マイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサ
【課題】電気的特性の信頼性や耐久性が高く、簡易な製造工程で得ることができるマイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサを提供すること。
【解決手段】マイクロヒータ１は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有するガラス基板１１と、このガラス基板１１の一対の主面１１ａ，１１ｂで露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状のシリコン部材１２とから主に構成されている。シリコン部材１２は、一対の柱部１２ａと、この一対の柱部１２ａを連接する薄肉部１２ｂとを有する。柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出し、薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出している。このような構成を有するマイクロヒータ１においては、柱部１２ａの端部１２ｃが端子を構成し、薄肉部１２ｂが発熱体を構成する。
【解決手段】マイクロヒータ１は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有するガラス基板１１と、このガラス基板１１の一対の主面１１ａ，１１ｂで露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状のシリコン部材１２とから主に構成されている。シリコン部材１２は、一対の柱部１２ａと、この一対の柱部１２ａを連接する薄肉部１２ｂとを有する。柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出し、薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出している。このような構成を有するマイクロヒータ１においては、柱部１２ａの端部１２ｃが端子を構成し、薄肉部１２ｂが発熱体を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロヒータ及びそれを用いた流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロセンサの開発が進められてきており、種々のマイクロセンサが普及してきている。例えば、気体の質量流量を検出する熱線式と称されるフローセンサは、ヒータにより気体を加熱し、気体中の温度差を測定して質量流量を検出する方式を採用している。このため、フローセンサには、マイクロヒータが必要となる。
【０００３】
このようなマイクロヒータとしては、例えば特許文献１に開示されているものがある。このマイクロヒータは、微細基板上に括れ部を有する酸化物高温超電導セラミックス製ヒータを形成し、このヒータの端部にそれぞれ外部電源接続用パッドを形成してなるものである。また、特許文献２には、シリコン基板上に絶縁膜を介してグリッド状の発熱体を形成し、その上に保護膜を形成してなる発熱素子が開示されている。特許文献３には、マイクロヒータをフローセンサに応用した例が開示されている。
【特許文献１】特開平８−６９８５９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９７５１号公報
【特許文献３】特開２００５−５５３１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたマイクロヒータは、酸化物高温超電導セラミックス製ヒータに外部電源接続用パッドを形成しているので、すなわち発熱体と配線部とを接続しているので、接続部において凹凸に起因する断線などの問題が生じ、接続部における信頼性や耐久性が低い。また、特許文献２に開示されたマイクロヒータは、ヒータ部を絶縁膜で保護することにより電気絶縁性、耐久性の向上を図ったものであるが、成膜工程やパターニング工程が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電気的特性の信頼性や耐久性が高く、しかも簡易な製造工程で得ることができるマイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のマイクロヒータは、一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の両主面で露出するように埋め込まれた第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、前記ガラス基板を厚み方向に切断した面において略Ｕ字形状の断面となる、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部とを有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、発熱体として機能する薄肉部がガラス基板の面と略同一面となるように露出しているので、平滑な発熱体を実現することができる。これにより、被加熱体に薄肉部（発熱体）を密着させることができ、加熱効率が向上する。また、端子として機能する柱部の端部も、薄肉部と同様にガラス基板面と面一に露出している。端部上に電極を形成する場合において、端部が平滑であるので、端部と電極との間の密着性が向上する。また、シリコン部材がガラス基板に埋め込まれているので、シリコン部材の絶縁性が良好である。また、柱部と薄肉部とがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【０００８】
本発明のマイクロヒータにおいては、前記ガラス基板の他方の主面で露出した前記薄肉部上に保護膜が形成されていることが好ましい。この構成によれば、薄肉部の耐久性を向上させることができる。
【０００９】
本発明のマイクロヒータにおいては、前記第１シリコン部材を構成するシリコンは、抵抗値調整用のドーパントを含むことが好ましい。この構成によれば、シリコン部材の抵抗値を、薄肉部がヒータとして適当な発熱量を持ち、かつ、柱部での熱抵抗が小さくなる、適当な値に設定することができる。すなわち、シリコン部材における熱伝導性が上がり、熱効率が向上する。
【００１０】
本発明のフローセンサは、上記マイクロヒータと、前記ガラス基板の両主面で露出するように前記ガラス基板に埋め込まれた少なくとも２つの第２シリコン部材と、前記ガラス基板の他方の主面で露出した第２シリコン部材上に個別に搭載された温度センサと、を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明のマイクロヒータの製造方法は、シリコン基板に、一対の柱部及び前記一対の柱部を連接する薄肉部を形成する工程と、加熱下において前記柱部及び前記薄肉部をガラス基板に埋め込んで前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板及び前記シリコン基板を研磨して、前記柱部の端部を前記ガラス基板の一方の主面で露出させ、前記薄肉部を前記ガラス基板の他方の主面で露出させる工程と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
この方法によれば、成膜工程やパターニング工程が不要となり、比較的に簡易な工程でマイクロヒータを製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一対の主面で露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状の第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部と、を有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成するので、電気的特性の信頼性や耐久性が高く、しかも簡易な製造工程で得ることができるマイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロヒータを示す図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面図である。
【００１５】
図１（ａ），（ｂ）に示すマイクロヒータ１は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有するガラス基板１１と、このガラス基板１１の一対の主面１１ａ，１１ｂで露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状のシリコン部材１２とから主に構成されている。シリコン部材１２は、一対の柱部１２ａと、この一対の柱部１２ａを連接する薄肉部１２ｂとを有する。そして、柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出し、薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出している。このような構成を有するマイクロヒータ１においては、柱部１２ａの端部１２ｃが端子を構成し、薄肉部１２ｂが抵抗体（発熱体）を構成する。
