JP2018077129A - 湿度センサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱式抵抗型湿度センサにおいて、ヒータ領域内での温度分布のばらつきを小さくして高精度な湿度計測を可能にする。
【解決手段】湿度センサは、空洞部2aを有した半導体基板2と、半導体基板2上に配置されたヒータ3と、ヒータ3の上面側に設けられ、かつヒータ3の熱伝導率以上の熱伝導率を有する熱均一層5と、ヒータ3と熱均一層5との間に配置された絶縁層12aと、を有する。さらに、空洞部2a上の絶縁膜の領域にヒータ3と熱均一層5とが配置され、熱均一層5は、平面視でヒータ3と重なるように配置されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、湿度センサおよびその製造方法に関する。
半導体基板などの基板上にセンサを形成する技術として、特許第5406674号(特許文献1)が知られている。この特許文献1には、半導体基板上に形成されたダイヤフラム内に、空気流量を検出する発熱抵抗体、発熱抵抗体用測温抵抗体および測温抵抗体と、湿度検出用発熱抵抗体を配置し、この湿度検出用発熱抵抗体上に空洞層と、空洞層上の保護膜とが形成され、保護膜に、空洞層に達する複数の孔を設けた熱式流体流量センサが記載されている。これにより、空気流量検出と湿度検出を一つの基板上に形成することができ、コスト低減が図れることが記載されている。
また、特開2014−16177号公報(特許文献2)には、ヒータ部を急激に加熱した場合、ヒータ部と絶縁層に大きな温度差が生じ、局所的な熱応力によるヒータ部の剥離やクラックが発生し、信頼度低下につながる課題が記載されている。この対策として、ヒータ部と絶縁層の間に熱伝導率が高い材料で形成された熱応力緩和層をヒータ部と接触させて配置することで、局所的な熱応力による剥離を抑制でき、長期的な信頼性を高められることが記載されている。
特許第5406674号 特開2014−16177号公報
近年、自動車などの内燃機関の燃費向上のため、吸気管には吸入空気量の検出の他、吸入空気の湿度や圧力などを検出することが必要とされている。
特に半導体を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術により製造されたヒータを有する熱式抵抗型の湿度センサ素子が、高温環境下で高精度の湿度検出が可能であり、かつコストを低減できることから注目されている。
しかしながら、上述の技術においては、湿度検出時のヒータの温度分布に関して、考慮されておらず、上記特許文献1においては、ヒータが絶縁膜により覆われた構造となっており、ヒータを加熱した場合、ヒータ領域の中心部が高温となり、ヒータの中心部から離れるほど温度が低下しヒータ領域内の温度分布が大きくなる。これにより、ヒータ領域内における水分蒸発量の差が大きくなり、検出感度のばらつきが大きくなるという課題がある。なお、上記ヒータ領域内の温度分布は、周囲の温度変化にも影響を受けやすいため、吸入空気が入れ替わるわずかな空気の流れでも検出値のばらつきがさらに大きくなる要因となる。
上記特許文献2においては、ヒータ部と熱伝導率が良好な応力緩和層を接触させた構造のため、ヒータ部の領域の温度分布は小さくなるが、応力緩和層全体(体積)をヒータ部で一定温度に加熱しなければならず消費電力が高くなるという課題がある。また、応力緩和層と基板との距離が考慮されていないため、基板への熱伝導により、湿度検出領域の境界が不安定となり、検出精度が低下するという懸念もある。
本発明の目的は、湿度センサにおいて、ヒータ領域内の温度分布の設定温度との差を小さくし、かつ、周囲温度の変化に影響されにくくして消費電力を抑えることができる技術を提供することにある。
本発明の前記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実施の形態のうち、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。
一実施の形態における湿度センサは、空洞部を備えた支持基板と、上記支持基板上に配置された第1ヒータと、上記第1ヒータの上面側または下面側に設けられ、上記第1ヒータの熱伝導率以上の熱伝導率を有する熱均一層と、上記第1ヒータと上記熱均一層との間に配置された絶縁層と、を有する。さらに、上記空洞部上の絶縁膜の領域に上記第1ヒータと上記熱均一層とが配置され、上記熱均一層は、平面視で上記第1ヒータと重なるように配置されており、上記第1ヒータから出力される電圧の変化を用いて湿度の計測を行う。
