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JP-2026077413-A - フローセンサ

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Abstract

【課題】ヒータの長手方向におけるサーモパイルの位置の違いによる出力変化の影響を低減可能なフローセンサを提供する。 【解決手段】フローセンサは、周辺部１１と第１メンブレン部１２とを有する基板１と、第１メンブレン部１２上に配置され、第１方向Ｘに延びる第１ヒータ２と、第１方向Ｘに並んで複数配置され、第１メンブレン部１２上に第１温接点３２を持つ第１の熱電対３１を有する第１のサーモパイル３と、第１方向Ｘに並んで複数配置され、第１メンブレン部１２上に第２温接点４２を持つ第２の熱電対４１を有する第２のサーモパイル４と、を有する第１測定部１１０と、を備え、第１方向Ｘにおいて、第１の熱電対３１と第２の熱電対４１は交互に配置され、第１方向Ｘと交差する第２方向Ｙにおいて、第１ヒータ２から第１温接点３２までの第１距離Ｌ１が、第１ヒータ２から第２温接点４２までの第２距離Ｌ２よりも長い。 【選択図】図１

Inventors

  • 桃谷 幸志
  • 中島 平裕
  • 秋山 典之
  • 青木 浩
  • 島津 侑宜
  • 鈴木 知之

Assignees

  • ミツミ電機株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (11)

  1. 周辺部と第１メンブレン部とを有する基板と、 前記第１メンブレン部上に配置され、第１方向に延びる第１ヒータと、前記第１方向に並んで複数配置され、前記第１メンブレン部上に第１温接点を持つ第１の熱電対を有する第１のサーモパイルと、前記第１方向に並んで複数配置され、前記第１メンブレン部上に第２温接点を持つ第２の熱電対を有する第２のサーモパイルと、を有する第１測定部と、を備え、 前記第１方向において、前記第１の熱電対と前記第２の熱電対は交互に配置され、 前記第１方向と交差する第２方向において、前記第１ヒータから前記第１温接点までの第１距離が、前記第１ヒータから前記第２温接点までの第２距離よりも長い、フローセンサ。
  2. 前記第１測定部において、検出対象の流体は前記第１方向に流れる、請求項１に記載のフローセンサ。
  3. 前記基板に形成された第２メンブレン部と、 第２ヒータと、 前記第２方向に並んで複数配置され、前記第２メンブレン部上に第３温接点を持つ第３の熱電対を含む第３のサーモパイルと、を有する第２測定部と、をさらに備え、 前記第２測定部において、前記流体は、前記第１方向に流れる、請求項２に記載のフローセンサ。
  4. ｍ及びｎのそれぞれを２以上の整数とし、 前記第１のサーモパイルは、複数の前記第１の熱電対からなり、 前記第１の熱電対は、第１配線と前記第１配線よりも上方に配置された第２配線とを有し、 ｎ個目の前記第１配線とｎ個目の前記第２配線が前記第１メンブレン部において前記第１温接点で接続され、ｎ＋１個目の前記第１配線とｎ個目の前記第２配線が前記周辺部において第１冷接点で接続され、 前記第２のサーモパイルは、複数の前記第２の熱電対からなり、 前記第２の熱電対は、第３配線と前記第３配線よりも上方に配置された第４配線とを有し、 ｍ個目の前記第３配線とｍ個目の前記第４配線が前記第１メンブレン部において第３点で接続され、ｍ＋１個目の前記第３配線とｍ個目の前記第４配線が前記周辺部において接続部を介して接続されている、請求項１に記載のフローセンサ。
  5. 前記第１のサーモパイルは、複数の前記第１の熱電対からなり、 前記第１の熱電対は、第１導電型のポリシリコン配線である第１配線と、前記第１配線よりも上方に配置され、前記第１導電型とは反対の第２導電型のポリシリコン配線である第２配線とを有し、 前記第２のサーモパイルは、複数の前記第２の熱電対からなり、 前記第２の熱電対は、前記第１導電型のポリシリコン配線である第３配線と、前記第２導電型のポリシリコン配線である第４配線とを有する、請求項１に記載のフローセンサ。
  6. ｍ及びｎのそれぞれを１以上の整数とし、 ｎ個目の前記第１配線とｎ個目の前記第２配線が前記第１メンブレン部において第１点で接続され、ｎ＋１個目の前記第１配線とｎ個目の前記第２配線が前記周辺部において第１接続部を介して接続され、 ｍ個目の前記第３配線とｍ個目の前記第４配線が前記第１メンブレン部において第３点で接続され、ｍ＋１個目の前記第３配線とｍ個目の前記第４配線が前記周辺部において第２接続部を介して接続されている、請求項５に記載のフローセンサ。
  7. ｎを２以上の整数とし、 前記第１のサーモパイルは、ｎ個の前記第１の熱電対からなり、 前記第２のサーモパイルは、ｎ個の前記第２の熱電対からなる、請求項１に記載のフローセンサ。
  8. ｎは偶数であり、 前記第１のサーモパイルのｎ／２個目とｎ／２＋１個目の間に、前記第１の熱電対、及び、前記第２の熱電対と電気的に独立している第４の熱電対が配置されている、請求項７に記載のフローセンサ。
  9. 前記第１の熱電対は、第１配線と前記第１配線よりも上方に配置された第２配線とを有し、 前記第４の熱電対は、第５配線と前記第５配線よりも上方に配置された第６配線とを有し、 前記第６配線の一端は、前記第５配線に接続されており、 前記第６配線の他端は終端され、 ｎ／２個目の前記第２配線は、前記第５配線の上方に配置された接続部を介して、ｎ／２＋１個目の前記第１配線に接続されている、請求項８に記載のフローセンサ。
  10. ｍ及びｎのそれぞれを２以上の整数とし、 前記第１のサーモパイルはｎ個の前記第１の熱電対からなり、 前記第１の熱電対は、第１配線と前記第１配線よりも上方に配置された第２配線とを有し、 前記第２のサーモパイルはｍ個の前記第２の熱電対からなり、 前記第２の熱電対は、第３配線と第４配線とを有し、 前記第１配線と前記第３配線は同じ形状を有し、 前記第２配線と前記第４配線は同じ形状を有する、請求項１に記載のフローセンサ。
  11. 前記第１温接点は、前記第１配線と前記第２配線がコンタクトプラグにより接続された箇所であり、 前記第２温接点は、前記第３配線と前記第４配線がコンタクトプラグにより接続された箇所である、請求項１０に記載のフローセンサ。

