JP2006090989A

JP2006090989A - ガスフローセンサ装置およびそれに用いるガスフローセンサの製造方法

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Publication number: JP2006090989A
Application number: JP2004280392A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Yoshiaki Honda; 由明本多
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP4670293B2

Abstract

【課題】ガスフローセンサの構造および製造が容易で、且つ、低消費電力化および検出精度の向上が可能なガスフローセンサ装置およびそれに用いるガスフローセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板たる半導体基板１１の一表面側に形成されたヒータ１３と半導体基板１１との間に介在する熱絶縁層１２を有するガスフローセンサ１０と、ガスフローセンサ１０のヒータ１３へ電気的な入力を与える駆動手段と、ガスの流れに起因したガスフローセンサ１０のヒータ１３の抵抗値の変化からガスの流量を求める信号処理手段とを備える。ガスフローセンサ１０は、熱絶縁層１２の熱伝導率をαi、熱容量をＣiとし、半導体基板１１の熱伝導率をαs、熱容量をＣsとするとき、〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕の関係を満足し、駆動手段は、ヒータ１３へ電気的な入力を間欠的に与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式のガスフローセンサを備えたガスフローセンサ装置およびそれに用いるガスフローセンサの製造方法に関するものである。

従来から、マイクロマシンニング技術を応用して形成した熱式のガスフローセンサが各所で研究開発されており（例えば、特許文献１、２参照）、例えば、図１０（ａ），（ｂ）に示す構成のガスフローセンサ１００が知られている。

このガスフローセンサ１００は、シリコン基板１１１の一表面（図１０（ｂ）における上面）側に第１のシリコン酸化膜１２２ａが形成され、第１のシリコン酸化膜１２２ａ上において所定形状にパターニングした多結晶シリコン膜からなるヒータ１１３が形成され、第１のシリコン酸化膜１２２ａの表面側にヒータ１１３を覆う第２のシリコン酸化膜１２２ｂが形成され、第２のシリコン酸化膜１２２ｂに開孔したコンタクトホール１２２ｃ，１２２ｃを通してヒータ１１３の両端部に電気的に接続される一対のパッド１１４，１１４が形成されている。また、シリコン基板１１１の他表面（図１０（ｂ）における下面）にはシリコン窒化膜からなる裏面側保護膜１２１が形成されている。

要するに、上述のガスフローセンサ１００では、第１のシリコン酸化膜１２２ａと第２のシリコン酸化膜１２２ｂとからなる表面保護膜１２２にヒータ１１３が埋設されており、シリコン基板１１１の上記一表面の所定領域に凹所１１２を形成することによりヒータ１１３とシリコン基板１１１とを熱絶縁している。

シリコン基板１１１の上記一表面への凹所１１２の形成にあたっては、パッド１１４，１１４の形成後に、まず、表面側保護膜１２２において上記所定領域に重複し且つヒータ１１３に重複しない適宜部位に厚み方向に貫通する２つのエッチング液導入孔１２３，１２３を形成してから、表面側保護膜１２２および裏面側保護膜１２１をマスクとし、アルカリ系溶液をエッチング液としてシリコン基板１１１を上記一表面側から異方性エッチングすることにより凹所１１２を形成している。

ところで、上述のガスフローセンサ１００を用いたガスフローセンサ装置は、例えば、一対のパッド１１４，１１４を介してヒータ１１３へ定電流を供給する駆動手段と、ガスの流れに起因したヒータ１１３の電圧の変化量を検出し当該変化量からガスの流量を求める信号処理手段とを備えるように構成される。
特公平３−５２０２８号公報特開平８−５４２６９号公報

図１０に示した構成のガスフローセンサ１００では、シリコン基板１１１の上記一表面に凹所１１２を形成することによりシリコン基板１１１とヒータ１１３とを熱絶縁しており、パッド１１４，１１４の形成後に異方性エッチングにより凹所１１２を形成する必要があるので、構造および製造プロセスが複雑であった。

