JP2010286393A - 流量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大流量域ではセンサ素子と支持体組込み部との隙間に被計測流体が流れ込み、流量検出精度の低下を招くので、底流防止剤を利用して被計測流体の流れ込みを防止していたが、底流防止剤の塗布量にばらつきがあると、底流防止剤が、センサ素子表面にはみ出し、センサ素子表面の被計測流体の流れに乱れが生じ、流量検出装置の出力にばらつきが生じる恐れがあった。
【解決手段】半導体の平板状基材に発熱体と吸気温検出体とが形成されたセンサ素子、このセンサ素子が配置される組込み部を有し被計測流体が流通する管路に設置される支持体を備え、支持体の組込み部に配置されたセンサ素子と支持体間で形成された間隙（隙間）に、被計測流体（底流）が流入するのを防止する充填剤（底流防止剤）を充填すると共に、充填剤が間隙（隙間）からはみ出すのを防止する溜まり部を設けたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いられ、発熱体または発熱体により加熱された部分からの熱伝達現象に基づいて被計測流体の流速または流量を計測するための流量検出装置に関するものである。

従来から温度依存性の抵抗体を利用した流量検出装置が知られている。このような流量検出装置では、発熱体と吸気温検出体を備え、吸気温検出体で検出された温度よりも発熱体の温度が一定温度高くなるように制御されたセンサ素子が用いられており、発熱体が流体に放熱した熱量に相当する電圧を出力としている。
例えば特許文献１に記載されているように、半導体の平板状基材裏面にこの平板状基材を部分的に除去して形成された空洞部と、この空洞部の上部に検出素子が形成された薄膜部とを有するセンサ素子を備え、センサ素子の片側のみを支持体組込み部に接着する浮動的支持構造（片持ち支持構造）を持つ流量検出装置が公知である。

特開平９−２６３４３号公報

特許文献１のような浮動的支持構造を持つ流量検出装置では、小流量域では被計測流体はセンサ素子の表面のみを流れるが、大流量域ではセンサ素子と支持体組込み部との隙間に被計測流体が流れ込み（以下、これを「底流」と称す）、流量検出精度の低下を招くという問題がある。このような問題を解決するために、特許文献１では、支持体組込み部内にセンサ素子の周りに沿って溝状のスロットを設けて、大流量域で生じる底流がセンサ素子へ直接当たらない構造としている。

しかし、スロットに導かれた底流が、センサ素子と支持体組込み部との隙間に回り込む場合があるため、底流を十分に防止できなかった。浮動的支持構造を持つ流量検出装置の底流を防止する方法として、接着剤の一種である底流防止剤を利用する方法が考えられる。
例えば、図１７（ａ）に示すように支持体組込み部２の側面に底流防止剤３を塗布した後、図１７（ｂ）に示すようにセンサ素子１を支持体組込み部２に組込むことによって、センサ素子１と支持体組込み部２との隙間に底流防止剤３を充填し、底流の発生を防止しようとするものである。

しかしながら、上述したような底流防止剤３を利用した流量検出装置では、支持体組込み部２の側面に塗布される底流防止剤３の塗布量にばらつきがあると、センサ素子１を支持体組込み部２へ組込む際、底流防止剤３が、図１７（ｃ）に示すように矢印１８の方向に流れ、センサ素子１表面及びセンサ素子１裏面の空洞部４にはみ出す可能性がある。
底流防止剤３がセンサ素子１表面にはみ出すと、センサ素子１表面の被計測流体の流れ１５に乱れが生じ、流量検出装置の出力にばらつきが生じる。また、底流防止剤３がセンサ素子１裏面の空洞部４にはみ出すと、はみ出した底流防止剤３が薄膜部２３に付着し、薄膜部２３を損傷させる危険性がある。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、生産性が高く、流量検出精度および感度の良い流量検出装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる流量検出装置は、平板状の半導体基板の裏面を部分的に除去した空洞部を有しこの空洞部の上部に被計測流体の流量を検出する感熱抵抗が形成された薄膜部を有するセンサ素子と、上記センサ素子が配置される組込み部を有し上記被計測流体が流通する管路に設置される支持体とを備え、上記センサ素子と上記組込み部との間に形成された間隙に、上記被計測流体が上記空洞部に流入するのを防ぐ底流防止剤が充填されると共に、上記底流防止剤を滞留させる溜まり部を設けたものである。