Description

本発明は、フローセンサに関する。 従来、気体又は液体等の流体の、流量又は流速、或いは熱伝導率を検出するフローセンサが知られている。 例えば、特許文献１には、流量測定の測定レンジを上げるために、ヒータからサーモパイルの距離を変化させる技術が開示されている。 特開２０１８－１４１６６４号公報 第１実施形態に係るフローセンサの全体構成を示す模式的上面図の一例である。図１におけるII－II線の模式的断面図の一例である。第１実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを拡大して示す模式的上面図の一例である。第２実施形態に係るフローセンサの全体構成を示す模式的上面図の一例である。第３実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを拡大して示す模式的上面図の一例である。第４実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを拡大して示す模式的上面図の一例である。第５実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを示す模式的上面図の一例である。第６実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを示す模式的上面図の一例である。第７実施形態に係るフローセンサが有する第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルを示す模式的上面図の一例である。 以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。但し、以下に示す形態は、本開示の技術思想を具現化するためのフローセンサを例示するものであって、以下に限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさ、位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。 各図面において、方向表現として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する直交座標を用いる。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに略直交する。Ｘ軸の矢印が向く方向を＋Ｘ方向又は＋Ｘ側、＋Ｘ方向とは反対方向を－Ｘ方向又は－Ｘ側と表記する。Ｙ軸の矢印が向く方向を＋Ｙ方向又は＋Ｙ側、＋Ｙ方向とは反対方向を－Ｙ方向又は－Ｙ側と表記する。Ｚ軸の矢印が向く方向を＋Ｚ方向又は＋Ｚ側、＋Ｚ方向とは反対方向を－Ｚ方向又は－Ｚ側と表記する。 Ｘ方向は、実施形態に係るフローセンサが有するヒータの長手方向である第１方向に対応する。Ｙ方向は、第１方向と交差する第２方向に対応する。Ｚ方向は、実施形態に係るフローセンサが有する第１メンブレン部の平面を上面視する方向である第３方向に対応する。本明細書では、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び第３方向Ｚと表記する。また、第３方向Ｚから対象物を視ることを上面視という場合がある。 上記の特定の方向や位置を示す用語は、参照した図面における相対的な方向や位置を分かり易くするために用いているにすぎない。これらの用語は、実施形態の方向を限定するものではなく、実施形態に係るフローセンサの使用時における向きは任意である。また、本明細書において、「配置する」は、直接接する場合に限られず、間接的に、例えば他の部材を介して配置する場合も含む。 ［第１実施形態］ ＜第１実施形態に係るフローセンサの構成＞ 図１から図３を参照して、第１実施形態に係るフローセンサの構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るフローセンサ１００の全体構成を示す模式的上面図の一例である。図２は、図１におけるII－II線の模式的断面図である。