JP2008026279A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】ダストが衝突しても、容易に破壊しないダイヤフラムを有し、ダスト衝突による特性劣化を防止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、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。平板基板３２の裏面にはダイヤフラム２を形成する。基板３２とダイヤフラム２の境界面において絶縁膜３０ｃと同じ材質の補強絶縁部３９が厚く堆積している。この補強絶縁部３９は、ダストの衝突に対するダイヤフラム２の機械的強度を向上し、特性劣化を防止することができる。
【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。

そして、特許文献２に記載されているように、発熱抵抗体等は、基板に形成されたダイヤフラム上に配置されている。

特許第２８８０６５１号公報 特許第３６９８６７９号公報

ところで、熱式ガス流量センサでは、測定対象となるガスにダストが含まれる場合、このダストがダイヤフラムに衝突し、ダイアフラムを破壊することにより、空気流量センサの特性を劣化させる場合がある。

本発明の目的は、ダストが衝突しても、容易に破壊しないダイヤフラムを有し、ダスト衝突による特性劣化を防止可能な熱式ガス流量センサ、この熱式ガス流量センサの製造方法及びそれを用いた内燃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、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラムの端部に補強絶縁部が形成されている。

本発明の内燃機関の制御装置は、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、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラムの端部に補強絶縁部が形成されている。

また、本発明の熱式ガス流量センサの製造方法は、基板に形成されたダイヤフラム上に、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、上記基板に絶縁膜を形成し、形成されるダイヤフラムの端部に対応する位置の上記絶縁膜を除去し、開口部分を形成し、上記開口部が形成された部分を高温熱酸化し、上記絶縁膜と同一材質の補強絶縁部を形成し、上記絶縁膜上に、発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を形成し、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体上に保護膜を形成し、上記基板の上記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。

好ましくは、上記熱式ガス流量センサにおいて、上記基板は、面方位（１００）シリコンウエハで形成され、上記ダイアフラムは薄膜領域とバルクシリコン領域との境界で、かつダイアフラム端部の領域に上記補強絶縁部が形成されている。

本発明によれば、ダストが衝突しても、容易に破壊しないダイヤフラムを有し、ダスト衝突による特性劣化を防止可能な熱式ガス流量センサ、この熱式ガス流量センサの製造方法及びそれを用いた内燃機関の制御装置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、３０ｂ、３１ａ、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、図３に示すように、基板３２と空洞領域３５の境界面において絶縁膜３０ｃと同じ材質の補強絶縁部３９が厚く堆積している。この補強絶縁部３９は、ダストの衝突に対するダイヤフラム２の機械的強度を向上し、特性劣化を防止することができる。

ダイヤフラム２は４辺形の形状となっており、測定流体である空気を流す方向にほぼ直交する２辺に補強絶縁部３９が形成されている。補強絶縁部３９は、空気を流す方向にほぼ直交する２辺の全てに形成されるのが好ましいが、これら２辺のうちの部分的に形成されていても、ダイヤフラム２の機械的強度を向上することができる。

また、ダイヤフラム２の４辺全てに補強絶縁部３９を形成すれば、さらに、ダイヤフラムの強度を向上することができる。

次に、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について、図４〜図７を参照して説明する。

図４において、半導体基板３２に、絶縁膜３０ｃ、絶縁膜（窒化膜等）３１ｂを形成する。その後、図５に示すように、レジスト３８などでダイアフラム２の端部（空気を流す方向にほぼ直交する２辺）に対応する部分に開口部を作成してパターンを形成する。そして、ドライエッチにて絶縁膜３０ｃ、絶縁膜３１ｂを除去する。

次に、図６に示すように、レジスト３８を除去し、この状態で高温熱酸化を行うと開口部のみ選択的に酸化される（ＬＯＣＯＳ酸化）。そして、図７に示すように、選択的に酸化された箇所が絶縁膜３０ｃと同一材質の補強絶縁部３９となる。

