JP2010107497A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱体から発生した熱を逃げにくくすることにより、従来よりも流体流量の検出感度を高めることのできる流量センサを実現する。
【解決手段】 発熱体８１に接続された各配線パターン８１ａは、それぞれメンブレン３３の一の端縁３３ｄに引き出されている。また、各温度検出体８３に接続された各配線パターン８３ａは、それぞれ反対側の他の端縁３３ｃに引き出されている。これにより、発熱体８１と各配線パターン８３ａとの間隔と、各配線パターン８１ａおよび各配線パターン８３ａ間の間隔とを大きくすることができる。したがって、発熱体８１の熱絶縁性を高くすることができるため、流体流量の検出感度を高くすることができる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、基板の一面に配置された発熱体からの熱の分布の変化に基づいて流体の流量を検出する流量センサに関する。

従来、この種の流量センサとして、シリコン基板に形成されたメンブレン（薄膜）上に発熱体および温度検出体を配置してなる流量センサが知られている。図７は、その従来の流量センサのメンブレンの平面説明図である。
メンブレン１００の表面には、発熱体９０と、温度検出体９１，９２と、発熱体９０から引き出された配線パターン９０ａと、温度検出体９１，９２からそれぞれ引き出された配線パターン９１ａ，９２ａとが配置されている。配線パターン９０ａ，９１ａ，９２ａは、それぞれメンブレン１００の一方の端部１０１に引き出されている。

発熱体９０、温度検出体９１，９２および配線パターン９０ａ，９１ａ，９２ａは、それぞれシリコンにより薄膜状に形成されている。各配線パターン９０ａ，９１ａ，９２ａは、図示しない制御回路に接続されている。そして、制御回路から配線パターン９０ａを通じて発熱体９０に電流を流して発熱体９０を発熱させ、発熱体９０の周囲の温度を上昇させる。そこで、その温度分布の変化を各温度検出体９１，９２によって検出し、その検出結果に基づいて気体の流量および気体の流れる方向を測定する。

特開２００３−６５８１９号公報（第４６〜５６段落、図１）。

しかし、前述した従来の流量センサは、発熱体９０と配線パターン９１ａ，９２ａとが接近しているため、発熱体９０から発生した熱が、配線パターン９１ａ，９２ａに逃げやすい。また、配線パターン９０ａと、配線パターン９１ａ，９２ａとが接近しているため、発熱体９０から発生した熱が、配線パターン９０ａを介して配線パターン９１ａ，９２ａに逃げやすい。
したがって、従来の流量センサは、発熱体９０から発生した熱が逃げやすいため、流体流量の検出感度を高めにくいという問題がある。

そこで、この発明は、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることにより、従来よりも流体流量の検出感度を高めることのできる流量センサを実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体の流れの中に配設された基板（４０，５０，８０）と、前記基板の一面側に配置された発熱体（８１）および温度検出体（８３）と、前記基板の一面側にて少なくとも前記発熱体から引き出された第１の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ）と、前記基板の一面側にて少なくとも前記温度検出体から引き出された第２の配線（８３ａ）と、を備え、前記流体の流れによる前記発熱体からの熱の分布の変化に基づいて、前記温度検出体により前記流体の流量を検出するようにした流量センサ（３０）において、前記第１および第２の配線は、前記基板の一面側にて互いに反対の方向（Ｄ１，Ｄ２）へ引き出されてなるという技術的手段を用いる。

第１および第２の配線は、基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出されてなるため、発熱体と第２の配線との間隔を大きくすることができる。また、第１および第２の配線間の間隔を大きくすることもできる。
したがって、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の流量センサ（３０）において、前記基板（４０，５０，８０）の他面側に凹部（４１，４２）が形成されており、前記温度検出体（８３）は、前記発熱体（８１）と間隔を置いて前記発熱体の両側に配置されており、前記発熱体および前記各温度検出体は、前記凹部の底部の前記基板の一面側に配置されてなるという技術的手段を用いる。

基板に凹部を形成することにより薄肉部を形成し、その薄肉部の表面に発熱体および各温度検出体を配置することにより、熱絶縁性を高め、流体流量の検出感度を高めることができる。そして、そのような構造において、第１および第２の配線を基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出すことにより、発熱体から発生した熱を逃げにくくすることができるため、流体流量の検出感度をより一層高めることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の流量センサ（３０）において、前記発熱体（８１）から一方の前記温度検出体（８３）までの距離（Ｌ）と、前記発熱体から前記一方の温度検出体を通って前記一方の温度検出体に最も近い前記底部の縁（３３ａ）までの距離（Ｌｍ）との比（Ｌ／Ｌｍ）が、０．１９〜０．７０であるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行った実験によれば、発熱体から一方の温度検出体までの距離と、発熱体から一方の温度検出体を通って一方の温度検出体に最も近い底部の縁までの距離との比を、０．１９〜０．７０に設定することにより、流体流量の検出感度を高くすることができた。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の流量センサ（３０）において、前記比（Ｌ／Ｌｍ）が、略０．４であるという技術的手段を用いる。なお、略０．４とは、完全に０．４である他に０．４に近似する値を含む意味である。

