JP2008026278A

JP2008026278A - 熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP2008026278A
Application number: JP2006202420A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kanamaru; 恭弘金丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】ダイヤフラムのクラック発生を抑制でき、測定精度も向上可能な熱式ガス流量センサを実現する。
【解決手段】平板基板３２に保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃ、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、コンタクト部３３、強度補強保護膜３７、引き出し配線部３４、薄肉部２を形成する。薄肉部２の表面には発熱抵抗体３と温度検出抵抗体４、１４が形成され、保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃで被覆され、最表面には強度補強保護膜３７が形成される。発熱抵抗体部３と温度検出部４、１４からなる抵抗体が存在しても、保護膜３０ａ、３１aの表面には段差がない構造となっている。発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は窒化膜により完全に覆われ、外部からの影響に対する、例えば水素や水などが原因による抵抗値の変動が少なくなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体薄膜により発熱抵抗体を構成した熱式ガス流量センサに関する。

自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量の流量計や、半導体製造に用いる各種ガスおよび燃料電池に用いる水素／酸素の流量計として、熱式のガス流量計が質量ガス量を直接検知できることから主流である。

この中で特に、半導体マイクロマシニング技術により製造されたガス流量計が、コストが低減でき且つ低電力で駆動することができることから注目されてきた。

このような従来の半導体基板を用いたガス流量計としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、発熱抵抗体として耐熱性および材料コストの利点から、従来使用されていた白金に置き換えて多結晶ケイ素（ポリシリコン）を用いたものが知られている。

特許第２８８０６５１号公報特許第３６９８６７９号公報

しかしながら、従来の技術にあっては、発熱抵抗体等を絶縁する保護膜を、発熱抵抗体等の上部に形成した場合、発熱抵抗体等が存在する部分と、存在しない部分との間に段差が生じてしまう。

段差が発生していると、その部分にクラックが発生し、ダイヤフラムの破壊を招く恐れがある。
また、段差が生じている場合であって、測定ガス中にカーボン等のダストが存在するときは、このダストが段差部分に付着し、堆積し易くなる。ダストが段差部に堆積すると、特定部分のみダストが堆積することなるので、測定すべきガスの流れが初期状態と変化し、ガス流量測定精度が低下する。

本発明の目的は、ダイヤフラムのクラック発生を抑制でき、測定精度も向上可能な熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内熱機関の制御装置を実現することである。

本発明の熱式ガス流量センサは、基板上に電気絶縁膜を介して配置される発熱抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を保護する保護膜とを備え、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の保護膜の最表面は平坦面となっている。

また、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関に供給する空気流量を計測する熱式空気流量センサと、この熱式空気流量センサにより計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備え、上記熱式空気流量センサは、基板上に電気絶縁膜を介して配置される発熱抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を保護する保護膜とを有し、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の保護膜の最表面は平坦面となっている。

また、熱式ガス流量センサの製造方法は、基板上に絶縁膜と、この絶縁膜上に第１の保護膜を形成する工程と、上記第１の保護膜に、発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を配置する溝を形成する工程と、上記溝を含む上記第１の保護膜上に第２の保護膜を形成する工程と、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を上記第２の保護膜が形成された上記溝内に形成した後、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の上表面と上記第２の保護膜の上表面とを平坦化する工程と、上記発熱抵抗体、上記温度検出抵抗体及び上記第２の保護膜を、さらに上記第２の保護膜で覆う工程と、上記第２の保護膜上に第３の保護を形成する工程とを備える。

ダイヤフラムのクラック発生を抑制でき、測定精度も向上可能な熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内熱機関の制御装置を実現するこができる。

また、ダイヤフラムのクラック発生を抑制でき、測定精度も向上可能な熱式ガス流量センサの製造方法を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を熱式空気流量センサに適用した場合の例である。

図１は、本発明の一実施形態が適用される熱式空気流量センサの検出素子１の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図、図３は図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。

図１、図２、図３において、検出素子１はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板３２に、保護膜３０ａ（第３の保護膜）、３０ｂ（第１の保護膜)、３１ａ（第２の保護膜)、電気絶縁膜３１ｂ、３０ｃ、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、コンタクト部３３、強度補強保護膜３７、引き出し配線部３４を形成する。

その後、平板基板３２を裏面からアルカリエッチ、例えばＫＯＨやＴＭＡＨ溶液などでエッチングすることで絶縁膜３０ｃの下部に空間３５を形成し、平板基板３２に薄肉部（ダイヤフラム）２を形成する。

