CN107003165A - 热式流量传感器 - Google Patents

Abstract

在现有的空气流量计中，对于粒径较大的异物利用惯性力来应对接触检测元件，但是对于粒径在10μm以下的质量非常小的异物，存在在旁通结构内部惯性力几乎不起作用而附着在检测元件上的可能性。另外，上述粒径在10μm以下的质量非常小的异物主要可列举美国SAE标准J726C中规定的AC粉尘等，是对美国亚利桑那的沙漠的沙进行精炼而制造的，已知该沙(沙尘)易于带电，存在带有静电的粒径较小的粉尘附着在检测元件上时，因其库仑力而难以脱离的课题。上述课题能够用以下特征的热式流量传感器解决，其包括检测流量的半导体元件，该半导体元件在硅等半导体基片上形成绝缘层和电阻配线层，存在除去上述基片的一部分而薄膜化的区域(薄膜)，在该薄膜区域内设置至少一个以上的加热电阻体(加热部)，在其上游和下游配置有检测温度差的测温电阻体，在半导体元件上形成导电性膜，以使上述薄膜内的配线电阻周边区域中的向空气流暴露的表面一侧的电位成为任意的固定电位。

Description

热式流量传感器

技术领域

本发明涉及检测物理量的传感器，特别涉及热式流量传感器。

背景技术

以往，作为设置在汽车等的内燃机的吸入空气通路中的、测定吸入空气量的空气流量传感器，热式的空气流量传感器因为能够直接检测质量空气量，所以逐渐成为主流。

最近，利用半导体微细加工技术在硅基片上堆积电阻体和绝缘层膜之后，用以KOH等为代表的溶剂除去硅基片的一部分，形成薄膜部(diaphragm)的空气流量元件因为具有高速响应性、并且能够检测逆流，所以受到关注。

另一方面，关于对作为汽车用部件的热式流量计要求的性能之一，可以列举防尘性。作为汽车用部件的热式流量计，一般而言如图11所示设置在空气滤清器滤芯的下游。混入进气导管的异物(粉尘、水、纤维屑、碎石)大部分被空气滤清器滤芯捕获。

但是，上述空气滤清器滤芯的网眼尺寸较多在100μm以下。从而，100μm以下的尺寸的异物不会被空气滤清器滤芯捕获，而是进入进气导管中。该异物到达上述热式流量计的传感元件的薄膜部并附着在表面时，热容量变化，散热特性变化，因此传感元件的输出改变，存在产生检测误差这样的课题。

作为解决上述课题的技术，存在专利文献1中记载的技术。根据专利文献1，公开了流路的至少一部分具有静电耗散特性的技术。根据专利文献1中记载的技术，带电的污染物颗粒在到达传感器元件前因静电耗散特性部而放电，因此能够阻止带电的污染物颗粒在传感器元件上蓄积。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：DE102010020264A1

发明内容

发明要解决的课题

根据专利文献1的技术，减少了带电的污染物颗粒到达传感器元件的量，因此能够减少污染物在传感器元件上的堆积。但是，难以使飞向传感器元件的污染物颗粒全部放电，另外，也存在到达传感器元件的期间已放电的污染物颗粒与其他污染物颗粒碰撞，由此已放电的污染物颗粒再次带电的可能性。因此，专利文献1的技术中，关于使带电的污染物颗粒自身难以堆积在传感器元件上这一点留有研究的余地。

本发明的目的在于提供一种耐污染性优秀的热式流量传感器。

用于解决课题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的热式流量传感器在半导体元件上形成导电性膜，以使薄膜内的配线电阻周边区域的暴露于空气流的表面一侧的电位成为任意的固定电位。

发明效果

根据本发明，能够提供一种耐污染性优秀的热式流量传感器。

附图说明

图1是本发明的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图2是现有的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图3是现有的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图4是现有的热式流量传感器的电路说明图。

图5是现有的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图6是现有的热式流量传感器的粉尘附着说明图。

图7是本发明的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图8是本发明的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图9是本发明的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图10是本发明的热式流量传感器的一个实施方式中的说明图。

