JP2001249040A

JP2001249040A - 流体検知センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001249040A
Application number: JP2000060645A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fujiwara; 剛史藤原; Akira Sasaki; 昌佐々木; Kenichi Nakamura; 健一中村; Norihiro Konda; 徳大根田
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス等の流体の流量を検出するための流体検
知センサ（ガスフローセンサ）において、ヒータの抵抗
値を小さくして発熱を大きくすると共にサーモパイルの
ゼーベック係数を高くし、流体検知センサの感度を向上
させる。【解決手段】薄膜状のブリッジ部３５の上面にポリシ
リコンからなるヒータ３６を設け、その両側にサーモパ
イル３７、３８を配置する。このサーモパイル３７、３
８はポリシリコンとアルミニウムの細線によって構成さ
れている。ここで、ヒータ３６とサーモパイル３７、３
８のポリシリコン細線４１には、Ｐ（燐）がイオン注入
等によってドーピングされており、ヒータ３６のドーピ
ング量がポリシリコン細線４１よりも大きくなってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体検知センサ及
びその製造方法に関し、特に、ヒーターのような発熱体
とサーモパイルのような測温体とを備え、測温体の検出
温度の変化によって流体の有無または流体流量を検出す
る流体検知センサとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来構造の流体検知センサ１を図１及び
図２に示す。ここで、図２は図１のＡ−Ａ線断面を表し
ている。ただし、図１ではヒーターやサーモパイル等を
露出させた状態で表しており、図２ではその上を保護膜
１０等で覆った状態で表している。この流体検知センサ
１にあっては、シリコン基板２の上面に凹状の空隙部３
を形成し、この空隙部３を覆うようにしてシリコン基板
２の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜４の一部に
よって空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５を形成して
いる。このブリッジ部５は空隙部３内の空間（空気）に
よってシリコン基板２と断熱されている。ブリッジ部５
の表面においては、その中央部にヒータ６を設け、ヒー
タ６を挟んで対称な位置（上流側と下流側）にそれぞれ
測温体としてサーモパイル７、８を設けている。また、
ヒータ６及びサーモパイル７、８を覆うようにしてシリ
コン基板２の上を保護膜１０で被覆している。

【０００３】上記サーモパイル７、８はＢｉＳｂ／Ｓｂ
からなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部５
の縁を横切るようにしてＢｉＳｂからなる第１の細線１
１とＳｂからなる第２の細線１２が交互に配線され、ブ
リッジ部５内における第１の細線１１と第２の細線１２
の接続点によって温接点１３の群が構成され、ブリッジ
部５外における第１の細線１１と第２の細線１２の接続
点によって冷接点１４の群を構成している。

【０００４】サーモパイル７、８の温接点１３及び冷接
点１４の数をそれぞれｎ個、温接点１３の温度をＴh、
冷接点１４の温度をＴcとすると、サーモパイル１３、
１４の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（１）式で表
される。Ｖ＝ｎ・α（Ｔh−Ｔc） …（１）ただし、αはゼーベック係数である。

【０００５】この流体検知センサ１は気体の流れが生じ
る箇所に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させなが
ら上流側及び下流側のサーモパイル７、８の出力が監視
される。気体の流れていない無風時においては、配置の
対称性より上流側サーモパイル７の温接点温度と下流側
サーモパイル８の温接点温度とは等しいから、サーモパ
イル７の出力電圧とサーモパイル８の出力電圧とは等し
くなる。これに対し、図１に矢印で示すように、上流側
から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサ
ーモパイル７の温接点は気体の流れで冷却されて降温
し、その出力電圧は小さくなる。一方、気体によってヒ
ータ６の熱が下流側へ輸送されて下流側のサーモパイル
８の温接点は温度が上昇し、その出力電圧は大きくな
る。しかも、両サーモパイル７、８の温接点温度の差
は、気体の流量が大きくなるにつれて拡大するから、そ
れに伴う両サーモパイル７、８の出力電圧値の差により
気体の流量を測定することができる。

