JP7597304B2

JP7597304B2 - フローセンサチップ

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Publication number: JP7597304B2
Application number: JP2021039435A
Authority: JP
Inventors: 隆笠井; 幸志桃谷
Original assignee: Ｍｍｉセミコンダクター株式会社
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2024-12-10
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: CN115077641A; JP2022139173A; EP4056961A1; US20220291028A1; US20240210226A1; US12181319B2; US11953357B2

Description

本発明は、フローセンサチップに関する。

従来、気体の流量や流速を検出するフローセンサが考案されている。フローセンサには、様々な方式が存在するが、その中の一つの方式として熱線式のフローセンサが知られている。熱線式のフローセンサは、センサチップ中央にヒータを有し、ヒータを挟んで上流側熱電対及び下流側熱電対が配置されている。そして、ヒータにより加熱された雰囲気の温度分布が、センサチップの表面を流れる気体の流量に応じて、偏ることを利用して、上流側熱電対と下流側熱電対との起電力差から気体の流量が検出される（特許文献１参照）。

特開２０２０－１２２７４７号公報

ところで、特許文献１の図１に示す検出装置の場合、上流側熱電対の温接点、下流側熱電対の温接点及びヒータは、基板に設けられたキャビティの開口部の上に位置しており、基板を介した熱の移動が起きにくい。一方、上流側熱電対の冷接点及び下流側熱電対の冷接点は、各熱電対を覆う膜と基板とが接している領域の上に位置している。この場合、基板を介して２つの冷接点の温度は一定に維持され易い。

しかしながら、基板に設けられているキャビティの形状や位置は、プロセス上の寸法誤差を完全になくすことは困難である。そのため、仮に、寸法誤差が許容範囲にない場合、キャビティに対する温接点や冷接点の位置が上流側熱電対と下流側熱電対とで対称とならない。また、基板自体に温度分布が生じた場合、法線方向から見て基板と重なる領域の膜の内部に存在する各冷接点は、基板から受ける熱の影響に差があるため、冷接点同士に温度差が乗じることとなる。

その結果、気体の流れがないにもかかわらず、基板の影響によりヒータにより加熱された雰囲気の温度分布が対称とならず、上流側熱電対と下流側熱電対との起電力差が生じることとなり、気体の流量の検出精度が低下するおそれがある。また、キャビティの寸法のバラツキによって、流量の検出結果にもバラツキができるおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、基板に形成されるキャビティの寸法のバラツキが流量の検出精度に与える影響を緩和する新たな構成のフローセンサチップを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、開口を有するキャビティが形成されている基板と、開口を覆うように、基板の表面に配置されているメンブレンと、メンブレンに設けられたヒータと、メンブレンに設けられ、ヒータを挟んで配置された第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルと、基板とメンブレンとの間の熱の伝導路となる熱伝導部材と、を備えるフローセンサチップである。このフローセンサチップにおいて、第１のサーモパイルが有する熱電対の第１の温接点及び第１の冷接点、並びに、第２のサーモパ
イルが有する熱電対の第２の温接点及び第２の冷接点は、基板表面の法線方向から見て開口と重複する位置に配置されている。熱伝導部材は、第１の冷接点と基板との間の熱の伝導路となる第１の熱伝導部材と、第２の冷接点と基板との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材と、を有する。

この態様によると、第１の冷接点及び第２の冷接点は、基板表面の法線方向から見て開口と重複する位置に配置されている。つまり、第１の冷接点及び第２の冷接点は、基板とメンブレンとが接している領域ではなく、メンブレンが基板ではなくキャビティと対向する領域に含まれている。そのため、仮にキャビティの寸法（形状）にバラツキが生じ、基板とメンブレンとが重なる領域の面積や位置が所望の値からずれた場合であっても、基板から離れた場所にある各冷接点が基板から受ける影響の差（例えば、冷却効果の差）が緩和される。一方、基板を介した各冷接点の冷却は、第１の冷接点と基板との間の熱の伝導路となる第１の熱伝導部材と、第２の冷接点と基板との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材とが担うことになるので、第１の冷接点及び第２の冷接点の温度は従来同様にほぼ同じにできる。また、仮に基板内で温度分布が発生しても、第１の冷接点及び第２の冷接点は基板から直接熱が伝わることはないため、温度分布の影響を受けにくい。

ここで、基板は、例えば、単結晶シリコンやセラミックスといった温度による形状の変化が小さい材料が好ましい。また、基板は、半導体プロセスによる高精度な加工が容易な材料であってもよい。例えば、キャビティを半導体プロセスのエッチングで形成する場合、単結晶シリコンを用いることでキャビティの形状の制御が容易となる。また、キャビティとは、基板の内部に形成されているものであり、少なくとも基板の一方の表面に開口を有していることが好ましい。なお、キャビティは、基板を貫通するように基板の両方の表面に開口を有していてもよい。また、メンブレンとは、ヒータやサーモパイルを内包できる構成であればよく、材料は特に限定されないが、ヒータやサーモパイルを流れる電流を考慮すれば、半導体プロセスで形成可能な絶縁性の薄膜が好ましい。また、メンブレンの内部に設けられているヒータやサーモパイルは、その全体が完全に包み込まれていなくてもよく、一部が外部に露出したり、他の部品と接合したりしていてもよい。