图11是空气流量传感器的实际车辆搭载布局说明图。

具体实施方式

在说明本发明的实施方式前，以下对于本次发现的现有传感元件的课题进行说明。

图2中示出了现有的传感元件的截面结构。传感元件用以下的制造方法制造。首先，通过对Si等半导体基片10进行热处理，在半导体基片10上形成热氧化绝缘膜11。然后，通过CVD法等成膜处理，在热氧化绝缘膜11上形成氧化膜绝缘层12。该氧化膜绝缘层12使用SiO2或SiN等MEMS工艺中一般使用的绝缘膜。接着，用CVD法等成膜处理在热氧化绝缘膜层12上形成电阻配线层13。电阻配线层13在成膜后通过蚀刻形成图案。对电阻配线层13形成图案后进行成膜处理，在电阻配线层13和氧化膜绝缘层12上形成氧化膜绝缘层12a。之后，通过对电阻配线层13的上层的氧化膜绝缘层12a进行蚀刻而形成接触部15，通过在接触部15上形成铝等的电极配线层14而实现电阻配线层13与电极配线层14的电导通。通过蚀刻对电极配线层14进行图案形成，由此形成电极焊盘。最后对半导体基片10从背面一侧用KOH(氢氧化钾)进行蚀刻而部分除去半导体基片10，形成薄膜部20。由此能够减小薄膜部的热容量，能够实现高速响应。另一方面，污染物附着在薄膜上时，因为薄膜部的热容量原本较小，所以热容量因附着污染物而变化，结果，流量特性改变。

图3中示出了从表面观察时的传感元件的配线图的概要。在薄膜部20上，形成了加热电阻体(Rh)31和上游测温电阻体(Ru1、Ru2)32和下游测温电阻体(Rd1、Rd2)33。加热电阻体(Rh)31配置在薄膜部20的中心部，在其上游侧配置了上游测温电阻体(Ru1、Ru2)32，在其下游侧配置了下游测温电阻体(Rd1、Rd2)33。此处，各电阻体(Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2)形成为电阻值都相同。这些电阻体(Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2)用图2的电阻配线层13形成，经由接触部15，连接至电极配线层14。

通过用各电阻体(Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2)形成图4所示的电路，能够得到与空气流量相应的输出。加热电阻体(Rh)31通过从外部施加电流而加热。不存在流量的情况下，薄膜部20的温度分布是在上下游左右对称，所以图4的V1、V2的电位为相同值，流量输出即(V1-V2)为零。另一方面，有流量流过的情况下，在上游和下游产生温度分布差，结果，电桥电路输出改变，可以得到与流量相应的输出。

此处着眼于测温电阻体(Ru1、Ru2、Rd1、Rd2)的配线电位。图5示出了以截面观察下游测温电阻体的配线部(A-A’)的结构。图5中，正面左侧(A侧)的配线是D2电位所以为(Low，低)。其相邻是D1电位所以为(High，高)。其相邻也是D1电位所以为(High)。其相邻的配线是D2电位所以为(Low)。这样，测温电阻体的配线中，电位水平不同的配线具有一定规律地交替排列，如图6所示地在不同电位配线间发生电场(E)，形成电力线。该情况下，具有电荷的粉尘50飞到元件表面上时，库仑力如图所示地被元件表面捕获。本发明人经过努力研究，发现了特别是难以受到离心分离或惯性分离的影响的微小的粉尘，易于因粉尘之间的摩擦等而带电，该微小粉尘因产生上述库仑力而被元件表面捕获的课题。

而且，污染物被传感元件表面捕获时，薄膜部20的热容量改变，产生流量检测的误差。以下，详细叙述解决上述课题的本发明的实施方式。

(第一实施例)

对本发明的第一实施例，用图1和图8进行说明。其中，对于与上述现有例相同的结构，省略说明。

本发明的第一实施例中的传感元件，在形成电极焊盘后，在氧化膜绝缘层12a上形成导电性膜16，进行图案形成，使其与电极焊盘的任意的配线短路。之后从半导体基片背面侧10用KOH(氢氧化钾)进行蚀刻，部分除去半导体基片，由此形成薄膜部20。