薄肉部２の表面には測定空気流量の温度と所定の温度差に加熱される発熱体としての発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の両側に温度検出手段としての温度検出抵抗体４、１４が形成されている。なお、発熱抵抗体３はポリシリコン薄膜、白金薄膜、モリブデン膜などでつくられた抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、温度検出抵抗体４、１４が配置された場所の温度を検出する。

発熱抵抗体３及び温度検出抵抗体４、１４から信号線を引き出せるように配線部１８〜２３と、これら配線部１８〜２３に接続されるパッド８〜１３が形成されている。これらの発熱抵抗体部３及び温度検出抵抗体４、１４は、配線部１８〜２３を解してコンタクト部２４〜２９に接続される。そして、パッド８〜１３を用いて外部に信号が取り出せるようにしている。発熱抵抗体３及び温度検出抵抗体４、１４は、保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃで覆われ、最表面には強度補強保護膜３７が形成されている。

ここで、発熱抵抗体３及び温度検出抵抗体４、１４は、窒化膜（又は酸窒化膜）３１ａにより、被覆された状態となっている。

図３に示すように、本発明の一実施形態では、発熱抵抗体部３と温度検出部４、１４からなる抵抗体が存在しても、保護膜３０ａ、３１aの表面には、段差がない構造となっている。また、発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は窒化膜３１ａにより被覆されることにより、外部からの影響に対する、例えば水素や水などが原因による抵抗値の変動が少なくなる。

つまり、本発明の一実施形態によれば、発熱抵抗体３、温度検出部４、１４を絶縁する保護膜を形成した場合、発熱抵抗体等が存在する部分と、存在しない部分との間には段差が生じず、平坦な形状となっているとともに、温度検出抵抗体４、１４は窒化膜３１ａにより被覆されているため、段差によるクラックの発生、ダストの堆積が抑制され、抵抗値の変動も抑制することができる。

従来の技術においては、発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４はポリシリコン膜などで形成されており、加工を行った後、酸化膜や窒化膜などの保護膜を成膜するため、発熱抵抗体部の膜厚分だけがどうしても段差が生じてしまっていた。また、発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は、外部から、例えば水素や水など浸入し、それが原因で抵抗値に変動が生じていた。

そこで、本発明においては、以下に説明する製造方法により、段差の発生を防止するとともに、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、１４を窒化膜３１ａで被覆している。なお、図４〜図９は、図３に対応する断面図である。

図４に示すように、まず、ポリシリコン膜を成膜する前の工程にて、基板３２上に、絶縁膜３０ｃ、３１ｂ、保護膜３０ｂを形成する。

次に、図５に示すように、レジスト３９などで配線パターンを形成し、マスクを作成して、ドライエッチなどで、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、１４を形成するための溝を形成する。

続いて、レジスト３９を除去した後、図６に示すように、前の工程で形成された溝にバリア膜となる窒化膜（保護膜３１ａ）を低圧ＣＶＤ法により成膜する。そして、図７に示すように、成膜後の溝に、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、１４の埋め込みを行う。

この後、図８に示すように、ＣＭＰ装置もしくはＲＩＥ（イオンエッチ装置）などで平坦化処理を行い、保護膜３１ａを露出させる。そして、図９に示すように、窒化膜３１ａ、絶縁膜３０aを成膜する。

この後、強度補強保護膜３７を形成し、さらに、ＫＯＨやＴＭＡＨなどのアルカリエッチ溶液にて基板３２の裏面エッチングを行いダイヤフラム部２を形成させる（図３）。

これにより、発熱抵抗体部が窒化膜で完全に覆われて、かつ空気流量計測面に対して平坦である熱式空気流量センサが製造される。

つまり、本発明の熱式ガス流量センサの製造方法によれば、ダイヤフラムのクラック発生を抑制でき、測定精度も向上可能な熱式ガス流量センサの製造方法を実現することができる。

次に、本発明の効果につき、図１０、図１１を参照して説明する。
図１０は、本発明と異なり、保護膜に段差が発生している場合の例を示す。図１０において、計測する空気にダスト（例えばカーボン）などが存在していた場合、段差部４０によりカーボン３８が付着、堆積する。これより、ダイヤフラム部２の破損や特性変化が生じることがある。

図１１は、本発明により、段差部が発生していない例である。この図１１に示す例のように、段差部が無いためクラック発生が抑制され、かつ、カーボン等のダストの特定部分のみの堆積が防止される。

図１２は、上述した本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。

図１２において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気１１６は、熱式空気流量センサ１１７が配置された主管１１８、吸気ダクト１０３、スロットルボディ１０４及び燃料が供給されるインジェクタ（燃料噴射弁）１０５を備えたインテークマニホールド１０６を経て、エンジンシリンダ１０７に吸入される。そして、エンジンシリンダ１０７で発生したガス１０８は排気マニホールド１０９を経て外部に排出される。

