JP2001215141A

JP2001215141A - 熱式流量センサ

Info

Publication number: JP2001215141A
Application number: JP2000023943A
Authority: JP
Inventors: Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Masahiro Komachiya; 昌宏小町谷; Masamichi Yamada; 雅通山田; Susumu Murakami; 進村上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータ抵抗値が変化せず、ヒータを形成するダ
イアフラム自体が破壊しない高信頼度の熱式流量センサ
を実現する。【解決手段】シリコンダイヤフラム５にドーピングを行
い、シリコンダイヤフラム５の内部にヒータ７、センサ
８、９を形成し、シリコンダイヤフラム５の上下面には
絶縁膜４、６を施すとともにシリコンダイヤフラム５の
内部にてヒータ７とシリコンダイヤフラム５との間には
絶縁層１０が施される。これによりヒータ７はピエゾ抵
抗効果による抵抗変化が抑制されイオン拡散による抵抗
値の増加、シリコンダイヤフラム５に表面に付着する水
滴の悪影響も抑制される。さらに、シリコンダイヤフラ
ム５の厚みが厚く（２ミクロン以上）、ヒータ７の厚み
も厚く、シリコンダイヤフラム５はその面方向の中心線
に対してほぼ上下対称の構造となっている。これにより
シリコンダイヤフラム５の強度が向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスメータ、半導
体製造装置等における各種ガス、自動車エンジンヘの吸
入空気等の広範囲な分野における気体の流量を測定する
センサに係わり、特に、高精度で高信頼度を有する熱式
流量センサに関する。

【０００２】

【従来の抜術】熱式流量センサは、ヒータに通電して、
ヒータ部を所定の温度（例えば、被測定気体の温度より
１５０℃高い温度）に自己加熱し、気体の流量に応じて
変化するヒータからの放熱量やヒータの近傍に配置した
温度センサの温度変化から気体の流量を検出するもので
ある。

【０００３】熱式流量センサのヒータ素材としては、白
金を用いたものが特開平８−２７１３０８号公報に記載
されている。また、ヒータ素材としてシリコンを用いた
ものが、特開平１１−８３５８０号公報に記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、熱式
流量センサは、ヒータ部を所定の温度に自已加熱して、
温度センサの温度変化から気体の流量を検出するもので
ある。それ故、所定の温度へ正確に自己加熱できないと
検出誤差が大きくなる。

【０００５】ところが、ヒータ素材にシリコンを用いた
従来例にあっては、ヒータの抵抗値が経時変化し、ヒー
タ部を所定の温度へ正確に加熱できない間題点があっ
た。この結果、経時的に流量の検出誤差が次第に大きく
なってしまっていた。

【０００６】また、ヒータ素材にシリコンもしくは白金
を用いた従来例にあっては、微粒子の衝突や水滴の付着
する悪環境下では、ヒータを形成したダイアフラムが破
壊され、流量を全く検出できなくなるという信頼性上の
間題があった。

【０００７】これらの信頼性に関する間題点の原因を以
下に述べる。まず、シリコンよりなるヒータの抵抗値が
経時変化する要因を示す。ヒータの抵抗変化は少なくと
も０．１％以下にする必要があるが、実際にはその数倍
から数十倍程度変化していた。

【０００８】（イ）ピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化
のためである。従来例のヒータはＳｉ０₂やＳｉ₃Ｎ₄あ
るいはこれらの複合膜などからなる絶縁性の極めて薄い
（約１ミクロン）ダイアフラム中に帯状に形成されてい
た。これらの絶縁性のダイアフラムは空所を有するシリ
コン基板の上に形成されている。これらの絶縁性のダイ
アフラムを構成するＳｉ０₂やＳｉ₃Ｎ₄は、シリコン基
板に対して、加工後にそれぞれ−０．２８Ｇｐａ（圧縮
応力）、１ＧＰａ（引っ張り応力）の残留応力を持って
いる。この残留応力は、ヒータへの通電による自己加熱
や吸湿によって微妙に変化し、絶縁性のダイアフラムに
曲げ変形を発生させていた。この曲げ変形によるピエゾ
抵抗効果によって、ヒータの抵抗値を経時変化させてい
た。また、帯状のパターンを有するヒータの上側と下側
とに形成された絶縁層の厚さやその材料がヒータに対し
て対称構造でなかったため、ピエゾ抵抗効果による抵抗
値の変化を拡大させていた。

【０００９】（ロ）絶縁性ダイアフラム中のイオン拡散
（ナトリウムイオンやカリウムイオンなどの拡散）によ
るヒータ表面の蓄積層の減少による抵抗値の増加のため
である。

【００１０】（ハ）ヒータ通電によって、Ｓｉ₃Ｎ₄中へ
負の電荷がトラップされ、ヒータ抵抗値が僅かに変化す
るためである。

【００１１】（二）Ｓｉ₃Ｎ₄中にトラップされた水素が
ヒータ表面に拡敵してきて、ヒータ部のシリコンと結合
する。そして、ヒータ抵抗値を僅かに変化させるためで
ある。

【００１２】（ホ）帯状のヒータパターンの設計不良や
水滴が付着したときのバーンアウト現象によって、ヒー
タの一部が極部的に高温に加熱される。このヒータの極
部加熱によってドーピングされたリンやボロンなどの不
純物の濃度勾配が変わり、抵抗値を変化させるためであ
る。

【００１３】（へ）上述したヒータの極部加熱によっ
て、ヒータの素材が多結晶シリコンの場合、その結晶構
造が変わり抵抗値を変化させるためである。

【００１４】次に、ダイアフラムが破壊する要因につい
て述べる。

【００１５】（ａ）被測定気体中にサイズが約１０ミク
ロン以上で、かつ数十ｍ／ｓ以上の速度で運動する微粒
子が存在する悪環境下で使用されるとき、この微粒子が
絶縁性のダイアフラムに衝突し、ダイアフラム自体を破
壊させる恐れがあった。即ち、従来の絶縁性のダイアフ
ラムの厚さは約１ミクロン程度と薄く、またシリコンな
どに比べて強度も弱いため、ダイアフラム自体が破壊さ
れる確率が非常に高かった。