【００１６】
ガラス基板１１に埋め込まれたシリコン部材１２の薄肉部１２ｂの幅Ｄは、発熱効果を考慮して、約５０μｍから約１００μｍであることが好ましい。また、シリコン部材１２の長さＬ1は、約１ｍｍ程度であることが好ましい。また、マイクロヒータ１の厚さｔは、約１００μｍから約５００μｍであることが好ましい。
【００１７】
このような構成のマイクロヒータ１は、発熱体として機能する薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出しているので、平滑な発熱体を実現することができる。これにより、被加熱体に薄肉部１２ｂ（発熱体）を密着させることができ、加熱効率が向上する。また、薄肉部１２ｂ上に保護膜を形成する場合においても、薄肉部１２ｂが平滑であるので、薄肉部１２ｂと保護膜との間の密着性が向上する。また、端子として機能する柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出しているので、端部１２ｃ上に電極を形成する場合において、端部１２ｃが平滑であるので、端部１２ｃと電極との間の密着性が向上する。また、シリコン部材１２がガラス基板１１に埋め込まれているので、シリコン部材１２の絶縁性が良好である。また、本実施の形態においては、シリコン部材１２はバルク状であるので、通常用いられる薄膜ヒータに比較して強度の点で優れる。さらに、柱部１２ａと薄肉部１２ｂとがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１８】
シリコン部材１２を構成するシリコンはドーパントを含むことが好ましい。これにより、シリコン部材１２における熱伝導性が上がり、熱効率が向上する。ドーパントとしては、ホウ素、インジウム、ガリウムなどのアクセプタや、リン、アンチモン、ヒ素のようなドナーなどが挙げられる。ドーパントのドープ量については、熱伝導性を考慮して適宜設定する。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態に係るマイクロヒータのアレイを示す図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線に沿う断面図であり、図２（ｃ）は側面図である。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すマイクロヒータのアレイ２は、ガラス基板１１に、図１（ａ），（ｂ）に示すシリコン部材１２を複数埋め込んで構成されている。シリコン部材１２の構造については、上記と同じである。そして、図２（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂで露出した薄肉部１２ｂ上に保護膜１３が形成されている。
【００２１】
保護膜１３の材料としては、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などを挙げることができる。また、保護膜１３の厚さは、薄肉部の耐久性と被加熱物への熱伝達のバランスなどを考慮して、約２μｍ以下であることが好ましい。このように、発熱体として機能する薄肉部１２ｂ上に保護膜１３を形成することにより、薄肉部１２ｂの耐久性を向上させることができる。
【００２２】
ガラス基板１１に埋め込まれたシリコン部材１２の薄肉部１２ｂの幅Ｄは、発熱効果を考慮して、約５０μｍから約１００μｍであることが好ましい。特に、薄肉部１２ｂのライン＆スペースが約３０μｍであることが好ましい。また、シリコン部材１２の長さＬ1は、約１ｍｍ程度であることが好ましい。また、アレイの長さＬ2は、例えば、約４０ｍｍ〜約６０ｍｍであることが好ましい。また、マイクロヒータ１の厚さｔは、約１００μｍから約５００μｍであることが好ましい。
【００２３】
上述したマイクロヒータ１やアレイ２は、シリコン基板に、ドライエッチングなどにより一対の柱部及び一対の柱部を連接する薄肉部を形成し、加熱下において前記柱部及び薄肉部をガラス基板に埋め込んでシリコン基板とガラス基板とを接合し、ガラス基板を研磨して柱部の端部をガラス基板の一方の主面で露出させ、薄肉部の厚さまでシリコン基板を研磨して、薄肉部をガラス基板の他方の主面で露出させることにより製造することができる。このような工程によれば、成膜工程やパターニング工程が不要となり、比較的に簡易な工程でマイクロヒータを製造することができる。
【００２４】
この場合において、研磨したシリコン基板側の表面を所望の抵抗体形状や所望の電極形状にエッチングしても良い。その後、エッチングにより凹部が形成された部分に絶縁性材料（例えばＳｉＯ2など）を埋め込み、その部分を研磨して平坦化しても良い。あるいは、エッチングにより凹部が形成された部分に絶縁性材料（例えばＳｉＯ2など）をスパッタリングなどにより被着しても良い。このように絶縁性材料を抵抗体や電極上に形成することにより、この絶縁層を保護膜として利用することができる。
【００２５】
次に、上記マイクロヒータを用いたフローセンサについて説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るフローセンサを示す図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は平面図である。
【００２６】
図中２１はガラス基板を示す。ガラス基板２１は、対向する一対の主面２１ａ，２１ｂを有する。ガラス基板２１には、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが埋め込まれている。これらのシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、それぞれガラス基板２１の両主面２１ａ，２１ｂで露出している。シリコン部材２２ａは、マイクロヒータ用のシリコン部材であり、シリコン部材２２ｂ，２２ｃは、温度センサの外部引き出し用のシリコン部材である。
【００２７】
マイクロヒータ用のシリコン部材２２ａは、上述したマイクロヒータ１と同様の構造を有しており、一対の柱部２２ａ−１と、この一対の柱部２２ａ−１を連接する薄肉部２２ａ−２とを有する。そして、柱部２２ａ−１の端部がガラス基板２１の主面２１ａで露出し、薄肉部２２ａ−２がガラス基板２１の主面２１ｂで露出している。このようなマイクロヒータにおいては、柱部２２ａ−１の端部が端子を構成し、薄肉部２２ａ−２が抵抗体（発熱体）を構成する。
【００２８】
ガラス基板２１の主面２１ａ上には、シリコン部材２２ａの露出部分（端子）と電気的に接続するように引き出し電極２３ａが形成されており、シリコン部材２２ｂの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極２３ｂが形成されており、シリコン部材２２ｃの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極２３ｃが形成されている。このように引き出し電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃがそれぞれ主面２１ａ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【００２９】
ガラス基板２１の主面２１ｂ上には、シリコン部材２２ｂの露出部分と電気的に接続するように温度センサ２４ａが形成されており、シリコン部材２２ｃの露出部分と電気的に接続するように温度センサ２４ｂが形成されている。温度センサ２４ａ，２４ｂは抵抗体を形成することにより構成することができるが、これに限定されない。
【００３０】
このような構成のガラス基板２１の主面２１ｂ側には、所定の間隔をおいてガラス基板２５が配置される。この所定の間隔が流路２６を構成して、図中の矢印方向に流体が流れる。
【００３１】
ガラス基板２１とシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃとの間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。その結果、流路２６内の気密性を高く保つことが可能となる。
【００３２】
ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、界面で共有結合を起こさせる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。
【００３３】
このような構成を有するフローセンサにおいては、マイクロヒータで加熱された流体が流路２６内を通過して温度センサ２４ａで計測されて温度Ｔ1が得られる。そして、温度センサ２４ｂで計測されて温度Ｔ2が得られる。これらの温度情報は、引き出し電極２３ｂ，２３ｃから外部の制御回路（図示せず）に出力され、制御回路において、温度差ΔＴ（Ｔ2−Ｔ1）が算出される。流体がマイクロヒータから得る熱量ＱはＱ＝α×Ｓ×ΔＴ（Ｓ：流路２６内の面積（流体の面積）、α：熱伝達率）で求められる。αをレイノズル数Ｒｅの関数で表すと、α＝０．０２３×（Ｒｅ）0.8×（Ｐｒ）0.4×λ／Ｄ（Ｒｅ：レイノズル数、Ｐｒ：プラントル数、λ：熱伝導率）となる。以上のことから、ΔＴとλが一定であれば、熱量Ｑはαに比例する。αはＲｅの関数であることから、熱量Ｑは流速に比例することになる。したがって、この流体に伝熱される熱量Ｑを測定することによって流体の流量を計測することができる。
