JP2008002896A

JP2008002896A - 熱式流量計測装置

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Publication number: JP2008002896A
Application number: JP2006171594A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Masamichi Yamada; 雅通山田; Hiroshi Nakano; 洋中野; Keiji Hanzawa; 恵二半沢; Takahiro Kanamaru; 恭弘金丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: EP1870681A3; EP1870681A2; US7617723B2; JP4226616B2; EP1870681B1; US20080016958A1

Abstract

【課題】熱式流量計測装置の配線部のカップリング容量を低減して、応答性の低下を改善すること。
【解決手段】本発明による熱式流量計測装置の検出素子１は、シリコンやセラミック等で構成される平板基板にダイアフラム２を形成し、ダイアフラム２の表面には測定空気流の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体６と、発熱抵抗体６の温度を検出する発熱体温度検出抵抗体５と、発熱抵抗体６の両側に温度検出手段として温度検出抵抗体３、４、７、８と、発熱抵抗体６を電気的に接続する配線部１８、２４と接続端子３１、３２と、配線部１５、１６と接続端子２９、３０と、配線部１０〜１３、１９〜２２と接続端子２５〜２８、３３〜３６と、配線部１３と１５の間の配線パターン１４と、配線部１６と１８の間の配線パターン１７と、配線部２２と２４の間の配線パターン２３と、平板基板の表面と電気的な接続を行なう配線層９により構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量計測装置、特に、発熱体の温度を高速に制御できる熱式流量計測装置に関する。

平板基板（シリコン基板）にダイアフラムを形成し、このダイアフラムに発熱体と発熱体の両側の温度を検出する温度検出手段を持つ熱式流量計測装置であって、シールドパターンを有する従来例としては、例えば、特許文献１の中で図１９に示された実施例の熱式流量計測装置などがある。

特開２００４−３６１２７１号公報

シリコン基板にダイアフラムを形成し、ダイアフラムに発熱体と発熱体の両側の温度を検出する温度検出手段を持つ熱式流量計測装置において、発熱体への印加電圧をパルス駆動する場合や温度検出手段への印加電圧をパルス駆動する際、発熱体と温度検出手段の間のカップリング容量が問題になる。

前記の従来例は、この問題に関して、ダイアフラム上にシールドパターンを配置することで対応していた。

しかし、シリコン基板にダイアフラムを形成し、ダイアフラムに発熱体と発熱体の両側の温度を検出する温度検出手段を持つ熱式流量計測装置では、発熱体と発熱体の配線部と発熱体の両側の温度を検出する温度検出手段と温度検出手段の配線部は、一般的に同じ薄膜層で構成されている。このため、発熱体や温度検出手段のパターン幅に比べて配線部の抵抗値を小さくするために、配線部のパターン幅を非常に広くすることにより、配線部間のカップリング容量が非常に大きくなるという問題点があった。

この配線部同士のカップリング容量は、発熱体をパルス駆動した場合に発熱体を駆動するパルス電圧が温度検出手段の出力電圧に重畳し、温度検出手段の出力に誤差を発生させる。また、温度検出手段をパルス駆動した場合には発熱体の温度検出に誤差を発生させる。また、発熱体の温度を発熱体の近傍に配置した発熱体温度検出手段で検出する場合には、発熱体と発熱体温度検出手段の間のカップリング容量は発熱体の温度制御の応答性を低下させる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱体、温度検出手段および発熱体温度検出手段の配線部間のカップリング容量を低減し、発熱体をパルス駆動した場合に生じる温度検出手段の出力の誤差を低減し、温度検出手段をパルス駆動した場合に生じる発熱体の温度検出誤差を低減し、発熱体の温度を発熱体の近傍に配置した発熱体温度検出手段で検出する場合に生じる発熱体の温度制御の応答性の低下を改善することにより、高精度な熱式流量計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するためには電流を流すことによって発熱する発熱体と前記発熱体を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた温度検出手段と前記発熱体と電気的に接続される発熱体接続端子と前記温度検出手段と電気的に接続される温度検出手段接続端子とを有する熱式流量検出素子において前記発熱体と前記発熱体接続端子とを電気的に接続する発熱体配線部と前記温度検出手段と前記温度検出手段接続端子とを電気的に接続する温度検出手段配線部との間に一定電位に保持された配線パターンを配置することにより達成される。

