JP3687724B2 - 流量計用のヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計用のヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱を使った流量計として現在普及しているものとしては、熱線風速計がある。この熱線風速計は、非常に細い白金線に電流を通電して加熱し、その白金線の周囲に測定対象の流体が流れるようにする。すると、その流体が通過する際に白金線の熱を吸熱し温度低下を招く。この低下率は、流量（流速）が速いほど大きくなる。そして、温度が変化すると抵抗値が変わるため、係る抵抗値の変化から温度の変化量ひいては流量（流速）を検出するようになっている。
【０００３】
また、上述の熱線風速計をシリコン等の半導体技術を用いて応用した例として、図１に示すように、凹部１ａを備えた半導体基板１の上に絶縁膜２を形成し、その上にヒータとして白金やニッケルの配線パターン３を備え、その配線パターン３上に保護膜４が形成されたものがある。これは、具体的には例えば特開昭６２−２４３８号公報等により開示されている。
【０００４】
熱を使った流量計として現在普及している流量計のもう一つの形態としては、３線抵抗線風速計がある。これはヒータの両側（流れに対して上流側と下流側）に熱感知用の測温抵抗体を設置した構成となっている。
【０００５】
係る構成の流速センサは、ヒータに電流を流して加熱した状態で、気体の流れの中に置くと、ヒータの上方空間は加熱されて暖かくなっているので、下流側の測温抵抗体はその暖かくなった空気が気体の流れに沿って移動してくるので温度が上昇する。この一対の測温抵抗体の温度の変化の程度に応じて電気抵抗値も変化するので、その変化から空気の流量及びまたは方向を測定するようになっている。
【０００６】
そして、この３線抵抗線風速計もシリコン等の半導体技術を用いて応用した例が有る。すなわち、例えば特開昭６０−１４２２６８号公報に開示された流速センサのように、図２に示すごとく半導体基板５に熱的に絶縁する凹部５ａを介して絶縁膜６が形成されており、この絶縁膜６上の表面中央部にヒータ７を設けるとともに、そのヒータ７の両側に熱感知用の測温抵抗体（上流側と下流側）８を設ける。さらにそのヒータ７，測温抵抗体８の保護として基板上面に保護膜９が形成されて構成されている。なお、測定原理は、上記したものと同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の熱線風速計（流量計）では、ヒータの周囲の温度分布が均一にならないという問題があった。すなわち、例えば図１のような熱線風速計においては、一般に図３に示すようにヒータの配線パターン３の中央部を中心とする円弧状の温度分布が生じる。
【０００８】
この現象はフーリエの法則を用いて説明することができる。すなわち、フーリエの法則によれば単位面積当たりの伝熱量は次式で表される。
ｑ＝−λ・α
λ：熱伝導率
α：温度勾配
右辺に−の符号がついているのは温度勾配に対して逆向きに熱が伝わるためである。上式によれば、配線パターン（ヒータ）３の端部は、その外側の温度は周囲温度と同じなため温度勾配が大きくなるので伝熱量が大きくなる。一方、中央部は端部がある程度熱を持っているので温度勾配が小さくなり熱が逃げにくくなっているのでこのような分布が生じる。そして図３のような温度分布が生じた結果、被測定物である気体や液体との熱的なやり取りが不均一になり、測定誤差を生じる。
【０００９】
上述の熱線風速計に対して３線抵抗線風速計では、図４のように有風時と無風時におけるヒータから発生した熱の温度分布の変化を見ているので、ヒータ上部の流体の温度分布が問題となる。
【００１０】
例えば図２のような３線抵抗線風速計においても、ヒータ配線に図３と同様な温度分布が生じ、その結果ヒータ上部の流体にも温度分布が生じ測定誤差が生じる。
【００１１】
係る問題（ヒータ配線の温度分布が円弧状になる）を解決するため、従来、例えば特開平３−２４８０１７号に示すようにヒータ配線上に絶縁膜を介して金属膜を配置したり、特公平８−３０７０９号に示されるようにヒータ配線の長さ方向端部を大きくしたものがある。
【００１２】
しかし、前者のものでは別途金属膜を蒸着しなければならず工程数が増加するという新たな問題を生じる。また、後者のものでは、ヒータ配線がセンサチップ上に占める面積が増大し、センサチップの小型化に限界があるという新たな間題を生じる。