【０００６】次に、上記流体検知センサ１の製造プロセ
スを図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）、図４（ｅ）（ｆ）
（ｇ）及び図５（ｈ）（ｉ）（ｊ）により説明する。こ
れらの製造プロセスを説明する図はいずれも、図１のＢ
−Ｂ線に沿った断面を表している。以下、これらの図に
従って当該製造プロセスを説明する。

【０００７】まず、熱酸化法等によりシリコン基板２の
表裏両面に例えばＳｉＯ_２からなる絶縁薄膜４を形成し
［図３（ａ）］、スパッタリング法等を用いて上面側の
絶縁薄膜４の上にＢｉＳｂを堆積させてＢｉＳｂ膜１６
を形成する［図３（ｂ）］。ついで、イオン注入法等に
よりＢｉＳｂ膜１６にドーピングを行う［図３
（ｃ）］。さらに、フォトリソグラフィによりＢｉＳｂ
膜１６をエッチングし、ＢｉＳｂ膜１６によってヒータ
６、サーモパイル７、８の各第１の細線１１のパターン
を形成し、さらにパターニングされたＢｉＳｂ膜１６の
表面に酸化膜１７を形成する［図３（ｄ）］。

【０００８】この後、温接点１３及び冷接点１４となる
箇所で第１の細線１１を覆う酸化膜１７の一部をエッチ
ングして開口１８を設け［図４（ｅ）］、酸化膜１７の
上からＳｂをスパッタ等で堆積させ、さらにフォトリソ
グラフィによってＳｂ膜をパターニングしてサーモパイ
ル７、８の第２の細線１２を形成する［図４（ｆ）］。
このとき、第２の細線１２は、酸化膜１７の開口１８を
通して各端を第１の細線１１の各端に接続され、第１の
細線１１と第２の細線１２によってサーモパイル７、８
が形成される。

【０００９】次に、ヒータ６の両端とサーモパイル７、
８の両端において、第１の細線１１とヒータ６を覆うそ
れぞれの酸化膜１７の一部をエッチングして開口１９を
設け、ヒータ６の両端とサーモパイル７、８の両端にワ
イヤパッド９、１５を設ける［図４（ｇ）］。ついで、
ＣＶＤ法等により基板全体に例えばＳｉＯ_２を堆積さ
せ、配線保護のための保護膜１０を形成する［図５
（ｈ）］。

【００１０】この後、保護膜１０を部分的にエッチング
して各ワイヤパッド９、１５の上面を露出させる。この
とき同時に、ヒータ６とサーモパイル７、８の中間にお
いて、保護膜１０と絶縁薄膜４を部分的にエッチング除
去し、さらにエッチングにより絶縁薄膜４も部分的に除
去して開口２０をあけ、開口２０から半導体基板２を露
出させる［図５（ｉ）］。ついで、この開口２１から半
導体基板２の上面をエッチングすることにより半導体基
板２の上面に空隙部３を凹設すると共に絶縁薄膜４によ
ってブリッジ部５を形成する［図５（ｊ）］。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような流体検知
センサでは、その感度を決定する要因は２つあり、それ
は発熱体であるヒータの上昇温度と測温体であるサーモ
パイルのゼーベック係数の大きさである。その理由は、
上記（１）式から分かるように、ヒータの上昇温度が大
きいほど温接点の温度が高くなるので、サーモパイルの
出力電圧も大きくなり、またゼーベック係数が大きいほ
どサーモパイルの出力電圧が大きくなるからである。

【００１２】一方、従来の流体検知センサにあっては、
ヒータとサーモパイルの一方の導電配線（第１の細線）
とは同じ材料を用い、しかも同じドーピング量としてい
る。そして、その材料としてはゼーベック係数の高い半
導体材料が用いられており、例えばＢｉＳｂが用いられ
ている。このような半導体材料の一般的な性質として
は、ドーピング量を減らすとゼーベック係数は高くなる
が、抵抗率も高くなることが分かっている。

