(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の温度を検出する流体温度検出素子と、電圧印加により発熱する発熱体を含み基板に対して熱的に絶縁された抵抗素子とを流体の流れの方向に沿って前記基板に形成するとともに、前記流体温度検出素子及び前記抵抗素子の入出力用の接続パッドを前記基板に形成したセンサチップを保持し、自身は流路が形成された管路部材に取り付けられるステム本体を備え、前記ステム本体には、前記抵抗素子を前記流路に沿って位置させるとともに前記センサチップを前記流路の管壁の内周面と同等又はそれより外側に位置させる状態で前記管路部材によって位置決めされる位置決め部と、前記センサチップを前記流路の管壁の内周面と同等又はそれより外側に位置させて固定する固定部と、接続線により前記接続パッドに接続される一端が前記管路の前記管壁の内周面又はそれより外側に位置され他端が外部回路に接続されるリード端子とが設けられていることを特徴とするフローセンサ用ソリッドステム。
【請求項２】
前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように半径の中心を前記ステム本体の中心とする半径上に配列されて前記ステム本体に設けられている請求項1記載のフローセンサ用ソリッドステム。
【請求項３】
前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように前記ステム本体の両側に直線上に配列されて設けられている請求項1記載のフローセンサ用ソリッドステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサチップを流体の流路に配設する場合に用いるフローセンサ用ソリッドステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エアコン等の空調制御、ガス等の流体の漏れ検出、流体の流速或いは流量測定のためにフローセンサが用いられている。このフローセンサの原理は周知のように、基板の上に発熱体を含む抵抗素子を基板とは熱的に絶縁して形成したセンサチップを流体の流れの中に置き、流れる流体の流速の変化に対応する抵抗素子の出力を基に流体の流速、流量を測定するようにしている。
【０００３】
センサチップにはダイヤフラム型とマイクロブリッジ型とがある。ダイヤフラム型は、抵抗素子を基板と熱的に断熱するために、基板に空隙部を形成し、この空隙部により基板とは熱的に絶縁されたダイヤフラムを形成し、このダイヤフラムの上に各種の素子を形成した構成で、例えば、特開平９−５４１０９号公報に記載されたものが知られている。マイクロブリッジ型は、特開平７−１７４６００号公報に記載されたものが知られている。
【０００４】
以下、図９を参照してダイヤフラム型のセンサチップについて説明する。基板１０１の表面にはダイヤフラム部１０２が形成されている。そして、流体の流れの方向（矢印方向）に沿って、流体温度検出素子１０３、抵抗素子１０４，１０５，１０６、周囲温度検出素子１０７、各素子１０３ないし１０７を制御回路(図示せず)に接続するボンディングパッド１０８ないし１１４が形成されている。すなわち、流体温度検出素子１０３の両端はボンディングパッド１０８，１０９には接続され、抵抗素子１０４はボンディングパッド１１１，１１２に接続され、抵抗素子１０５はボンディングパッド１０９，１１０に接続され、抵抗素子１０６はボンディングパッド１１２，１１３に接続され、周囲温度検出素子１０７はボンディングパッド１１０，１１４に接続されている。１１５はダイヤフラム部１０２の下部に空隙部１１６を形成するための溝である。すなわち、溝１１５からエッチング液を注入し異方性エッチングにより空隙部１１６を形成する。
【０００５】
ここで、抵抗素子１０５は流体を暖める発熱体として機能し、抵抗素子１０４，１０６は測温抵抗素子として機能する。すなわち、発熱体としての抵抗素子１０５を加熱し、矢印方向から流体が流れるものとすると、上流側の抵抗素子１０４は流体の流れにより冷やされ、抵抗素子１０４から熱を奪った流体に触れる下流側の抵抗素子１０６は温度が上がる。このときの両者の温度差は抵抗値の変化として出力されるため、その出力をホイートストーンブリッジ回路に取り込み、抵抗値の変化を電圧に変換することで、その電圧に対応する流体の流速が測定される。
