阅读说明：本技术 流体传感器 (Fluid sensor ) 是由 秋山典之 山本洋太 于 2020-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供实现流向及流速的检测精度的提高的流体传感器,其具有：主发热电阻体；一对X轴温度检测体,其配置于以上述主发热电阻体为中心在X轴方向上对置的位置；一对Y轴温度检测体,其配置于以上述主发热电阻体为中心在Y轴方向上对置的位置；以及副发热电阻体,其连接于上述主发热电阻体,且配置于上述X轴温度检测体与上述Y轴温度检测体之间。(The present invention provides a fluid sensor for improving detection accuracy of a flow direction and a flow velocity, the fluid sensor including: a main heating resistor body; a pair of X-axis temperature detectors arranged at positions facing each other in the X-axis direction with the main heating resistor as a center; a pair of Y-axis temperature detectors arranged at positions facing each other in the Y-axis direction with the main heating resistor as a center; and a sub-heating resistor connected to the main heating resistor and disposed between the X-axis temperature detector and the Y-axis temperature detector.)

流体传感器

技术领域

本发明涉及流体传感器。

背景技术

目前，已知检测空气等流体的流动的流体传感器。作为这样的流体传感器，已知热式的流体传感器。该热式的流体传感器具有MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)方式的流体传感器。

MEMS方式的流体传感器通过在形成于传感器芯片的隔膜(薄膜结构体)的中央设置加热器并在该加热器的上游侧及下游侧配置温度检测体(电阻体)而构成。作为检测对象的流体在隔膜上流动，由此在加热器的上游侧和下游侧产生与流体的流动相应的温度差。将该温度差利用配置于上游侧及下游侧的两个温度检测体检测，由此能够检测流体的流动。

在这样的流体传感器中，由加热器产生的热的温度分布优选在不产生流体的流动的情况下以加热器为中心对称。因此，提案了适于将温度分布均匀化的各种加热器形状(例如，参照专利文献1、2)。

另外，为了检测流体的方向(流向)，通过以加热器为中心在X轴方向及Y轴方向分别配置一对温度检测体(电阻体)而构成(例如，参照专利文献3)。根据该结构，通过检测向X轴方向及Y轴方向的流体的流动，能够检测流向及流速。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利3687724号

专利文献2：日本专利3461469号

专利文献3：日本特开2017－67643号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献3记载的流体传感器中，为了使由加热器带来的热的温度分布均匀化，考虑将该温度分布做成以加热器为中心的圆形。但是，若这样将温度分布做成圆形，则温度检测体被配置于以加热器为中心的X轴及Y轴上，由此相对于流体沿X轴或Y轴流动的情况，在流体从X轴及Y轴以外的方向流动的情况，温度检测体的检测灵敏度降低。

这样，在专利文献3记载的流体传感器中，期望进行流向及流速的检测精度的改善。

本发明的目的在于实现流向及流速的检测精度的提高。

用于解决课题的方案

公开的技术为流体传感器，其具有：主发热电阻体；一对X轴温度检测体，其配置于以上述主发热电阻体为中心在X轴方向上对置的位置；一对Y轴温度检测体，其配置于以上述主发热电阻体为中心在Y轴方向上对置的位置；以及副发热电阻体，其连接于上述主发热电阻体，且配置于上述X轴温度检测体与上述Y轴温度检测体之间。

发明的效果

根据本发明，能够实现流向及流速的检测精度的提高。

附图说明

图1是示例第一实施方式的流体传感器的构造的俯视图。

图2是沿图1的A－A线的剖视图。

图3是发热电阻体附近的放大图。

图4是表示流速为零的情况下的温度分布的一例的图。

图5是示例现有例的温度分布根据流体的流动而变化的状态的图。

图6是示例本实施方式的温度分布根据流体的流动而变化的状态的图。

图7是示例第一传感器输出信号与第二传感器输出信号的关系的图表，(A)是现有例，(B)是本实施方式相关的图表。

图8是示例第一变形例的流体传感器的构造的俯视图。

图9是第二变形例的流体传感器的发热电阻体附近的放大图。

图10是第二变形例的流体传感器的发热电阻体的放大图。

图11是示例第三变形例的流体传感器的构造的俯视图。

图12是第三变形例的流体传感器的发热电阻体附近的放大图。

图13是示例氧化钒的电阻温度系数的温度特性的图表。

图中：

1、1a、1b—流体传感器，10—半导体基板，10x—开口部，20—层叠构造部，20t—隔膜，21～25—绝缘膜，26—连接插头，31a、31b—X轴温度检测体，32a、32b—Y轴温度检测体，40、40a、40b—发热电阻体，41—主发热电阻体，41a—第一发热电阻体，41b—第二发热电阻体，42a～42d—副发热电阻体，43—狭缝，50a～50d—固定电阻体，60a～60p—接合焊盘，71～78、81～86、91～96—配线。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施发明的方式进行说明。在各图中，对同一构造部分标注同一符号，有时省略重复的说明。

