JP3658321B2

JP3658321B2 - フローセンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3658321B2
Application number: JP2000400407A
Authority: JP
Inventors: 剛史藤原; 昌佐々木; 健一中村; 徳大根田
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002202168A; US6684694B2; US20020121137A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量や流速を検知するためのフローセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来構造のフローセンサ１の概念図を図１及び図２に示す。ここで、図２は図１のＸ１−Ｘ１線断面を表している。ただし、図１ではヒーターや測温体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。このフローセンサ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にそれぞれ測温体７、８を設けている。ブリッジ部５の外側における絶縁薄膜４の表面には、周囲温度測温抵抗体９を設けている。さらに、ヒータ６、測温体７、８及び周囲温度測温抵抗体９を覆うようにしてシリコン基板２は保護膜１０で被覆されている。
【０００３】
上記測温体７、８としては、種々の素子が用いられており、例えば特開昭６０−１４２２６８号公報に開示されたものでは、鉄とニッケルの合金からなる薄膜抵抗が用いられている。また、"Low power consumption thermal gas-flow sensor based on thermopiles of highly effective thermoelectric materials"と題する論文では、測温体にＢｉＳｂ−Ｓｂのサーモパイルを用いている。さらには、測温体としてトランジスタ等を用いたものもある。以下の説明では、測温抵抗体７、８がＢｉＳｂ／Ｓｂの熱電対からなるサーモパイルを用いているものとして説明する。
【０００４】
測温体７、８として、ＢｉＳｂ／Ｓｂの熱電対からなるサーモパイルを用いている場合には、ブリッジ部５の縁を横切るようにしてＢｉＳｂ細線とＳｂ細線が交互に配線され、ブリッジ部５内におけるＢｉＳｂ細線とＳｂ細線の接続点によって温接点１１の群が構成され、ブリッジ部５外におけるＢｉＳｂ細線とＳｂ細線の接続点によって冷接点１２の群を構成している。
【０００５】
測温体（サーモパイル）７、８の温接点１１及び冷接点１２の数をそれぞれｎ個、冷接点１２の温度（測定時の周囲温度に相当する。）をＴc、測温体７の温接点１１の温度をＴh１、測温体８の温接点１１の温度をＴｈ２とすると、
測温体７の出力電圧（両端間電圧）Ｖ１は、次の（１）式で表され、測温体８の出力電圧（両端間電圧）Ｖ２は、次の（２）式で表される。
Ｖ１＝ｎ・α（Ｔh１−Ｔc） …（１）
Ｖ２＝ｎ・α（Ｔh２−Ｔc） …（２）
ただし、αはゼーベック係数である。
【０００６】
このフローセンサ１は、図３に示すように流体の流れが生じる流路１３に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させながら測温体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、図５に実線で示すように絶縁薄膜４の表面における温度分布はヒータ６を中心として対称であるから、配置の対称性より測温体７の温接点温度Ｔｈ１と測温体８の温接点温度Ｔｈ２とは等しく、測温体７の出力電圧Ｖ１と測温体８の出力電圧Ｖ２も等しくなる。
【０００７】
これに対し、図４に矢印で示すように、測温体７側から測温体８側に向けて流体が流れていると、絶縁薄膜４の表面における温度分布は図５に破線で示すように非対称となる。すなわち、上流側測温体７の温接点温度Ｔｈ１は気体の流れで冷却されて降温し、その出力電圧Ｖ１＝ｎ・α（Ｔｈ１−Ｔｃ）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測温体８の温接点温度Ｔｈ２は加熱されて昇温し、その出力電圧Ｖ２＝ｎ・α（Ｔｈ２−Ｔｃ）は大きくなる。そして、それに伴う出力電圧の変化ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１より気体の流量を測定することができる。流体流量が少ない場合には、両測温体７、８の温度差△Ｔ＝Ｔｈ２−Ｔｈ１は、流体の質量流量に比例するので、両測温体７、８の出力電圧Ｖ１、Ｖ２を測定すれば、次の（３）式によって温度差を求めることができ、さらに必要な演算処理を施して流体の質量流量を算出することができる。

【０００８】
周囲温度測温抵抗体９は、フローセンサ１の周囲温度を測定するものであって、周囲温度測温抵抗体９で周囲温度を測定し、どのような流速の場合でもヒータ６の発熱温度を周囲温度に対して一定温度高い温度に維持させる（以下、ヒータ６の定温度上昇という。）ためと、フローセンサ１の温度特性を補正するためとに用いられている。
【０００９】