【０００６】
マイクロブリッジ型のセンサチップの構成については、基本が本発明の実施の形態と同等であるので、ここでは説明を省略する。
【０００７】
センサチップは上述した型式を問わず流体の流れの中に晒されるように支持される。例えば、特開平９−２１８２１７号公報に記載された発明によれば、図１０に示すようにセンサ用パッケージ２０１によりセンサチップ２０２が支持されている。センサ用パッケージ２０１は、円筒形状のケース２０３にガラス部材２０４を充填し、このガラス部材２０４にリードピン２０５を貫通させたもので、ケース２０３は下部のフランジ２０６が軸方向と回転方向との位置が規制されるようにセンサ取付板２０７に接着固定されている。センサチップ２０２はガラス部材２０４の端面に固定されている。リードピン２０５の一端はセンサチップ２０３のボンディングパッドにボンディングワイヤにより接続されている。ボンディングパッドは、図９に示すセンサチップの例においては、１０８ないし１１４に相当する。そして、センサ取付板２０７をフルイディック素子２０８にネジ２０９で固定することにより、センサチップ２０２がノズル（流路）２１０に晒されるように構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体を流体の流れの中に置くと、固体の表面では流体が完全に静止しているが、固体の表面から離れると流体の流速は急激に増加し、固体の表面から僅かに離れたところでは、その流体の流速と略同じになることが知られている。この固体の表面と、この表面から僅かに離れた位置であって流体の流速と略同速になるまでの位置との間の領域を速度境界層という。この速度境界層は二種類あって、層内に乱れがなく流れが層状をなしている層流境界層と、層内の大部分がじょう乱と呼ばれる不規則な渦で満たされる乱流境界層とがある。
【０００９】
図１０に示す状態は、センサチップ２０２とリードピン２０５がノズル（流路）２１０の管壁２１１から突出するため、これらのセンサチップ２０２及びリードピン２０５に流体が当たった点から流れの方向に向けて速度境界層が発達してゆくことになる。速度境界層が発達する初期は層流境界層であるが、その層の厚さがある値以上になると乱流境界層に変化する。この現象を遷移、遷移する点を遷移点という。
【００１０】
この遷移点の位置は、じょう乱の量や管壁２１１の粗さ、流れに沿う流体の圧力分布に関係することが知られているが、じょう乱の発生を防止することは極めて困難で、流体の流速、流量の測定に信頼性を欠く原因となる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、流体の温度を検出する流体温度検出素子と、電圧印加により発熱する発熱体を含み基板に対して熱的に絶縁された抵抗素子とを流体の流れの方向に沿って前記基板に形成するとともに、前記流体温度検出素子及び前記抵抗素子の入出力用の接続パッドを前記基板に形成したセンサチップを保持し、自身は流路が形成された管路部材に取り付けられるステム本体を備え、前記ステム本体には、前記抵抗素子を前記流路に沿って位置させるとともに前記センサチップを前記流路の管壁の内周面と同等又はそれより外側に位置させる状態で前記管路部材によって位置決めされる位置決め部と、前記センサチップを前記流路の管壁の内周面と同等又はそれより外側に位置させて固定する固定部と、接続線により前記接続パッドに接続される一端が前記管路の前記管壁の内周面又はそれより外側に位置され他端が外部回路に接続されるリード端子とが設けられている。
【００１２】
したがって、ステム本体を管路部材に取り付けた状態では、センサチップ上の流体温度検出素子及び抵抗素子が流体の流れに沿って配列される。また、センサチップ及びリード端子が管路の管壁より内方に突出しないため、じょう乱の発生が防止される。
【００１３】
請求項2記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように半径の中心を前記ステム本体の中心とする半径上に配列されて前記ステム本体に設けられている。
【００１４】
