JP2005098796A - メンブレンを有するセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 メンブレンを有するエアフローセンサにおいて、異物がメンブレンに衝突したときのたわみによるメンブレンの破壊防止を、信頼性よく行えるようにする。
【解決手段】 基板１０の一面１１側に開口部２１を有し、基板１０の一面１１側から他面１２側へ向かって凹んだ空洞部２０と、この空洞部２０の底部側に形成された薄肉部としてのメンブレン３０ａとを備えるエアフローセンサにおいて、基板１０の一面１１側には、空洞部２０の開口部２１を覆うように基台５０が接着剤６０によって取り付けられており、基台５０のうち空洞部２０の開口部２１を覆っている部位には、空洞部２０と空洞部２０の外部とを連通する細孔５１が設けられており、細孔５１を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板に薄肉部としてのメンブレンを形成してなるセンサ装置に関し、たとえば、エアフローセンサ等のダストが衝突しやすい環境で用いられるセンサに適用することができる。

一般的な、この種のメンブレンを有するセンサ装置は、半導体基板等の基板と、基板の一面側に開口部を有し基板の一面側から他面側へ向かって凹んだ空洞部と、基板の他面側に位置する空洞部の底部に形成された薄肉部としてのメンブレンとを備える。

このようなセンサ装置としては、たとえば、メンブレンに温度変化によって抵抗が変化する温度検出素子を設けたエアフローセンサが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このエアフローセンサは、熱式流量計であり、使用環境で固体粒子等の異物が衝突することによりメンブレンを構成する絶縁膜が破壊することに対し、応力の集中しやすいメンブレンのエッジをポリイミドで保護することで、粒子の衝突による絶縁膜へのダメージを小さくしているものである。
特開２００１−５０７８７号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載されているものでは、センサ装置にポリイミドを形成させる工程が必要であり、また、ポリイミドは軟質であるため、長期間、粒子の衝突を受けていれば、どんどん削られて目減りしていくという問題がある。

そして、このような問題は、エアフローセンサに限らず、ガスセンサ、湿度センサ、赤外線センサ等のメンブレンを有するセンサ装置であれは、異物の衝突時のたわみによるメンブレンの破壊という問題は、共通するものであると考えられる。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、メンブレンを有するセンサ装置において、異物がメンブレンに衝突したときのたわみによるメンブレンの破壊防止を、信頼性よく行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１０）と、基板（１０）の一面（１１）側に開口部（２１）を有し、基板（１０）の一面（１１）側から基板（１０）の他面（１２）側へ向かって凹んだ空洞部（２０）と、基板（１０）の他面（１２）側に位置する空洞部（２０）の底部側に形成された薄肉部としてのメンブレン（３０ａ）とを備えるセンサ装置において、基板（１０）の一面（１１）側には、空洞部（２０）の開口部（２１）を覆うように基台（５０）が取り付けられており、基台（５０）のうち空洞部（２０）の開口部（２１）を覆っている部位には、空洞部（２０）と空洞部（２０）の外部とを連通する細孔（５１）が設けられており、細孔（５１）を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっていることを特徴としている。

それによれば、空洞部（２０）の開口部（２１）を覆っている基台（５０）の部分に、空洞部（２０）と空洞部（２０）の外部とを連通する細孔（５１）が設けられており、細孔（５１）を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっているため、異物がメンブレン（３０ａ）衝突してメンブレン（３０ａ）がたわもうとした際に、ダンピング効果を発生させることができる。

また、細孔（５１）によって空洞部（２０）の内外を連通させることで、空洞部（２０）は、密閉された気密空間ではなくなるため、空洞部（２０）内の体積の温度変化は、ほとんど発生せず、温度変化によってメンブレン（３０ａ）がたわむこともない。

よって、本発明によれば、メンブレン（３０ａ）を有するセンサ装置において、異物がメンブレン（３０ａ）に衝突したときのたわみによるメンブレン（３０ａ）の破壊防止を、信頼性よく行うことができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のセンサ装置において、細孔（５１）の孔径は、メンブレン（３０ａ）の面積よりも小さいことを特徴としている。

このように、細孔（５１）の孔径を、メンブレン（３０ａ）の面積よりも小さいものにすることにより、請求項１に記載の発明の効果を適切に発揮させることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のセンサ装置において、基板（１０）は半導体基板であり、基台（５０）は、金属、樹脂、またはセラミックからなるものであることを特徴としている。