【００１６】（ｂ）絶縁性のダイアフラム中に形成され
たヒータ部の表面に水滴が付着すると、バーンアウト現
象によって所定の温度よりはるかに高い温度までダイア
フラム自体を自已加熱させる。このとき、ダイアフラム
中に発生した大きな熱応力によってダイアフラムが破壊
する。

【００１７】なお、ヒータ部への水滴の付着は、被測定
気体中をその流れに乗ってくる水滴と、ヒータ通電前に
露結によって生じた水滴との２種類の水滴によってもた
らされる。

【００１８】本発明は、以上の間題に鑑みてなされたも
ので、その目的は、ヒータ抵抗値が変化せず、ヒータを
形成するダイアフラム自体が破壊しない高信頼度の熱式
流量センサを実現することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）熱式流量センサにおいて、上面及び下面の両面に
少なくとも１層以上の絶縁膜を被覆したシリコンダイア
フラムの一部へ不純物をドーピングすることによってヒ
ータを形成する。

【００２０】（２）好ましくは、上記（１）において、
シリコンダイアフラムが多結晶シリコンあるいは単結晶
シリコンで形成され、不純物としてリンあるいはボロン
がドーピングされる。

【００２１】（３）また、好ましくは、上記（２）にお
いて、シリコンダイアフラムの両面に形成した絶縁膜の
厚さ、材料及びその層数は、上記上面と下面とは同等で
あり、上記シリコンダイアフラムに対して対称である。

【００２２】（４）また、好ましくは、上記（３）にお
いて、上記絶縁膜はＳｉ０₂単層あるいはＳｉ₃Ｎ₄単層
あるいはＳｉ０₂とＳｉ₃Ｎ₄の多層構造あるいはＳｉ０₂
とＳｉ０₂の多層構造あるいはＳｉ₃Ｎ₄とＳｉ₃Ｎ₄の多
層構造よりなる。

【００２３】（５）また、好ましくは、上記（４）にお
いて、多層構造の絶縁膜の中にシリコン層を介在させ、
このシリコン層を所定の電位に固定されている。

【００２４】（６）また、好ましくは、上記（１）から
（５）において、シリコンダイアフラムとその両面に形
成された絶縁膜のトータル厚さが２ミクロン以上であ
る。

【００２５】（７）また、好ましくは、上記（１）から
（６）において、シリコンダイアフラムはシリコン基板
に形成された凹部の薄肉部により形成され、シリコンダ
イヤフラムにはヒータが形成され、上記薄肉部とシリコ
ン基板の厚肉部との境界部と上記ヒータと間に、上記シ
リコンダイアフラムの上面から下面に到達するような複
数の絶縁層が形成されている。

【００２６】（８）また、好ましくは、上記（１）から
（７）において、シリコンダイアフラム中にヒータが形
成され、このヒータの不純物濃度が上記シリコンダイア
フラムの上面から下面に至る単位長当たりの抵抗値がほ
ぼ一定となるようにドーピングされている。

【００２７】（９）また、好ましくは、上記（１）から
（８）サにおいて、シリコンダイアフラム中にヒータが
形成され、このヒータのパターンの幅寸法は、上記シリ
コンダイアフラムの中央部より、上記シリコンダイアフ
ラムの端部側が小となっている。

【００２８】（１０）また、好ましくは、上記（１）か
ら（８）において、シリコンダイアフラム中にヒータが
形成され、このヒータのパターンの不純物濃度は、上記
シリコンダイアフラムの中央部より、上記シリコンダイ
アフラムの端部側が低くなっている。

【００２９】（１１）また、好ましくは、上記（１）か
ら（１０）において、シリコンダイアフラムとその両面
に形成された絶縁膜が厚さが少なくとも数百ミクロン以
上のシリコン基板の上に形成された後、上記シリコン基
板の中央部が裏面からエッチングで除去されることによ
って凹部が加工され、上記絶縁膜中に上記シリコンダイ
アフラムの温度を検出するための温度センサが形成され
るとともに、上記シリコン基板の未エッチング部である
厚手部分に被測定流体の温度を検出する温度センサが形
成される。

【００３０】（１２）熱式流量センサにおいて、シリコ
ンダイアフラムの上面と下面とに絶縁膜が形成され、上
記上面の絶縁膜上にヒータが形成される。

【００３１】（１３）好ましくは、上記（１２）におい
て、ヒータがシリコンあるいは白金などの金属材料で構
成される。

【００３２】（１４）また、好ましくは、上記（１２）
又は（１３）において、シリコンダイアフラムとその両
面に形成された絶縁膜のトータル厚さが少なくとも２ミ
クロン以上である。

【００３３】上述の熱式流量センサの信頼性を悪化させ
る要因は、上記本発明により解消され、ヒータ抵抗値が
変化せず、且つヒータを形成したダイアフラム自体が破
壊しない高信頼度な熱式流量センサを提供することが可
能となる。

【００３４】そして、本発明は以下のような作用を有す
る。

【００３５】（イ）両面に少なくとも１層以上の絶縁膜
を被覆したシリコンダイアフラムの一部へ不純物をドー
ピングすることによって、帯状のヒータパターンを形成
する。このとき、シリコンダイアフラムに対して絶縁膜
の厚さを相対的に薄くすることにより、ヒータを内蔵す
るダイアフラムを絶縁性のダイアフラムから実質的にシ
リコン性のダイアフラムに変更する。

