(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）に、配線パターンで形成された発熱体（３）を設けて、流体の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、
前記発熱体（３）の配線パターンには前記発熱体（３）に電流を流すための２つの電流端子（８、９）が設けられ、前記２つの電流端子（８、９）の間の前記配線パターンには電圧測定端子（１０）が接続されており、
前記２つの電流端子（８、９）の間に通電することで前記発熱体（３）を発熱させ、前記２つの電流端子（８、９）のうちの一方の電流端子（８）と前記電圧測定端子（１０）との間の電圧により前記発熱体（３）の一部の領域の電圧を測定し、この測定された前記発熱体（３）の前記一部の領域の電圧と前記発熱体（３）に流れる電流から前記発熱体（３）の前記一部の領域の抵抗値を求め、この抵抗値に基づいて前記流体の流量を検出するようにしたことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記発熱体（３）は、前記発熱体（３）の前記一部の領域が前記２つの電流端子（８、９）のうちの他方の電流端子（９）と前記電圧測定端子（１０）の間の他の領域に比べて発熱量が大きくなる形状になっ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】
基板（１）に、配線パターンで形成された発熱体（３）を設けて、流体の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、
前記発熱体（３）の一部の領域の電圧と前記発熱体（３）に流れる電流から前記発熱体（３）の前記一部の領域の抵抗値を求め、この抵抗値に基づいて前記流体の流量を検出するようになっており、
前記発熱体（３）は、前記発熱体（３）の前記一部の領域が他の領域に比べて発熱量が大きくなる形状になっていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項４】
前記発熱体（３）の前記一部の領域が前記他の領域に比べて配線幅が細くなっていることを特徴とする請求項２または３に記載のフローセンサ。
【請求項５】
前記発熱体（３）の前記一部の領域が前記他の領域に比べて配線間隔が狭くなっていることを特徴とする請求項２または３に記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記発熱体（３）の前記一部の領域は、前記流体の流れ方向の上流側の領域であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のフローセンサ。
【請求項７】
前記発熱体（３）の前記一部の領域は、前記流体の流れ方向の下流側の領域であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のフローセンサ。
【請求項８】
前記発熱体（３）の前記一部の領域は、前記流体の流れ方向の上流側と下流側の領域であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のフローセンサ。
【請求項９】
前記基板（１）の空洞部（７）上に形成されたダイアフラム（２）に前記発熱体（３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のフローセンサ。
【請求項１０】
前記発熱体（３）の配線パターンは、前記流体の流れと直交する方向に連続して折り返した形状となっており、その折り返し部分は、曲線形状になっていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を検出するフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、感熱式フローセンサとして、半導体基板に形成された空洞部の上部にヒータを設け、このヒータが流体により冷却されることによって流体の流量を測定する方式が提案されている（特公平６−４３９０６号公報、特開平７−１７４６００号公報、特開平９−２４３４２３号公報等参照）。
【０００３】
感熱式フローセンサにおける従来例の１つを、図８に示す斜視図および図９に示す平面図を用いて説明する。
【０００４】
単結晶シリコン等で形成された半導体基板１に空洞部７が形成され、この空洞部７を橋架するように電気的絶縁膜でダイアフラム２が作られている。ダイアフラム２には、中央に発熱体をなすヒータ３が形成され、その両脇に測温体５、６が形成されている。これらヒータ３および測温体５、６としては、Ｐｔ（白金）などの金属膜が使用されている。一方、流れの上流側の半導体基板１上には流体温度計４が形成されている。この流体温度計４は、金属配線で構成されており、その抵抗値変動から温度が測定される。
【０００５】
