CN104508434A - 热式空气流量传感器 - Google Patents

Abstract

提供流量测定精度高的热式空气流量传感器。该热式空气流量传感器具有测定元件，该测定元件包括：半导体衬底；电绝缘体，其包括在上述半导体衬底上沉积薄膜而形成的发热电阻体、测温电阻体和氧化硅膜；和隔膜部，其是将半导体衬底的一部分除去而形成的，在上述隔膜部上形成有上述发热电阻体和上述测温电阻体，薄膜相对于上述测定元件的面积的占有面积的比率为40％～60％。

Description

热式空气流量传感器

技术领域

本发明涉及测量吸入空气量的空气流量传感器，尤其是具有发热电阻体和测温电阻体来测定空气流量的热式空气流量传感器。

背景技术

作为空气流量传感器，能够直接检测空气量的热式空气流量传感器成为主流。特别是，具有利用半导体微细加工技术制造的测定元件的热式空气流量传感器，因能够降低成本和能够以低电力驱动而受到关注。作为这样的热式空气流量传感器所使用的测定元件(热式空气流量传感器)，有日本特开平11-194043号公报(专利文献1)中提出的装置。专利文献1中记载的热式空气流量传感器为如下结构：在半导体衬底上形成有电绝缘膜，在该电绝缘膜上形成有成为发热电阻体、测温电阻体的薄膜，并且在发热电阻体、测温电阻体之上形成有电绝缘体。另外，是在形成有发热电阻体、测温电阻体的区域通过进行各向异性蚀刻而从半导体衬底的背面侧除去了半导体衬底的一部分的隔膜构造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-194043号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

薄膜的图案化通常如图7所示的方式进行。首先，沉积薄膜20，之后，在薄膜20上沉积抗蚀剂21，进行图案化。接着，以该抗蚀剂(底版)21为掩模，通过干蚀刻对薄膜进行图案化。

在该情况下，按照抗蚀剂(底版)21的尺寸使薄膜图案化是理想的，但是因测定元件内的薄膜图案的总面积相对于测定元件的面积的比例(薄膜占有率)而成为图7(b)所示那样。即，在薄膜占有率小的情况下，相对于设计(掩模)尺寸变细，在薄膜占有率大的情况下，相对于设计尺寸变粗。该尺寸变化量多的情况下，热式空气流量计的流量测定精度降低。

本发明的目的在于提供流量测定精度高的热式空气流量传感器。

用于解决技术课题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的热式空气流量传感器具有测定元件，该测定元件包括：半导体衬底；电绝缘体，其包括在所述半导体衬底上沉积薄膜而形成的发热电阻体、测温电阻体和氧化硅膜；和将半导体衬底的一部分除去而形成的隔膜部，在所述隔膜部上形成有所述发热电阻体和所述测温电阻体，薄膜相对于所述测定元件的面积的占有面积的比率为40～60％。

发明效果

根据本发明，能够提供流量测定精度高的热式空气流量传感器。

附图说明

图1是本发明的第一实施例中的测定元件的概略平面图。

图2是本发明的第一实施例中的截面图。

图3是表示薄膜的占有率和尺寸变化量的图。

图4是说明热式空气流量传感器的测定原理的图。

图5是变更了薄膜图案的图。

图6是变更了薄膜图案的图。

图7(a)是在薄膜加工前的薄膜上沉积有抗蚀剂的图。

图7(b)是表示薄膜加工时的尺寸变化(shift)的一个例子的图。

图8是表示薄膜的占有率和尺寸变化量的图。

图9是安装有测定元件的热式空气流量传感器的截面图。

图10是表示在内燃机控制系统中使用本发明的热式空气流量传感器的一个例子的系统图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施例进行说明。