＜第一实施方式＞

[流体传感器的构造]

图1是示例第一实施方式的流体传感器1的构造的俯视图。图2是沿图1的A－A线的剖视图。图3是发热电阻体40附近的放大图。

流体传感器1具有半导体基板10、层叠构造部20、X轴温度检测体31a、31b、Y轴温度检测体32a、32b、发热电阻体40、固定电阻体50a～50d、以及接合焊盘(以下称为焊盘)60a～60p。

此外，图1～图3中，将平行于层叠构造部20的正交的两个边的轴设为X轴及Y轴，将与X轴及Y轴正交的层叠构造部20的厚度方向设为Z轴。

如图2所示，半导体基板10是具有开口部10x的框状的硅基板。层叠构造部20为多个绝缘膜21～25层叠而成的构造，且以堵塞开口部10x的方式设于半导体基板10上。层叠构造部20的平面形状例如为圆形。在层叠构造部20中，将开口部10x上的区域称为隔膜(薄膜构造部)20t。层叠构造部20的厚度为0.5～5μm左右。

隔膜20t的平面形状例如为正方形。隔膜20t与半导体基板10不相接，因此热容量小，且温度容易上升。隔膜20t的上表面为用于检测作为检测对象的流体的流动的检测面。

在层叠构造部20设有X轴温度检测体31a、31b、Y轴温度检测体32a、32b、发热电阻体40、以及固定电阻体50a～50d。另外，在层叠构造部20上设有焊盘60a～60p。

开口部10x是通过对半导体基板10实施干法刻蚀等所形成的圆筒状的空洞部。绝缘膜21由氧化硅膜(SiO₂)等构成，且形成于半导体基板10上。绝缘膜21通过热氧化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法形成。在绝缘膜21上形成有由氮化硅膜(SiN)等构成的绝缘膜22。绝缘膜22通过热CVD法等形成。

在绝缘膜22上形成有由氧化钒(VO₂)等构成的X轴温度检测体31a、31b及Y轴温度检测体32a、32b。X轴温度检测体31a、31b及Y轴温度检测体32a、32b例如通过溶胶凝胶法形成。

在绝缘膜22上以覆盖X轴温度检测体31a、31b及Y轴温度检测体32a、32b的方式形成有由氧化硅膜(SiO₂)等构成的绝缘膜23。绝缘膜23通过溅射法、等离子体CVD法形成。

在绝缘膜23上形成有由铂(Pt)、镍铬合金(NiCr)、多晶硅等构成的发热电阻体40及固定电阻体50a～50d。发热电阻体40及固定电阻体50a～50d通过溅射法等形成。

在绝缘膜23上以覆盖发热电阻体40及固定电阻体50a～50d的方式形成有由氧化硅膜(SiO₂)等构成的绝缘膜24。绝缘膜24通过溅射法、等离子体CVD法形成。

在绝缘膜24上由铝(Al)、金(Au)等形成有焊盘60a～60p。焊盘60a～60p通过溅射法等形成。另外，在绝缘膜24上，除了焊盘60a～60p还形成有配线。

在绝缘膜24上以包覆配线且使焊盘60a～60p的上表面的至少一部分露出的方式形成有由氮化硅膜(SiN)等构成的绝缘膜25。绝缘膜25通过低温CVD法等形成。

另外，在绝缘膜23及绝缘膜24形成有用于将Y轴温度检测体32a、32b及Y轴温度检测体32a、32b分别连接于配线的连接插头26。连接插头26通过向连接通孔填充钨等导电性材料而形成于绝缘膜23及绝缘膜24。该连接通孔例如通过使用了缓冲氢氟酸(BHF)的湿法蚀刻而形成。形成Y轴温度检测体32a、32b及Y轴温度检测体32a、32b的氧化钒在局部存在间隙，因此湿法蚀刻时存在缓冲氢氟酸侵入到氧化钒的下部层的可能性。为了防止该下部层的蚀刻，Y轴温度检测体32a、32b及Y轴温度检测体32a、32b的作为底层的绝缘膜24优选使用对缓冲氢氟酸的耐性高的氮化硅膜(SiN)。