したがって、リード端子を抵抗素子から離して位置させ、その位置でリード端子と接続パッドとを接続線により接続することが可能となる。したがって、流体が接続線に当接して乱流境界層が発生したとしても、抵抗素子上の流れに与える影響は少ない。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように前記ステム本体の両側に直線上に配列されて設けられている。
【００１６】
したがって、リード端子を抵抗素子から離して位置させ、その位置でリード端子と接続パッドとを接続線により接続することが可能となる。したがって、流体が接続線に当接して乱流境界層が発生したとしても、抵抗素子上の流れに与える影響は少ない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の第一の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。まず、図１を参照して、センサチップの構造を製造工程とともに説明する。
【００１８】
第一工程では、図１（ａ）に示すように、基板としてのシリコンウエハ１は、後で行う異方性エッチング工程においてシリコンウエハ１が裏面からエッチングされるのを防ぐために、裏面にSiO2膜２が１μｍ程度形成されたものを用意する。そして、シリコンウエハ１の表面にTa2O5 等の絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は電子ビーム蒸着法又はスパッタリング法等により約１．５μｍ成膜する。
【００１９】
第二工程では、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜３の上に抵抗体膜４を成膜し、その上にエッチングマスクとしてTa2O5 膜５を形成する。抵抗体膜４はＰｔを電子ビーム蒸着法又はスパッタリング法により１２００Å程度の厚さに成膜する。Ta2O5 膜５の厚さは約１０００Åである。
【００２０】
第三工程では、図１（ｃ）に示すように抵抗体膜４及びTa2O5 膜５をパターン化する。具体的には、Ta2O5 膜５に対しフォトリソ、エッチングを行い、そのTa2O5 膜５をもって低抗体膜４のエッチングを行い、それぞれ抵抗素子としての対をなす二本の発熱体（Ｐｔ）６，７と、これらの発熱体６，７に連続するボンディングパッド（発熱パッド）６ａ，７ａと、シリコンウエハ１の角部に位置する流体温度検出素子としてのガス温度検出素子（Ｐｔ）８（図２参照）と、このガス温度検出素子８に連続するボンディングパッド（接続パッド）８ａ（図２参照）とのパターンを形成する。発熱体６，７とボンディングパッド６ａ，７ａとの接続パターン、ガス温度検出素子（Ｐｔ）８とボンディングパッド８ａとの接続パターンは図２に示す通りである。
【００２１】
第四工程では、図１（ｄ）に示すように、発熱体６，７、ボンディングパッド６ａ，７ａ、ガス温度検出素子（Ｐｔ）８、ボンディングパッド８ａを含めてシリコンウエハ１の表面にパッシベーション膜（保護膜）９を約２０００Åの厚さをもって成膜する。このパッシベーション膜９は、本実施の形態ではTa2O5 膜であるが、これに限られるものではなく、例えば、SiO2，Si3N4 AlN 等の膜であってもよい。特にAlN の場合、その熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高いので、パッシベーション膜９やその下層の絶縁膜３として優れたものとなる。
【００２２】
第五工程では、図１（ｅ）に示すように、パッシベーション膜９及び絶縁膜３をパターン加工する。すなわち、シリコンウエハ１の表面にフォトマスク（図示せず）を配置し、パッシベーション膜９及び絶縁膜３の所望の一部をエッチングすることにより、ボンディングパッド６ａ，７ａ，８ａの中央部を露出するとともに、シリコンウエハ１の表面の一部を露出する。
【００２３】
ここまでの工程により、シリコンウエハ１の表面には二組の薄膜センサ部Ｓが形成される。この二組の薄膜センサ部Ｓはシリコンウエハ１を切断することにより一つのセンサチップ単位に分離されるが、その切断については後で述べる。
【００２４】