また、上述のガスフローセンサ１００を用いたガスフローセンサ装置では、駆動手段からヒータ１１３へ定電流を連続的に供給するので、消費電力が大きいという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ガスフローセンサの構造および製造が容易で、且つ、低消費電力化および検出精度の向上が可能なガスフローセンサ装置およびそれに用いるガスフローセンサの製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板の一表面側に形成されたヒータと支持基板との間に介在する熱絶縁層を有するガスフローセンサと、ガスフローセンサのヒータへ電気的な入力を与える駆動手段と、ガスの流れに起因したガスフローセンサのヒータの電気的特性の変化からガスの流量を求める信号処理手段とを備え、ガスフローセンサは、熱絶縁層の熱伝導率をαi、熱容量をＣiとし、支持基板の熱伝導率をαs、熱容量をＣsとするとき、
〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕
の関係を満足し、
駆動手段は、ガスフローセンサのヒータへ電気的な入力を間欠的に与えることを特徴とする。ここにおいて、電気的な入力とは、ヒータへ印加する電圧またはヒータへ供給する電流を意味している。

この発明によれば、ガスフローセンサが、ヒータと支持基板との間に介在する熱絶縁層によりヒータと支持基板とを熱絶縁した構造となっているので、ガスフローセンサの構造および製造が容易であり、また、ガスフローセンサを間欠的に駆動するので、ガスフローセンサを連続的に駆動する場合に比べて低消費電力化を図ることができ、しかも、ガスフローセンサが〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕の関係を満足しているので、間欠駆動する際の電気的な入力であるパルス間の時間を短くしてもヒータの熱が支持基板を通して放熱されやすくなって、ヒータへの電気的な入力の有無によるヒータの温度差を大きくすることができるとともに、支持基板の温度が安定してヒータの温度が支持基板の温度の影響を受けにくくなるので、ガスの流量の検出精度を向上できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号処理手段は、前記駆動手段により前記ヒータへ間欠的に電気的な入力が与えられているときの前記ヒータの電圧と電流とに基づいて前記ヒータの抵抗値を演算し、前記ヒータの電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めることを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータの温度を直接測定することなく前記ヒータの抵抗値からガスの流量を求めることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記信号処理手段は、演算により求めた前記ヒータの抵抗値が規定抵抗値に近づくように前記駆動手段から前記ヒータへ与える電気的な入力の大きさを変化させた後、前記ヒータの電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めることを特徴とする。

この発明によれば、ガスの流量によらず前記ヒータの最高到達温度を略一定値とすることが可能となり、検出精度の安定化を図れる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記ガスフローセンサは、前記ヒータが複数並設されており、前記信号処理手段は、前記各ヒータそれぞれの抵抗値の変化量に基づいてガスの流量およびガスの流れている方向を求めることを特徴とする。

この発明によれば、ガスの流量と併せてガスの流れている方向を検出することができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記ガスフローセンサは、前記ヒータからなる抵抗を４つ備えて当該４つの抵抗がブリッジ回路を構成するように接続されており、前記駆動手段は、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に前記電気的な入力として電圧を印加し、前記信号処理手段は、ブリッジ回路の対向位置の他方の端子間の電圧の変化からガスの流量を求めることを特徴とする。

この発明によれば、検出精度を高めることができ、検出可能な流量の範囲がより広くなる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記ガスフローセンサは、前記熱絶縁層が多孔質層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層を構成する多孔質層の多孔度を高くするほど前記熱絶縁層の熱伝導率αiおよび熱容量Ｃiが小さくなって、〔αi×Ｃi〕と〔αs×Ｃs〕との差が大きくなるから、間欠駆動する際の電気的な入力であるパルス間の時間を短くしても前記ヒータの熱が前記支持基板を通してより放熱されやすくなり、ガスの流量の検出精度をより向上できる。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記ガスフローセンサは、前記支持基板がシリコン基板からなり、前記熱絶縁層である前記多孔質層が多孔質シリコン層からなることを特徴とする。

