JP2011174876A - ダイアフラム部を有する基板を備えたセンサ装置、及び同センサ装置を複数備えたセンサ装置アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】破損を容易に検知することのできるセンサ装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様のセンサ装置は、ダイアフラム部１００を有する基板６５を備えたセンサ装置であって、前記ダイアフラム部１００は、複数のセンサ用電極１２０と電気的に接続されたセンサ用配線１１１と、前記センサ用配線１１１と電気的に接続され、特定の物理量を測定可能に形成されたセンサ素子１１０と、複数の破損検知電極１４０と電気的に接続されて形成され、前記ダイアフラム部１００に生じた破損によって断線されるよう形成された破損検知配線１５０と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明に係る一態様はセンサ装置であって、特に、ダイアフラム部に生じた破損によって断線されるよう形成された破損検知配線を有する基板を備えることを特徴とする。

ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）型のフローセンサ、赤外線センサ、及びガスセンサなどのセンサ装置は、基板上にヒータ及びセンサ素子を備える。該ヒータ及びセンサ素子の下部の基台はエッチングされ、これによって基板にはダイアフラムが形成される。このように基台にダイアフラムが形成されることで、センサ装置におけるヒータ及びセンサ素子と基台との間の熱絶縁を図っている。

かかるセンサ装置におけるダイアフラムは薄く形成されており、割れや亀裂などの破損が発生しやすい。ダイアフラムに破損が生じると、センサ装置が適切に動作しない不具合を生じることがある。そこで、これらの破損を検知する技術として、例えば特開２００２−１９５９５８号公報（特許文献１）に記載の技術などがあった。

特開２００２−１９５９５８号公報

しかし、検査工程において上記特許文献１に記載の技術、ヒータ及びセンサ素子の通電の有無により破損を検知する方法、または顕微鏡などを用いて視認により破損を検知する方法を用いた場合、破損を正確に検知することが困難である。また、検査に長時間を要したり、検査コストが高くなったりするという課題もある。

さらに、センサ装置を使用中に不具合が発生した場合、すぐに破損の有無を検査することができないために、該不具合が破損によるものなのか否かの特定を現場で行うことが困難であるという課題もある。

そこで、本発明の一形態では、上記課題を解決可能なセンサ装置を提供することを目的のひとつとする。

かかる課題を解決するために、本発明の一態様としてのセンサ装置は、ダイアフラム部を有する基板を備えたセンサ装置であって、前記ダイアフラム部は、複数のセンサ用電極と電気的に接続されたセンサ用配線と、前記センサ用配線と電気的に接続され、特定の物理量を測定可能に形成されたセンサ素子と、複数の破損検知電極と電気的に接続されて形成され、前記ダイアフラム部に生じた破損によって断線されるよう形成された破損検知配線と、を備える。

かかる構成のセンサ装置によれば、ダイアフラム部に生じた破損を、破損検知配線を利用した電気的方法によって検知可能となる。これによって、ダイアフラム部における破損検知のための検査コストを削減することができる。また、センサ装置に異常が生じた際に、センサ装置を配管等から取り外すことなく破損検知を行うことができる。さらに、破損検知配線はセンサ素子及びセンサ用配線と同一材料で形成可能であり、同一プロセスで形成することが可能なため、容易に本発明を適用することができる。

また、前記ダイアフラム部は直線上に連設された複数のスリットを備えており、前記破損検知配線は前記複数のスリットの間に配される構成にすることができる。

かかる構成によれば、破損が生じやすいスリット間に破損検知配線が配されているため、小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

または、前記ダイアフラム部はスリットを備えており、前記破損検知配線は前記スリットを囲むように形成された構成にすることができる。

かかる構成によれば、破損が生じやすいスリットの周りに破損検知配線が配されているため、小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

また、前記破損検知配線は、前記ダイアフラム部の端辺を通って形成された構成にすることができる。

かかる構成によれば、破損が生じやすいダイアフラム部の端辺付近に破損検知配線が配されているため、小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

また、前記ダイアフラム部は、複数の前記破損検知配線を有しており、前記基板は、前記複数の破損検知配線の各々と電気的に接続された複数の前記破損検知電極対を備えることが好ましい。