【００３６】そして、シリコンダイアフラムの両面に形
成した絶縁膜の厚さ、材料及びその層数は同じで、シリ
コンダイアフラムに対して対称構造にする。あるいはヒ
ータを内蔵した従来の絶縁性のダイアフラムの下面にシ
リコンダイアフラムを設け、両者のダイアフラムを複合
化することによりダイアフラムの経時的な曲げ変形を抑
制する。

【００３７】（ロ）シリコンダイアフラムの両面に多層
構造の絶縁膜を形成し、この多層構造の絶縁膜の中にシ
リコン層を介在させ、このシリコン層を所定の電位に固
定する。これによって、露出した絶縁膜中をイオンが拡
散してもヒータ表面の蓄積層の減少を防止することがで
きる。

【００３８】（ハ）特に、高い精度で気体の流量を計測
する用途の場合、絶縁膜の材料にＳｉ₃Ｎ₄を使用しな
い。

【００３９】（二）特に、高い精度で気体の流量を計測
する用途の場合、絶縁膜の材料にＳｉ₃Ｎ₄を使用しな
い。

【００４０】（ホ）ヒータ部の長手方向の温度分布が一
様になるように、帯状のヒータパターンをその中央部で
幅を広く、シリコンダイアフラムの端部側で狭くする。
あるいは、帯状のヒータパターンの不純物濃度をその中
央部で高く、シリコンダイアフラムの端部側で低くす
る。

【００４１】また、水滴付着によるバーンアウト現象に
よってヒータの」部が極部的に高温に加熱されても、ド
ーピングされたリンやボロンなどの不純物の濃度勾配の
変化の影響を受けにくいように、あらかじめシリコンダ
イアフラムの上面から下面にいたるまで十分に不純物を
ドーピングしておく。

【００４２】（へ）水滴付着によるバーンアナウト現象
によって、ヒータの一部が極部的に高温に加熱される頻
度が非常に多い用途の場合、ヒータ素材のシリコンには
単結晶シリコンを用いる。

【００４３】次に、ダイアフラムの破壊を防止するため
には、以下の構成によって達成される。

【００４４】（ａ）両面に少なくとも１層以上の絶縁膜
を被覆したシリコンダイアフラムの一部へ不純物をドー
ピングすることによって、帯状のヒータパターンを形成
する。あるいはヒータを内蔵した絶縁性のダイアフラム
の下面にシリコンダイアフラムを設け、両者を複合化し
たダイアフラム構造にする。

【００４５】いずれの場合も、ダイアフラムの主たる材
料に強度の高いシリコンを使用し、且つシリコンダイア
フラムとその両面に形成した絶縁膜のトータル厚さを少
なくとも２ミクロン以上にする。実験によれば、トータ
ル厚さが２ミクロンになると、微粒子の衝突によるダイ
アフラムの破壊確率は急激に低下した。トータル厚さが
３ミクロンになると悪環境下でも破壊は皆無になった。

【００４６】（ｂ）上記（ａ）項と同様の手段によって
解決され、トータル厚さと破壊確率の関係もほぼ似たよ
うな傾向を示した。また、ダイアフラムの主たる材料を
絶縁性の材料から熱伝尊率の高いシリコンにすることに
より、ヒータ部からダイアフラムを支持する基板側への
熱の移動量が大きくなる。そして、水滴付着によるバー
ンアウト時の加熱温度の上昇を従来より低い温度に抑制
することができる。結果として、ダイアフラムの破壌確
率の低下に結びつく。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実
施形態である熱式流量センサの概略断面図である。図１
に示すように、シリコン基板１の裏面に形成したエッチ
ング用マスク材２を用いて、シリコン基板１の中央部に
凹部３を加工している。そして、凹部３を覆うように、
上面と下面にそれぞれ絶縁膜６と４とを有するシリコン
ダイアフラム５がシリコン基板１の表面に形成されてい
る。つまり、シリコンダイアフラム５はシリコン基板１
に形成された凹部の薄肉部により形成され、その周囲は
厚肉部集となっている。

【００４８】約数Ω・ｃｍの抵抗率を有するシリコンダ
イアフラム５にはリンやボロンなどの不純物をドーピン
グすることによって、ヒータ７、温度センサ８と９、導
体路２５と２６などの抵抗体をシリコンダイアフラム５
中に形成している。

【００４９】なお、約数百μΩ・ｃｍの抵抗率を持つヒ
ータ７、温度センサ８と９、導体路２５と２６などの抵
抗体は、絶縁層１０によってシリコンダイアフラム５と
電気的に絶縁されている。

【００５０】また、図１に示すように、上面と下面とに
それぞれ絶縁膜６と４とを有するシリコンダイアフラム
５は平坦で、そのトータル厚さＴは少なくとも２ミクロ
ン以上となっている。

【００５１】また、シリコンダイアフラム５の上面と下
面とに設けた絶縁膜６と４とは、同じ材料（例えば、Ｓ
ｉ０₂やＳｉ₃Ｎ₄など）とほぼ同じ厚さ（図１に示した
例の場合、約０．２〜０．５ミクロン）で構成される。

【００５２】なお、シリコンダイアフラム５には単結晶
シリコンあるいは多結晶シリコンが用いられる。検出部
を図１に示すような構造となっている、つまり、シリコ
ンダイヤフラム５にドーピングを行って、シリコンダイ
ヤフラム５の内部にヒータ７、センサ８、９を形成し、
シリコンダイヤフラム５の上下面には絶縁膜４、６を施
すとともに、シリコンダイヤフラム５の内部にてヒータ
７とシリコンダイヤフラム５との間には絶縁層１０が施
されている。これによって、ヒータ７はピエゾ抵抗効果
による抵抗変化が抑制され、イオン拡散による抵抗値の
増加、並びに、シリコンダイヤフラム５に表面に付着す
る水滴の悪影響も抑制される。