この発明によれば、〔αi×Ｃi〕と〔αs×Ｃs〕との差を前記熱絶縁層としてシリコン酸化膜を用いる場合に比べて大きくでき、且つ、前記支持基板および前記熱絶縁層の耐熱温度が１０００℃を超える高温なので、前記ヒータの材料としてシリコンよりも高融点の材料を適宜選択することにより、前記ヒータの最高到達温度を前記支持基板および前記熱絶縁層の耐熱温度に近い高温まで設定可能となり、高感度化を図れる。

請求項８の発明は、請求項７記載のガスフローセンサ装置に用いるガスフローセンサの製造方法であって、シリコン基板の一表面側の一部を陽極酸化することにより多孔質シリコン層からなる熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成工程と、熱絶縁層上にヒータを形成するヒータ形成工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、構造および製造が容易で低消費電力化が可能なガスフローセンサを提供することができる。

請求項１の発明では、ガスフローセンサの構造および製造が容易で、且つ、低消費電力化および検出精度の向上が可能になるという効果がある。

請求項８の発明では、構造および製造が容易で低消費電力化が可能なガスフローセンサを提供することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のガスフローセンサ装置は、図１（ａ），（ｂ）に示す構成のガスフローセンサ（以下、センサ素子と称す）１０を備えている。

センサ素子１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に形成された熱絶縁層１２と、熱絶縁層１２上に形成された金属薄膜からなるヒータ１３と、半導体基板１１の上記一表面側でヒータ１３の両端部（図１（ａ）における左右両端部）それぞれに沿って形成されヒータ１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４とを備えている。本実施形態では、半導体基板１１が支持基板を構成しており、支持基板とヒータ１３との間に熱絶縁層１２が介在している。なお、半導体基板１１、熱絶縁層１２それぞれの外周形状は矩形状としてあり、ヒータ１３の外周形状は細長の矩形状としてある。

ここにおいて、センサ素子１０は、ヒータ１３への通電（電気エネルギの供給）に伴ってヒータ１３の温度が上昇し、ヒータ１３近傍を通過するガスの流量に依存してヒータ１３の温度が変化するので、ヒータ１３の電気的特性（例えば、電圧、電流、抵抗値）の変化からガスの流量を求めることが可能となる。

センサ素子１０では、半導体基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔質層である多孔質シリコン層により構成している。ここで、熱絶縁層１２を構成する多孔質シリコン層は、半導体基板１１としてのｐ形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより形成されており、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、多孔度を変化させることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、多孔度を適宜設定することにより熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。一例として、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となることが知られている。なお、熱絶縁材料の一種であるＳｉＯ_２の熱伝導率は、１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量は２．２７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）である。したがって、熱伝導率と熱容量との積で比較すれば、〔多孔質シリコン層〕＜〔ＳｉＯ_２〕＜〔シリコン基板〕となっている。

ここに、半導体基板１１は単結晶のｐ形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはアモルファスのｐ形シリコン基板でもよいし、また、ｐ形に限らず、ｎ形あるいはノンドープであってもよく、半導体基板１１の種類に応じて陽極酸化処理の条件を適宜変更すればよい。したがって、熱絶縁層１２を構成する多孔質半導体層も多孔質シリコン層に限らず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化処理することにより形成した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料からなる多孔質半導体層でもよい。

また、ヒータ１３の材料としては、高融点金属の一種であるＷを採用しているが、ヒータ１３の材料は、Ｗに限らず、例えば、Ｔａ、Ｍｏなどの高融点金属や、Ｉｒなどの貴金属を採用してもよい。また、各パッド４，４の材料としては、例えば、Ａｌなどを採用すればよい。

なお、センサ素子１０では、熱絶縁層１２の厚さを４０μｍ、ヒータ１３の厚さを５０ｎｍ、パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。

