JPH057659B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH057659B2 JPH057659B2 JP58244964A JP24496483A JPH057659B2 JP H057659 B2 JPH057659 B2 JP H057659B2 JP 58244964 A JP58244964 A JP 58244964A JP 24496483 A JP24496483 A JP 24496483A JP H057659 B2 JPH057659 B2 JP H057659B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- heater
- air space
- sensor
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサ
に関する。市販されている空気の流れの中にそう
入する長いプロープの先に、1本の熱線かサーミ
スタを配置するものである。これは、空気の流れ
による冷却効果によつて引き起される温度低下
と、それにともなう電気抵抗値の変化により空気
の流れ速度を測定するものである。こういうデバ
イス構成であるからセンサエレメントは空気の流
れにさらされるので、破損や汚れを受け易いので
ある。しかもこの空冷による温度変化は全く直線
性がないたへ、得られる電気信号を電子回路によ
り、リニアライズすることが必要となる。さらに
これらは高価であり、量産には適さない。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a flow rate sensor for measuring air flow rate. This is a commercially available long probe that is inserted into the air stream and has a hot wire or thermistor placed at the end. This measures the air flow velocity based on the temperature drop caused by the cooling effect of the air flow and the accompanying change in electrical resistance. Because of this device configuration, the sensor element is exposed to air currents and is therefore susceptible to damage and contamination. Moreover, since the temperature change caused by this air cooling is not linear at all, it is necessary to linearize the obtained electrical signal using an electronic circuit. Furthermore, these are expensive and not suitable for mass production.
本発明に関連しているものとして、次のような
市販されている質量流量センサがある。このセン
サは、空気やその他の測定ガスが通りぬける金属
管と、この金属管の1区域を抵抗加熱する変圧器
と、この区域に装着されている2ケの大きなヒー
トシンクと、この熱区域の中心とヒートシンクの
間の熱区域の中間に対称的に金属に取付けられる
2ケの熱電対から構成される。金属管を通してこ
の空気の流れが、上流にある熱電対を冷やし、下
流にある熱電対を熱する。変圧器が一定の電力で
駆動されているとき、この熱電対の出力電圧の差
が質量流量の測定のめやすとなる。これはかなり
電力を必要とする大きな装置である。大きなダク
トの内や、屋外での流量測定には適さないし、高
価であり量産もできない。 Related to the present invention are the following commercially available mass flow sensors: The sensor consists of a metal tube through which air or other gas to be measured passes, a transformer that resistively heats a section of the tube, two large heat sinks attached to this section, and a center of the heated section. It consists of two thermocouples mounted symmetrically on the metal in the middle of the thermal zone between the heat sink and the heat sink. This flow of air through the metal tube cools the upstream thermocouple and heats the downstream thermocouple. When the transformer is driven with constant power, the difference in the output voltage of this thermocouple provides a measure of mass flow rate. This is a large device that requires considerable power. It is not suitable for measuring flow rates inside large ducts or outdoors, is expensive, and cannot be mass-produced.
したがつて、次のような特性を有する流速セン
サもしくは質量流量センサと、これに関連する信
号処理回路が必要とされている。寿命が長く、メ
ンテナンスフリーで、小型で、低消費電力で、広
範囲な分野へ簡単に適用でき、大きな出力信号を
有し、そして広い速度レンジにわたつて直線性が
あるかあるいは容易に直線化できる出力特性を有
するようなものである。更に量産が可能で、低価
格なものでなければならない。 Therefore, there is a need for a flow rate sensor or mass flow sensor and associated signal processing circuit that have the following characteristics. Long life, maintenance free, small size, low power consumption, easy application in a wide range of fields, large output signal, and linear or easily linearized over a wide speed range It is like having output characteristics. Furthermore, it must be able to be mass-produced and be inexpensive.
文献にはこれらの要求に関連して、流速センサ
を改善しようとなされたいくつかの試みが示され
ている。これらの試みは、以下に述べるように、
一般的には、焦電材料は、シリコンとその半導体
特性を利用しようとするものである。これらの試
みはいくつかの点で技術的な改善をもたらした
が、現在の流速センサとして求められている沢山
の特性に関して、いまだ不満足なものである。本
発明は、いかなる従来技術と比べても大巾にこれ
らの要求を満足するように、技術的に進歩してい
る。次に、よく知られている最も関連が深い従来
技術について述べることにする。 The literature presents several attempts to improve flow rate sensors in relation to these demands. These attempts, as described below,
Generally, pyroelectric materials seek to exploit silicon and its semiconducting properties. Although these attempts have brought about technical improvements in some respects, they are still unsatisfactory with respect to many of the characteristics desired in current flow rate sensors. The present invention is technologically advanced to meet these requirements to a greater extent than any prior art. Next, we will discuss the well-known and most closely related prior art.
ヒユイジング(*1)らが発明した流速センサ
は、シリコンチツプの両端近傍に埋め込まれた拡
散型トランジスタからなる同一の2ケの温度検知
素子と、これらの中薪心に配置されシリコンチツ
プを空気温度により45℃熱するための拡散型トラ
ンジスタからなるヒータ素子から構成される。空
気が流れると流れの上流に位置する温度検知素子
は、下流に位置する温度検知素子よりもわずかに
冷やされ、この2つの温度検知素子の温度差が電
流の差になり、電圧に変換されて空気の流速が測
定される。この温度検知素子は、感知できる程度
の温度差を実現するために、チツプの対向する両
端に配置させなくてはならないが、それでも生ず
る温度差は小さく、0〜50cm/秒の速度範囲で0
〜0.2℃以下の温度変化にすぎない。 The flow velocity sensor invented by Huising (*1) et al. consists of two identical temperature sensing elements consisting of diffusion transistors embedded near both ends of a silicon chip, and a sensor placed in the center of these elements that detects the air temperature. It consists of a heater element consisting of a diffusion type transistor that heats the device by 45 degrees Celsius. When air flows, the temperature sensing element located upstream of the flow is slightly cooler than the temperature sensing element located downstream, and the temperature difference between these two temperature sensing elements becomes a difference in current, which is converted into voltage. The air flow rate is measured. This temperature sensing element must be placed at opposite ends of the chip in order to achieve a perceivable temperature difference, but the temperature difference is still small and zero at speeds from 0 to 50 cm/sec.
It is only a temperature change of ~0.2℃ or less.
*1 J.H.Huijsing、et al:IEEE
Transactions on Electron Devices、Vol.ED
−29、No.1、pp.133−136、January、1982
バツプツテン(*2)らが発明した流速センサ
は、シリコンチツプの向い合う各4辺上に埋め込
まれた同一の拡散型抵抗素子から構成される。す
べての抵抗素子は自己発熱し、これによりシリコ
ンチツプは流れてくる空気の温度によりかなり熱
せらられる。抵抗素子は電気的な2重ブリツヂ回
路で駆動される。空気の流れがないとき、すべて
の抵抗素子は同一温度になるので、2重ブリツヂ
回路は電気的にバランスする。空気の流れがある
とき、流れに対して垂直な上流及び下流の抵抗素
子は、流れに対して平行な両側の抵抗素子より冷
やされることになる。この温度差が2重ブリツヂ
のバランスをくずし、空気の流れ速度が測定され
る。*1 JHHuijsing, et al: IEEE
Transactions on Electron Devices, Vol.ED
-29, No. 1, pp. 133-136, January, 1982 The flow velocity sensor invented by Buptuten (*2) et al. consists of identical diffused resistance elements embedded on each of the four opposing sides of a silicon chip. be done. All resistive elements self-heat, which causes the silicon chip to heat up considerably due to the temperature of the flowing air. The resistive element is driven by an electrical double bridge circuit. When there is no air flow, all resistive elements are at the same temperature, so the double bridge circuit is electrically balanced. When there is air flow, the upstream and downstream resistive elements perpendicular to the flow will be cooler than the resistive elements on either side parallel to the flow. This temperature difference unbalances the double bridge and the air flow velocity is measured.
*2 A.F.P.Van Putten、et al:Electronics
Letters、Vol.10.No.21、pp.425−426、
October、1974
マリン(*3)らが発明した質量流量センサ
は、大きなシリコン細片上の拡散型抵抗素子から
なる2ケのセンサと、そのセンサの間の中心に配
置される拡散型のヒータ素子から構成される。こ
の技術は市販されている金属管を熱するタイプの
質量流量センサに類似している。空気の流れによ
り、流れの下流に位置するセンサは熱せられ上流
に位置するセンサは冷やされるので、これらのセ
ンサの温度の差がセンサ両端に生ずる電圧の差を
もたらし、質量流量が測定される。*2 AFPVan Putten, et al: Electronics
Letters, Vol.10.No.21, pp.425−426,
October, 1974 The mass flow sensor invented by Mullin (*3) et al. consists of two sensors consisting of a diffused resistance element on a large piece of silicon and a diffused heater element placed centrally between the sensors. configured. This technology is similar to commercially available heated metal tube type mass flow sensors. As the air flow heats the sensors located downstream in the flow and cools the sensors located upstream, the difference in temperature of these sensors results in a voltage difference across the sensors and a mass flow rate is measured.
*3 K.Malin、et al:IBM Technical
Disclosure Bulletin、Vol.21、No.8、
January、1979
ラハナマイ(*4)らは、結晶学的に配置され
る磨かれた単結晶のタンタル酸リチウムの薄い板
の背面全面に金属薄膜を付着させ、表面中心には
薄膜状に付着させたヒータ抵抗素子を配置し、こ
れから同じ距離離れて配置される2つの薄膜電極
とから構構成されるセンサを開示している。ここ
でタンタル酸リチウムの大きさは、長さ8mm、巾
4mm、最小板厚は0.06mmである。文献に述べられ
ているように、この板の下を空気が流れるように
するために、この板の両端を大きなネジ頭の上に
支持させている。上流と下流に位置する2つの電
極は、背面の電極面との間で分離した同一のコン
デンサを構成し、温度検知用のコンデンサとして
働く。動作は、例えば2〜10Hzのような低い周波
数の電圧でヒータ素子を駆動することで、ヒータ
素子を、流れる空気の温度に対して周期的に熱す
る。センサ素子も、タンタル酸リチウムと通して
の熱伝導により、これに対応して周期的に熱せら
れることになる。このタンタル酸リチウムは焦電
材料であることから温度に対応して分極を生ずる
ことになるが、空気の流れがないときには、2つ
のセンサに発生する周期的な分極電圧は同一のも
のとなる。従つて空気の流れがないときの2つの
センサの間の電圧の差は0となる。文献でも述べ
られているように、空気の流れがあるとき、上流
に位置するセンサ素子は下流に位置するセンサ素
子よりも冷やされることになるので、これらのセ
ンサの温度の差が電圧のの差をもたらし流速が測
定される。*3 K. Malin, et al: IBM Technical
Disclosure Bulletin, Vol.21, No.8,
January, 1979 Rahanamayi (*4) et al. deposited a thin metal film on the entire back surface of a thin plate of polished single-crystal lithium tantalate arranged crystallographically, and deposited a thin film on the center of the surface. A sensor is disclosed that is comprised of a heater resistor element and two thin film electrodes spaced the same distance therefrom. Here, the lithium tantalate has a length of 8 mm, a width of 4 mm, and a minimum thickness of 0.06 mm. As stated in the literature, both ends of the plate are supported on large screw heads to allow air to flow under the plate. The two electrodes located upstream and downstream constitute the same capacitor separated from the back electrode surface and serve as a temperature sensing capacitor. In operation, the heater element is driven with a voltage at a low frequency, such as 2 to 10 Hz, to periodically heat the heater element relative to the temperature of the flowing air. The sensor element will also be correspondingly heated periodically due to heat conduction through the lithium tantalate. Since this lithium tantalate is a pyroelectric material, it will polarize in response to temperature, but when there is no air flow, the periodic polarization voltages generated in the two sensors will be the same. Therefore, the difference in voltage between the two sensors when there is no air flow is zero. As stated in the literature, when there is air flow, the sensor element located upstream will be cooler than the sensor element located downstream, so the difference in temperature of these sensors will be the difference in voltage. resulting in the flow rate being measured.
*4 H.Rahnamai、et al:paper presented
at the 1980 International Electron Devices
Society of IEEE、Wastington D.C.、pp.680
−684、December 8−10、1980
前述したように、これらの試みはいくつかの点
で技術的な改善をもたらしたが、現在のセンサと
して求められている沢山の特性に関しては、いま
だ不満足なものである。本発明は、これらの要求
を十分満足すべく技術を進歩させたものである。*4 H. Rahnamai, et al: paper presented
at the 1980 International Electron Devices
Society of IEEE, Washington DC, pp.680
-684, December 8-10, 1980 As mentioned above, although these attempts brought about technical improvements in some respects, many of the characteristics required of current sensors are still unsatisfactory. It is. The present invention advances technology to fully satisfy these demands.
本願の第1の発明は、熱伝導率の比較的小さい
薄膜の絶縁層で熱感知センサとヒータとを包んだ
2つの薄膜部材を、半導体基板の表面にエツチン
グにより形成された空気スペースに位置するよう
に、少なくともその一端が上記半導体基板に保持
されることにより、上記基板と非接触状態にし
て、かつ、極めて隣接して配置し得る構成とした
ものである。 The first invention of the present application is to position two thin film members, each of which surrounds a heat sensing sensor and a heater with a thin insulating layer having a relatively low thermal conductivity, in an air space formed by etching on the surface of a semiconductor substrate. As such, at least one end thereof is held by the semiconductor substrate, so that it can be placed in a non-contact state with the substrate and in close proximity to the substrate.
次に、第2の発明は、上記第1の発明の改良に
係り、第1および第2の薄膜部材を同一平面上に
保つべく連結取段を設けた構成とたものである。 Next, a second invention relates to an improvement of the first invention, and has a configuration in which a connecting means is provided to keep the first and second thin film members on the same plane.
更に、第3および第4の発明は、薄膜のヒー
タ、一対の薄膜の熱感知センサに加えて、周囲の
温度をモニタするため、シリコン基板とヒートシ
ンクとした周囲温度検出手段と、ブリツジ回路制
御手段を設け、薄膜のヒータを周囲温度より一定
の高い温度で駆動し得る構成としたものである。 Furthermore, the third and fourth inventions provide, in addition to the thin film heater and the pair of thin film heat sensing sensors, an ambient temperature detection means using a silicon substrate and a heat sink to monitor the ambient temperature, and a bridge circuit control means. The structure is such that the thin film heater can be driven at a constant temperature higher than the ambient temperature.