図３は、フローセンサ１００が有する第１のサーモパイル３及び第２のサーモパイル４を拡大して示す模式的上面図である。 フローセンサ１００は、気体又は液体等の流体の熱伝導率等を検出する熱式のセンサである。フローセンサ１００は、流体の熱伝導率に応じた検出信号を出力する。 図１に示す例では、フローセンサ１００は、上面視において、略矩形の外形形状を有する。上面視におけるフローセンサ１００のサイズは、一例として、１．６ｍｍ×１．６ｍｍである。但し、上面視における基板１の外形形状は、略円形、略楕円形、又は略多角形等であってよい。また、フローセンサ１００のサイズ及び厚みは、上記のものに限定されない。フローセンサ１００は、半導体プロセス等により形成される。 図１に示すように、フローセンサ１００は、周辺部１１と第１メンブレン部１２とを有する基板１を備える。また、フローセンサ１００は、第１測定部１１０を備える。第１測定部１１０は、第１メンブレン部１２上に配置され、第１方向Ｘに延びる第１ヒータ２と、第１方向Ｘに並んで複数配置され、第１メンブレン部１２上に第１温接点３２を持つ第１の熱電対３１を有する第１のサーモパイル３と、を有する。また、第１測定部１１０は、第１方向Ｘに並んで複数配置され、第１メンブレン部１２に第２温接点４２を持つ第２の熱電対４１を有する第２のサーモパイル４を有する。なお、図１では、第１測定部１１０が第１ヒータ２、第１のサーモパイル３及び第２のサーモパイル４を有することを示すために、第１ヒータ２、第１のサーモパイル３及び第２のサーモパイル４のそれぞれの符号と、第１測定部１１０の符号と、を併記している。以降でも同様の目的で符号を併記する場合がある。 図１に示す例では、第１ヒータ２は、第１方向Ｘにおける両端に配置された第１ヒータパッド２１に接続している。第２方向Ｙにおいて、第１ヒータ２に対して対称に、７個の第１の熱電対３１及び６個の第２の熱電対４１が、第１方向Ｘに並んでほぼ一定の間隔で配置されている。 図１に示す例では、フローセンサ１００は、２つの第１のサーモパイル３と、２つの第２のサーモパイル４と、を有している。第１ヒータ２の＋Ｙ側に配置された第１のサーモパイル３Ａと、第１ヒータ２の－Ｙ側に配置された第１のサーモパイル３Ｂは、第１ヒータ２を基準に鏡映対称であり、対をなしている。また、第１ヒータ２の＋Ｙ側に配置された第２のサーモパイル４Ａと、第１ヒータ２の－Ｙ側に配置された第２のサーモパイル４Ｂは、第１ヒータ２を基準に鏡映対称であり、対をなしている。なお、第１のサーモパイル３を熱電堆と称し、複数の熱電対が接続されて第１のサーモパイル３を形成していると言える。また、第２のサーモパイル４を熱電堆と称し、複数の熱電対が接続されて第２のサーモパイル４を形成していると言える。 本実施形態では、第１方向Ｘにおいて、第１の熱電対３１と第２の熱電対４１は交互に配置される。また、第１方向Ｘと交差する第２方向Ｙにおいて、第１ヒータ２から第１温接点３２までの第１距離Ｌ１が、第１ヒータ２から第２温接点４２までの第２距離Ｌ２よりも長い。第１測定部１１０において、検出対象の流体は第１方向Ｘに流れる。本実施形態では、第１測定部１１０は、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２の差に応じた第１のサーモパイル３と第２のサーモパイル４の出力差に基づき、流体の熱伝導率を算出する。 図２に示す例では、フローセンサ１００は、基板１と、第３方向Ｚにおいて基板１の上に配置された絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３上に配置された保護膜１３を有している。周辺部１１は基板１からなる支持部１１１を有している。第１メンブレン部１２は支持部１１１を有していない。第３方向Ｚにおいて、周辺部１１の厚さは約４００μｍであり、第１メンブレン部１２の厚さは約２μｍである。第２配線３１２は、第３方向Ｚにおいて、第１配線３１１の上方、例えば＋Ｚ側に配置されている。第１配線３１１と第２配線３１２は、第１メンブレン部１２上の第１温接点３２において接続され、かつ周辺部１１上の第１冷接点３３において接続されている。