【００５３】さらに、シリコンダイヤフラム５の厚みが
厚く（２ミクロン以上）、ヒータ７の厚みも厚く、シリ
コンダイヤフラム５は、その面方向の中心線（破線Ａ）
に対してほぼ上下対称となる構造となっている。

【００５４】これによって、シリコンダイヤフラム５の
強度が向上される。したがって、本発明の第１の実施形
態によれば、ピエゾ抵抗効果による抵抗値変化を防止
し、悪環境下でもダイアフラムが破壊しない高精度で高
信頼度を有する熱式流量センサを得ることができる。

【００５５】また、絶縁膜６と４とにＳｉ₃Ｎ₄を用いな
ければ（ＳｉＯ₂を用いれば）、負のトラップ電荷の影
響と水素結合の影響を防止することができる。

【００５６】図２は、図１に示した熱式流量センサの概
略平面図である。なお、この図２は、説明の都合上、シ
リコンダイアフラム５の上面の絶縁膜６を除去して見た
ときの平面図である。

【００５７】また、図１に示した参照符号と後述する参
照符号とが同一の場合は、同一の要素を示し、それらの
要素は全て同じ機能を有するものとして、以下の説明を
行うことにする。また、図１は、図２のＸ−Ｘ線に沿っ
て切った断面図を示したものである。

【００５８】図２に示すように、Ｙ−Ｙ線方向（太い矢
印で示す空気流の方向にほぼ垂直な方向）に折れ曲がっ
た帯状のパターンを有するヒータ７と温度センサ８及び
９とは凹部３上に形成される。

【００５９】被測定気体の流量を計測するとき、空気流
を太い矢印で示すように、温度センサ８は、ヒータ７の
上流側に配置され、温度センサ９は、ヒータ７の下流側
に配置される。また、被測定気体の温度を検出する温度
センサ１２は、ヒータ７からの影響を受けないように、
未エッチング部分であるシリコン基板１の厚手部分１１
に配置される。

【００６０】図２に示すように、ヒータ７、温度センサ
８、９、１２は、それぞれ導体路１３と１４、１７と１
８、２１と２２、２５と２６を介して、パッド１５と１
６、１９と２０、２３と２４、２７と２８に電気的に接
続されている。ヒータ７と温度センサ８、９、１２のパ
ターン幅は数〜数十ミクロン、導体路１３、１４、１
７、１８、２１、２２、２５、２６の幅は数百ミクロン
の値に設定される。

【００６１】ヒータ７と温度センサ８、９、１２の抵抗
値を、外部に設けた信号処理回路で高精度に検出するた
めには、導体路部分の抵抗値を極力小さな値にするの
が、より望ましい。このためには、導体路のパターン幅
をより広くすると同時に、リンやボロンなどの不純物の
濃度をヒータや温度センサよりもより高濃度にドーピン
グするのが望ましい。

【００６２】ヒータ７、温度センサ８、９、１２はアル
ミなどの金属材料で構成されるパッドから、ワイヤボン
デイングを介して外部の信号処理回路（但し、図には記
載していない）と結線される。外部の信号処理回路によ
って、ヒータ７は被測定気体の温度より所定値だけ高い
温度（使用目的によって異なるが、例えば温度差は１５
０°Ｃなど）に通電することにより正確に自己加熱され
る。

【００６３】このとき、温度センサ９と８との温度差を
検出することによって、被測定気体の流量を計測するこ
とができる。この計測方法は温度差型として良く知られ
た手法であり、被測定気体の流量が増加するにつれて、
温度センサ９と８との間の温度差は増加するものであ
る。

【００６４】これに対して、同じく良く知られた直熱型
の手法を本発明に適用した場合、ヒータ７の放熱量から
気体の流量を直接的に検出できるので、ヒータ７の両側
に配置した温度センサ８と９とは不要である。

【００６５】温度差型又は直熱型のどちらの手法を用い
るかは使用目的、例えば計測のレンジャビリテイなどか
ら選定される。

【００６６】次に、図１及び図２に示した第１の実施形
態である熱式流量センサの概略製造プロセスを図３に示
す。

【００６７】この図３を用いて、本発明の実施形態であ
る熱式流量センサの製造方法を簡単に説明する。なお、
図３及び以下の説明においては、（ａ）〜（ｆ）は製造
工程を示す。

【００６８】（ａ）単結晶のシリコン基板１の表面に熱
酸化膜（Ｓｉ０₂）よりなる絶縁膜４を形成し、同様に
シリコン基板１の裏面に絶縁膜２ａを形成する。

【００６９】（ｂ）ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ１Ｖａｐ
ｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、絶縁膜４の上
に多結晶シリコンよりなるシリコンダイアフラム５と酸
化膜（Ｓｉ０₂）６ａとを成膜する。

【００７０】（ｃ）酸化膜６ａをホトエッチングによっ
て、部分的に開口する。この開口部からリンやボロンな
どの不純物をドーピングして、シリコンダイアフラム５
中ヘヒータ７、温度センサ８、９及び導体路２５、２６
となる抵抗体を形成する。

【００７１】（ｄ）酸化膜６ａを除去して、シリコンダ
イアフラム５の表面に新たな酸化膜６ｂをＣＶＤ法で成
膜する。そして、ホトエッチングでこの酸化膜６ｂを部
分的に開口する。この酸化膜６ｂをマスク材として、開
口部のドライエッチングによりヒータ７、温度センサ
８、９及び導体路２５、２６の側面部分のシリコンダイ
アフラム５を除去する。そして、このシリコンダイアフ
ラム５を除去した部分がスリット２９になる。