また、第１の熱伝導部材は、メンブレンにおける基板側と反対側の表面に設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレンと基板とが重なっている領域から第１の冷接点より第１の温設点側まで延びていてもよい。また、第２の熱伝導部材は、メンブレンにおける基板側と反対側の表面に設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレンと基板とが重なっている領域から第２の冷接点より第２の温接点側まで延びていてもよい。これにより、第１の冷接点は、第１の熱伝導部材を介して基板へ熱を逃がすことができる。同様に、第２の冷接点は、第２の熱伝導部材を介して基板へ熱を逃がすことができる。各熱伝導部材は，メンブレンにヒータやサーモパイルを形成した後に成膜プロセスなどにより熱伝導部材を付与することで実現でき、メンブレンにおける基板側と反対側の表面にあると作製工法がシンプルになる。

また、第１の熱伝導部材は、メンブレンの内部に設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレンと基板とが重なっている領域から第１の冷接点の側方まで延びていてもよい。また、第２の熱伝導部材は、メンブレンの内部に設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレンと基板とが重なっている領域から第２の冷接点の側方まで延びていてもよい。これにより、各熱伝導部材をメンブレンの上に設ける必要がなくなり、センサチップの厚みを抑えることができる。また、メンブレンの内部に各熱伝導部材があることで、熱伝導効果を高めることも期待できる。

また、第１の熱伝導部材は、第１の冷接点と一体化した金属材料からなってもよい。これにより、第１の熱伝導部材と第１の冷接点とを同時に形成することができる。また、第
２の熱伝導部材は、第２の冷接点と一体化した金属材料からなってもよい。これにより、第２の熱伝導部材と第２の冷接点とを同時に形成することができる。各熱伝導部材と各冷接点とを同時に形成できることで、作製工法の簡易化を図ることができる。また、各熱伝導部材と各冷接点が一体化していることで，熱伝導の効果を高めることができる。

また、第１の熱伝導部材及びメンブレンは、外部とキャビティとを連通する第１の貫通孔が形成されていてもよい。加えて、第２の熱伝導部材及びメンブレンは、外部とキャビティとを連通する第２の貫通孔が形成されていてもよい。これにより、検出対象である流体は、メンブレンの上を通過しながらヒータの熱による温度分布を偏らせるだけでなく、基板の内部に形成されているキャビティを通過しながらキャビティ内の温度分布を偏らせることができる。そのため、流体の流量や流速の検出感度が向上する。また、流体が流れる流路の上流側に第１の貫通孔が形成され、下流側に第２の貫通孔が形成されることで、流体がキャビティ内をスムーズに通過できる。

また、第１の貫通孔は、メッシュ状に複数個形成されていてもよい。また、第２の貫通孔は、メッシュ状に複数個形成されていてもよい。これにより、キャビティ内を通過する流体の流れの偏りを緩和できる。さらに、１つあたりの貫通孔の穴径が小さいことで、気体に含まれる異物が貫通孔を通りづらくなり、異物への耐性も向上する。

また、第１の貫通孔は、第１の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形の長穴であってもよい。また、第２の貫通孔は、第２の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形の長穴であってもよい。これにより、キャビティ内を通過する流体の量を増やすことができる。そのため、流体の流量や流速の検出感度が向上する。

熱伝導部材は、電気的にＧＮＤ電位に接続されていてもよい。これにより、熱伝導部材が電磁シールドとして機能し、熱伝導部材周辺での電流や信号に対する電気的な外乱の影響が抑制され、ノイズ耐性が向上する。また、帯電した異物がＧＮＤ電位の熱伝導部材に引き寄せられトラップされることにより、異物が貫通孔からキャビティ内に侵入しづらくなる。

熱伝導部材は、アルミニウム、チタン、銅、タングステン、モリブデン、タンタルからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料であってもよい。ここで、金属材料とは、複数の元素からなる合金であってもよい。これにより、冷接点と基板との間の熱の伝導が効率良く行われる。また、これらの金属は半導体プロセスで多く使われている材料であり、シリコン基板への成膜が容易である。

基板の上に設けられた金属端子を更に備えてもよい。熱伝導部材及び金属端子は、同じ材料かつ同じ膜厚で構成されていてもよい。これにより、熱伝導部材及び金属端子を同じプロセスで形成できる。なお、熱伝導部材及び金属端子の膜厚は、厳密に同じである必要はなく、製造プロセス上の誤差や、性能に影響しない程度の誤差があってもよい。