フローセンサ１においては、ヒータ６の発熱温度が高くなるほど、それに比例して測温体７、８の出力電圧も高くなり、測温体７、８による測定温度の分解能が高くなる。一方、ヒータ６の発熱温度が高くなるほど、ヒータ６の消費電力も大きくなる。そのため、ヒータ６の発熱温度は、両方の兼ね合いを考慮して使用者が任意の一定温度に設定する。
【００１０】
しかし、ヒータ６の発熱温度は流体の流速によって変化する。また、フローセンサ１が使用される環境では、一般に周囲温度が変化するのが普通である。これらの要因により、周囲温度に対するヒータ６の発熱温度の差が変化すると、ヒータ６の周囲における温度勾配が変化し、測温体７、８の出力電圧と流体の流量または流速との関係が変化し、測定精度が悪くなる。
【００１１】
そのため、従来のフローセンサでは、図６に示すようなヒータ制御回路１４を用い、ヒータ６の発熱温度を、周囲温度測温抵抗体９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（ヒータの定温度上昇）。このヒータ制御回路１４は、固定抵抗１７、１８と分圧抵抗１９、２０、オペアンプ（差動増幅回路）１５及びトランジスタ１６によって構成されている。固定抵抗１７、１８はヒータ６及び周囲温度測温抵抗体９と共にブリッジ回路を構成されており、固定抵抗１７と周囲温度測温抵抗体９の中点がオペアンプ１５の反転入力端子に接続され、固定抵抗１８とヒータ６の中点がオペアンプ１５の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ１６は、電源Ｖｃｃと固定抵抗１７の間に挿入されており、直列に接続された分圧抵抗１９、２０はトランジスタ１６のベースとグランドの間に接続されている。オペアンプ１５の出力は分圧抵抗１９、２０の中点に接続されている。
【００１２】
このヒータ制御回路１４は、ヒータ６を周囲温度に対して一定温度高い温度で熱平衡状態に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６の温度が下がると、オペアンプ１５の非反転入力端子の電位が下がり、トランジスタ１６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１４にあっては、ヒータ６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１５から出力される電流が増加するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が高くなる。その結果、トランジスタ１６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６に流れる電流が減少してヒータ６の発熱温度が下がる。逆に、ヒータ６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１５から出力される電流が減少するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が低くなる。その結果、トランジスタ１６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６に流れる電流が増加してヒータ６の発熱温度が上がる。
【００１３】
また、周囲温度を検出している周囲温度測温抵抗体９の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ１５から出力される電流が減少するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が低くなる。その結果、トランジスタ１６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６に流れる電流が増加してヒータ６の発熱温度が上がる。逆に、周囲温度測温抵抗体９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１５から出力される電流が増加するので、分圧抵抗１９と２０の中点の電圧が高くなる。その結果、トランジスタ１６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６に流れる電流が減少してヒータ６の発熱温度が下がる。
【００１４】
このようにしてヒータ制御回路１４は、ヒータ６の抵抗値が一定となるように動作し、ヒータ６の発熱温度が一定に保たれるように自動調整する。
【００１５】
また、周囲温度測温抵抗体９の抵抗値はＣＰＵを含む演算処理機能を備えた温度補正回路に入力され、周囲温度測温抵抗体９で検知された周囲温度の変化に基づいて測温体７、８の出力電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を補正することにより温度特性の補正が行われている。よって、従来のフローセンサでは、周囲温度に応じた補正を行うためには、温度補正回路を別途必要としていた。
【００１６】
【発明の開示】
本発明の目的とするところは、フローセンサの温度特性（周囲温度依存性）を改善し、従来必要であった温度補正回路を不要にすることにある。
【００１７】
本発明にかかるフローセンサは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体の少なくとも一方に配置された少なくとも１つの測温体と、前記発熱体と前記測温体の少なくとも一部の下において、前記半導体基板に形成された空隙部とを備えたフローセンサにおいて、前記測温体は、前記測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を有することを特徴としている。ここで周囲温度依存性とは、フローセンサの周囲温度の変化によってフローセンサの出力が変動することをいう。フローセンサの周囲温度依存性を生じさせるフローセンサ以外による要因としては、例えば被測定流体の熱伝導率を挙げることができる。