【００１３】従って、従来の流体検知センサでは、サー
モパイルの出力電圧を大きくして感度を上げるためにド
ーピング量を減らしてゼーベック係数を高くしたとする
と、ドーピング量が少ないためヒータの抵抗率が高くな
り、それによってヒータの抵抗値が大きくなる。ヒータ
の発熱温度はヒータに供給される電力で決定されるが、
ヒータに供給できる電圧には限度があるので、ヒータの
抵抗値が高すぎると十分発熱させることができなくな
り、流体検知センサの感度低下を招く。逆に、ドーピン
グ量を増やすと全く逆のことが起こり、ヒータの抵抗値
を下げることができるので、ヒータからの発熱は十分と
なるが、ゼーベック係数が小さくなることによってサー
モパイルの出力電圧が低下し、流体検知センサの感度が
悪くなる。よって、従来の流体検知センサでは、ドーピ
ング量をコントロールしても流体検知センサの感度をよ
り向上させることは困難であった。

【００１４】本発明は、上記の従来例の課題に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、ドーピン
グ量をコントロールすることによって感度をより向上さ
せることができる流体検知センサを提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流体検知セ
ンサは、基板により少なくとも一部が空中で支持された
絶縁薄膜と、前記絶縁薄膜の空中支持部分の表面に配置
され、不純物ドーピングされた発熱体と、前記発熱体を
挟んで前記絶縁薄膜の表面に配置され、一方の導電配線
に不純物をドーピングされた少なくとも２つの接触電位
差測温体とを備え、前記接触電位差測温体を構成する一
方の導電配線の不純物ドーピング量と前記発熱体の不純
物ドーピング量とが互いに異なっていることを特徴とす
るものである。

【００１６】本発明に係る別な流体検知センサは、基板
により少なくとも一部が空中で支持された絶縁薄膜と、
前記絶縁薄膜の空中支持部分の表面に配置され、不純物
をドーピングされた発熱体と、前記発熱体の片側で前記
絶縁薄膜の表面に配置され、一方の導電配線に不純物を
ドーピングされた接触電位差測温体とを備え、前記接触
電位差測温体を構成する一方の導電配線の不純物ドーピ
ング量と前記発熱体の不純物ドーピング量とが互いに異
なっていることを特徴とするものである。

【００１７】本発明において、発熱体とは例えば抵抗体
材料を用いたヒーターである。接触電位差測温体とは、
少なくとも２種類の導電配線の接触電位差により温度を
計測するものであって、例えばサーモパイルがある。ま
た、導電配線の材料としては、金属材料でもよく、半導
体材料でもよい。

【００１８】また、上記各流体検知センサの実施形態
は、前記発熱体と、前記接触電位差測温体を構成する一
方の導電配線がポリシリコンからなるものである。

【００１９】また、上記各流体検知センサの実施形態
は、周囲温度を測定するための周囲温度測温抵抗体をさ
らに備えたものにおいて、前記発熱体と前記周囲温度測
温抵抗体の不純物ドーピング量を等しくしたものであ
る。

【００２０】本発明に係る流体検知センサの製造方法
は、基板の表面に絶縁薄膜を形成する工程と、前記絶縁
薄膜の上に第１の材料を形成する工程と、前記第１の材
料のほぼ全面にドーピングを行う工程と、前記第１の材
料をパターニングすることによって発熱体と接触電位差
測温体の一方の導電配線とを作製する工程と、前記発熱
体もしくは前記第１の材料のうち発熱体となる領域に、
さらにドーピングを行う工程と、接触電位差測温体の他
方の導電配線を作製する工程とからなることを特徴とし
ている。ここで、発熱体もしくは第１の材料のうち発熱
体となる領域にさらにドーピングを行うとは、このドー
ピングが発熱体のパターニング前に行われてもよく、パ
ターニング後に行われてもよいことを意味している。

【００２１】

【作用】本発明に係る流体検知センサもしくはその製造
方法における一方の形態は、発熱体の両側に接触電位差
測温体を配置したものであり、他方の形態は、発熱体の
片側に接触電位差測温体を配置したものである。発熱体
の両側に接触電位差測温体を設けたものでは、双方向で
流体流量を測定可能で、低流速域で高感度であるという
利点があり、発熱体の片側に接触電位差測温体を配置し
たものでは、高流速域でも測定可能であるという利点が
ある。