以下、センサ素子１０の製造方法について簡単に説明する。

まず、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１１の他表面（図１（ｂ）における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、図２に示すような陽極酸化処理装置にて陽極酸化を行うことで多孔質シリコン層からなる熱絶縁層１２を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理の工程が熱絶縁層形成工程となっており、陽極酸化処理にあたっては、図２に示すように、半導体基板１１を主構成とする被処理物Ｃを処理槽Ａに入れられた電解液（例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液）Ｂに浸漬し、その後、電流源Ｄのマイナス側に配線を介して接続された白金電極Ｆを電解液Ｂ中において半導体基板１１の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極Ｆを陰極として、電流源Ｄから陽極と陰極Ｆとの間に所定の電流密度（ここでは、２０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、３０分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより半導体基板１の上記一表面側に周部以外の部位の厚さが一定の所定厚さ（ここでは、４０μｍ）となる熱絶縁層１２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層１２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、熱絶縁層１２上にヒータ１３を形成するヒータ形成工程、ヒータ１３と電気的に接続するパッド１４，１４を形成するパッド形成工程を順次行い、ダイシング工程を行うことによって、センサ素子１０が完成する。なお、ヒータ形成工程およびパッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

以上説明したセンサ素子１０を用いたガスフローセンサ装置は、図３に示す構成を有している。

すなわち、本実施形態のガスフローセンサ装置は、センサ素子１０のヒータ１３へ電気的な入力を与える駆動手段としてのパルス入力部２０と、パルス入力部２０によりヒータ１３へ間欠的に電気的な入力が与えられているときのヒータ１３の電圧および電流を検出する電圧・電流検出部３０と、電圧・電流検出部３０の検出結果に基づいてガスの流れに起因したセンサ素子１０のヒータ１３の電気的特性の変化からガスの流量を求める信号処理手段４０とを備えている。ここにおいて、パルス入力部２０は、センサ素子１０のヒータ１３へ電気的な入力として電圧または電流のいずれかを間欠的に与える。また、信号処理手段４０は、パルス入力部２０によりヒータ１３へ間欠的に電気的な入力（入力パルス）が与えられているときのヒータ１３の電圧と電流とに基づいてヒータ１３の抵抗値を演算する抵抗算出部４１と、ヒータ１３の電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めるガス流量換算部４２とを備えている。なお、信号処理手段４０の抵抗算出部４１およびガス流量換算部４２は、信号処理手段４０を構成するマイクロコンピュータに適宜ソフトウェアを搭載することにより実現できる。

以下、ガスフローセンサ装置の動作について図４を参照しながら説明する。

パルス入力部２０によりセンサ素子１０の駆動が開始され（Ｓ１）、電圧・電流検出部３０において入力パルスの供給期間中の所定のタイミング（ヒータ１３へ与える入力パルスの立ち上がりに同期して計時を開始するタイマなどを利用して決定する）でヒータ１３の電圧および電流を検出し（Ｓ２）、抵抗算出部４１において電圧・電流検出部３０の出力に基づいてガスが流れているときの抵抗値を算出し（Ｓ３）、ガス流量換算部４２においてガスが流れていないときの抵抗値とガスが流れているときの抵抗値との抵抗値変化量を算出して（Ｓ４）、当該抵抗値変化量からガスの流量を求める（Ｓ５）。なお、ガス流量換算部４２には、あらかじめ抵抗値変化量とガスの流量との対応関係を記憶したメモリが設けられている。

ところで、上述のセンサ素子１０は、熱絶縁層１２の熱伝導率をαi、熱容量をＣiとし、半導体基板１１の熱伝導率をαs、熱容量をＣsとすれば、
〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕
の関係を満足している。