首先，先使用图10针对电子燃料喷射方式的内燃机控制系统中使用本发明的热式空气流量传感器300的一实施例进行说明。基于具有发动机气缸112和发动机活塞114的内燃机110的动作，从空气净化器122吸入吸入空气作为被测量气体30，经由作为主通路124的例如进气管、节流阀体126、进气歧管128被导入发动机气缸112的燃烧室。被导入上述燃烧室的作为吸入空气的被测量气体30的流量通过本发明的热式空气流量传感器300测量，基于所测量出的流量利用燃料喷射阀152供给燃料，与作为吸入空气的被测量气体30一起以混合气的状态被导入燃烧室。此外，本实施例中，燃料喷射阀152设置在内燃机的进气口，喷射至进气口的燃料与作为吸入空气的被测量气体30一起形成混合气，经由吸入阀116被导入燃烧室，进行燃烧而产生机械能。

近年来，在较多的车辆中作为提高排气净化和燃油效率的优良方式，采用在内燃机的气缸盖安装燃料喷射阀152，从燃料喷射阀152对各燃烧室直接喷射燃料的方式。热式空气流量传感器300不仅采用图10所示的对内燃机的进气口喷射燃料的方式，也同样能够使用对各燃烧室直接喷射燃料的方式。两个方式在包括热式空气流量传感器300的使用方法的控制参数的测量方法和包括燃料供给量、点火时期的内燃机的控制方法的基本概念方面均大致相同，在图10中表示作为两个方式的代表例的对进气口喷射燃料的方式。

被导入燃烧室的燃料和空气成为燃料和空气的混合状态，利用火花塞154的火花点火，爆炸性地燃烧，产生机械能。燃烧后的气体从排气阀118排出到排气管，作为排气24从排气管排出到车外。被导入上述燃烧室的作为吸入空气的被测量气体30的流量由基于油门踏板的操作而其开度发生变化的节流阀132控制。基于被导入上述燃烧室的吸入空气的流量控制燃料供给量，驾驶者控制节流阀132的开度来控制被导入上述燃烧室的吸入空气的流量，由此能够控制内燃机产生的机械能。

从空气净化器122取入的在主通路(进气管)124中流动的作为吸入空气的被测量气体30的流量和温度，通过热式空气流量传感器300测量，从热式空气流量传感器300将表示吸入空气的流量和温度的电信号输入控制装置200。另外，测量节流阀132的开度的节流阀角度传感器144的输出被输入控制装置200，并且为了测量内燃机的发动机活塞114、进气阀116、排气阀118的位置、状态、乃至内燃机的旋转速度，而将旋转角度传感器146的输出输入控制装置200。为了从排气24的状态测量燃料量和空气量的混合比的状态，将氧传感器148的输出输入控制装置200。

控制装置200基于作为热式空气流量传感器300的输出的吸入空气的流量和基于旋转角度传感器146的输出测量出的内燃机的旋转速度，计算燃料喷射量和点火时期。基于这些运算结果，控制从燃料喷射阀152供给的燃料量和利用火花塞154点火的点火时期。燃料供给量、点火时期，实际上还基于由热式空气流量传感器300测量的进气温度和节流阀角度的变化状态、发动机旋转速度的变化状态、由氧传感器148测量的空燃比的状态，细致地进行控制。控制装置200还在内燃机的怠速运转状态中，利用怠速空气控制阀156控制绕过节流阀132的空气量，控制怠速运转状态下的内燃机的旋转速度。

作为内燃机的主要的控制量的燃料供给量和点火时期均以热式空气流量传感器300的输出作为主参数进行运算。因此，热式空气流量传感器300的测量精度的提高、时效变化的抑制和可靠性的提高对于车辆的控制精度的提高和可靠性的确保比较重要。尤其是近年来，关于车辆的省燃料费的要求非常高，另外关于排气净化的要求非常高。为了应对这些要求，提高由热式空气流量传感器300测量的作为吸入空气的被测量气体30的流量的测量精度非常重要。另外，维持热式空气流量传感器300较高的可靠性非常重要。

搭载有热式空气流量传感器300的车辆能够在温度变化较大的环境下使用，另外能够在风雨或雪中使用。在车行驶在雪道上的情况下，成为在散布有防冻剂的道路上行驶。期望还考虑到热式空气流量传感器300对该使用环境中的温度变化的应对和对尘埃、污染物质等的应对。并且，热式空气流量传感器300设置在受到内燃机的振动影响的环境下。要求相对于振动维持较高的可靠性。