本発明によれば、熱式流量計測装置の配線抵抗間の静電容量を低減することで熱式流量計測装置の応答性の向上と精度の向上を実現できる熱式流量計測装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例である熱式流量計測装置について、図１，２，３，４，５，６，７を用いて説明する。図１は第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の平面図、図２は第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１のＡ−Ａ’の断面図、図３は第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の拡散層４０の配置を示す平面図、図４は第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１のプロセスチャート、図５は第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の各プロセス段階での断面図、図６は第１の実施例の熱式流量計測装置の第１の駆動回路、図７は第１の実施例の熱式流量計測装置の第２の駆動回路である。

まず、本熱式流量計測装置の検出素子１の構成を図１，２，３により説明する。

検出素子１はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板３７に絶縁膜３８を形成し、平板基板３７を裏面からエッチングすることで絶縁膜３８の下部に空間を形成し、平板基板３７にダイアフラム（薄肉部）２を形成する。ダイアフラム２の表面には測定空気流の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体６と、発熱抵抗体６の近傍に発熱抵抗体６の温度を検出する発熱体温度検出抵抗体５と、発熱抵抗体６の両側（風上と風下）に温度検出手段として温度検出抵抗体３，４，７，８を形成している。なお、発熱抵抗体６はポリシリコン薄膜、白金薄膜、ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で電流を流すことで発熱する。また、発熱体温度検出抵抗体５、温度検出抵抗体３，４，７，８もポリシリコン薄膜、白金薄膜、ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、発熱体温度検出抵抗体５は発熱体６の温度を検出し、温度検出抵抗体３，４，７，８は発熱抵抗体６の両側（風上と風下）の温度を検出する。また、発熱抵抗体６は配線部１８，２４を介して接続端子３１，３２に接続され、発熱抵抗体６は接続端子３１，３２を介して外部に電気的に接続される。また、発熱体温度検出抵抗体５は配線部１５，１６を介して接続端子２９，３０に接続され、発熱体温度検出抵抗体５は接続端子２９，３０を介して外部に電気的に接続される。また、温度検出抵抗体３，４，７，８は配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２を介して接続端子２５，２６，２７，２８，３３，３４，３５，３６に接続され、温度検出抵抗体３，４，７，８は接続端子２５，２６，２７，２８，３３，３４，３５，３６を介して外部に電気的に接続される。また、平板基板３７には、図３に示すように、ダイアフラム２と平板基板３７の周辺部を除いて拡散層４０を配置してその表面部の低抵抗化を実現し、配線パターン９に配置したコンタクトにより電気的に接続され、接続端子３１を介して外部に接続される。また、配線部１８と配線部１６の間には拡散層４０に接続するコンタクトを配置した配線パターン１７を配置し、配線部１８と配線部１６のシールドを施している。また、配線部１３と配線部１５の間には拡散層４０に接続するコンタクトを配置した配線パターン１４を配置し、配線部１３と配線部１５のシールドを施している。また、配線部２２と配線部２４の間には拡散層４０に接続するコンタクトを配置した配線パターン２３を配置し、配線部２２と配線部２４のシールドを施している。また、発熱抵抗体６、発熱体温度検出抵抗体５、温度検出抵抗体３，４，７，８、配線部１０，１１，１２，１３，１５，１６，１８，１９，２０，２１，２２，２４、配線パターン９，１４，１７，２３は保護膜３９で被覆されている。