熱伝導部材及び金属端子は、金、白金、銀、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料であってもよい。これにより、熱伝導部材と金属端子とをワイヤーボンディングで接続する際の信頼性が向上する。また、熱伝導部材と金属端子を同一の金属材料とすることで、作製工法を簡素化することができる。

第１の熱伝導部材は、第１のサーモパイルが有する熱電対の第１の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形又はＵ字状の金属層であり、第２の熱伝導部材は、第２のサーモパイルが有する熱電対の第２の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形又はＵ字状の金属層であってもよい。

本発明によれば、基板に形成されるキャビティの寸法誤差が流量の検出精度に与える影響を緩和できる。

実施例１に係るフローセンサチップの上面図である。図１に示すフローセンサチップのＡ－Ａ断面図である。サーモパイルの構成の一例を示す模式図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係るフローセンサチップの仕組みを説明するための断面図である。実施例２に係るフローセンサチップの上面図である。図５に示すフローセンサチップのＢ－Ｂ断面図である。実施例３に係るフローセンサチップの上面図である。実施例４に係るフローセンサチップの断面図である。図８に示すサーモパイル近傍の拡大図である。実施例５に係るフローセンサチップの断面図である。

［適用例］
本適用例においては、サーモパイルを用いた熱式のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップをフローセンサに適用した場合について説明する。本適用例に係るフローセンサは対となる２つのサーモパイルを有し、それぞれのサーモパイルは複数の熱電対から構成される。それぞれの熱電対は、ヒータ側に位置する温接点、及びヒータと反対側に位置し、温接点と対を成す冷接点を備えている。

熱電対は、温接点がヒータの熱を感知すると、ゼーベック効果により、冷接点との温度差によって起電力が生じる。起電力が生じると、サーモパイルの間の温度差の検知が可能となり、流体の流量の値を観測することが可能となる。ここで、流体の流量の値が増大するほど、サーモパイルの間の温度差の値も増大し、両者の値は個々に相関性を持っている。そのため、サーモパイルの間の温度差を測定することで流体の流量を取得することが可能となる。

サーモパイルはヒータを挟んで対称に設けられており、流量検出の際に流体が流路に沿って流れてくる側を上流側、反対側を下流側としている。また、サーモパイルとヒータは、薄膜状の絶縁膜上又は絶縁膜内に配置されており、絶縁膜の一部は基板上の所定面側に開口した凹部であるキャビティを覆うように形成されている。

しかしながら、前述のサーモパイル型センサにおいては、外部環境が原因で基板上に温度分布が生じることでサーモパイルの冷接点同士の間で温度差が生じる、あるいはキャビティの寸法のバラツキが生じた際にオフセット電圧が生じるといった可能性が考えられる。その結果、サーモパイル型センサの測定精度が低下したり、キャビティの寸法精度を向上させるために生産性が低下したりする不都合が生じ得る。

そこで、本開示では、キャビティに対する冷接点の位置を工夫することで、基板にキャビティを形成する際の寸法誤差が流量の検出精度に与える影響を緩和できるフローセンサチップを考案した。具体的には、図１や図２に示すように、第１のサーモパイル６ａが有する熱電対８ａの第１の温接点９ａ及び第１の冷接点１０ａ、並びに、第２のサーモパイル６ｂが有する熱電対８ｂの第２の温接点９ｂ及び第２の冷接点１０ｂは、基板３の表面３ａの法線方向Ｚから見て開口２ａと重複する位置に配置されているフローセンサチップ
１を考案した。この構成により、冷接点１０ａ，１０ｂが基板３と隣接せずに基板３から離れるため、基板３から冷接点１０ａ，１０ｂが受ける熱的な影響が緩和される。

一方、そのままでは、冷接点１０ａ，１０ｂを冷却する効果も低下してしまうため、フローセンサチップ１は、基板３とメンブレン４との間の熱の伝導路となる熱伝導部材７ａ，７ｂを備えている。熱伝導部材７ａ，７ｂは、メンブレン４の主材料である酸化シリコンや窒化シリコンよりも熱伝導率が高く、例えば、熱伝導が良好な金属層によるカバーであり、アルミニウム、チタン、銅、タングステン、モリブデン、タンタルといった金属が利用できる。このような金属以外でも、熱伝導率が所定の値以上（例えば、１５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上）の材料であれば、熱伝導部材７ａ，７ｂとして利用できる。そして、熱伝導部材７ａ，７ｂが冷接点１０ａ，１０ｂと基板３との間の熱の伝導路となることで、キャビティの寸法誤差があっても、冷接点１０ａ，１０ｂが基板３を介して同じ温度に冷却されやすくなり、フローセンサチップ１による流量の検出精度が向上する。