【００２２】いずれの流体検知センサにおいても、接触
電位差測温体を構成する一方の導電配線の不純物ドーピ
ング量と発熱体の不純物ドーピング量とを互いに異なら
せることにより、接触電位差測温体のゼーベック係数を
低下させることなく発熱体の抵抗値を下げることがで
き、流体検知センサの感度をより向上させることができ
る。不純物ドーピング量の異ならせ方は、一般的には、
接触電位差測温体を構成する一方の導電配線の不純物ド
ーピング量を小さくし、発熱体の不純物ドーピング量を
大きくすることによって効果が得られる。

【００２３】また、接触電位差測温体の一方の導電配線
としてポリシリコンを用いれば、アルミニウム等と組み
合わせることによって接触電位差測温体を形成すること
ができ、しかも加工性が良好となる。

【００２４】また、周囲温度を測定するための周囲温度
測温抵抗体を設けた場合には、この周囲温度測温抵抗体
の不純物ドーピング量と発熱体の不純物ドーピング量と
を等しくすれば、ヒータの発熱温度を周囲温度に対して
一定温度だけ高い温度に保持することが容易になる。

【００２５】また、本発明にかかる流体検知センサの製
造方法においては、発熱体の不純物ドーピングと接触電
位差測温体の不純物ドーピングとを別々に行うのでな
く、発熱体に不純物を追加ドーピングするようにしてい
るので、ドーピング処理工程の所要時間を短くすること
ができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の一実
施形態による流体検知センサ（ガスフローセンサ）３１
の構造を図６及び図７に示す。図７は図６のＣ−Ｃ線断
面を表し、図６は保護膜４０等を除去してサーモパイル
３７、３８を露出させた状態の平面を表している。この
流体検知センサ３１にあっては、シリコン基板３２の上
面に上方で広くなった凹状の空隙部３３を形成し、この
空隙部３３を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に
絶縁薄膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって
空隙部３３の上に薄膜状のブリッジ部３５を形成してい
る。このブリッジ部３５は空隙部３３内によってシリコ
ン基板３２と断熱されている。ブリッジ部３５の表面に
おいては、その中央部にポリシリコンからなるヒータ３
６を設け、ヒータ３６を挟んで上流側と下流側の対称な
位置にそれぞれ測温体としてサーモパイル３７、３８を
設けている。また、ブリッジ部３５の外側において、絶
縁薄膜３４の上に周囲温度感知用の測温抵抗体５２を設
けてあり、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測
温抵抗体５２を覆うようにしてシリコン基板３２の上を
保護膜４０で覆っている。

【００２７】上記サーモパイル３７、３８はポリシリコ
ン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されてお
り、絶縁薄膜３４の縁を横切るようにしてポリシリコン
からなる第１の細線４１とアルミニウムからなる第２の
細線４２が交互に、かつ平行に配線され、絶縁薄膜３４
内における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点に
よって温接点４３の群が構成され、絶縁薄膜３４外にお
ける第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によって
冷接点４４の群を構成している。

【００２８】冷接点４４は、ヒートシンクの役目をする
シリコン基板３２の上に位置しているので、気体に接触
しても温度は変化しにくいが、温接点４３はシリコン基
板３２から浮いたブリッジ部３５の上に形成されている
ので、熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変
化する。

【００２９】また、ブリッジ部３５の外側（シリコン基
板３２の上面）において、絶縁薄膜３４の上面には、周
囲温度を計測するため、ポリシリコンからなる測温抵抗
体５２が設けられている。

【００３０】この流体検知センサ３１においても、サー
モパイル３７、３８の温接点４３及び冷接点４４の数を
それぞれｎ個、温接点４３の温度をＴh、冷接点４４の
温度をＴcとすると、サーモパイル４３、４４の出力電
圧（両端間電圧）Ｖは、次の（２）式で表される。Ｖ＝ｎ・α（Ｔh−Ｔc） …（２）ただし、αはゼーベック係数である。