【００３４】
このフローセンサにおいては、マイクロヒータにシリコン部材を用いているので、マイクロヒータの腐食を抑制することができる。このため、フローセンサの耐久性を向上させることができる。また、シリコン部材２２ａがガラス基板２１に埋め込まれているので、シリコン部材２２の絶縁性が良好である。また、柱部２２ａ−１と薄肉部２２ａ−２とがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３５】
次に、本実施の形態のフローセンサの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００３６】
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板２７を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。図４（ａ）に示すように、このシリコン基板２７の一方の主面をエッチングしてマイクロヒータ用の突出部２７ａ及び引き出し電極用の突出部２７ｂ，２７ｃを形成する。なお、突出部２７ａについては、段差部２７ｄに対応する領域のレジスト膜の厚さを変えておき、その状態でエッチングすることにより、突出部２７ａに段差部２７ｄを設けることができる。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃを形成したシリコン基板２７上に突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃと当接するようにガラス基板２１を置き、さらに、真空下で、このシリコン基板２７及びガラス基板２１を加熱して、シリコン基板２７をガラス基板２１に押圧して突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃをガラス基板２１の主面２１ｂに押し込んで、シリコン基板２７とガラス基板２１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。このとき、シリコン基板２７の突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃとガラス基板２１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板２７及びガラス基板２１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、フローセンサの流路２６の気密性を向上させることができる。
【００３８】
次いで、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板２１及びシリコン基板２７を研磨処理して、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１の両主面２１ａ，２１ｂで露出させる。なお、シリコン基板２７側については、研磨処理の代わりに、エッチング処理を用いても良い。
【００３９】
次いで、図４（ｄ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ａ上に、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃと電気的に接続するように、それぞれ引き出し電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃを形成する。この場合、ガラス基板２１の主面２１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００４０】
次いで、図４（ｅ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ｂ上に、シリコン部材２２ｂ，２２ｃと電気的に接続するように、それぞれ温度センサ２４ａ，２４ｂを形成する。この場合、ガラス基板２１の主面２１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、温度センサ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００４１】
次いで、図４（ｆ）に示すように、ガラス基板２５の一方の主面をエッチングして凹部２５ｂを形成する。この凹部２５ｂの深さは、流路２６の間隔に相当する。この場合、ガラス基板２５に突起部２５ａを残すようにガラス基板２５に機械加工を施しても良く、フォトリソグラフィ及びエッチングにより凹部２５ｂを形成しても良い。
【００４２】
次いで、図４（ｇ）に示すように、図４（ｅ）に示すガラス基板２１（埋め込み基板）の主面２１ｂ上に、図４（ｆ）に示すガラス基板２５の突起部２５ａが当接するようにして、ガラス基板２１とガラス基板２５とを接合する。この場合、フリットガラスを用いて両ガラス基板２１，２５を接合しても良く、間にシリコン部材を介在させた状態で陽極接合により両ガラス基板２１，２５を接合しても良い。そして、図４（ｈ）に示すように、ダイシングにより流路２６を形成する。このようにして本発明に係るフローセンサを得ることができる。
【００４３】
このようにして得られたフローセンサは、温度センサ２４ａが引き出し電極２３ｂと電気的に接続され、温度センサ２４ｂが引き出し電極２３ｃと電気的に接続されている。したがって、温度センサ２４ａ，２４ｂ間で検知された温度差の信号は、引き出し電極２３ｂ，２３ｃから取得することができる。この信号に基づいて流体の流量を算出することができる。
【００４４】
このようなフローセンサは、流路２６の気密性を確保しつつ流体の流量を測定することができる。また、マイクロヒータがシリコンで構成されているので、腐食を抑えることができ、それによりマイクロヒータの耐久性を向上させることができる。さらに、発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００４５】
次に、フローセンサの他の例について説明する。図５は、フローセンサの他の例を示す図であり、図５（ａ）は側面図であり、図５（ｂ）は平面図である。
【００４６】
図中３１はガラス基板を示す。ガラス基板３１は、対向する一対の主面３１ａ，３１ｂを有する。ガラス基板３１には、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが埋め込まれている。これらのシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、それぞれガラス基板３１の両主面３１ａ，３１ｂで露出している。シリコン部材３２ａ，３２ｂは、マイクロヒータ用のシリコン部材であり、シリコン部材３２ｃ，３２ｄは、温度センサの外部引き出し用のシリコン部材である。
【００４７】
ガラス基板３１の主面３１ａ上には、シリコン部材３２ａの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ａが形成されており、シリコン部材３２ｂの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｂが形成されており、シリコン部材３２ｃの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｃが形成されており、シリコン部材３２ｄの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｄが形成されている。このように引き出し電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄがそれぞれ主面３１ａ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【００４８】
ガラス基板３１の主面３１ｂ上には、シリコン部材３２ａ，３２ｂの露出部分と電気的に接続するようにマイクロヒータ３５が形成されており、シリコン部材３２ｃの露出部分と電気的に接続するように温度センサ３４ａが形成されており、シリコン部材３２ｄの露出部分と電気的に接続するように温度センサ３４ｂが形成されている。温度センサ３４ａ，３４ｂは抵抗体を形成することにより構成することができるが、これに限定されない。
【００４９】
このような構成のガラス基板３１の主面３１ｂ側には、所定の間隔をおいてガラス基板３６が配置される。この所定の間隔が流路３７を構成して、図中の矢印方向に流体が流れる。このようなフローセンサは、上記原理にしたがって流体の流量を測定することができる。
【００５０】
ガラス基板３１とシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとの間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。その結果、流路３７内の気密性を高く保つことが可能となる。