しかして、本実施形態のガスフローセンサ装置では、センサ素子１０が、ヒータ１３と半導体基板１１との間に介在する熱絶縁層１２によりヒータ１３と半導体基板１１とを熱絶縁した構造となっているので、センサ素子１０の構造および製造が容易であり、また、センサ素子１０を間欠的に駆動するので、センサ素子１０を連続的に駆動する場合に比べて低消費電力化を図ることができ、しかも、センサ素子１０が〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕の関係を満足しているので、間欠駆動する際の電気的な入力であるパルス間の時間を短くしてもヒータ１３の熱が半導体基板１を通して放熱されやすくなって、ヒータ１３への電気的な入力の有無によるヒータ１３の温度差を大きくすることができるとともに、半導体基板１１の温度が安定してヒータ１３の温度が半導体基板１１の温度の影響を受けにくくなるので、ガスの流量の検出精度を向上できる。ここで、熱絶縁層１２を構成する多孔質シリコン層の多孔度を高くするほど熱絶縁層１２の熱伝導率αiおよび熱容量Ｃiが小さくなって、〔αi×Ｃi〕と〔αs×Ｃs〕との差が大きくなるから、間欠駆動する際の電気的な入力であるパルス間の時間を短くしてもヒータ１３の熱が半導体基板１１を通してより放熱されやすくなり、ガスの流量の検出精度をより向上できる。また、支持基板としての半導体基板１１がシリコン基板からなり、熱絶縁層１２が多孔質シリコン層からなるので、〔αi×Ｃi〕と〔αs×Ｃs〕との差を熱絶縁層１２としてシリコン酸化膜を用いる場合に比べて大きくでき、且つ、支持基板および熱絶縁層１２の耐熱温度が１０００℃を超える高温なので、ヒータ１３の材料として上述のようなシリコンよりも高融点の材料を適宜選択することにより、ヒータ１３の最高到達温度を支持基板および熱絶縁層１２の耐熱温度に近い高温まで設定可能となり、高感度化を図れる。

また、本実施形態のガスフローセンサ装置では、ヒータ１３の温度を直接測定することなくヒータ１３の抵抗値変化からガスの流量を求めることができる。

（実施形態２）
本実施形態のガスフローセンサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、実施形態１にて説明した信号処理手段４０の構成が相違するだけなので図示を省略する。なお、センサ素子１０および他の構成については実施形態１と同じである。

本実施形態における信号処理手段４０は、抵抗算出部４１にて演算により求めたヒータ１３の抵抗値を規定抵抗値（基準抵抗値）と比較して規定抵抗値に近づくようにパルス入力部２０からヒータ１３へ与える電気的な入力の大きさを変化させた後、ヒータ１３の電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めるようになっている。このため、本実施形態における信号処理手段４０は、抵抗算出部４１にて求めた抵抗値と規定抵抗値（基準抵抗値）とを比較する比較部と、比較部の出力に基づいてパルス入力部２０の出力を制御する制御部とを備えている。

以下、本実施形態のガスフローセンサ装置の動作について図５を参照しながら説明する。

パルス入力部２０によりセンサ素子１０の駆動が開始され（Ｓ１１）、電圧・電流検出部３０において入力パルスの供給期間中の所定のタイミングでヒータ１３の電圧および電流を検出し（Ｓ１２）、抵抗算出部４１において電圧・電流検出部３０の出力に基づいてガスが流れているときの抵抗値を算出し（Ｓ１３）、上記比較部において抵抗算出部４１で求めた抵抗値と基準抵抗値とを比較し（Ｓ１４）、上記制御部が上記比較部の出力に基づいてパルス入力部２０の出力を制御する（Ｓ１５）。その後、電圧・電流検出部３０において入力パルスの供給期間中の所定のタイミングでヒータ１３の電圧および電流を検出し（Ｓ１６）、抵抗算出部４１において電圧・電流検出部３０の出力に基づいてガスが流れているときの抵抗値を算出し（Ｓ１７）、ガス流量換算部４２においてガスが流れていないときの抵抗値とガスが流れているときの抵抗値との抵抗値変化量を算出して（Ｓ１８）、当該抵抗値変化量からガスの流量を求める（Ｓ１９）。

しかして、本実施形態のガスフローセンサ装置によれば、ガスの流量によらずヒータ１３の最高到達温度を略一定値とすることが可能となり、ヒータ１３の温度に依存した放熱性の変化がなくなるので、検出精度の安定化を図れる。