［実施例１］
以下、本開示の実施例１に係るサーモパイル型のフローセンサチップについて、図面を用いて詳細に説明する。以下の実施形態においては、本開示を熱式のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）フローセンサに適用した例について説明するが、本開示を赤外線センサ等、他のサーモパイル型センサに適用してもかまわない。なお、標準的なフローセンサは、フローセンサチップ以外に、流路を構成する筐体や、フローセンサチップの駆動や出力信号の処理を行う回路を備えているが、筐体や回路の構成については、本開示のフローセンサチップの構成や用途、目的に応じて適宜選択すればよい。また、本開示に係るフローセンサチップは、以下の構成には限定されない。

＜フローセンサチップ＞
図１は、実施例１に係るフローセンサチップの上面図である。図２は、図１に示すフローセンサチップのＡ－Ａ断面図である。フローセンサチップ１は、例えば、ガスメータや燃焼機器、自動車等の内燃機関、燃料電池、その他医療等の産業機器、組込機器に組み込まれ、流路を通過する流体の量を測定するための熱式のフローセンサに適用できる。

フローセンサチップ１は、開口２ａを有するキャビティ２が内部に形成されている基板３と、開口２ａを覆うように、基板３の表面に配置されているメンブレン４と、メンブレン４の内部に設けられたヒータ５と、メンブレン４の内部に設けられ、ヒータ５の上流側に配置された第１のサーモパイル６ａ及びヒータ５の下流側に配置された第２のサーモパイル６ｂと、基板３とメンブレン４との間の熱の伝導路となる熱伝導部材７ａ，７ｂと、を備える。

図２に示すように、フローセンサチップ１において、第１のサーモパイル６ａが有する熱電対８ａの第１の温接点９ａ及び第１の冷接点１０ａ、並びに、第２のサーモパイル６ｂが有する熱電対８ｂの第２の温接点９ｂ及び第２の冷接点１０ｂは、基板３の表面３ａ（メンブレン４を支持している表面）の法線方向Ｚから見て開口２ａと重複する位置に配置されている。熱伝導部材７ａ，７ｂは、第１の冷接点１０ａと基板３との間の熱の伝導路となる第１の熱伝導部材７ａと、第２の冷接点１０ｂと基板３との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材７ｂとを有する。

図１、図２に示すように、サーモパイル６ａ，６ｂは、ヒータ５を挟んで対称に設けられている。基板３は、表面３ａが所定の面方位となるように加工された板状の単結晶シリコンで構成されている。また、ヒータ５は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。サーモパイル６ａ，６ｂのそれぞれの形状は、チップ表面を上面から見て略矩形である。第１のサーモパイル６ａは、ヒータ５の上流側に配置されており、第２のサーモパイル
６ｂは、ヒータ５の下流側に配置されている。ここで、ヒータ５の上流側、下流側とは、例えば、フローセンサチップ１の測定対象であるガス（流体）が、フローセンサチップ１表面上の流路を通常流れる方向Ｆを基準として定義される。

ヒータ５及びサーモパイル６ａ，６ｂは、絶縁材料からなるメンブレン４の内部に形成され、メンブレン４は、基板３上に設けられている。なお、メンブレン４の内部に設けられているヒータ５やサーモパイル６ａ，６ｂは、その全体が完全にメンブレン４に包み込まれていなくてもよく、一部が外部に露出したり、他の部品と接合したりしていてもよい。

フローセンサチップ１は、二つのサーモパイル６ａ，６ｂから出力された温度検出信号に基づいて、測定対象である流体の流量を示す値を検出する。具体的には、フローセンサチップ１は、第１のサーモパイル６ａから出力された温度検出信号と、第２のサーモパイル６ｂから出力された温度検出信号との差分を算出し、差分に基づいて流体の流量を示す値を後段の電子回路部（不図示）へ出力する。なお、図１では二つのサーモパイル６ａ，６ｂを示しているが、サーモパイルは二つ以上であればその数に限定はない。

図３は、サーモパイルの構成の一例を示す模式図である。図１では簡略化して示しているが、第１のサーモパイル６ａは、複数の熱電対８ａがメンブレン４上に所定の間隔で並んで配置されることで構成されている。複数の熱電対８ａは直列接続された温度センサとして機能する。第１のサーモパイル６ａは、複数の第１の温接点９ａが図１のＹ方向に並ぶように形成されている。また、第１のサーモパイル６ａは、複数の第１の冷接点１０ａが図１のＹ方向に並ぶように形成されている。第１のサーモパイル６ａは、熱電対８ａの第１極１１、第２極１２の構成材料として、それぞれ、Ｎ型ポリシリコン（Ｐ（リン）を注入したポリシリコン）、Ａｌ（アルミニウム）を採用しているが、必ずしもこの組合せに限られない。なお、第２のサーモパイル６ｂは、第１のサーモパイル６ａと同様の構成であり、説明を省略する。

前述のように、一対あたりの熱電対８ａは、ポリシリコン配線上にＡｌの金属薄膜が形成された構成を有し、熱電対８ａの両端において、ポリシリコン配線である第１極１１が金属薄膜である第２極１２と接続されている。このうち、ヒータ５と同じ側で接続されている箇所が第１の温接点９ａであり、ヒータ５と反対側で接続されている箇所が第１の冷接点１０ａである。なお、熱電対８ｂは、熱電対８ａと同様の構成である。