【００７２】（ｅ）ＣＶＤ法でスリット２９を封止する
ように絶縁層１０（Ｓｉ０₂やＳｉ₃Ｎ₄などよりなる）
を成膜する。次に、シリコンダイアフラム５の表面に絶
縁膜６を成膜する。なお、絶縁層１０と絶縁膜６とは同
じ材料でも良く、このとき絶縁層１０と絶縁膜６とは連
続的に成膜される。

【００７３】（ｆ）最後に、シリコン基板１の裏面にエ
ッチング用マスク材２（Ｓｉ０₂やＳｉ₃Ｎ₄などよりな
る）を成膜して、ホトエッチングによりその中央部分を
除去する。エッチング用マスク材２を開口した部分から
ＫＯＨなどのアルカリエッチング液中でシリコン基板１
が除去され、凹部３が形成される。

【００７４】なお、エッチングは絶縁膜４で停止するの
で、凹部３上のダイアフラム部分の厚さはＣＶＤ時の成
膜厚さによってのみ決定される。

【００７５】また、シリコンダイアフラム５の素材とし
て単緒晶シリコンを用いるときは、ＳＯＩ（Ｓｉ１ｉｃ
ｏｎＯｎＩｎｓｕ１ａｔｏｒ）基板を用いることに
なる。この場合の製造プロセスの説明は省略する。

【００７６】以上説明した製造方法によれば、ピエゾ抵
抗効果による抵抗値変化を防止し、悪環境下でもダイア
フラムが破壊しない高精度で高信頼度を有する本発明の
第１の実施形態である熱式流量センサを製造することが
できる。

【００７７】図４は、本発明による第２の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。図４に示した本
発明の第２の実施形態は、折れ曲がった帯状のパターン
形状に形成されたヒータ７及び温度センサ８、９のパタ
ーン同士の間のシリコン（図１中の５ａ部分）がない場
合の例である。他の構成については、図１の例と図４の
例とは、同様となっている。また、製造方法について
も、図３に示した方法と同様な方法により製造すること
ができる。

【００７８】本発明の第２の実施形態によれば、第１の
実施形態と同様な効果を得ることができる他、より微細
で小型な検出部を有する熱式流量センサを得ることがで
きる。

【００７９】図５は、本発明による第３の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。図５に示した第
３の実施形態は、シリコンダイアフラム５中に形成した
ヒータ７、温度センサ８、９及び導体路２５、２６の側
面に形成した絶縁層１０がない場合の例である。他の構
成は、図１に示した例と同様である。

【００８０】この図５の例においては、予めシリコンダ
イアフラム５の材料として抵抗率が少なくとも数百Ω・
ｃｍ以上のものを使用すれば、この図５のように絶縁層
１０を省略した構成としてもシリコンダイアフラム５中
のシリコン部分５ａを介したヒータ７と温度センサ８、
９との間のリーク電流が測定精度に対して無視できるオ
ーダになり、この図５に示すような検出部構造が可能に
なる。

【００８１】結果として、本発明の第３の実施形態によ
れば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる
他、製造方法の容易な熱式流量センサを実現することが
できる。

【００８２】図６は、本発明による第４の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。この図６の例
は、シリコンダイアフラム５の上面と下面とに形成され
た絶縁膜が多層の絶縁膜より構成されるものである。図
６に示すように、シリコンダイアフラム５の上面にはＳ
ｉ０₂よりなる絶縁膜６とＳｉ₃Ｎ₄よりなる絶縁膜３１
が形成され、下面にはＳｉ０₂よりなる絶縁膜４とＳｉ₃
Ｎ₄よりなる絶縁膜３０が形成されている。

【００８３】つまり、圧縮残留応力を持つＳｉ０₂より
なる絶縁膜と引張り残留応力を持つＳｉ₃Ｎ₄よりなる絶
縁膜とを複合化した多層の絶縁膜をシリコンダイアフラ
ム５の両面に形成している。

【００８４】こうすることにより、多層絶縁膜の圧縮と
引っ張りの残留応力が多少変動しても、シリコンダイア
フラム５に発生する曲げ変形を極力小さな値に抑制する
ことができる。

【００８５】結果として、本発明の第４の実施形態によ
れば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる
他、ヒータ７や温度センサ８、９のピエゾ抵抗効果によ
る抵抗値変化を防止することができる。

【００８６】なお、シリコンダイアフラム５の上面と下
面とに設けた多層絶縁膜はほぼ同じ厚さ（トータル厚さ
で約０．３〜０．６ミクロン）で構成される。

【００８７】図７は、本発明による第５の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。

【００８８】この図７に示した例は、図６に示した例に
対して、圧縮残留応力を持つＳｉ０ ₂よりなる絶縁膜と
引張り残留応力を持つＳｉ₃Ｎ₄よりなる絶縁膜のシリコ
ンダイアフラム５に対する配置を逆にした例である。

【００８９】すなわち、シリコンダイアフラム５の面に
近い方にＳｉ₃Ｎ₄膜３０、３１を形成し、その上にＳｉ
０₂膜４、６を形成しものである。

【００９０】この第５の実施形態においても、図６に示
した第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【００９１】図８は、本発明による第６の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。図８に示した第
６の実施形態は、ヒータ７、温度センサ８、９及び導体
路２５、２６を内蔵するシリコンダイアフラム５の両面
に絶縁膜と導体膜からなる複合膜を形成した例である。

【００９２】すなわち、シリコンダイアフラム５の上面
には絶縁膜６と３５との間に導体膜３３を介在させた複
合膜を形成し、シリコンダイヤフラム５の下面には絶縁
膜４と３４との間に導体膜３２を介在させた複合膜を形
成する。それぞれの複合膜は、ＣＶＤ法でシリコンダイ
ヤフラム５の上面及び下面に成膜している。図８中には
記載されていないが、これらの導体膜３３と３２とは所
定の電位（例えば、検出部に接続された信号処理回路中
の定電圧やグランド）に保持される。他の構成は図１に
示した例と同様となっている。