此外，热式流量计300安装在受到来自内燃机的发热的影响的进气管。因此，内燃机的发热经由作为主通路124的进气管被传递至热式流量计300。热式流量计300通过与被测量气体进行热传递来测量被测量气体的流量，因此尽可能抑制来自外部的热的影响很重要。

接着，使用图9对安装有测定元件301的热式空气流量传感器300的一个例子进行说明。如图9所示，热式空气流量传感器300以从进气管124的壁面插入的方式安装。此时，以从进气管路124的壁面突出的方式设置外壳部件302。在外壳部件302上形成将在进气管路124中流动的作为吸入空气的被测量气体30的一部分取入的副通路304。副通路304为具有弯曲部的通路形状，但是测定元件301的附近的通路形状为直线形状。在副通路304内，支承测定元件301的支承部件306的一部分露出。在形成于支承部件306的矩形的凹部308设置测定元件301。设置测定元件301的部分的副通路304，使流路为直线状，在其上游侧和下游侧使流路为弯曲的形状。另外，在支承部件306安装有搭载有测定元件301的驱动·检测电路的电路芯片310和芯片部件。测定元件301例如通过铝接合线等与支承部件306电连接。另外，是利用铝接合线等将支承部件306和用于取出输出信号的连接器端子312电连接的构成。支承部件306例如为以树脂、陶瓷或者金属作为材料形成的板状的衬底。

接着，使用图1对作为本发明的第一的实施例的热式空气流量传感器的测定元件301进行说明。如图1所示，测定元件301包括硅衬底1、发热电阻体7、用于测定空气温度的测温电阻体8、9、伪薄膜10、端子电极11、隔膜部5。此外，用虚线表示隔膜部5的背面蚀刻掩模端部6。

使用图2对本实施例的测定元件301的制造方法进行说明。首先，将硅衬底1热氧化而形成成为下部电绝缘膜的热氧化膜2。然后，在热氧化膜2上形成发热电阻体7、测温电阻体8、9。发热电阻体7和测温电阻体8、9例如由铂(Pt)膜、钼(Mo)膜、多晶硅膜的薄膜的沉积形成。

在此，以使薄膜图案的总面积相对于测定元件301的面积的比例(薄膜占有率)为40～60％的方式，使薄膜图案化，形成发热电阻体7、测温电阻体8、9。优选隔膜上的发热电阻体7、测温电阻体8、9的电阻体宽度由电特性决定，因此改变这些电阻体的配线部分(在隔膜部5的区域外的配线)的宽度，形成没有电连接的伪薄膜10(可接地)，将薄膜的占有率设定在40～60％的范围。

此外，薄膜下部的下部电绝缘膜可以仅为热氧化膜2，但也可以叠层氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(SiO₂)。

接着，利用等离子体CVD法在发热电阻体7、测温电阻体8、9、伪薄膜10上沉积成为上部电绝缘膜的氧化硅膜3，然后，以膜的致密化为目的在800℃以上进行热处理。此外，与下部电绝缘膜同样，在上部电绝缘膜中也可以仅为热氧化膜3，但是也可以叠层氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(SiO₂)。在上述叠层膜的情况下，也以膜的致密化为目的在800℃以上进行热处理。

接着，对聚酰亚胺类的树脂膜进行沉积·图案化，形成聚酰亚胺膜4。图1所示的端子电极11是在形成氧化硅膜3之后的上部电绝缘膜开设接触用的孔来沉积铝、金等而形成(未图示)的。最后，从背面以氧化硅膜等为掩模材料，使用KOH等蚀刻液形成隔膜部5(未图示)。隔膜部5也可以使用干式蚀刻法形成。图2的符号6表示作为掩模材料的背面蚀刻掩模端部的位置，用掩模材料21从背面蚀刻掩模端部6覆盖外侧，进行蚀刻，由此除去隔膜部5的部分的硅衬底1。

接着，说明本实施例的作用效果。

热式空气流量传感器300中，根据测定精度的限制，例如铂(Pt)膜、钼(Mo)膜、多晶硅膜等薄膜图案的尺寸变化量ΔL相对于掩模尺寸优选抑制为10％以下。为了将薄膜图案的尺寸变化量ΔL抑制在10％，根据图3，使薄膜占有率的范围为40～60％即可。由此，能够降低尺寸变化量ΔL，因此能够抑制由尺寸变化量导致的流量测定精度的降低，能够提供流量测定精度高的热式空气流量传感器。