【００５１】
次に、このフローセンサの製造方法について説明する。図６（ａ）〜（ｊ）は、図５に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００５２】
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板３８を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。図６（ａ）に示すように、このシリコン基板３８の一方の主面をエッチングしてマイクロヒータ用の突出部３８ａ，３８ｂ及び引き出し電極用の突出部３８ｃ，３８ｄを形成する。
【００５３】
次いで、図６（ｂ）に示すように、突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを形成したシリコン基板３８上に突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄと当接するようにガラス基板３１を置き、さらに、真空下で、このシリコン基板３８及びガラス基板３１を加熱して、シリコン基板３８をガラス基板３１に押圧して突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄをガラス基板３１の主面３１ｂに押し込んで、シリコン基板３８とガラス基板３１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。このとき、シリコン基板３８の突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄとガラス基板３１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板３８及びガラス基板３１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、フローセンサの流路３７の気密性を向上させることができる。
【００５４】
次いで、図６（ｃ）に示すように、ガラス基板３１及びシリコン基板３８を研磨処理して、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１の両主面３１ａ，３１ｂで露出させる。なお、シリコン基板３８側については、研磨処理の代わりに、エッチング処理を用いても良い。
【００５５】
次いで、図６（ｄ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ａ上に、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと電気的に接続するように、それぞれ引き出し電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５６】
次いで、図６（ｅ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に、シリコン部材３２ａ，３２ｂと電気的に接続するように、マイクロヒータ３５を形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、マイクロヒータ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５７】
次いで、図６（ｆ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に、シリコン部材３２ｃ，３２ｄと電気的に接続するように、それぞれ温度センサ３４ａ，３４ｂを形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、温度センサ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５８】
次いで、図６（ｇ）に示すように、ガラス基板３６の一方の主面をエッチングして凹部３６ｂを形成する。この凹部３６ｂの深さは、流路３７の間隔に相当する。この場合、ガラス基板３６に突起部３６ａを残すようにガラス基板３６に機械加工を施しても良く、フォトリソグラフィ及びエッチングにより凹部３６ｂを形成しても良い。
【００５９】
次いで、図６（ｈ）に示すように、ガラス基板３６の凹部３６ｂの底面上に、マイクロヒータ３５を形成する。この場合、ガラス基板３６の凹部３６ｂの底面上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、マイクロヒータ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。なお、このマイクロヒータ３５は、ガラス基板３１側のマイクロヒータとの間で位置合わせされる。
【００６０】
次いで、図６（ｉ）に示すように、図６（ｆ）に示すガラス基板３１（埋め込み基板）の主面３１ｂ上に、図６（ｈ）に示すガラス基板３６の突起部３６ａが当接するようにして、ガラス基板３１とガラス基板３６とを接合する。この場合、フリットガラスを用いて両ガラス基板３１，３６を接合しても良く、間にシリコン部材を介在させた状態で陽極接合により両ガラス基板３１，３６を接合しても良い。そして、図６（ｊ）に示すように、ダイシングにより流路３７を形成する。このようにして本発明に係るフローセンサを得ることができる。
【００６１】
このようにして得られたフローセンサは、温度センサ３４ａが引き出し電極３３ｃと電気的に接続され、温度センサ３４ｂが引き出し電極３３ｄと電気的に接続されている。したがって、温度センサ３４ａ，３４ｂ間で検知された温度差の信号は、引き出し電極３３ｃ，３３ｄから取得することができる。この信号に基づいて流体の流量を算出することができる。
【００６２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における数値、材質、大きさなどは一例であり、適宜変更して実施することが可能である。また、製造プロセスにおいても、当業者がなし得る範囲で適宜変更することができる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロヒータを示す図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るマイクロヒータのアレイを示す図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線に沿う断面図であり、図２（ｃ）は側面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るフローセンサを示す図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｈ）は、図３に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】フローセンサの他の例を示す図であり、図５（ａ）は側面図であり、図５（ｂ）は平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｊ）は、図５に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ マイクロヒータ
２ アレイ
１１，２１，２５，３１，３６ ガラス基板
１２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ シリコン部材
１２ａ，２２ａ−１ 柱部
１２ｂ，２２ａ−２ 薄肉部
１２ｃ 端部
１３ 保護膜
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 引き出し電極
２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ 温度センサ
２６，３７ 流路
２７，３８ シリコン基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロヒータ及びそれを用いた流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロセンサの開発が進められてきており、種々のマイクロセンサが普及してきている。例えば、気体の質量流量を検出する熱線式と称されるフローセンサは、ヒータにより気体を加熱し、気体中の温度差を測定して質量流量を検出する方式を採用している。このため、フローセンサには、マイクロヒータが必要となる。
【０００３】
このようなマイクロヒータとしては、例えば特許文献１に開示されているものがある。このマイクロヒータは、微細基板上に括れ部を有する酸化物高温超電導セラミックス製ヒータを形成し、このヒータの端部にそれぞれ外部電源接続用パッドを形成してなるものである。また、特許文献２には、シリコン基板上に絶縁膜を介してグリッド状の発熱体を形成し、その上に保護膜を形成してなる発熱素子が開示されている。特許文献３には、マイクロヒータをフローセンサに応用した例が開示されている。
【特許文献１】特開平８−６９８５９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９７５１号公報