导电性膜16如果使用在MEMS工艺中一般使用的Ti(钛)、W(钨)、Al(铝)、Ta(钽)、Ni(镍)、Pt(铂)、Cu(铜)、Si(硅)、Mo(钼)，则制造时不需要特殊的设备，因此能够使用溅射装置等廉价地制造。

如上所述，在半导体基片10上形成第一实施例中的传感元件的层叠结构体(12、12a、13、14、16)。

接着用图7说明导电性膜16的效果。图7示出了与图6同样的截面图。导电性膜16短路至GND，保持为固定电位(0V)。因为在配线层13的表面一侧、换言之粉尘50通过的一侧形成的固定的等电位层，能够阻碍测温电阻体(Ru1、Ru2)之间发生的电力线在等电位层的表面一侧发生。即，抑制了在导电性膜16的表面一侧发生电力线的情况，所以即使具有电荷的粉尘50飞来的情况下，也不会在元件表面一侧发生库仑力引起的粉尘的捕获。根据本实施例，因为即使在难以受到离心分离或惯性分离的影响、随流体流动而来的微小的污染物飞来的情况下，也抑制将污染物吸引至传感元件表面的库仑力在传感元件的表面发生的情况，所以能够减少污染物在传感元件表面的附着，因此能够提供耐污染性高的热式流量传感器。

图8中示出了本发明的第一实施例中的导电性膜16的图案形成的一例。通过以覆盖薄膜部20内的配线部区域的方式形成导电性膜16，能够减少库仑力引起的粉尘50在薄膜部20上的附着。

本发明的第一实施例中，示出了使导电性膜16的电位短路至GND的例子，但是通过短路至电源电压等任意的电压并保持等电位，可以获得与短路至GND的情况相同的效果。

以下对于使导电性膜16成为固定电位的效果进行说明。因为导电性膜16具有导电性，所以即使不将导电性膜16连接至任意的电压的情况下也能够期待若干电场屏蔽效果。但是，用MEMS工艺形成的导电性膜16与电阻配线层13之间一般在3μm以下的情况较多，存在因为邻近配线间串扰，电阻配线层13的电位对导电膜16的电位造成影响的情况。电阻配线层13的电位因加热电阻体Rh和测温电阻体Ru、Rd的场所而不同，并且电位也因时间(流量)变化而变动。因此，认为存在可能受到邻近配线间串扰影响的位置的导电性膜16的电位因场所和时间而使电位水平变动的情况。即，存在因为与邻近配线即电阻配线层13之间的串扰而在导电性膜16自身中产生电位不同的区域，由此可能在导电性膜16的表面一侧发生电力线的情况。根据本实施例，使导电性膜16成为固定电位，所以能够抑制邻近配线间串扰造成的影响，能够抑制在导电性膜16的表面一侧发生电力线的情况。

另外，优选使导电性膜16短路的电位是GND电位。飞来的粉尘50有时带有数kV以上的静电。使短路的电位成为电源电压的情况下，导电性膜16连接至驱动电路的电源电路。该情况下，带有数kV以上的静电的粉尘50与导电性膜16接触的情况下，会对驱动电路施加高静电，存在驱动电路损坏的可能性。为了避免这样的情况，使导电性膜16短路至电源电压的情况下，需要设置保护驱动电路的保护电路。另一方面，使导电性膜16的短路电位成为GND的情况下，导电性膜16不连接至驱动电路的电源电路，所以即使带有数kV以上的静电的粉尘50与导电性膜16接触，也不会对驱动电路施加高静电。使导电性膜16短路至GND的情况下，不需要驱动电路的保护电路，因此能够减小驱动电路的电路规模，并且能够削减热式流量传感器整体上的成本。

对于在传感元件的最表面形成导电性膜16的效果进行说明。带电的粉尘50沿空气流的流动与薄膜部20碰撞的情况下，粉尘50与在薄膜部20的最表面形成的导电性膜16接触时，粉尘50带有的电荷被除去。通过对粉尘50自身除电，能够从粉尘50除去与传感元件表面结合的力。结果，能够使与传感元件表面碰撞的粉尘50易于因空气流而脱离，具有使粉尘50难以在传感元件表面堆积的效果。