【００９３】本発明の第６の実施形態によれば、第１の
実施形態と同様な効果を得ることができる他、上述のよ
うな構成とすることによって、熱式流量センサの製造時
や使用時に各種のイオンが絶縁膜３５と３４の表面に付
着して、これらの絶縁膜中を動き回っても、ヒータ７や
温度センサ８、９の抵抗値は経時変化することはない。

【００９４】すなわち、抵抗値が経時変化することはな
いのは、導体路３３と３２を所定の電位に保持すること
によって、ヒータ７や温度センサ８、９の表面に蓄積層
が発生したり、蓄積層を変化させる現象がなくなるから
である。

【００９５】なお、シリコンダイアフラム５の両面に形
成されるこれらの複合膜の厚さは、シリコンダイアフラ
ム５の厚さより薄い厚さ（例えば、トータル厚さで約
０．３〜０．６ミクロン）に設定される。

【００９６】図９は、本発明による第７の実施形態であ
る熱式流量センサの概略断面図である。この図９に示し
た第７の実施形態は、シリコンダイアフラム５の両面に
３層の絶縁膜からなる多層絶縁膜を成膜した例である。
なお、トータル厚さがシリコンダイアフラム５より薄け
れば、シリコンダイアフラム５の両面に形成する多層絶
縁膜は３層以上の絶縁膜で構成されても良い。

【００９７】３層の絶縁膜で構成される場合、Ｓｉ０₂
／Ｓｉ₃Ｎ₄／Ｓｉ０₂多層膜やＳｉ₃Ｎ₄／Ｓｉ０₂／Ｓｉ
₃Ｎ₄多層膜などが考えられる。この図９に示す例は、前
者の場合を示している。すなわち、シリコンダイアフラ
ム５の上面にはＳｉ０₂よりなる絶縁膜６と、Ｓｉ₃Ｎ₄
よりなる絶縁膜３１と、Ｓｉ０₂よりなる絶縁膜３８と
を形成する。そして、シリコンダイヤフラム５の下面に
はＳｉ０₂よりなる絶縁膜４と、Ｓｉ₃Ｎ₄よりなる絶縁
膜３０と、Ｓｉ０₂よりなる絶縁膜３７とを形成する。

【００９８】以上のように、本発明の第７の実施形態に
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る他、ピエゾ抵抗効果による抵抗値変化を防止し、悪環
境下でもダイアフラムの破壊しない高信頼度な熱式流量
センサを実現することができる。

【００９９】図１０は、本発明による第８の実施形態で
ある熱式流量センサの概略断面図である。熱式流量セン
サの用途によっては、少ない消費電力で動作するものや
高応答のものが要求される場合がある。前者の例として
は、ガスメータ、後者の例としては、自動車用のエアフ
ローメータなどがある。

【０１００】このような少ない消費電力で動作するもの
や高応答のものの例では、シリコンダイアフラムからこ
れを支持するシリコン基板への熱伝導量を極力少なくす
るのが解決方法の一つである。一方、絶縁材料Ｓｉ０₂
の熱伝導率と比較すると、多結晶シリコンの熱伝導率は
約１０倍、単結晶シリコンは約１００倍と大きい値を有
する。本発明の第８の実施形態は、熱伝導量を考慮した
例である。

【０１０１】図１０において、凹部３の境界部と温度セ
ンサ８と間、並びに凹部３の境界部と温度センサ８と間
のシリコンダイアフラム５中へ、シリコンダイアフラム
５の上面から下面に到達するような複数の絶縁層３６を
形成している。これら絶縁層３６を熱伝導率の小さいＳ
ｉ０₂などで構成することにより、ヒータ７からシリコ
ン基板１側へ逃げる熱量を減らすことが可能になる。な
お、１本の絶縁層３６の幅寸法は数ミクロン以下であ
る。

【０１０２】結果として、本発明の第８の実施形態によ
れば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる
他、絶縁膜６と４とでサンドイッチされたシリコンダイ
アフラム５のトータル厚さＴを２ミクロン以上にして
も、少ない消費電力で動作し且つ高応答の熱式流量セン
サを実現することができる。

【０１０３】次に、ヒータや温度センサの縦方向（深さ
方向）の不純物濃度について述べる。不純物のドーピン
グ条件と深さ方向の濃度分布との関係を図１１に示す。
この図１１は、厚さ１ミクロンのシリコンダイアフラム
にリンを９５０°Ｃ、３０分の条件でドーピングしたと
きと、１１５０℃、６０分の条件でドーピングしたとき
のヒータや温度センサの表面から深さ方向に至るリンの
濃度分布を示したものである。

【０１０４】図１１に示すように、前者（９５０°Ｃ、
３０分）はシリコンダイアフラムの下面までリンがドー
ピングされないのに対して、後者（１１５０°Ｃ、６０
分）はシリコンダイアフラムの上面から下面にいたるま
で十分に高濃度のリンがドーピングされる条件である。

【０１０５】両ドーピング条件による熱式流量センサを
試作し、ヒータを極部的に過加熱する苛酷な評価を実施
してみた。

【０１０６】上述したように、帯状のヒータパターンの
設計不良や水滴が付着したときのバーンアウト現象によ
って、ヒータの一部が極部的に高温に加熱される。前者
のドーピング条件ではヒータの抵抗値が大きく変動した
（例えば、−１％）。一方、後者のドーピング条件では
ヒータ抵抗値の変化は大幅に抑制された。

【０１０７】これは、ヒータの極部加熱によってドーピ
ングされたリンの濃度勾配が変わり、抵抗値を変化させ
るためと考えられる。

【０１０８】それ故、シリコンダイアフラム中に形成し
たヒータの不純物濃度は、シリコンダイアフラムの上面
から下面に至るまで十分にドーピングされていることが
重要である。種々の苛酷試験によると、望ましくはヒー
タ下部の不純物濃度は、ヒータ上部の不純物濃度の０．
１倍以上であることが分かった。