第六工程では、図１（ｆ）に示すように、橋絡部（マイクロブリッジ）１１を残して凹部１０と、二つの薄膜センサ部Ｓの境界をなす分離溝１０ａとを形成する。この場合、前工程においてシリコンウエハ１上の絶縁膜３をエッチングにより除去した部分からシリコンウエハ１を異方性エッチングをすることにより、凹部１０と、分離溝１０ａと、シリコンウェハ１から熱的に絶縁された橋絡部１１とが形成される。この橋絡部１１は薄膜センサ部Ｓのうちの対をなす発熱体６，７とその下層の絶縁膜３とにより形成される。なお、異方性エッチングは、ＫＯＨ（水酸化ナトリウム）等のアルカリ溶液によるエッチング速度がシリコンウエハ１の結晶方向により異なる特徴をもって行う。エッチング液はＫＯＨ以外に、ヒドラジン、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）等を用いることが可能である。
【００２５】
第七工程では、図１（ｇ）に示すように、シリコンウエハ１を分離溝１０ａの部分で切断することにより複数のセンサチップ１２に分離する。この切断は例えばダイシングソーを用いて行う。
【００２６】
このようにして制作したセンサチップ１２の平面図を図２に示す。図３は図２におけるＡ−Ａ線部の断面図である。図２に示す矢印の方向を流量測定の対象となる流体の流れ方向とすると、このセンサチップ１２は、流体の流れに対してガス温度検出素子８が最上流側に、発熱体６がその下流側に、発熱体７が最下流側に位置するように配置して用いる。そのためのセンサチップ１２の支持構造を図４（ａ）（ｂ）及び図５に示す。
【００２７】
図４（ａ）はセンサチップ１２を支持するフローセンサ用ソリッドステム１３の平面図、同図（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線部の縦断側面図、図５は管路部材１４にフローセンサ用ソリッドステムを取り付けた状態を示す縦断側面図である。
【００２８】
フローセンサ用ソリッドステム１３は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、一端にフランジ１５が形成された円柱状のステム本体１６と、このステム本体１６の軸方向の中心に沿って形成された複数の貫通孔１７のそれぞれにガラス１８を介して封着されたピン状のリード端子１９とを有する。フランジ１５の一部には半径方向に突出する突部２０が形成され、ステム本体１６のフランジ１５とは反対側の端面には、センサチップ１２を定位置に接着等の手段により固定する凹部状の固定部２１が形成されている。そして、センサチップ１２のボンディングパッド６ａ，７ａ，８ａとリード端子１９との間が接続線としてのボンディングワイヤ（図示せず）によって接続されている。
【００２９】
図５に示すように、ステム本体１６は支持部材２２により支持され、この支持部材２２はネジ２３により管路部材１４に固定されている。管路部材１４には、流体を流す流路２４と、この流路２４に直交する状態で連通された円筒形状の通孔２５と、流路２４とは反対側の通孔２５の端部に拡開して形成された拡開凹部２６と、この拡開凹部２６を囲む環状凹部２７とが形成されている。この環状凹部２７にはＯリング２８が嵌合されている。ステム本体１６から突出するリード端子１９は支持部材２２に貫通され、その貫通部分は接着剤２９により封着されている。
【００３０】
この状態において、ステム本体１６のフランジ１５は拡開凹部２６に当接され、フランジ１５の突部２０（図４参照）は拡開凹部２６の一部に形成された係止凹部(図示せず)に係止されて回り止めされている。すなわち、フランジ１５は流路２４と直交する方向におけるステム本体１６の位置を決める位置決め部として機能し、突部２０はステム本体１６の回転方向の位置を決める位置決め部として機能する。したがって、ステム本体１６の固定部２１に固定されたセンサチップ１２は流路２４の管壁２４ａと一致する面又はその面より僅かに後退する位置に固定され、リード端子１９の一端はセンサチップ１２の表面と一致する面又はその面より僅かに後退する位置に保持されている。
【００３１】
図４における矢印は流体の流れる方向で、センサチップ１２を固定する固定部２１の向きは、ステム本体１６を回り止めするための突部２０の位置に合わせて形成されている。すなわち、ステム本体１６を管路部材１４に取り付けた状態では、センサチップ１２は流路２４の最上流側にガスス温度検出素子８が配置されるように構成されている。
【００３２】