この出願の発明者らが行った実験によれば、発熱体から一方の温度検出体までの距離と、発熱体から一方の温度検出体を通って一方の温度検出体に最も近い底部の縁までの距離との比を略０．４に設定すると、流体流量の検出感度を最も高くすることができた。

請求項５に記載の発明では、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記基板（４０，５０，８０）は、シリコン基板（４０）を支持基板、絶縁膜（５０）を埋め込み層、半導体層（８０）をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板からなり、前記凹部は、前記シリコン基板に形成された空洞部（４１）を前記基板の一の面側にて前記絶縁膜で覆うことにより形成されてなり、前記発熱体（８１）、温度検出体（８３）、第１の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ）および第２の配線（８３ａ）は、それぞれ前記半導体層から形成されてなるという技術的手段を用いる。

流量センサでは、発熱体および温度検出体をシリコン基板の空洞部を覆う絶縁膜上に配置することで、それらが配置されている部分の熱容量を低く抑えるとともに、その部分を熱的に絶縁し、流体流量の検出感度を高めるようにしている。
また、発熱体、温度検出体、第１の配線および第２の配線をそれぞれ半導体層から形成することにより、伝熱性が高くなる。

このような構造の流量センサでは、発熱体から発生した熱が、その近傍に配置された第１および第２の配線に、より一層逃げやすくなるため、発熱体および温度検出体が配置されている部分の熱絶縁性を高め難い。

しかし、請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の技術的手段を用いれば、上記の構造の流量センサにおいて、発熱体および温度検出体が配置されている部分の熱絶縁性を高めることができる。
したがって、流体流量の検出感度を高めることができる。

請求項６に記載の発明では、請求項２ないし請求項５のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第１および第２の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ，８３ａ）が、前記底部の角部およびその近傍の底部の縁と交差していないという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第１および第２の配線が、底部の角部およびその近傍の底部の縁と交差していない構造とすることにより、底部の耐圧を高めることができた。

請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の流量センサ（３０）において、前記底部において相互に隣接する角部間の縁（３３ｃ，３３ｄ）の長さを１００％とした場合に、前記近傍の底部の縁は、前記相互に隣接する各角部からそれぞれ１０％以内の長さに存在する縁であるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、底部において相互に隣接する角部間の縁の長さを１００％とした場合に、第１および第２の配線が、相互に隣接する各角部からそれぞれ１０％以内の長さに存在する縁と交差していない構造とすることにより、底部の耐圧をより一層高めることができた。

請求項８に記載の発明では、請求項２ないし請求項７のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第１の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ）が交差する前記底部の縁を第１の縁（３３ｄ）とした場合に、前記第１の配線の線幅が少なくとも前記発熱体（８１）の幅よりも広く、かつ、前記第１の配線が前記第１の縁と交差する幅（Ｌｂ）と、前記第１の縁の幅（Ｗ）との比を示す第１の比（Ｌｂ／Ｗ）が０．５〜０．９であるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第１の配線の線幅を少なくとも発熱体の幅よりも広く、かつ、第１の配線が第１の縁と交差する幅と、第１の縁の幅との比を示す第１の比を０．５〜０．９とすることにより、第１の配線の抵抗値を小さくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができた。

請求項９に記載の発明では、請求項２ないし請求項８のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第２の配線（８３ａ）が交差する前記底部の縁を第２の縁（３３ｃ）とした場合に、前記第２の配線の線幅が前記温度検出体（８３）の幅よりも広く、かつ、前記第２の配線が前記第２の縁と交差する幅（Ｌａ）と、前記第２の幅（Ｗ）との比を示す第２の比（Ｌａ／Ｗ）が０．５〜０．９であるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第２の配線の線幅を温度検出体の幅よりも広く、かつ、第２の配線が第２の縁と交差する幅と、第２の縁の幅との比を示す第２の比を０．５〜０．９とすることにより、第２の配線の抵抗値を小さくすることができるため、流体流量の検出感度を高めることができた。