【００３１】また、この流体検知センサ３１において
は、測温抵抗体５２、ヒータ３６、サーモパイル３７、
３８の第１の細線４１はそれぞれ同一材料（ポリシリコ
ン）によって形成され、Ｐ（燐）等の不純物をドーピン
グされているが、ヒータ３６の不純物ドーピング量は第
１の細線４１の不純物ドーピング量よりも大きくなって
いる。例えば、ヒータ３６と第１の細線４１が膜厚５０
０ｎｍのポリシリコンからなる場合、第１の細線４１に
は１×１０^２０個／ｃｍ^３程度の密度でＰがドーピング
されるのに対し、ヒータ３６には４×１０^２０個／ｃｍ
^３程度の密度でＰがドーピングされる。

【００３２】この流体検知センサ３１にあっても、ヒー
タ３６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側
のサーモパイル３７、３８の出力が監視される。気体の
流れていない無風時には、サーモパイル３７の出力電圧
とサーモパイル３８の出力電圧とは等しいが、図６に矢
印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動
していると、上流側のサーモパイル３７の温接点４３は
冷却されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体
によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル３８の温接
点４３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従っ
て、両サーモパイル３７、３８の出力電圧値の差により
空気の流量を測定することができる。また、この実施形
態のようにヒータ３６の両側にサーモパイル３７、３８
を配置した構造の場合には、図６の矢印方向と反対向き
に気体が流れた場合にも流体流量（ガス流量）を検出す
ることができる。

【００３３】しかも、この流体検知センサ３１では、第
１の細線４１よりもヒータ３６の不純物ドーピング量を
大きくしているので、ヒータ３６の抵抗を下げることが
でき、ヒータ３６の発熱温度を高くすることができる。
一方、第１の細線４１の不純物ドーピング量はヒータ３
６よりも小さくなっているので、ゼーベック係数を高く
することができる。よって、ゼーベック係数の高いサー
モパイル３７、３８を用いながらヒータ３６の発熱温度
を高くすることができ、流体検知センサ３１の感度をよ
り向上させることができる。

【００３４】周囲温度測定用の測温抵抗体５２は、周囲
温度に依らず発熱温度を一定にしてヒータ３６を駆動す
る場合には必要ないが、周囲温度に対して一定温度だけ
高い温度でヒータ３６を駆動させたい場合には、周囲温
度測定用の測温抵抗体５２の抵抗値を測定し、それをヒ
ータ３６の発熱温度にフィードバックさせることにより
ヒータ３６の発熱温度が周囲温度よりも一定温度だけ高
くなるようにすることができる。

【００３５】なお、３９、４５及び５３は、それぞれヒ
ータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２
にワイヤボンディングするためのワイヤパッドである。

【００３６】次に、上記流体検知センサ３１の製造プロ
セスを図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）、図９（ｅ）
（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）及び図１０（ｊ）（ｋ）
（ｌ）（ｍ）により説明する。これらの製造プロセスを
説明する図はいずれも、図６（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った
断面を表している。以下、これらの図に従って当該製造
プロセスを説明する。

【００３７】まず、熱酸化法等によりシリコン基板３２
の表裏両面に例えばＳｉＯ_２からなる絶縁薄膜３４を形
成し［図８（ａ）］、ＣＶＤ法等を用いて上面側の絶縁
薄膜３４の上にポリシリコンを膜厚５００ｎｍとなるよ
うに堆積させてポリシリコン膜４６を形成する［図８
（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン
膜４６の全体にＰ等の不純物原子をイオン注入法等でド
ーズ量１×１０^２０個／ｃｍ^３だけドーピングさせる
［図８（ｃ）］。さらに、ポリシリコン膜４６の表面全
体をレジスト膜５４で覆った後、ポリシリコン膜４６の
ヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領域６５ｂでレジ
スト膜５４に窓５５を開口させる［図８（ｄ）］。

【００３８】この窓５５を通してさらにＰ等の不純物原
子をイオン注入法等により３×１０ ^２０個／ｃｍ^３だけ
追加注入させる［図９（ｅ）］。ついで、レジスト膜５
４を除去すると、ヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成
領域５６ｂでは不純物濃度が４×１０^２０個／ｃｍ^３と
なり、それ以外の領域（特に、サーモパイル形成領域）
では不純物濃度が１×１０^２０個／ｃｍ^３となる［図９
（ｆ）］。