【特許文献３】特開２００５−５５３１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたマイクロヒータは、酸化物高温超電導セラミックス製ヒータに外部電源接続用パッドを形成しているので、すなわち発熱体と配線部とを接続しているので、接続部において凹凸に起因する断線などの問題が生じ、接続部における信頼性や耐久性が低い。また、特許文献２に開示されたマイクロヒータは、ヒータ部を絶縁膜で保護することにより電気絶縁性、耐久性の向上を図ったものであるが、成膜工程やパターニング工程が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電気的特性の信頼性や耐久性が高く、しかも簡易な製造工程で得ることができるマイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のマイクロヒータは、一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の両主面で露出するように埋め込まれた第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、前記ガラス基板を厚み方向に切断した面において略Ｕ字形状の断面となる、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部とを有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、発熱体として機能する薄肉部がガラス基板の面と略同一面となるように露出しているので、平滑な発熱体を実現することができる。これにより、被加熱体に薄肉部（発熱体）を密着させることができ、加熱効率が向上する。また、端子として機能する柱部の端部も、薄肉部と同様にガラス基板面と面一に露出している。端部上に電極を形成する場合において、端部が平滑であるので、端部と電極との間の密着性が向上する。また、シリコン部材がガラス基板に埋め込まれているので、シリコン部材の絶縁性が良好である。また、柱部と薄肉部とがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【０００８】
本発明のマイクロヒータにおいては、前記ガラス基板の他方の主面で露出した前記薄肉部上に保護膜が形成されていることが好ましい。この構成によれば、薄肉部の耐久性を向上させることができる。
【０００９】
本発明のマイクロヒータにおいては、前記第１シリコン部材を構成するシリコンは、抵抗値調整用のドーパントを含むことが好ましい。この構成によれば、シリコン部材の抵抗値を、薄肉部がヒータとして適当な発熱量を持ち、かつ、柱部での熱抵抗が小さくなる、適当な値に設定することができる。すなわち、シリコン部材における熱伝導性が上がり、熱効率が向上する。
【００１０】
本発明のフローセンサは、上記マイクロヒータと、前記ガラス基板の両主面で露出するように前記ガラス基板に埋め込まれた少なくとも２つの第２シリコン部材と、前記ガラス基板の他方の主面で露出した第２シリコン部材上に個別に搭載された温度センサと、を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明のマイクロヒータの製造方法は、シリコン基板に、一対の柱部及び前記一対の柱部を連接する薄肉部を形成する工程と、加熱下において前記柱部及び前記薄肉部をガラス基板に埋め込んで前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板及び前記シリコン基板を研磨して、前記柱部の端部を前記ガラス基板の一方の主面で露出させ、前記薄肉部を前記ガラス基板の他方の主面で露出させる工程と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
この方法によれば、成膜工程やパターニング工程が不要となり、比較的に簡易な工程でマイクロヒータを製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の一対の主面で露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状の第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部と、を有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成するので、電気的特性の信頼性や耐久性が高く、しかも簡易な製造工程で得ることができるマイクロヒータ及びそれを用いたフローセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロヒータを示す図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面図である。
【００１５】
図１（ａ），（ｂ）に示すマイクロヒータ１は、一対の主面１１ａ，１１ｂを有するガラス基板１１と、このガラス基板１１の一対の主面１１ａ，１１ｂで露出するように埋め込まれた断面略Ｕ字形状のシリコン部材１２とから主に構成されている。シリコン部材１２は、一対の柱部１２ａと、この一対の柱部１２ａを連接する薄肉部１２ｂとを有する。そして、柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出し、薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出している。このような構成を有するマイクロヒータ１においては、柱部１２ａの端部１２ｃが端子を構成し、薄肉部１２ｂが抵抗体（発熱体）を構成する。
【００１６】
ガラス基板１１に埋め込まれたシリコン部材１２の薄肉部１２ｂの幅Ｄは、発熱効果を考慮して、約５０μｍから約１００μｍであることが好ましい。また、シリコン部材１２の長さＬ1は、約１ｍｍ程度であることが好ましい。また、マイクロヒータ１の厚さｔは、約１００μｍから約５００μｍであることが好ましい。
【００１７】
このような構成のマイクロヒータ１は、発熱体として機能する薄肉部１２ｂがガラス基板１１の主面１１ｂで露出しているので、平滑な発熱体を実現することができる。これにより、被加熱体に薄肉部１２ｂ（発熱体）を密着させることができ、加熱効率が向上する。また、薄肉部１２ｂ上に保護膜を形成する場合においても、薄肉部１２ｂが平滑であるので、薄肉部１２ｂと保護膜との間の密着性が向上する。また、端子として機能する柱部１２ａの端部１２ｃがガラス基板１１の主面１１ａで露出しているので、端部１２ｃ上に電極を形成する場合において、端部１２ｃが平滑であるので、端部１２ｃと電極との間の密着性が向上する。また、シリコン部材１２がガラス基板１１に埋め込まれているので、シリコン部材１２の絶縁性が良好である。また、本実施の形態においては、シリコン部材１２はバルク状であるので、通常用いられる薄膜ヒータに比較して強度の点で優れる。さらに、柱部１２ａと薄肉部１２ｂとがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１８】
シリコン部材１２を構成するシリコンはドーパントを含むことが好ましい。これにより、シリコン部材１２における熱伝導性が上がり、熱効率が向上する。ドーパントとしては、ホウ素、インジウム、ガリウムなどのアクセプタや、リン、アンチモン、ヒ素のようなドナーなどが挙げられる。ドーパントのドープ量については、熱伝導性を考慮して適宜設定する。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態に係るマイクロヒータのアレイを示す図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線に沿う断面図であり、図２（ｃ）は側面図である。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すマイクロヒータのアレイ２は、ガラス基板１１に、図１（ａ），（ｂ）に示すシリコン部材１２を複数埋め込んで構成されている。シリコン部材１２の構造については、上記と同じである。そして、図２（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ｂで露出した薄肉部１２ｂ上に保護膜１３が形成されている。
【００２１】
保護膜１３の材料としては、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などを挙げることができる。また、保護膜１３の厚さは、薄肉部の耐久性と被加熱物への熱伝達のバランスなどを考慮して、約２μｍ以下であることが好ましい。このように、発熱体として機能する薄肉部１２ｂ上に保護膜１３を形成することにより、薄肉部１２ｂの耐久性を向上させることができる。
【００２２】
ガラス基板１１に埋め込まれたシリコン部材１２の薄肉部１２ｂの幅Ｄは、発熱効果を考慮して、約５０μｍから約１００μｍであることが好ましい。特に、薄肉部１２ｂのライン＆スペースが約３０μｍであることが好ましい。また、シリコン部材１２の長さＬ1は、約１ｍｍ程度であることが好ましい。また、アレイの長さＬ2は、例えば、約４０ｍｍ〜約６０ｍｍであることが好ましい。また、マイクロヒータ１の厚さｔは、約１００μｍから約５００μｍであることが好ましい。