次に、本熱式流量計測装置の検出素子１の製作プロセスを図４，５により説明する。なお、本実施例では平板基板３７にシリコン基板を使用し、発熱体６、発熱体温度検出抵抗体５、温度検出抵抗体３，４，７，８にはポリシリコン薄膜を使用した場合について説明する。まず、平板基板３７（シリコン基板）を熱酸化、ホト、Ａｓインプラ（砒素インプラ）を行うことで図５（ａ）に示すように平板基板３７に拡散層４０を形成する。次に、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４デポ（シリコン酸化膜、シリコン窒化膜デポ）、ホト、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４エッチ（シリコン酸化膜、シリコン窒化膜エッチ）、ポリＳｉデポ（ポリシリコンデポ）、リン処理、ホト、ポリＳｉエッチ（ポリシリコンエッチ）を行うことで、図５（ｂ）に示すように絶縁膜３８と配線パターン９、発熱体温度検出抵抗体５、発熱抵抗体６、配線部１８などを形成する。なお、拡散層４０は配線パターン９（ポリシリコンで形成される）により絶縁膜３８に設けられたコンタククト（ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４エッチで加工される）を介して電気的に接続される。その後、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４デポ（シリコン酸化膜、シリコン窒化膜デポ）、ホト、コンタクトエッチ、ＡＬデポ（アルミニウムデポ）、ホト、ＡＬエッチ（アルミニウムエッチ）を行うことで、図５（ｃ）に示すように保護膜３９と接続端子３１などを形成する。最後にバックエッチを行うことで図５（ｄ）に示すようにダイアフラム２を形成し、検出素子１を完成させる。

次に、本熱式流量計測装置の駆動回路を図６により説明する。本駆動回路は発熱抵抗体６を駆動するトランジスタ４２、発熱体温度検出抵抗体５に直列に接続される固定抵抗４３、発熱体温度検出抵抗体５と固定抵抗４３の接続点の電圧（発熱抵抗体６の温度が変化することで発熱体温度検出抵抗体５の抵抗値が変化するので、この接続点の温度は発熱抵抗体６の温度に応じて変化する）を基準電圧源４４の電圧と比較して増幅し、トランジスタ４２を駆動する差動増幅器４５、温度検出抵抗体３，４，７，８により構成されるブリッジ回路の電圧を増幅する差動増幅器４１により構成される。なお、静電容量４６は発熱体６と発熱体温度検出抵抗体５の間に寄生的に存在する静電容量である。

本実施例の駆動回路では静電容量４６が存在すると発熱抵抗体６を駆動する電圧が静電容量４６を介して差動増幅器４５に結合する。この静電容量４６による結合は差動増幅器４５に正帰還として働くため、発熱抵抗体６の温度制御系の安定性を悪化させ、発熱抵抗体６の制御速度を低下させることで流量計測装置の応答性を低下させる。このため、静電容量４６の容量値を小さくする必要がある。

本実施例の検出素子１では発熱抵抗体６と配線部１８，２４は同一材料で製作され、また、配線部１８，２４の抵抗による発熱を減らすために配線部１８，２４のパターン幅は発熱抵抗体６に比べて非常に広くなっている。また、発熱体温度検出抵抗体５に関しても発熱体温度検出抵抗体５と配線部１５，１６は同一材料で製作され、かつ、発熱体温度検出抵抗体５の感度、誤差などを低減するために配線部１５，１６の抵抗値を小さくする必要から配線部１５，１６のパターン幅も非常に広くなっている。このため、配線部１８，２４と配線部１５，１６の間の静電容量は非常に大きくなってしまう。また、前記の従来例では平板基板に導電性のあるシリコン基板を使用し、このシリコン基板をフローティングで使用しているので、更に配線部１８，２４と配線部１５，１６の間の静電容量を大きくしてしまっている。そこで、本実施例の検出素子１では配線１６と配線１８の間に一定電位（接地電位）に接続した配線パターン１７を配置して配線部１８，２４と配線部１５，１６の間の静電容量が小さくなるようにした。また、配線パターン１７の幅を平板基板３７の厚みよりも広くすることでシールド効果を向上させた。また、平板基板３７に拡散層４０を設け、配線パターン１７と拡散層４０の間を複数のコンタクトで接続して、配線パターン１７のインピーダンスの低減を図りシールド効果の向上を実現した。また、配線部１８，２４と配線部１５，１６下部に拡散層４０を配置することも配線部１８，２４と配線部１５，１６の間のシールド効果を向上させることができる。

