JP2011099757A - 熱式流体流量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一基板上に形成された空気流量検出部と湿度検出部を有し、湿度補正が可能であり計測精度の高い熱式流体流量センサを低コストで提供する。
【解決手段】半導体基板上に形成されたダイヤフラム１６内に、空気流量を検出する発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５と、湿度検出用発熱抵抗体９を配置し、この湿度検出用発熱抵抗体９上に空洞層１４と、空洞層１４上の保護膜とが形成され、保護膜に、空洞層１４に達する複数の孔１３を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流体流量センサおよびその製造技術に関し、特に、内燃機関の吸入空気を測定する熱式流体流量計および熱式空気流量計に好適な熱式流体流量センサおよびその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。

現在、自動車等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を測定する空気流量計に用いられる熱式流体流量センサとしては、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

この中で、特に半導体マイクロマシンニング技術により製造された熱式空気流量（エアフロー）センサは、製造コストを低減でき、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いる。このようなエアフローセンサとして、例えば特開昭６０−１４２２６８号公報（特許文献１）では、Ｓｉ基板を一部異方性エッチングすることにより形成した空洞上に発熱抵抗体と空気流量を測定する測温抵抗体を配置する技術が開示されている。また、吸入空気量の湿度補正を考慮した熱式空気流量計としては、特開平７−２２９７７６号公報（特許文献２）に開示されているものがあり、前記特許文献２に開示されている技術では、湿度検出のための湿度センサは熱式空気流量計用の測定素子とは別個に設置されている。特開平１０−１９７３０５号公報（特許文献３）に開示されている熱式空気流量センサでは、空気流量計と静電容量の変化から相対湿度を検出する素子を同一基板上に形成されている。また、湿度を測定する方法としては加熱した抵抗体の抵抗値変化により湿度を検出する技術が、特開平７−５５７４８号公報（特許文献４）に開示されている。

特開昭６０−１４２２６８号公報 特開平７−２２９７７６号公報 特開平１０−１９７３０５号公報 特開平７−５５７４８号公報

しかしながら、上述の従来技術においては次のような課題がある。特許文献１で開示されている技術では、吸入空気の湿度変化による発熱抵抗体および測温抵抗体への影響（熱損失）が配慮されておらず、空気流量の検出精度が低下するという問題がある。

また、特許文献２では、空気流量センサと湿度センサの素子とを用意し、それぞれを吸入空気通路に設置して湿度信号に基づき空気流量信号を補正して出力する技術が開示されている。ただし、部品点数の増加、および素子同士の配線を考慮した設計が必要となるため構造が複雑化し、組立て工数が増加することにより製造コストが増大する課題がある。

また、特許文献３で開示されている技術では、同一素子上に空気流量センサと湿度センサを配置し組立て工数による製造コストの増大を抑制しているが、湿度を計測する湿度センサが静電容量の変化で検出しているため、絶対湿度ではなく相対湿度の測定となる。従って、空気温度が変化した場合、相対湿度が同じであっても空気中に存在する水分量が異なるため、空気流量信号への湿度補正に狂いが生じる。また、静電容量式の湿度センサは感度向上のためには広い面積が必要となり、素子サイズ増大により製造コストが増加する課題がある。

また、特許文献４には絶対湿度を熱式で検出する技術が開示されているが、素子を封止キャップで覆う構造となっており、空気流量センサと組み合わせる場合、温度センサは空気流量センサとは別素子となるため、特許文献２と同様に製造コストが増大する問題がある。さらに、特許文献３のように、同一素子上であって且つ空気の流線領域から外れた密閉された位置に湿度検出素子を配置した場合、湿度検出のために加熱した熱が近隣の空気流量センサの配線を暖めることにより空気流量センサの配線の抵抗値が変化し、空気流量センサの精度を損ねてしまう問題がある。

本発明の目的は、低コストで、且つ空気流量センサに影響を与えずに吸入空気中の絶対湿度を検出でき、空気流量の検出精度を高めた熱式流体流量センサを提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本願の一発明による熱式流体流量センサは、基板上に形成され、湿度検出部と空気流量検出部を有し、空気流量を計測する熱式流体流量センサである。

前記湿度検出部は第１発熱抵抗体、前記第１発熱抵抗体の上方の空洞層および前記空洞層上に形成された第１膜とを有し、前記空気流量検出部は第２発熱抵抗体および前記基板の主面に平行な面内において前記第２発熱抵抗体を挟むように前記第２発熱抵抗体の側方に設けられた複数の測温抵抗体を有する。

本願の一発明による熱式流体流量センサは、前記第１膜は、前記第１膜の上面から前記空洞層に達する複数の孔を有するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、熱式抵抗型の湿度検出部を有する空気流量計において、空気の流れによる影響を抑制しつつ絶対湿度を測定し、湿度補正した高精度な熱式流体流量センサを提供することができる。

また、検出した絶対湿度データはエンジンの爆発タイミング制御にも活用でき、燃焼効率を高めることができる。

本発明の実施の形態１である熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。 本発明の実施の形態１である自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計の概略配置図である。 図２の一部を拡大した要部拡大平面図である。 図３のＢ−Ｂ線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１である熱式流体流量センサの一例を示した回路図である。 本発明の実施の形態１である湿度検出用発熱抵抗体の消費電力と湿度検出用発熱抵抗体温度の相関を示した図である。 本発明の実施の形態１である湿度検出用発熱抵抗体の絶対湿度の相関を示した図である。 本発明の実施の形態１である熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図８に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図９に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図１０に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図１１に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図１２に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態２である熱式流体流量センサの一例を示す要部平面図である。 本発明の実施の形態２である熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図１５に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。 図１６に続く熱式流体流量センサの製造方法を示す要部断面図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。また、実施の形態等において構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」というときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことはいうまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、材料等について言及するときは、特にそうでない旨明記したとき、または、原理的または状況的にそうでないときを除き、特定した材料は主要な材料であって、副次的要素、添加物、付加要素等を排除するものではない。たとえば、シリコン部材は特に明示した場合等を除き、純粋なシリコンの場合だけでなく、添加不純物、シリコンを主要な要素とする２元、３元等の合金（たとえばＳｉＧｅ）等を含むものとする。

また、以下の実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。

（実施の形態１）
本実施の形態における熱式流体流量センサは、空気流量を計測する素子と同じ基板上に形成した熱式の湿度センサと、前記素子の内の発熱抵抗体に電流を供給し空気流量信号を検出する駆動回路と、空気流量信号から空気流量を演算する制御回路と、空気流量と絶対湿度の補正データを記憶しているメモリとを備え、前記制御回路は、前記湿度センサを用いて検出した絶対湿度と前記補正データとから、空気流量を補正するものである。なお、本実施の形態の熱式流体流量センサは、自動車等の内燃機関の吸気通路に設置して使用されるものとする。

ここで、本実施の形態１における熱式流体流量センサの要部平面図を図１に示す。

図１に示すように、熱式流体流量センサである測定素子１は、単結晶Ｓｉからなる半導体基板２、半導体基板２上に形成された絶縁膜（図示しない）と、前記絶縁膜上に形成された発熱抵抗体３、発熱抵抗体３の温度を検知するための発熱抵抗体用測温抵抗体４、測温抵抗体５および湿度検出用発熱抵抗体９を有している。発熱抵抗体用測温抵抗体４は発熱抵抗体３の周囲を一部を除いて囲むように形成されている。