【０１０９】したがって、本発明の実施形態において
は、シリコンダイアフラムの上面から下面に至るまで十
分にドーピングされている、つまり、上面から下面に至
る単位長当たりの抵抗値（抵抗率）がほぼ一定となるよ
うにドーピングされている。

【０１１０】図１２は、本発明による第９の実施形態で
ある熱式流量センサの概略平面図である。この図１２に
示す第９の実施形態は、帯状のヒータパターンの温度分
布を改善する例である。帯状のパターンを有するヒータ
７を通電によって自已加熱させると、ヒータ７で発生し
た熱の一部はシリコンダイアフラムを介して、シリコン
基板の厚手部分１１へ伝導する。

【０１１１】ヒータパターンの長手方向（Ｙ−Ｙ線に沿
った方向）の温度分布は、ヒータパターンの単位長さ当
たりの発熱量が同じであれば、帯状のヒータパターンの
中央部で高く、シリコンダイアフラムの凹部３の境界部
側で低くなる。結果として、外部の信号処理回路によっ
てヒータ７の平均温度を所定の値に自已加熱できても、
ヒータ７の中央部が高温に過加熱される。

【０１１２】このため、本発明の第９の実施形態におい
ては、Ｙ−Ｙ線に沿う方向の温度分布が一様となるよう
に、帯状のヒータパターンをその中央部で幅を広く（中
央部を７ａで示す）、シリコンダイアフラムの端部側で
狭く（端部側のヒータパターンを７ｂ、７ｃで示す）し
たものである。

【０１１３】なお、ヒータパターンの幅は、図示したよ
うに、段階的に変わるのではなく、中央部から端部側へ
運続的に次第に幅が狭くなるようなパターンにすれば、
より好ましい。一方、シリコンダイアフラム中にドーピ
ングする不純物の濃度が高くなるほど、ヒータの抵抗値
は小さくなる。

【０１１４】それ故、帯状のヒータパターンの不純物濃
度をその中央部で高く、シリコンダイアフラムの端部側
で低くしても同様の効果が得られる。

【０１１５】このように、本発明の第９の実施形態によ
れば、帯状のヒータパターンの温度分布を一様にできる
ため、被測定気体の流量を高精度に検出できると同時
に、信頼性の高い熱式流量センサを実現することができ
る。

【０１１６】図１３は、本発明による第１０の実施形態
である熱式流量センサの概略断面図である。この図１３
に示す例は、ヒータを内蔵した従来の絶縁性のダイアフ
ラムの下面にシリコンダイアフラムを設け、両者のダイ
アフラムを複合化することによりダイアフラムの経時的
な曲げ変形を抑制する例である。図１３において、絶縁
膜４１と３９とでサンドイッチされたシリコンダイアフ
ラム４０の上に帯状のパターンを有するヒータ７、温度
センサ８、９及び導体路２５、２６が形成されている。

【０１１７】そして、ヒータ７や温度センサ８、９、導
体路２５、２６は、絶縁膜４２で被覆されている。絶縁
膜４１、４２、シリコンダイアフラム４０及び絶縁膜３
９からなる複合膜のトータル厚さＴが少なくとも２ミク
ロン以上で、且つヒータ７や温度センサ８、９の厚さ
が、上記トータル厚さのＴ寸法に対して十分に小さけれ
ば、検出部構造の対称性が若干くずれても、図１の実施
形態とほぼ同様な効果が得られる。

【０１１８】すなわち、本発明の第１０の実施形態にお
いても、ピエゾ抵抗効果による抵抗値変化を防止し、悪
環境下でもダイアフラムの破壊しない高精度で高信頼度
な熱式流量センサを得ることができる。

【０１１９】なお、この第１０の実施形態における検出
部構造をヒータ７や温度センサ８、９の素材として白金
を用いた方式の熱式流量センサに適用した場合でも、悪
環境下でダイアフラムの破壊しない高信頼度なセンサを
得ることができる。

【０１２０】最後に、本発明による熱式流量センサと、
本発明によらない熱式流量センサの検出部構造とを比較
するため、上記本発明によらない熱式流量センサの検出
部構造を図１４に示す。

【０１２１】図１４に示すように、ヒータ７や温度セン
サ８、９は、薄い（約０．５ミクロン）絶縁膜４３の表
面にＣＶＤなどで形成され、絶縁膜４４で被覆した構造
である。絶縁膜４４と絶縁膜４３とからなる多層絶縁膜
が実質的なダイアフラムとなる。

【０１２２】このダイアフラムは実質的に非シリコン材
料で構成され、そのトータル厚さｔは１ミクロン程度と
薄いものである。また、ヒータ７とダイアフラムの積層
体構造は、厚さ方向に対して全体として極端な非対称構
造となっている。それ故、本発明によらない熱式流量セ
ンサは、上述したように、ピエゾ抵抗効果によってヒー
タや温度センサの抵抗値が大きく変動する。また、ダイ
アフラム自体の強度が弱く破壊しやすかった。

【０１２３】これに対して、上述した本発明の実施形態
によれば、ピエゾ抵抗効果によるヒータや温度センサの
抵抗値の大きな変動がなく、ダイアフラム自体の強度が
強く、破壊しにくい構造となっている。

【０１２４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ヒータ
抵抗値が変化せず、ヒータを形成するダイアフラム自体
が破壊しない高信頼度の熱式流量センサを実現すること
ができる。

【０１２５】また、本発明によれば、ヒータ抵抗値が変
化せず、ヒータを形成するダイアフラム自体が破壊しな
い高信頼度の熱式流量センサを製造する製造方法を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である熱式流量センサ
の概略断面図である。