別体の部材である基板（１０）と基台（５０）とは、このような材質からなるものにすることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載のセンサ装置において、基板（１０）と基台（５０）とは、接着剤（６０）を介して固定されていることを特徴としている。

別体の部材である基板（１０）と基台（５０）とは、このように接着剤（６０）を介して固定することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るメンブレンを有するセンサ装置としてのエアフローセンサＳ１の概略平面構成を示す図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った本センサＳ１の概略断面構成を示す図である。

基板１０は、シリコン基板等の半導体基板等からなるものであり、本例ではシリコン基板１０である。ここで、シリコン基板１０の一面１１側には、空洞部２０が形成されている。

この空洞部２０は、シリコン基板１０に対して、その一面１１側から異方性エッチング等を施すなどにより形成されている。

そして、図２に示されるように、空洞部２０は、シリコン基板１０の一面１１側に開口部２１を有し、シリコン基板１０の一面１１側からシリコン基板１１の他面１２側へ向かって凹んだ凹部として構成されている。

また、図２に示されるように、シリコン基板１０の一面１１上には、各種の絶縁膜等にて構成された積層膜３０が設けられている。この積層膜３０は、シリコン基板１１の一面１１側から、第１の絶縁膜３１、薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂ、第２の絶縁膜３３が積層されたものである。

ここで、この積層膜３０において、両絶縁膜３１、３３は、シリコン基板１０の一面１１上において空洞部２０を含むほぼ全域に形成されたものであり、薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂは、図１に示されるように、一部が空洞部２０に位置するようにパターニングされた形状をなしている。

両絶縁膜３１、３３は、それぞれが、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）あるいはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等の絶縁膜からなる単層もしくは多層の膜であり、スパッタリング法や蒸着法等により成膜されたものである。

薄膜抵抗体３２ａは、図１に示される例では、図中の上側に位置するヒータ３２ａと図中の下側に位置する温度検出素子３２ｂとからなる。ここで、ヒータ３２ａは、温度検出素子３２ｂを加熱するためのものであり、温度検出素子３２ｂは、温度変化によって抵抗値が変わるものである。

これら薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂは、白金やポリシリコン等からなる薄膜であり、蒸着法やスパッタリング法等により成膜されたものである。

また、図１に示されるように、各薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂは、空洞部２０からシリコン基板１０の周辺部に延びており、この周辺部において、アルミニウム（Ａｌ）等からなるパッド４０に電気的に接続されている。

シリコン基板１０の周辺部では、図２に示されるように、第２の絶縁膜３３の一部を除去することで薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂまで到達する開口部４１が形成されている。そして、この開口部４１にパッド４０が充填されることにより、パッド４０と薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂとが電気的に接続されている。

また、このパッド４０は、ワイヤボンディングが行われる部位であり、パッド４０と図示しない制御回路とが、ボンディングワイヤにより結線され電気的に接続されるようになっている。

そして、本実施形態では、シリコン基板１１の他面１２側に位置する空洞部２０の底部側において、積層膜３０の一部が薄肉部としてのメンブレン３０ａとして構成されている。ここでは、メンブレン３０ａが、シリコン基板１０の他面１２側において空洞部２０の底部を構成している。

このメンブレン３０ａは、センサの感度を向上させるために設けられたものであり、このメンブレン３０ａにセンシング部が設けられる。本エアフローセンサＳ１においては、たとえば、薄肉化することで、メンブレン３０ａの温度変化が敏感なものとなるため、センサ感度が向上する。

また、シリコン基板１０の一面１１側には、空洞部２０の開口部２１を覆うように基台５０が取り付けられている。この基台５０は、たとえば、金属、樹脂、あるいはガラス等のセラミックなどから構成される。ここでは、基台５０とシリコン基板１０とは、樹脂等からなる接着剤６０を介して接合され固定されている。

ここで、基台５０のうち空洞部２０の開口部を覆っている部位には、空洞部２０と空洞部２０の外部とを連通する細孔５１が設けられている。さらに、本実施形態では、この細孔５１を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっている。

そして、細孔５１を空気が通過する際に所定の圧力損失を発生させるために、図１、図２に示されるように、細孔５１の孔径は、メンブレン３０ａの面積よりも小さいものとなっている。このような細孔５１は、切削や型加工等により形成可能なものである。

このようなエアフローセンサＳ１における空気流量の検出動作の一例について、次に述べる。

たとえば、図１中の白抜き矢印Ｙ方向から空気が流れてくるとする。ここで、上述したように、温度検出素子３２ｂは、ヒータ３２ａによって加熱され、空気温度よりも高い温度となっている。