このような感熱式センサでは、流体温度計４から得られる流体温度よりも一定温度高い温度になるようにヒータ３を加熱駆動する。流体が流れることにより、上流側に配置されている上流測温体５は熱を奪われて温度が下がり、下流側に配置されている下流測温体６はヒータ３から熱が運ばれて温度が上昇し、この上流測温体５と下流測温体６との温度差から流体の流速が計測される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のものでは、ヒータとは別に１つ以上の測温体を設ける必要がある。
【０００７】
本発明は、上記したようなフローセンサにおいて、ヒータと別に測温体を設けることなく、流量検出を行うことができる、新規な構成のフローセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１、３に記載の発明では、発熱体（３）の一部の領域の電圧と発熱体（３）に流れる電流から発熱体（３）の一部の領域の抵抗値を求め、この抵抗値に基づいて流体の流量を検出するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
このように発熱体（３）の一部の温度を利用することにより、測温体を別に設けなくても流量検出を行うことができる。
【００１０】
この場合、具体的には、請求項１に記載の発明のように、発熱体（３）の配線パターンには発熱体（３）に電流を流すための２つの電流端子（８、９）が設けられ、２つの電流端子（８、９）の間の配線パターンには電圧測定端子（１０）が接続されており、２つの電流端子（８、９）の間に通電することで発熱体（３）を発熱させ、２つの電流端子（８、９）のうちの一方の電流端子（８）と電圧測定端子（１０）との間の電圧により発熱体（３）の一部の領域の電圧を測定し、この測定された発熱体（３）の一部の領域の電圧と発熱体（３）に流れる電流から発熱体（３）の一部の領域の抵抗値を求め、この抵抗値に基づいて流体の流量を検出するようにした構成とすることができる。
【００１１】
また、上記した発熱体（３）の一部の領域としては、請求項６に記載の発明のように、流体の流れ方向の上流側の領域、あるいは請求項７に記載の発明のように、流体の流れ方向の下流側の領域、あるいは請求項８に記載の発明のように、流体の流れ方向の上流側と下流側の領域とすることができる。
【００１２】
また、発熱体（３）としては、請求項９に記載の発明のように、基板（１）の空洞部（７）上に形成されたダイアフラム（２）に設けられたものとするのが好ましい。
【００１３】
また、請求項２、３に記載の発明のように、発熱体（３）の一部の領域の発熱量を他の領域に比べて大きくするようにすれば、発熱体（３）における測定領域の温度の変化が大きくなるため、検出精度を高めることができる。この場合、具体的には、請求項４に記載の発明のように、発熱体（３）の一部の領域の配線幅を他の領域に比べて細くする、あるいは請求項５に記載の発明のように、発熱体（３）の一部の領域の配線間隔を他の領域に比べて狭くすることにより、発熱体（３）の一部の領域の発熱量を他の領域に比べて大きくすることができる。
【００１４】
また、請求項１０に記載の発明のように、発熱体（３）における折り返し部分を曲線形状にすれば、折り返し部分での電力集中と、その結果生ずるマイグレーション現象を緩和し、断線に対する信頼性を確保することができる。
【００１５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態にかかる感熱式フローセンサの平面図を示す。図８、図９に示した従来例と同一または均等の部分には、同一の符号を付し説明を省略する。
【００１７】
図１において、半導体基板１の一面側の中央部には、この半導体基板１に対し空洞部７を介して熱的に絶縁された薄膜構造からなるダイアフラム２が形成されている。このダイアフラム２には、中央部にヒータ３が形成されている。ヒータ３の配線パターンは、流体の流れに直交する方向が長手方向の直線部分となるように連続して折り返した形状となっている。また、このヒータ３には、ヒータ３に電流を流すための電流端子８、９およびヒータ３の上流側の一部の領域の電圧を検出するための電圧測定端子１０が設けられている。
【００１８】
このフローセンサの動作を説明する。ヒータ３は、流体温度計４によって検出された流体温度よりも一定温度高い温度になるように、図示しない制御回路によって通電制御される。ここで、ヒータ３の温度というのは、あくまでヒータ３の平均温度である。つまり、ヒータ３の周りに流れが存在する時、ヒータ３には流れ方向の温度分布が形成される。すなわち、図１中の白抜き矢印の方向（順流）に流体が流れると、ヒータ３の上流側では温度が低く、下流側では温度が高くなる。これは、ヒータ３上を流れる流体の温度が上流側から下流側に行くにしたがい、ヒータ３からの受熱により高くなることに起因する。この温度分布は、流量に対応しているため、ヒータ３の一部の領域の温度から流量を求めることができる。
【００１９】
そこで、この実施形態においては、ヒータ３の上流側の一部の領域の電圧、つまり電流端子８と電圧測定端子１０間の電圧を測定する。そして、この測定された電圧と、図示しない制御回路によってヒータ３に流す電流とから、電流端子８と電圧測定端子１０間の抵抗値を求め、この抵抗値から流体の流量を検出する。なお、上記した電圧の測定から流量を検出するまでの処理は、図示しない検出回路によって行われる。