請求項１０に記載の発明では、請求項２ないし請求項７のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第１の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ）が交差する前記底部の縁を第１の縁（３３ｄ）とし、前記第２の配線（８３ａ）が交差する前記底部の縁を第２の縁（３３ｃ）とした場合に、前記第１の配線が前記第１の縁と交差する幅（Ｌｂ）と前記第１の縁の幅（Ｗ）との比（Ｌｂ／Ｗ）と、前記第２の配線が前記第２の縁と交差する幅（Ｌａ）と前記第２の縁の幅（Ｗ）との比（Ｌａ／Ｗ）が略等しいという技術的手段を用いる。なお、略等しいとは、比が完全に等しい他に比が近似する場合を含む意味である。

この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第１の配線が第１の縁と交差する幅と第１の縁の幅との比と、第２の配線が第２の縁と交差する幅と第２の縁の幅との比を略等しくすることにより、底部に掛かる応力を、第１の配線が第１の縁と交差する部分と、第２の配線が第２の縁と交差する部分とに均等に分散することができるため、底部の耐圧を高めることができた。

請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の流量センサ（３０）において、前記第１および第２の比がそれぞれ０．５〜０．９であるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行った実験からの計算によれば、第１および第２の比をそれぞれ０．５〜０．９の範囲となるように構成することにより、底部の耐圧を高めることができた。

請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第１および第２の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ，８３ａ）は、前記基板の一面側にて前記流体の流れる方向（Ｆ１）に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向（Ｄ１，Ｄ２）へ引き出されてなるという技術的手段を用いる。

この出願の発明者らが行ったシミュレーションによれば、第１および第２の配線を、基板の一面側にて流体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すことにより、発熱体の発生する熱がより一層逃げにくくなるため、流体流量の検出感度をより一層高めることができた。
また、発熱体の発生する熱がより一層逃げにくくなる結果、発熱体の発熱量が従来よりも少なくて済むため、流量センサの消費電力を低減することもできた。

請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の流量センサ（３０）において、前記第１の配線（８１ａ，８２ａ，８４ａ）には、前記基板の一面側にて前記発熱体（８１）以外のもの（８２，８４）から引き出された配線（８２ａ，８４ａ）が含まれているという技術的手段を用いる。

流量センサの構造として、発熱体および温度検出体からなる構造を基本構造とした場合、この基本構造に対して発熱体の温度を制御するための発熱体温度制御抵抗体を加えた構造（以下、第１の構造という）、この第１の構造にさらに温度検出体を１つ追加して各温度検出体の中点出力を取出すようにした構造（以下、第２の構造という）などがある。これら第１および第２の構造において、発熱体および温度検出体以外のものから引き出す配線が、発熱体から引き出す配線と同じ方向に引き出される場合に、発熱体および温度検出体以外のものから引き出す配線と、発熱体から引き出す配線とを合わせて第１の配線として請求項１ないし請求項１２に記載の技術的手段を用いることにより、各技術的手段を用いた場合と同じ効果を奏することができる。

なお、上記各括弧内の符号は、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。

流量センサの一部をメンブレンの部分で切断した場合の断面を示す斜視説明図である。 図１に示す流量センサのメンブレンの部分を拡大して示す断面説明図である。 メンブレンの平面説明図である。 発熱体および温度検出体の拡大図である。 実験結果を示すグラフである。 流速とセンサ出力電圧との関係を示すグラフである。 従来の流量センサのメンブレンの平面説明図である。 気体の流れと配線の引き出し方向との関係を示す平面説明図である。 シミュレーション１で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図であり、（ａ）は改良前の平面説明図、（ｂ）は改良後の平面説明図である。 シミュレーション１の結果を示す説明図である。 シミュレーション２の結果を示す説明図である。 配線を改良した流量センサのメンブレンの平面説明図である。 図１２に示すメンブレンに配置された温度検出体の拡大図である。 図１２に示すメンブレンに配置された発熱体の拡大図である。 シミュレーション３の結果を示すグラフである。 実験で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図である。 実験からの計算結果を示す説明図である。 実験からの計算結果を示す説明図である。

この発明の実施形態について図を参照して説明する。図１は流量センサの一部をメンブレンの部分で切断した場合の断面を示す斜視説明図である。図２は図１に示す流量センサのメンブレンの部分を拡大して示す断面説明図である。図３は、メンブレンの平面説明図である。図４は、発熱体および温度検出体の拡大図である。図８は、気体の流れと配線の引き出し方向との関係を示す平面説明図である。なお、図１および図２では、構造を分かりやすくするために基板および膜を実際の寸法よりも大きく描いてある。