本発明の具体的な実施例として、基板20は半
導体、その中でも特に精密なエツチング技術を応
用できる点と、チツプの生産性の高い点からシリ
コンが選択される。そしてこの基板上に形成され
る格子形状をなくす全く同一の測温抵抗素子は薄
膜の熱感知センサ22,24として働き、この2
個のセンサの中央部に配置される格子形状をなく
す発熱抵抗素子は薄膜のヒータ26として働く。
熱感知センサ22,24及びヒータ26として
は、鉄とニツケルの合金、例えば80%のニツケル
と20%の鉄からなるパーマロイといたものを使う
ことが適している。こられ熱感知センサ22,2
4及びヒータ2は、例えば窒化シリコンからなる
薄膜の絶縁層28,39により包まれて、薄膜部
材を形成する。第1図及び第2図の実施例に示す
ように、センサは、ヒータ26の半分と熱感知セ
ンサ22からなる薄膜部材32と、ヒータ26の
半分と熱感知センサ24からなる薄膜部材34と
から構成され、巾150μ長さ400μの大きさを有す
る。 In a specific embodiment of the present invention, the substrate 20 is selected from semiconductors, in particular silicon, because it can be applied with precise etching technology and has high chip productivity. The identical temperature-measuring resistance elements formed on this substrate without the grid shape function as thin-film heat sensing sensors 22 and 24, and these two
A heating resistor element disposed in the center of each sensor that eliminates the grid shape functions as a thin film heater 26.
As the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26, it is suitable to use an alloy of iron and nickel, such as permalloy made of 80% nickel and 20% iron. This heat detection sensor 22, 2
4 and the heater 2 are surrounded by thin film insulating layers 28 and 39 made of silicon nitride, for example, to form a thin film member. As shown in the embodiments of FIGS. 1 and 2, the sensor includes a thin film member 32 comprising half of the heater 26 and the heat sensing sensor 22, and a thin film member 34 comprising half of the heater 26 and the heat sensing sensor 24. It has a width of 150μ and a length of 400μ.
更に本発明で開示するセンサは、熱感知センサ
22,24及びヒータ26を効果的に囲む空気ス
ペース30を有する。この空気スペース30はシ
リコンの表面36に微細構造をもつて形成され
る。すなわち熱感知センサ22,24及びヒータ
26は、約0.08〜0.12μの厚さで線間に約5μの空
間を有する巾5μの緩からなり、しかもこれらは
全体の厚さが約0.8μ以下になるような窒化シリコ
ンの薄い膜によつて包まれるように構成される。
そしてエツチングによりくぼみである空気スペー
ス30が、薄膜部材32,34の下のシリコン基
板20の中に125μの深さで正確に形成される。
薄膜部材32,34は、空気スペース30の1つ
またはそれ以上のエツヂにおいて、シリコンの基
板20の表面36の最上部に接続される。例えば
第3図に示すように、薄膜部材32,34は、空
気スペース30を架橋するように、あるいは第3
A図に示すように片持ちばりで構成することもで
きる。 Additionally, the sensor disclosed herein has an air space 30 that effectively surrounds the heat sensitive sensors 22, 24 and the heater 26. This air space 30 is formed with a microstructure on the surface 36 of the silicon. That is, the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26 are made of loose wires with a thickness of about 0.08 to 0.12μ and a width of 5μ with a space of about 5μ between the lines, and the total thickness of these is about 0.8μ or less. It is constructed so that it is surrounded by a thin film of silicon nitride.
Then, by etching, a recessed air space 30 is formed in the silicon substrate 20 under the membrane members 32, 34 to a depth of exactly 125 microns.
Thin film members 32 , 34 are connected to the top of the surface 36 of the silicon substrate 20 at one or more edges of the air space 30 . For example, as shown in FIG.
It can also be constructed with a cantilever beam as shown in Figure A.
窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体であ
る。薄膜部材32,34を包む窒化シリコンの膜
が極めて薄くかつ熱的絶縁もよいことから、窒化
シリコン膜によるヒータ26の熱の損失は極めて
小さく、ヒータ26から熱感知センサ22,24
に伝わる熱のほとんどがヒータ26を取り囲む空
気を通して伝えられることになる。すなわち窒窒
化シリコン膜の熱伝導率が小さいことから、熱感
知センサ22と24をヒータ266に極めて隣隣
して配置することができ、ヒータ26からの熱の
ほとんどは窒化シリコン膜を通らずにヒータ26
を取り囲む空気を通して伝えられることになる。
そして、ヒータ26近傍の空気中に効果的に強固
にささえられた熱感知センサ22,24は、ヒー
タ26の面とその近傍の空気の温度を測定するプ
ローブとして働くことになる。 Silicon nitride is an excellent thermal insulator. Since the silicon nitride film surrounding the thin film members 32 and 34 is extremely thin and has good thermal insulation, the heat loss of the heater 26 due to the silicon nitride film is extremely small, and the heat sensing sensors 22 and 24 are
Most of the heat transferred to the heater 26 will be transferred through the air surrounding the heater 26. In other words, since the thermal conductivity of the silicon nitride film is low, the heat sensing sensors 22 and 24 can be placed very close to the heater 266, and most of the heat from the heater 26 does not pass through the silicon nitride film. Heater 26
It will be transmitted through the air surrounding it.
The heat sensing sensors 22 and 24 effectively and firmly supported in the air near the heater 26 function as probes that measure the temperature of the surface of the heater 26 and the air near it.
空気の流速を検出するという本発明の原理を第
2図に基いて説明する。ヒータ26は、基板20
の温度より200℃高くなる一定の温度に加熱され
る。このシリコンの基板20の温度は流れている
空気の温度とほとんど同じものである。具体的に
は、シリコンの基板20がTO−100タイプのメ
タルヘツドもしくはサーデイプパツケージのよう
なヒートシンクに搭載されている場合は、シリコ
ンの基板20の温度は流れている空気の温度より
0.5℃程度高くなるにすぎない。又、ヒータ26
の温度を流れる空気の温度より200℃高く保つと
いつても0.01Wより小さな電力が要求されるにす
ぎない。 The principle of the present invention of detecting the air flow velocity will be explained based on FIG. 2. The heater 26 is connected to the substrate 20
is heated to a constant temperature that is 200°C higher than the temperature of The temperature of this silicon substrate 20 is almost the same as the temperature of the flowing air. Specifically, when the silicon substrate 20 is mounted on a heat sink such as a TO-100 type metal head or a cerdip package, the temperature of the silicon substrate 20 is lower than the temperature of the flowing air.
It will only increase by about 0.5℃. Also, the heater 26
Whenever the temperature of the air is kept 200°C higher than the temperature of the flowing air, less than 0.01W of power is required.
ヒータ26からの熱伝導の大部分は空気スペー
ス30も含んだ周囲の空気を通して行われるが、
本発明の実施例において空気の流れがないとき、
熱感知センサ22と24は平均温度で約140℃
(200℃の約70%)に熱せられる。すなわち、図に
示すように、熱感知センサ22と24はヒータ2
6に対して正確に対称に配置されるので、空気の
流速が0のときにはこの2つのセンサの温度は同
一になり、この2つのセンサの抵抗値の差は生じ
ない。従つて0.1から1.0mAの微小測定の電流を
流しても、この2つの熱感知センサに電圧の差は
発生しないことになる。 Most of the heat transfer from heater 26 occurs through the surrounding air, which also includes air space 30;
When there is no air flow in the embodiment of the present invention,
The average temperature of the thermal sensors 22 and 24 is approximately 140°C.
(approximately 70% of 200℃). That is, as shown in the figure, the heat sensing sensors 22 and 24 are connected to the heater 2.
6, the temperature of these two sensors is the same when the air flow rate is 0, and there is no difference in the resistance values of the two sensors. Therefore, even if a minute current of 0.1 to 1.0 mA is applied, no voltage difference will occur between the two heat sensing sensors.
空気の流れがあるときには、この実施例におい
て上流に位置する熱感知センサ22はヒータ26
へ向う空気の流れにより熱が運び去られるので冷
やされ、一方、下流に位置する熱感知センサ24
はヒータ26からの空気の流れによつて熱せられ
ることになる。これによつて生ずる熱感知センサ
22と24の間の抵抗値の差が電圧値の差をもた
らし流速が測定される。増巾しないときのこの電
圧の差は、760cm/秒の空気の流れ速度において
0.1V程度のものである。 When there is air flow, the upstream heat sensing sensor 22 in this embodiment is connected to the heater 26.
The heat is carried away by the flow of air towards
will be heated by the air flow from heater 26. The resulting difference in resistance between the heat sensing sensors 22 and 24 results in a difference in voltage and the flow velocity is measured. This voltage difference without amplification is equal to
It is about 0.1V.
本発明においては、熱感知センサ22と24は
定電流で駆動され、前述したように空気が流れて
いる状態のもとでの温度のバランスの変化を検出
するように構成されている。なお、2つのセンサ
を定電圧モードで駆動するとか、定温度モード駆
動するとか、定電力モードで駆動するとかいうよ
うに、信号に生じさせるような方法であればこれ
に替わる他の方法で構成しても実現は可能であ
る。 In the present invention, the heat sensing sensors 22 and 24 are driven by a constant current and are configured to detect changes in temperature balance under flowing air as described above. In addition, if the method causes a signal to be generated, such as driving two sensors in constant voltage mode, constant temperature mode, or constant power mode, other methods can be used instead. However, it is possible to realize it.
ヒータ26と熱感知センサ22,24の熱容量
が極めて小さいことと、基板への接続手段である
窒化シリコン膜により予えられる熱的絶縁性と、
空気スペース30の存在により、本発明の応答性
は測定結果によれば時定数が0.005秒と非常に速
いものとする。すなわち熱感知センサ22と24
は空気の流れの変化に非常に速く応答できること
になる。 The heat capacity of the heater 26 and the heat sensing sensors 22 and 24 is extremely small, and the thermal insulation provided by the silicon nitride film, which is the connection means to the substrate,
Due to the presence of the air space 30, the responsiveness of the present invention is very fast with a time constant of 0.005 seconds according to measurements. That is, heat sensing sensors 22 and 24
will be able to respond very quickly to changes in air flow.
本発明において、ヒータ26は空気の温度に対
して一定の温度となるように駆動され、熱感知セ
ンサ22と24は定電流で駆動されることから、
熱感知センサ22と24の温度変化は抵抗値の変
化として検知されることになる。これらの機能を
実現するための回路例を第4図及び第5図に示
す。第4図に示された回路はヒータ26の温度を
制御するためのものであり、第5図に示された回
路は熱感知センサ22と24の間の抵抗値の差に
比例する信号電圧を得るためのものである。 In the present invention, since the heater 26 is driven to maintain a constant temperature relative to the air temperature, and the heat sensing sensors 22 and 24 are driven with a constant current,
A change in temperature of the heat sensing sensors 22 and 24 is detected as a change in resistance value. Examples of circuits for realizing these functions are shown in FIGS. 4 and 5. The circuit shown in FIG. 4 is for controlling the temperature of the heater 26, and the circuit shown in FIG. It is meant to be obtained.
本発明において周囲の空気の温度は、シリコン
の基板20をヒートシンクとして形成される比較
抵抗38によつてモニタされる。比較抵抗38
は、熱感知センサ22,24及びヒータ26と同
様に格子状のパーマロイによつて構成されかつシ
リコンの表面36上に絶縁層28と29に包まれ
て配置される。 In the present invention, the temperature of the surrounding air is monitored by a comparison resistor 38 formed with the silicon substrate 20 as a heat sink. Comparison resistance 38
Like the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26, it is made of grid-like permalloy and is placed on the silicon surface 36 surrounded by insulating layers 28 and 29.
本発明において周囲の空気の温度は、シリコ
ンの基板20をヒートシンクとして形成される比
較抵抗38によつてモニタされる。比較抵抗38
は、熱感知センサ22,24及びヒータ26と同
様に格子状のパーマロイによつて構成されかつシ
リコンの表面36上に絶縁層28と29に包まれ
て配置される。 In the present invention, the temperature of the surrounding air is monitored by a comparison resistor 38 formed with the silicon substrate 20 as a heat sink. Comparison resistance 38
Like the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26, it is made of grid-like permalloy and is placed on the silicon surface 36 surrounded by insulating layers 28 and 29.
絶縁層28と29の厚さは合わせて0.8μと非常
に薄いため相対的に熱伝導がよくなることから、
これらの絶縁層の垂直方向を通して、熱感知セン
サ22,24、ヒータ26、比較抵抗38にと熱
が出入りすることになる。比較抵抗38は絶縁層
に包まれて基板20の表面36に直接取り付けら
れており、ヒータ26がまわりの温度より200℃
高く熱せられていても周囲の空気の温度と0.5℃
以内の範囲にある基板20の温度を容易にモニタ
できることになる。すなわち比較抵抗38は、基
板20の温度を検知することにより、それとほと
んど一致する流れる空気の温度を検知することに
なる。 The total thickness of the insulating layers 28 and 29 is very thin, 0.8μ, so heat conduction is relatively good.
Heat flows into and out of the thermal sensors 22 and 24, the heater 26, and the comparison resistor 38 through the vertical direction of these insulating layers. The comparison resistor 38 is wrapped in an insulating layer and attached directly to the surface 36 of the substrate 20, and the heater 26 is 200°C lower than the surrounding temperature.
Even when heated to a high temperature, the temperature of the surrounding air is 0.5℃
This means that it is possible to easily monitor the temperature of the substrate 20 within the range shown in FIG. That is, by detecting the temperature of the substrate 20, the comparison resistor 38 detects the temperature of the flowing air which almost matches the temperature of the substrate 20.
第4図に示される温度制御回路は、ヒータ26
の温度を、比較抵抗38によつて検出される周囲
温度よりも高い一定温度に保つためのホイートス
トンブリツヂ回路46により構成される。ここで
前述したように本発明の実施例では、この一定値
は約200℃に設定されている。ホイートストンブ
リツヂ回路46は、ヒータ26と抵抗40により
一辺を、比較抵抗38と抵抗42,44により一
辺を構成している。アンプ48と50からなる積
分回路は、出力の電位を変化させることでブリツ
ヂ回路46がバランスするように動作し、ヒータ
26によつて消費される電力を一定に保つように
する。 The temperature control circuit shown in FIG.
A Wheatstone bridge circuit 46 maintains the temperature at a constant temperature higher than the ambient temperature detected by the comparison resistor 38. As mentioned above, in the embodiment of the present invention, this constant value is set at approximately 200°C. The Wheatstone bridge circuit 46 has one side made up of the heater 26 and the resistor 40, and one side made up of the comparison resistor 38 and the resistors 42 and 44. The integrator circuit consisting of amplifiers 48 and 50 operates to balance the bridge circuit 46 by changing the output potential, thereby keeping the power consumed by the heater 26 constant.
第5図に示す回路は、この実施例において空気
の流れの上流に位置する熱感知センサ22と、下
流に位置する熱感知センサ24との間の抵抗値の
差を検出するためのものである。この回路は、ア
ンプ72からなる定電流電源部52と、アンプ6
8と70からなる差動増巾部54から構成され
る。定電流電源部52は、1辺に高インピーダン
ス抵抗56,58と、他辺に零調用可変抵抗60
及び熱感知センサ22,24を有するホイートス
トンブリツヂ回路を駆動する。差動増巾部54の
利得は可変抵抗62により調整される。出力端6
4は熱感知センサ22と24の間の抵抗値の差に
比例する出力電圧する。 The circuit shown in FIG. 5 is for detecting the difference in resistance between the heat sensing sensor 22 located upstream of the air flow and the heat sensing sensor 24 located downstream in this embodiment. . This circuit includes a constant current power supply section 52 consisting of an amplifier 72, and an amplifier 6.