次に、絶縁膜３１ｂの上に絶縁膜３０ｂを形成し、発熱抵抗体３および温度検出素子４、１４を形成した後、保護膜３１ａ、保護膜３０ａを形成する。そして、アルカリエッチやＴＭＡＨ溶液等で、シリコン基板３２をエッチングすると空洞部３５が形成され、ダイヤフラム２が形成される（図３）。

これにより、面方位（１００）シリコンウエハで形成されたダイアフラム構造を有する構造体（基板３２）で、ダイアフラム構造は薄膜領域（ダイアフラム領域）とバルクシリコン領域の境界でかつダイアフラム端部の領域のみ補強絶縁部３９となる絶縁膜が厚く堆積している熱式空気流量センサを製造することができる。

次に、本発明の効果を、図８、図９を参照して説明する。
図８は、本発明が適用されておらず、ダイヤフラムの端部に補強絶縁部３９が形成されていない場合の例を示す図である。この図８に示した例では、ダイヤフラム２にダスト４０が衝突した場合、ダイヤフラム２の端部に応力が集中し、破壊が発生する。

これに対して、本発明が適用された場合は、図９に示すように、ダイヤフラム２にダスト４０が衝突すると、ダイヤフラム２の端部に応力が集中するが、補強絶縁部３９により破壊に至らない。

以上のように、本発明の一実施形態によれば、ダストが衝突しても、容易に破壊しないダイヤフラムを有し、ダスト衝突による特性劣化を防止可能な熱式空気流量センサ及びその製造方法を実現することができる。

図１０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１０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、ダスト衝突による特性劣化を防止し、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。

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。 本発明が適用されておらず、ダイヤフラムの端部に強度補強膜が形成されていない場合の例を示す図である。 本発明が適用され、ダイヤフラムの端部に強度補強膜が形成されている場合の例を示す図である。 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、３８・・・レジスト保護膜、３９・・・補強絶縁部

Claims (8)

1. 基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有する熱式ガス流量センサにおいて、
   上記ダイヤフラムの端部に補強絶縁部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。
2. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記基板は、面方位（１００）シリコンウエハで形成され、上記ダイアフラムは薄膜領域とバルクシリコン領域との境界で、かつダイアフラム端部の領域に上記補強絶縁部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。
3. 請求項２記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記基板上に、絶縁膜と、この絶縁膜上に形成される発熱的抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱的抵抗体及び温度検出抵抗体の上に形成される保護膜とを備え、上記補強絶縁部の材質は、上記絶縁膜と同一の材質であることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
4. 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、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラムの端部に補強絶縁部が形成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項４記載の内燃機関の制御装置において、上記基板は、面方位（１００）シリコンウエハで形成され、上記ダイアフラムは薄膜領域とバルクシリコン領域との境界で、かつダイアフラム端部の領域に上記補強絶縁部が形成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項５記載の内燃機関の制御装置において、上記基板上に、絶縁膜と、この絶縁膜上に形成される発熱的抵抗体及び温度検出抵抗体と、これら発熱的抵抗体及び温度検出抵抗体の上に形成される保護膜とを備え、上記補強絶縁部の材質は、上記絶縁膜と同一の材質であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 基板に形成されたダイヤフラム上に、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、
   上記基板に絶縁膜を形成し、
   形成されるダイヤフラムの端部に対応する位置の上記絶縁膜を除去し、開口部分を形成し、
   上記開口部が形成された部分を高温熱酸化し、上記絶縁膜と同一材質の補強絶縁部を形成し、
   上記絶縁膜上に、発熱抵抗体及び温度検出抵抗体を形成し、これら発熱抵抗体及び温度検出抵抗体上に保護膜を形成し、
   上記基板の上記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ことを特徴とする熱式ガス流量センサの製造方法。
8. 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、上記基板は、面方位（１００）シリコンウエハで形成され、上記ダイアフラムは薄膜領域とバルクシリコン領域との境界で、かつダイアフラム端部の領域に上記補強絶縁部が形成されることを特徴とする熱式ガス流量センサの製造方法。

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