次に、本熱式流量計測装置の第２の駆動回路の例を図７により説明する。本駆動回路は発熱抵抗体６を駆動するトランジスタ４２、発熱体温度検出抵抗体５に直列に接続される固定抵抗４３、発熱体温度検出抵抗体５と固定抵抗４３の接続点の電圧（発熱抵抗体６の温度が変化することで発熱体温度検出抵抗体５の抵抗値が変化するので、この接続点の温度は発熱抵抗体６の温度に応じて変化する）を基準電圧源４４の電圧と比較する比較器５１、比較器５１の出力に応じてトランジスタ４２をパルス駆動するパルス幅変調回路５０と、温度検出抵抗体３，４，７，８により構成されるブリッジ回路にパルス電圧を印加するパルス発生器４９と、温度検出抵抗体３，４，７，８により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅する差動増幅器４１により構成される。なお、静電容量４６は発熱抵抗体６と発熱体温度検出抵抗体５の間に寄生的に存在する静電容量、静電容量４７は発熱抵抗体６と温度検出抵抗体７の間に寄生的に存在する静電容量、静電容量４８は温度検出抵抗体４と発熱体温度検出抵抗体５の間に寄生的に存在する静電容量である。

本実施例の駆動回路では静電容量４６が存在すると発熱抵抗体６を駆動する電圧が静電容量４６を介して比較器５１に結合する。この静電容量４６による結合は発熱抵抗体６をパルス電圧で駆動した場合、比較器５１にノイズを発生させ、発熱抵抗体６の温度制御を不安定にする。このため、静電容量４６の容量値を小さくする必要がある。また、静電容量４７が存在すると発熱抵抗体６を駆動する電圧が静電容量４７を介して差動増幅器４１に結合する。この結合は発熱抵抗体６をパルス電圧で駆動した場合、差動増幅器４１にノイズを発生させ、流量の検出信号に誤差を発生させる。このため、静電容量４７の容量値を小さくする必要がある。また、静電容量４８が存在すると温度検出抵抗体３，４，７，８を駆動するパルス電圧が静電容量４８を介して比較器５１に結合する。この静電容量４８による結合は比較器５１にノイズを発生させ、発熱抵抗体６の温度検出精度を低下させる。このため、静電容量４８の容量値を小さくする必要がある。また、本実施例の検出素子１では発熱抵抗体６と配線部１８，２４は同一材料で製作され、また、配線部１８，２４の抵抗による発熱を減らすために配線部１８，１９のパターン幅は発熱抵抗体６に比べて非常に広くなっている。また、温度検出抵抗体３，４，７，８に関しても温度検出抵抗体３，４，７，８と配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２は同一材料で製作され、温度検出抵抗体３，４，７，８の感度、誤差などを低減するために配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２の抵抗値は小さくする必要があるために配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２のパターン幅は非常に広くなる。このため、配線部１８，２４と配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２の間の静電容量は非常に大きくなってしまう。そこで、本実施例の検出素子１では配線部１０，１１，１２，１３と配線部１５，１６の間に接地電圧に接続した配線パターン１４を配置して配線部１０，１１，１２，１３と配線部１５，１６の間の静電容量を小さくなるようにした。また、配線部１９，２０，２１，２２と配線部１８，２４の間に接地電圧に接続した配線パターン２３を配置して配線部１９，２０，２１，２２と配線部１８，２４の間の静電容量を小さくなるようにした。なお、配線パターン１４，２３に於いても、配線パターン１４，２３の幅を平板基板３７の厚みよりも広くすることでシールド効果を向上させた。また、平板基板３７に拡散層４０を設け、配線パターン１４，２３と拡散層４０の間を複数のコンタクトで接続した。このことにより、配線パターン１４，２３のインピーダンスの低減を図りシールド効果の向上を実現した。また、配線部１０，１１，１２，１３，１９，２０，２１，２２，１５，１６の下部に接地電位に接続した拡散層４０を配置することでシールド効果の向上を図った。