【００１３】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、ヒータ配線の形状を変えることにより従来に比べてヒータ配線の占有面積を増大させずに、ヒータの温度分布状態の直線性が良好となるような流量計用のヒータを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る流量計用のヒータは、ヒータ配線と、このヒータ配線を支持する基板とを備え、前記ヒータ配線の周囲には空間が存在するようにした流量計用のヒータにおいて、前記ヒータ配線は、前記ヒータ配線の配置方向に対して傾斜方向に伸びる同一長さの配線パターンを所定回数折り返すように接続し、隣接する前記配線パターンのなす線分を流体の流れ方向に対して等しい角度で山および谷を形成するように連続した三角形状に形成され、前記ヒータ配線の配置方向は、前記流体の流れを垂直に横切る方向に形成され、前記隣接する配線パターンで挟まれる三角形の領域内に、三角形状のスリットを設けた。
【００１５】
斜め方向に延びる各配線パターンに基づき、その周囲に円弧状の等温曲線の温度分布となる。よって、その傾斜角度や長さなどを調整することにより、各配線パターンの温度分布を重畳することにより、ヒータ配線全体の温度分布の境界が、配線パターンの配置方向に沿ってほぼ平行になり、温度分布の直線性が良好となる。さらに、ヒータ配線を構成する隣接する配線パターンで挟まれる三角形の領域に三角形状のスリット（実施の形態では、「スリット１８」に相当）を設けたため、配線パターンの間の熱絶縁が良くなり、より良好な温度分布を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図５，図６は、本発明の原理・作用を説明するための一形態を示している。本形態では、矩形状のシリコン基板１０の上面に凹部１１が形成され、その凹部１１を覆うようにしてシリコン基板１０の上面に絶縁膜１２が成膜されている。この絶縁膜１２の表面（凹部１１に対向する領域）に、ヒータ配線１３がパターニングされている。さらに、ヒータ配線１３を覆うようにして、絶縁膜１２の表面を保護膜１４で被覆している。
【００２８】
つまり、凹部１１を設けたことから、絶縁膜１２は、その周囲の４辺でシリコン基板１０の外周囲に接合され、ピンと張った状態となる。そして、ヒータ配線１３が形成された部分は、凹部１１に対向するので、シリコン基板１０の表面から離反しており、熱絶縁される。
【００２９】
また、保護膜１４は、実際には絶縁膜と同様の材質で製造することができ、例えば、ＳｉＯ2膜等を用いることができる。そして、ＳｉＯ2膜等は、熱伝導率が低いので、その絶縁膜１２，保護膜１４を介して熱が伝導するのも抑制される。よって、上記凹部１１による熱絶縁の効果と相乗的に作用する。
【００３０】
さらに、ヒータ配線１３の両端に対応する保護膜１４の部分は除去させるとともに、端子電極１５が設けられる。そしてこの端子電極１５は、その裏面側で前記ヒータ配線１３と電気的に導通されており、これにより、その端子電極１５を介してヒータ配線１３は外部装置と導通される。係る基本構成は、従来のマイクロヒータ（フローセンサ）と同様である。
【００３１】
ここで本形態では、ヒータ配線１３の両端を凹部１１を挟んで対向するシリコン基板１０の一対の対辺にそれぞれ設け、ヒータ配線１３が凹部１１を横断するようにした。このヒータ配線１３の配置方向は、測定対象の気体の流れ方向と直交するようにする。
【００３２】
さらに、ヒータ配線１３は、複数回折り返すようにしている。つまり、図７に示すように、流体の流れ方向（矢印方向：Ｘ方向）と平行な第１配線パターン１３ａと、その第１配線パーターン１３ａの端部同士を接続し、流体の流れ方向と垂直な方向（Ｙ方向）に伸びる第２配線パターン１３ｂを備えている。そして、第１配線パターン１３ａの幅を細くして抵抗値を上げ、第２配線パターン１３ｂの幅を太くして抵抗値を下げた構造としている。
【００３３】
係る構成をとると、細い部分（第１配線パターン１３ａ）は抵抗値が高いのでよく発熱し、太い部分（第２配線パターン１３ｂ）は抵抗値が低いのであまり発熱しない。つまり、流体の流れに対して垂直な部分はあまり発熱しないので、実質的にヒータ配線がないとみなすことができる。また、流体の流れに対して平行な部分は良く発熱するため、当該部分にはヒータ配線が存在するといえる。
【００３４】
よって、ヒータ配線１３を熱的（実質的な機能の点）に着目してみると、図８に示すように、第１配線パターン１３ａのみが機能し、流れに対して平行に複数のヒータ配線（第１配線パターン１３ａ）を備えた構造とみなせる。
【００３５】