測定素子１は四角形の平面形状を有する素子であり、測定する空気が、基本的に測定素子１の主面に沿う方向であって、測定素子１の一辺から対向する辺に対して垂直に流れるように設置される。測定素子１の主面のほぼ全体は保護膜（図示しない）に覆われているが、少なくとも発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５上には開口部１５が設けられており、前記保護膜が形成されていない。また、開口部１５および湿度検出用発熱抵抗体９が形成された領域の下層の半導体基板２は除去され、他の領域に比べて厚さの薄いダイヤフラム１６構造となっている。ここで、ダイヤフラム１６内であって、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５を含む領域は、空気流量を計測する素子であり、以下、空気流量検出部と呼ぶ。

図１において、符号１７の矢印は、空気の流れを示す。空気は場合によって空気の流れ１７の逆方向に流れたり、それ以外の方向へ流れることもあるが、ここでは図１における空気の流れ１７の矢印の方向に流れるものとする。

測温抵抗体５は発熱抵抗体３の側方に形成され、発熱抵抗体３により暖められた空気の空気温度を検知するための上流側測温抵抗体５ａ、５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄにより構成されており、上流側測温抵抗体５ａ、５ｂ、発熱抵抗体３および下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄの順に、発熱抵抗体３を挟んで空気の流れ１７に沿う方向に並んで配置されている。なお、ここでは測定素子１上において、空気の流れ１７の矢印の方向から流れてきた空気が最初に到達する測定素子１の辺に近い領域を上流側と呼び、上流側よりも後に空気が到達する領域を下流側と呼ぶ。

また、測定素子１上には、空気の温度を測定するための空気温度測温抵抗体６、およびヒータ温度制御用抵抗体７、８が形成されている。発熱抵抗体３、測温抵抗体５、発熱抵抗体用測温抵抗体４、湿度検出用発熱抵抗体９、空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体７、８は同一の金属膜を加工して形成されたものであり、半導体基板２の主面に平行な面内の同層内に形成され、上下が絶縁膜で覆われている。

測定素子１の４辺の内、空気の流れ１７に沿う２辺の内の１辺の近傍には、測定素子１の信号を外部回路へ接続するための端子電極１０が形成されている。端子電極１０は複数の端子電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊおよび１０ｋからなり、部材はＡｌである。ここで、端子電極１０は各引き出し配線および各抵抗体よりも上層に形成されている。なお、ここでいう各抵抗体とは、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４、測温抵抗体５、空気温度測温抵抗体６、ヒータ温度制御用抵抗体７、８および湿度検出用発熱抵抗体９のことを指す。

端子電極１０ａ、１０ｂは、引き出し配線１１ａ、１１ｂを通じて発熱抵抗体３と電気的に接続され、端子電極１０ｃは引き出し配線１１ｃを通じて発熱抵抗体用測温抵抗体４および空気温度測温抵抗体６に電気的に接続され、端子電極１０ｄは引き出し配線１１ｄを通じて発熱抵抗体用測温抵抗体４およびヒータ温度制御用抵抗体７に電気的に接続されている。端子電極１０ｅは引き出し配線１１ｅを通じて空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体８に電気的に接続されている。端子電極１０ｆは引き出し配線１１ｆ１、１１ｆ２を通じて上流側測温抵抗体５ａおよび下流側測温抵抗体５ｃに電気的に接続されている。端子電極１０ｇは引き出し配線１１ｇ１、１１ｇ２、１１ｇ３および１１ｇ４を通じて上流側測温抵抗体５ｂ、ヒータ温度制御用抵抗体７、８および下流側測温抵抗体５ｄ電気的に接続されている。端子電極１０ｈは引き出し配線１１ｈ１、１１ｈ２を通じて上流側測温抵抗体５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃに電気的に接続され、端子電極１０ｉは引き出し配線１１ｉ１、１１ｉ２を通じて上流側測温抵抗体５ａおよび下流側測温抵抗体５ｄに電気的に接続されている。端子電極１０ｊ、１０ｋは引き出し配線１１ｊ、１１ｋを通じて湿度検出用発熱抵抗体９に電気的に接続されている。なお、各引き出し配線は、接続孔１２を介してそれぞれ各端子電極と電気的に接続されている。

発熱抵抗体３の配線幅は、例えば１〜１５０μｍ程度であり、発熱抵抗体用測温抵抗体４の配線幅は例えば０．５〜１００μｍ程度であり、測温抵抗体５、空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体７、８のそれぞれの配線幅は例えば０．５〜１０μｍ程度である。湿度検出用発熱抵抗体９の配線幅は例えば０．５〜１００μｍ程度である。ただし、測定素子１の面積を小さくするため、湿度検出用発熱抵抗体９の配線幅は１０μｍ以下とすることが好ましい。また、引き出し配線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ１、１１ｆ２、１１ｇ１、１１ｇ２、１１ｇ３、１１ｇ４、１１ｈ１、１１ｈ２、１１ｉ１、１１ｉ２、１１ｊおよび１１ｋのそれぞれの幅は、例えば３０〜５００μｍ程度である。

なお、湿度検出用発熱抵抗体９およびこれに接続されている引き出し配線１１ｊ、１１ｋおよび端子電極１０ｊ、１０ｋは、測定素子１上において他の抵抗体、引き出し配線または端子電極と電気的に接続されていない。これは、湿度検出用発熱抵抗体９の加熱温度は空気流量検出部の発熱抵抗体３より高温が好ましく、高電流となる可能性があるためであり、グランド（アース）の配線であっても測定素子１上では空気流量検出部の引き出し配線とは接続せず、分けて形成した方がよい。また、湿度検出用発熱抵抗体９と同一金属で形成された引き出し配線１１ｊ、１１ｋは、他の引き出し配線よりも下流側に位置し、引き出し配線１１ｊ、１１ｋと電気的に接続されている端子電極１０ｊ、１０ｋも、他の端子電極よりも下流側に位置している。

なお、湿度検出用発熱抵抗体９の引き出し配線１１ｊまたは１１ｋを他の空気流量検出部の引き出し配線に接続する場合、端子電極１０の一部を空気流量検出部方向へ延ばし、下層の引き出し配線と交差させて湿度検出用発熱抵抗体９の引き出し配線と他の空気流量検出部の引き出し配線とを電気的に接続することになる。また、図示はしていないが、端子電極１０は、硫黄などによる腐食から守るためにシリコン樹脂等で覆われている。このシリコン樹脂は、ヒータ温度制御用抵抗体８等の抵抗体を覆わないようにする必要があるため、測定素子１上ではヒータ温度制御用抵抗体８等の抵抗体と端子電極１０との間に一定以上の距離が必要である。このため、端子電極１０が空気流量検出部方向へ延びて形成された場合、測定素子１の面積が増大することになり、熱式流体流量センサの製造コストの増加につながる。このことからも、湿度検出用発熱抵抗体９の配線は、測定素子１上において他の引き出し配線とは接続せず、分けて形成した方がよい。

また、湿度検出用発熱抵抗体９は、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５が形成された領域を空気の流れ１７の方向に沿う方向に延在した領域には形成されておらず、ダイヤフラム１６内において、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５から離れた位置であって空気の流れ１７の下流側に配置されている。これは、湿度検出用発熱抵抗体９をダイヤフラム１６上の端に配置することで、空気流量を測定する素子と湿度検出用発熱抵抗体９との間での熱影響を極力少なくするためである。ここでは、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５が形成された領域を空気の流れ１７の方向に沿う方向に延在した領域に湿度検出用発熱抵抗体９を形成しないことで、発熱抵抗体３などにより暖められた空気が湿度検出用発熱抵抗体９に当たらないようにしている。また、湿度検出用発熱抵抗体９により暖められた空気が発熱抵抗体３などに当たることも防いでいる。

