することができる。
【００３０】
次に、このようなフローセンサ１０の製造方法の一例を図３乃至図５の図面に基づいて説明する。
【００３１】
図３及び図４は、本発明のフローセンサ１０の製造方法の一例を示し、図３（Ａ）〜図３（Ｈ）は、フローセンサ１０の製造工程を時系列で示した説明図、図４（Ａ）はフローセンサの製造工程途中における要部の斜視図、図４（Ｂ）は要部の拡大断面図である。
【００３２】
フローセンサ１０は、先ず所定形状及び大きさに形成されたシリコン基板１１（図３（Ａ）参照）の表面側に高濃度ｐ型シリコン（ｐ＋＋−Ｓｉ）等の伝導体からなる導通薄膜１７，１８を形成した後、その導通薄膜１７，１８を覆うように絶縁皮膜１２を形成する。また、シリコン基板１１の裏面に絶縁皮膜１９を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【００３３】
次に、絶縁皮膜１２に各サーモパイル１４，１５の出力端子１４Ａ，１４Ｂ及び出力端子１５Ａ，１５Ｂと導通薄膜１７，１８とが導通するように、絶縁薄膜１２の所定位置にコンタクトホール２０を形成する。また、絶縁皮膜１９の中央をエッチング処理する（図３（Ｃ）参照）。
【００３４】
さらに、絶縁皮膜１２の表面に、ヒータ１３、上流側サーモパイル１４、下流側サーモパイル１５を例えば白金等を用いて形成し（図３（Ｄ）参照）、エッチングされた絶縁皮膜１９の部分に対応するシリコン基板１１をエッチングして絶縁皮膜１２にダイヤフラム１２ａを形成する（図３（Ｅ）参照）。
【００３５】
また、本実施例では、エッチング処理を施したシリコン基板１１の表面に、図４に示す絶縁膜４０を形成しているが、図３ではその工程と絶縁膜４０を省略している。なお、該該絶縁膜４０は不要であれば、シリコン基板１１の表面に形成する必要はない。
【００３６】
次に、絶縁皮膜１９の表面（シリコン基板１１の裏面）にリファレンス抵抗１６を形成する（図３（Ｆ）参照）。この際、リファレンス抵抗１６の出力端子１６Ａ，１６Ｂは、図４に示すように、シリコン基板１１（絶縁膜４０の表面）からダイヤフラム１２ａに亘って形成され、そして、コンタクトホール１６Ｃ等を介して絶縁皮膜１２の表面側に設けられた導通皮膜２１と電気的に接続される。
【００３７】
さらに、シリコン基板１１の裏面側には、リファレンス抵抗１６を含めて絶縁皮膜１９を覆うように設けられた絶縁性接着剤２２を介してステム２３に固定され（図３（Ｇ）参照）、このステム２３に一端が固定されたピン２４を介して各電器接続体としてのヒータ１３、上流側サーモパイル１４、下流側サーモパイル１５、リファレンス抵抗１６がワイヤ２５，２６，２７によって接続される（図３（Ｈ）参照）。
【００３８】
このように実施例１のフローセンサ１０の製造方法によれば、所定形状に形成されたシリコン基板１１の表面側に導通薄膜１７，１８を形成した後にその導通薄膜１７，１８を覆うように絶縁皮膜１９を形成する表面側薄膜形成ステップと、前記シリコン基板１１の裏面に絶縁皮膜を形成する裏面側薄膜形成ステップと、前記シリコン基板１１の表面側に一対のサーモパイル１４，１５（温度センサ）並びにこの一対のサーモパイル１４，１５の間に位置するようにヒータ１３をそれぞれ形成する導通線形成ステップと、前記シリコン基板１１の裏面側を除去して前記表面側の絶縁皮膜１９の裏面にダイヤフラム１２ａを形成するダイヤフラム形成ステップと、前記シリコン基板１１の裏面側に周囲温度測定用のリファレンス抵抗１６（温度センサ）を形成する周囲温度センサ形成ステップとを備えている。
【実施例２】
【００３９】
上述した実施例１では、シリコン基板１１の裏面側にリファレンス抵抗１６を形成したフローセンサ１０の製造方法について説明したが、上述したリファレンス抵抗１６をシリコン基板１１と絶縁皮膜１２との間に介在させるフローセンサ１０の製造方法について説明する。
【００４０】
なお、フローセンサ１０は、上述した実施例１と同様に、シリコン基板（基体）１１と、ダイヤフラム１２ａを形成した絶縁薄膜１２と、ヒータ１３と、上流側サーモパイル１４と、下流側サーモパイル１５と、周囲温度測定用の温度センサとしてのリファレンス抵抗１６とを備えている。
【００４１】
このフローセンサ１０は、リファレンス抵抗１６以外の構成については、上述した実施例１と基本構成が同一となっている。そして、リファレンス抵抗１６は、シリコン基板１１と絶縁皮膜１２との間に介在するように設けられている。
【００４２】