【００２３】
上述したマイクロヒータ１やアレイ２は、シリコン基板に、ドライエッチングなどにより一対の柱部及び一対の柱部を連接する薄肉部を形成し、加熱下において前記柱部及び薄肉部をガラス基板に埋め込んでシリコン基板とガラス基板とを接合し、ガラス基板を研磨して柱部の端部をガラス基板の一方の主面で露出させ、薄肉部の厚さまでシリコン基板を研磨して、薄肉部をガラス基板の他方の主面で露出させることにより製造することができる。このような工程によれば、成膜工程やパターニング工程が不要となり、比較的に簡易な工程でマイクロヒータを製造することができる。
【００２４】
この場合において、研磨したシリコン基板側の表面を所望の抵抗体形状や所望の電極形状にエッチングしても良い。その後、エッチングにより凹部が形成された部分に絶縁性材料（例えばＳｉＯ2など）を埋め込み、その部分を研磨して平坦化しても良い。あるいは、エッチングにより凹部が形成された部分に絶縁性材料（例えばＳｉＯ2など）をスパッタリングなどにより被着しても良い。このように絶縁性材料を抵抗体や電極上に形成することにより、この絶縁層を保護膜として利用することができる。
【００２５】
次に、上記マイクロヒータを用いたフローセンサについて説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るフローセンサを示す図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は平面図である。
【００２６】
図中２１はガラス基板を示す。ガラス基板２１は、対向する一対の主面２１ａ，２１ｂを有する。ガラス基板２１には、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが埋め込まれている。これらのシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、それぞれガラス基板２１の両主面２１ａ，２１ｂで露出している。シリコン部材２２ａは、マイクロヒータ用のシリコン部材であり、シリコン部材２２ｂ，２２ｃは、温度センサの外部引き出し用のシリコン部材である。
【００２７】
マイクロヒータ用のシリコン部材２２ａは、上述したマイクロヒータ１と同様の構造を有しており、一対の柱部２２ａ−１と、この一対の柱部２２ａ−１を連接する薄肉部２２ａ−２とを有する。そして、柱部２２ａ−１の端部がガラス基板２１の主面２１ａで露出し、薄肉部２２ａ−２がガラス基板２１の主面２１ｂで露出している。このようなマイクロヒータにおいては、柱部２２ａ−１の端部が端子を構成し、薄肉部２２ａ−２が抵抗体（発熱体）を構成する。
【００２８】
ガラス基板２１の主面２１ａ上には、シリコン部材２２ａの露出部分（端子）と電気的に接続するように引き出し電極２３ａが形成されており、シリコン部材２２ｂの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極２３ｂが形成されており、シリコン部材２２ｃの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極２３ｃが形成されている。このように引き出し電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃがそれぞれ主面２１ａ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【００２９】
ガラス基板２１の主面２１ｂ上には、シリコン部材２２ｂの露出部分と電気的に接続するように温度センサ２４ａが形成されており、シリコン部材２２ｃの露出部分と電気的に接続するように温度センサ２４ｂが形成されている。温度センサ２４ａ，２４ｂは抵抗体を形成することにより構成することができるが、これに限定されない。
【００３０】
このような構成のガラス基板２１の主面２１ｂ側には、所定の間隔をおいてガラス基板２５が配置される。この所定の間隔が流路２６を構成して、図中の矢印方向に流体が流れる。
【００３１】
ガラス基板２１とシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃとの間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。その結果、流路２６内の気密性を高く保つことが可能となる。
【００３２】
ここで、陽極接合処理とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、界面で共有結合を起こさせる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。
【００３３】
このような構成を有するフローセンサにおいては、マイクロヒータで加熱された流体が流路２６内を通過して温度センサ２４ａで計測されて温度Ｔ1が得られる。そして、温度センサ２４ｂで計測されて温度Ｔ2が得られる。これらの温度情報は、引き出し電極２３ｂ，２３ｃから外部の制御回路（図示せず）に出力され、制御回路において、温度差ΔＴ（Ｔ2−Ｔ1）が算出される。流体がマイクロヒータから得る熱量ＱはＱ＝α×Ｓ×ΔＴ（Ｓ：流路２６内の面積（流体の面積）、α：熱伝達率）で求められる。αをレイノズル数Ｒｅの関数で表すと、α＝０．０２３×（Ｒｅ）0.8×（Ｐｒ）0.4×λ／Ｄ（Ｒｅ：レイノズル数、Ｐｒ：プラントル数、λ：熱伝導率）となる。以上のことから、ΔＴとλが一定であれば、熱量Ｑはαに比例する。αはＲｅの関数であることから、熱量Ｑは流速に比例することになる。したがって、この流体に伝熱される熱量Ｑを測定することによって流体の流量を計測することができる。
【００３４】
このフローセンサにおいては、マイクロヒータにシリコン部材を用いているので、マイクロヒータの腐食を抑制することができる。このため、フローセンサの耐久性を向上させることができる。また、シリコン部材２２ａがガラス基板２１に埋め込まれているので、シリコン部材２２の絶縁性が良好である。また、柱部２２ａ−１と薄肉部２２ａ−２とがシリコン部材で一体に構成されているので、すなわち発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３５】
次に、本実施の形態のフローセンサの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施の形態に係るフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００３６】
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板２７を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。図４（ａ）に示すように、このシリコン基板２７の一方の主面をエッチングしてマイクロヒータ用の突出部２７ａ及び引き出し電極用の突出部２７ｂ，２７ｃを形成する。なお、突出部２７ａについては、段差部２７ｄに対応する領域のレジスト膜の厚さを変えておき、その状態でエッチングすることにより、突出部２７ａに段差部２７ｄを設けることができる。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃを形成したシリコン基板２７上に突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃと当接するようにガラス基板２１を置き、さらに、真空下で、このシリコン基板２７及びガラス基板２１を加熱して、シリコン基板２７をガラス基板２１に押圧して突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃをガラス基板２１の主面２１ｂに押し込んで、シリコン基板２７とガラス基板２１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。このとき、シリコン基板２７の突出部２７ａ，２７ｂ，２７ｃとガラス基板２１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板２７及びガラス基板２１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、フローセンサの流路２６の気密性を向上させることができる。
【００３８】
次いで、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板２１及びシリコン基板２７を研磨処理して、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃをガラス基板２１の両主面２１ａ，２１ｂで露出させる。なお、シリコン基板２７側については、研磨処理の代わりに、エッチング処理を用いても良い。
【００３９】