【００１８】
本発明にかかるフローセンサにあっては、前記測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を測温体に持たせているので、測温体の温度特性と、測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性とが合併されることによってフローセンサ全体としては周囲温度依存性が小さくなる。よって、従来のように周囲温度依存性を補償するための温度補正回路が不要になる。
【００１９】
このように測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を測温体の温度特性で打ち消させるための実施形態においては、前記測温体をサーモパイルとし、前記空隙部を温接点の下に設け、前記サーモパイルの温度特性を、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しく、かつ、その傾きが逆になるようにすれば、その温度範囲内においては容易に高い精度でフローセンサの周囲温度依存性を抑制できる。
【００２０】
また、本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施形態においては、前記測温体をサーモパイルとし、前記空隙部を温接点の下に設け、サーモパイルを構成する材料の少なくとも一部にドーピング材をドーピングすることにより、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しく、かつ、その傾きが逆になるような温度特性を前記サーモパイルに持たせている。サーモパイルのドーピング量を変化させると、サーモパイルの温度特性が変化するので、サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因に起因するフローセンサの周囲温度依存性を考慮して、このドーピング量を調整することによりサーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因によるフローセンサの周囲温度依存性をサーモパイルの温度特性で打ち消させることができる。
【００２１】
また、本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施形態においては、前記測温体は前記発熱体を隔ててその両側に配置され、前記空隙部は、両測温体の中間領域において前記半導体基板の表面で開口している。発熱体の両側に測温体を配置した場合には、流体の流れの上流側の測温体では温度が下がり、下流側の測温体では温度が上がるので、２つの測温体の差分をとればフローセンサの感度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明にかかるフローセンサのさらに別な実施形態においては、前記サーモパイルがポリシリコンとアルミニウムによって構成され、前記サーモパイルの周囲温度依存性を制御するためのドーピング材に燐（Ｐ）を用い、前記ドーピング材のドーピング量を１.０×１０^１７〜１.０×１０^２１ions／ｃｍ^３としている。燐のドーピング量をこの範囲内に納めれば、測温体の検知温度誤差を±０.１％／℃の範囲内に納めることができ、フローセンサに要求される一般的な温度特性スペックを満たすことができる。
【００２３】
本発明にかかるフローセンサの製造方法は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体を挟んでその両側に配置されたサーモパイルと、前記サーモパイルの先端接合部から前記発熱体に至るまでの領域の下において半導体基板に形成された空隙部とを備えたフローセンサの製造方法であって、前記サーモパイルの構成材料の少なくとも一部にはポリシリコン等の半導体材料を用い、当該半導体材料にドーピングされる不純物のドーピング量を制御することにより、前記サーモパイルに、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を持たせることを特徴としている。
【００２４】
本発明にかかるフローセンサの製造方法にあっては、サーモパイルの半導体材料にドーピングする不純物のドーピング量を制御することにより、サーモパイルに、サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を持たせるようにしているので、サーモパイルの温度特性と、サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因によるフローセンサの周囲温度依存性とが合併されることによってフローセンサ全体としては周囲温度依存性が小さくなる。よって、従来のように周囲温度依存性を補償するための温度補正回路が不要になる。しかも、ドーピング量を調整することで、周囲温度依存性が全体として打ち消されるよう容易に調整できる。さらに、発熱体の両側にサーモパイルを配置しているので、流体の流れの上流側のサーモパイルでは温度が下がり、下流側のサーモパイルでは温度が上がり、２つのサーモパイルの差分をとればフローセンサの感度を向上させることができる。