このように、二つのサーモパイル６ａ，６ｂにおいて、第１の温接点９ａと第２の温接とはヒータ５を挟んで互いに対向している。また、第１の冷接点１０ａは、熱電対８ａの両端部のうち第１の温接点９ａが設けられている一端とは反対側の他端に設けられている。同様に、第２の冷接点１０ｂは、熱電対８ｂの両端部のうち第２の温接点９ｂが設けられている一端とは反対側の他端に設けられている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係るフローセンサチップ１の仕組みを説明するための断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、点線の楕円によって、ヒータ５が発熱した場合の温度分布を模式的に示している。なお、ヒータ５近辺の温度分布ほど温度が高いものとする。図４（ａ）は、流体が流れていない状態でヒータ５に通電する場合の温度分布の一例を模式的に示している。一方、図４（ｂ）は、流体が矢印の方向Ｆに流れている状態でヒータ５に通電する場合の温度分布の一例を模式的に示している。第１のサーモパイル６ａ、ヒータ５及び第２のサーモパイル６ｂは、フローセンサチップ１内において、矢印の方向Ｆに沿って順に並んで配置されている。ヒータ５及びサーモパイル６ａ，６ｂの各々の長手方向（図１に示すＹ方向）は、流体の流れ方向と直交（交差）する。

流体が流れていない場合、ヒータ５の熱は、図４（ａ）に示すように、ヒータ５を中心として対称に拡散する。よって、図４（ａ）において、ヒータ５の左側（上流側）に配置されている第１の温接点９ａの温度と、ヒータ５の右側（下流側）に配置されている第２の温接点９ｂの温度とは同一となる。すなわち、サーモパイル６ａ，６ｂのそれぞれの温度検出信号に差はなく、出力電圧は生じない。

一方、流体が流れている場合、ヒータ５の熱は、流体の流れの影響を受けるため、ヒータ５を中心として対称に拡散せず、流体の流れに沿って非対称に拡散していく。よって、図４（ｂ）において、ヒータ５の左側に配置されている第１の温接点９ａの温度と、ヒータ５の右側に配置されている第２の温接点９ｂの温度との間に差が生じる。そして、この温度差に比例してサーモパイル６ａ，６ｂのそれぞれの温度検出信号に差が生じ、出力電圧が生じる。また、流速に応じて温度差が大きくなるため、流速の大きさをサーモパイル６ａ，６ｂの起電力に基づいて検出できる。また、流体の流れる向きにより、図４（ｂ）に示す二つの温接点９ａ，９ｂの間の温度差の正負が逆転し、出力電圧の正負も逆転するため、流体の流れる向きを検出できる。フローセンサチップ１は、このようなヒータ５の熱の分布の偏りを利用して、流量を示す値を出力する。

本実施例に係るフローセンサチップ１は、メンブレン４を搭載する基板３に、凹部であるキャビティ２が形成されている。そして、第１のサーモパイル６ａが有する第１の温接点９ａ及び第２のサーモパイル６ｂが有する第２の温接点９ｂは、基板表面の法線方向から見て開口２ａと重複する位置に配置されている。そして、ヒータ５からの発熱は、キャビティ２に放出されるため、基板３の内部への発熱の拡散は抑制される。つまり、ヒータ５によって基板３が加熱されることが緩和される。

また、フローセンサチップ１は、第１のサーモパイル６ａが有する第１の冷接点１０ａ及び第２のサーモパイル６ｂが有する第２の冷接点１０ｂも、基板表面の法線方向から見て開口２ａと重複する位置に配置されている。つまり、第１の冷接点１０ａ及び第２の冷接点１０ｂは、基板３とメンブレン４とが接している領域Ｒ１ではなく、メンブレン４が基板３ではなくキャビティ２と対向する領域Ｒ２に含まれている。そのため、仮にキャビティ２の寸法（形状）にバラツキが生じ、法線方向から見て基板３とメンブレン４とが重なる領域Ｒ１の面積や位置が所望の値からずれた場合であっても、基板３から離れた場所にある各冷接点１０ａ，１０ｂが基板３から受ける影響の差が緩和される。基板３から受ける影響は、例えば、ヒータ５の熱を各冷接点１０ａ，１０ｂで冷却する効果や、周囲温度よって変化した基板３の熱が各冷接点１０ａ，１０ｂへ熱伝導する効果に基づく影響である。

一方、基板３を介した各冷接点１０ａ，１０ｂの冷却は、第１の冷接点１０ａと基板３との間の熱の伝導路となる熱伝導部材７ａと、第２の冷接点１０ｂと基板３との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材７ｂとが担うことになるので、第１の冷接点１０ａ及び第２の冷接点１０ｂの温度は従来同様にほぼ同じにできる。また、仮に基板内で温度分布が発生しても、第１の冷接点１０ａ及び第２の冷接点１０ｂは基板３から直接熱が伝わることはないため、温度分布の影響を受けにくい。その結果、本実施例に係るフローセンサチップ１は、基板３に形成されるキャビティ２の寸法誤差が流量の検出精度（例えば、オフセット電圧のバラツキ）に与える影響を緩和できる。