次いで、図４（ｄ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ａ上に、シリコン部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃと電気的に接続するように、それぞれ引き出し電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃを形成する。この場合、ガラス基板２１の主面２１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００４０】
次いで、図４（ｅ）に示すように、ガラス基板２１の主面２１ｂ上に、シリコン部材２２ｂ，２２ｃと電気的に接続するように、それぞれ温度センサ２４ａ，２４ｂを形成する。この場合、ガラス基板２１の主面２１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、温度センサ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００４１】
次いで、図４（ｆ）に示すように、ガラス基板２５の一方の主面をエッチングして凹部２５ｂを形成する。この凹部２５ｂの深さは、流路２６の間隔に相当する。この場合、ガラス基板２５に突起部２５ａを残すようにガラス基板２５に機械加工を施しても良く、フォトリソグラフィ及びエッチングにより凹部２５ｂを形成しても良い。
【００４２】
次いで、図４（ｇ）に示すように、図４（ｅ）に示すガラス基板２１（埋め込み基板）の主面２１ｂ上に、図４（ｆ）に示すガラス基板２５の突起部２５ａが当接するようにして、ガラス基板２１とガラス基板２５とを接合する。この場合、フリットガラスを用いて両ガラス基板２１，２５を接合しても良く、間にシリコン部材を介在させた状態で陽極接合により両ガラス基板２１，２５を接合しても良い。そして、図４（ｈ）に示すように、ダイシングにより流路２６を形成する。このようにして本発明に係るフローセンサを得ることができる。
【００４３】
このようにして得られたフローセンサは、温度センサ２４ａが引き出し電極２３ｂと電気的に接続され、温度センサ２４ｂが引き出し電極２３ｃと電気的に接続されている。したがって、温度センサ２４ａ，２４ｂ間で検知された温度差の信号は、引き出し電極２３ｂ，２３ｃから取得することができる。この信号に基づいて流体の流量を算出することができる。
【００４４】
このようなフローセンサは、流路２６の気密性を確保しつつ流体の流量を測定することができる。また、マイクロヒータがシリコンで構成されているので、腐食を抑えることができ、それによりマイクロヒータの耐久性を向上させることができる。さらに、発熱体と端子とが一体に構成されているので、発熱体と素子との間に接続部分がなく、電気抵抗を小さくすることが可能であり、電気的な信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００４５】
次に、フローセンサの他の例について説明する。図５は、フローセンサの他の例を示す図であり、図５（ａ）は側面図であり、図５（ｂ）は平面図である。
【００４６】
図中３１はガラス基板を示す。ガラス基板３１は、対向する一対の主面３１ａ，３１ｂを有する。ガラス基板３１には、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが埋め込まれている。これらのシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、それぞれガラス基板３１の両主面３１ａ，３１ｂで露出している。シリコン部材３２ａ，３２ｂは、マイクロヒータ用のシリコン部材であり、シリコン部材３２ｃ，３２ｄは、温度センサの外部引き出し用のシリコン部材である。
【００４７】
ガラス基板３１の主面３１ａ上には、シリコン部材３２ａの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ａが形成されており、シリコン部材３２ｂの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｂが形成されており、シリコン部材３２ｃの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｃが形成されており、シリコン部材３２ｄの露出部分と電気的に接続するように引き出し電極３３ｄが形成されている。このように引き出し電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄがそれぞれ主面３１ａ上に設けられていることにより、外部への取り出し電極を一つの面上に形成できるので、表面実装に適したデバイスとすることができる。
【００４８】
ガラス基板３１の主面３１ｂ上には、シリコン部材３２ａ，３２ｂの露出部分と電気的に接続するようにマイクロヒータ３５が形成されており、シリコン部材３２ｃの露出部分と電気的に接続するように温度センサ３４ａが形成されており、シリコン部材３２ｄの露出部分と電気的に接続するように温度センサ３４ｂが形成されている。温度センサ３４ａ，３４ｂは抵抗体を形成することにより構成することができるが、これに限定されない。
【００４９】
このような構成のガラス基板３１の主面３１ｂ側には、所定の間隔をおいてガラス基板３６が配置される。この所定の間隔が流路３７を構成して、図中の矢印方向に流体が流れる。このようなフローセンサは、上記原理にしたがって流体の流量を測定することができる。
【００５０】
ガラス基板３１とシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとの間の界面は、高い密着性を有することが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。その結果、流路３７内の気密性を高く保つことが可能となる。
【００５１】
次に、このフローセンサの製造方法について説明する。図６（ａ）〜（ｊ）は、図５に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００５２】
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板３８を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。図６（ａ）に示すように、このシリコン基板３８の一方の主面をエッチングしてマイクロヒータ用の突出部３８ａ，３８ｂ及び引き出し電極用の突出部３８ｃ，３８ｄを形成する。
【００５３】
次いで、図６（ｂ）に示すように、突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄを形成したシリコン基板３８上に突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄと当接するようにガラス基板３１を置き、さらに、真空下で、このシリコン基板３８及びガラス基板３１を加熱して、シリコン基板３８をガラス基板３１に押圧して突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄをガラス基板３１の主面３１ｂに押し込んで、シリコン基板３８とガラス基板３１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。このとき、シリコン基板３８の突出部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄとガラス基板３１との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板３８及びガラス基板３１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、フローセンサの流路３７の気密性を向上させることができる。
【００５４】
次いで、図６（ｃ）に示すように、ガラス基板３１及びシリコン基板３８を研磨処理して、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄをガラス基板３１の両主面３１ａ，３１ｂで露出させる。なお、シリコン基板３８側については、研磨処理の代わりに、エッチング処理を用いても良い。
【００５５】
次いで、図６（ｄ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ａ上に、シリコン部材３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと電気的に接続するように、それぞれ引き出し電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ａ上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、引き出し電極形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５６】
次いで、図６（ｅ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に、シリコン部材３２ａ，３２ｂと電気的に接続するように、マイクロヒータ３５を形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、マイクロヒータ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５７】