この発明の流量検出装置によれば、センサ素子と支持体組込み部との隙間（間隙）に、底流防止剤の溜まり部を設けたので、余分な底流防止剤を溜まり部に逃すことができ、センサ素子表面へのはみ出しを防止することができる。したがって、センサ素子表面での被計測流体の流れに乱れが生じず出力のばらつきを小さくでき、流量検出精度が向上する。
同時に余分な底流防止剤の空洞部へのはみ出しも防止でき、薄膜部を損傷させることがなく生産性を向上できる。

この発明の実施の形態１におけるセンサ素子を備えた支持体の平面図である。 図１のII―II線における断面を模式的に示した断面図である。 図１のIII―III線における断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態１におけるセンサ素子単体を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はIV―IV線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態１におけるチップ分割前のセンサ素子を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はV―V線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態１におけるチップの分割前から分割後に到るセンサ素子の加工状態を模式的に示した断面図で、（ａ）は平板状基材の断面図、（ｂ）は空洞部４及び切欠き７の加工状態を示す断面図、（ｃ）はチップ分割加工状態の断面図、（ｄ）はチップ分割後の断面図である。 この発明の実施の形態１において、碁盤状に分割し並列状態のセンサ素子を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はVI―VI線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態１におけるセンサ素子組込み前後の支持体の断面を模式的に示した図で、（a）はセンサ素子組込み前の断面図、（b）はセンサ素子組込み後の断面図、（c）はその要部の拡大断面図である。 この発明の実施の形態２におけるセンサ素子単体を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はVIII―VIII線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態２におけるチップの分割前から分割後に到るセンサ素子の加工状態を模式的に示した断面図で、（ａ）は平板状基材の断面図、（ｂ）は空洞部４及び切欠き７の加工状態を示す断面図、（ｃ）はチップ分割加工状態の断面図、（ｄ）はチップ分割後の断面図、（ｅ）は（ｂ）の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態３におけるセンサ素子を備えた支持体の平面図である。 この発明の実施の形態３におけるセンサ素子単体を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はXII―XII線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態４におけるセンサ素子単体を下方から見た図で、（ａ）は裏面図、（ｂ）はXIII―XIII線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態４において、ダイシングソーによる切り欠き７ａの作製状況を示す説明図である。 この発明の実施の形態５におけるセンサ素子を備えた支持体の平面図である。 図１５のXVI―XVI線におけるセンサ素子の断面を模式的に示した断面図である。 センサ素子組込み時における支持体の不具合を説明するために、支持体の断面を模式的に示した図で、（a）はセンサ素子組込み前の断面図、（b）はセンサ素子組込み後の断面図、（c）はその要部の拡大断面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
この実施の形態１にかかる流量検出装置は、半導体の平板状基材の裏面に、平板状基材を部分的に除去して空洞部が形成され、空洞部の上部に検出素子が形成された薄膜部を有するセンサ素子と、センサ素子が配置組込まれる組込み部を有し、被計測流体が流通する管路に設置される支持体を備えた流量検出装置であって、センサ素子は支持体組込み部にダイボンド剤で接着され、センサ素子と支持体組込み部との隙間（間隙）は、被計測流体が流れ込む、いわゆる底流の流れ込みを防ぐ底流防止剤で充填され、さらにこの隙間には底流防止剤のはみ出しを防止する溜まり部を設けたものである。

以下、図１〜図７に基づいて実施の形態１におけるセンサ素子１の構造と製造プロセスについて説明する。
図４において、センサ素子１は、半導体の平板状基材６の裏面に、この平板状基材６を部分的に除去して空洞部４が形成され、空洞部４の上部に検出素子（被計測流体の流量を検出する感熱抵抗）が形成された薄膜部２３を有している。また、平板状基材６の裏面の長手両端縁部には、後述する機能を持つ切欠き７ａ、７ｂを有し、実施の形態１における切欠き７ａ、７ｂ７は、センサ素子１の両端まで達するものである。

次に、センサ素子１の製造プロセスを説明する。
図１、図６において、シリコンの平板状基材（基板）６の表面に、窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜がスパッタまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法で成膜され、その上に白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体５が蒸着やスパッタ等の方法で着膜される。
発熱体５には写真製版、ウェットあるいはドライエッチング等の方法を用いて電流路であるパターンが形成される。また、白金等の感熱抵抗膜よりなる吸気温検出体８も同様の方法で形成される。さらに、発熱体５の上には窒化シリコン等よりなる絶縁性の保護膜（図示せず）がスパッタまたはＣＶＤ等の方法で成膜される。