［流量センサの主な構成］
この実施形態では、流量センサ３０は、ＳＯＩ基板を用いて製造される。図２に示すように、流量センサ３０は、シリコン基板４０と、シリコン基板４０の表面に形成されたシリコン酸化膜５０と、シリコン酸化膜５０の表面に形成された単結晶シリコン層から形成された配線パターン８０と、配線パターン８０を覆うシリコン酸化膜６０と、シリコン酸化膜６０の表面に形成されたシリコン窒化膜７０とを備える。

シリコン基板４０の基板裏面には空洞部４１が貫通形成されており、空洞部４１の基板表面側の開口部４３（図１）は、シリコン酸化膜５０，６０、配線パターン８０およびシリコン窒化膜７０からなるメンブレン３３によって覆われている。つまり、空洞部４１の底部４２はメンブレン３３により形成されている。

この実施形態では、シリコン基板４０の厚さは５００μｍである。メンブレン３３のうち、配線パターン８０が形成されている部分の厚さは約３μｍである。

空洞部４１は、シリコン窒化膜をマスクとしてシリコン基板４０の裏面を露出部分から、エッチング液を用いてシリコン酸化膜５０が露出するまで異方性エッチングを行うことで形成する。

図３に示すように、メンブレン３３には、メンブレン３３の表面を流れる気体の流量を検出するためのセンシング部３２が形成されている。センシング部３２は、発熱体８１と、この発熱体８１の両側に形成された発熱体温度制御抵抗体８２と、発熱体温度制御抵抗体体８２の両側に形成された温度検出体８３とを備える。発熱体温度制御抵抗体８２は、発熱体８１の熱を受けて抵抗値が変化する抵抗体であり、発熱体８１の温度制御に用いられる。発熱体８１から発生した熱によって発熱体８１の周囲の温度が上昇し、気体が流れることにより、メンブレン３３にできる温度分布が変化する。その温度分布の変化を各温度検出体８３によって検出し、各温度検出体８３の中点電位を取出すための中点出力部８４、および配線８４ａ、並びに配線８３ａを用い、各温度検出体８３の中点電位を検出することにより、気体の流量を測定する。

配線パターン８０は、単結晶シリコン層からなり、薄膜状に形成されている。発熱体８１、発熱体温度制御抵抗体８２および温度検出体８３は、それぞれ配線パターン８０の一部であり、単結晶シリコン層に不純物をドーピングすることにより形成されている。メンブレン３３は、長方形に形成されており、相対向する一対の端縁３３ａ，３３ｂと、相対向する一対の端縁３３ｃ，３３ｄとを有する。発熱体８１および発熱体温度制御抵抗体８２は、メンブレン３３の略中心に配置されている。

各温度検出体８３は、それぞれ二重のコ字状に形成されており、端縁３３ａ，３３ｂに平行に配置されている。図中、ハッチングが施されていない領域は、配線パターン８０が形成された領域（単結晶シリコン層、シリコン酸化膜５０，６０およびシリコン窒化膜７０からなる領域）であり、ハッチングが施された領域は、配線パターン８０が形成されていない領域（シリコン酸化膜５０，６０およびシリコン窒化膜７０からなる領域）である。

ここで、流量センサ３０の特徴部分について説明する。発熱体８１には、配線パターン８１ａが電気的に接続されており、配線パターン８１ａは、それぞれメンブレン３３の一の端縁３３ｄに引き出されている。また、温度検出体８３には、配線パターン８３ａがそれぞれ電気的に接続されており、各配線パターン８３ａは、それぞれ一の端縁３３ｄと反対側の他の端縁３３ｃに引き出されている。なお、発熱体温度制御抵抗体８２の配線パターン８２ａおよび中点出力部８４の配線パターン８４ａは、メンブレン３３の一の端縁３３ｄに引き出されている。なお、端縁３３ｄに引き出された配線パターン８１ａ，８２ａ，８４ａが、この出願の請求項１に記載の第１の配線に対応し、端縁３３ｃに引き出された配線パターン８３ａが第２の配線に対応する。以下の説明では、配線パターン８１ａ，８２ａ，８４ａをそれぞれ第１の配線ともいい、配線パターン８３ａを第２の配線ともいう。

また、図８に示すように、第１の配線は、流量の検出対象である気体の流れる方向Ｆ１に対して略直角の方向Ｄ１に引き出されている。また、第２の配線は、方向Ｄ１とは１８０度反対の方向で、かつ、気体の流れる方向Ｆ１に対して略直角に引き出されている。
つまり、第１の配線および第２の配線は、メンブレン３３の表面にて気体の流れる方向Ｆ１に対して略直角に、かつ、互いに反対の方向へ引き出されてなる。