かかる構成によれば、複数の破損検知配線のうちどの破損検知配線が断線されたかを特定することにより、具体的な破損箇所を特定することが可能となる。

また、前記センサ装置が基台をさらに備え、前記基台は、前記基板と対向する面に凹部を備え、前記ダイアフラム部は、前記凹部を覆うように形成されており、前記センサ基板は、前記複数のセンサ用電極及び前記複数の破損検知電極を備える構成としてもよい。

また、前記破損検知配線は、平面視において前記ダイアフラム部の中心に対して対称的に配置されていることが好ましい。

ダイアフラム部の中心に対称に形成される温度分布や均一な流速分布の局所的に変化は、センサ装置の機能・性能に悪影響を及ぼす。かかる構成によれば、破損検知配線に起因する温度分布や流速分布の局所的変化を避けることが可能となる。これによって、破損検知配線がセンサ装置の機能・性能に影響を及ぼすことを防止することができる。

また、本発明の一形態であるセンサ装置アレイは、前記センサ装置を複数備えており、第１の前記センサ装置の前記破損検知電極と、第２の前記センサ装置の前記破損検知電極とが電気的に接続されている。

かかる構成によれば、製造工程または検査工程において、複数のセンサ装置における破損検知を一度に行うことが可能となる。これによって、不良品を特定する検査に要する時間及びコストを削減することが可能となる。

本発明の一形態によれば、例えば、ダイアフラム部に生じた破損を電気的方法によって容易に検知可能となるなどの効果が得られる。

センサ装置の斜視図。 センサ装置の断面図。 破損検知配線を有するセンサ装置の第１の構成例の平面図。 破損検知配線を有するセンサ装置の第２の構成例の平面図。 破損検知配線を有するセンサ装置の第３の構成例の平面図。 破損検知配線を有するセンサ装置の第４の構成例の平面図。 破損検知配線を有するセンサ装置の第５の構成例の平面図。 破損検知配線を有するセンサ装置アレイの構成例の平面図。

本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って、図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、各図面において、同一の部品には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
１．定義
２．実施形態
（１）センサ装置の構成例
（２）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例１
（３）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例２
（４）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例３
（５）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例４
（６）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例５
（７）破損検知配線を有するセンサ装置アレイの構成例
３．補足

＜１．定義＞
まず、本明細書における用語を以下のとおり定義する。

「破損」：割れ、亀裂、または破壊などの物理的変化を含む。特に本願においては、破損検知配線に断線を生じうる割れ、亀裂、または破壊などの物理的変化を指す。

＜２．実施形態＞
本発明の一形態は、以下で説明するように、破損検知配線を備えることを特徴とするセンサ装置である。以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

＜（１）センサ装置の構成例＞
図１は、センサ装置の一例としての流れセンサの斜視図、図２は同流れセンサをＩＩ
−ＩＩ方向から見た断面図を示している。

流体の流速又は流量を検出する流れセンサ８は、凹部（「キャビティ」とも呼ばれる。）６６が設けられた基台６０、及び基台６０上に凹部６６を覆うように配置された基板６５を備えて構成される。基板６５は、ヒータ６１、ヒータ６１より上流側に設けられた上流側測温抵抗素子６２、ヒータ６１より下流側に設けられた下流側測温抵抗素子６３、及び上流側測温抵抗素子６２より上流側に設けられた周囲温度センサ６４を備える。

基板６５の凹部６６を覆う部分は、断熱性のダイアフラム部１００を形成している。周囲温度センサ６４は、該流れセンサ８が配置された分流路（図示せず）に流入してきた流体の温度を測定する。ヒータ６１は、凹部６６を覆う基板６５の中心に配置されており、分流路に流れる流体を、周囲温度センサ６４が計測した温度よりも一定温度、例えば１０℃高くなるよう加熱する。上流側測温抵抗素子６２はヒータ６１より上流側の温度を検出するため、下流側測温抵抗素子６３はヒータ６１より下流側の温度を検出するためにそれぞれ用いられる。

ここで、流れセンサ８が配置された分流路中の流体が静止している場合、ヒータ６１で加えられた熱は上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、上流側測温抵抗素子６２及び下流側測温抵抗素子６３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子６２及び下流側測温抵抗素子６３の電気抵抗は等しくなる。