【図２】図１に示した熱式流量センサの概略平面図であ
る。

【図３】第１の実施形態である熱式流量センサの概略製
造プロセスを示す図である。

【図４】本発明の第２の実施形態である熱式流量センサ
の概略断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態である熱式流量センサ
の概略断面図である。

【図６】本発明による第４の実施形態である熱式流量セ
ンサの概略断面図である。

【図７】本発明による第５の実施形態である熱式流量セ
ンサの概略断面図である。

【図８】本発明による第６の実施形態である熱式流量セ
ンサの概略断面図である。

【図９】本発明による第７の実施形態である熱式流量セ
ンサの概略断面図である。

【図１０】本発明による第８の実施形態である熱式流量
センサの概略断面図である。

【図１１】不純物のドーピング条件と深さ方向の濃度分
布との関係を示した図である。

【図１２】本発明による第９の実施形態である熱式流量
センサの概略平面図である。

【図１３】本発明による第１０の実施形態である熱式流
量センサの概略断面図である。

【図１４】本発明による熱式流量センサと、本発明によ
らない熱式流量センサの検出部構造とを比較するための
説明図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２エッチング用マスク材３凹部４絶縁膜５シリコンダイアフラム５ａシリコンダイアフラムの一部６絶縁膜６ａ、６ｂ酸化膜７ヒータ７ａ、７ｂヒータパターン７ｃヒータパターン８温度センサ９温度センサ１０絶縁層１１シリコン基板の厚手部分１２温度センサ１３、１４導体路１５、１６パッド１７、１８導体路１９、２０パッド２１、２２導体路２３、２４パッド２５、２６導体路２７、２８パッド２９スリット３０、３１絶縁膜３２、３３導体膜３４、３５絶縁膜３６、３７絶縁層３８、３９絶縁膜４０シリコンダイアフラム４１、４２絶縁膜４３、４４絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田雅通茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者村上進茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA04 EA05 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面及び下面の両面に少なくとも１層以上
の絶縁膜を被覆したシリコンダイアフラムの一部へ不純
物をドーピングすることによってヒータを形成したこと
を特徴とする熱式流量センサ。
【請求項２】請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
シリコンダイアフラムが多結晶シリコンあるいは単結晶
シリコンで形成され、不純物としてリンあるいはボロン
がドーピングされていることを特徴とする熱式流量セン
サ。
【請求項３】請求項２記載の熱式流量センサにおいて、
シリコンダイアフラムの両面に形成した絶縁膜の厚さ、
材料及びその層数は、上記上面と下面とは同等であり、
上記シリコンダイアフラムに対して対称であることを特
徴とする熱式流量センサ。
【請求項４】請求項３記載の熱式流量センサにおいて、
上記絶縁膜はＳｉ０₂単層あるいはＳｉ₃Ｎ₄単層あるい
はＳｉ０₂とＳｉ₃Ｎ₄の多層構造あるいはＳｉ０₂とＳｉ
０₂の多層構造あるいはＳｉ₃Ｎ₄とＳｉ₃Ｎ₄の多層構造
よりなることを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項５】請求項４記載の熱式流量センサにおいて、
多層構造の絶縁膜の中にシリコン層を介在させ、このシ
リコン層を所定の電位に固定されていることを特徴とす
る熱式流量センサ。
【請求項６】請求項１から５のうちのいずれか一項記載
の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラムとそ
の両面に形成された絶縁膜のトータル厚さが２ミクロン
以上であることを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項７】請求項１から６のうちのいずれか一項記載
の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラムはシ
リコン基板に形成された凹部の薄肉部により形成され、
シリコンダイヤフラムにはヒータが形成され、上記薄肉
部とシリコン基板の厚肉部との境界部と上記ヒータと間
に、上記シリコンダイアフラムの上面から下面に到達す
るような複数の絶縁層が形成されていることを特徴とす
る熱式流量センサ。
【請求項８】請求項１から７のうちのいずれか一項記載
の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラム中に
ヒータが形成され、このヒータの不純物濃度が上記シリ
コンダイアフラムの上面から下面に至る単位長当たりの
抵抗値がほぼ一定となるようにドーピングされているこ
とを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項９】請求項１から８のうちのいずれか一項記載
の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラム中に
ヒータが形成され、このヒータのパターンの幅寸法は、
上記シリコンダイアフラムの中央部より、上記シリコン
ダイアフラムの端部側が小となっていることを特徴とす
る熱式流量センサ。
【請求項１０】請求項１から８のうちのいずれか一項記
載の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラム中
にヒータが形成され、このヒータのパターンの不純物濃
度は、上記シリコンダイアフラムの中央部より、上記シ
リコンダイアフラムの端部側が低くなっていることを特
徴とする熱式流量センサ。
【請求項１１】請求項１から１０のうちのいずれか一項
記載の熱式流量センサにおいて、シリコンダイアフラム
とその両面に形成された絶縁膜が厚さが少なくとも数百
ミクロン以上のシリコン基板の上に形成された後、上記
シリコン基板の中央部が裏面からエッチングで除去され
ることによって凹部が加工され、上記絶縁膜中に上記シ
リコンダイアフラムの温度を検出するための温度センサ
が形成されるとともに、上記シリコン基板の未エッチン
グ部である厚手部分に被測定流体の温度を検出する温度
センサが形成されることを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項１２】シリコンダイアフラムの上面と下面とに
絶縁膜が形成され、上記上面の絶縁膜上にヒータが形成
されることを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項１３】請求項１２記載の熱式流量センサにおい
て、ヒータがシリコンあるいは白金などの金属材料で構
成されることを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項１４】請求項１２又は１３記載の熱式流量セン
サにおいて、シリコンダイアフラムとその両面に形成さ
れた絶縁膜のトータル厚さが少なくとも２ミクロン以上
であることを特徴とする熱式流量センサ。