そして、空気が流れることにより、温度検出素子３２ｂは熱を奪われて温度が下がり、配線の抵抗値が変動する。そして、上記制御回路によって、この抵抗値変動から温度を測定し、測定された温度変化の差に基づいて流量検出が行われる。

なお、本例では、図１中の上側に位置する薄膜抵抗体３２ａをヒータ３２ａとし、下側に位置する薄膜抵抗体３２ｂを温度検出素子３２ｂとしているが、たとえば、両者３２ａ、３２ｂともに温度検出素子として構成してもよい。

そのようにした場合、たとえば、２つの薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂの間の温度差から、流体である空気の流量や流れ方向を検出することができる。なお、これらの検出動作は、通常知られているエアフローセンサにおいて行われているものである。

次に、上記図２を参照して、エアフローセンサＳ１の製造方法について述べる。基板としてのシリコン基板１０を用意する（基板用意工程）。この基板１０は、空洞部２０が形成されていないものである。

まず、シリコン基板１０の一面１１に、スパッタリング法や蒸着法等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなる第１の絶縁膜３１を形成する（第１の絶縁膜形成工程）。

次に、薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂを形成するために、スパッタリング法や蒸着法等により、白金やポリシリコンの膜を第１の絶縁膜３１の上に形成し、これをフォトリソグラフ技術等を用いてパターニングすることにより、ヒータ３２ａおよび温度検出素子３２ｂからなる薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂを形成する（薄膜抵抗体形成工程）。

次に、薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂの上および薄膜抵抗体３２ａ、３２ｂが形成されていない第１の絶縁膜３１の上に、スパッタリング法や蒸着法等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなる第２の絶縁膜３３を形成する（第２の絶縁膜形成工程）。

こうして、第１の絶縁膜形成、薄膜抵抗体形成、および第２の絶縁膜形成の各工程を経て、シリコン基板１０の一面１１の上に、積層膜３０が形成される。

その後、各薄膜抵抗３２ａ、３２ｂのパッド４０を形成するために、ドライエッチング等により、第２の絶縁膜３３に開口部４１を形成する。そして、スパッタリング法等により、アルミニウム等からなるパッド４０を形成する。

次に、シリコン基板１０の他面１２から、シリコン基板１０をエッチングすることにより、シリコン基板１０の他面１２から積層膜３０まで通じる空洞部２０を形成する（基板エッチング工程）。

このエッチングは、具体的には、よく知られているＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（水酸化４メチルアンモニウム）をエッチング液として用いた異方性エッチング等により行うことができる。

次に、細孔５１を形成した基台５０を、シリコン基板１０の一面１１に接着剤６０を介して固定する。こうして、上記エアフローセンサＳ１ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、基板１０と、基板１０の一面１１側に開口部２１を有し、基板１０の一面１１側から基板１０の他面１２側へ向かって凹んだ空洞部２０と、基板１０の他面１２側に位置する空洞部２０の底部側に形成された薄肉部としてのメンブレン３０ａとを備えるエアフローセンサにおいて、次のような特徴点を有するエアフローセンサＳ１が提供される。

すなわち、基板１０の一面１１側には、空洞部２０の開口部２１を覆うように基台５０が取り付けられており、基台５０のうち空洞部２０の開口部２１を覆っている部位には、空洞部２０と空洞部２０の外部とを連通する細孔５１が設けられており、細孔５１を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっている。

このようなエアフローセンサＳ１においては、使用時に、図３に示されるように、センサに対して流れてくる空気中に粒子Ｋ等の異物が含まれているため、その粒子Ｋがメンブレン３０ａに衝突すると、図中の破線に示されるように、メンブレン３０ａがたわもうとする。

しかし、本実施形態によれば、基台５０に、空洞部２０の内外を連通する細孔５１が設けられており、この細孔５１を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっているため、異物がメンブレン３０ａが衝突してメンブレン３０ａがたわもうとした際に、ダンピング効果を発生させることができる。

もう少し具体的に言うと、次のようになる。メンブレン３０ａの表面に粒子Ｋが衝突したときに、メンブレン３０ａが下方にたわもうとする。

しかし、メンブレン３０ａの下の空洞部２０内の空気は、基台５０に設けられた狭い細孔５１を介して、空洞部２０外部へ流出しようとしても、一気に外部へ流出することができない。そのため、空洞部２０内部の圧力が上昇し、メンブレン３０ａのたわみが抑制される。