【００２５】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。
【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フローセンサ３１の構造を図７及び図８に示す。図８は図７のＸ２−Ｘ２線断面を表し、図７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。このフローセンサ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ＳｉＯ_２等からなる絶縁薄膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって空隙部３３の上に空中で支持された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３６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ポリシリコンからなる周囲温度測温抵抗体３９を設けてあり、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び周囲温度測温抵抗体３９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、ブリッジ部３５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、ブリッジ部３５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。また、ポリシリコンからなるヒータ３６及び第１の細線４１には、１.０×１０^１９ions／ｃｍ^３の燐（Ｐ）がドーピングされている。
【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】
このフローセンサ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３７、３８の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（４）式で表される。
Ｖ＝ｎ・α（Ｔh−Ｔc） …（４）
ただし、αはゼーベック係数である。
【００３０】
なお、４５、４６及び４７は、それぞれヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び周囲温度測温抵抗体３９にワイヤボンディングするためのワイヤパッドである。
【００３１】
このフローセンサ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７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７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。また、ヒータ３６の両側にサーモパイル３７、３８を配置すると、流体の流れの上流側のサーモパイルでは温度が下がり、下流側のサーモパイルでは温度が上がるので、２つのサーモパイル３７、３８の差分をとればフローセンサ３１の感度を向上させることができる。
【００３２】
周囲温度測温抵抗体３９は、周囲温度を測定してヒータ３６の発熱温度を周囲温度よりも一定温度だけ高く保つために用いられる。
【００３３】
次に、上記フローセンサ３１の製造プロセスを図９（ａ）（ｂ）（ｃ）、図１０（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）及び図１１（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７のＸ３−Ｘ３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。
【００３４】
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９（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４８を形成する［図９（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン膜４８の全体に燐（Ｐ）を不純物原子としてドーズ量１×１０^１９ions／ｃｍ^３だけドーピングさせる［図９（ｃ）］。
【００３５】
この後、フォトリソグラフィによりポリシリコン膜４８をエッチングし、ポリシリコン膜４８によってヒータ３６、周囲温度測定用の周囲温度測温抵抗体３９、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパターンを形成する［図１０（ｄ）］。なお、３８ａはサーモパイル３８の第１の細線４１の端に形成されたパッド部である。ついで、パターニングされたポリシリコン膜４８の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコン膜４８の表面には酸化膜４９が形成される。
【００３６】