另外，以上游测温电阻体(Ru1、Ru2)的配线之间为例说明了邻接配线之间发生电位差的情况，但如果在下游侧测温电阻体(Rd1、Rd2)的配线之间、加热电阻(Rh)的配线之间、加热电阻(Rh)与测温电阻体(Ru1、Ru2、Rd1、Rd2)之间等发生电位差也会产生同样的电位效果，所以多种电位的配线邻接的薄膜区域内能够全面地应用上述发明效果。

本发明的第一实施例采用了传感元件的层叠结构体在电阻层的上层一侧、换言之传感元件的表面一侧包括保持为固定电位的固定电位层的结构。因为通过固定电位层抑制了因电阻配线层13而产生的库仑力在传感元件表面发生的情况，所以即使带电的粉尘到达传感元件，也不会产生库仑力引起的吸引至传感元件表面的力。因此，根据本发明的第一实施例。

(第二实施例)

对本发明的第二实施例，用图9进行说明。其中，对于与上述第一实施例相同的结构，省略说明。

对第一实施例与第二实施例进行比较，不同点在于，第一实施例中导电性膜16在传感元件的最表面形成，与此相对，第二实施例中导电性膜16在电阻配线膜13的表面一侧形成，被氧化膜绝缘层12a和氧化膜绝缘层12b夹着这一点。

以下说明第二实施例中的传感元件的制造方法。形成氧化膜绝缘层12a之后，通过对氧化膜绝缘层12a中的电阻配线层13的上侧的区域进行蚀刻而形成接触部17。然后，通过在接触部17上形成导电性膜16而使导电性膜16短路至电阻配线膜13的任意的电位。之后，通过成膜处理形成氧化膜绝缘层12b，进行蚀刻处理，由此形成接触部15。在氧化膜绝缘层12b上形成铝等电极配线层14，进行图案形成，由此形成电极焊盘。最后从半导体基片背面一侧10用KOH(氢氧化钾)进行蚀刻，能够部分除去半导体基片，形成薄膜部20。

本实施例的情况下，在不使电阻配线膜13的电场影响到达传感元件的表面一侧这样的效果之外，能够提高导电性膜16的可靠性。即，通过在导电性膜16的表面一侧形成为绝缘层保护层，能够提高耐蚀性。

(第三实施例)

对本发明的第三实施例用图10进行说明。其中，对于与第一实施例相同的结构省略说明。本发明的第三实施例在第一实施例的结构之外，具有覆盖电极配线层14与导电性膜16的连接点的聚酰亚胺这样的有机保护膜。关于制造方法，能够在实施例1的制造工序之后，形成有机保护膜，通过图案形成而制造。由此，可以获得实施例1中记载的效果，同时能够保护连接点不受腐蚀物的影响，因此能够提供可靠性更高的热式流量传感器。

另外，第一实施例和第三实施例中，在形成电极配线层14之后形成导电性膜14，但顺序相反也没有问题。另外，也可以在形成有机保护膜18之后形成薄膜部20。

附图标记说明

10…半导体基片

11…热氧化膜

12、12a、12b…氧化膜绝缘层

13…电阻配线膜

14…电极配线层

15…接触部

16…导电性膜

17…接触部

18…有机保护膜

20…薄膜

31…加热电阻体；Rh

32…上游测温电阻体；Ru

33…下游测温电阻体；Rd

50…粉尘。

Claims (6)

1.一种热式空气流量传感器，其特征在于：

包括半导体基片、设置在该半导体基片上的层叠结构体和除去该半导体基片的一部分而成的空洞部，

所述层叠结构体包括电阻层和形成在该电阻层的上层一侧的固定电位层。

2.如权利要求1所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述固定电位层形成在最上层。

3.如权利要求1所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述层叠结构体包括形成在所述固定电位层的上层的绝缘膜层。

4.如权利要求1～3中任一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述固定电位层的电位是GND电位。

5.如权利要求1～3中任一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述固定电位层的电位是电源电位。

6.如权利要求1～3中任一项所述的热式空气流量传感器，其特征在于：

所述固定电位层包括至少含有Ti(钛)、W(钨)、Al(铝)、Ta(钽)、Ni(镍)、Pt(铂)、Cu(铜)、Si(硅)、Mo(钼)中的任意种元素的导电性膜。