また、本実施形態では、細孔５１によって空洞部２０の内外を連通させることで、空洞部２０は、密閉された気密空間ではなくなるため、空洞部２０内の体積の温度変化は、ほとんど発生せず、温度変化によってメンブレン３０ａがたわむこともない。

このことは、言い換えるならば、外気温の変化や、メンブレン３０ａ上に取り付けられた薄膜抵抗体をヒータとして使った時など、空洞部２０内部の空気温度が変化しても、細孔５１を通して、空気の出入りはできるため、空洞部２０の内圧が変化しメンブレン３０ａを破壊に至らしめることがないということである。

すなわち、本実施形態によれば、細孔５１は、空洞部２０内の急速な体積変化に対しては、ダンピング効果を働らかせ、緩やかな体積変化に対しては、圧力を一定に保つことができる、という機能を有する。

よって、本実施形態によれば、メンブレン３０ａを有するセンサ装置としてのエアフローセンサＳ１において、異物がメンブレン３０ａに衝突したときのたわみによるメンブレン３０ａの破壊防止を、信頼性よく行うことができる。

また、本実施形態によれば、異物の衝突によるメンブレン３０ａの破壊防止効果以外にも、副次効果として次のような効果もある。

たとえば、センサ装置の周囲環境にて急激な圧力変化が生じたときなど、メンブレン３０ａの表面に急激な圧力変動が発生する。このようなときにも、上記したダンピング効果が発揮されるため、メンブレン３０ａの破壊を防止することができる。

なお、上記したようなダンピング効果と圧力一定保持効果とを有する細孔５１は、その孔径をメンブレン３０ａのサイズ（面積）よりも十分に小さいものにすることが望ましい。つまり、メンブレン３０ａがたわむことによって生じる体積変化に対し、細孔５１の孔の大きさが十分小さいものであるならば、より確実にダンピング効果を働かせることができる。

また、細孔５１の孔径や長さ等を適宜変えることにより、ダンピング効果の効き方を変えることができるため、用途に合わせたダンピング力の設定が可能になる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記エアフローセンサに限定されるものではなく、基板の一面側に開口部を有し当該一面側から基板の他面側へ向かって凹んだ空洞部と、基板の他面側に位置する空洞部の底部に形成されたメンブレンとを備えるセンサ装置であれば、適用することができる。

そのようなセンサ装置としては、たとえば、ガスに反応して電気信号が変化するセンシング素子をメンブレン上に有するガスセンサ、湿度によって電気信号が変化するセンシング素子をメンブレン上に有する湿度センサ、あるいは、赤外線量によって電気信号が変化するセンシング素子をメンブレン上に有する赤外線センサ等が挙げられる。

本発明の実施形態に係るメンブレンを有するセンサ装置としてのエアフローセンサの概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 本発明の作用を示すための概略断面図である。

符号の説明

１０…基板としてのシリコン基板、１１…シリコン基板の一面、
１２…シリコン基板の他面、２０…空洞部、２１…空洞部の開口部、
３０ａ…メンブレン、５０…基台、５１…細孔、６０…接着剤。

Claims (4)

1. 基板（１０）と、
   前記基板（１０）の一面（１１）側に開口部（２１）を有し、前記基板（１０）の一面（１１）側から前記基板（１０）の他面（１２）側へ向かって凹んだ空洞部（２０）と、
   前記基板（１０）の他面（１２）側に位置する前記空洞部（２０）の底部側に形成された薄肉部としてのメンブレン（３０ａ）とを備えるセンサ装置において、
   前記基板（１０）の一面（１１）側には、前記空洞部（２０）の開口部（２１）を覆うように基台（５０）が取り付けられており、
   前記基台（５０）のうち前記空洞部（２０）の開口部（２１）を覆っている部位には、前記空洞部（２０）と前記空洞部（２０）の外部とを連通する細孔（５１）が設けられており、
   前記細孔（５１）を空気が通過する際に所定の圧力損失が発生するようになっていることを特徴とするメンブレンを有するセンサ装置。
2. 前記細孔（５１）の孔径は、前記メンブレン（３０ａ）の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のメンブレンを有するセンサ装置。
3. 前記基板（１０）は半導体基板であり、
   前記基台（５０）は、金属、樹脂、またはセラミックからなるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のメンブレンを有するセンサ装置。
4. 前記基板（１０）と前記基台（５０）とは、接着剤（６０）を介して固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のメンブレンを有するセンサ装置。
   

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