8 and 70. The constant current power supply section 52 has high impedance resistors 56 and 58 on one side and a zero adjustment variable resistor 60 on the other side.
and a Wheatstone bridge circuit having heat sensing sensors 22,24. The gain of the differential amplification section 54 is adjusted by a variable resistor 62. Output end 6
4 is an output voltage proportional to the difference in resistance between the heat sensing sensors 22 and 24.
本実施例においては、アンプ48,50,6
6,72には4ケのアンプをもつLM324の各々
のアンプを使用し、アンプ68と70には2ケの
アンプをもつOP−10の各々のアンプを使用して
いる。 In this embodiment, amplifiers 48, 50, 6
For amplifiers 6 and 72, each of the LM324 amplifiers having four amplifiers is used, and for amplifiers 68 and 70, each of the OP-10 amplifiers having two amplifiers is used.
本発明で開示するセンサの特徴の1つとして
は、広いレンヂの空気の流れ速度に対して、熱感
知センサ22と24の感知する温度の差が大きく
とれるようにと構成されている点があげられる。
この結果、空気の流れ速度の関数となる出力端6
4の出力が大きくとれるので、流速測定の精度が
著しく高められ測定も容易となる。この温度の差
が大きくとれることを、本発明の具体的実施例に
よつて得られる第6図に示す。すなわち、空気の
流れで冷やされる上流に位置する熱感知センサ2
2と、ヒータ26からの熱により熱せられる下流
に位置する熱感知センサ24という2つのセンサ
の出力を結びつけることで、大きな温度差の効果
が得られるのである。この熱することと冷やすこ
とを結びつけて大きな温度差を得るためには、
(1) 熱感知センサ22,24を空気と比較強く熱
的に接触させることが必要となる。すなわち熱
感知センサ22,24がシリコンの基板20か
ら実質的に熱的に絶縁されなくてはいけない。
そしてこれは、薄膜部材32,34を包む窒化
シリコン膜の流手方向に沿つた方向の熱伝導率
が比較的小さいということ、薄膜部材32,3
4と基板20の間に約125μの深さで正確に形
成される空気スペース30により可能となる。 One of the features of the sensor disclosed in the present invention is that it is configured so that the difference in temperature detected by the heat sensing sensors 22 and 24 is large over a wide range of air flow speeds. It will be done.
As a result, the output 6 is a function of the air flow velocity.
4, the accuracy of flow velocity measurement is significantly improved and measurement becomes easy. The fact that this temperature difference can be made large is shown in FIG. 6 obtained by a specific embodiment of the present invention. In other words, the heat sensing sensor 2 located upstream is cooled by the air flow.
By linking the outputs of two sensors: 2 and the heat sensing sensor 24 located downstream which is heated by the heat from the heater 26, a large temperature difference effect can be obtained. In order to combine heating and cooling to obtain a large temperature difference, (1) it is necessary to bring the heat sensing sensors 22, 24 into relatively strong thermal contact with the air. That is, the thermal sensors 22, 24 must be substantially thermally isolated from the silicon substrate 20.
This means that the thermal conductivity of the silicon nitride film surrounding the thin film members 32 and 34 in the direction along the flow direction is relatively small, and the thin film members 32 and 3
This is made possible by the air space 30 being precisely formed between 4 and the substrate 20 to a depth of approximately 125μ.
(2) この実施例において空気の流れの上流に位置
する熱感知センサ22を大きく冷やすことが必
要となる。これには熱感知センサ22の温度を
高く設定する必要がある。そしてこれは、空気
スペース30を介することで熱感知センサ22
をシリコンの基板20から熱絶縁することと、
薄膜部材32の長手に沿つた方向の熱伝導率が
小さいということと、ヒータ26の温度を高く
設定することによつて可能となる。このヒータ
26の温度が高く設定できるためにも、空気ス
ペース30を介してヒータ26をシリコンの基
板20から熱的に絶縁することと、薄膜部材3
2,34の長手に沿つた方向の熱伝導率が小さ
いということが必要である。(2) In this embodiment, it is necessary to significantly cool the heat sensing sensor 22 located upstream of the air flow. This requires setting the temperature of the thermal sensor 22 high. And this is connected to the heat sensing sensor 22 through the air space 30.
thermally insulating from the silicon substrate 20;
This is possible because the thermal conductivity in the longitudinal direction of the thin film member 32 is low and by setting the temperature of the heater 26 high. In order to set the temperature of the heater 26 high, it is necessary to thermally insulate the heater 26 from the silicon substrate 20 via the air space 30 and to
It is necessary that the thermal conductivity in the direction along the length of 2, 34 is small.
(3) この実施例において空気の流れの下流に位置
する熱感知センサ24を、ヒータ26からの熱
を伝えることで大きく熱することが必要とな
る。これは空気スペース30を介することで熱
感知センサ24をシリコンの基板20から熱的
に絶縁することと、薄膜部材34の長手に沿つ
た方向の熱伝導率が小さいということと、ヒー
タ26の温度を高く設定することによつて可能
となる。このヒータ26の温度が高く設定でき
るためにも、空気スペース30を介してヒータ
26をシリコンの基板20から熱的に絶縁する
ことと、薄膜部材32,34の長手に沿つた方
向の熱伝導率が小さいということが必要であ
る。(3) In this embodiment, it is necessary to greatly heat the heat sensing sensor 24 located downstream of the air flow by transmitting the heat from the heater 26. This is because the heat sensing sensor 24 is thermally insulated from the silicon substrate 20 via the air space 30, the thermal conductivity in the longitudinal direction of the thin film member 34 is small, and the temperature of the heater 26 This is possible by setting . In order to set the temperature of the heater 26 high, it is necessary to thermally insulate the heater 26 from the silicon substrate 20 via the air space 30, and to increase the thermal conductivity in the longitudinal direction of the thin film members 32, 34. is small.
(4) 熱感知センサ22と24の中心と、ヒータ2
6のエツヂ部の間の距離を最適な値に選択する
必要がある。(4) The center of the heat detection sensors 22 and 24 and the heater 2
It is necessary to select the distance between the edge portions of No. 6 to an optimum value.
第7図には、空気の流れ速度が0のときの理
想化された空気の温度分布曲線74と、空気の
流れ速度がある任意な値のときの理想化された
空気の温度分布曲線76と、理想的に狭ばめら
れた熱感知センサ22と24の最も適切な配置
距離を示す。ヒータ26に対して流れの上流側
は空気で冷やされることから、この温度分布曲
線はこの側で距離の関数である△T1という値
だけ下げられることになる。ここで、この△T
1はヒータ26の上流側のエツヂからD1離れ
た位置で最も大きくなる。一方、流れの下流側
はこの流れによつて伝わる熱で距離の関数であ
る△T2という値だけ温度が上がることにな
る。ここでこの△T2は、ヒータ26の下流側
のエツヂからD2離れた位置で最も大きくな
る。D1とD2は等しい値である必要はない
が、流れの速度が0のとき流速センサからの出
力が0となるようにするために、流れ速度が0
のときには熱感知センサ22と24の温度は等
しくしなくてはならない。このため本発明の望
ましい実施例としては、熱感知センサ22,2
4が実際には巾をもつていることを考慮し、熱
感知センサ22の中心までの距離D1と熱感知
センサ24の中心までの距離D2を等しくとる
必要がある。これから、D1とD2が等しいと
いう条件の下で、符号を考えなけれは流速セン
サの出力は最大となるので、熱感知センサ22
上にわたる△T1の平均値と、熱感知センサ2
4上にわたる△T2の平均値の合計が最大とな
ることになる。以上のことはある適当な位置で
起こることがみつけられており、数百フイー
ト/分の流れ速度の速度レンヂにおいては、こ
のD1(=D2)の値はヒータの巾のほぼ1/2
の長さである。 FIG. 7 shows an idealized air temperature distribution curve 74 when the air flow velocity is 0, and an idealized air temperature distribution curve 76 when the air flow velocity is a certain arbitrary value. , which shows the most suitable placement distance of the ideally narrowed thermal sensing sensors 22 and 24. Since the upstream side of the flow with respect to the heater 26 is cooled by air, this temperature distribution curve will be lowered by a value of ΔT1, which is a function of distance, on this side. Here, this △T
1 is largest at a position D1 away from the edge on the upstream side of the heater 26. On the other hand, on the downstream side of the flow, the temperature increases by a value of ΔT2, which is a function of distance, due to the heat transferred by this flow. Here, ΔT2 is largest at a position D2 away from the downstream edge of the heater 26. D1 and D2 do not need to be equal values, but in order to ensure that the output from the flow rate sensor is 0 when the flow rate is 0,
At this time, the temperatures of the heat sensing sensors 22 and 24 must be equal. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the heat sensing sensors 22, 2
4 actually has a width, it is necessary to make the distance D1 to the center of the heat sensing sensor 22 and the distance D2 to the center of the heat sensing sensor 24 equal. From now on, under the condition that D1 and D2 are equal, the output of the flow velocity sensor will be maximum unless the sign is considered, so the heat sensing sensor 22
Average value of △T1 over the above and heat sensing sensor 2
The sum of the average values of ΔT2 over 4 becomes the maximum. It has been found that the above occurs at a certain appropriate position, and in the flow velocity range of several hundred feet/minute, the value of D1 (=D2) is approximately 1/2 of the width of the heater.
is the length of
従来技術による流速センサではわずかな温度差
しか得られなかつたのに対し、本発明では具体的
数値を示すならば、860cm/秒の流れ速度におい
ては△T1の平均値と△T2の平均値の合計が約
50℃と比較的大きくとれる。これは、長手方向の
伝導率の小さい非常に薄い窒化シリコンの膜で薄
膜部材32,34を包んだことと、熱感知センサ
22,24及びヒータ26を空気で囲むように空
気スペース30を設けたことで、熱感知センサ2
2,24及びヒータ26をシリコンの基板20か
ら熱的に絶縁できるようになつたことから可能に
なつたのである。熱感知センサ22,24及びヒ
ータ26の下に形成される空気スペース30の巾
とくぼみの深さの寸法を正確につくるには、後述
する精密エツチング技術により実現される。この
空気スペース30が精度よく形成されることによ
り、センサチツプ間の熱的絶縁性のばらつきを均
一にすることができる。すなわち、センサチツプ
間の空気の流れに対する応答のばらつきを均一に
することができる。 While the flow velocity sensor according to the prior art could only obtain a small temperature difference, in the present invention, to give specific numerical values, at a flow velocity of 860 cm/sec, the average value of △T1 and the average value of △T2 can be obtained. The total is approx.
It can be relatively large at 50℃. This is because the thin film members 32 and 34 are wrapped in a very thin silicon nitride film with low conductivity in the longitudinal direction, and an air space 30 is provided so that the heat sensing sensors 22 and 24 and the heater 26 are surrounded by air. Therefore, heat detection sensor 2
This became possible because it became possible to thermally insulate 2, 24 and the heater 26 from the silicon substrate 20. Accurately dimensioning the width of the air space 30 and the depth of the recess formed under the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26 is achieved by a precision etching technique described below. By forming this air space 30 with high precision, variations in thermal insulation between sensor chips can be made uniform. That is, variations in response to air flow between sensor chips can be made uniform.
従来技術では、これらのセンサエレメントは、
シリコンチツプのような基板に埋められるとか密
着させられるとかいうような構成がとられてい
た。このため、センサエレメントの有意な温度差
を取り出すために、センサエレメントをヒータの
巾に比較して長い距離だけヒータから離す必要が
あつた。しかしこのような従来技術で得られる温
度差は、熱的な絶縁を基に構成される本発明のそ
れに比べ、1/100程度の小さなものにすぎないの
である。 In the prior art, these sensor elements are
The structure was such that it was buried in or closely attached to a substrate such as a silicon chip. Therefore, in order to extract a significant temperature difference between the sensor elements, it is necessary to separate the sensor element from the heater by a distance that is long compared to the width of the heater. However, the temperature difference obtained with such conventional technology is only about 1/100 of that of the present invention, which is constructed based on thermal insulation.
ラハナマイらの従来技術を例にとるならば、ヒ
ータとセンサのエレメントはタンタル酸リチウム
板上に付着されている。(タンタル酸リチウムの
固有伝導度はシリコンのそれよりも小さいが、窒
化シリコンのそれよりも70%も大きな値を示す)。
ヒータとセンサのエメレントは少なくとも60μの
厚さを有するタンタル酸リチウム板に密着されて
取付けられている。この60μという値は、本発明
の薄膜部材32,34を包む窒化シリコン膜の厚
さである0.8μという値に比べ75倍に厚いものなの
である。リチウム基板に密着したヒータエレメン
トと、そのエツヂから0〜500μの間の距離に広
がつて配置されるセンサエメレントとの間の熱の
伝導は、センサとヒータとの間の空気を介するも
のより、60μのリチウム基板を介するもので支配
されてしまうのである。すなわち、ヒータは空気
によつて効果的に取囲まれてはいないため、ヒー
タからセンサへの熱の大部分はリチウム基板を通
して伝わつてしまうことになる。この結果、この
500μの巾を有するセンサは、本発明に比べ、空
気の流れに対してわずかな温度の値しか変化でき
ないことになる。ここで本発明のセンサは、ヒー
タのエツヂから0〜100μの間の距離に広がつて
配置される。 Taking the prior art of Lahanamai et al. as an example, the heater and sensor elements are deposited on a lithium tantalate plate. (The specific conductivity of lithium tantalate is lower than that of silicon, but 70% higher than that of silicon nitride.)
The heater and sensor emerents are closely mounted to a lithium tantalate plate having a thickness of at least 60 microns. This value of 60μ is 75 times thicker than the value of 0.8μ which is the thickness of the silicon nitride film surrounding the thin film members 32 and 34 of the present invention. The conduction of heat between the heater element, which is in close contact with the lithium substrate, and the sensor element, which is placed at a distance between 0 and 500μ from the edge of the heater element, is faster than that through the air between the sensor and the heater. , it is dominated by the 60μ lithium substrate. That is, since the heater is not effectively surrounded by air, most of the heat from the heater to the sensor will be transferred through the lithium substrate. As a result, this
A sensor with a width of 500μ will be able to change only a small temperature value with respect to the air flow compared to the present invention. Here, the sensor of the invention is disposed extending over a distance of between 0 and 100 microns from the edge of the heater.