熱式空気流量センサ１１７は、エンジンルーム内のエアクリーナー１００と、スロットルボディ１０４との間に設置される。熱式空気流量センサ１１７から出力される空気流量信号、吸入空気温度信号、スロットル角度センサ１１１から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド１０９に設けられた酸素濃度計１１２から出力される酸素濃度信号、及びエンジン回転速度計１１３から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット１１４に送信される。

コントロールユニット１１４は、送信された信号を逐次演算して、最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度とを求め、その値を使ってインジェクタ１０５及びアイドルエアコントロールバルブ１１５を制御する。

本発明による熱式空気流量センサ１１７が適用された内燃機関の制御装置によれば、空気流量の測定精度が向上されるので、内燃機関の制御精度を向上することができる。

なお、上述した例は発明を、熱式空気流量センサに適用した場合の例であるが、空気のならず、水素、酸素等の他のガス流量を測定するセンサにも適用可能である。

また、上述した例は、ダイヤフラムに発熱抵抗体、温度検出抵抗体、保護膜等が形成される例であるが、本発明は、温度検出抵抗体等がダイヤフラム上ではなく、平板基板上に形成される例であっても、適用可能である。

本発明の一実施形態が適用される熱式空気流量センサの検出素子１の平面図である。図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明の一実施形態である熱式空気流量センサの製造方法の説明図である。本発明とは異なる構成の熱式空気流量センサの断面図」であり、本発明との比較のための説明図である。本発明の効果を説明するための断面図である。本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。

符号の説明

１・・・検出素子、２・・・ダイヤフラム（薄肉部）、３・・・発熱抵抗体、４・・・温度検出抵抗体、５〜７・・・配線部、８〜１３・・・パット部、１４〜１７・・・配線部、１８〜２３・・・電極引き出し配線、２４〜２９・・・コンタクト部、３０ａ、３０ｂ、３１ａ・・・保護膜、３０ｃ、３１ｂ・・・絶縁膜、３２・・・平板基板、３３・・・コンタクト部、３４・・・引き出し配線部、３５・・・中空部、３７・・・強度補強保護膜

Claims

基板上に電気絶縁膜を介して配置される発熱抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を保護する保護膜とを備える熱式ガス流量センサにおいて、
上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の保護膜の最表面は平坦面となっていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記保護膜は、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を被覆する窒化膜又は酸窒化膜を有することを特徴とする熱式ガス流量センサ。
請求項２記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記保護膜は、上記窒化膜又は酸窒化膜で被覆された上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体が配置される溝を有することを特徴とする熱式ガス流量センサ。
請求項３記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記基板には、ダイヤフラムが形成され、このダイヤフラム上に上記電気絶縁膜、発熱抵抗体及び温度検出抵抗体、保護膜が形成されていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
内燃機関に供給する空気流量を計測する熱式空気流量センサと、この熱式空気流量センサにより計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備える内燃機関の制御装置において、
上記熱式空気流量センサは、基板上に電気絶縁膜を介して配置される発熱抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を保護する保護膜とを有し、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の保護膜の最表面は平坦面となっていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項５記載の内燃機関の制御装置において、上記保護膜は、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を被覆する窒化膜又は酸窒化膜を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
基板上に電気絶縁膜を介して配置される発熱抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を保護する保護膜とを備える熱式ガス流量センサの製造方法において、
上記基板上に絶縁膜と、この絶縁膜上に第１の保護膜を形成する工程と、
上記第１の保護膜に、発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を配置する溝を形成する工程と、
上記溝を含む上記第１の保護膜上に第２の保護膜を形成する工程と、
上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を上記第２の保護膜が形成された上記溝内に形成した後、上記発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の上表面と上記第２の保護膜の上表面とを平坦化する工程と、
上記発熱抵抗体、上記温度検出抵抗体及び上記第２の保護膜を、さらに上記第２の保護膜で覆う工程と、
上記第２の保護膜上に第３の保護を形成する工程と、
を備えることを特徴とする熱式ガス流量センサの製造方法。
請求項７記載の熱式ガス流量センサの製造方法において、上記第２の保護膜は、窒化膜又は酸窒化膜であることを特徴とする熱式ガス流量センサの製造方法。
請求項８記載の熱式ガス流量センサの製造方法において、上記基板の上記電気絶縁膜が形成された面と反対側の面にダイヤフラムを形成する工程を備えることを特徴とする熱式ガス流量センサの製造方法。