そして、隣接する第１配線パターン１３ａ間に存在する絶縁膜１２，保護膜１４は、一般に熱伝導率の低いＳｉＯ2膜等で構成されているので、各々のヒータ（第１配線パターン１３ａ）はそれぞれ流れ方向に対して垂直方向は熱的にある程度絶縁されているといえる。そのため第１配線パターン１３ａにおける発熱温度と、絶縁膜１２等の熱絶縁性とを加味して第１配線パターン１３ａ間の距離（第２配線パターン１３ｂの長さ）を適度に調整することにより、各々の第１配線パターン１３ａに基づく流れに対して垂直方向の温度分布を全て等しくすることが可能となる。
【００３６】
その結果、ヒータ配線全体では各第１配線パターン１３ａに基づく温度分布が重畳された状態となり、図９のような温度分布になる。つまり、各第１配線パターン１３ａに基づく温度分布（等温曲線）Ｌ１が重畳されて形成されるヒータ配線全体の温度分布の境界Ｌが、そのＹ方向（配置方向）に沿ってほぼ平行になり、温度分布の直線性が良好となる。
【００３７】
そして、図３にあるような温度分布に対し、本形態では流れの垂直方向に対する直線性が大幅に良くなっており、測定精度が向上する。つまり等温曲線が垂直方向でほぼ直線／平行となる。
【００３８】
また、ヒータ配線１３のパターン形状としては、上記したものに限ることはなく、例えば図１０に示すように、ヒータ配線の配置方向、つまり測定対象の流体の流れ（矢印で示す方向）と直交する方向に対して角度を持たせて傾斜する複数の配線パターン１３′ａを連続させ、全体として三角波状にしたヒータ配線１３′を構成するようにしてもよい。
【００３９】
この場合に、図５，図６に示した本形態と同様に、各配線パターン１３′ａに基づく温度分布を重畳した状態でヒータ全体として流れに直交する方向（ヒータ配線の配置方向）の温度分布の直線性が良好になるように、その長さ、角度、ヒータ内の絶縁性を適宜設定する。
【００４０】
そして、上記した形態並びに変形例は、ヒータ配線１３，１３′に通電して発熱させた状態で流体中に配置することにより、その温度（抵抗値）の変化から、流体の流量・流速を検出するといったフローセンサ等の流量計として使用することができる。
【００４１】
図１１は、本発明の好適な一実施の形態の前提となる構成の一形態を示している。本形態は、上述した図５，図６に示す形態を基本とし、ヒータ配線１３を構成する第１配線パターン１３ａ間に存在する絶縁膜１２，保護膜１４の部分に、スリット１７を設けている。これにより、隣接する第１配線パターン１３ａ間、つまり、流体の流れの方向と直交する方向の熱絶縁が良好となる。
【００４２】
上記の図５，図６に示した形態の作用効果でも説明したように、第１配線パターン１３ａの距離は、第１配線パターン間材料の熱絶緑性とヒータ発熱温度により決まる。すなわち、ヒータの発熱温度が高かったり、熱絶縁があまり大きくないような材料を使用した場合には、第１配線パターン間距離をかなり大きくしなければならず、その結果、チップサイズが大きくなってしまう。
【００４３】
これに対し、本形態では、絶縁膜１２，保護膜１４にスリット１７を設けることにより、熱絶縁性を向上させることができる。よって、第１配線パターン１３ａ間の距離も短くしてチップサイズの小型化を図ることができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記の図５，図６に示した実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
図１２は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態は、上述した前提となるスリットを設ける形態に対し、上述した図５，図６に示した形態の変形例である三角波状のヒータ配線１３′を用いたものに適用したものである。すなわち、図１２に示すように接続された２本の配線パターン１３′ａで挟まれる領域に、平面が三角形状のスリット１８を設けることにより、熱絶縁性を高めることができる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
図１３は、他の形態の要部であるヒータ配線１３″を示している。同図に示すように、上記した各形態及び変形例では、ヒータ配線１３，１３′が直列接続だったものを並列接続するようにしている。
【００４６】
すなわち、流体の流れと平行で幅を広くした第１配線パターン１３ａを複数本平行に配置し、各第１配線パターン１３ａの両端をそれぞれ接続するようにして流体の流れと直交し幅を狭くした２本の第２配線パターン１３ｂで接続するようにしている。
【００４７】
なお、図示省略するが、上記した各形態と同様に、係るヒータ配線１３″を、シリコン基板の上に成膜された絶縁膜上にパターン形成し、その上を保護膜で覆うようにしている。
【００４８】
係る構成にすると、たとえヒータ配線１３″の一箇所以上が断線したとしても、多くの場合は端子電極１５，１５間を電流が流れることができ、ヒータとしての機能を失わないので信頼性が向上するという効果が発揮する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