従来技術に対しての本発明のもう1つの長所
は、熱感知センサ22,24及びヒータ26をシ
リコンの基板20から効果的に熱絶縁させるため
に設けられる空気スペース30である。これによ
り前述したように、シリコンの基板20の温度は
おおよそ0.5℃以下という、ほとんど無視できる
温度上昇に押えることができることになる。この
ため、本発明では、流速に対する出力特性は、シ
リコン基板とそれを支持するハウジングといつた
ものとの間の熱的接触に全く依存しないというこ
とになる。これに対し従来技術では、センサの出
力特性は取付け本体との熱的接触に大きく影響さ
れていた。事実、ラハナマイらのセンサにおいて
も、出力特性は、取付け構造の方法に大きく影響
されている。ヒユイジングらの従来技術において
も、シリコンチツプの固定台が流速に対する出力
特性を悪くしていることが述べられている。バン
プツテンらの従来技術においても、シリコンチツ
プの熱的なシヨートを最小にするためにシリコン
チツプを普通に使われている200μから50μにと薄
くしているが、このために固定台からの熱伝導に
より感度の低下を受け易くなる。マリンらの従来
技術においても、熱的もろさを防ぐために長いシ
リコンの細片が用いられているが同様に固定台の
影響を受けてしまうことになる。 Another advantage of the present invention over the prior art is the air space 30 provided to effectively thermally isolate the thermal sensors 22, 24 and heater 26 from the silicon substrate 20. As a result, as described above, the temperature increase in the silicon substrate 20 can be suppressed to approximately 0.5° C. or less, which is an almost negligible temperature increase. Therefore, in the present invention, the output characteristics with respect to the flow rate are completely independent of the thermal contact between the silicon substrate and the housing supporting it. In contrast, in the prior art, the output characteristics of the sensor were greatly influenced by thermal contact with the mounting body. In fact, even in the sensor of Lahanamai et al., the output characteristics are greatly influenced by the method of mounting structure. In the prior art by Huising et al., it is also stated that the fixed base of the silicon chip deteriorates the output characteristics with respect to the flow velocity. In the conventional technology of Banputsuten et al., the thickness of the silicon chip is reduced from the commonly used 200 μm to 50 μm in order to minimize the thermal shortening of the silicon chip. This makes it susceptible to a decrease in sensitivity. Marin et al.'s prior art uses long silicone strips to prevent thermal brittleness, but is similarly affected by the fixation stage.
本発明の2番目の長所は、広い流速レンヂにわ
たつて、熱感知センサ22と24の温度の差の直
線性がよい点にある。従来技術においては、この
温度の差は、流れ速度の平方根に比例している。
この依存性のために、放物線的な出力特性として
知られているように、流れ速度がVのときに流速
がある値変化すると、2つのセンサの温度の差は
その1/2√V倍だけ変化することになる。このよ
うな増分特性であるから、流速が速くなるほど変
化は小さいものになつてしまう。その結果、電子
回路のノイズやドリフトによつて誤差を受け易く
なるのである。本発明は流速の変化に対しての出
力特性の直線性が良好であるとともに、例えば0
〜1016cm/秒あるいはそれ以上の流速領域で得ら
れる電気出力信号が増巾しないでも大きく取れる
ため、速い流速測定においてもドリフト等による
誤差をほとんど無視できる程度にまで減らすこと
ができる。本発明によるセンサの、流速に対する
この温度差の典型的な出力特性を第8図に示す。
この図には合わせて、ヒユイジングからのセンサ
の特性も比較のために示してある。 A second advantage of the present invention is that the temperature difference between the thermal sensors 22 and 24 is linear over a wide flow rate range. In the prior art, this temperature difference is proportional to the square root of the flow rate.
Because of this dependence, known as a parabolic output characteristic, if the flow velocity changes by a certain value when the flow velocity is V, the difference in temperature between the two sensors will be 1/2√V times that value. It's going to change. Because of this incremental characteristic, the faster the flow rate, the smaller the change. As a result, they are more susceptible to errors due to noise and drift in the electronic circuitry. The present invention has good linearity of output characteristics with respect to changes in flow velocity, and has
Since the electrical output signal obtained in the flow velocity region of ~1016 cm/sec or higher can be obtained without amplification, errors due to drift etc. can be reduced to an almost negligible level even in fast flow velocity measurements. A typical output characteristic of this temperature difference versus flow rate for a sensor according to the invention is shown in FIG.
This figure also shows the characteristics of the sensor from the housing for comparison.
具体的な実施例として前述したように、本発明
のセンサにおいて、ヒータ26の全抵抗値は第4
図に示した回路により、任意の周囲温度において
一定に保たれる。上述したような直線性のよい特
性は、ヒータ26の近傍の温度分布に傾斜がある
領域(第7図参照)の大部分をカバーするように
十分広くまた適切に配置された熱感知センサ22
と24を用いることで得られる。 As described above as a specific example, in the sensor of the present invention, the total resistance value of the heater 26 is
The circuit shown in the figure allows it to remain constant at any ambient temperature. The above-mentioned characteristic of good linearity is due to the fact that the heat sensing sensor 22 is sufficiently wide and appropriately arranged so as to cover most of the region where the temperature distribution in the vicinity of the heater 26 has a slope (see FIG. 7).
It can be obtained by using and 24.
このような構成にあつて、熱感知センサ22の
内部エツヂ76は、ヒータ26の近接エツヂ78
に極めて隣接(例えば5μの線巾)して配置され
ている。空気の流れがないとき、近接エツヂ78
からこの程度離れた近傍の空気温度はほとんど近
接エツジ78の温度に一致する。具体的実施例と
して、熱感知センサ22と24はおおよそ100μ
の巾を有していることから、熱感知センサ22の
外部エツヂ80はヒータ26の近接エツヂ78か
らおおよそ100μ離れて配置されている。空気の
流れがないとき、この100μ程度離れた位置での
空気温度は、ヒータ26の温度より周囲の空気温
度すなわちシリコン基板の温度に近いものとなる
(第7図参照)。このため、熱感知センサ22の外
部エツヂ80は、遅い空気の流れ速度でも簡単に
シリコンの基板20の温度近くに冷やされてしま
う。一方、熱感知センサ22の内側部分はヒータ
26により密接に熱的に結合されているの、で速
い空気の流れに対しても、シリコン基板の温度近
くに冷やされることはなく、速い空気の流速に容
易に応答する。熱感知センサ22の各々の格子部
からの温度変化効果が合成されると、流れの上流
に位置するこのセンサの流速に対する温度特性
は、広い流速レンヂにわたつてより一定なものと
なる。この特性は、ほぼ従来技術の場合に相当す
るヒータのエツヂから離れたいかなる位置にある
単一の点素子またはライン素子による特性と、対
照をなすものである。本発明の望ましい具体例に
より実測された熱感知センサ22の広い流速レン
ヂにわたつてのこの直線性のある温度特性を第6
図に示す。 In such a configuration, the internal edge 76 of the thermal sensor 22 is connected to the proximal edge 78 of the heater 26.
(for example, with a line width of 5μ). When there is no air flow, close edge 78
The temperature of the air in the vicinity at this distance from almost corresponds to the temperature of the proximate edge 78. As a specific example, the heat sensing sensors 22 and 24 are approximately 100μ
, the outer edge 80 of the thermal sensor 22 is located approximately 100 microns from the proximal edge 78 of the heater 26. When there is no air flow, the air temperature at this position approximately 100 μm away is closer to the ambient air temperature, that is, the temperature of the silicon substrate, than the temperature of the heater 26 (see FIG. 7). As a result, the external edge 80 of the thermal sensor 22 is easily cooled to near the temperature of the silicon substrate 20 even at low air flow rates. On the other hand, the inner part of the heat sensing sensor 22 is closely thermally coupled to the heater 26, so that it will not be cooled to near the temperature of the silicon substrate even with a fast air flow. easily respond to When the effects of temperature changes from each grid section of the thermal sensor 22 are combined, the temperature versus flow rate characteristic of this sensor located upstream in the flow becomes more constant over a wide flow rate range. This characteristic contrasts with that of a single point or line element located anywhere away from the edge of the heater, which is generally the case in the prior art. This linear temperature characteristic over a wide flow velocity range of the heat sensing sensor 22, which was actually measured according to a preferred embodiment of the present invention, is expressed as
As shown in the figure.
流れの下流に装置する熱感知センサ24につい
ては、空気の流れによる熱伝達により抵抗値の増
加が発生するが、上流に位置する熱感知センサ2
2の空冷による抵抗変化よりは小さいものであ
る。しかし本発明では、熱感知センサ24の内部
エツヂ84とヒータ26の近接エツヂ86との間
隔は5μ、熱感知センサ24の外部エツヂ88と
ヒータ26の近接エツヂ86との間隔はおおよそ
100μと、従来技術に比べて近接しているので、
ヒータ26から熱感知センサ24への空気の流れ
による熱伝導は広い流速レンヂにわたつて効果的
なものとなつている。主に空気スペース30によ
るこの効果的な熱伝達と熱感知センサ24の熱的
絶縁により、広い流速レンヂにわたつて、流速の
増加とともに熱感知センサ24の温度が大きく上
昇することになる。本発明の望ましい具体例によ
り実測された、下流に位置する熱感知センサ24
の流れ速度に対しての温度変化を第6図に示す。
上流に位置する熱感知センサ22と、下流に位置
する熱感知センサ24の流速に対する特性を合成
すると、第8図に示す特性が得られる。この図か
ら、ヒユイジングらの従来技術の特性カーブと比
較して、広い流速レンヂにわたつて直線性がある
点、そして大きな信号レベルが得られる点がわか
る。 For the heat sensing sensor 24 installed downstream of the flow, an increase in resistance value occurs due to heat transfer due to the air flow, but for the heat sensing sensor 24 located upstream, the resistance value increases.
This is smaller than the resistance change due to air cooling in No. 2. However, in the present invention, the spacing between the inner edge 84 of the heat sensitive sensor 24 and the proximal edge 86 of the heater 26 is 5 μm, and the spacing between the outer edge 88 of the heat sensitive sensor 24 and the proximal edge 86 of the heater 26 is approximately
100μ, which is closer than conventional technology,
Heat conduction by the air flow from the heater 26 to the heat sensing sensor 24 is effective over a wide flow velocity range. This effective heat transfer and thermal isolation of the thermal sensor 24, primarily by the air space 30, results in a significant increase in the temperature of the thermal sensor 24 with increasing flow rate over a wide flow rate range. A thermal sensor 24 located downstream, measured according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the temperature change with respect to the flow rate.
When the characteristics with respect to the flow velocity of the heat sensing sensor 22 located upstream and the heat sensing sensor 24 located downstream are combined, the characteristics shown in FIG. 8 are obtained. From this figure, it can be seen that in comparison with the characteristic curve of the prior art of Huising et al., there is linearity over a wide flow velocity range and that a large signal level is obtained.
本発明のセンサの流れ速度に対して大きな出力
特性を有するという利点の1つとしては、センサ
寿命を長くし乱流の影響からのがれるために流れ
速度を減ずることが望まれているような分野への
適用を促進させるという点がある。また本センサ
では、空気の流れがシリコン基板面に平行となる
ことと、シリコン基板面上に流れの遅い表面層が
形成されるので空気の流れの速い領域は実質上こ
の表面層から離れることになることから、薄膜の
熱感知センサ22,24及び薄膜ヒータ26は、
空気に含まれる粒子の衝突による損傷からまぬが
れることができるという利点もある。 One of the advantages of the sensor of the present invention having a large power versus flow velocity characteristic is that it is desirable to reduce the flow velocity in order to extend sensor life and avoid the effects of turbulence. There is a point of promoting application in the field. In addition, in this sensor, the air flow is parallel to the silicon substrate surface, and since a slow-flowing surface layer is formed on the silicon substrate surface, regions with fast airflow are essentially separated from this surface layer. Therefore, the thin film heat sensing sensors 22, 24 and the thin film heater 26 are
Another advantage is that it is protected from damage caused by collisions with particles contained in the air.
第2図において図式的に表わした熱感知センサ
22,24及びヒータ26を、一実施例である第
9図に詳細に示す。開口部82は、後述するエツ
チングを容易とするために窒化シリコン内に刻ま
れる。リード部92とパーマロイ板90は、薄膜
部材32と34上における対称的な熱伝達特性を
保証するために対称的に作られる。この実施例で
は、薄膜部材32と34の大きさは、おおよそ巾
150μ、長さ300μである。熱感知センサ22,2
4及びヒータ26の厚さは0.08μであり、熱感知
センサ22,24の抵抗値は740Ωで、ヒータ2
6の抵抗は840Ωである。熱感知センサ22,2
4の大きさは、おおよそ巾100μ、長さ175μであ
る。前述したように、熱感知センサ22と24は
ヒータ26から1ライン巾(5μ)分、離れてい
る。すなわち、熱感知センサ22の内部エツヂ7
6はヒータ26の近接エツヂ78から5μ、熱感
知センサ24の内部エツヂ84はヒータ26の近
接エツヂ86から5μだけ離れている。本発明の
他の実施例については、特に述べないならば熱感
知センサ22,24及びヒータ26の厚さは
0.08μであり、格子を形成する線の巾は5μで線間
の距離は5μであり、この格子は80%のニツケル
と20%の鉄からなるパーマロイで構成されている
ものとする。本発明に述べられている他の寸法と
同様に、これらの値は実際のデバイスにおいて使
われた適切なものではあるが、アプリケーシヨン
に応じて変えるべきものであるからして、これに
限定するものではない。 The thermal sensors 22, 24 and heater 26 shown schematically in FIG. 2 are shown in detail in FIG. 9, which is one embodiment. An opening 82 is cut into the silicon nitride to facilitate etching as described below. Lead portion 92 and permalloy plate 90 are made symmetrically to ensure symmetrical heat transfer characteristics on membrane members 32 and 34. In this embodiment, the dimensions of membrane members 32 and 34 are approximately
150μ and length 300μ. Heat sensing sensor 22,2
The thickness of the heater 26 is 0.08μ, the resistance value of the heat sensing sensors 22 and 24 is 740Ω, and the thickness of the heater 26 is 0.08μ.
The resistance of 6 is 840Ω. Heat sensing sensor 22,2
The size of 4 is approximately 100μ in width and 175μ in length. As mentioned above, thermal sensors 22 and 24 are separated from heater 26 by one line width (5 μ). That is, the internal edge 7 of the heat sensing sensor 22
6 is 5μ from the proximal edge 78 of the heater 26, and the internal edge 84 of the thermal sensor 24 is 5μ from the proximal edge 86 of the heater 26. Regarding other embodiments of the present invention, unless otherwise stated, the thicknesses of the heat sensing sensors 22, 24 and the heater 26 are
0.08μ, the width of the lines forming the grid is 5μ, the distance between the lines is 5μ, and the grid is made of permalloy consisting of 80% nickel and 20% iron. As with other dimensions mentioned in this invention, these values are appropriate as used in actual devices, but are limited as they should vary depending on the application. It's not a thing.
本発明の他の実施例を第10図に示す。第9図
に示される実施例と同様に、第10図に示す実施
例も、空気スペース30を架橋する32A,34
Aとラベル付けされた2つの薄膜部材から構成さ
れる。そして、分割されたヒータ26Aが用いら
れており、薄膜部材32A上にこのヒータ26A
の半分が薄膜部材34上にこのヒータ26Aの残
り半分が配置される。センサ22A,24Aは、
前述した熱感知センサ22,24より狭く、その
大きさは、おおよそ巾90μ、長さ175μである。そ
の上、センサ22Aと24Aは、ヒータ26Aか
ら25μと、前述した実施例よりも離て配置され
る。すなわち、センサ22Aのエツヂ76Aはヒ
ータ26Aのエツヂ78Aから25μ、センサ24
Aのエツヂ84Aはヒータ26Aのエツヂ86A
から25μだけ離れて配置されている。この実施例
では、薄膜部材32A,34Aの大きさはおおよ
そ巾150μ、長さ350μであり、センサ22A,2
4Aの抵抗値は670Ωで、ヒータ26Aの抵抗値
は840Ωである。更に第10図の実施例において
は、薄膜部材32Aと34Aは、パーマロイ板9
6によつて強化された連結部94により連結され
る。この連結部94は、薄膜部材32Aと34A
を同一平面上に保つための役割を果す。リード部
92Aは、薄膜部材32A,34Aの中心部の強
度を増すために、薄膜部材32A,34Aの中心
線に沿つて配置される。 Another embodiment of the invention is shown in FIG. Similar to the embodiment shown in FIG. 9, the embodiment shown in FIG.