発熱体５は、リード部９ａを経て外部との電気的接続を行うための電極１０ａとつながっている。また、吸気温検出体８はリード部９ｂを経て電極１０ｂとつながっている。電極１０ａ、１０ｂはワイヤボンディング等の方法で外部との電気的接続をはかるため、保護膜が除去される。
さらに、平板状基材６の支持膜が形成されている面とは反対に形成された裏面保護膜にエッチングホールを形成後、ウェットエッチングを行い図５及び図６（ｂ）に示すように空洞部４及び切欠き７を同時に形成する。
このとき、空洞部４は発熱体５の下部に形成し，また、切欠き７は、図６（ｂ）に示すように、その頂点位置２９がセンサ素子の境界２８と重なるように形成する。
このようにしてシリコンの平板状基材（基板）６に複数のセンサ素子を形成する。
その後、図６（ｃ）に示す領域（以下「ダイシング領域」という）２１をダイシングソーで切断することにより、図６（ｄ）に示すようなセンサ素子１が得られる。さらに、図５、図６（ｄ）のセンサ素子をダイシングソーで碁盤状に分割することにより図７に示すチップ（方形）状のセンサ素子１が得られる。なお、平板状基材６の長手両端縁部に形成された切欠き７は、図６（ｄ）に示すように、それぞれ上流側切欠き７ａと下流側切欠き７ｂを形成し、上流側となる切欠き７ａは、後述するように溜まり部１４の一部として機能する。

次に、図２、図３、図８に基づいて、実施の形態１における支持体組込み部２の構造と、センサ素子１の支持体組込み部２への組込み過程について説明する。
支持体組込み部２は、センサ素子１が完全に収容される形状である。また、支持体組込み部２の上流側底面には後述する溜まり部の一部を形成する例えば長溝１３が設けられる（図２参照）。
センサ素子１は、支持体組込み部２にダイボンド剤１１で接着される（図３参照）。
ダイボンド剤１１は、支持体組込み部２の底面にあらかじめ塗布しておき、その塗布領域は、センサ素子１の電極１０ａ，１０ｂの裏側と接触する領域（支持体組込み部２の底面で電極１０ａ、１０ｂが真下に位置するセンサ素子１の領域）である。

また、図８（ａ）に示すように支持体組込み部２の上流側側面にも充填剤すなわち底流防止剤３をあらかじめ塗布しておき、その後、図８（ｂ）に示すようにセンサ素子１を支持体組込み部２に組込む。
センサ素子１を支持体組込み部２へ組込んだ時、底流防止剤３は、図８（ｃ）に示すようにセンサ素子１と支持体組込み部２の隙間（間隙）Ｇを移動し支持体１２表面と同じ高さまで充填された状態となる。このとき、ダイボンド剤１１には熱硬化型の接着剤を、底流防止剤３には常温硬化型の接着剤を用いる。

熱硬化型の接着剤は、硬化度合を管理しやすく、ダイボンド剤１１に用いることでセンサ素子１と支持体１２の接着が不完全なまま次の工程に進むことを防止できる。
常温硬化型の接着剤は、熱硬化型に比べ硬化時に広がりにくく、底流防止剤３に用いることで硬化時のセンサ素子１の表面や空洞部４へのはみ出しを防止できる。

この実施の形態１によれば、センサ素子１を支持体組込み部２に組込む際、図８（ｃ）に示すように余分な底流防止剤３は、センサ素子１裏面の上流側切欠き７ａ及び長溝１３により構成される溜まり部１４に逃げるため、センサ素子１表面にはみ出さない。これにより、センサ素子１表面での被計測流体の流れ１５に乱れが生じず、出力のばらつきを小さくできる。同時に、余分な底流防止剤３は空洞部４にもはみ出さないため、薄膜部２３を損傷させることがない。

底流防止剤３が支持体１２表面と同じ高さまで充填されていない場合、底流防止剤３上へダストが堆積する。底流防止剤３上のダストの堆積量が変化すると、センサ素子１表面の被計測流体の流れ１５が変化し、流量検出装置の出力にばらつきが生じるため、流量検出精度が低下する。

この実施の形態１では、底流防止剤３は、支持体１２表面と同じ高さまで充填されている。センサ素子１の裏面のダイボンド剤１１及び底流防止剤３の厚みにより、センサ素子１表面と支持体１２表面とに若干の段差ができることが考えられるが、そのような場合、少なくとも支持体１２表面の高さまで底流防止剤３を充填することで、流量検出精度の低下を防止できる。