また、湿度検出用発熱抵抗体９はその長手方向が空気の流れ１７の方向に沿うように形成されており、湿度検出用発熱抵抗体９の上方には空洞層１４が形成され、空洞層１４上に形成された保護膜には、前記保護膜の上面から空洞層１４に達する複数の孔１３が形成されている。なお、孔１３は延在する湿度検出用発熱抵抗体９に沿うように断続的に形成されており、湿度検出用発熱抵抗体９の直上には形成されていない。孔１３の孔径は２μｍ以下であり、孔１３を通して、湿度を測定する外部からの空気と空洞層１４内部の暖められた空気の入れ替えを行なう構造となっている。空洞層１４の保護膜は絶縁膜等の熱伝達係数が低い膜であり、熱を伝えないことで、空気の流れによって湿度検出用発熱抵抗体９が冷却されることを極力抑えることを可能としている。

なお、図１に示す平面形状において、湿度検出用発熱抵抗体９の長手方向に垂直に交わる方向において、空洞層１４の幅は湿度検出用発熱抵抗体９よりも広く形成されている。また、空洞層１４の上部および下部であって、湿度検出用発熱抵抗体９、孔１３および空洞層１４を含む領域を湿度検出部とする。空気流量検出部と湿度検出部は同一ダイヤフラム１６内において、別々に形成された領域である。

この測定素子１は、空気の流れ１７の空気温度を空気温度測温抵抗体６で測定し、発熱抵抗体３で加熱した発熱抵抗体用測温抵抗体４の抵抗増加と比較して温度差（ΔＴｈ）を計算し、発熱抵抗体３で暖められた空気の流れ１７により上流側測温抵抗体５ａ、５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄの抵抗値がそれぞれ変化する構造となっている。

なお、本実施の形態１では各抵抗体の抵抗値を設計値に合わせるため、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４、測温抵抗体５、空気温度測温抵抗体６、ヒータ温度制御用抵抗体７、８および湿度検出用発熱抵抗体９の各抵抗体を折り返し蛇行配線構造としている。

図２は自動車等の内燃機関の吸気通路に取り付けられた、本発実施の形態の熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計２８の概略配置図である。熱式空気流量計２８は、熱式流体流量センサである測定素子１と、上部および下部からなる支持体２９と、外部回路３０とから構成され、測定素子１は、空気通路３１の内部にある副通路３２内に配置される。外部回路３０は支持体２９を介して測定素子１の端子に電気的に接続される。吸気空気は内燃機関の条件によって、図２の矢印で示された空気の流れ１７の方向、または空気の流れ１７と逆の方向に流れる。空気の流れ１７の方向は、空気通路３１および副通路３２の延在方向と同じ方向であると言える。なお、図２では、筒状の形状を有する空気通路３１および副通路３２のみ断面図を示し、測定素子１、外部回路３０および支持体２９を含む熱式空気流量計２８は平面図を示している。

図３は、図２に示す測定素子１および支持体２９の一部を拡大した要部平面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ線における要部断面図である。なお、図３においては構造をわかりやすくするため、図４に示す上部の支持体２９ｂおよびシリコン樹脂３５は図示していない。図３において、上部の支持体２９ｂの端部を破線で示す。

図３および図４に示すように、測定素子１は、下部の支持体２９ａ上に固定されており、測定素子１の端子電極１０と外部回路３０の端子電極３３との間は、例えば金線３４等を用いたワイヤボンディング法により電気的に接続されている。

また、端子電極１０、外部回路３０の端子電極３３および金線３４は、エンジンからの流入する硫黄成分を含んだ空気による腐食から防ぐため、シリコン樹脂３５で覆われている。なお、測定素子１の一部を覆うシリコン樹脂３５は、図１におけるダイヤフラム１６および空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体７、８上を覆わず、且つ端子電極１０が露出しないように形成されている。また、図３および図４に示すように、端子電極１０、３３および金線３４は、上部の支持体２９ｂで覆うことにより保護されている。端子電極１０、３３および金線３４は、上部の支持体２９ｂにより密封保護されていてもよいし、密封されていなくてもよい。

次に、図５を用いて、前述した熱式空気流量計２８の動作について説明する。図５は、本実施の形態１による測定素子１と外部回路３０とを示した回路図であり、符号３６は電源、３７は発熱抵抗体３に加熱電流を流すためのトランジスタ、３８はＡ／Ｄ変換器等を含む出力回路と演算処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御回路、３９はメモリを示す。

電源３６、トランジスタ３７および制御回路３８内の入力回路および出力回路は、発熱抵抗体３に電流を供給する駆動回路である。メモリ３９は空気流量と絶対湿度の補正データを記憶しているメモリである。制御回路３８は、空気流量信号から空気流量を演算し、湿度検出用発熱抵抗体９を用いて検出した絶対湿度と前記補正データとから、前記空気流量を補正するものである。

なお、本回路は二つのブリッジ回路を有する。ひとつは発熱抵抗体用測温抵抗体４、空気温度測温抵抗体６、ヒータ温度制御用抵抗体７、８からなるヒータ制御ブリッジ回路であり、もうひとつは４つの測温抵抗体である上流側測温抵抗体５ａ、５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄによる温度センサブリッジ回路である。

図１に示した測定素子１において、端子電極１０ｃが空気温度測温抵抗体６および発熱抵抗体用測温抵抗体４の双方に電気的に接続されており、端子電極１０ｃに図５中の所定電位Ｖｒｅｆ１を供給する。また、図１における端子電極１０ｆが上流側測温抵抗体５ａおよび下流側測温抵抗体５ｃの双方に電気的に接続されており、端子電極１０ｆに図５中の所定電位Ｖｒｅｆ２を供給する。さらに、図１において端子電極１０ｇが引き出し配線１１ｇを介して２つのヒータ温度制御用抵抗体７、８、上流側測温抵抗体５ｂ、下流側測温抵抗体５ｄのそれぞれに電気的に接続されており、端子電極１０ｇは図５に示すようにグランド電位とする。

また、図１において引き出し配線１１ｄを介して発熱抵抗体用測温抵抗体４およびヒータ温度制御用抵抗体７の双方に電気的に接続された端子電極１０ｄは、図５中のノードＡに対応する。また、図１において引き出し配線１１ｅを介して空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体８の双方に電気的に接続された端子電極１０ｅは、図５中のノードＢに対応する。また、図１において引き出し配線１１ｉ１、１１ｉ２を介して上流側測温抵抗体５ａおよび下流側測温抵抗体５ｄの双方に接続された端子電極１０ｉは、図５中のノードＣに対応する。また、図１において引き出し配線１１ｈ１、１１ｈ２を介して上流側測温抵抗体５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃの双方に接続された端子電極１０ｈは、図５中のノードＤに対応する。

なお、本実施の形態ではヒータ制御ブリッジ回路と温度センサブリッジ回路のグランド電位を、図１における共通の端子電極１０ｇで供給しているが、端子電極を増やし、それぞれの端子電極をグランド電位としてもよい。