如图1所示，发热电阻体40形成于隔膜20t的中央。X轴温度检测体31a、31b形成于以发热电阻体40为中心在X轴方向上对置的位置。Y轴温度检测体32a、32b形成于以发热电阻体40为中心在Y轴方向上对置的位置。X轴温度检测体31a、31b检测X轴方向上的温度差作为电阻值的差。Y轴温度检测体32a、32b检测Y轴方向上的温度差作为电阻值的差。

X轴温度检测体31a经由配线71连接于焊盘60a，经由配线72连接于焊盘60b。X轴温度检测体31b经由配线73连接于焊盘60c，经由配线74连接于焊盘60d。Y轴温度检测体32a经由配线75连接于焊盘60e，经由配线76连接于焊盘60f。Y轴温度检测体32b经由配线77连接于焊盘60g，经由配线78连接于焊盘60h。

固定电阻体50a～50d分别为将直线折回多次而成的蜿蜒构造的电阻体。该蜿蜒构造的目的在于使电阻值增大。固定电阻体50a的一端经由配线81连接于焊盘60i，另一端经由配线82连接于固定电阻体50b的一端。固定电阻体50b的另一端经由配线83连接于焊盘60j。

固定电阻体50c的一端经由配线84连接于焊盘60j，另一端经由配线85连接于固定电阻体50d的一端。固定电阻体50d的另一端经由配线86连接于焊盘60k。

固定电阻体50a～50d通过X轴温度检测体31a、31b及Y轴温度检测体32a、32b构成桥电路。经由该桥电路，能够检测由发热电阻体40产生的热的温度分布。

例如，对焊盘60i和焊盘60k中的一方赋予电源电压，将另一方设为接地电位，由此在框焊盘60j产生的电位设为基准电位。另外，将焊盘60a和焊盘60c通过外部配线连接，对焊盘60b和焊盘60d中的一方赋予电源电压，将另一方设为接地电位。该情况下，通过传感放大器检测在焊盘60a及焊盘60c产生的电位与上述基准电位的差，由此而得到第一传感器输出信号。第一传感器输出信号为与X轴温度检测体31a、31b的温度差对应的信号，在无温度差的情况下大致为零。

另外，将焊盘60e和焊盘60g通过外部配线连接，对焊盘60f和焊盘60h中的一方赋予电源电压，将另一方设为接地电压。该情况下，通过传感放大器检测在焊盘60e及焊盘60g产生的电位与上述基准电位的差，由此得到与向Y方向的温度分布对应的第二传感器输出信号。第二传感器输出信号是与Y轴温度检测体32a、32b的温度差对应的信号，在无温度差的情况下，大致为零。

如图3所示，发热电阻体40由一个主发热电阻体41和四个副发热电阻体42a～42d构成。主发热电阻体41配置于隔膜20t的中央。在本实施方式中，主发热电阻体41被分离成第一发热电阻体41a和第二发热电阻体41b。第一发热电阻体41a及第二发热电阻体41b分别为蜿蜒构造。以在隔膜20t的中心交叉的方式定义X轴及Y轴的情况下，第一发热电阻体41a和第二发热电阻体41b为相对于X轴对称的形状。

副发热电阻体42a～42d从X轴及Y轴的交点向相对于X轴及Y轴成45°的角度的方向配置。副发热电阻体42a～42d分别为通过将发热电阻体40的配线延长并折回多次而形成的蜿蜒构造。

副发热电阻体42a连接于第一发热电阻体41a的一端。副发热电阻体42b连接于第一发热电阻体41a的另一端。即，第一发热电阻体41a、副发热电阻体42a、以及副发热电阻体42b为通过将一根配线局部呈蜿蜒状折回而形成的形状。副发热电阻体42a大致配置于X轴温度检测体31a与Y轴温度检测体32a之间。副发热电阻体42b大致配置于Y轴温度检测体32a与X轴温度检测体31b之间。副发热电阻体42a和副发热电阻体42b为相对于Y轴对称的形状。

副发热电阻体42c连接于第二发热电阻体41b的一端。副发热电阻体42d连接于第二发热电阻体41b的另一端。即，第二发热电阻体41b、副发热电阻体42c、以及副发热电阻体42d为将一根配线局部呈蜿蜒状折回而形成的形状。副发热电阻体42c大致配置于X轴温度检测体31a与Y轴温度检测体32b之间。副发热电阻体42d大致配置于Y轴温度检测体32b与X轴温度检测体31b之间。副发热电阻体42c和副发热电阻体42d为相对于Y轴对称的形状。