このように構成されてなるため、発熱体８１と各配線パターン８３ａとの間隔を大きくすることができるため、発熱体８１から発生した熱が各配線パターン８３ａに逃げにくい。
また、各配線パターン８１ａおよび各配線パターン８３ａ間の間隔を大きくすることができるため、発熱体８１から発生した熱が、各配線パターン８１ａを介して各配線パターン８３ａに逃げにくい。
したがって、発熱体８１の熱絶縁性を高くすることができるため、流体流量の検出感度を高くすることができる。

図３および図４に示すように、配線パターン８３ａのうち、温度検出体８３の基部から引き出されている部分であって、発熱体８１の角部８１ｂと接近している部分８３ｂが、斜めに形成されている。さらに、図３に示すように、発熱体８１と接近している各配線パターン８３ａの端縁８３ｃが、メンブレン３３の端縁３３ｃの方向に凹んだ形状になっている。このように形成することにより、発熱体８１と配線パターン８３ａとの間隔を広げることができるため、発熱体８１の熱絶縁性を高めることができるので、流体流量の検出感度をより一層高めることができる。

［実験］
次に、この出願の発明者らが行った実験内容について説明する。この出願の発明者らは、発熱体８１と温度検出体８３との間隔と、発熱体８１から温度検出体８３を通って温度検出体８３に最も近いメンブレン３３の端縁３３ａとの間隔とが検出感度に与える影響について調べた。図５は、実験結果を示すグラフである。

この実験は、前述の実施形態にて説明した流量センサ３０および図７に示した従来の流量センサを用いて行った。図４に示すように、発熱体８１の外側端縁と温度検出体８３の内側端縁との距離をＬとし、発熱体８１の外側端縁から温度検出体８３を通り、温度検出体８３に最も近いメンブレン３３の端縁３３ａまでの距離をＬｍとした。そして、距離Ｌと距離Ｌｍとの比（Ｌ／Ｌｍ）を変化させたときの流量検出感度を測定した。なお、流量センサの出力電圧と気体の流速との比を流量検出感度として測定した。

その結果、比（Ｌ／Ｌｍ）が０．１９〜０．７の範囲における流量検出感度は、前述の実施形態における流量センサ３０の方が従来の流量センサよりも高感度であった。また、比（Ｌ／Ｌｍ）が０．１９から増大するに伴って流量検出感度が高感度になり、比（Ｌ／Ｌｍ）が略０．４になったところで流量検出感度が最も高感度になった。

また、発熱体８１、各温度検出体８３およびメンブレンの端縁３３ａ，３３ｂは、端縁３３ｃ，３３ｄの各中点間を結んだ線を中心にしてメンブレン３３において線対称であるため、もう一方の温度検出体８３（図３において発熱体８１の左側に配置されている温度検出体８３）と発熱体８１との関係においても上記と同様の実験結果を得るものと推定した。

つまり、比（Ｌ／Ｌｍ）が０．１９〜０．７の範囲となるように、発熱体８１および各温度検出体８３をメンブレン３３の表面に配置することにより、流量検出感度を高くすることができ、特に、比（Ｌ／Ｌｍ）を略０．４となるように配置すると、流量検出感度を最も高くできることが分かった。

また、この出願の発明者らは、上記の実験結果において、流速とセンサ出力電圧との関係を調べた。図６は、その結果を示すグラフであり、流速とセンサ出力電圧との関係を示す。同図に示すように、前述の実施形態の流量センサ３０は、気体が低流速から高流速の範囲において従来の流量センサよりもセンサ出力電圧が大きいことが分かる。つまり、同じ流速でも流量センサの出力電圧が高い方が、流量の小さな変化をも検出することができるから、前述の実施形態の流量センサ３０は、従来の流量センサよりも流量検出感度を高くできることが分かった。

［シミュレーション１］
次に、この出願の発明者らは、第１および第２の配線の引き出し方向を改良することにより、流量の検出感度がどのくらい改善されるか、シミュレーションを行った。図９は、このシミュレーション１で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図であり、（ａ）は改良前の平面説明図、（ｂ）は改良後の平面説明図である。図１０は、このシミュレーションの結果を示す説明図である。

改良前のメンブレン３３上の構成は、図９（ａ）に示すように、発熱体８１から引き出された第１の配線８１ａおよび温度検出体８３から引き出された第２の配線８３ａが共にメンブレン３３の端縁３３ｄに向けて引き出された構成になっている。また、改良後のメンブレン３３上の構成は、図９（ｂ）に示すように、第１の配線８１ａが端縁３３ｄに向けて引き出され、第２の配線８３ａは端縁３３ｄと反対側の端縁３３ｃに向けて引き出されている。