また、図５において、ヒータ制御ブリッジ回路は、発熱抵抗体３により熱せられた気体が吸気温度よりある一定温度（ΔＴｈ、例えば１００℃）高い場合にノードＡ（端子電極１０ｄ）とノードＢ（端子電極１０ｅ）の間の電位差が０Ｖになるように発熱抵抗体用測温抵抗体４、空気温度測温抵抗体６およびヒータ温度制御用抵抗体７、８の各抵抗値が設定されている。上記一定温度（ΔＴｈ）が設定よりずれた場合は、ノードＡとノードＢの間に電位差が生じ、制御回路３８によりトランジスタ３７を制御し発熱抵抗体３に流れる電流を変化させてブリッジ回路を平衡状態（ノードＡおよびノードＢ間の電位差：０Ｖ）に保つように設計されている。

一方、温度センサブリッジ回路は、発熱抵抗体３からそれぞれの上流側測温抵抗体５ａ、５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄまでの距離が同一の距離になるよう設計しているため、発熱抵抗体３による加熱にかかわらず無風の場合、ノードＣ（端子電極１０ｉ）とノードＤ（端子電極１０ｈ）の間の電位差が平衡状態となり０Ｖとなる。発熱抵抗体３に電圧を印加し、吸気が図１における空気の流れ１７の方向に流れると発熱抵抗体３で暖められた上流側測温抵抗体５ａ、５ｂは温度が低下し、下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄの温度が高くなり、測温抵抗体５の抵抗値が上流側と下流側で異なり、温度センサブリッジ回路のバランスが崩れ、ノードＣとノードＤの間に差電圧が発生する。この差電圧を空気流量信号として検出して制御回路３８に入力し、メモリ３９の差電圧と空気流量の対比表から求めた空気流量（Ｑ）を演算処理する。なお、図１における空気の流れ１７が逆方向になった場合においても同様に空気流量がわかるため逆流検知も可能である。

次に湿度補正について説明する。図５において、熱式の湿度検出部である湿度検出用発熱抵抗体９は他の発熱抵抗体を含む回路とは個別に回路が構成されている。湿度検出用発熱抵抗体９を、一定の電流値Ｉｒｅｆ３（または電圧値Ｖｒｅｆ３）により発熱させたときの電圧値（または電流値）をノードＥ（図１の端子電極１０ｊ）とノードＦ（図１の端子電極１０ｋ）から制御回路３８に入力し、メモリ３９のあらかじめ測定した既知の絶対湿度と抵抗値の対比表から絶対湿度を算出し、補正係数を求めて前述した空気流量を補正して出力する。また、絶対湿度を算出した後、湿度により温度低下した分のヒータ温度を上昇させるように、制御回路３８によりトランジスタ３７を制御する。

ここで、湿度検出部の動作原理を説明する。湿度検出用発熱抵抗体９には一定の電流が流れており、湿度検出用発熱抵抗体９からジュール熱が発生し、周囲の空気を加熱する。空気中に水分がある場合、湿度検出用発熱抵抗体９が発熱することで空気中に含まれる水分が蒸発する。この際に、湿度検出用発熱抵抗体９から熱（気化熱）が奪われ、湿度検出用発熱抵抗体９の発熱温度が下がる。つまり、空気中の水分が多い場合と少ない場合とでは、湿度検出用発熱抵抗体９から奪われる熱量が異なることになり、湿度検出用発熱抵抗体９の温度が異なることになる。

図６は配線幅２μｍ、配線長２５０μｍの湿度検出用発熱抵抗体９に流す電流を増加した場合の消費電力と湿度検出用発熱抵抗体９の温度の相関を示すグラフである。なお、空気温度は８５℃一定とし、絶対湿度を４９ｇ／ｍ^３と３３４ｇ／ｍ^３の２条件について比較した。

例えば、図６からわかるように、湿度検出用発熱抵抗体９に同じ電力を供給した場合、絶対湿度の少ない方が奪われる熱が少なくなるため、湿度検出用発熱抵抗体９の温度は上昇する。言い換えれば、湿度検出用発熱抵抗体９の温度を一定とするためには、湿度が高くなるほど熱損失が大きくなるので、湿度が高いほどより大きな電力が必要となる。従って、図６から、湿度検出用発熱抵抗体９の温度と、供給する電力との関係は、絶対湿度が変化することにより変わることがわかる。

ここで、消費電力と湿度検出用発熱抵抗体９の温度の関係は、下記の二次項の近似式で現すことができる。

Ｔｈ＝ｋ１・Ｐｈ＋ｋ２・Ｐｈ^２＋Ｔａ
上記式において、Ｔｈは湿度検出用発熱抵抗体９の温度、Ｐｈは湿度検出用発熱抵抗体９において消費される電力、Ｔａは空気温度、ｋ１は近似式の一次項、ｋ２は近似式の二次項である。

先の絶対湿度が異なる条件での計測結果をこの近似式で計算した場合、一次項ｋ１とＴａはほとんど等しく、二次項ｋ２のみが変化する。すなわち、絶対湿度の相違は二次項ｋ２の相違に現れるのである。この近似式を空気温度Ｔａおよび絶対湿度を変えた場合について当てはめてみた場合の近似式の二次項ｋ２と絶対湿度の相関を示すグラフを、図７に示す。この結果より、近似式の二次項ｋ２と絶対湿度は比例関係にあることがわかる。湿度検出用発熱抵抗体９には定電流を流しているので、端子電極１０ｊおよび端子電極１０ｋの間の電圧を測定することで、電力Ｐｈと湿度検出用発熱抵抗体９の抵抗値とがわかり、湿度検出用発熱抵抗体９の抵抗値から、温度Ｔｈもわかる。すなわち、従って、空気温度Ｔａがわかっていれば、上述した近似式で、温度Ｔｈ、電力Ｐｈ、一次項ｋ１および空気温度Ｔａがわかることになるので、この近似式から二次項ｋ２を求めることができる。これにより、二次項ｋ２を計算で算出することができ、図７のような、メモリ３９に記憶してある二次項ｋ２と絶対湿度との相関対比表から絶対湿度を導き出すことができる。

この算出した絶対湿度から、メモリ３９に記憶してある絶対湿度と空気流量の相関対比表から補正係数を読み出し、空気流量を補正する。また、ここで算出した絶対湿度のデータをそのまま自動車の燃料噴出駆動回路に出力し、エンジンの爆発タイミング制御に活用することで燃焼効率を高めることができる。

従って、前述したように、絶対湿度を検出し、空気流量を補正するには、湿度検出用発熱抵抗体９の電流および電圧に対する湿度検出用発熱抵抗体９の温度が、常にメモリ３９に記憶してあるデータ（余分な要因を排除して求められたデータ）とほぼ一致している必要がある。このため、絶対湿度を正確に検出するためには、余分な要因を排除する必要がある。すなわち、湿度検出用発熱抵抗体９が空気の流れによって過度に冷やされる事を防ぎ、また、発熱抵抗体３の発する熱等の影響を受けることを防ぐことで、湿度検出用発熱抵抗体９が絶対湿度に応じて適切な温度になるようにする必要がある。

本実施の形態では、ダイヤフラム１６内において空気流量検出部と湿度検出部を離し、また、平面において湿度検出用発熱抵抗体９と孔１３とが重ならないように配置し、湿度検出用発熱抵抗体９を空気の流れの方向に沿うように配置することで、湿度検出用発熱抵抗体９の温度が、湿度検出用発熱抵抗体９の発熱および空気の湿度以外の要因（余分な要因）により変化することを防いでいる。