換言すると、キャビティ２を製造する際の寸法のバラツキ（公差）がある程度大きくても、流量の検出精度の低下が抑えられるため、基板３へキャビティ２を形成する工程における良品の歩留りを向上できる。特に、単結晶シリコンからなる基板３へエッチングによりキャビティ２を形成する場合、キャビティ２の寸法のバラツキが小さい加工は難しいため、本実施例に係るフローセンサチップ１のように、キャビティ２の寸法のバラツキが流
量の検出精度に与える影響を緩和した構成が好ましい。

また、第１の熱伝導部材７ａは、メンブレン４の基板３と接している側４ａと反対側の表面４ｂに設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレン４と基板３とが接している領域Ｒ１から第１の冷接点１０ａの上方まで延びている。また、第２の熱伝導部材７ｂは、メンブレン４の基板３と接している側４ａと反対側の表面４ｂに設けられており、基板表面の法線方向から見てメンブレン４と基板３とが接している領域Ｒ１から第２の冷接点１０ｂの上方まで延びている。これにより、第１の冷接点１０ａは、第１の熱伝導部材７ａを介して基板３へ熱を逃がすことができる。同様に、第２の冷接点１０ｂは、第２の熱伝導部材７ｂを介して基板３へ熱を逃がすことができる。

なお、本実施例では、基板３が単結晶シリコンである場合を例示しているが、エッチングや他のプロセスで所望形状のキャビティ２を形成できる材料であれば基板に採用し得る。また、実施例１に係るキャビティ２は、基板３の内部に形成されているものであり、基板３の一方の表面３ａ側に開口２ａを有しているが、基板３を貫通するように基板の両方の表面に開口が形成されていてもよい。また、キャビティ２の側面２ｂは、開口２ａに向かって側面が広がるように傾斜を有している。

また、本実施例に係るフローセンサチップ１において、第１の熱伝導部材７ａ及びメンブレン４は、流路が形成されている外部（流路１３）とキャビティ２とを連通する第１の貫通孔１４ａが形成されている。加えて、第２の熱伝導部材７ｂ及びメンブレン４は、外部（流路１３）とキャビティ２とを連通する第２の貫通孔１４ｂが形成されている。これにより、検出対象である流体は、メンブレン４の上を通過しながらヒータ５の熱による温度分布を偏らせるだけでなく、基板３の内部に形成されているキャビティ２を通過しながらキャビティ内の温度分布を偏らせることができる。そのため、流体の流量や流速の検出感度が向上する。また、流体が流れる流路１３の上流側に第１の貫通孔１４ａが形成され、下流側に第２の貫通孔１４ｂが形成されることで、流体がキャビティ２の内部をスムーズに通過できる。

また、第１の貫通孔１４ａは、図１に示すように、メッシュ状に複数個形成されている。同様に、第２の貫通孔１４ｂは、メッシュ状に複数個形成されている。これにより、キャビティ内を通過する流体の流れの偏りを緩和できる。さらに、１つあたりの貫通孔の穴径が小さいことで、気体に含まれる異物が貫通孔を通りづらくなり、異物への耐性も向上する。

また、熱伝導部材７ａ，７ｂは、Ａｌ、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）からなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料である。ここで、金属材料とは、複数の元素からなる合金であってもよい。これにより、冷接点１０ａ，１０ｂと基板３との間の熱の伝導が効率良く行われる。なお、金属材料は一般的に赤外線反射率が高い（放射率の低い）ため、熱伝導部材７ａ，７ｂによって外界から基板３への放射伝熱の影響を低減することができる。また、基板３やメンブレン４より熱伝導率の高い金属材料を用いて、基板３上の広範囲をカバーすることで基板３の温度分布の均質化が図られる。

［実施例２］
図５は、実施例２に係るフローセンサチップの上面図である。図６は、図５に示すフローセンサチップのＢ－Ｂ断面図である。実施例２に係るフローセンサチップ１５は、熱伝導部材７ａ，７ｂが電気的にＧＮＤ電位に接続されている点を除いて、実施例１に係るフローセンサチップ１と同じ構成である。したがって、以下では、フローセンサチップ１と同じ構成は同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

実施例２に係るフローセンサチップ１５は、金属等の導電性材料でもある熱伝導部材７ａ，７ｂが電磁シールドとして機能し、熱伝導部材周辺での電流や信号に対する電気的な外乱の影響が抑制され、ノイズ耐性が向上する。また、帯電した異物１６がＧＮＤ電位の熱伝導部材７ａ，７ｂに引き寄せられトラップされることにより、異物が貫通孔１４ａ，１４ｂからキャビティ２内に侵入しづらくなる。また、異物１６を捕獲する熱伝導部材７ａ，７ｂは、流体がキャビティ２に入る入口である貫通孔１４ａ，１４ｂが形成されているため、効率的に異物１６を捕獲できる。