一方で、流れセンサ８が配置された分流路中の流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ６１で加えられた熱は下流方向に運ばれる。したがって、上流側測温抵抗素子６２の温度よりも下流側測温抵抗素子６３の温度の方が高くなる。そのため、上流側測温抵抗素子６２の電気抵抗と、下流側測温抵抗素子６３の電気抵抗に差が生じる。

このように、上流側測温抵抗素子６２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子６３の電気抵抗との差は、流れセンサ８が配置された分流路中の流体の速度と相関関係を有する。そのため、上流側測温抵抗素子６２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子６３の電気抵抗との差に基づいて、分流路を流れる流体の流量を求めることができる。

基台６０の材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能である。基板６５の材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が使用可能である。凹部６６は、異方性エッチング等により形成される。またヒータ６１、上流側測温抵抗素子６２、下流側測温抵抗素子６３、及び周囲温度センサ６４のそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等を使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。

＜（２）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例１＞
図３は、本発明の特徴の一つである破損検知配線を有するセンサ装置の第１の構成例を示す平面図である。

図３に示すように、基板６５には、センサ素子１１０、センサ用配線１１１、センサ用電極１２０、スリット１３０、破損検知配線１５０、及び破損検知電極１４０を備えて構成される。また、基板６５におけるダイアフラム部１００は、基台６０に設けられた凹部６６と平面視において重なるように形成されている。ダイアフラム部１００上には、センサ素子１１０、センサ用配線１１１、スリット１３０、及び破損検知配線１５０が形成されている。

センサ用電極１２０は、センサ用配線１１１と電気的に接続されている。また、センサ用配線１１１はセンサ素子１１０と電気的に接続されている。破損検知電極１４０は、破損検知配線１５０と電気的に接続されている。破損検知配線１５０は、図３に示すように、一の直線上に連設された２つのスリット１３０の間を通るよう形成されている。また、破損検知配線１５０は、スリット１３０の近傍を通るようにも配置されている。スリット１３０は、該スリット１３０を介して基台６０をエッチングし、凹部６６を形成するために設けられている。センサ素子１１０は、センサ用電極１２０を介して温度などの物理量を測定可能に形成されている。

図３に示すセンサ装置に用いられる基板６５では、基台６０の凹部６６と、該基板６５に対して基台６０の反対側に位置する流路とをつなぐようにスリット１３０が形成されており、スリット１３０の周辺において破損が生じやすくなっている。特に、一の直線上に延在するように連接された２つのスリットの間では破損が生じやすい。また、ダイアフラム部１００の周辺部分にも、応力の影響で破損が生じやすい。そこで、このように破損が生じやすい箇所を通るように破損検知配線１５０を配置し、破損が生じた際に該破損検知配線１５０が断線されるようにする。すると、破損検知電極１４０に通電することで、破損検知配線１５０が配された箇所に破損が生じたか否かを検知可能となる。

つまり、図３に示す基板６５を備えたセンサ装置によれば、ダイアフラム部１００に生じた破損を、破損検知配線１５０を利用した電気的方法によって検知可能となる。これによって、ダイアフラム部における破損検知のための検査コストを削減することができる。また、センサ装置に異常が生じた際に、センサ装置を設置場所である配管等から取り外すことなく破損検知を行うことができる。さらに、破損検知配線１５０はセンサ素子１１０、及びセンサ用配線１１１と同一材料で形成することが可能であり、同一プロセスで形成できるため、容易に実施可能である。

また、破損が生じやすいスリット１３０の間に破損検知配線１５０を配すれば、ダイアフラム部１００の全体に破損検知配線１５０を配する形態と比較して、小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

また、図３に示す基板６５では、破損検知配線１５０は、ダイアフラム部１００の中心に対して左右対称に形成されている。このように、破損検知配線１５０を、平面視においてダイアフラム部１００の中心に対して対称的に配置することが好ましい。ダイアフラム部の中心に対称に形成される温度分布や均一な流速分布のの局所的変化を避けることが可能となるためである。すなわち、破損検知配線１５０を対称的に配置することで、該破損検知配線１５０がセンサ装置の機能・性能に影響を及ぼすことを防止することができる。