次に、本実施の形態１による熱式流体流量センサの製造方法を、図８〜図１３を用いて工程順に説明する。図８〜図１３は、図１のＡ−Ａ線における要部断面図である。

まず、図８に示すように、単結晶Ｓｉからなる半導体基板２を用意する。続いて、半導体基板２の上面および裏面に第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９を順次形成した後、半導体基板２の上面側の第２の絶縁膜１９上に第３の絶縁膜２０、第４の絶縁膜２１および第５の絶縁膜２２を順次形成する。このとき、半導体基板２の裏面に形成された第２の絶縁膜１９の下面には第３の絶縁膜２０、第４の絶縁膜２１および第５の絶縁膜２２は形成しない。

第１の絶縁膜１８は例えば半導体基板２を高温に晒すことで形成された酸化シリコン膜からなり、厚さは２００ｎｍ程度である。第２の絶縁膜１９は例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成した窒化シリコン膜からなり、厚さは１００〜２００ｎｍ程度である。第３の絶縁膜２０はＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜からなり、膜厚は５００ｎｍ程度である。第４の絶縁膜２１は第２の絶縁膜１９と同様にＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン膜またはプラズマＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン膜からなり、膜厚は２０〜２００ｎｍである。第５の絶縁膜２２はプラズマＣＶＤ法を用いて形成した酸化シリコン膜からなり、膜厚は１００ｎｍ〜３００ｎｍである。なお、第１の絶縁膜１８、第３の絶縁膜２０および第５の絶縁膜２２はそれぞれ残留応力が５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａの圧縮応力を有する膜であり、第２の絶縁膜１９、第４の絶縁膜２１はそれぞれ７００ＭＰａ〜１２００ＭＰａの引張り応力を有する膜である。なお、各工程後、特にＣＶＤ法を用いた酸化シリコン膜、プラズマＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜の形成後は膜の緻密化のため、炉体またはランプ加熱装置において窒素雰囲気中で１０００℃の加熱処理を施すことが好ましい。

次に、例えばスパッタリング法でＭｏ（モリブデン）膜を１５０〜２５０ｎｍの厚さで形成することにより、前記Ｍｏ膜からなる第１の金属膜２３を形成する。この際、接着性向上および結晶性向上のため、前記Ｍｏ膜の形成前にＡｒ（アルゴン）ガスを用いたスパッタエッチングにより下地の第５の絶縁膜２２の上面を約５〜２０ｎｍエッチングし、さらに、前記Ｍｏ膜の成膜時の基板温度は２００℃〜５００℃とする。また、前記Ｍｏ膜の結晶性をさらに高めるため、前記Ｍｏ膜の成膜後に炉体またはランプ加熱装置において窒素雰囲気中で１０００℃の加熱処理を施す。

次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて第１の金属膜２３のパターニングを行い、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４、測温抵抗体５（上流側測温抵抗体５ａ、５ｂおよび下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄ）、湿度検出用発熱抵抗体９および引き出し配線１１ｆ１、１１ｇ１を形成する。なお、図示はしないが、このとき空気温度測温抵抗体６、ヒータ温度制御用抵抗体７、８、引き出し配線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ２、１１ｇ２、１１ｇ３、１１ｇ４、１１ｈ１、１１ｈ２、１１ｉ１、１１ｉ２、１１ｊおよび１１ｋも形成される。

次に、図１０に示すように、第５の絶縁膜２２の全面上であって、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４、測温抵抗体５、空気温度測温抵抗体６（図示しない）、ヒータ温度制御用抵抗体７（図示しない）、ヒータ温度制御用抵抗体８（図示しない）、湿度検出用発熱抵抗体９および引き出し配線１１ｆ１、１１ｇ１上に、第６の絶縁膜２４、第７の絶縁膜２５および第８の絶縁膜２６を順次形成する。

第６の絶縁膜２４は例えばＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）を原料としてプラズマを用いた低温ＣＶＤ法を用いて形成した酸化シリコン膜からなり、膜厚は３００〜５００ｎｍ程度である。第７の絶縁膜２５は例えばプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜からなり、膜厚は１５０〜２００ｎｍ程度である。第８の絶縁膜２６は、例えばＴＥＯＳを原料としてプラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜からなり、膜厚は１００〜５００ｎｍ程度である。

なお、第６の絶縁膜２４、第８の絶縁膜２６は残留応力が５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａの圧縮応力を有する膜であり、第７の絶縁膜２５は７００ＭＰａ〜１４００ＭＰａの引張り応力を有する膜である。また、プラズマを用いた低温ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜からなる第７の絶縁膜２５は８００℃以上、好ましくは１０００℃の加熱処理を施して所望の引張り応力となるように調整する。第６の絶縁膜２４、第８の絶縁膜２６を構成する酸化シリコン膜に関しても、１０００℃の加熱処理を施すことにより耐湿性が向上することから、成膜後に加熱処理を行なうことが望ましい。また、第２〜第５、第７および第８の絶縁膜のそれぞれは、窒化シリコン膜の他に、窒化アルミニウム膜により形成してもよい。

次に、図示していないが、フォトリソグラフィ法により引き出し配線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ１、１１ｆ２、１１ｇ１、１１ｇ２、１１ｇ３、１１ｇ４、１１ｈ１、１１ｈ２、１１ｉ１、１１ｉ２、１１ｊおよび１１ｋの一部であって、後に形成する各端子電極と接続される箇所を露出させる接続孔１２を、第８の絶縁膜２６にドライエッチ法またはウエットエッチング等で形成する。その後、例えば厚さ１μｍ程度のＡｌ合金膜の積層膜からなる第２の金属膜を、第８の絶縁膜２６上に形成する。なお、各引き出し配線との接触を良好にするため、前記第２の金属膜の形成前にＡｒ（アルゴン）ガスにより各引き出し配線の表面をスパッタエッチングしてもよい。さらに、その接触を確実なものとするため、ＴｉＮ（窒化チタン）膜等のバリア金属膜からなる第３の金属膜を前記第２の金属膜の堆積前に形成して、バリア膜とＡｌ合金膜の積層膜を形成してもよい。ここで、バリア金属膜を相対的に厚く形成するとコンタクト抵抗が増加するため、その厚さは２０ｎｍ程度とすることが望ましい。しかし、十分接触面積がとれて抵抗増加の問題が回避できる場合は、バリア金属膜の厚さを２００ｎｍ以下とすることができる。また、バリア金属膜としてＴｉＮ膜を挙げたが、ＴｉＷ（チタンタングステン）膜、Ｔｉ（チタン）膜またはこれらの積層膜を使用してもよい。

次に、図示はしないが、フォトリソグラフィ法を用いて第２の金属膜をパターニングし、ドライエッチ法またはウエットエッチングにより端子電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊおよび１０ｋを形成する。

次に、図１１に示すように、第８の絶縁膜２６上にポリイミド膜からなる保護膜２７を堆積した後、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより、第８の絶縁膜２６に達する空気取り入れのための孔１３を、湿度検出用発熱抵抗体９の上部近傍の保護膜２７に開口する。その後、フッ化水素水と純水の混合液またはそれに類する液を用いて、湿度検出用発熱抵抗体９上の保護膜２７をエッチングし、湿度検出用発熱抵抗体９上に空洞層１４を形成する。