［実施例３］
図７は、実施例３に係るフローセンサチップの上面図である。実施例３に係るフローセンサチップ１７は、熱伝導部材の形状及び貫通孔の形状を除いて、実施例１に係るフローセンサチップ１と同じ構成である。したがって、以下では、フローセンサチップ１と同じ構成は同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

実施例３に係るフローセンサチップ１７は、矩形の熱伝導部材７ａ，７ｂの代わりに、冷接点１０ａ，１０ｂが並ぶ方向に一辺が形成されているＵ字状の金属層からなる熱伝導部材１８ａ，１８ｂが設けられている。また、第１の貫通孔１９ａ及び第２の貫通孔１９ｂは、冷接点１０ａ，１０ｂが並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形の長穴である。したがって、流体が第１の貫通孔１９ａを介してキャビティ２に流入しやすくなるとともに、第２の貫通孔１９ｂを経て外部へ流出しやすくなり、キャビティ２内を通過する流体の量を増やすことができる。その結果、フローセンサチップ１７は、流体の流量や流速の検出感度が向上する。

［実施例４］
図８は、実施例４に係るフローセンサチップの断面図である。図９は、図８に示すサーモパイル近傍の拡大図である。実施例４に係るフローセンサチップ２０は、熱伝導部材が冷接点と連なりながらメンブレン４の内部に設けられている点が、実施例１に係るフローセンサチップ１と異なる主な点である。したがって、以下では、フローセンサチップ１と同じ構成は同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

実施例４に係るフローセンサチップ２０は、冷接点１０ａ，１０ｂの外側（ヒータ５がある中央側と反対側）に、前述の熱伝導部材と同じ機能を果たす熱伝導部材２１ａ，２１ｂがそれぞれ設けられている。熱伝導部材２１ａ，２１ｂは、矩形であり、冷接点の数と同じ数形成されている。熱伝導部材２１ａ，２１ｂは、冷接点１０ａ，１０ｂと連なっている一端２１ａ１と反対側の他端２１ａ２が、基板３とメンブレン４とが重なる領域Ｒ１まで延びている。換言すると、熱伝導部材２１ａ，２１ｂは、メンブレン４の内部に設けられており、基板３の表面３ａの法線方向から見てメンブレン４と基板３とが重なっている領域Ｒ１から冷接点１０ａ，１０ｂの側方まで延びて冷接点１０ａ，１０ｂと一体化している。これにより、熱伝導部材２１ａ，２１ｂをメンブレン４の上に設ける必要がなくなり、フローセンサチップ２０の厚みを抑えることができる。各熱伝導部材と各冷接点とを同時に形成できることで、作製工法の簡易化を図ることができる。また、各熱伝導部材と各冷接点が一体化していることで、熱伝導の効果を高めることができる。

［実施例５］
図１０は、実施例５に係るフローセンサチップの断面図である。実施例５に係るフローセンサチップ２２は、基板３の上に設けられた金属端子２３ａ，２３ｂを備えている点が、実施例１に係るフローセンサチップ１と異なる主な点である。したがって、以下では、フローセンサチップ１と同じ構成は同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

実施例５に係るフローセンサチップ２２においては、熱伝導部材７ａ，７ｂ及び金属端子２３ａ，２３ｂは、同じ材料かつ同じ膜厚で構成されている。これにより、熱伝導部材７ａ，７ｂ及び金属端子２３ａ，２３ｂを同じプロセスで形成でき、作製工法を簡素化できる。なお、熱伝導部材及び金属端子の膜厚は、厳密に同じである必要はなく、製造プロセス上の誤差や、性能に影響しない程度の誤差があってもよい。

また、熱伝導部材７ａ，７ｂ及び金属端子２３ａ，２３ｂは、金、白金、銀、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料である。これにより、熱伝導部材７ａと金属端子２３ａ、熱伝導部材７ｂと金属端子２３ｂをそれぞれワイヤーボンディングで接続する際の信頼性が向上する。

以上、図面を参照しながら、この開示を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明した。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、開示が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この開示の範囲を上述の実施形態に限定する趣旨のものではなく、実施形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本開示に含まれるものである。