第１温接点３２は、第１の熱電対３１が有する２つの接点のうち、温度測定のために用いられる接点である。第１冷接点３３は、第１の熱電対３１が有する２つの接点のうち、温接点以外の接点である。 第１の熱電対３１は、第１配線３１１と、第１配線３１１よりも上方、すなわち＋Ｚ側に配置された第２配線３１２と、を有する。第１配線３１１及び第２配線３１２は、保護膜１３の内部に配置されている。接続された第１配線３１１と第２配線３１２を１組として熱電対と称することができる。基板１の第１配線３１１と第２配線３１２の一端は、第１メンブレン部１２の上で接続され、かつ他端は周辺部１１の上で接続される。 保護膜１３は、複数の絶縁膜が積層された積層構造体である。周辺部１１の支持部１１１は、基板１であり、例えばシリコンを含んで構成された部材である。周辺部１１は、第１メンブレン部１２と比較して放熱効率が高く、ヒートシンクの機能を有する。第１ヒータ２は、白金、ニクロム、ポリシリコン等を含んで構成され、第１ヒータパッド２１を介して供給される電流又は電圧に応じて発熱する発熱抵抗体である。 第１の熱電対３１の第１配線３１１は、例えばポリシリコン膜を含んで構成されたポリシリコン配線である。第１の熱電対３１の第２配線３１２は、例えばアルミニウム膜を含んで構成されたアルミニウム配線である。第１配線３１１及び第２配線３１２は、それぞれ第２方向Ｙに延びている。第１の熱電対３１は、第１配線３１１のポリシリコン膜と第２配線３１２のアルミニウム膜が直列接続された繰り返し構造を有する。 図３に示すように、本実施形態では、ｎを１以上の整数とすると、ｎ個目の第１配線３１１ｎとｎ個目の第２配線３１２ｎが、第１メンブレン部１２においてコンタクトプラグ３２２により第１温接点３２で接続されている。また、ｎ＋１個目の第１配線３１１ｎ＋１とｎ個目の第２配線３１２ｎが、周辺部１１において第１冷接点３３で接続されている。第２配線３１２がＹ方向に延び、Ｚ方向において導電膜８１の上方を通過し、Ｘ方向に隣接する第２の熱電対４１を跨ぎコンタクトプラグ３３１に接続されている。コンタクトプラグ３３１は周辺部１１においてｎ＋１番目の第１配線に電気的に接続されている。 第２のサーモパイル４が有する第２の熱電対４１は、第３配線４１１と、第３配線４１１よりも上方、すなわち＋Ｚ側に配置された第４配線４１２と、を有する。第３配線４１１及び第４配線４１２も、図２に示す第１配線３１１及び第２配線３１２と同様に、保護膜１３の内部に配置される。 第３配線４１１と第４配線４１２は、第１メンブレン部１２上の第３点としての第２温接点４２において接続されている。また、第３配線４１１と第４配線４１２は、周辺部１１において接続部３４を介して接続されている。 本実施形態では、ｍを１以上の整数とすると、ｍ個目の第３配線４１１ｍとｍ個目の第４配線４１２ｍが、第１メンブレン部１２においてコンタクトプラグ４２２により第２温接点４２で接続されている。第３配線４１１ｍは、コンタクトプラグ３４２に接続され、コンタクトプラグ３４２は導電膜８１に接続されている。導電膜８１は３１２ｎと３１２ｎ＋１の下を通過し、コンタクトプラグ３４３に接続される。コンタクトプラグ３４３は配線３４４を介してコンタクトプラグ３４１に接続される。コンタクトプラグ３４１はｍ＋１個目の第３配線４１１ｍ＋１に接続される。ｍ個目の第３配線４１１ｍは、コンタクトプラグ３４２に接続されている。第３配線４１１ｍ＋１は、コンタクトプラグ３４２、コンタクトプラグ３４３及び配線３４４を介して第３配線４１１ｍに接続されている。 第１のサーモパイル３の第１配線３１１及び第２のサーモパイル４の第３配線４１１は、例えばポリシリコン膜を含んで構成されたポリシリコン配線である。第１のサーモパイル３の第２配線３１２及び第２のサーモパイル４の第４配線４１２は、例えばアルミニウム膜を含んで構成されたアルミニウム配線である。第１配線３１１、第２配線３１２、第３配線４１１及び第４配線４１２は、それぞれ第２方向Ｙに延びている。第１のサーモパイル３は、第１配線３１１のポリシリコン膜と第２配線３１２のアルミニウム膜が直列接続された繰り返し構造を有する。第２のサー