このとき、孔１３は湿度検出用発熱抵抗体９の直上には形成せず、湿度検出用発熱抵抗体９の直上より側方に離した位置であって、延在する湿度検出用発熱抵抗体９に添って湿度検出用発熱抵抗体９の直上の両側に断続的に複数形成する。これにより、孔１３から流れ込む空気が直接湿度検出用発熱抵抗体９の上部に当たることを防ぎつつ、外部からの空気を空洞層１４内に取り入れることができる。また、孔１３の孔径を２μｍ以下とすることで、外部からの流入する空気に含まれる大きな水滴の浸入を防ぐことができる。

本実施の形態では、図１に示すように湿度検出用発熱抵抗体９を空気の流れ１７の方向に配線を長く延在させることにより、孔１３から流入する空気の流れ１７によって湿度検出用発熱抵抗体９が過度に冷やされ、熱損失が変化してしまうことを防いでいる。すなわち、図２に示すように、空気の流れ１７の方向は空気通路３１および副通路３２の延在方向と同じ方向であるため、湿度検出用発熱抵抗体９は、空気通路３１および副通路３２の延在方向と同方向に延在するように形成する。

また、半導体の製造工程によって他の抵抗体と同層に湿度検出用発熱抵抗体９を形成することで、空気流量検出部を有する測定素子１と別に湿度検出部を形成する場合に比べ、少ない工程で熱式流体流量計を形成することができ、製造コストの低減を可能としている。

次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより、保護膜２７に少なくとも空気流量を検出する発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４および測温抵抗体５上の第８の絶縁膜２６の上面を露出させる開口部１５および端子電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊおよび１０ｋを外部回路と接続するための開口部（図示しない）を形成する。なお、保護膜２７は空気流量検出部では外部から流れ込む空気に混ざったダストからダイヤフラム１６を守る効果がある。

次に、図１３に示すように、半導体基板２の裏面の、開口部１５および湿度検出用発熱抵抗体９が形成された領域の下部を除く領域に、フォリソグラフィ法によりレジストパターンを形成し、半導体基板２の裏面に形成された第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９をドライエッチングまたはウエットエッチングにより除去した後、前記レジストパターンを除去する。その後、残された第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９をマスクとして、半導体基板２の裏面をＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）またはこれらを主成分とする水溶液を用いて半導体基板２の主面上に形成された第１の絶縁膜１８の底面が露出するまでウエットエッチングし、ダイヤフラム１６を形成することで、本実施の形態の熱式流体流量センサを完成する。

ここで、ダイヤフラム１６とは、主に絶縁膜で形成された薄膜領域であって、下層の半導体基板２が除去された領域をいう。本実施の形態では、ダイヤフラム１６を構成する絶縁膜内に発熱抵抗体３などの金属膜が形成されており、その下部の半導体基板２が除去されていることで、前記金属膜から発生する熱が半導体基板２を伝わって散逸することを防いでいる。

具体的には、ダイヤフラム１６は半導体基板２が除去された領域上の、第１の絶縁膜１８、第２の絶縁膜１９、第３の絶縁膜２０、第４の絶縁膜２１、第５の絶縁膜２２、第６の絶縁膜２４、第７の絶縁膜２５、第８の絶縁膜２６、発熱抵抗体３、発熱抵抗体用測温抵抗体４、上流側測温抵抗体５ａ、５ｂ、下流側測温抵抗体５ｃ、５ｄおよび湿度検出用発熱抵抗体９を含む領域をいう。ダイヤフラム１６は半導体基板２および半導体基板２の下部の第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９が無い分、測定素子１内において他の領域よりも上下の厚みが薄くなっている。なお、ダイヤフラム１６は窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を含む薄膜領域であって柔軟性の高い膜ではなく、ダイヤフラム１６自体を撓ませる等して変形させて使用するものではない。

開口部１５は、測定素子１の測定部分の厚さを薄くすることで流れてくる空気の温度を良好に関知することを可能とし、また空気を加熱しやすくする役割をもつ。また、発熱抵抗体３の下部に半導体基板２がある場合、発熱抵抗体３から発生する熱が半導体基板２から散逸し、発熱抵抗体３がヒーターとしての役割を果たさなくなるため、発熱抵抗体３の下部の半導体基板２を除去してダイヤフラム１６を形成することで、空気を加熱する効率を高めている。

なお、ダイヤフラム１６は平面形状において保護膜２７の開口部１５より大きく設計されており、開口部１５の全ての辺より約５０μｍ以上大きく形成することが好ましい。このダイヤフラム１６を構成する絶縁膜の総膜厚は１．５μｍ以上が望ましく、これより薄い場合はダイヤフラム１６の強度が低下し、自動車の吸気に含まれるダストの衝突等で破壊される確率が高くなる。ただし、第１の絶縁膜１８は測定素子１の下面側からのダスト衝突時の緩衝膜の役割を果たしており、ダストが衝突しないような構成になっていれば第１の絶縁膜１８は無くてもよい。

本実施の形態では、発熱抵抗体３等となる第１の金属膜２３をＭｏにより形成した熱式流体流量センサに関して説明したが、発熱抵抗体３等の第１の金属膜２３の材料としては、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きい材質であればＭｏ以外の金属を使用してもよい。これは、抵抗温度係数が高い材質を使用した方が、温度測定の感度が高くなるためである。

第１の金属膜２３の材料として、例えば、金属窒化化合物、金属シリサイド化合物、多結晶シリコンあるいは不純物としてリンまたはホウ素がドープされた多結晶シリコンから形成してもよい。材料を金属とした場合には、α−Ｔａ（アルファタンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、β−Ｔａ（ベータタンタル）またはＺｒ（ジルコニウム）等を主成分とする金属を例示できる。材料を金属窒化化合物とした場合には、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＭｏＮ（窒化モリブデン）またはＷＮ（窒化タングステン）等を例示できる。材料を金属シリサイド化合物とした場合には、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、ＭｏＳｉ（モリブデンシリサイド）、ＣｏＳｉ（コバルトシリサイド）またはＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）等を例示できる。

また、本実施の形態では、保護膜２７の部材にポリイミド膜を用いた例について説明したが、湿度検出用発熱抵抗体９を構成するような金属よりも熱伝達の低い部材を用いてもよい。すなわち、保護膜２７の部材は窒化シリコン膜やシリコンゲルマニウム等の絶縁膜でもよく、強度を持たせるために金属膜、たとえばアルミニウムまたはタングステン、またはバリア層のＴｉＮやＴｉＷを伴った金属積層膜を下層に設けた複合膜構造を用いてもよい。

本実施の形態では、熱式流体流量センサの測定素子内に湿度検出用発熱抵抗体を形成することにより、空気流量の測定素子と湿度検出用発熱抵抗体を別々に形成する場合に比べ、製造コストを低減することを可能としている。その際、湿度検出用発熱抵抗体を空気の流れの方向に延在させ、微細な孔から空気を取り入れることにより、湿度検出用発熱抵抗体が冷却されることを防いでいる。また、湿度検出用発熱抵抗体を半導体の製造工程で形成し、空気流量検出部が形成されたダイヤフラム内に配置して測定素子の面積の増大を防ぎ、他の発熱抵抗体と同一金属膜により同層に形成することでも、製造コストの低減を可能としている。

これにより本実施の形態では、低コストで、且つ吸入空気中の湿度を検出し、空気流量センサに影響を与えずに空気流量を補正することで検出精度を高めた熱式流体流量センサを実現することを可能としている。