以上の実施の形態において、平板基板３７をＰ型とし拡散層４０をＮ型として、両者を絶縁する構造のものであってもよい。

また、以上の実施の形態では、平板基板３７に拡散層４０を備えた形態を説明したが、これに限定されるものではなく、前記拡散層をなくして配線パターンに配置したコンタクトにより平板基板に直接電気的に接続する構造であってもよく、かかる構造のものも本発明の範囲に含まれる。

第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の平面図第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１のＡ−Ａ’の断面図第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の拡散層４０の配置を示す平面図第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１のプロセスチャート第１の実施例の熱式流量計測装置の検出素子１の各プロセス段階での断面図第１の実施例の熱式流量計測装置の第１の駆動回路第１の実施例の熱式流量計測装置の第２の駆動回路。

符号の説明

検出素子
１‥検出素子、２‥ダイアフラム、３‥温度検出抵抗体、４‥温度検出抵抗体、５‥発熱体温度検出抵抗体、６‥発熱抵抗体、７‥温度検出抵抗体、８‥温度検出抵抗体、９‥配線パターン、１０‥配線部、１１‥配線部、１２‥配線部、１３‥配線部、１４‥配線パターン、１５‥配線部、１６‥配線部、１７‥配線パターン、１８‥配線部、１９‥配線部、２０‥配線部、２１‥配線部、２２‥配線部、２３‥配線パターン、２４‥配線部、２５‥接続端子、２６‥接続端子、２７‥接続端子、２８‥接続端子、２９‥接続端子、３０‥接続端子、３１‥接続端子、３２‥接続端子、３３‥接続端子、３４‥接続端子、３５‥接続端子、３６‥接続端子、３７‥平板基板、３８‥絶縁膜、３９‥保護膜、４０‥拡散層、４１‥差動増幅器、４２‥トランジスタ、４３‥固定抵抗、４４‥基準電圧源、４５‥差動増幅器、４６‥静電容量、４７‥静電容量、４８‥静電容量、４９‥パルス発生器、５０‥パルス幅変調回路、５１‥比較器

Claims

流体中に配置され電流を流すことによって発熱する発熱体と、
前記発熱体を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出手段と、
前記発熱体と電気的に接続される発熱体接続端子と、
前記第１および第２の温度検出手段と電気的に接続される第１および第２の温度検出手段接続端子と、
前記発熱体と前記発熱体接続端子とを電気的に接続する発熱体配線部と、
前記第１および第２の温度検出手段と前記第１および第２の温度検出手段接続端子とを電気的に接続する第１および第２の温度検出手段配線部とを有する熱式流量計測装置において、
前記発熱体配線部と、第１および第２の温度検出手段配線部との間に一定電位に保持された配線パターンを有することを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記発熱体の近傍に配置され前記発熱体の温度を検出する発熱体温度検出手段と、
前記発熱体温度検出手段と電気的に接続される発熱体温度検出手段接続端子と、
前記発熱体温度検出手段と前記発熱体温度検出手段接続端子とを電気的に接続する発熱体温度検出手段配線部と、
前記発熱体配線部と前記発熱体温度検出手段配線部との間に一定電位に保持された配線パターンを有することを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項２に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記発熱体温度検出手段配線部と、
前記第１および第２の温度検出手段配線部との間に一定電位に保持された配線パターンを有することを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項１〜３に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記発熱体と前記発熱体配線部とを構成する薄膜層と、
絶縁層を介在させて前記薄膜層を固定する導電性の平板基板とを有し、
前記配線パターンの幅が前記平板基板の厚み以上であることを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項４に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記配線パターンは前記平板基板に電気的に接続されることを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項５に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記配線パターンには前記平板基板に電気的に接続する接続部が連続的に配置されることを特徴とする熱式流量計測装置。
請求項４〜６に記載の熱式流量計測装置おいて、
前記平板基板は、拡散層を形成して低抵抗化されていることを特徴とする熱式流量計測装置。