なお、本構成例１はあくまでひとつの構成例に過ぎず、その他にも様々な構成が考えられる。以下、他の構成例について具体的に説明する。ただし、以下で説明する構成例についてもやはり一構成例であって、本発明のすべての形態をカバーするものではない。すなわち、本発明の一形態では、少なくとも上記のように破損が生じやすいダイアフラム部１００に破損検知配線１５０を設けたことに技術的意義を有するものである。

＜（３）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例２＞
図４は、センサ装置の第２の構成例を示す平面図である。図３に示したセンサ装置の第１の構成例と比較すると、破損検知配線１５０の配置が異なっている。

上記のとおり、ダイアフラム部１００の周辺部分も破損が発生しやすい箇所である。そこで、本構成例では、破損検知配線１５０は、ダイアフラム部１００の端辺に沿って配置されている。このように破損検知配線１５０を配置すれば、破損が生じやすいダイアフラム部の端辺付近に破損検知配線が配されているため、ダイアフラム部１００の全体に破損検知配線１５０を配する形態と比較して、小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

なお、破損検知配線１５０は必ずしもダイアフラム部１００の端辺に沿って配置される必要はなく、ダイアフラム部１００の端辺を通って配置されればよい。例えば、ダイアフラム部１００の端辺をまたいで配置されるなど、様々な形態が考えられる。

＜（４）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例３＞
図５は、センサ装置の第３の構成例を示す平面図である。図３に示したセンサ装置の第１の構成例と比較すると、破損検知配線１５０の配置が異なっている。

上記のとおり、スリット１３０の周辺は破損が発生しやすい箇所である。そこで、本構成例では、破損検知配線１５０は、スリット１３０の周辺近傍に複数配置され、かつセンサ素子１１０の右側と左側とでそれぞれ独立して形成されている。

このようにスリット１３０を囲むように破損検知配線１５０を形成すれば、ダイアフラム部１００の全体に破損検知配線１５０を配する形態と比較して、破損が発生しやすい箇所に破損検知配線１５０を配置することとなる。よって、比較的小規模の構成で効果的に破損検知を行うことが可能となる。

また、本構成例２では破損検知配線１５０及び破損検知電極１４０の組み合わせが複数組形成されている。このように構成すれば、複数の破損検知配線１５０のうち、どの破損検知配線１５０が断線されたかを特定することが可能となり、具体的な破損箇所を特定することが可能となる。

例えば、図５において左上に位置するスリット１３０の周辺に破損が生じて、左側の破損検知配線１５０に断線が生じたとする。この場合、左側の破損検知電極１４０に電圧を印加したとしても電流が流れない。一方で右側の破損検知電極１４０に電圧を印加すれば電流が流れる。したがって、電圧を印加したとしても電流が流れない破損検知配線１５０のどこかに断線が生じていることを検知することが可能となる。

＜（５）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例４＞
図６は、センサ装置の第４の構成例を示す平面図である。図５に示したセンサ装置の第３の構成例と比較すると、本構成例では４つのスリット１３０の周辺にそれぞれ破損検知配線１５０が形成されている。このように複数の破損検知配線１５０を配置すれば、ダイアフラム部１００における具体的な破損箇所を特定しやすくすることができる。

なお、本構成例では複数のスリット１３０の周辺に、それぞれひとつずつ破損検知配線１５０を配置したが、さらにダイアフラム部１００の端辺を通るように破損検知配線１５０を配置するなどの構成も考えられる。

＜（６）破損検知配線を有するセンサ装置の構成例５＞
図７は、センサ装置の第５の構成例を示す平面図である。本構成例では、ダイアフラム部１００の端辺を通って配された第１の破損検知配線１５０と、左右に設けられたそれぞれ複数のスリット１３０の間を通るよう配された第２の破損検知配線１５０とが形成されている。このように構成すれば、小さい構成で破損が生じやすい箇所を効果的に検出することが可能となる。