（実施の形態２）
本実施の形態では、湿度検出部が空気流量検出部とは異なるダイヤフラムに形成されている点で前記実施の形態１と異なる熱式流体流量センサについて説明する。

図１４に、本実施の形態における熱式流体流量センサを示す。空気流量を検出する発熱抵抗体３および発熱抵抗体用測温抵抗体４、空気流量を検知する測温抵抗体５と、空気の空気温度を測定するための空気温度測温抵抗体６、ヒータ温度制御用抵抗体７、８、測定素子１の信号を外部回路へ接続するための各端子電極と、各引き出し配線は本実施の形態１と同じ構造となっている。ただし、本実施の形態の熱式流体流量センサでは、湿度検出用発熱抵抗体９を、空気流量検出部の下層のダイヤフラム１６上ではなく別の位置に形成している。これは、湿度検出用発熱抵抗体９と空気流量検出部とを離すことにより湿度検出用発熱抵抗体９が空気流量検出に対し影響を与えないようにし、また、湿度検出用発熱抵抗体９を空気の流れ１７の主流から外れた位置に配置することで、湿度検出用発熱抵抗体９が過度に冷却されることを防ぐためである。

ここで、前記実施の形態１におけるダイヤフラム１６は、Ｓｉからなる半導体基板２をＫＯＨ液等により裏面からエッチングして形成しているが、Ｓｉ結晶方位が＜１００＞の場合、半導体基板２は垂直にはエッチングされず、裏面の開口部は所望のダイヤフラムの面積に比べてかなり大きな面積が必要となる。そのため、湿度検出部および空気流量検出部のそれぞれのダイヤフラムを半導体基板２の裏面を除去して別々に形成する場合、湿度検出部および空気流量検出部のそれぞれのダイヤフラム同士の開口部が重ならないようにする必要がある。その場合、湿度検出用発熱抵抗体９を空気流量検出部から大きく遠ざけて形成しなければならず、チップ面積が増大してしまう。そこで、本実施の形態では、湿度検出用発熱抵抗体９の直下の半導体基板２をエッチングすることにより空洞層４０を形成し、湿度検出部の面積の増大を防いでいる。

次に、本実施の形態における熱式流体流量センサの製造方法を、図１５〜図１７を用いて工程順に説明する。なお、途中までの製造方法は前記実施の形態１で示した図８〜図１２までと同様であるため、図１２の後の工程から説明する。図１５〜図１７は、図１４Ｃ−Ｃ線における要部断面図である。

まず、前記実施の形態１の図８〜図１２における工程と同様の工程を行った後、図１５に示すように、開口部１５を覆うように、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン４２を形成する。その後、レジストパターン４２および保護膜２７をマスクとしたドライエッチングにより、孔１３の下の第７の絶縁膜２５、第６の絶縁膜２４、第５の絶縁膜２２、第４の絶縁膜２１、第３の絶縁膜２０、第２の絶縁膜１９および第１の絶縁膜１８を除去し、空洞層１４から半導体基板２の上面に達する孔４１を形成する。

次に、図１６に示すように、レジストパターン４２を除去した後、ＫＯＨ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、湿度検出用発熱抵抗体９および孔４１の下の半導体基板２の上面を一部除去し、孔４１と接続された空洞層４０を形成する。なお、空洞層４０の平面形状における大きさは湿度検出用発熱抵抗体９より大きく、湿度検出用発熱抵抗体９上の空洞層１４と同等か、またはそれよりも広い領域であることが好ましい。また、空洞層４０の深さは０．２μｍより深い方がよい。ここでいう空洞層４０の深さとは、半導体基板２の主面に対して垂直な方向の長さであって、空洞層４０上の第１の絶縁膜１８の底面から空洞層４０の底部と半導体基板２との界面までの長さをいう。空洞層４０を浅く形成した場合、湿度検出用発熱抵抗体９から半導体基板２への放熱が大きくなり、湿度検出用発熱抵抗体９の温度を高温にできず、絶対湿度の測定精度が損なわれる。

次に、図１７に示すように、半導体基板２の裏面の、開口部１５の下部を除く領域に、にフォリソグラフィ法によりレジストパターンを形成し、半導体基板２の裏面に形成された第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９をドライエッチングまたはウエットエッチングにより除去した後、前記レジストパターンを除去する。その後、残された第１の絶縁膜１８および第２の絶縁膜１９をマスクとして発熱抵抗体３および測温抵抗体５の形成領域の下層の半導体基板２の裏面をＫＯＨ、ＴＭＡＨまたはこれらを主成分とする水溶液で半導体基板２の主面上の第１の絶縁膜１８の底面が露出するまでウエットエッチングし、ダイヤフラム１６を形成する。

なお、ダイヤフラム１６は平面形状において保護膜２７の開口部１５より大きく設計されており、開口部１５の全ての辺より約５０μｍ以上大きく形成することが好ましい。このダイヤフラム１６で構成された絶縁膜の総膜厚は１．５μｍ以上が望ましく、これより薄い場合はダイヤフラム１６の強度が低下し、自動車の吸気に含まれるダスト衝突等で破壊する確率が高くなる。ただし、第１の絶縁膜１８は下からのダスト衝突時の緩衝膜の役割を果たしており、ダストが衝突しないような構成になっていれば第１の絶縁膜１８は無くてもよい。

また、ここでは空洞層４０を形成することにより湿度検出用発熱抵抗体９の近傍をダイヤフラム構造としており、湿度検出用発熱抵抗体９のダイヤフラムは、平面形状においてダイヤフラム１６より小さく形成されている。なお、ここでいう湿度検出用発熱抵抗体９のダイヤフラムとは、空洞層４０と空洞層１４との間の、第１の絶縁膜１８、第２の絶縁膜１９、第３の絶縁膜２０、第４の絶縁膜２１、第５の絶縁膜２２、第６の絶縁膜２４、第７の絶縁膜２５、第８の絶縁膜２６および湿度検出用発熱抵抗体９を含む領域をいう。

また、湿度検出用発熱抵抗体９は前記実施の形態１と同様に空気の流れ方向に長く延在し、孔１３は湿度検出用発熱抵抗体９の配線の直上には形成せず、湿度検出用発熱抵抗体９の直上より側方に離した位置に、湿度検出用発熱抵抗体９に添って湿度検出用発熱抵抗体９の両側に断続的に複数配置する。これにより、空気の流れ１７が直接湿度検出用発熱抵抗体９に当たることを防いでいる。

また、孔４１は孔１３の直下であって、延在する湿度検出用発熱抵抗体９の両側に形成されており、その孔径は孔１３と同じでよい。孔１３および孔４１は、空洞層１４および空洞層４０に空気を取り入れ、また、空洞層４０内または空洞層１４内の温められた空気を空洞層１４および孔１３を介して外に排出する働きをする。

本実施の形態では、前記実施の形態１と同様に、熱式流体流量センサの測定素子内に湿度検出用発熱抵抗体を形成することにより、空気流量の測定素子と湿度検出用発熱抵抗体を別々に形成する場合に比べ、製造コストを低減することを可能としている。その際、湿度検出用発熱抵抗体を空気の流れの方向に延在させ、微細な孔から空気を取り入れることにより、湿度検出用発熱抵抗体が冷却されることを防いでいる。また、湿度検出用発熱抵抗体を半導体の製造工程で形成し、空気流量検出部が形成されたダイヤフラム内に配置して測定素子の面積の増大を防ぎ、他の発熱抵抗体と同一金属膜により同層に形成することでも、製造コストの低減を可能としている。