【００２０】
なお、ヒータ３の一部の領域の温度から流量を検出する場合、その一部の領域は、上記したような上流側のみに限らず、ヒータ３の下流側のみとしてもよい。さらに、精度を高めるために、上流側、下流側のそれぞれの領域の温度から流量を検出するようにしてもよい。
【００２１】
また、ヒータ３のサイズは、図１に示すような折り返しパターンとした場合、折り返し回数を多くして流れ方向の寸法を大くした方が上述の温度分布がつきやすいため、検出精度が向上する。その際、ヒータ３の配線幅を一定にして折り返し数を増加させると、ヒータ３の全抵抗値が高くなる。制御回路とのマッチングを行う上で抵抗値に制限が生じる場合には、ヒータ３の配線幅を増加させるなどの対処を行うのが有効である。
【００２２】
また、ヒータ３の電圧を測定する領域（以下、測定領域という）としては、ヒータ３を折り返しパターンとする限り、上流側あるいは下流側の最端部のみの端子間電圧を測定するのが精度に優れる。なぜなら、ヒータ３の内部まで測定範囲を広げれば、測定領域の温度が平均化されてしまうからである。しかしながら、検出回路とのマッチングにより適当な端子間抵抗値になる領域まで広げることが可能である。
【００２３】
次に、逆流検出について説明する。一般に、ヒータと別体に測温体を設ける方式では、図８、図９で示したように、ヒータ３の上流側と下流側の双方に測温体５、６を設ける必要がある。これは、測温体をいずれか一方のみ、例えば上流側の測温体５のみにすると、順流の場合には、流量が増加するに従い、冷却効果によって測温体５の温度は無風状態から徐々に低下していき、逆流の場合には、流体を通じて熱伝達より冷却効果の方が強まり、徐々に測温体５の温度が低下していき、図２に示すように、測温体５の温度と流量が１体１に対応しない、すなわち２値を示す領域が存在し、順流、逆流の判別ができなくなるからである。測温体を下流側の測温体６のみにした場合も同様である。
【００２４】
これに対し、この実施形態のように、ヒータ３自体の温度を検出するようにした場合には、上記したような２値の問題は本質的に発生しない。流れが無い時、つまり無風状態の時、ヒータ３には基本的に温度分布が存在しない。順流が流れる時、平均温度が一定になるように制御されることから、流れ方向の中心部がほぼ一定温度になる。したがって、上流部は無風状態より温度が低下する。流量が大きくなるほど温度分布は大きくなるため、上流側の温度は低くなる。逆流が流れる場合には、全く逆で流量が大きくなるほど無風時より温度が高くなる。従って、２値の問題は発生せず、順流、逆流の検出を行うことができる。
【００２５】
また、図８、図９で示したように、ヒータ３の上流側と下流側の双方に測温体５、６を設けた場合には、上流測温体５と下流測温体６の検出温度は、図３（ａ）示すように流速に応じて変化する。このため、測温体５、６の温度差は、図３（ｂ）に示すように、低流量域では直線性が良いが、高流量域では直線性が悪化するという問題が生じる。これは、ダイアフラム２の熱容量が極めて小さいために、上流測温体５は流速が増すと流体温度程度まで冷却されて流速に対して変化しなくなり、下流測温体６は流れによるヒータ３からの加熱よりも流れによる冷却が強まり、結果として温度差が生じなくなってしまうためである。
【００２６】
これに対し、この実施形態では、ヒータ３自体の温度を検出するようにしているため、そのような問題は生じず、高流量域においても精度よく検出を行うことができる。
【００２７】
さらに、測温体を別に設ける方式では、流量の変化に対して、構成部材の熱伝導、流体の熱伝達を介した伝熱現象を利用するため、応答性の遅れが問題になるが、この実施形態では、ヒータ３の温度を直接測定するため、応答性に優れる。もちろん、ヒータと測温体を積層した場合のような複雑な構造ではないため、熱ストレスに対しても本質的に強いという効果もある。
【００２８】
次に、図１に示すフローセンサの製造方法について、図４に示す工程図を参照して説明する。
［図４（ａ）の工程］
まず、半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用い、その上に下部膜１１を形成する。この下部膜１１は、Ｓｉ3Ｎ4膜とＳｉＯ2膜とを組み合わせた２層の絶縁膜となっており、圧縮応力膜と引っ張り応力膜の組み合わせによって下部膜１１に生じる応力を緩和するようにしている。この後、ヒータ３、流体温度膜４を構成する膜として、Ｐｔ膜を真空蒸着機により２００℃で２０００Å堆積させる。そのとき、接着層としてＴｉ層をＰｔ膜と下部膜１１の間に５０Å堆積させる。そして、エッチングにより、ヒータ３、流体温度計４の形状にパターニングする。このパターニングにより、ヒータ３の電流端子８、９および電圧測定端子１０など（図では電極取り出し部１２として図示する）も同時に形成される。
［図４（ｂ）の工程］