另外，副发热电阻体42a和副发热电阻体42c为相对于X轴对称的形状。而且，副发热电阻体42b和副发热电阻体42d为相对于X轴对称的形状。

副发热电阻体42a的与第一发热电阻体41a相反的一侧的端部经由配线91连接于焊盘60l。副发热电阻体42b的与第一发热电阻体41a相反的一侧的端部经由配线92连接于焊盘60m。

副发热电阻体42c的与第二发热电阻体41b相反的一侧的端部经由配线93连接于焊盘60n。副发热电阻体42d的与第二发热电阻体41b相反的一侧的端部经由配线94连接于焊盘60o。

焊盘60l和焊盘60n经由配线95连接。另外，焊盘60m和焊盘60o经由配线96连接。此外，焊盘60p为虚焊盘。

通过对焊盘60l及焊盘60n与焊盘60m及焊盘60o之间施加电位差，在第一发热电阻体41a、副发热电阻体42a、以及副发热电阻体42b的路径流动电流，并且在第二发热电阻体41b、副发热电阻体42c、以及副发热电阻体42d的路径流动电流。由此，在检测面上产生基于发热电阻体40的发热的温度分布。

如图1所示，由X轴温度检测体31a、31b、Y轴温度检测体32a、32b、发热电阻体40、固定电阻体50a～50d、焊盘60a～60p、以及配线71～78、81～86、91～96得到的图案为相对于X轴及Y轴大致对称的形状。

[温度分布]

接下来，对由本实施方式的发热电阻体40产生的热的温度分布进行说明。图4是表示流速为零的情况下的温度分布的一例的图。在图4中，温度分布D1表示基于本实施方式的发热电阻体40的温度分布的形状。温度分布D0表示不存在副发热电阻体42a～42d而仅存在主发热电阻体41的情况下的温度分布的形状。因此，相对于现有的温度分布D0为大致圆形，在本实施方式中，温度分布D1为接近正方形的形状。

图5是示例现有例的温度分布根据流体的流动变化的状态的图。图5中，第一温度分布D0a示例流向与Y轴方向平行的情况。第二温度分布D0b表示流向相对于X轴方向及Y轴方向成45°的角度的情况。

这样，在现有例的情况下，流速为零的情况下的温度分布D0的形状大致为圆形，因此，在流速不是零的情况下，温度分布为向与流向相应的方向旋转后的形状。因此，在第一温度分布D0a中，Y轴温度检测体32a、32b的温度差变大，上述的第二传感器输出信号增加。在第二温度分布D0b中，Y轴温度检测体32a、32b的温度差降低，第二传感器输出信号减少，并且X轴温度检测体31a、31b的温度差增加，第二传感器输出信号增加。在现有例的情况下，因温度分布从第一温度分布D0a向第二温度分布D0b变化而引起的X轴温度检测体31a、31b、Y轴温度检测体32a、32b各自的温度差小。因此，第一传感器输出信号及第二传感器输出信号均小，检测灵敏度降低。

图6是示例本实施方式的温度分布根据流体的流动变化的状态的图。图6中，第一温度分布D1a示例了流向与Y轴方向平行的情况。第二温度分布D1b示例了流向相对于X轴方向及Y轴方向成45°的角度的情况。

这样，在本实施方式的情况下，流速为零的情况的温度分布D0的形状不是圆形而是接近正方形的形状，因此在流速不是零的情况下，温度分布为局部向与流向相应的方向延伸的形状。与现有例同样地，在第一温度分布D1a下，Y轴温度检测体32a、32b的温度差大，第二传感器输出信号增加。在第二温度分布D1b，Y轴温度检测体32a、32b的温度差降低，第二传感器输出信号减少，并且X轴温度检测体31a、31b的温度差增加，第二传感器输出信号增加。

但是，在本实施方式的情况下，因温度分布从第一温度分布D1a向第二温度分布D1b变化而引起的X轴温度检测体31a、31b、Y轴温度检测体32a、32b各自的温度差变大。由此，第一传感器输出信号及第二传感器输出信号均变大，检测灵敏度提高。