【００３９】この後、フォトリソグラフィによりポリシ
リコン膜４６をエッチングし、ポリシリコン膜４６によ
ってヒータ３６、周囲温度測定用の測温抵抗体５２、サ
ーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパターンを
形成し、さらにパターニングされたポリシリコン膜４６
の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコン膜４
６の表面には酸化膜４７が形成される［図９（ｇ）］。

【００４０】この結果、同時にパターニングされたヒー
タ３６、測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各
第１の細線４１のうち、ヒータ３６の不純物濃度だけが
高くなる。

【００４１】ついで、温接点４３及び冷接点４４となる
箇所で第１の細線４１を覆う酸化膜４７の一部をエッチ
ングして開口４８を設け［図９（ｈ）］、酸化膜４７の
上からアルミニウムをスパッタ等で堆積させ、さらにフ
ォトリソグラフィによってアルミニウム膜をパターニン
グしてサーモパイル４７、４８の第２の細線４２を形成
する［図９（ｉ）］。このとき、第２の細線４２は、酸
化膜４７の開口４８を通して各端を第１の細線４１の各
端に接続され、絶縁薄膜４７の下に形成された第１の細
線４１と第２の細線４２とによってサーモパイル３７、
３８が形成される。

【００４２】次に、サーモパイル３７、３８の両端、ヒ
ータ３６の両端および測温抵抗体５２の両端において、
酸化膜４７の一部をエッチングして開口４９を設け、サ
ーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端及び測
温抵抗体の両端に金属材料を堆積させてそれぞれのワイ
ヤパッド４５、３９、５３を設ける［図１０（ｊ）］。
ついで、ＣＶＤ法等により基板全体に例えばＳｉＯ_２を
堆積させ、配線保護のための保護膜４０を形成する［図
１０（ｋ）］。

【００４３】この後、保護膜５１を部分的にエッチング
して各ワイヤパッド４５、３９、５３の上面を露出させ
る。同時にヒータ３６とサーモパイル３７、３８の中間
において、保護膜２１をエッチング除去し、さらにエッ
チングにより絶縁薄膜３４も部分的に除去して開口５１
を形成し、開口５１から半導体基板３２を露出させる
［図１０（ｌ）］。ついで、この開口５１から半導体基
板３２の上面をエッチングすることにより半導体基板３
２の上面に空隙部３３を凹設すると共に絶縁薄膜３４に
よってブリッジ部３５を形成する［図１０（ｊ）］。

【００４４】このようにしてヒータ形成領域で不純物を
追加ドーピングすることによって流体検知センサ３１を
製造すれば、無駄なドーピング処理時間を減らすことが
でき、効率よく感度の良好な流体検知センサを製造する
ことができる。

【００４５】（第２の実施形態）図１１及び図１２は本
発明のさらに別な実施形態による流体検知センサ（ガス
フローセンサ）６１の構造を示す平面図及び断面図であ
る。図１１は保護膜４０等を除去してサーモパイル３７
とヒータ３６を露出させた状態の平面を表している。こ
の流体検知センサ６１は、ブリッジ部３５の上面におい
て、ヒータ３６の片側（上流側又は下流側）にのみサー
モパイル３７を設けたものである。このような構造によ
れば、第１の実施形態によるものよりも、より高流速域
で測定可能になる。

【００４６】図１３は、サーモパイル３７が上流側に配
置された流量検知センサ６１に用いられているヒータ制
御回路６２を示す図である。このヒータ制御回路６２
は、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２で検出され
ている周囲温度よりも一定温度だけ高い温度に自動調整
する働きをする。このヒータ制御回路６２は、固定抵抗
６３、６４と分圧抵抗６５、６６、オペアンプ（差動増
幅回路）６７及びトランジスタ６８によって構成されて
いる。固定抵抗６３、６４はヒータ３６及び測温抵抗体
５２と共にブリッジ回路を構成されており、固定抵抗６
３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６７の反転入力
端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオ
ペアンプ６７の非反転入力端子に接続されている。トラ
ンジスタ６８は、電源と固定抵抗６３の間に挿入されて
おり、直列に接続された分圧抵抗６５、６６はトランジ
スタ６８のベースとグランドの間に接続されている。オ
ペアンプ６７の出力は分圧抵抗６５、６６の中点に接続
されている。