以上の説明では、溜まり部１４が上流側切欠き７ａと長溝１３の両方から構成される例を示したが、溜まり部１４が上流側切欠き７ａ、または長溝１３のいずれかで構成される場合においても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
次に図９及び図１０に基づいて実施の形態２を説明する。
この実施の形態２におけるセンサ素子１の製造プロセスは、実施の形態１と同様である。複数のセンサ素子からなる平板状基材（基板）６を分割するとき、実施の形態１と同様にセンサ素子１裏面の長手両端縁部に、切欠き７（７ａ、７ｂ）が同時に形成されるが、図１０に示すように、一方の切欠きすなわち下流側切欠き７ｂを他方の切欠きすなわち上流側切欠き７ａに対し小さく作製する方法が採用されている。

以下、その製造プロセスを説明する。
図１０（ａ）に示した平板状基材６に空洞部４及び切欠き７を形成するまでのセンサ素子１の製造プロセスは、実施の形態１と同様である。すなわち図１０（ｂ）に示すように、空洞部４は実施の形態１と同様、発熱体下部に形成する。なお、２８はセンサ素子を分割する際の境界を示すものである。
このとき、切欠き７は、図１０（ｅ）に示すようにその頂点位置２９をセンサ素子の境界２８から矢印２４の方向にオフセットさせた位置にエッチングにより形成する。
その後、図１０（ｃ）に示すように、センサ素子の境界２８を中心とするダイシング領域２１を、ダイシングソーで切断することにより図１０（ｄ）のように下流側切欠き７ｂを上流側切欠き７ａより小さく作製する。

下流側切欠き７ｂを上流側切欠き７ａより小さくするのは、次の理由による。
センサ素子１と支持体組込み部２との上流側の隙間を底流防止剤３で充填することにより、底流を防止することができる。しかし、下流側の隙間を大きくすると下流側の隙間より底流が回り込みやすくなり、流量検出精度の低下を招く危険性がある。また、切欠き７を作製することでセンサ素子１の強度が低下するため、下流側の不要な切欠き７ｂは作製しないことが望ましい。この実施の形態２によれば、下流側切欠き７ｂを上流側切欠き７ａより小さく作製するため、流量検出精度の低下を防止し、センサ素子１の強度の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
図１１及び図１２に基づいて実施の形態３を説明する。
実施の形態３では、図１１、図１２に示すように、実施の形態２におけるセンサ素子１の上流側及び下流側切欠き７ａ、７ｂを、流量検出に寄与する領域にのみ設けたものである。ここで、流量検出に寄与する領域とは、発熱体５及び吸気温検出体８の存在する、被計測流体に晒される領域２７のことである。

底流防止剤３は、支持体組込み部２の上流側側面の、上流側切欠き７ａに対応する領域に塗布した後、センサ素子１を支持体組込み部２へ組込む。領域２６は被計測流体に晒されないため、底流は発生せず、底流防止剤３を塗布する必要はない。

実施の形態１及び２では、平板状基材６に空洞部４及び切欠き７を作製後、チップに分割する前の段階で上下に隣り合ったセンサ素子１の切欠き７がつながっているため、上記切欠き７に沿って平板状基材６（シリコンウェーハ）が割れる危険性があった。

この実施の形態３によれば、センサ素子１の被計測流体に晒されない部分の裏面端部には切欠き７は形成されず、しかも上下に隣り合ったセンサ素子１の切欠き７は、連続していないため平板状基材６がチップ分割前に切欠き７に沿って破損することを防止することができる。余分な底流防止剤３のセンサ素子１表面及び空洞部４へのはみ出しが防止できるのは、実施の形態１、２と同様である。

実施の形態４．
図１３及び図１４に基づいて実施の形態２を説明する。
この実施の形態４は、実施の形態２におけるセンサ素子１裏面端部の上流側切欠き７ａを、チップ分割直前に図１４に示すように平板状基材６裏面からダイシングソー１９で削ることにより作製したものである。なお、この実施の形態４では下流側切欠き７ｂは作製しない。

この実施の形態４では、切欠き７ａの作製とチップ分割が同じ装置を用いて連続して行われることにより、生産効率が上がる。また、ダイシングソー１９を用いる工程より前の工程では、平板状基材６に切欠き７ａが形成されていないため、実施の形態３と同様、平板状基材６（シリコンウェーハ）が切欠き７ａに沿って破損することを防止することができる。余分な底流防止剤３のセンサ素子１表面及び空洞部４へのはみ出しが防止できるのは、実施の形態１から３と同様である。

実施の形態５．
図１５及び図１６に基づいて実施の形態２を説明する。
この実施の形態５では、隙間（間隙）Ｇを拡幅して支持体組込み部２の上流側側面に凹部（拡幅部）１６を設け、底流防止剤３の溜まり部１４としたものである。さらにこの凹部（拡幅部）１６は、図１６に示すように、上流側切欠き７ａ及び長溝１３と共に溜まり部１４を構成する。