次いで、図６（ｆ）に示すように、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に、シリコン部材３２ｃ，３２ｄと電気的に接続するように、それぞれ温度センサ３４ａ，３４ｂを形成する。この場合、ガラス基板３１の主面３１ｂ上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、温度センサ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
【００５８】
次いで、図６（ｇ）に示すように、ガラス基板３６の一方の主面をエッチングして凹部３６ｂを形成する。この凹部３６ｂの深さは、流路３７の間隔に相当する。この場合、ガラス基板３６に突起部３６ａを残すようにガラス基板３６に機械加工を施しても良く、フォトリソグラフィ及びエッチングにより凹部３６ｂを形成しても良い。
【００５９】
次いで、図６（ｈ）に示すように、ガラス基板３６の凹部３６ｂの底面上に、マイクロヒータ３５を形成する。この場合、ガラス基板３６の凹部３６ｂの底面上に抵抗体材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、マイクロヒータ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして抵抗体材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。なお、このマイクロヒータ３５は、ガラス基板３１側のマイクロヒータとの間で位置合わせされる。
【００６０】
次いで、図６（ｉ）に示すように、図６（ｆ）に示すガラス基板３１（埋め込み基板）の主面３１ｂ上に、図６（ｈ）に示すガラス基板３６の突起部３６ａが当接するようにして、ガラス基板３１とガラス基板３６とを接合する。この場合、フリットガラスを用いて両ガラス基板３１，３６を接合しても良く、間にシリコン部材を介在させた状態で陽極接合により両ガラス基板３１，３６を接合しても良い。そして、図６（ｊ）に示すように、ダイシングにより流路３７を形成する。このようにして本発明に係るフローセンサを得ることができる。
【００６１】
このようにして得られたフローセンサは、温度センサ３４ａが引き出し電極３３ｃと電気的に接続され、温度センサ３４ｂが引き出し電極３３ｄと電気的に接続されている。したがって、温度センサ３４ａ，３４ｂ間で検知された温度差の信号は、引き出し電極３３ｃ，３３ｄから取得することができる。この信号に基づいて流体の流量を算出することができる。
【００６２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における数値、材質、大きさなどは一例であり、適宜変更して実施することが可能である。また、製造プロセスにおいても、当業者がなし得る範囲で適宜変更することができる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロヒータを示す図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るマイクロヒータのアレイを示す図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線に沿う断面図であり、図２（ｃ）は側面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るフローセンサを示す図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｈ）は、図３に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】フローセンサの他の例を示す図であり、図５（ａ）は側面図であり、図５（ｂ）は平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｊ）は、図５に示すフローセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ マイクロヒータ
２ アレイ
１１，２１，２５，３１，３６ ガラス基板
１２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ シリコン部材
１２ａ，２２ａ−１ 柱部
１２ｂ，２２ａ−２ 薄肉部
１２ｃ 端部
１３ 保護膜
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 引き出し電極
２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ 温度センサ
２６，３７ 流路
２７，３８ シリコン基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の両主面で露出するように埋め込まれた第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、前記ガラス基板を厚み方向に切断した面において略Ｕ字形状の断面となる、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部とを有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成することを特徴とするマイクロヒータ。
【請求項２】
前記ガラス基板の他方の主面で露出した前記薄肉部上に保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロヒータ。
【請求項３】
前記第１シリコン部材を構成するシリコンは、抵抗値調整用のドーパントを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロヒータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロヒータと、前記ガラス基板の両主面で露出するように前記ガラス基板に埋め込まれた少なくとも２つの第２シリコン部材と、前記ガラス基板の他方の主面で露出した第２シリコン部材上に個別に搭載された温度センサと、を具備することを特徴とするフローセンサ。
【請求項５】
シリコン基板に、一対の柱部及び前記一対の柱部を連接する薄肉部を形成する工程と、加熱下において前記柱部及び前記薄肉部をガラス基板に埋め込んで前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板及び前記シリコン基板を研磨して、前記柱部の端部を前記ガラス基板の一方の主面で露出させ、前記薄肉部を前記ガラス基板の他方の主面で露出させる工程と、を具備することを特徴とするマイクロヒータの製造方法。
【請求項１】
一対の主面を有するガラス基板と、前記ガラス基板の両主面で露出するように埋め込まれた第１シリコン部材と、を具備し、前記第１シリコン部材は、前記ガラス基板を厚み方向に切断した面において略Ｕ字形状の断面となる、一対の柱部と、前記一対の柱部を連接する薄肉部とを有し、前記柱部の端部が前記ガラス基板の一方の主面で露出し、前記薄肉部が前記ガラス基板の他方の主面で露出しており、前記柱部の端部が端子を構成し、前記薄肉部が抵抗体を構成することを特徴とするマイクロヒータ。
【請求項２】
前記ガラス基板の他方の主面で露出した前記薄肉部上に保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロヒータ。
【請求項３】
前記第１シリコン部材を構成するシリコンは、抵抗値調整用のドーパントを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロヒータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロヒータと、前記ガラス基板の両主面で露出するように前記ガラス基板に埋め込まれた少なくとも２つの第２シリコン部材と、前記ガラス基板の他方の主面で露出した第２シリコン部材上に個別に搭載された温度センサと、を具備することを特徴とするフローセンサ。
【請求項５】
シリコン基板に、一対の柱部及び前記一対の柱部を連接する薄肉部を形成する工程と、加熱下において前記柱部及び前記薄肉部をガラス基板に埋め込んで前記シリコン基板と前記ガラス基板とを接合する工程と、前記ガラス基板及び前記シリコン基板を研磨して、前記柱部の端部を前記ガラス基板の一方の主面で露出させ、前記薄肉部を前記ガラス基板の他方の主面で露出させる工程と、を具備することを特徴とするマイクロヒータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２４２４４５（Ｐ２００７−２４２４４５Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６４０３２（Ｐ２００６−６４０３２）
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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