It consists of two membrane members labeled A. A divided heater 26A is used, and this heater 26A is placed on the thin film member 32A.
The other half of the heater 26A is placed on the thin film member 34. The sensors 22A, 24A are
It is narrower than the heat sensing sensors 22 and 24 described above, and its size is approximately 90μ in width and 175μ in length. Additionally, sensors 22A and 24A are located 25 microns further from heater 26A than in the previously described embodiment. That is, the edge 76A of the sensor 22A is 25μ from the edge 78A of the heater 26A, and the sensor 24
Edge 84A of A is edge 86A of heater 26A.
It is located 25μ away from the In this embodiment, the dimensions of the thin film members 32A, 34A are approximately 150μ in width and 350μ in length, and the sensors 22A, 2
The resistance value of 4A is 670Ω, and the resistance value of heater 26A is 840Ω. Furthermore, in the embodiment of FIG.
They are connected by a connecting portion 94 reinforced by 6. This connecting portion 94 is connected to the thin film members 32A and 34A.
It plays a role in keeping the surfaces on the same plane. The lead portion 92A is arranged along the center line of the thin film members 32A, 34A in order to increase the strength of the center portions of the thin film members 32A, 34A.
予備実験によれば、同じ流れ速度についてみる
ならば、第10図の実施例の出力は、第9図の実
施例の出力より約100%も大きいものであつた。
しかしながら、これらの実験において、第9図の
実施例は第1図に示すようにチツプの中心位置に
配置させたが、一方第10図の実施例はチツプの
端に配置させた。そのため、第11図に示すよう
に空気スペース30Aの上流部分が開かれるか、
あるいは第12図に示すように空気スペース30
AAの下流部分が開かれることになり側壁により
遮られないので、空気がより流れ易くなる。第1
1図の配置例と第12図の配置例では、どちらも
チツプの中心に配置する第9図の配置例より出力
特性は大きくなるのであるが、第11図の方が第
12図よりもかなり大きな出力を示した。第10
図の実施例が第9図の実施例より大きな出力を示
した点について、配置位置の違いからきているの
か、設計上の違いからきているのか、あるいはそ
の両方が関与しているのか、いまだ判明していな
い。第11図の実施例においては、基板20Aの
先端エツヂの少なくとも一部分を取り除くという
変更ができることを書き留めておく。すなわち、
例えば基板20Aの部分118を線120のとこ
ろまで取り除くことで、薄膜部材32Aの先端エ
ツヂの露出を大きくさせていくといつたことであ
る。そして、第11図の実施例が、チツプの中心
に配置された第9図の実施例よりかなり大きな出
力特性を示したことについては、少なくとも以下
に示す2つの観点から説明され得ることを書き留
めておく。第1の点は、前述したように第11図
の実施例では空気スペース30Aの上流部分が開
かれるので、側壁によつて遮られない流れを受け
ることになるからである。このように、この薄膜
部材32Aと34A、特に32Aの先端エツヂ部
はより流れを受け易くなることになる。第2の点
は、第17図に示すように、シリコン基板20A
の先端エツヂから始まる自由流速包絡線37A
が、第16図に示すシリコン基板20の先端エツ
ヂから始まる自由流速包絡線37より、薄膜部材
32A,34Aを高速の流速に近く置いているこ
とがわかる。包絡線37の場合、第16図に示す
薄膜部材32,34は、第17図に示す薄膜部材
32A,34Aに比べ速い流れ速度に対して遠く
なることから、速い流速に露出されることも少な
くなる。 According to preliminary experiments, the output of the embodiment of FIG. 10 was approximately 100% greater than the output of the embodiment of FIG. 9 for the same flow velocity.
However, in these experiments, the embodiment of FIG. 9 was placed at the center of the chip as shown in FIG. 1, while the embodiment of FIG. 10 was placed at the edge of the chip. Therefore, as shown in FIG. 11, the upstream portion of the air space 30A is opened, or
Alternatively, air space 30 as shown in FIG.
Since the downstream part of the AA is open and not obstructed by the side walls, air can flow more easily. 1st
In the layout example shown in Figure 1 and the layout example shown in Figure 12, the output characteristics are both larger than in the layout example shown in Figure 9, which places the chip in the center of the chip, but the output characteristics in Figure 11 are considerably higher than in Figure 12. It showed a large output. 10th
It is still unclear whether the fact that the embodiment shown in the figure has a larger output than the embodiment shown in FIG. 9 is due to the difference in placement, design, or both. I haven't. Note that the embodiment of FIG. 11 can be modified by removing at least a portion of the leading edge of substrate 20A. That is,
For example, by removing portion 118 of substrate 20A up to line 120, the tip edge of thin film member 32A is exposed to a greater extent. It should be noted that the fact that the embodiment of FIG. 11 exhibited considerably greater output characteristics than the embodiment of FIG. put. The first is that, as mentioned above, in the embodiment of FIG. 11, the upstream portion of the air space 30A is open and thus receives flow unobstructed by the side walls. Thus, the membrane members 32A and 34A, particularly the distal edges of 32A, will be more susceptible to flow. The second point is, as shown in FIG. 17, the silicon substrate 20A
Free flow velocity envelope 37A starting from the tip edge of
However, from the free flow velocity envelope 37 starting from the tip edge of the silicon substrate 20 shown in FIG. 16, it can be seen that the thin film members 32A and 34A are placed close to a high flow velocity. In the case of the envelope 37, the thin film members 32 and 34 shown in FIG. 16 are far away from the high flow velocity compared to the thin film members 32A and 34A shown in FIG. 17, so they are less likely to be exposed to the high flow velocity. Become.
第13図に示す実施例では、センサ22C,2
4Cとヒータ26Cは、空気スペースを架橋する
別々の薄膜部材上に配置されている。この実施例
では、ヒータ26Cはセンサ22C,24Cの近
い方のエツヂから50μ離れて配置される。すなわ
ち、ヒータ26Cのエツヂ78Cはセンサ22C
のエツヂ76Cから50μ、ヒータ26Cのエツヂ
86Cはセンサ24Cのエツヂ84Cから50μ離
れて配置される。この実施例では、センサ22
C,24C及びヒータ26Cの抵抗値は1000Ω
で、大きさはおおよそ巾135μ、長さ150μである。
そして3つの架橋部の大きさはおおよそ巾150μ、
長さ300μである。パーマロイ板90Cは薄膜部
材の強度を増すためと、リード部92Cからみて
架橋部の両端の熱伝達特性をほぼ同じものとする
ために加えられる。 In the embodiment shown in FIG.
4C and heater 26C are placed on separate membrane members bridging the air space. In this embodiment, heater 26C is placed 50 microns from the near edge of sensors 22C, 24C. That is, the edge 78C of the heater 26C is the sensor 22C.
The edge 86C of the heater 26C is spaced 50 microns from the edge 76C of the sensor 24C. In this embodiment, sensor 22
The resistance value of C, 24C and heater 26C is 1000Ω
The size is approximately 135μ in width and 150μ in length.
The size of the three bridges is approximately 150μ in width.
The length is 300μ. The permalloy plate 90C is added to increase the strength of the thin film member and to make the heat transfer characteristics at both ends of the bridge portion substantially the same when viewed from the lead portion 92C.
第13図に示すセンサの出力特性は、第9図及
び第10図に示すセンサの出力特性よりかなり小
さなものであつた。これは、ヒータ26Cとセン
サ22C,24Cとの間を50μと広げたことと、
センサの巾を大きくしたことでセンサとヒータと
の中心線の距離が広がつたことに起因していると
考えられる。従つて第13図の実施例と関連づけ
て第7図を参照するならば、センサ22Cと24
Cの中心線は適切な距離D1,D2よりかなり離
れて配置されることになり、その結果、一定の流
れ速度においてセンサ22Cと24Cとの間で得
られる平均的温度差はかなり小さくなつてしまう
のである。 The output characteristics of the sensor shown in FIG. 13 were considerably smaller than those of the sensors shown in FIGS. 9 and 10. This is because the space between the heater 26C and the sensors 22C and 24C is widened to 50μ,
This is thought to be due to the fact that increasing the width of the sensor widens the distance between the center line of the sensor and the heater. Therefore, referring to FIG. 7 in conjunction with the embodiment of FIG. 13, sensors 22C and 24
The centerline of C will be placed much further apart than the appropriate distance D1, D2, so that at a given flow rate the average temperature difference obtained between sensors 22C and 24C will be much smaller. It is.
第7図に関連して前述したように、1つのセン
サ全体にわたつて△T1の平均値と、他方のセン
サ全体にわたつての△T2の平均値の合計値を最
大にするようにすることが望ましい。これは理想
的には、抵抗値は非常に小さなものとなるが非常
に狭いセンサエレメントを使うことで、最も適切
に実行できるであろう。しかしながら実用的な回
路的考察から、センサの抵抗値は少なくとも
100Ω以上は要求され、700Ωから1000Ωの間にあ
ることが望ましいのである。この要求と、薄膜部
材構造の長さにかかる実際的制限と、気流密度上
の制限と、これらと関連する抵抗素子の薄膜の厚
さとを結びつけると、適当な抵抗値を実現するた
めに、センサ格子の巾は少なくとも75μは必要で
あるということになる。これらのことから、望ま
しい実施例のセンサの巾はそれ程狭くできなく
て、多少の巾を有することになる。第7図に示さ
れた理想的な温度カーブ上の△T1の平均値と△
T2の平均値の合計を最大にするためには、巾が
75μかそれ以上という結果となつたが、センサの
エツヂをヒータのエツヂに近づけなくてはならな
いため、第9図の実施例において、窒化シリコン
の絶縁層を通してヒータからセンサのエツヂに伝
わる望ましくない熱は無視できるものではなくな
る。従つて出力特性も最大となろうというものよ
りは小さくなつてしまう。5μというわずかなス
ペースにしたことにより、実測された出力特性は
従来技術の3〜5倍であつたが、第10図の実施
例の出力特性とはほとんど同じかむしろいく分小
さなものであつた。これらの考察の結果から次の
結論が導き出される。実施例において、他の寸法
を等しいままにして窒化シリコン膜の厚さ0.8μを
厚くすると、流速に対する出力特性が大きく低下
することになる。これは、厚さを増すと、これを
通しての熱伝導が増加することで、センサはヒー
タにより密接に熱的に接合されてしまうことにな
るからである。 As mentioned above in connection with FIG. 7, the sum of the average value of ΔT1 over one sensor and the average value of ΔT2 over the other sensor is maximized. is desirable. Ideally, this would be best accomplished using a sensor element that would have very low resistance but is very narrow. However, from practical circuit considerations, the resistance value of the sensor should be at least
A resistance of 100Ω or more is required, and preferably between 700Ω and 1000Ω. Combining this requirement with the practical limitations on the length of the thin film structure, the airflow density limitations, and the associated thin film thickness of the resistive element, it is possible to This means that the grid width needs to be at least 75μ. For these reasons, the width of the sensor in the preferred embodiment cannot be made very narrow, but rather has some width. The average value of △T1 on the ideal temperature curve shown in Figure 7 and △
In order to maximize the sum of the average values of T2, the width should be
75μ or more, but because the edge of the sensor must be close to the edge of the heater, in the embodiment of FIG. can no longer be ignored. Therefore, the output characteristics are also smaller than the maximum. Due to the small space of 5μ, the actually measured output characteristics were 3 to 5 times that of the conventional technology, but were almost the same as, or even somewhat smaller than, the output characteristics of the embodiment shown in Figure 10. . The following conclusions can be drawn from the results of these considerations. In the example, if the thickness of the silicon nitride film is increased by 0.8 μm while the other dimensions remain the same, the output characteristics with respect to the flow rate will be significantly reduced. This is because increased thickness causes the sensor to be more closely thermally bonded to the heater due to increased heat conduction therethrough.
第13図の実施例の考えられる欠点としては、
ヒータと2つのセンサが空気スペースを架橋する
別々の薄膜部材上にあることから、製造過程を通
しての色々な種類の物理的変形といつたもので、
ヒータとセンサの1部が同一平面でなくなりがち
になることにある。この欠点は、第9図及び第1
0図の実施例では実質上無視できるものであるこ
とに注意しておく。すなわち、各々のセンサは直
接同一薄膜部材上にあるヒータの一部に隣接する
ので、ヒータとセンサはほぼ同一平面上にあるこ
とが保証されるのである。 Possible drawbacks of the embodiment of FIG. 13 include:
Because the heater and the two sensors are on separate membrane members bridging the air space, various types of physical deformation throughout the manufacturing process can occur.
The problem is that a portion of the heater and sensor tend to be out of the same plane. This drawback is explained in Figs. 9 and 1.
Note that in the embodiment of FIG. 0, this is virtually negligible. That is, each sensor is directly adjacent to a portion of the heater on the same membrane member, thereby ensuring that the heater and sensor are substantially coplanar.
第14図に示す実施例において、連結部94D
によつて連結された薄膜部材32D,34Dは、
各々その上にヒータ26Dとセンサ22D,24
Dの半分ずつを直列に配置して、空気スペース上
に架橋されている。センサ22Dと24Dの熱的
バランスを保証するために、パーマロイの格子2
2D,24D,26Dとパーマロイ板90D,9
0DD及びリード部92Dは、180゜の回転対称を
有している。パーマロイ板90Dは、薄膜部材の
中心線に沿つた強度を増すために設けられ、パー
マロイ板90DDは薄膜部材の中心線に沿つた強
度を増すとともに、対照的な熱伝達特性を与える
ためのものである。この実施例において、空気の
流れは、今まで述べた薄膜部材の横方向に沿つて
合わされる実施例とは異なる、典型的には薄膜部
材の流さ方向に合わされる。センサ22D,24
Dは比較的狭く、各センサの半分の大きさは巾
75μ、長さ135μである。ヒータ26Dのエツヂと
センサ22D,24Dは25μ離されている。各薄
膜部材上に、センサ22D,24D及びヒータ2
6Dの半分ずつをもたすことが、同一平面を保証
することを助けている。第14図の実施例におい
て、各薄膜部材の大きさは巾150μ、長さ480μで
あり、ヒータ26Dの抵抗値は1300Ωで、センサ
22D,24Dの抵抗値は1050Ωである。この実
施例の流れに対する出力特性は、前述した実施例
に比べて小さなものである。これは、薄膜部材の
下の空気が流れが比較的小さいことと、センサが
空気スペースの壁に、より近いためシリコン基板
と熱的により密接に結合されていることに起因し
ている。 In the embodiment shown in FIG. 14, the connecting portion 94D
The thin film members 32D and 34D connected by
A heater 26D and sensors 22D, 24 are respectively placed thereon.