なお、以下には本開示の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本開示の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜付記１＞
開口（２ａ）を有するキャビティ（２）が形成されている基板（３）と、
前記開口を覆うように、前記基板（３）の表面（３ａ）に配置されているメンブレン（４）と、
前記メンブレンに設けられたヒータ（５）と、
前記メンブレンに設けられ、前記ヒータを挟んで配置された第１のサーモパイル（６ａ）及び第２のサーモパイル（６ｂ）と、
前記基板（３）と前記メンブレン（４）との間の熱の伝導路となる熱伝導部材（７ａ，７ｂ）と、を備え、
前記第１のサーモパイル（６ａ）が有する熱電対（８ａ）の第１の温接点（９ａ）及び第１の冷接点（１０ａ）、並びに、前記第２のサーモパイル（６ｂ）が有する熱電対（８ｂ）の第２の温接点（９ｂ）及び第２の冷接点（１０ｂ）は、前記基板表面の法線方向から見て前記開口と重複する位置に配置されており、
前記熱伝導部材は、前記第１の冷接点（１０ａ）と前記基板（３）との間の熱の伝導路となる第１の熱伝導部材（７ａ）と、前記第２の冷接点（１０ｂ）と前記基板（３）との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材（７ｂ）と、を有することを特徴とするフローセンサチップ（１）。

１フローセンサチップ
２キャビティ
２ａ開口
３基板
３ａ表面
４メンブレン
５ヒータ
６ａ第１のサーモパイル
６ｂ第２のサーモパイル
７ａ第１の熱伝導部材
７ｂ第２の熱伝導部材
８ａ熱電対
８ｂ熱電対
９ａ第１の温接点
９ｂ第２の温接点
１０ａ第１の冷接点
１０ｂ第２の冷接点
１４ａ第１の貫通孔
１４ｂ第２の貫通孔

Claims

開口を有するキャビティが形成されている基板と、
前記開口を覆うように、前記基板の表面に配置されているメンブレンと、
前記メンブレンに設けられたヒータと、
前記メンブレンに設けられ、前記ヒータを挟んで配置された第１のサーモパイル及び第２のサーモパイルと、
前記基板と前記メンブレンとの間の熱の伝導路となる熱伝導部材と、を備え、
前記第１のサーモパイルが有する熱電対の第１の温接点及び第１の冷接点、並びに、前記第２のサーモパイルが有する熱電対の第２の温接点及び第２の冷接点は、前記基板表面の法線方向から見て前記開口と重複する位置に配置されており、
前記熱伝導部材は、前記第１の冷接点と前記基板との間の熱の伝導路となる第１の熱伝導部材と、前記第２の冷接点と前記基板との間の熱の伝導路となる第２の熱伝導部材と、を有することを特徴とするフローセンサチップ。
前記第１の熱伝導部材は、前記メンブレンにおける前記基板側と反対側の表面に設けられており、前記基板表面の法線方向から見て前記メンブレンと前記基板とが重なっている領域から前記第１の冷接点より前記第１の温接点側まで延びており、
前記第２の熱伝導部材は、前記メンブレンにおける前記基板側と反対側の表面に設けられており、前記基板表面の法線方向から見て前記メンブレンと前記基板とが重なっている領域から前記第２の冷接点より前記第２の温接点側まで延びている、
ことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサチップ。
前記第１の熱伝導部材は、前記メンブレンの内部に設けられており、前記基板表面の法線方向から見て前記メンブレンと前記基板とが重なっている領域から前記第１の冷接点の側方まで延びており、
前記第２の熱伝導部材は、前記メンブレンの内部に設けられており、前記基板表面の法線方向から見て前記メンブレンと前記基板とが重なっている領域から前記第２の冷接点の側方まで延びている、
ことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサチップ。
前記第１の熱伝導部材は、前記第１の冷接点と一体化した金属材料からなり、
前記第２の熱伝導部材は、前記第２の冷接点と一体化した金属材料からなる、
ことを特徴とする請求項３に記載のフローセンサチップ。
前記第１の熱伝導部材及び前記メンブレンは、外部と前記キャビティとを連通する第１の貫通孔が形成されており、
前記第２の熱伝導部材及び前記メンブレンは、外部と前記キャビティとを連通する第２の貫通孔が形成されている、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
前記第１の貫通孔は、メッシュ状に複数個形成されており、
前記第２の貫通孔は、メッシュ状に複数個形成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のフローセンサチップ。
前記第１の貫通孔は、前記第１の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形の長穴であり、
前記第２の貫通孔は、前記第２の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形の長穴である、
ことを特徴とする請求項５に記載のフローセンサチップ。
前記熱伝導部材は、電気的にＧＮＤ電位に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
前記熱伝導部材は、アルミニウム、チタン、銅、タングステン、モリブデン、タンタルからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
前記基板の上に設けられた金属端子を更に備え、
前記熱伝導部材及び前記金属端子は、同じ材料かつ同じ膜厚で構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。
前記熱伝導部材及び前記金属端子は、金、白金、銀、アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む金属材料であることを特徴とする請求項１０に記載のフローセンサチップ。
前記第１の熱伝導部材は、前記第１のサーモパイルが有する熱電対の第１の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形又はＵ字状の金属層であり、
前記第２の熱伝導部材は、前記第２のサーモパイルが有する熱電対の第２の冷接点が並ぶ方向に沿って一辺が形成されている矩形又はＵ字状の金属層である、
ことを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか一項に記載のフローセンサチップ。