そして、発熱体８１に電流を流して発熱させ、図示のように、検出対象の気体を第１および第２の配線の引き出し方向と直交するように流し、その流量を改良前後の各流量センサによって検出した。その結果、図１０に示すように、改良後の流量センサは、改良前の流量センサと比較して検出感度を約８％改善できることが分かった。

つまり、第１の配線８１ａおよび第２の配線８３ａを、メンブレン３３上にて気体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すように改良することにより、改良前よりも検出感度を約８％高くできることが分かった。

［シミュレーション２］
次に、この出願の発明者らは、第１および第２の配線の引き出し方向を改良することにより、発熱体の発熱量がどのくらい少なくなるか、シミュレーションを行った。図１１は、このシミュレーションの結果を示す説明図である。

このシミュレーションでは、前述のシミュレーション１で使用した流量センサと同じものを使用した。そして、発熱体８１に電流を流して発熱させ、シミュレーション１と同じように気体を一定の方向から一定時間流したときの発熱体８１を一定温度に維持すべき発熱量を求めた。その結果、図１１に示すように、改良前の発熱量を約３０（任意単位）とすると、改良後の発熱量は約２５であり、改良前よりも発熱量が少なくなった。

つまり、第１の配線８１ａおよび第２の配線８３ａを、メンブレン３３上にて気体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出すように改良することにより、発熱体８１の発熱量を改良前よりも少なくすることができることが分かった。
したがって、発熱体８１に流す電流を改良前よりも少なくすることができるため、流量センサの消費電力を低減できることが分かった。

［シミュレーション３］
次に、この出願の発明者らは、第１および第２の配線の線幅を従来よりも太くすることにより、流量の検出感度がどのくらい改善されるか、シミュレーションを行った。図１２は、このシミュレーション３で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図である。図１３は、図１２に示す第２の配線８３ａの拡大図であり、図１４は、図１２に示す第１の配線８１ａの拡大図である。図１５は、このシミュレーションの結果を示すグラフである。

このシミュレーションでは、配線の線幅を太くする前の流量センサとして、図３に示したものを使用した。図１２に示すように、配線の線幅を太くしたものは、図３に示すものと比較すると、各温度検出体８３から引き出された第２の配線８３ａの線幅、発熱体８１から引き出された第１の配線８１ａおよび発熱体温度制御抵抗体８２から引き出された配線８２ａがそれぞれ太くなっている。

詳しくは、図１３において、温度検出体８３を構成するセンシング部８３ｄの幅Ｌ１１および全長は従来と同じ寸法とし、配線部８３ｅを構成する各第２の配線８３ａの線幅Ｌ５〜Ｌ１０をそれぞれ太くした。また、１つの温度検出体８３から引き出された各第２の配線８３ａがメンブレン３３の端縁３３ｃと交差する幅Ｌ１２が、温度検出体８３の幅Ｌ１１よりも太くなるように各第２の配線８３ａを形成した。

また、図１４において、発熱体８１を構成するセンシング部８１ｃの幅Ｌ１および全長は従来と同じ寸法とし、配線部８１ｄを構成する各第１の配線８１ａが端縁３３ｄと交差する線幅Ｌ２を太くした。また、発熱体温度制御抵抗体８２を構成するセンシング部８２ｃの幅Ｌ３および全長は従来と同じ寸法とし、配線部８２ｄを構成する各配線８２ａが端縁３３ｄと交差する各線幅Ｌ４を太くした。

また、図１４において、発熱体８１から引き出された第１の配線８１ａがメンブレン３３の端縁３３ｄと交差する幅Ｌ２が、発熱体８１の幅Ｌ１よりも太くなるように各第１の配線８１ａを形成した。また、発熱体温度制御抵抗体８２から引き出された第１の配線８２ａがメンブレン３３の端縁３３ｄと交差する幅Ｌ４が、発熱体温度制御抵抗体８２の幅Ｌ３よりも太くなるように各第１の配線８２ａを形成した。なお、中点出力部８４から引き出された配線８４ａについては、従来と同じ線幅に形成した。

また、図１２において、２つの温度検出体８３からそれぞれ引き出された各第２の配線８３ａが端縁３３ｃと交差する幅Ｌａと、端縁３３ｃの幅Ｗとの比（Ｌａ／Ｗ）が、０．５〜０．９の範囲に収まるように各第２の配線８３ａを形成した。
また、第１の配線８１ａ，８２ａ，８４ａが端縁３３ｄと交差する幅Ｌｂと、その端縁３３ｄの幅Ｗとの比（Ｌｂ／Ｗ）が、０．５〜０．９の範囲に収まるように各第１の配線８１ａ，８２ａ，８４ａを形成した。