The two halves of D are placed in series and bridged over the air space. Permalloy grid 2 is used to ensure thermal balance between sensors 22D and 24D.
2D, 24D, 26D and permalloy plates 90D, 9
0DD and lead portion 92D have a rotational symmetry of 180°. The permalloy plate 90D is provided to increase the strength along the centerline of the thin film member, and the permalloy plate 90DD is provided to increase the strength along the centerline of the thin film member and provide contrasting heat transfer characteristics. be. In this embodiment, the air flow is typically aligned along the flow direction of the membrane member, unlike the previously described embodiments where the air flow is aligned along the lateral direction of the membrane member. Sensors 22D, 24
D is relatively narrow, and half the size of each sensor is the width
75μ and length 135μ. The edge of the heater 26D and the sensors 22D and 24D are separated by 25 μ. Sensors 22D, 24D and heater 2 are placed on each thin film member.
Having 6D halves helps ensure coplanarity. In the embodiment shown in FIG. 14, each thin film member has a width of 150 μm and a length of 480 μm, the resistance value of the heater 26D is 1300Ω, and the resistance value of the sensors 22D and 24D is 1050Ω. The output characteristics with respect to the flow of this embodiment are smaller than those of the previously described embodiments. This is due to the relatively small flow of air beneath the membrane member and the fact that the sensor is closer to the wall of the air space and therefore more closely coupled thermally to the silicon substrate.
第15図に示す実施例では、空気スペースを架
橋する薄膜部材は1つにより構成されていて、流
れは典型的には薄膜部材の流さ方向に合わされ
る。この薄膜部材の大きさはおおよそ巾150μ、
長さ480μであり、ヒータ26Eの抵抗値は710Ω、
センサ22E,24Eの抵抗値は440Ωである。
抵抗値が小さい点と、エレメントが1つの薄膜部
材上に配置さている点を除けば、この実施例は実
質的に第14図の実施例と同一のものであり、パ
ーマロイ板90Eとリード部92EEは薄膜部材
の中心宣に沿つた強度を増し、リード部92Eと
92EEは180゜の熱的な対称性を与える。 In the embodiment shown in FIG. 15, the membrane element bridging the air space is comprised of a single membrane element, and the flow is typically aligned in the direction of flow of the membrane element. The size of this thin film member is approximately 150μ in width.
The length is 480μ, and the resistance value of heater 26E is 710Ω.
The resistance value of the sensors 22E and 24E is 440Ω.
This embodiment is substantially the same as the embodiment shown in FIG. 14, except that the resistance value is small and the elements are arranged on one thin film member, and includes a permalloy plate 90E and a lead portion 92EE. increases strength along the center axis of the membrane member, and leads 92E and 92EE provide 180° thermal symmetry.
第14図、第15図、に示された実施例におい
ては、ヒータとセンサは薄膜部材の長手方向に沿
つて配置されており、空気の流れも図示されてい
るように典型的には薄膜部材の長手方向と平行に
なるように配置される。空気の流れが薄膜部材の
横方向に合わされたとき表面の形状で小さな乱流
が発生する可能性があるのに対して、これらの実
施例の長所は、この小さな乱流を引き起こさない
連続的な表面を保証するということにある。第1
4図の実施例に関連して述べたように、空気の流
れを薄膜部材の長手方向に合わせる実施例の考え
られる欠点としては、空気の流れを薄膜部材の横
方向に合わせる実施例と比べ、薄膜部材の下の空
気の流れが殆どなくなることである。 In the embodiments shown in FIGS. 14 and 15, the heaters and sensors are arranged along the length of the membrane member, and the airflow is also typically shown in the membrane member. placed parallel to the longitudinal direction of the The advantage of these embodiments is that a continuous flow that does not cause this small turbulence can occur when the air flow is aligned laterally across a thin film member, whereas small turbulence can occur due to the shape of the surface. It is about guaranteeing the surface. 1st
As mentioned in connection with the embodiment of FIG. 4, possible disadvantages of the embodiment that aligns the air flow along the length of the membrane member include the following: This means that there is almost no air flow under the thin film member.
本センサを製造するプロセスは、(100)の結晶
面を有するシリコンウエハーが用いられ、これの
表面36には窒化シリコンの絶縁層29が形成さ
れる。この絶縁層29は典型的には4000Åの厚さ
であり、普通の低圧ガス放電のスパツタリング技
術により付着され形成される。次に、典型的には
80%のニツケルと20%の鉄からなるパーマロイの
一様な層を、800Åの厚さをもつて窒化シリコン
膜上に、スパツタリングにより付着させる。 In the process of manufacturing this sensor, a silicon wafer having a (100) crystal plane is used, and an insulating layer 29 of silicon nitride is formed on the surface 36 of the silicon wafer. This insulating layer 29 is typically 4000 Å thick and is deposited and formed by conventional low pressure gas discharge sputtering techniques. Then, typically
A uniform layer of permalloy consisting of 80% nickel and 20% iron is sputtered onto the silicon nitride film to a thickness of 800 Å.
適当なフオトマスクとフオトレジストエツヂン
グ液を使うことにより、第2図の22,24,2
6,38示すようなパーマロイのエレメントが描
かれる。 By using a suitable photomask and photoresist etching solution, 22, 24, 2 in Fig.
Permalloy elements as shown in 6, 38 are drawn.
そして2番目の窒化シリコンの絶縁層28が、
スパツタにより付着される。この層の厚さは典型
的には4000Åであり、抵抗素子を酸化から防ぐた
めに形成される。 Then, a second silicon nitride insulating layer 28 is formed.
It is attached by spatter. This layer is typically 4000 Å thick and is formed to protect the resistive element from oxidation.
薄膜部材32,34を形成するために、開口部
82(他の実施例では82A,82C,82D,
etcとラベル付されている)が、窒化シリコンを
通して(100)結晶面のシリコン表面までエツチ
ングされる。開口部82の大きさは、ほとんど設
計上の選択の問題である。破線114(他の実施
例では114A,114C,114D、etcとラ
ベル付されている)が空気スペース30のおおよ
その形状を表わしている。 Openings 82 (in other embodiments 82A, 82C, 82D,
etc) is etched through the silicon nitride to the silicon surface in the (100) crystal plane. The size of opening 82 is largely a matter of design choice. Dashed lines 114 (labeled 114A, 114C, 114D, etc. in other embodiments) represent the approximate shape of air space 30.
最後に、窒化シリコンをいためない異方性のエ
ツチング液を使い、制御された方法により、薄膜
部材32,34の下のシリコンをエツチングす
る。エツチング液としては、KOHとイソプロパ
ノールアルコールを混合したものが適している。
空気スペース30の傾斜面は、エツチング液に対
して抵抗性のある(111)あるいは他の結晶面に
より囲まれている。空気スペース30の底面は、
エツチング液に対してほとんど抵抗性のない
(100)結晶面であり、薄膜部材32,34から一
定の距離すなわち125μの深さの位置におかれて
いる。この深さは、エツチングの時間を加減する
ことで実現される。空気スペースの深さを制御す
るために、ホウ素をドープしたようなエツチング
を停止させるストツプ層を用いることもできる
が、本発明の形成には特に必要ではない。エツチ
ングの時間を加減することで、空気スペース30
の深さは約3μの精度もしけは約2%で制御でき
ることになる。この精度が、薄膜部材を取り囲む
空気スペースの熱伝達特性と、空気の流れ速度に
対する特性の正確な再現制を導き出すことにな
る。 Finally, the silicon beneath the thin film members 32, 34 is etched in a controlled manner using an anisotropic etchant that does not damage the silicon nitride. A mixture of KOH and isopropanol alcohol is suitable as the etching solution.
The inclined planes of air space 30 are surrounded by (111) or other crystal planes that are resistant to etching fluids. The bottom of the air space 30 is
It is a (100) crystal plane with almost no resistance to the etching solution and is located at a certain distance from the thin film members 32, 34, that is, at a depth of 125 microns. This depth is achieved by adjusting the etching time. An etch stop layer, such as a boron-doped etch stop layer, may be used to control the depth of the air spaces, but is not specifically required for the formation of the present invention. By adjusting the etching time, the air space can be increased by 30
This means that the depth can be controlled with an accuracy of about 3μ, and the inkling can be controlled with an accuracy of about 2%. This precision leads to an accurate reproduction of the heat transfer characteristics of the air space surrounding the membrane member and its characteristics relative to the air flow velocity.
第3A図に示されるような片持ちばかりの薄膜
部材の下や、第3図に示されるような架橋する薄
膜部材の下を有効的に削りとるために、第2図に
110として示される薄膜部材34の直線エツヂは、
シリコンの〔110〕結晶軸に対して0でない角度
112をもつて配置される。(本発明においては、
薄膜部材の直線エツヂもしくは軸を、シリコンノ
〔110〕結晶軸に対してある角度で配置するという
内容も含んでいるが、薄膜部材のエツヂを直線に
形成しない、もしくは軸が容易に決定できないよ
うな形に薄膜部材を形づくることもありうる。し
かしながらこれから述べるように、薄膜部材の配
置は、このアンダーカツトを最小時間で実現する
ような角度をもつて配置される。)
角度112をほぼ45゜とすることによつて、薄
膜部材の下を削りとる時間は最小とすることがで
きる。更に角度を0゜としないことで、第3図に示
されるような両端を接続しているブリツヂの製作
が可能となるのである。すなわちこのような架橋
する薄膜部材は、薄膜部材の直線エツヂをほぼ
〔110〕軸方向に配置させたのでは形成することが
できない。これは薄膜部材の直線エツヂが〔110〕
軸方向に配置されていると、この直線エツヂに沿
つてさらされる(111)結晶面に対して、異方性
のエツヂング液が削りとつていかないことからき
ている。 In order to effectively scrape off the bottom of a cantilevered thin film member as shown in Fig. 3A or the bottom of a bridging thin film member as shown in Fig. 3,
The straight edge of membrane member 34, designated as 110, is
It is arranged at a non-zero angle 112 with respect to the [110] crystal axis of silicon. (In the present invention,
Although it includes the content that the straight edge or axis of the thin film member is arranged at a certain angle to the silicon [110] crystal axis, the edge of the thin film member is not formed in a straight line or the axis cannot be easily determined. It is also possible to form the thin film member into a certain shape. However, as will be discussed, the placement of the membrane members is angled to achieve this undercut in a minimum amount of time. ) By making the angle 112 approximately 45 degrees, the time to scrape under the membrane member can be minimized. Furthermore, by not setting the angle to 0°, it is possible to manufacture a bridge that connects both ends as shown in Figure 3. That is, such a crosslinking thin film member cannot be formed by arranging the straight edges of the thin film member substantially in the [110] axial direction. This means that the straight edge of the thin film member is [110]
This is because, when placed in the axial direction, the anisotropic etching liquid cannot follow the etching of the (111) crystal plane exposed along this straight edge.
角度112を45゜にすると、半導体と薄膜部材
との支持境界面をすばやく丸め、平たんにするこ
とになる。これにより、45゜に角度を持たない場
合に発生する窒化シリコンの絶縁層29の下の2
つの(111)結晶面の交差点における応力集中点
をなくすことができる。 A 45 degree angle 112 will quickly round and flatten the support interface between the semiconductor and the thin film member. This eliminates the 2nd layer under the silicon nitride insulating layer 29 that would otherwise occur if the angle was not 45°.
The stress concentration point at the intersection of two (111) crystal planes can be eliminated.
前述したように、いくつかの応用例において
は、2つの薄膜部材を連結手段を用いて連結する
ことが望ましい。(この連結手段としては、例え
ば第10図の連結部94や第14図の連結部94
Dを参照)。第10図において、連結部94は、
各々の薄膜部材と空気スペース30の底との間の
スペースを一様に保つように働く。すなわちこれ
らの間の熱伝達特性の一様性を保つとともに、デ
バイス内での特性の均一性を補助するのである。
同様な理由により、前述したように1つの薄膜部
材上には、抵抗素子を1つもしくはそれ以上の素
子を配置するか、1つの素子と他のエレメントの
一部を同時に配置させた方が好都合である。(第
1,2,9,10,11,12,14,15図参
照)。第9図の薄膜部材32と34の架橋部の両
終端にみられる小さなエツチング用の長方形の開
口部82は、薄膜部材32と34の下のシリコン
の基板20のアンダーカツトをより形成しやすく
するために設けられる。しかしながら、このよう
な小さなエツヂング用の長方形の開口部82がな
くても、センサの性能は満足される。 As previously mentioned, in some applications it is desirable to connect two membrane members using a connecting means. (As this connecting means, for example, the connecting portion 94 in FIG. 10 or the connecting portion 94 in FIG.
(see D). In FIG. 10, the connecting portion 94 is
It serves to maintain a uniform spacing between each membrane member and the bottom of the air space 30. In other words, it maintains uniformity of heat transfer characteristics between them, and also helps uniformity of characteristics within the device.
For the same reason, as mentioned above, it is more convenient to arrange one or more resistive elements on one thin film member, or to arrange one element and part of another element simultaneously. It is. (See Figures 1, 2, 9, 10, 11, 12, 14, and 15). The small rectangular etched openings 82 seen at both ends of the bridges of membrane members 32 and 34 in FIG. 9 make it easier to undercut the silicon substrate 20 beneath membrane members 32 and 34. established for the purpose of However, sensor performance is satisfactory even without such a small etching rectangular opening 82.
第3図及び第3A図には、第4図及び第5図に
示されるような回路の集積化のための領域116
も示されている。これらに示された実施例におい
て、薄膜部材の典型的な大きさは、巾127μ〜
178μ、流さ254μ〜508μ、厚さ0.8μ〜1.2μである。
典型的にはパーマロイからなる、熱感知センサ2
2,24、ヒータ26、比較抵抗38は、おおよ
そ800Å(典型的には800Åから1600Åの間にあ
る)の厚さで、その抵抗値は室温すなわち20〜25
℃において、おおよそ200Ω〜2000Ωの間にある。
なおパーマロイの抵抗値は、温度が室温から400
℃になると、おおよそ3倍の値に上昇する。パー
マロイ格子の線巾は約5μで線間も約5μとするこ
とができる。空気スペース30の深さは典型的に
は125μであるが、この深さはおおよそ25μから
250μの間で容易に変えることができる。シリコ
ンの基板20の厚さは、典型的には200μである。
以上に示したこれらの値は一例にすぎず、これに
限定するものではない。 FIGS. 3 and 3A show an area 116 for circuit integration as shown in FIGS. 4 and 5.
is also shown. In the examples shown therein, typical dimensions of the thin film members range from 127μ to 127μ in width.
178μ, flow rate 254μ~508μ, thickness 0.8μ~1.2μ.
Heat sensing sensor 2, typically made of permalloy
2, 24, heater 26, and comparison resistor 38 are approximately 800 Å thick (typically between 800 Å and 1600 Å) and have a resistance value at room temperature, i.e. 20-25
It is approximately between 200Ω and 2000Ω at °C.