図１４，図１５は、別の形態を示している。本形態では、上記した各形態と相違して、３線抵抗線流量センサに本発明のヒータを用いた例を示している。
【００５０】
同図に示すように、まず係る流量センサの構成を説明すると、シリコン基板１０の上面には凹部１１を設け、その凹部１１を覆うように絶縁膜１２をシリコン基板１０の上面に形成する。そして、絶縁膜１２の表面の凹部１１に対向する領域のうち、中央部分を横断するようにしてヒータ配線１３をパターニングして形成する。この点は、図５，図６に示した形態と同様である。つまり、流れと平行な方向に伸びる幅を細くした第１配線パターン１３ａと、それと直交する幅の太い第２配線パターン１３ｂを備えたパターン形状となっている。
【００５１】
そして、このヒータ配線１３を中心とし、流体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ上流側測温抵抗体１９と、下流側測温抵抗体２０をそれぞれ配置する。これら両測温抵抗体１９，２０も、凹部１１の上方に配置する。
【００５２】
さらに、両測温抵抗体１９，２０は、複数回折り返され、その両端部は、凹部１１の非形成部分であるシリコン基板１０の外周囲のうち、同一辺側に位置している。そして、係る両端部には端子電極２２，２３が形成され、外部装置と導通されるようになっている。なお、ヒータ配線１３の両側にそれぞれ上流側，下流側測温抵抗体１９，２０を設ける構成並びに各測温抵抗体１９，２０の構造等は、従来と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００５３】
ここで、本形態では、ヒータ配線１３の折り返し部分、つまり、第２配線パターン１３ｂの外側近傍にスリット２５を設け、絶縁膜１２，保護膜１４を上下に貫通させるようにした。このスリット２５は、帯状で第２配線パターン１３ｂと平行になるように形成している。
【００５４】
係る構成にすると、ヒータ配線１３を所定パターン形状にしたことから、温度分布が均一になるのは、上記した各形態の通りである。そして、本形態のように３線抵抗線流量センサの場合、その測定原理は図３に示したように有風時における気体の温度分布の偏りをヒータに対して上流と下流の測温抵抗体で測定することになる。したがって、ヒータ配線１３に通電することにより発生した熱が、絶縁膜１２，保護膜１４を介して測温抵抗体に伝わるのを抑制するほど、純粋に気体の流れに基づく温度変化を検出できるので精度良く流量・流速を測定することができる。
【００５５】
そして、折り返しの部分（第２配線パターン１３ｂ）は、上流側，下流側測温抵抗体１９，２０との距離が一番近いので、その間にスリット２５を設けることにより、熱絶縁性を高め、ヒータ配線１３により発生した熱が絶縁膜１２，保護膜１４を介して測温抵抗体に伝わるのを可及的に抑制する。よって、高精度な測定が可能となる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。なおまた、上記した形態では測温体に抵抗線を用いているが、これはサーモパイルやダイオードを用いることももちろんできる。
【００５６】
また、スリット２５を設ける図１４に示す形態においても、上記した図５，図６に示した形態の変形例である三角波状のヒータ配線１３′を用いたものにも適用できる。すなわち、図１６，図１７に示すように、図１４に示した形態におけるヒータ線１３に替えて、ヒータ配線１３′を設ける。そして、そのヒータ配線１３′の折り返し部分、つまり、接続された２本の配線パターン１３′ａの頂点の外側に、スリット２５を設け、上記頂点側から絶縁膜１２等を介して両測温抵抗体１９，２０側に熱伝達するのを抑制する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
さらには、図示省略するが、図１３に示す形態のヒータ配線１３″に対しても、この図１４に示した形態のように、第１配線パターン間にスリットを設けることができるのはもちろんである。
【００５８】
図１８は、さらに別の形態を示している。本形態では、上記した図１４に示した形態に、図１１に示した形態におけるヒータの特徴、つまり、第１配線パターン１３ａ間にスリット１７を設けた構成を組み合わせたものである。このようにすると、それぞれの形態の効果が相乗的に機能し、熱絶縁性を高め、高精度な測定を可能にするとともに、チップサイズも小型化できる。
【００５９】
なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した各形態及び変形例と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。もちろん、図１９に示す変形例のように、三角波状の斜めヒータ配線１３′においても、図１８に示す形態と同様の特徴を適用することができる。
【００６０】
さらには、図示省略するが、図１３に示す形態のヒータ配線１３″に対しても、この図１８に示す形態のように、所定位置にスリットを設けることができるのはもちろんである。
【００６１】
図２０はヒータ配線のさらに別のパターンを示している。この例では、幅が細く発熱量の多い第１配線パターン２６ａと幅が太く発熱量が小さい第２配線パターン２６ｂを有し、それらを交互に直線状に接続する。そして流れ方向に対して直交方向に延びるようにしている。この場合、熱的には図２１（ａ）に示すように細い第１配線パターン２６ａが断続的に１列に並んだ形状となり、同図（ｂ）に示すようにパターン間隔等を適宜に設定すると、ヒータ配線全体の温度分布Ｌの直線性が得られる。そして、このヒータ配線も上記した各形態及び変形例のヒータ配線に変えて実現できる。
【００６２】
なお、上記した各形態並びに変形例では、いずれもシリコン等の半導体技術を用いたマイクロヒータ，流量センサに適用した例を示したが、本発明はこれに限ることはなく、半導体技術を用いないヒータ・流量センサにおいても同様な構成を採ることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る流量計用のヒータでは、ヒータ配線の形状を変えることにより従来に比べてヒータ配線の占有面積を増大させずに、ヒータの温度分布状態の直線性が良好になる（従来のように、温度分布が円弧状にならない）。よって、流量計に用いることで、測定精度を向上させることができる。さらに、スリットを設けることにより、ヒータ間の熱絶縁が良くなり、より良好な温度分布を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、従来例を示す平面図である。
（ｂ）は、図（ａ）におけるａ−ａ線矢視断面図である。
【図２】 （ａ）は、３線抵抗線風速計（流量計）の従来例を示す平面図である。
（ｂ）は、図（ａ）におけるｂ−ｂ線矢視断面図である。
【図３】 問題点を説明する図である。
【図４】 ３線抵抗線風速計の動作原理を説明する図である。
【図５】 本発明の原理・作用を説明するための一形態を示す平面図である。
【図６】 図５におけるｃ−ｃ線矢視断面図である。
【図７】 本形態の要部を示す図である。
【図８】 本実施の形態の動作原理を説明する図である。
【図９】 本実施の形態の動作原理を説明する図である。
【図１０】 本実施の形態の変形例の要部を示す図である。
【図１１】 本発明の好適な一実施の形態の前提となる構成の一形態を示す平面図である。
【図１２】 本発明の好適な一実施の形態を示す平面図である。
【図１３】 他の形態の要部を示す図である。
【図１４】 別の形態を示す平面図である。
【図１５】 図１４におけるｄ−ｄ線矢視断面図である。
【図１６】 図１４に示す形態の変形例を示す平面図である。
【図１７】 図１５におけるｅ−ｅ線矢視断面図である。
【図１８】 さらに別の形態を示す平面図である。
【図１９】 その変形例を示す平面図である。
【図２０】 他の例を示す図である。
【図２１】 図２０の動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基板
１１ 凹部
１２ 絶縁膜
１３，１３′，１３″ ヒータ配線
１３ａ 第１配線パターン
１３ｂ 第２配線パターン
１３′ａ 配線パターン
１４ 保護膜
１５ 端子電極
１７ スリット
１８ スリット
１９ 上流側測温抵抗体
２０ 下流側測温抵抗体
２２，２３ 端子電極
２５ スリット
２６ ヒータ配線
２６ａ 第１配線パターン
２６ｂ 第２配線パターン

Claims (1)

1. ヒータ配線と、このヒータ配線を支持する基板とを備え、前記ヒータ配線の周囲には空間が存在するようにした流量計用のヒータにおいて、
   前記ヒータ配線は、前記ヒータ配線の配置方向に対して傾斜方向に伸びる同一長さの配線パターンを所定回数折り返すように接続し、隣接する前記配線パターンのなす線分を流体の流れ方向に対して等しい角度で山および谷を形成するように連続した三角形状に形成され、
   前記ヒータ配線の配置方向は、前記流体の流れを垂直に横切る方向に形成され、
   前記隣接する配線パターンで挟まれる三角形の領域内に、三角形状のスリットを設けたことを特徴とする流量計用のヒータ。

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