（実施形態３）
本実施形態のガスフローセンサ装置は、ガスフローセンサ（センサ素子）１０の構成が実施形態１とは相違している。

本実施形態におけるセンサ素子１０は、図６に示すように、熱絶縁層１２上において複数（図示例では、２つ）のヒータ１３がヒータ１３の幅方向に離間して配設されており、各ヒータ１３それぞれの長手方向の両端部に接するパッド１４，１４が形成されている。要するに、本実施形態のセンサ素子１０では、熱絶縁層１２上でヒータ１３が複数並設されている。なお、センサ素子１０の製造方法については実施形態１と同様である。

また、本実施形態のガスフローセンサ装置における信号処理手段４０の基本構成は実施形態１と略同じであり、各ヒータ１３それぞれの抵抗値の変化量に基づいてガスの流量およびガスの流れている方向を求める機能を有している点に特徴がある。ただし、本実施形態のガスフローセンサ装置では、複数のヒータ１３の並設方向をガスの流れ方向と一致するようにガスの流路に配設している場合にガスの流れ方向を検出することが可能となる。要するに、複数のヒータ１３の並設方向にガスが流れた場合、上流側から下流側へヒータ１３の熱により温まったガスが流れることとなるので、下流側のヒータ１３では上流側のヒータ１３に比べてガスの流れに起因した抵抗値変化量が小さくなるから、各ヒータ１３の抵抗値変化量を比較することによりガスの流れる方向を検出することができる。

以下、本実施形態のガスフローセンサ装置の動作について図７を参照しながら説明する。

パルス入力部２０によりセンサ素子１０の駆動（両ヒータ１３を同時に駆動）が開始され（Ｓ３１）、電圧・電流検出部３０において入力パルスの供給期間中の所定のタイミング（ヒータ１３へ与える入力パルスの立ち上がりに同期して計時を開始するタイマなどを利用して決定する）で各ヒータ１３それぞれの電圧および電流を検出し（Ｓ３２）、抵抗算出部４１において電圧・電流検出部３０の出力に基づいてガスが流れているときの各ヒータ１３それぞれの抵抗値を算出し（Ｓ３３）、信号処理手段４０における抵抗値比較部（図示せず）において各ヒータ１３のガスの流れていないときと流れているときの抵抗値変化量を比較し（Ｓ３４）、信号処理手段４０における上流側ヒータ決定部（図示せず）にて抵抗値変化量の大きなヒータ１３を上流側のヒータ１３であると決定し（Ｓ３５）、ガス流量換算部４２において上流側のヒータ１３の抵抗値変化量からガスの流量を算出し（Ｓ３６）、信号処理手段４０における流れ方向検出部（図示せず）においてガスの流れ方向を検出してからガスの流量およびガスの流れ方向を出力する（Ｓ３７）。

しかして、本実施形態のガスフローセンサ装置では、１つのセンサ素子１０に複数のヒータ１３が並設されており、信号処理手段４０が各ヒータ１３それぞれの抵抗値の変化量に基づいてガスの流量およびガスの流れている方向を求めるので、ガスの流量と併せてガスの流れている方向を検出することができる。

（実施形態４）
本実施形態のガスフローセンサ装置は、図８に示す構成のセンサ素子１０を備えている。

本実施形態におけるセンサ素子１０は、図８に示すように、１つの半導体基板１１の一表面側に２つの熱絶縁層２が離間して形成されており、各熱絶縁層２上にヒータ１３が２つずつ形成されている。ここにおいて、本実施形態では、図８における左上のヒータ１３を抵抗Ｒ１、右上のヒータ１３を抵抗Ｒ１２、左下のヒータ１３を抵抗Ｒ１３、右下のヒータ１３を抵抗Ｒ４とすると、これら４つの抵抗Ｒ１〜Ｒ４が複数の金属配線１４により図９のブリッジ回路を構成するように接続されている。ここに、金属配線１４は、パッドを兼ねている。なお、センサ素子１０の製造方法については実施形態１と同様である。