The resistance value of permalloy varies from room temperature to 400°C.
When the temperature reaches ℃, the value increases approximately three times. The line width of the permalloy lattice can be approximately 5μ, and the line spacing can also be approximately 5μ. The depth of the air space 30 is typically 125μ, but this depth can vary from approximately 25μ.
Can be easily varied between 250μ. The thickness of the silicon substrate 20 is typically 200μ.
These values shown above are only examples and are not limited thereto.
薄膜部材の大きさが上述の典型的なものである
と、熱容量は非常に小さなものとなる。薄膜部材
とヒータと熱感知センサの熱容量が極めて小さい
点と、これらが窒化シリコン層という薄い絶縁手
段により基板に支持されることで熱的に絶縁され
ている点と、これらを取り囲む空気スペースの存
在により、応答時間は非常に短いものとなる。実
測されたところでは時定数は0.005秒であつた。
したがつて熱感知センサが空気の流れの変化に対
して非常にすばやく応答できる。また、望むなら
ばヒータを50Hzもしくはそれ以上の周波数でパル
ス的に駆動させることも可能となる。 If the thin film member has the typical size described above, the heat capacity will be very small. The heat capacity of the thin film member, heater, and thermal sensor is extremely small; the fact that they are thermally insulated by being supported by a thin insulating means called a silicon nitride layer on the substrate; and the existence of an air space surrounding them. As a result, the response time is extremely short. The time constant was actually measured to be 0.005 seconds.
The thermal sensor can therefore respond very quickly to changes in air flow. It is also possible to drive the heater in pulses at a frequency of 50 Hz or higher if desired.
ヒータ26の動作温度は、典型的には100℃〜
400℃の間に設定されるが、望ましい動作温度と
しては周囲に対しておおよそ200℃高く設定する。
パーマロイ素子を用いるならば、これはわずか2
〜3mWの電力にて実現できる。こういう電力レ
ベルあれば集積回路で対応できるので、前述した
ように望むならばセンサとともに同じシリコン基
板上に製作することも可能である。 The operating temperature of the heater 26 is typically 100°C ~
It is set between 400℃, but the desired operating temperature is approximately 200℃ higher than the ambient temperature.
If a permalloy element is used, this is only 2
This can be achieved with a power of ~3 mW. These power levels can be accommodated by integrated circuits, so they can be fabricated on the same silicon substrate with the sensor if desired, as mentioned above.
25℃において600Ωから1000Ωの間の抵抗を有
するヒータ抵抗素子を使うならば、2〜3Vの電
圧、2〜3mAの電流を用いることで適切な動作
温度になるための電力消費を与えることになる。
又、本実施例において、パーマロイのヒータ素子
の抵抗値を600Ωから1000Ωの間に選択したのは、
エレクトロマイグレーシヨンによる素子の損傷と
いう因子もあるからである。エレクトロマイグレ
ーシヨンとは電流密度がある臨界値を越えると
き、物質の移動によつて引き起こされる導電体内
部の損傷メカニズムであり、温度に依存してい
る。パーマロイに関してのこの臨界値は25℃にお
いて10×106A/cm2のオーダである。望ましい実
施例として、ヒータ素子の抵抗値は典型的には
600Ω〜1000Ω、線巾は5μ、そして厚さは0.08μに
設定されているので、電流密度は実質的に約0.6
〜106A/cm2より小さなものとなる。この程度の
電流密度では、エレクトロマイグレーシヨンは有
害な因子ではない。 If we use a heater resistor with a resistance between 600Ω and 1000Ω at 25°C, a voltage of 2-3V and a current of 2-3mA will give the power dissipation to reach the appropriate operating temperature. .
In addition, in this example, the resistance value of the permalloy heater element was selected between 600Ω and 1000Ω because
This is because there is also a factor of damage to the element due to electromigration. Electromigration is a temperature-dependent damage mechanism inside a conductor caused by the movement of matter when the current density exceeds a certain critical value. This critical value for permalloy is of the order of 10×10 6 A/cm 2 at 25°C. In a preferred embodiment, the resistance of the heater element is typically
The current density is set to 600Ω to 1000Ω, the line width is 5μ, and the thickness is 0.08μ, so the current density is effectively about 0.6
It becomes smaller than ~10 6 A/cm 2 . At current densities of this order, electromigration is not a detrimental factor.
工業上で用いられている標準の温度センサのイ
ンピーダンスは100Ω程度である。しかしながら
本発明の目的からして、そのような小さい抵抗値
のセンサは、本発明の実施例において用いられて
いる25℃で600Ω〜1000Ωの抵抗値を有し厚さが
おおよそ0.08μのものに比べて、望ましいもので
はない。例えば、製造する上で、上流と下流に位
置する2つの熱感知センサの抵抗値は0.1%の程
度の精度で一致させることが望ましい。この一致
は、より高い抵抗値を使うことでより容易とな
る。その上より高い抵抗値のセンサを用いれば、
シリコンチツプ上のリード部に関係する抵抗値の
違いとつた望ましくない影響も減ずることができ
る。更に、空気の流れがわずかに変化したことに
よる電圧の変化を、小さな電流で正確に得ること
にするためには、より高い抵抗を使うことが必要
となつてくる。加えるに、小さな電流を使えば、
熱感知センサ自身の自己発熱を避けることができ
る。この場合、この熱感知センサの自己発熱は、
ヒータの熱の場を変化させ、空気の流れに対する
温度感度を減少させるのであるが、そうひどい影
響とはならない。加えるに、熱感知センサに流れ
る電流が大きくなると、空気の流れがないときの
2つのセンサの間の色々な不一致といつた望まし
くな影響を大きくしてしまうことになる。 The impedance of a standard temperature sensor used industrially is about 100Ω. However, for purposes of the present invention, such a low resistance sensor should have a resistance of 600Ω to 1000Ω at 25°C and a thickness of approximately 0.08μ, as used in the embodiment of the present invention. Comparatively speaking, it is not desirable. For example, in manufacturing, it is desirable that the resistance values of two heat sensing sensors located upstream and downstream match with an accuracy of about 0.1%. This matching is made easier by using higher resistance values. Furthermore, if a sensor with a higher resistance value is used,
Undesirable effects such as resistance differences associated with leads on silicon chips can also be reduced. Furthermore, in order to accurately obtain changes in voltage due to small changes in air flow using a small current, it becomes necessary to use a higher resistance. In addition, if a small current is used,
Self-heating of the heat sensing sensor itself can be avoided. In this case, the self-heating of this thermal sensor is
It changes the heat field of the heater and reduces its temperature sensitivity to air flow, but the effect is not too severe. In addition, increasing the current flowing through the thermal sensor increases undesirable effects such as various mismatches between the two sensors in the absence of air flow.
製造上の目的からすれば、ヒータと熱感知セン
サの両方のパーマロイの厚さを同じに選べば、よ
り簡単になり、より経済的になる。この観点か
ら、前述したように本実施例でも、ヒータと熱感
知センサの抵抗値は、典型的には0.08μ厚のパー
マロイにより似たような値であるとともに容易に
実現できる値となつている。 For manufacturing purposes, it is simpler and more economical to choose the same permalloy thickness for both the heater and the thermal sensor. From this point of view, as mentioned above, in this example as well, the resistance values of the heater and the heat sensing sensor are typically similar to each other due to the permalloy having a thickness of 0.08μ, and are values that can be easily achieved. .
沢山の計画中の応用に関しても、本発明の望ま
しい素子は、前述したきたように、パーマロイの
抵抗素子である。薄膜部材32,34が薄い窒化
シリコン層に包まれているので、パーマロイ素子
は空気による酸化から防がれて、400℃を越す温
度のヒータ素子としても用いることが可能とな
る。このパーマロイ素子の抵抗の温度依存性は白
金と類似しており、どちらも0℃において
4000ppmの抵抗温度係数を有している。しかしな
がら、本発明の構造に対しては白金よりもパーマ
ロイの方が優れている。白金も温度検知用の抵抗
素子として普通に使われているが、パーマロイ白
金のおおよそ2倍の抵抗値を有するという利点が
ある。しかも、薄膜状でみるならば、パーマロイ
の抵抗温度係数は800〜1600Åの厚さで最大をと
るが、一方、白金は少なくとも3500Åの厚さにな
つてしまう。パーマロイの抵抗温度係数はおおよ
そ1600Åの厚さで最大となるが、本発明で800Å
を選んだのは、抵抗値が2倍になる点と、抵抗温
度係数も1600Åの値からわずかに小さいにすぎな
いからである。従つて800Åの厚さのパーマロイ
素子を用いることで、白金に要求されるわずか1/
8の表面積で同じ抵抗値を実現できることになる。
すなわち、パーマロイを使うことでヒータとセン
サの熱効率を増せるとともに、要求される表面積
を小さくできるので価格も下げられることにな
る。 For many contemplated applications, the preferred element of the present invention is a permalloy resistive element, as described above. Because the thin film members 32, 34 are surrounded by a thin silicon nitride layer, the permalloy element is protected from oxidation by air, allowing it to be used as a heater element at temperatures above 400°C. The temperature dependence of the resistance of this permalloy element is similar to that of platinum, and both are
It has a temperature coefficient of resistance of 4000ppm. However, permalloy is superior to platinum for the structure of the present invention. Platinum is also commonly used as a resistance element for temperature sensing, but it has the advantage of having a resistance value roughly twice that of permalloy platinum. Moreover, when viewed in the form of a thin film, permalloy's temperature coefficient of resistance reaches its maximum at a thickness of 800 to 1,600 Å, while platinum's thickness reaches a thickness of at least 3,500 Å. The temperature coefficient of resistance of permalloy reaches its maximum at a thickness of approximately 1600 Å, but with the present invention it reaches a maximum at a thickness of 800 Å.
was chosen because the resistance value is doubled and the temperature coefficient of resistance is only slightly smaller than the value of 1600 Å. Therefore, by using a permalloy element with a thickness of 800 Å, the thickness required for platinum is only 1/
The same resistance value can be achieved with a surface area of 8.
This means that permalloy increases the thermal efficiency of heaters and sensors, and reduces cost by reducing the required surface area.
すなわち、本発明においては、開示したよう
に、パーマロイ素子は微小構造の温度変化検出セ
ンサ素子とヒータ素子の両方に用いられる。 That is, in the present invention, as disclosed, the permalloy element is used for both the microstructured temperature change detection sensor element and the heater element.
更にパーマロイからなるヒータとセンサを1μ
程度の厚さの窒化シリコンの絶縁層中に包み込む
ことで、特に高い温度で問題となる酸化の現象に
対しての保護膜を提供している。窒化シリコンの
絶縁層は、シリコン基板からパーマロイ素子を熱
的に絶縁する機能も有する。そして窒化シリコン
は、エツチングに対して高い抵抗性を有している
ことから、薄膜部材32,34の寸法を精度よく
コントロールすることもできる。更に、この窒化
シリコンの有しているエツチングに対して高い抵
抗性の特性から、空気スペース30の深さをエツ
チングにより25〜250μといつたように深くでき
ることになる。この空気スペースは、最も重要で
ある熱伝達因子を決定する。 Furthermore, the heater and sensor made of permalloy are 1μ
Encasing it in a moderately thick insulating layer of silicon nitride provides a protective layer against oxidation phenomena, which are particularly problematic at high temperatures. The silicon nitride insulating layer also has the function of thermally insulating the permalloy element from the silicon substrate. Since silicon nitride has high resistance to etching, the dimensions of the thin film members 32 and 34 can also be precisely controlled. Further, due to the high etching resistance characteristic of silicon nitride, the depth of the air space 30 can be made as deep as 25 to 250 microns by etching. This air space determines the heat transfer factor which is the most important.
以上のように、本発明の望ましい実施例として
は、開示したような微小構造とのかね合いから、
パーマロイで熱感知センサとヒータを形成する。
窒化シリコンの絶縁層は支持用材料として、また
望む構造を形成するために必要なエツチング時間
を実現するための保護的材料として用いられる。
更に前述したように、薄膜部材をシリコン結晶面
に対して適切に配向させることで、人工的なエツ
チング停止手段を使うことなく望む構造を形成で
きるとともに、最小時間で削りとることができる
ことになる。更に、異方性のエツチングを用いる
ことで25〜250μといつた深い空気スペースを形
成することにより、抵抗素子を集積化半導体デバ
イスに普通に配置する方法に比べて、大きな熱的
絶縁が実現されることになる。 As described above, in the preferred embodiment of the present invention, due to the balance with the disclosed microstructure,
Form a heat sensing sensor and heater using permalloy.
The insulating layer of silicon nitride is used as a supporting material and as a protective material to achieve the etch time required to form the desired structure.
Furthermore, as previously mentioned, by properly orienting the thin film member with respect to the silicon crystal plane, the desired structure can be formed without the use of artificial etching stoppers and can be removed in a minimum amount of time. Furthermore, by using anisotropic etching to create deep air spaces of 25 to 250 µm, greater thermal isolation is achieved compared to the conventional placement of resistive elements in integrated semiconductor devices. That will happen.
本発明の要旨は、実施例に述べてきたものに限
定されるものではない。例えば、熱感知センサ素
子やヒータ素子はパーマロイに限ぎるものではな
く、適切なものであれば何でもよい。他の例とし
ては、酸化亜鉛膜のような焦電型材料や、薄いフ
イルム状の熱電対や、半導体材料のサーミスタ膜
や、パーマロイ以外の好ましい抵抗温度係数をも
つ金属膜があるであろう。注意しなくてはいけな
いことは、本文では時々、測定される流れの媒体
としては空気であることを述べてきたが、本発明
は他の沢山のガス性の物質に対して応用できるも
のであることを加えておく。すなわち、本発明の
応用上の目的からして、“空気”と使われる言葉
の意味は一般的なガス性の物質を含んでいると定
義することにする。 The gist of the present invention is not limited to what has been described in the examples. For example, the heat sensing element and the heater element are not limited to permalloy, but may be any suitable material. Other examples would include pyroelectric materials such as zinc oxide films, thin film thermocouples, thermistor films of semiconductor materials, and metal films with favorable temperature coefficients of resistance other than permalloy. It should be noted that although the text has sometimes referred to air as the flow medium being measured, the invention is applicable to many other gaseous substances. Let me add something. That is, for the purpose of application of the present invention, the term "air" is defined to include general gaseous substances.
第1,2,3,3A図と第9〜15図には、本
発明の実施例を示す。第4図と第5図には、本発
明に使う回路例を示す。第6,7,8,1617
図には、本発明の特性図を示す。
20……基板、22,24……熱感知センサ、
26……ヒータ、28,29……絶縁層、30…
…空気スペース、32,34……薄膜部材。
1, 2, 3, 3A and 9 to 15 show embodiments of the present invention. FIGS. 4 and 5 show examples of circuits used in the present invention. 6th, 7th, 8th, 1617th
The figure shows a characteristic diagram of the present invention. 20... Board, 22, 24... Heat sensing sensor,
26... Heater, 28, 29... Insulating layer, 30...
...Air space, 32, 34...Thin film member.