但是，图4表示热式空气流量传感器300的空气流量测定原理，热式空气流量传感器300中，使热电阻体7发热，测定测定元件301上部的空气流量。作为吸入空气的被测量气体30从热电阻体7的上游侧流动时，通过热电阻体7和被测量气体30的热的交换，如图4所示，温度分布成为非对象，在形成有测温电阻体8、9的位置产生温度差。该温度差依赖于空气流量，所以根据该温度差算出空气流量。热式空气流量传感器300，如图1所示在隔膜部5上形成有发热电阻体7、测温电阻体8、9。这是因为，在发热电阻体7、测温电阻体8、9的下部存在热传导率高的硅衬底1时，产生热容量变大、发热电阻体7上的空气温度相对于设计值变小、测温电阻体8、9中空气温度的测定误差变大、而且测定的响应速度变慢等课题。

在隔膜部5上的发热电阻体7、测温电阻体8、9的周围形成伪薄膜10，薄膜占有率的范围为40～60％的情况下，伪薄膜10的热传导率比周围的膜的热传导率高，因此热容易因伪薄膜10的影响而被夺取，产生与上述相同的课题。因此，期望在隔膜部5上不形成伪薄膜10，在硅衬底1上形成伪薄膜10，而使薄膜占有率的范围成为40～60％。由此，能够提供流量测量精度更高的热式空气流量传感器。

另外，伪薄膜10的图案，为了使薄膜占有率的范围为40～60％，与在测定元件301的数个位置集中设计伪薄膜10的图案相比，测定元件301整体均匀地设置对于降低发热电阻体7、测温电阻体8、9的尺寸变化量ΔL比较有效。因此，如图1所示，伪薄膜10的图案以交错状的图案形成是特别有效的。图1所示的图案为长方形的交错状图案，但是当然也可以为图5、6所示的圆形、四边形的交错状图案、其它的十字状。

对于薄膜图案的尺寸变化量ΔL，薄膜尺寸越小其影响变得越大，所以在发热电阻体7或者测温电阻体8、9的最小图案尺寸宽度为1μm以下的产品中本专利尤其有效。伪薄膜10的图案宽度尺寸和其间隔以与发热电阻体7、测温电阻体8、9的薄膜图案的最小尺寸(芯片上的最小加工尺寸)相同的尺寸形成时，当然可以抑制尺寸变化量ΔL。

符号说明

1…硅衬底

2…热氧化膜

3…氧化硅膜

4…聚酰亚胺膜

5…隔膜部

6…背面蚀刻掩模端部

7…发热电阻体

8…测温电阻体

9…测温电阻体

10…伪薄膜

11…端子电极

300…热式空气流量传感器

301…测定元件

Claims (7)

1.一种具有测定元件的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述测定元件具有：

半导体衬底；

电绝缘体，包括在所述半导体衬底上沉积薄膜而形成的发热电阻体、测温电阻体和氧化硅膜；和

隔膜部，其是将半导体衬底的一部分除去而形成的，

并且在所述隔膜部上形成有所述发热电阻体和所述测温电阻体，

薄膜相对于所述测定元件的面积的占有面积的比率为40～60％。

2.如权利要求1所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

使用由与所述测温电阻体相同材料形成的薄膜，薄膜相对于所述测定元件的面积的占有面积的比率为40～60％。

3.如权利要求2所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

由与所述测温电阻体相同材料形成的薄膜是不与其它部分电连接的薄膜。

4.如权利要求3所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

由与所述测温电阻体相同材料形成的薄膜的排列图案由交错状地配置的多个图案形成。

5.如权利要求4所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述排列图案由将长方形形状的图案交错地配置的图案形成。

6.如权利要求4所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述排列图案由将四边形或者圆形的图案交错地配置的图案形成。

7.如权利要求2所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

由与所述测温电阻体相同材料形成的薄膜配置在所述隔膜部外的所述半导体衬底上。