しかして、本実施形態のガスフローセンサ装置では、図９に示すように駆動手段としての電源Ｅからブリッジ回路の対角位置の一方の端子Ｔ１，Ｔ２間に電気的な入力として電圧を印加し、図示しない信号処理手段において、ブリッジ回路の対向位置の他方の端子Ｔ３，Ｔ４間の電圧をヒータ１３の電気的な特性の変化として検出し端子Ｔ３，Ｔ４間の電圧の変化からガスの流量を求めるようになっている。ここで、端子Ｔ３、Ｔ４間の電圧はアンプＡＰにて増幅され、アンプＡＰの出力電圧Ｖoutが信号処理手段へ入力される。信号処理手段は、マイクロコンピュータなどにより構成され、アンプＡＰの出力電圧Ｖoutの変化量からガスの流量を求める機能を有している。

しかして、本実施形態のガスフローセンサ装置では、上記各実施形態に比べて、検出精度を高めることができ、検出可能な流量の範囲がより広くなる。

実施形態１におけるガスフローセンサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。同上におけるガスフローセンサの製造方法の説明図である。同上におけるガスフローセンサ装置のブロック図である。同上におけるガスフローセンサ装置の動作説明図である。実施形態２におけるガスフローセンサ装置の動作説明図である。実施形態３におけるガスフローセンサの概略平面図である。同上におけるガスフローセンサ装置の動作説明図である。実施形態４におけるガスフローセンサの概略平面図である。同上におけるガスフローセンサ装置の要部回路図である。従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。

符号の説明

１１半導体基板
１２熱絶縁層
１３ヒータ
１４パッド

Claims

支持基板の一表面側に形成されたヒータと支持基板との間に介在する熱絶縁層を有するガスフローセンサと、ガスフローセンサのヒータへ電気的な入力を与える駆動手段と、ガスの流れに起因したガスフローセンサのヒータの電気的特性の変化からガスの流量を求める信号処理手段とを備え、ガスフローセンサは、熱絶縁層の熱伝導率をαi、熱容量をＣiとし、支持基板の熱伝導率をαs、熱容量をＣsとするとき、
〔αi×Ｃi〕＜〔αs×Ｃs〕
の関係を満足し、
駆動手段は、ガスフローセンサのヒータへ電気的な入力を間欠的に与えることを特徴とするガスフローセンサ装置。
前記信号処理手段は、前記駆動手段により前記ヒータへ間欠的に電気的な入力が与えられているときの前記ヒータの電圧と電流とに基づいて前記ヒータの抵抗値を演算し、前記ヒータの電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めることを特徴とする請求項１記載のガスフローセンサ装置。
前記信号処理手段は、演算により求めた前記ヒータの抵抗値が規定抵抗値に近づくように前記駆動手段から前記ヒータへ与える電気的な入力の大きさを変化させた後、前記ヒータの電気的特性である抵抗値の変化からガスの流量を求めることを特徴とする請求項２記載のガスフローセンサ装置。
前記ガスフローセンサは、前記ヒータが複数並設されており、前記信号処理手段は、前記各ヒータそれぞれの抵抗値の変化量に基づいてガスの流量およびガスの流れている方向を求めることを特徴とする請求項２または請求項３記載のガスフローセンサ装置。
前記ガスフローセンサは、前記ヒータからなる抵抗を４つ備えて当該４つの抵抗がブリッジ回路を構成するように接続されており、前記駆動手段は、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に前記電気的な入力として電圧を印加し、前記信号処理手段は、ブリッジ回路の対向位置の他方の端子間の電圧の変化からガスの流量を求めることを特徴とする請求項１記載のガスフローセンサ装置。
前記ガスフローセンサは、前記熱絶縁層が多孔質層からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガスフローセンサ装置。
前記ガスフローセンサは、前記支持基板がシリコン基板からなり、前記熱絶縁層である前記多孔質層が多孔質シリコン層からなることを特徴とする請求項６記載のガスフローセンサ装置。
請求項７記載のガスフローセンサ装置に用いるガスフローセンサの製造方法であって、シリコン基板の一表面側の一部を陽極酸化することにより多孔質シリコン層からなる熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成工程と、熱絶縁層上にヒータを形成するヒータ形成工程とを備えることを特徴とするガスフローセンサの製造方法。