＜（７）破損検知配線を有するセンサ装置アレイの構成例＞
図８は、複数のセンサ装置を備えたセンサ装置アレイの構成例を示す図である。図８に示すように、センサ装置アレイを構成する複数のセンサ装置は、それぞれが破損検知配線１５０を備えている。さらに、一のセンサ装置における破損検知電極１４０は、隣り合うセンサ装置における破損検知電極１４０とセンサ装置間配線１６０を介して直列に接続されている。そして、複数のセンサ装置における破損検知配線１５０及びセンサ装置間配線１６０はひとつの閉回路を構成しており、破損検知電極１４０ａ及び破損検知電極１４０ｂが該閉回路の端子となる。

このように構成されたセンサ装置アレイによれば、破損検知電極１４０ａと破損検知電極１４０ｂとの間に電圧を印加することで、複数のセンサ装置に含まれる破損検知配線１５０に断線が生じているか否かを検査することが可能となる。よって、例えば検査工程において、複数のセンサ装置における破損検知を一度に行うことが可能となる。これによれば、検査に要する時間及びコストを削減することが可能となる。

なお、センサ装置アレイを構成するセンサ装置の数は、センサ装置のサイズや不良発生率に合わせて任意に設定することが可能である。

＜３．補足＞
以上、破損検知配線を有するセンサ装置について、複数の構成例を挙げながら説明したが、本発明はこれらの構成例に限るものではなく、これらの構成例から考え得る様々な形態をも含むものである。

例えば、ダイアフラム部１００上にヒータをさらに備える構成としてもよい。この場合、ダイアフラム部１００は、ヒータ、及び該ヒータと電気的に接続されたヒータ用配線を備え、ダイアフラム部１００以外の基板６５上には、ヒータ用電極が形成される。

また、スリット１３０の数に応じて破損検知配線１５０を適当な数だけ配置する形態も考えられる。

また、実施形態においては流れセンサを例に挙げて説明したが、本発明の一形態であるセンサ装置を適用可能な機器は流れセンサに限られず、ＭＥＭＳ型の様々なセンサに適用可能である。

本発明のセンサ装置等は、流量計に用いられる流れセンサなど、ＭＥＭＳ型の様々なセンサに適用できる。

８……センサ
６０……基台
６１……ヒータ
６２……上流側測温抵抗素子
６３……下流側測温抵抗素子
６４……周囲温度センサ
６５……基板
６６……凹部
１００……ダイアフラム部
１１０……センサ素子
１１１……センサ用配線
１２０……センサ用電極
１３０……スリット
１４０・１４０ａ・１４０ｂ……破損検知電極
１５０……破損検知配線
１６０……センサ装置間配線

Claims (8)

1. ダイアフラム部を有する基板を備えたセンサ装置であって、
   前記ダイアフラム部は、
   複数のセンサ用電極と電気的に接続されたセンサ用配線と、
   前記センサ用配線と電気的に接続され、特定の物理量を測定可能に形成されたセンサ素子と、
   複数の破損検知電極と電気的に接続されて形成され、前記ダイアフラム部に生じた破損によって断線されるよう形成された破損検知配線と、を備える、
   センサ装置。
2. 前記ダイアフラム部は直線上に連設された複数のスリットを備えており、
   前記破損検知配線は前記複数のスリットの間を通るように形成されている、
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記ダイアフラム部はスリットを備えており、
   前記破損検知配線は前記スリットを囲むように形成されている、
   請求項１に記載のセンサ装置。
4. 前記破損検知配線は、前記ダイアフラム部の端辺を通って形成されている、
   請求項１に記載のセンサ装置。
5. 前記ダイアフラム部は、複数の前記破損検知配線を有しており、
   前記基板は、前記複数の破損検知配線の各々と電気的に接続された複数の前記破損検知電極対を備える、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. 基台をさらに備えたセンサ装置であって、
   前記基台は、前記基板と対向する面に凹部を備え、
   前記ダイアフラム部は、前記凹部を覆うように形成されており、
   前記基板は、前記複数のセンサ用電極及び前記複数の破損検知電極を備える、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記破損検知配線は、平面視において前記ダイアフラム部の中心に対して対称的に配置されている、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ装置を複数備えたセンサ装置アレイであって、
   第１の前記センサ装置の前記破損検知電極と、第２の前記センサ装置の前記破損検知電極とが電気的に接続されている、
   センサ装置アレイ。

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