さらに、リード端子１９は、図４（ａ）に示すように、流体の流れる方向（矢印方向）に沿ってステム本体１６の中心を通る直線を間にして両側に配置されている。この例では、リード端子１９は６本であるので、半径の中心をステム本体１６の中心とした円を８等分にし、流体の流れる方向における中心部を開放し、リード端子１９の間隔を４５度に定めてある。
【００３３】
このような構成において、発熱体６，７を周囲温度よりも高い温度になるように定電流を流しておき、矢印方向に気体が流れると、上流側の発熱体６は冷却され、下流側の発熱体７は温度が高くなる。この発熱体６，７の温度差を抵抗値変化の差、つまり定電流駆動における電圧変化の差として検出することにより、流体の流速（又は流量）を測定することができる。
【００３４】
この場合、流路２４に固定物が突出していると乱流境界層が発生することについては既に説明したが、例えば、図６（ｂ）に示すように、リード端子１９が流路２４の管壁２４ａから突出すると、上流側のリード端子１９に流体が当たった点から流れの方向に向けて速度境界層が発達してゆくことになる。速度境界層が発達する初期は層流境界層であるが、その層の厚さがある値以上になると、じょう乱と呼ばれる不規則な渦で満たされる乱流境界層に変化し、流速及び流量の測定値に信頼性を欠くことになる。
【００３５】
しかし、本実施の形態によれば、ステム本体１６を管路部材１４に取り付けた状態では、センサチップ１２及びリード端子１９が流路２４の管壁２４ａより流路２４内に突出しないため、図６（ａ）に示すように、上流側のリード端子１９に流体が当たった点から流れの方向に向けて速度境界層が発達しても、層流境界層までの状態を維持し、乱流境界層が発生するまでには至らない。
【００３６】
さらに、リード端子１９は流体の流れ方向に沿ってステム本体１６の中心を通る中心部を開放するように半径の中心をステム本体１６の中心とする半径上に配列されているので、リード端子１９を発熱体６，７から離して位置させ、その位置でリード端子１９とボンディングパッド６ａ，７ａ，８ａとをボンディングワイヤにより接続することができる。したがって、流路２４の両側において、流体がボンディングワイヤに当接して乱流境界層が発生したとしても、発熱体６，７上の流れに与える影響は少ない。これにより、流体の流速及び流量を精度よく測定することができる。
【００３７】
次に、管路部材１４の流路２４の中心部を開放しその中心部を間にしてリード端子１９を対向配置するための第二の形態、第三の形態について説明する。前実施の形態と同一部分については同一符号を用い説明も省略する。
【００３８】
図７は第二の形態におけるフローセンサ用ソリッドステム１３を示す平面図で、６本のリード端子１９は流体の流れる方向（矢印方向）に沿ってステム本体１６の中心を通る直線を間にして両側に平行に配置されている。
【００３９】
図８は第三の形態におけるフローセンサ用ソリッドステム１３を示す平面図で、６本のリード端子１９は流体の流れる方向（矢印方向）に沿ってステム本体１６の中心を通る直線を間にして両側に配置されている。この例では、流体の流れと直交する方向におけるリード端子リード端子１９の対向間隔が、下流に向かうに従い次第に小さくなるように定められている。
【００４０】
図７及び図８に示した構成においても、前実施の形態と同様に、リード端子１９を発熱体６，７から離して位置させ、その位置でリード端子１９とボンディングパッド６ａ，７ａ，８ａとをボンディングワイヤにより接続することができる。したがって、流路２４の両側において、流体がボンディングワイヤに当接して乱流境界層が発生したとしても、発熱体６，７上の流れに与える影響は少ない。これにより、流体の流速及び流量を精度よく測定することができる。
【００４１】
さらに、図８に示した構成の場合は、流体の流れと直交する方向におけるリード端子１９の対向間隔が、下流に向かうに従い次第に小さくなるように定められているため、上流側に位置するリード端子１９から下流側に位置するリード端子１９に向かって流体が流れるときに、流体の流れが絞られるため流体の流速が速められる。したがって、流体の流速及び流量の流れの検出の感度が向上する。
【００４２】