次に、サーモパイル３７、３８の温接点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４９の一部をエッチングして開口５０、５１を設け［図１０（ｅ）］、酸化膜４９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３７、３８の第２の細線４２を形成する［図１０（ｆ）］。このとき、第２の細線４２は、酸化膜４９の開口５０、５１を通して各端を第１の細線４１の各端に接続され、酸化膜４９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。
【００３７】
この後、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（ｇ）］。
【００３８】
ついで、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端および周囲温度測温抵抗体３９の両端において、保護膜４０及び酸化膜４９の一部をエッチングして開口５２を設け、同時にエッチングホール５３を開口して温接点４３からシリコン基板３２の一部を露出させる［図１１（ｈ）］。そして、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端及び周囲温度測温抵抗体３９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、４６、４７を設ける［図１１（ｉ）］。
【００３９】
ついで、エッチングホール５３からシリコン基板３２の上面をエッチングすることによりシリコン基板３２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１１（ｊ）］。
【００４０】
なお、ここではエッチングホール５３からシリコン基板３２の上面をエッチングすることにより空隙部３３およびブリッジ部３５を形成する製造プロセスについて述べたが、ブリッジ部３５の形成方法はこれに限定されるものではなく、ヒータ３６及びサーモパイル３７、３８の温接点４３がシリコン基板３２と断熱されるよう形成すればよい。たとえば、シリコン基板３２の下面からエッチングを行って、ヒータ３６及びサーモパイル３７、３８の温接点４３を含むブリッジを形成してもよい。
【００４１】
ここで、フローセンサの温度特性の変動について考えると、その理由としては様々な要因が考えられるが、主としては次の３つを挙げることができる。
(1) 被測定流体の熱伝導率
(2) ヒータの消費電力
(3) 測温体の温度特性
これらの要因については、以下においてそれぞれ詳述する。
【００４２】
まず、被測定流体の熱伝導率と温度特性との関係について説明する。既に図５において説明したように、フローセンサの表面における温度分布は、流体が流れている有風時と流体の流れていない無風時とで（つまり、流量によって）異なる。しかし、流体の流量が同一であっても、流体の熱伝導率が異なる場合にも、フローセンサの表面における温度分布は異なる。
【００４３】
図１２はフローセンサが熱伝導率０.０２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の流体（ガス）に包まれた雰囲気中にある場合の温度分布曲線をシミュレーションにより求めたものであり、図１３はフローセンサが熱伝導率０.０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の流体（ガス）に包まれた雰囲気中にある場合の温度分布曲線をシミュレーションにより求めたものである。図１２及び図１３ではいずれも、流体が移動していない無風時と一定流速で流体が流れている有風時の温度分布曲線を表しており、それぞれの横軸はヒータの中心から測った距離である。シミュレーションを行うにあたり、いずれもヒータの温度は周囲温度よりも２０℃高い温度とし、流体の流速は３０ｃｍ／secとした。これらのシミュレーション結果から分かるように、流体の熱伝導率が異なると、温度分布曲線も異なっている。
【００４４】
図１４に示すように流体の熱伝導率は温度によって変化し、例えば空気の温度が一２０℃から７０℃まで変化した場合、熱伝導率は０.０２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）から０.０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）まで変化する。フローセンサにおいてヒータを挟んでヒータの中心から２００μｍの位置にそれぞれ測温体が配置されていると仮定すると、熱伝導率が０.０２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の空気が流れている場合には図１２から１.３℃の温度差が計測されるのに対し、熱伝導率が０.０２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の空気が流れている場合には図１３から１.２℃の温度差が計測される。よって、空気の温度が−２０℃から７０℃まで変化すると、フローセンサの計測結果に約８％の計測誤差が生じることになる。また、ガスの熱伝導率の温度依存性は、図１４に示すようにガスの種類によって異なるので、流体の種類によって熱伝導率に起因する温度特性が変化することになる。
【００４５】
次に、ヒータの消費電力と温度特性との関係について説明する。図６に示したようなヒータ制御回路では、周囲温度の変化により消費電力、すなわち上昇温度が変化する。空気中において、周囲温度を例えば−２０℃から７０℃まで変化させ、ヒータを周囲温度に対して２０℃高い温度に保つ場合、図１５に示すような消費電力特性が得られることが実験結果により分かっている。図１５によれば、どの流速でも約＋２％の誤差が生じることになる。消費電力はヒータの上昇温度に比例するので、周囲温度が−２０℃から７０℃まで変化したとき、約＋２％の上昇温度の誤差が生じることになる。上昇温度は温度センサの出力に比例するので、上記条件では約２％の誤差が生じることになる。