图7(A)是示例现有例的第一传感器输出信号与第二传感器输出信号的关系的图表。图7(B)是示例本实施方式的第一传感器输出信号与第二传感器输出信号的关系的图表。图7(A)及图7(B)中，虚线表示不会产生检测灵敏度降低的理想状态下的第一传感器输出信号及第一传感器输出信号的值(理想值)。实线为将流速设为6m/s的情况下的模拟值，是按照理想值进行了标准化的结果。

如图7(A)所示，可知，在现有例的情况下，在流向相对于X轴方向及Y轴方向成45°的角度的情况下，检测灵敏度大幅降低。另一方面，如图7(B)所示，可知，在本实施方式的情况下，第一传感器输出信号及第二传感器输出信号的值接近理想值，检测灵敏度的降低被抑制。因此，在本实施方式中，流向及流速的检测精度提高。

以下，对上述实施方式的各种变形例进行说明。

＜第一变形例＞

图8是示例第一变形例的流体传感器1a的构造的俯视图。第一变形例的流体传感器1b与第一实施方式的不同点在于，隔膜20t的平面形状大致为正方形。其它构造与第一实施方式相同。因此，隔膜20t的平面形状不限于圆形，也可以为正方形等形状。

＜第二变形例＞

图9是第二变形例的流体传感器的发热电阻体40附近的放大图。本变形例中，在主发热电阻体41的周围且副发热电阻体42a与副发热电阻体42b之间、副发热电阻体42b与副发热电阻体42d之间、副发热电阻体42d与副发热电阻体42c之间分别设有狭缝43。在该狭缝43的区域中，层叠构造部20被去除。其它构造与第一实施方式相同。

＜第三变形例＞

图10是第二变形例的流体传感器的发热电阻体40a的放大图。本变形例的发热电阻体40与第一实施方式的不同点在于主发热电阻体41含有的第一发热电阻体41a及第二发热电阻体41b、副发热电阻体42a～42d的形状。本实施方式中，主发热电阻体41整体为多重环状。

＜第四变形例＞

图11是示例第三变形例的流体传感器1b的构造的俯视图。图12是第三变形例的流体传感器的发热电阻体40b附近的放大图。如图12所示，本变形例的发热电阻体40b含有主发热电阻体41与第一实施方式的发热电阻体40不同，未被分割，而是整体为蜿蜒构造。因此，在本变形例中，主发热电阻体41、副发热电阻体42a～42d全部通过将一根配线折回而构成。

另外，如图11所示，在本变形例中，未设置用于连接焊盘60l和焊盘60n的配线95、及用于连接焊盘60m和焊盘60o的配线96。这是因为，在本变形例中，对于焊盘60l及焊盘60o不施加电压，而是设为虚焊盘，对焊盘60m与焊盘60n之间赋予电位差，由此在发热电阻体40b流动电流。例如，对焊盘60m赋予电源电压，将焊盘60n设为接地电位，由此如箭头I所示地，电流依次流通于副发热电阻体42b、副发热电阻体42d、主发热电阻体41、副发热电阻体42a、副发热电阻体42c。

[温度检测体的材料]

如上述地，就X轴温度检测体31a、31b及Y轴温度检测体32a、32b而言，作为材料，优选使用氧化钒，但是，为了进一步提高灵敏度，优选使用对氧化钒掺加铝(Al)、钛(Ti)而得到的材料。

图13是示例氧化钒的电阻温度系数的温度特性的图表。电阻温度系数是指电阻值相对于温度变化的变化率的值。

虚线表示对氧化钒掺加钛的情况的特性。钛的掺加浓度为10～20％。实线表示对氧化钒掺加铝钛的情况的特性。铝的掺加浓度在1～10％的范围内，钛的掺加浓度在10～20％的范围内。

这样，可知，通过对氧化钒掺加铝及钛，电阻温度系数恒定的温度范围扩大。因此，通过使用掺加了铝及钛的氧化钒作为温度检测体的材料，灵敏度提高。

[副发热电阻体的配置部位]

在上述实施方式中，将副发热电阻体配置于以主发热电阻体为中心相对于X轴方向及上述Y轴方向成45°的角度的位置，但是也可以不是必须成45°的角度的位置。副发热电阻体只要配置于X轴温度检测体与Y轴温度检测体之间即可。例如，为了使温度分布均匀，也可以考虑X轴温度检测体及Y轴温度检测体的灵敏度零散而使配置于X轴温度检测体与Y轴温度检测体之间的副发热电阻体接近X轴温度检测体侧或Y轴温度检测体侧。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了详细说明，但本发明不限于上述的实施方式，能够不脱离本发明的范围地对上述的实施方式添加各种变形及置换。