【００４７】このヒータ制御回路６２は、ヒータ３６を
周囲温度に対して一定温度高い温度で熱平衡状態を保と
うとするものであり、例えば無風状態の熱平衡状態から
気体の流れのある状態に変化してヒータ３６の温度が下
がると、オペアンプ６７の非反転入力端子の電位が下が
り、トランジスタ６８を駆動し、電流が供給されて再び
熱平衡状態になるという動作を繰り返す。周囲温度が変
化した場合も同様である。詳しくいうと、このヒータ制
御回路６２にあっては、ヒータ３６の発熱温度が平衡時
の温度よりも上昇すると、オペアンプ６７から出力され
る電流が増加するので、分圧抵抗６５と６６の中点の電
圧が高くなる。その結果、トランジスタ６８のベース電
流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。こ
の結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒータ３６
の発熱温度が下がる。逆に、ヒータ３６の発熱温度が平
衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６７から出力
される電流が減少するので、分圧抵抗６５と６６の中点
の電圧が低くなる。その結果、トランジスタ６８のベー
ス電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加す
る。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒー
タ３６の発熱温度が上がる。

【００４８】また、周囲温度を検出している測温抵抗体
５２の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアン
プ６７から出力される電流が減少するので、分圧抵抗６
５と６６の中点の電圧が低くなる。その結果、トランジ
スタ６８のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる
電流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が
増加してヒータ３６の発熱温度が上がる。逆に、測温抵
抗体５２の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、
オペアンプ６７から出力される電流が増加するので、分
圧抵抗６５と６６の中点の電圧が高くなる。その結果、
トランジスタ６８のベース電流が減少し、ブリッジ回路
に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れ
る電流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。

【００４９】ヒータ制御回路６２は、上記のような動作
により、ヒータ３６の発熱温度が一定に保たれるように
自動調整すると共に、測温抵抗体５２の検知温度が下が
ったらヒータ３６の温度も下げ、測温抵抗体５２の検知
温度が上がったらヒータ３６の温度も上昇させる。

【００５０】次に、上記のようなヒータ制御回路６２に
おいて、ヒータ３６の発熱温度を測温抵抗体５２の温度
よりも一定温度だけ高い温度に保つための条件を明らか
にする。いま、ヒータ３６の抵抗温度係数をβｈ、測温
抵抗体５２の抵抗値をβｂとする。ある周囲温度で測温
抵抗体５２の抵抗値がＲhで、ヒータ３６がそれよりも
一定温度だけ高くて抵抗値がＲbになっていて、ブリッ
ジ回路が平衡状態にあるとすると、次の（３）式が成り
立つ。ただし、Ｒ１、Ｒ２は２つの固定抵抗６３、６４
の抵抗値である。Ｒ１・Ｒｈ＝Ｒ２・Ｒｂ …（３）

【００５１】この平衡状態から、周囲温度がΔＴ（℃）
だけ上昇した場合を考えると、測温抵抗体の温度は、Ｒh（ΔＴ）＝Ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴ） …（４）となる。このとき、ヒータ３６の温度も同じだけ上昇し
てＲb（ΔＴ）＝Ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（５）となった抵抗値でブリッジ回路が平衡になればよいか
ら、次の（６）式が成立すればよい。Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴ）＝Ｒ２・Ｒｂ（ΔＴ） …（６）この（６）式に（４）式及び（５）式を代入すると、Ｒ１・Ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴ）＝Ｒ２・Ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（７）となる。この式に上記（３）式を適用すると、 βｈ・ΔＴ＝βｂ・ΔＴ …（８）が得られる。