この実施の形態５によれば、底流防止剤３の溜まり部１４の容積が大きくなるため、余分な底流防止剤３のセンサ素子１表面及び空洞部４へのはみ出しを実施の形態１よりも更に抑制することができる。

図１５及び図１６では、実施の形態１に支持体組込み部２の凹部（拡幅部）１６を加えた例を示したが、溜まり部１４は、切欠き７、長溝１３、及び凹部１６のうち、いずれか２種以上の組み合わせで構成することができ、さらに、それらの実施の形態に凹部（拡幅部）１６を加えた場合にも同様の効果が得られる。請求項５

１ センサ素子 ２ 支持体組込み部
３ 底流防止剤 ４ 空洞部
５ 発熱体 ６ 平板状基材（基板）
７ 切欠き
７ａ 上流側切欠き ７ｂ 下流側切欠き
８ 吸気温検出体
９ａ、９ｂ リード部
１０ａ、１０ｂ 電極
１１ ダイボンド剤 １２ 支持体
１３ 長溝 １４ 溜まり部
１５ 被計測流体の流れ １６ 凹部（拡幅部）
１７ ワイヤ １８ 底流防止剤の流れ
１９ ダイシングソー ２１ ダイシング領域
２３ 薄膜部 ２４ オフセット方向
２６ 被計測流体に晒されない領域
２７ 被計測流体に晒される領域
２８ センサ素子の境界
２９ 切欠き７の頂点位置。

Claims (13)

1. 平板状の半導体基板の裏面を部分的に除去した空洞部を有しこの空洞部の上部に被計測流体の流量を検出する感熱抵抗が形成された薄膜部を有するセンサ素子と、上記センサ素子が配置される組込み部を有し上記被計測流体が流通する管路に設置される支持体とを備え、上記センサ素子と上記組込み部との間に形成された間隙に、上記被計測流体が上記空洞部に流入するのを防ぐ底流防止剤が充填されると共に、上記底流防止剤を滞留させる溜まり部を設けたことを特徴とする流量検出装置。
2. 上記溜まり部は、上記センサ素子裏面の端部に形成された切欠きであることを特徴とする請求項１記載の流量検出装置。
3. 上記溜まり部は、上記組込み部の底面に設けた溝であることを特徴とする請求項１記載の流量検出装置。
4. 上記溜まり部は、上記組込み部の側面に上記間隙を拡幅して設けた凹部であることを特徴とする請求項１記載の流量検出装置。
5. 上記溜まり部は、上記センサ素子裏面の端部に形成された切欠き、上記組込み部の底面に設けた溝、上記組込み部の側面に上記間隙を拡幅して設けた凹部のうち二種類以上の組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１記載の流量検出装置。
6. 上記溜まり部は、上記管路の上流側の間隙にのみ設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流量検出装置。
7. 上記溜まり部は、上記被計測流体の流量検出に寄与する感熱抵抗の位置に対応した部分にのみ設けたことを特徴とする請求項１から６にいずれか一項に記載の流量検出装置。
8. 上記空洞部と上記切欠きとは、上記半導体基板を同時にエッチングすることで形成されることを特徴とする請求項２記載の流量検出装置。
9. 上記センサ素子は、複数のセンサ素子からなる基板をダイシングソーで切断することにより得られるものであって、上記切欠きは、上記基板を切断する際に上記ダイシングソーで形成されることを特徴とする請求項２に記載の流量検出装置。
10. 上記切欠きは、上記管路の上流側及び下流側に設け、上流側に設けた切欠きより下流側に設けた切欠きの方が小さいことを特徴とする請求項２に記載の流量検出装置。
11. 上記センサ素子は、エッチングによって上記管路の上流側及び下流側に上記切欠きが形成された複数のセンサ素子からなる基板を上記切欠きの位置で切断することにより得られるものであって、下流側に設けた上記切欠きが上流側に設けた上記切欠きより小さくなるように、上記複数のセンサ素子の切断位置に対してエッチングする領域をオフセットさせてエッチングしたことを特徴とする請求項１０記載の流量検出装置。
12. 上記底流防止剤は常温硬化型接着剤であることを特徴とする請求項１から１１にいずれか一項に記載の流量検出装置。
13. 上記底流防止剤は上記支持体の表面と同じ高さまで充填されていることを特徴とする請求項１から１２にいずれか一項に記載の流量検出装置。
    

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