また、本実施の形態では前記実施の形態１と違い、湿度検出部と空気流量検出部を離して形成することにより、互いの発する熱により湿度検出部または空気流量検出部が影響を受けることを防いでいる。その際、湿度検出部の下部に空洞層を形成することにより、熱の放熱を防ぎ、裏面からのエッチングによりダイヤフラムを湿度検出部および空気流量検出部の下部に形成する場合に比べて、素子面積を小さくし、製造コストを低減することを可能としている。

これにより本実施の形態では、低コストで、且つ吸入空気中の湿度を検出し、空気流量センサに影響を与えずに空気流量を補正することで検出精度を高めた熱式流体流量センサを実現することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、熱式流体流量センサの他、加速度センサ、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ等の様々なセンサの製造に幅広く利用されるものである。

１ 測定素子
２ 半導体基板
３ 発熱抵抗体
４ 発熱抵抗体用測温抵抗体
５ 測温抵抗体
５ａ、５ｂ 上流側測温抵抗体
５ｃ、５ｄ 下流側測温抵抗体
６ 空気温度測温抵抗体
７、８ ヒータ温度制御用抵抗体
９ 湿度検出用発熱抵抗体
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ 端子電極
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ１、１１ｆ２、１１ｇ１、１１ｇ２、１１ｇ３、１１ｇ４、１１ｈ１、１１ｈ２、１１ｉ１、１１ｉ２、１１ｊ、１１ｋ 引き出し配線
１２ 接続孔
１３、４１ 孔
１４、４０ 空洞層
１５ 開口部
１６ ダイヤフラム
１７ 空気の流れ
１８ 第１の絶縁膜
１９ 第２の絶縁膜
２０ 第３の絶縁膜
２１ 第４の絶縁膜
２２ 第５の絶縁膜
２３ 第１の金属膜
２４ 第６の絶縁膜
２５ 第７の絶縁膜
２６ 第８の絶縁膜
２７ 保護膜
２８ 熱式空気流量計
２９ 支持体
２９ａ 下部の支持体
２９ｂ 上部の支持体
３０ 外部回路
３１ 空気通路
３２ 副通路
３３ 端子電極
３４ 金線
３５ シリコン樹脂
３６ 電源
３７ トランジスタ
３８ 制御回路
３９ メモリ
４２ レジストパターン

Claims (20)

1. 基板上に形成され、湿度検出部と空気流量検出部を有し、空気流量を計測する熱式流体流量センサであって、
   前記湿度検出部は、
   第１発熱抵抗体と、
   前記第１発熱抵抗体の上方の空洞層と、
   前記空洞層上に形成された第１膜と、
   を有し、
   前記空気流量検出部は、
   第２発熱抵抗体と、
   前記基板の主面に平行な面内において前記第２発熱抵抗体を挟むように前記第２発熱抵抗体の側方に設けられた複数の測温抵抗体
   を有し、
   前記第１膜は、前記第１膜の上面から前記空洞層に達する複数の孔を有することを特徴とする熱式流体流量センサ。
2. 前記湿度検出部の前記第１発熱抵抗体および前記空気流量検出部の前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体は、モリブデン、アルファタンタル、チタン、タングステン、コバルト、ニッケル、鉄、ニオブ、ハフニウム、クロム、ジルコニウム、白金、ベータタンタルのうちのいずれかを主成分とする金属膜または窒化タンタル、窒化モリブデン、窒化タングステン、窒化チタンのうちのいずれかの金属窒化化合物またはタングステンシリサイド、モリブデンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイドのうちのいずれかの金属シリサイド化合物またはポリシリコン、燐またはボロンドープシリコンであることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
3. 前記第１発熱抵抗体および前記第２発熱抵抗体が同層の金属膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
4. 前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上下が絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
5. 前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体の上下の前記絶縁膜は酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜、あるいはこれらの積層膜で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱式流体流量センサ。
6. 前記孔は、前記第１発熱抵抗体と平面的に重ならないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
7. 前記孔の孔径は２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
8. 前記第１発熱抵抗体は前記基板上において、前記熱式流体流量センサが設置される空気通路の延在方向と同じ方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
9. 前記第１発熱抵抗体の配線幅は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
10. 平面形状において、前記第１発熱抵抗体の長手方向に垂直に交わる方向では、前記第１発熱抵抗体上に設けられた前記空洞層が、前記第１発熱抵抗体の配線幅より広い幅を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
11. 前記第１膜は熱伝達が前記第１発熱抵抗体より低い材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
12. 前記第１膜はポリイミド膜または窒化シリコン膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
13. 前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体は、下層の前記基板が除去されて形成された同一の第１ダイヤフラム内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
14. 前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体は、下層の前記基板が除去されて形成された同一の第１ダイヤフラム内に設けられ、前記第１発熱抵抗体は、下層の前記基板を一部除去して形成された第２ダイヤフラム内に設けられており、平面形状において、前記第２ダイヤフラムは前記第１ダイヤフラムより小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
15. 前記第１発熱抵抗体と電気的に接続された配線および電極は、前記基板上において、前記第２発熱抵抗体に接続された配線および電極とは電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１に記載の熱式流体流量センサ。
16. 基板上に形成された空気流量を検出する第２発熱抵抗体および前記第２発熱抵抗体と隣り合う測温抵抗体を有し、同一の前記基板上に湿度検出用の第１発熱抵抗体を有する熱式流体流量センサの製造方法であって、
    （ａ）前記基板上に第１絶縁膜を形成する工程と、
    （ｂ）前記（ａ）工程の後、前記第１絶縁膜上に金属膜を形成し、前記金属膜をパターニングして前記金属膜からなる前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体を形成する工程と、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、第２絶縁膜を積層する工程と、
    （ｄ）前記（ｃ）工程の後、前記第２絶縁膜上に保護膜を形成する工程と、
    （ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記保護膜をパターニングして前記保護膜に第１の孔を開口し、前記第１の孔から前記第２絶縁膜の一部を除去して前記第１発熱抵抗体の上に第１空洞層を形成する工程と、
    （ｆ）前記（ｄ）工程の後、前記保護膜をパターニングし、前記第２発熱抵抗体、前記測温抵抗体および端子電極部の上部を開口する工程と、
    を有することを特徴とする熱式流体流量センサの製造方法。
17. 前記（ｅ）工程および前記（ｆ）工程の後、前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体の形成領域の下層の前記基板を除去し、前記第１発熱抵抗体、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体を同一のダイヤフラム内に形成することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流体流量センサの製造方法。
18. （ｇ）前記（ｅ）工程および前記（ｆ）工程の後、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体の形成領域の下層の前記基板を除去し、前記第２発熱抵抗体および前記測温抵抗体を同一のダイヤフラム内に形成する工程と、
    （ｈ）前記（ｅ）工程の後、前記第１の孔の下に、前記第１空洞層から前記基板の上面まで達する第２の孔を形成する工程と、
    （ｉ）前記（ｈ）工程の後、前記第１発熱抵抗体および前記第２の孔の下部の前記基板の上面の一部を除去し、前記第２の孔と接続された第２空洞層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流体流量センサの製造方法。
19. 前記（ｅ）工程では、前記第１の孔を前記第１発熱抵抗体と平面的に重ならないように形成することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流体流量センサの製造方法。
20. 前記（ｅ）工程では、前記第１の孔の孔径を２μｍ以下に形成することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流体流量センサの製造方法。

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