下部膜１１と同様に、Ｓｉ3Ｎ4膜とＳｉＯ2膜からなる２層膜の上部膜１３を形成する。ここで、ヒータ３を膜構造のほぼ膜中心に配置し、かつ上部膜１３および下部膜１１における膜構成をヒータ３を中心として対称に配置することで、温度変化しても反り変動が生じず、熱ストレスに対して強い構造が形成できる。そして、空洞部７を形成する領域、およびヒータ３、流体温度計４の電極取り出し部１２をエッチングにより開口する。
［図４（ｃ）の工程］
全面に５０００ÅのＡｕを蒸着した後、エッチングを行い、電極取り出し部１２を覆うようにエッチング保護膜１４を形成する。このエッチング保護膜１４は、次工程で用いるＳｉエッチング溶液に対して電極取り出し部１２を保護し、かつ外部配線としてＡｕ線を用いた場合にそれとの密着性を高めるために用いられる。
［図４（ｄ）の工程］
ＴＭＡＨ溶液によって表面側からシリコンの異方性エッチングを行い、空洞部７を形成する。
【００２９】
以上のようにして図１に示すフローセンサを製造することができる。
【００３０】
上記した製造方法において、ヒータ３、流体温度計４を形成する膜としては、Ｐｔ膜以外に、ポリシリコン、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどを用いることができる。また、下部膜１１、上部膜１３としては、ヒータ３等を保護できるものであれば、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＭｇＯ膜などの、単一膜あるいは多層膜を用いることができる。また、エッチング保護膜１４は、露出した電極取り出し部１２がエッチング溶液に対して耐性があればなくてもよく、またＡｕ以外の材料でもエッチング耐性があり、接続配線と接着できる材料であれば他のものでもよい。また、空洞部７を形成するためのエッチングは、空洞部７が形成できれば、ＴＭＡＨ溶液による異方性エッチング以外のものを用いてもよい。
【００３１】
なお、上記した実施形態のように、ヒータ３の一部の領域の温度から流量を検出する場合、ヒータ３の設定温度が高いほどヒータ３の面内温度分布が大きくなり、また流れによる測定領域の温度の変化が大きくなるため、測定精度が高くなる。しかし、ヒータ３の温度を高くするために単純にヒータ３に流れる電流を大きくすると、消費電力の増大というデメリットが生じる。
【００３２】
そこで、測定領域のみ局所的に発熱量を大きくするのが好ましい。例えば、図５に示すように、上流側の最端部３ａの配線幅を細くし局所的に抵抗値を高くする、あるいは図６に示すように、上流側の領域３ｂの配線間隔を狭くし発熱密度を高くする。このようにすれば、ヒータ３の消費電力を増大させることなくヒータ３の測定領域のみ温度を高くすることができる。なお、図５、図６では、測定領域をヒータ３の上流側にする場合について示したが、ヒータ３の下流側あるいは上流側と下流側の双方にした場合にも、同様な効果を奏する。
【００３３】
また、ヒータ３の配線パターンが折り返す部分について、その形状を曲線、好ましくは図７に示すように、折り返し部分の配線形状を一定曲率の半円状にしてもよい。通常、このような折り返し部分は長期間通電することでマイグレーション（拡散）を起こし、断線等を誘起しやすいが、折り返し部分の配線形状を曲線、好ましくは図７に示すような一定曲率の半円状にすることで、折り返し部分での電力集中とその結果生ずるマイグレーション現象を緩和し、断線に対する信頼性を確保することができる。
【００３４】
また、上記した実施形態では、空洞部７を半導体基板１の一面側に形成するものを示したが、半導体基板１の裏面側に空洞部を形成して、その上に薄膜構造部からなるダイアフラムを形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる感熱式フローセンサの平面図である。
【図２】ヒータの上流側にのみ測温体を設けた場合の、測温体の温度と流量との関係を示す図である。
【図３】ヒータの上流側および下流側に測温体を設けた場合の、流体の流速に対する測温体の温度およびその温度差の変化を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるフローセンサの製造方法を示す工程図である。
【図５】ヒータ３の上流側の最端部の配線幅を細くし局所的に抵抗を高くした実施形態を示す図である。
【図６】ヒータ３の上流側の領域の配線間隔を狭くし発熱密度を高くした実施形態を示す図である。
【図７】ヒータ３の折り返し部分の配線形状を一定曲率の半円状にした実施形態を示す図である。
【図８】従来の感熱式フローセンサの斜視図である。
【図９】従来の感熱式フローセンサの平面図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…ダイアフラム、３…ヒータ、４…流体温度計、
７…空洞部、８、９…電流端子、１０…電圧測定端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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