【００４６】
次に、測温体の温度特性について説明する。測温体に抵抗線を用いた場合では、抵抗値と温度の関係を線形近似し、抵抗値から温度を算出するので、抵抗値と温度の関係が線形からずれるとそれがそのまま温度特性の発生要因となる。しかし、ほとんどの金属では、抵抗値−温度特性はほぼ線形とみなして差し支えない。例えば汎用の温度センサに使用される白金では、１００℃の温度変化があっても高々０.１％しか温度誤差は生じない。よって、測温体として抵抗線を用いた場合には、温度特性は考慮する必要はない。
【００４７】
しかし、測温体としてサーモパイルを用いた場合には、ゼーベック係数αに温度特性があるため、（１）式、（２）式等の△Ｔに誤差が生じ、温度センサとして温度特性が生じる結果となる。ゼーベック係数αの温度依存性は、使用する材料とドーピング量によって違ってくるが、サーモパイルの材料にポリシリコンを用いた場合には、流体の熱伝導率による温度特性やヒータの消費電力による温度特性を評価した場合と同様、周囲温度を−２０℃から７０℃まで変化させた場合には、ドーピング量によっては±数１０％程度の範囲内で出力が変化する。
【００４８】
上記要因以外にも、パッケージの熱膨張その他の様々な理由により、熱式のフローセンサは温度特性を持つわけであるが、測温体の構成はフローセンサの設計者が任意に選定することができるので、測温体に起因する温度特性はフローセンサの設計者が任意に調整することができる。特に、測温体としてサーモパイルを用いた場合には、ドーピング量を調整するだけでゼーベック係数αの温度特性を調整することができる。従って、本発明による上記フローセンサでは、以下に説明するように、「被測定流体の熱伝導率」による温度特性と「ヒータの消費電力」による温度特性を「測温体の温度特性」で打ち消すことにより、フローセンサ全体として温度特性を小さくしている。
【００４９】
図１６は、上記実施形態のフローセンサにおいて、ポリシリコンからなるサーモパイルの第１の細線に１.０×１０^１９ions／ｃｍ^３のドーズ量で燐をドーピングした場合のサーモパイル（測温体）の温度特性を計測し、その計測結果を２０℃を基準にして表した図である。ここでは、被測定流体としては空気を用いている。また、図１６には、サーモパイル以外（測温体以外）の要因によるフローセンサの温度特性も併せて示している。図１６に示す場合では、広い温度領域でサーモパイルと、サーモパイル以外の要因による温度特性とが等しい絶対値を持ち、かつ傾きが逆となっており、従ってサーモパイルの温度特性とサーモパイル以外の要因による温度特性を総合したトータルの温度特性をほぼゼロにすることができる。
【００５０】
図１７は、ポリシリコンからなる第１の細線に対する燐のドーピング量をパラメーターとした、フローセンサ全体の温度誤差係数（図１６のトータルの温度特性曲線の傾きに相当するもの）を表したグラフである。一般のフローセンサにおける温度特性スペックは、フルスケール（ＦＳ）に対して±０.１％ＦＳ／℃の範囲内に収まることが要求されることが多く、その場合には図１７によれば、燐のドーピング量を１.０×１０^１７〜１.０×１０^２１ions／ｃｍ^３にすればよいことが分かる。
【００５１】
ただし、サーモパイル以外の要因によるフローセンサの温度特性は、流体の熱伝導率やヒータの抵抗値など様々な条件によって変化するので、それらの条件に応じてサーモパイルへのドーピング量を調整する必要がある。
【００５２】
こうして本発明によれば、フローセンサの構造や用途、使用環境等を考慮してサーモパイル以外の要因による温度特性をシミュレーション等によって算出すれば、その温度特性をサーモパイルの温度特性を打ち消すようにポリシリコンへのドーズ量を決定することにより、フローセンサ全体としてのトータルの温度特性をほぼゼロにすることができる。よって、本発明のフローセンサによれば、温度特性を補償するために従来必要とされていた温度補正回路を不要にすることができ、フローセンサのコストを大幅に軽減することができる。例えば、フローセンサの出力回路として図１８に示すようなものを用いることができ、温度特性を調整する特別な回路を不要にすることができる。
【００５３】
図１８に示した出力回路６１は、差動増幅回路６２の出力端子６５と反転入力端子との間に負帰還抵抗６３を接続し、反転入力端子を固定抵抗６４を介してグランドに接続して負帰還増幅回路を構成しており、差動増幅回路６２の非反転入力端子とグランドとの間には、２つのサーモパイル３７、３８を起電力の方向が互いに逆向きとなるようにして直列に挿入されている。この出力回路６１は、ヒータ制御回路とは完全に独立しており、有風時には上流側のサーモパイルと下流側のサーモパイルとの起電力の差を帰還増幅回路で任意に増幅し、出力端子６５から出力された増幅信号Ｖoutに必要な演算処理を施して流体の質量流量が求められる。
【００５４】