【００５２】従って、βｈ＝βｂであれば、任意の温度
上昇ΔＴについて条件を満たすことが分かる。よって、
図１３のようなヒータ制御回路６２を用い、測温抵抗体
５２の抵抗温度係数βbとヒータ３６の抵抗温度係数βh
を等しくしておけば、ヒータ３６の発熱温度を測温抵抗
体５２の検出温度よりも一定温度だけ高い値に制御でき
ることが分かる。半導体の抵抗温度係数はドーピング量
により決定されるので、ヒータ３６と測温抵抗体５２を
同一工程で作製し、ドーピング量を等しくすれば、周囲
温度を測温抵抗体５２で測定し、ヒータ３６の発熱温度
が周囲より一定温度だけ高い値に調整できる。

【００５３】

【発明の効果】本発明の流体検知センサによれば、発熱
体のドーピング量と接触電位差測温体のドーピング量を
異ならせることによって発熱体の抵抗を下げると共に接
触電位差測温体の出力を大きくすることができ、感度を
より向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の流体検知センサの構造を示す平面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流体検知セ
ンサの製造プロセスを説明する断面図である。

【図４】（ｅ）（ｆ）（ｇ）は図２の続図である。

【図５】（ｈ）（ｉ）（ｊ）は図３の続図である。

【図６】本発明の一実施形態による流体検知センサの構
造を示す平面図である。

【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図である。

【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流体検知セ
ンサの製造プロセスを説明する断面図である。

【図９】（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図８の続図
である。

【図１０】（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）は図９の続図であ
る。

【図１１】本発明の別な実施形態による流体検知センサ
の構造を示す平面図である。

【図１２】同上の流体検知センサの断面図である。

【図１３】同上の流体検知センサに用いられているヒー
タ制御回路を示す図である。

【符号の説明】

３２半導体基板３４絶縁薄膜３５ブリッジ部３６ヒータ３７、３８サーモパイル５２測温抵抗体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木昌京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者中村健一東京都港区海岸１丁目５番20号東京瓦斯株式会社内 (72)発明者根田徳大東京都港区海岸１丁目５番20号東京瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 EA02 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板により少なくとも一部が空中で支持
された絶縁薄膜と、前記絶縁薄膜の空中支持部分の表面
に配置され、不純物をドーピングされた発熱体と、前記
発熱体を挟んで前記絶縁薄膜の表面に配置され、一方の
導電配線に不純物をドーピングされた少なくとも２つの
接触電位差測温体とを備え、前記接触電位差測温体を構成する一方の導電配線の不純
物ドーピング量と前記発熱体の不純物ドーピング量とが
互いに異なっていることを特徴とする流体検知センサ。
【請求項２】基板により少なくとも一部が空中で支持
された絶縁薄膜と、前記絶縁薄膜の空中支持部分の表面
に配置され、不純物をドーピングされた発熱体と、前記
発熱体の片側で前記絶縁薄膜の表面に配置され、一方の
導電配線に不純物をドーピングされた接触電位差測温体
とを備え、前記接触電位差測温体を構成する一方の導電配線の不純
物ドーピング量と前記発熱体の不純物ドーピング量とが
互いに異なっていることを特徴とする流体検知センサ。
【請求項３】前記発熱体と、前記接触電位差測温体を
構成する一方の導電配線がポリシリコンからなることを
特徴とする、請求項１又は２に記載の流体検知センサ。
【請求項４】周囲温度を測定するための周囲温度測温
抵抗体をさらに備えた請求項１又は２に記載の流体検知
センサにおいて、前記発熱体と前記周囲温度測温抵抗体の不純物ドーピン
グ量とを等しくしたことを特徴とする流体検知センサ。
【請求項５】基板の表面に絶縁薄膜を形成する工程
と、前記絶縁薄膜の上に第１の材料を形成する工程と、前記第１の材料のほぼ全面にドーピングを行う工程と、前記第１の材料をパターニングすることによって発熱体
と接触電位差測温体の一方の導電配線とを作製する工程
と、前記発熱体もしくは前記第１の材料のうち発熱体となる
領域に、さらにドーピングを行う工程と、接触電位差測温体の他方の導電配線を作製する工程とか
らなる流体検知センサの製造方法。