Claims (1)
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、 一対の熱感知センサの一方とヒータの一部とを
含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜部材
であつて、上記結晶面(100)に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、少なくともその一端が上
記半導体基板に保持され、そのほとんど大部分が
この基板と非接触状態に配置される第1の薄膜部
材と、 一対の熱感知センサの他方と上記ヒータの残部
とを含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜
部材であつて、上記結晶面(100)に対してほぼ
平行となる平面上に配置されるとともに上記空気
スペースに位置するように、少なくともその一端
が上記半導体基板に保持され、そのほとんど大部
分がこの基板と非接触状態に配置される第2の薄
膜部材と、 を具備するとともに、 上記一対の薄膜の熱感知センサは、上記ヒータ
を挟んで位置して成ることを特徴とする流速セン
サ。 2 薄膜の絶縁層は、窒化シリコンから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の流速セ
ンサ。 3 結晶面(100)と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、 一対の熱感知センサの一方とヒータの一部とを
含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜部材
であつて、上記結晶面(100)に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、少なくともその一端が上
記半導体基板に保持され、そのほとんど大部分が
この基板と非接触状態に配置される第1の薄膜部
材と、 一対の熱感知センサの他方と上記ヒータの残部
とを含み、薄膜の絶縁層により包まれてなる薄膜
部材であつて、上記結晶面(100)に対してほぼ
平行となる平面上に配置されるとともに上記空気
スペースに位置するように、少なくともその一端
が上記半導体基板に保持され、そのほとんど大部
分がこの基板と非接触状態に配置される第2の薄
膜部材と、 上記第1および第2の薄膜部材同士を連結する
連結部材と、 を具備するとともに、 上記一対の薄膜の熱感知センサは、上記ヒータ
を挟んで位置して成ることを特徴とする流速セン
サ。 4 薄膜の絶縁層は、窒化シリコンから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第3項記載の流速セ
ンサ。 5 結晶面(100)と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、 上記結晶面(100)に対してほぼ平行となる平
面上に配置されるとともに上記空気スペースに位
置するように、少なくともその一端が上記半導体
基板に保持され、そのほとんど大部分がこの基板
と非接触状態に配置される薄膜のヒータと、 上記結晶面(100)に対してほぼ平行となる平
面上に配置されるとともに上記空気スペースに位
置するように、少なくともその一端が上記半導体
基板に保持され、そのほとんど大部分がこの基板
と非接触状態に配置される一対の薄膜の熱感知セ
ンサと、 上記半導体基板に設けられる周囲温度を検出す
るための比較抵抗素子と、 この比較抵抗素子と上記薄膜のヒータとを含む
ブリツジ回路を制御するための電子回路を具備
し、 上記一対の薄膜の熱感知センサの各々は上記ヒ
ータの対向する両側面に配置され、 上記ヒータは、上記電子回路により、周囲温度
より一定の高い温度で駆動されることを特徴とす
る流速センサ。 6 結晶面(100)と結晶軸〔110〕を有し、か
つ、最上表面に形成されてなる空気スペースを有
するシリコン半導体基板と、 薄膜の絶縁層により包まれて薄膜部材を形成
し、更に、上記結晶面(100)に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、上記薄膜部材の少なくと
も一端が上記半導体基板に保持され、そのほとん
ど大部分がこの基板と非接触状態に配置される薄
膜のヒータと、 薄膜の絶縁層により包まれて薄膜部材を形成
し、更に、上記結晶面(100)に対してほぼ平行
となる平面上に配置されるとともに上記空気スペ
ースに位置するように、上記薄膜部材の少なくと
も一端が上記半導体基板に保持され、そのほとん
ど大部分がこの基板と非接触状態に配置される一
対の薄膜の熱感知センサと、 上記半導体基板に設けられる周囲温度を検出す
るための比較抵抗素子と、 この比較抵抗素子と上記薄膜のヒータとを含む
ブリツジ回路を制御するための電子回路を具備
し、 上記一対の薄膜の熱感知センサの各々は上記ヒ
ータの対向する両側面に配置され、 上記ヒータは、上記電子回路により、周囲温度
より一定の高い温度で駆動されることを特徴とす
る流速センサ。[Claims] 1. A silicon semiconductor substrate having a crystal plane (100) and a crystal axis [110] and an air space formed on the uppermost surface, one of a pair of heat sensing sensors and a heater. a thin film member which includes a part of the film and is surrounded by a thin film insulating layer, the thin film member being arranged on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and located in the air space; a first thin film member having at least one end held by the semiconductor substrate and most of which is disposed in a non-contact state with the substrate; the other of the pair of heat sensing sensors and the remainder of the heater; a thin film member surrounded by an insulating layer, at least one end of which is disposed on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and positioned in the air space; a second thin film member held by the substrate, most of which is disposed in a non-contact state with the substrate, and the pair of thin film heat sensing sensors are positioned with the heater in between. A flow velocity sensor characterized by: 2. The flow velocity sensor according to claim 1, wherein the thin film insulating layer is made of silicon nitride. 3. A silicon semiconductor substrate having a crystal plane (100) and a crystal axis [110] and having an air space formed on the uppermost surface, one of a pair of heat sensing sensors and a part of a heater, A thin film member surrounded by a thin insulating layer, the thin film member being arranged on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and located in the air space, at least one end of which is connected to the semiconductor. The first thin film member is held on the substrate and most of the part is disposed in a non-contact state with the substrate, the other of the pair of heat sensing sensors and the remainder of the heater, and is surrounded by a thin film insulating layer. a thin film member, at least one end of which is held on the semiconductor substrate so as to be disposed on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and located in the air space; a second thin film member that is mostly disposed in a non-contact state with the substrate; and a connecting member that connects the first and second thin film members, and the pair of thin film heat sensing sensors. is a flow velocity sensor, characterized in that it is located across the heater. 4. The flow rate sensor according to claim 3, wherein the thin film insulating layer is made of silicon nitride. 5. A silicon semiconductor substrate having a crystal plane (100) and a crystal axis [110] and an air space formed on the uppermost surface, and a silicon semiconductor substrate on a plane substantially parallel to the crystal plane (100). a thin film heater whose at least one end is held by the semiconductor substrate so as to be located in the air space, and whose most part is arranged in a non-contact state with the substrate; and the crystal plane (100). at least one end of which is held on the semiconductor substrate, and most of which is disposed in a non-contact state with the substrate, so as to be located on a plane substantially parallel to the air space and in the air space. a thin film heat sensing sensor; a comparison resistance element provided on the semiconductor substrate for detecting ambient temperature; and an electronic circuit for controlling a bridge circuit including the comparison resistance element and the thin film heater. , each of the pair of thin film heat sensing sensors is arranged on opposite sides of the heater, and the heater is driven by the electronic circuit at a constant higher temperature than the ambient temperature. . 6. A silicon semiconductor substrate having a crystal plane (100) and a crystal axis [110] and an air space formed on the uppermost surface, and a thin film member is formed by being wrapped with a thin film insulating layer, and further, At least one end of the thin film member is held on the semiconductor substrate so that it is disposed on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and located in the air space, and almost the majority of the thin film member is held on the semiconductor substrate. a thin-film heater disposed in a non-contact state with the thin-film heater; and a thin-film heater surrounded by a thin-film insulating layer to form a thin-film member, further disposed on a plane substantially parallel to the crystal plane (100) and the above-mentioned a pair of thin film thermal sensing sensors, at least one end of the thin film member being held in the semiconductor substrate so as to be located in an air space, and a substantially large portion of the thin film member being disposed in a non-contact state with the substrate; Each of the pair of thin film heat sensing sensors is provided with a comparison resistance element for detecting ambient temperature, and an electronic circuit for controlling a bridge circuit including the comparison resistance element and the thin film heater. A flow velocity sensor disposed on opposite sides of the heater, wherein the heater is driven by the electronic circuit at a constant temperature higher than ambient temperature.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58244964A JPS60142268A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Flow rate sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58244964A JPS60142268A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Flow rate sensor |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1129640A Division JPH0795076B2 (en) | 1989-05-23 | 1989-05-23 | Flow velocity sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60142268A JPS60142268A (en) | 1985-07-27 |
JPH057659B2 true JPH057659B2 (en) | 1993-01-29 |
Family
ID=17126571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP58244964A Granted JPS60142268A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Flow rate sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60142268A (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6752014B1 (en) | 1999-09-24 | 2004-06-22 | Hitachi, Ltd. | Hot-wire type air flow meter for internal combustion engine |
DE19739949B4 (en) * | 1997-04-17 | 2005-07-14 | Mitsubishi Denki K.K. | flow-through |
DE19945168B4 (en) * | 1999-04-13 | 2006-05-18 | Mitsubishi Denki K.K. | Thermosensitive flow rate sensor and manufacturing method therefor |
DE19961129B4 (en) * | 1999-07-14 | 2006-07-06 | Mitsubishi Denki K.K. | Flow sensor of a thermal type |
DE10215954B4 (en) * | 2001-08-22 | 2006-08-10 | Mitsubishi Denki K.K. | Flow measurement device |
JP2008233057A (en) * | 2006-08-21 | 2008-10-02 | Mitsuteru Kimura | Thermal conductivity sensor and thermal conductivity measurement device using the same |
JP2011099757A (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Thermal fluid flow sensor and method of manufacturing the same |
WO2015076117A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | 株式会社村田製作所 | Thermal-type flow rate sensor |
US10989579B2 (en) | 2018-02-23 | 2021-04-27 | Mitsubishi Electric Corporation | Thermal detection sensor |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA1236931A (en) * | 1984-07-25 | 1988-05-17 | Philip J. Bohrer | Semiconductor device structure and processing by means of preferential etch undercutting |
JPS63282662A (en) * | 1987-03-05 | 1988-11-18 | Yamatake Honeywell Co Ltd | flow rate sensor |
JPH0643906B2 (en) * | 1988-10-17 | 1994-06-08 | 山武ハネウエル株式会社 | Flow sensor |
JPH0795076B2 (en) * | 1989-05-23 | 1995-10-11 | 山武ハネウエル株式会社 | Flow velocity sensor |
JPH047684A (en) * | 1990-04-25 | 1992-01-13 | Shimadzu Corp | Data display system |
JPH077008B2 (en) * | 1990-05-07 | 1995-01-30 | 山武ハネウエル株式会社 | Flow velocity sensor |
JPH0466578U (en) * | 1990-10-19 | 1992-06-11 | ||
JP2666163B2 (en) * | 1991-12-04 | 1997-10-22 | 山武ハネウエル株式会社 | Temperature characteristic correction method for flow velocity sensor |
US5763775A (en) * | 1996-03-13 | 1998-06-09 | Ricoh Company, Ltd. | Flow sensor having first and second temperature detecting portions for accurate measuring of a flow rate and a manufacturing method thereof |
JP3366818B2 (en) * | 1997-01-16 | 2003-01-14 | 株式会社日立製作所 | Thermal air flow meter |
JP3333712B2 (en) * | 1997-06-19 | 2002-10-15 | 三菱電機株式会社 | Flow rate detecting element and flow rate sensor using the same |
JP3981907B2 (en) | 1998-10-21 | 2007-09-26 | 株式会社デンソー | Flow measuring device |
JP4980510B2 (en) * | 2000-07-12 | 2012-07-18 | 株式会社リコー | Flow sensor and combined flow meter |
JP4474771B2 (en) | 2000-12-20 | 2010-06-09 | 株式会社デンソー | Flow measuring device |
US6935172B2 (en) | 2001-08-14 | 2005-08-30 | Hitachi, Ltd. | Thermal type flow measuring device |
JP5526065B2 (en) | 2011-03-25 | 2014-06-18 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Thermal sensor and manufacturing method thereof |
JP6561017B2 (en) | 2016-06-15 | 2019-08-14 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, and flow sensor |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5618381A (en) * | 1979-07-25 | 1981-02-21 | Ricoh Kk | Electric heater |
-
1983
- 1983-12-27 JP JP58244964A patent/JPS60142268A/en active Granted
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19739949B4 (en) * | 1997-04-17 | 2005-07-14 | Mitsubishi Denki K.K. | flow-through |
DE19945168B4 (en) * | 1999-04-13 | 2006-05-18 | Mitsubishi Denki K.K. | Thermosensitive flow rate sensor and manufacturing method therefor |
DE19961129B4 (en) * | 1999-07-14 | 2006-07-06 | Mitsubishi Denki K.K. | Flow sensor of a thermal type |
US6752014B1 (en) | 1999-09-24 | 2004-06-22 | Hitachi, Ltd. | Hot-wire type air flow meter for internal combustion engine |
DE10215954B4 (en) * | 2001-08-22 | 2006-08-10 | Mitsubishi Denki K.K. | Flow measurement device |
JP2008233057A (en) * | 2006-08-21 | 2008-10-02 | Mitsuteru Kimura | Thermal conductivity sensor and thermal conductivity measurement device using the same |
JP2011099757A (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Thermal fluid flow sensor and method of manufacturing the same |
WO2015076117A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | 株式会社村田製作所 | Thermal-type flow rate sensor |
JPWO2015076117A1 (en) * | 2013-11-20 | 2017-03-16 | 株式会社村田製作所 | Thermal flow sensor |
US9970802B2 (en) | 2013-11-20 | 2018-05-15 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Thermal-type flow-rate sensor |
US10989579B2 (en) | 2018-02-23 | 2021-04-27 | Mitsubishi Electric Corporation | Thermal detection sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60142268A (en) | 1985-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH057659B2 (en) | ||
US4478076A (en) | Flow sensor | |
US4478077A (en) | Flow sensor | |
US4501144A (en) | Flow sensor | |
US4651564A (en) | Semiconductor device | |
JP3175887B2 (en) | measuring device | |
US4744246A (en) | Flow sensor on insulator | |
US4683159A (en) | Semiconductor device structure and processing | |
US8667839B2 (en) | Heat conduction-type sensor for calibrating effects of temperature and type of fluid, and thermal flow sensor and thermal barometric sensor using this sensor | |
EP1333255B1 (en) | Flow sensor | |
JPH10197309A (en) | Measuring element for thermal air flow meter and thermal air flow meter | |
JPH0476412B2 (en) | ||
JP2547356B2 (en) | Sensor | |
US6725716B1 (en) | Thermo-sensitive flow rate sensor and method of manufacturing the same | |
JPH10213470A (en) | Thin film type resistor, its manufacturing, flow rate sensor, humidity sensor, gas sensor and temperature sensor | |
EP0176996B1 (en) | Semiconductor device, in particular semiconductor sensor and method for its fabrication | |
EP0134859A1 (en) | Fluid flow sensors | |
JPH0352028B2 (en) | ||
JP3210530B2 (en) | Thermistor flow rate sensor | |
JP2001165739A (en) | Operation method for measurement device | |
CA1236931A (en) | Semiconductor device structure and processing by means of preferential etch undercutting | |
JPH0795076B2 (en) | Flow velocity sensor | |
JPH11354302A (en) | Thin-film resistor element | |
JPH102773A (en) | Thermal air flow meter | |
JP2619735B2 (en) | Heat flow sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
EXPY | Cancellation because of completion of term |