なお、これまでの実施の形態においては、マイクロブリッジ型のセンサチップ１２を用いて説明したが、本発明は、ダイヤフラム型のセンサチップを用いる場合にも適用可能である。また、抵抗素子として、流体の流れる方向に所定の間隔をおいて配置された二つの発熱体６，７を用いたが、流体の流れの中に一つの発熱体を抵抗素子として配置し、この一つの発熱体の温度変化に対応する出力により流体の流速を測定するように構成したセンサチップを用いる場合にも適用可能ある。さらに、流体の流れの中に、発熱体と、その上流側及び下流側に位置する測温抵抗素子とを抵抗素子として配置し、上流側の測温抵抗素子と下流側の測温抵抗素子との出力により流体の流速を測定するように構成したセンサチップを用いる場合にも適用可能である
【００４３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、ステム本体には、フローセンサ用ソリッドステムが、管路部材に位置決めされる位置決め部と、センサチップを流路の管壁の内周面と同等又はそれより外側に位置させて固定する固定部と、接続線によりセンサチップの接続パッドに接続される一端が管路の管壁の内周面又はそれより外側に位置され他端が外部回路に接続されるリード端子とを備えるので、ステム本体を管路部材に取り付けた状態では、センサチップ上の流体温度検出素子及び抵抗素子が流体の流れに沿って配列される。そして、センサチップ及びリード端子が管路の管壁より内方に突出しないため、じょう乱の発生を防止することができる。これにより、流体の流速及び流量を正確に測定することができる。
【００４４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように半径の中心を前記ステム本体の中心とする半径上に配列されて前記ステム本体に設けられているので、リード端子を抵抗素子から離して位置させ、その位置でリード接続とパッドとを接続線により接続することが可能となる。したがって、流体が接続線に当接して乱流境界層が発生したとしても、抵抗素子上の流れに与える影響は少ない。これにより、流体の流速及び流量をさらに正確に測定することができる。
【００４５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記リード端子は、流体の流れ方向に沿って前記ステム本体の中心を通る中心部を開放するように前記ステム本体の両側に直線上に配列されて設けられているので、リード端子を抵抗素子から離して位置させ、その位置でリード端子と接続パッドとを接続線により接続することが可能となる。したがって、流体が接続線に当接して乱流境界層が発生したとしても、抵抗素子上の流れに与える影響は少ない。これにより、流体の流速及び流量をさらに正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第一の形態におけるマイクロブリッジ型のセンサチップを製造工程とともに示す縦断側面図である。
【図２】マイクロブリッジ型のセンサチップの平面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線部の断面図である。
【図４】（ａ）はフローセンサ用ソリッドステムを示す平面図、（ｂ）はフローセンサ用ソリッドステムを示す縦断側面図である。
【図５】フローセンサ用ソリッドステムを管路部材に取り付けた状態を示す縦断側面図である。
【図６】流路での流体の流れの状態を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の第二の形態におけるフローセンサ用ソリッドステムを示す平面図である
【図８】本発明の実施の第三の形態におけるフローセンサ用ソリッドステムを示す平面図である。
【図９】ダイヤフラム型のセンサチップを示す平面図である。
【図１０】流路におけるセンサチップの支持状態を示す縦断側面図である。
【符号の説明】
１  基板
６，７  発熱体、抵抗素子
8  流体温度検出素子
６ａ，７ａ，８ａ  接続パッド
１２  センサチップ
１４  管路部材
１５  位置決め部
１６  ステム本体
１９  リード端子
２０  位置決め部
２１  固定部
２４  流路
２４ａ  管壁
【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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【図１０】
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