そして、発熱体８１に電流を流して発熱させ、シミュレーション１と同じように気体を一定の方向から一定時間流したときの流量を検出した。その結果、図１５に示すように、第１および第２の配線の各線幅を従来よりも２０％拡大した場合は、検出感度を３％以上改善できることが分かった。また、第１および第２の配線の各線幅を従来よりも３０％拡大した場合は、検出感度を４％以上改善できることが分かった。

［実験からの計算１］
次に、この出願の発明者らは、第１および第２の配線がメンブレン３３の角部と交差する場合と交差しない場合とでメンブレン３３の耐圧力に影響が出るか実験を行った。図１６は、この実験で使用した流量センサのメンブレンの平面説明図であり、図１７は、この実験からの計算の結果を示す説明図である。

この実験では、第１および第２の配線がメンブレン３３の角部と交差しない構造の流量センサとして図１６に示した流量センサを使用し、メンブレン３３の角部と交差する構造の流量センサとして図３に示した流量センサを使用した。図１６において符号Ｅで示す領域では、メンブレン３３の端縁３３ｄに方に引き出された第１の配線８１ａ，８２ａ，８４ａはメンブレン３３の角部と交差していない。角部と最も近い第１の配線８４ａの最外縁と角部との間には、距離ΔＬｂが置かれている。

また、メンブレン３３の端縁３３ｄと反対側の端縁３３ｃの方に引き出された第２の配線８３ａもメンブレン３３の角部と交差していない。第２の配線８３ａの最外縁と角部との間には、距離ΔＬａが置かれている。

そして、両流量センサのメンブレン３３に対して圧力を付与し、メンブレン３３の耐圧力を測定した。その結果、図１７に示すように、第１および第２の配線がメンブレン３３の角部と交差する改良前の流量センサのメンブレン３３が破損したときの耐圧力を基準とすると、第１および第２の配線がメンブレン３３の角部と交差しないように構成した改良後の流量センサでは、メンブレン３３の耐圧力が改良前と比較して約１０％改善された。

このように、第１および第２の配線がメンブレン３３の角部と交差しないように構成することによってメンブレン３３の耐圧力が向上する理由は、メンブレン３３に掛かる応力が、配線がメンブレン３３の角部と交差しない構成の方が、交差する構成よりも小さくなるからであると推定した。

また、メンブレン３３の端縁３３ｄの全幅を１００％とした場合、距離ΔＬｂは、端縁３３ｄの端部（端縁３３ｄを規定するメンブレン３３の角部）から１０％を超えるように第１の配線８１ａ，８２ａ，８４ａを形成し、かつ、距離ΔＬｂが、端縁３３ｃの端部（端縁３３ｃを規定するメンブレン３３の角部）から１０％を超えるように第２の配線８３ａを形成すれば、耐圧力を少なくとも約１０％高めることができた。

［実験からの計算２］
次に、この出願の発明者らは、前述したシミュレーション３における比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）が、メンブレン３３の耐圧力に与える影響について実験から計算を行った。図１８は、この計算の結果を示すグラフである。

この計算は、図１２に示したメンブレン構造を有する流量センサを使用し、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）が、略同じとなるようにして行った。また、図１８に示すように、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）が０．１５の場合を従来の流量センサにおける比とし、そのときのメンブレン３３の耐圧力を１とした。そして、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）を０．６にすると、メンブレン３３の耐圧力が従来の２倍の２に向上した。つまり、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）を従来よりも大きくするとメンブレン３３の耐圧力が向上した。

また、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）を略同一とすることにより、メンブレン３３の耐圧力がより一層向上した。これは、比が略同一である場合は、メンブレン３３に掛かる応力がメンブレン３３の各縁に均等に掛かるが、比が異なると、応力が一方の縁に偏ってしまい、耐圧力が低下するからであると推定した。

また、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）が０．９を超えると、第１および第２の配線の最外縁がメンブレン３３の角部に近付き、メンブレン３３の耐圧力の向上が小さくなるため、比は０．９以下であることが望ましい。また、比が０．５よりも小さくなると、メンブレン３３の縁と交差する配線領域が減少し、メンブレン３３の剛性が低下するため、比は０．５以上であることが望ましい。つまり、比（Ｌａ／Ｗ）および（Ｌｂ／Ｗ）は、それぞれ０．５〜０．９の範囲内で略同一に設定することが望ましい。