図５は、本発明のフローセンサ１０の製造方法の一例を示し、図５（Ａ）〜図５（Ｇ）は、フローセンサ１０の製造工程を時系列で示した説明図である。
【００４３】
フローセンサ１０は、先ず所定形状及び大きさに形成されたシリコン基板１１（図５（Ａ）参照）の表面側に、リファレンス抵抗１６を形成すると同時に高濃度ｐ型シリコン（ｐ＋＋−Ｓｉ）等の伝導体からなる導通薄膜１７，１８を形成した後、その導通薄膜１７，１８を覆うように絶縁皮膜１２を形成する。また、シリコン基板１１の裏面に絶縁皮膜１９を形成する（図５（Ｂ）参照）。
【００４４】
次に、絶縁皮膜１２に各サーモパイル１４，１５の出力端子１４Ａ，１４Ｂ及び出力端子１５Ａ，１５Ｂと導通薄膜１７，１８とが導通するように、絶縁薄膜１２の所定位置にコンタクトホール２０を形成する。また、絶縁皮膜１９の中央をエッチング処理する（図５（Ｃ）参照）。
【００４５】
さらに、絶縁皮膜１２の表面に、ヒータ１３、上流側サーモパイル１４、下流側サーモパイル１５を例えば白金等を用いて形成し（図５（Ｄ）参照）、エッチングされた絶縁皮膜１９の部分に対応するシリコン基板１１をエッチングして絶縁皮膜１２にダイヤフラム１２ａを形成する（図５（Ｅ）参照）。
【００４６】
次に、シリコン基板１１の裏面側には、リファレンス抵抗１６を含めて絶縁皮膜１９を覆うように設けられた絶縁性接着剤２２を介してステム２３に固定され（図５（Ｆ）参照）、このステム２３に一端が固定されたピン２４を介して各電器接続体としてのヒータ１３、上流側サーモパイル１４、下流側サーモパイル１５、リファレンス抵抗１６がワイヤ２５，２６，２７によって接続される（図５（Ｇ）参照）。
【００４７】
このように実施例２のフローセンサ１０の製造方法によれば、所定形状に形成されたシリコン基板１１の表面側に周囲温度測定用のリファレンス抵抗１６（温度センサ）を形成する周囲温度センサ形成ステップと、該周囲温度測定用のリファレンス抵抗１６を覆うように前記シリコン基板１１の表面側に絶縁皮膜１２を形成する絶縁皮膜形成ステップと、該絶縁皮膜１２の表面側に一対のサーモパイル１４，１５（温度センサ）並びにこの一対のサーモパイル１４，１５の間に位置するようにヒータ１３をそれぞれ形成する導通線形成ステップと、前記シリコン基板１１の裏面側を除去して前記絶縁皮膜１２の裏面にダイヤフラム１２ａを形成するダイヤフラム形成ステップと、を備えている。
【００４８】
尚、このような製造方法によれば、基体は絶縁皮膜１２となるが、このような場合であっても、流路Ｒにリファレンス抵抗１６が直接露出した構成とはなっていないため、シリコン基板１１を含む周囲温度を効率よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施形態に係る流量計測装置の概念図、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る流量計測装置に用いられるフローセンサの概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る流量計測装置に用いられるフローセンサの平面図である。
【図３】本発明のフローセンサの製造方法の一例を示し、（Ａ）〜（Ｈ）は、フローセンサの製造工程を時系列で示した説明図である。
【図４】（Ａ）はフローセンサの製造工程途中における要部の斜視図、（Ｂ）は要部の拡大断面図である。
【図５】本発明のフローセンサの製造方法の一例を示し、（Ａ）〜（Ｇ）は、フローセンサの製造工程を時系列で示した説明図である。
【図６】従来の熱型のフローセンサの一例を示し、（Ａ）は従来のフローセンサの平面図、（Ｂ）は従来のフローセンサの断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０    フローセンサ
１１    シリコン基板（基体）
１２    絶縁薄膜（絶縁膜）
１２ａ    ダイヤフラム
１３    ヒータ
１４    上流側サーモパイル（温度センサ）
１５    下流側サーモパイル（温度センサ）
１６    リファレンス抵抗（周囲温度測定用の温度センサ）
【図１】
2007322320.tif 000003
【図２】
2007322320.tif 000004
【図３】
2007322320.tif 000005
【図４】
2007322320.tif 000006
【図５】
2007322320.tif 000007
【図６】
2007322320.tif 000008