なお、上記実施形態においては、ヒータの両側にサーモパイルを配置した構造のものを説明したが、本発明のフローセンサは、ヒータの片側にのみサーモパイルを設けた構造のものであってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のフローセンサによれば、測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を測温体に持たせているので、フローセンサ全体としては周囲温度依存性が小さくなる。よって、従来のように周囲温度依存性を補償するための温度補正回路が不要になり、フローセンサの小型化と低コスト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフローセンサの構造を示す平面図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図３】フローセンサを流路に設置した状態を示す一部破断した斜視図である。
【図４】フローセンサを流体が流れる方向を示す図である。
【図５】流体の流れが無い（無風）時と流体の流れがある（有風）時との温度分布曲線を示す図である。
【図６】従来のフローセンサに用いられていたヒータ制御回路を示す回路図である。
【図７】本発明の一実施形態によるフローセンサの構造を示す平面図である。
【図８】図７のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上のフローセンサの製造プロセスを説明する断面図であって、いずれも図７のＸ３−Ｘ３線に相当する断面を表している。
【図１０】（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）は図９の続図である。
【図１１】（ｈ）（ｉ）（ｊ）は図１０の続図である。
【図１２】フローセンサが熱伝導率０.０２０Ｗ／ｍ・Ｋの流体に触れている、無風時と有風時の温度分布曲線を示す図である。
【図１３】フローセンサが熱伝導率０.０２５Ｗ／ｍ・Ｋの流体に触れている、無風時と有風時の温度分布曲線を示す図である。
【図１４】空気その他のガスの熱伝導率の温度による変化を示す図である。
【図１５】流体の流速とヒータの消費電力との関係を表した図である。
【図１６】測温体（サーモパイル）及び測温体以外の要因による温度特性（温度誤差）と、全体としてのトータルの温度特性を示す図である。
【図１７】サーモパイルにドープされるドーピング材のドーピング量と温度誤差係数との関係を示す図である。
【図１８】本発明のフローセンサに用いられている出力回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
３２シリコン基板
３３空隙部
３４絶縁薄膜
３５ブリッジ部
３６ヒータ
３７、３８サーモパイル
３９周囲温度測温抵抗体
４１ポリシリコンからなる第１の細線
４２アルミニウムからなる第２の細線

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、
前記絶縁層の表面で前記発熱体の少なくとも一方に配置された少なくとも１つの測温体と、
前記発熱体と前記測温体の少なくとも一部の下において、前記半導体基板に形成された空隙部とを備えたフローセンサにおいて、
前記測温体は、前記測温体以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を有することを特徴とするフローセンサ。
前記フローセンサの周囲温度依存性を生じさせるフローセンサ以外による要因は、被測定流体の熱伝導率であることを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
前記測温体はサーモパイルであり、前記空隙部は温接点の下に設けられ、前記サーモパイルの温度特性を、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しく、かつ、その傾きが逆になるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
前記サーモパイルを構成する材料の少なくとも一部にドーピング材をドーピングすることにより、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性と絶対値がほぼ等しく、かつ、その傾きが逆になるような温度特性を前記サーモパイルに持たせたことを特徴とする、請求項３に記載のフローセンサ。
前記測温体は前記発熱体を隔ててその両側に配置され、前記空隙部は、両測温体の中間領域において前記半導体基板の表面で開口していることを特徴とする、請求項１に記載のフローセンサ。
前記サーモパイルはポリシリコンとアルミニウムによって構成され、前記サーモパイルの周囲温度依存性を制御するためのドーピング材に燐を用い、前記ドーピング材のドーピング量を１.０×１０^１７〜１.０×１０^２１ions／ｃｍ^３としたことを特徴とする、請求項４に記載のフローセンサ。
半導体基板と、前記半導体基板の表面に薄膜状に形成された絶縁層と、前記絶縁層の表面に配置された発熱体と、前記絶縁層の表面で前記発熱体を挟んでその両側に配置されたサーモパイルと、前記サーモパイルの先端接合部から前記発熱体に至るまでの領域の下において半導体基板に形成された空隙部とを備えたフローセンサの製造方法であって、
前記サーモパイルの構成材料の少なくとも一部にはポリシリコン等の半導体材料を用い、当該半導体材料にドーピングされる不純物のドーピング量を制御することにより、前記サーモパイルに、前記サーモパイル以外のフローセンサの構成要素による要因及びフローセンサ以外による要因で発生するフローセンサの周囲温度依存性を打ち消すような温度特性を持たせることを特徴とするフローセンサの製造方法。