〈他の実施形態〉
前述の実施形態では、メンブレン３２上に発熱体８１、発熱体温度制御抵抗体８２、温度検出体８３、中点出力部８４および配線８１ａ〜８４ａを配置した構成の流量センサについて説明したが、発熱体温度制御抵抗体８２および配線８２ａを備えていない流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。また、温度検出体８３を一方のみ備える流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。さらに、温度検出体８３を一方のみ備え、発熱体温度制御抵抗体８２および配線８２ａを備えていない流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。さらに、中点出力部８４の配線８４ａを温度検出体８３の配線８３ａと同じ方向に引き出した構成の流量センサにも、この出願に係る発明を適用することができる。この場合、配線８３ａ，８４ａを第２の配線として扱えば良い。

３０・・流量センサ、３２・・センシング部、３３・・メンブレン、
４０・・シリコン基板、４１・・空洞部、４２・・底部、４３・・開口部、
３３ａ〜３３ｄ・・端縁（底部の縁）、８０・・配線パターン、８１・・発熱体、
８２・・発熱体温度制御抵抗体、８３・・温度検出体、８４・・中点出力部、
８１ａ〜８４ａ・・配線。

Claims (13)

1. 流体の流れの中に配設された基板と、
   前記基板の一面側に配置された発熱体および温度検出体と、
   前記基板の一面側にて少なくとも前記発熱体から引き出された第１の配線と、
   前記基板の一面側にて少なくとも前記温度検出体から引き出された第２の配線と、
   を備え、前記流体の流れによる前記発熱体からの熱の分布の変化に基づいて、前記温度検出体により前記流体の流量を検出するようにした流量センサにおいて、
   前記第１および第２の配線は、前記基板の一面側にて互いに反対の方向へ引き出されてなることを特徴とする流量センサ。
2. 前記基板の他面側に凹部が形成されており、
   前記温度検出体は、前記発熱体と間隔を置いて前記発熱体の両側に配置されており、
   前記発熱体および前記各温度検出体は、前記凹部の底部の前記基板の一面側に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記発熱体から一方の前記温度検出体までの距離と、前記発熱体から前記一方の温度検出体を通って前記一方の温度検出体に最も近い前記底部の縁までの距離との比が、０．１９〜０．７０であることを特徴とする請求項２に記載の流量センサ。
4. 前記比が、略０．４であることを特徴とする請求項３に記載の流量センサ。
5. 前記基板は、
   シリコン基板を支持基板、絶縁膜を埋め込み層、半導体層をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板からなり、
   前記凹部は、
   前記シリコン基板に形成された空洞部を前記基板の一の面側にて前記絶縁膜で覆うことにより形成されてなり、
   前記発熱体、温度検出体、第１の配線および第２の配線は、それぞれ前記半導体層から形成されてなることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の流量センサ。
6. 前記第１および第２の配線が、前記底部の角部およびその近傍の底部の縁と交差していないことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１つに記載の流量センサ。
7. 前記底部において相互に隣接する角部間の縁の長さを１００％とした場合に、前記近傍の底部の縁は、前記相互に隣接する各角部からそれぞれ１０％以内の長さに存在する縁であることを特徴とする請求項６に記載の流量センサ。
8. 前記第１の配線が交差する前記底部の縁を第１の縁とした場合に、前記第１の配線の線幅が少なくとも前記発熱体の幅よりも広く、かつ、前記第１の配線が前記第１の縁と交差する幅と、前記第１の縁の幅との比を示す第１の比が０．５〜０．９であることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１つに記載の流量センサ。
9. 前記第２の配線が交差する前記底部の縁を第２の縁とした場合に、前記第２の配線の線幅が前記温度検出体の幅よりも広く、かつ、前記第２の配線が前記第２の縁と交差する幅と、前記第２の幅との比を示す第２の比が０．５〜０．９であることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１つに記載の流量センサ。
10. 前記第１の配線が交差する前記底部の縁を第１の縁とし、前記第２の配線が交差する前記底部の縁を第２の縁とした場合に、前記第１の配線が前記第１の縁と交差する幅と前記第１の縁の幅との比を示す第１の比と、前記第２の配線が前記第２の縁と交差する幅と前記第２の縁の幅との比を示す第２の比とが略等しいことを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１つに記載の流量センサ。
11. 前記第１および第２の比がそれぞれ０．５〜０．９であることを特徴とする請求項１０に記載の流量センサ。
12. 前記第１および第２の配線は、前記基板の一面側にて前記流体の流れる方向に対して略直角方向に、かつ、互いに反対の方向へ引き出されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の流量センサ。
13. 前記第１の配線には、前記基板の一面側にて前記発熱体以外のものから引き出された配線が含まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の流量センサ。

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