一実施の形態における湿度センサの製造方法は、(a)支持基板上に絶縁膜を設ける工程、(b)上記絶縁膜上に金属膜からなるヒータ、および上記ヒータに繋がる配線を形成する工程、(c)上記ヒータ上に絶縁層を介して熱均一層、および上記熱均一層に繋がる配線を形成する工程、を有する。さらに、(d)上記熱均一層上に他の絶縁膜を形成する工程、(e)上記支持基板における上記ヒータの下部の領域に空洞部を形成する工程、を有する。さらに、上記熱均一層は、上記ヒータの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、上記空洞部上の上記絶縁膜の領域に上記第1ヒータと上記熱均一層とを配置し、上記(c)工程において、上記熱均一層を、平面視で上記ヒータと重なるように配置する。
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。
ヒータの湿度検出内における温度分布の温度差を小さくすることができ、高精度で、かつ信頼性に優れた湿度センサを実現することができる。
本発明の実施の形態1の熱式抵抗型湿度センサにおけるセンサチップを示す平面図である。 図1のA−A線に沿って切断した構造の断面図である。 本発明の実施の形態1である熱式抵抗型湿度センサにおけるセンサチップの製造工程を示す要部断面図である。 図3に続く熱式抵抗型湿度センサのセンサチップの製造方法を示す要部断面図である。 図4に続く熱式抵抗型湿度センサのセンサチップの製造方法を示す要部断面図である。 図5に続く熱式抵抗型湿度センサのセンサチップの製造方法を示す要部断面図である。 図6に続く熱式抵抗型湿度センサのセンサチップ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1と比較例の温度プロファイルを比較した図である。 本発明の実施の形態1におけるヒータ温度と湿度検出電圧の関係を示す図である。 本発明の実施の形態1において自動車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構造を一部破断して示す概略配置図である。 図10のB−B線に沿って切断したセンサモジュールの断面図である。 本発明の実施の形態2の熱式抵抗型湿度センサにおけるセンサチップの要部平面図である。 図12のC−C線に沿って切断した構造の断面図である。 比較例のヒータ中心からの距離に対する温度プロファイルを環境温度ごとに示す図である。 本発明の実施の形態2のヒータ中心からの距離に対する温度プロファイルを環境温度ごとに示す図である。
(実施の形態1)
本発明の一実施の形態である湿度センサを図面を参照して説明する。本実施の形態1の熱式抵抗型湿度センサは、発熱抵抗体を用いて絶対湿度を検出する湿度センサであり、発熱低抗体に一定の電圧を印加しこの発熱低抗体から出力される電圧の変化を用いて湿度の計測を行うものである。
<熱式抵抗型湿度センサの構造>
図1は、本実施の形態1のヒータ(第1ヒータ)3と熱均一層5を有した熱式抵抗型湿度センサのセンサチップを示す平面図である。なお、図1は平面図であるが、図面を分かり易くするためにハッチングを付した箇所がある。図1に示すように、センサチップ1は、単結晶シリコン(Si)からなる半導体基板(支持基板)2と、半導体基板2上に形成された絶縁膜(図示は省略)と、上記絶縁膜上に形成された発熱低抗体であるヒータ3と、ヒータ3に電源を供給する配線4a、4bと、を有している。さらに、ヒータ3上の温度分布を平均化する熱均一層5と、熱均一層5のチャージアップを防止する配線6と、配線4a、4b、6をそれぞれ外部と接続する電極7a、7b、7cとを有している。
なお、ヒータ3、熱均一層5は、半導体基板2を除去して形成された上記絶縁膜の領域であるダイヤフラム8の内部であり、かつ、半導体基板2から一定の距離離れた位置に配置され、かつ断熱された状態となっている。ここで、上述のように、半導体基板2を一部除去して形成された空洞部2aの上の上記絶縁膜の薄肉部の領域をダイヤフラム8と呼ぶ。
図2は、図1のセンサチップ1のA−A線に沿った断面図である。
図1と図2を用いて湿度センサであるセンサチップ1の要部の構成を説明すると、空洞部2aを備えた半導体基板2と、半導体基板2上に配置されたヒータ3と、ヒータ3の上面側に設けられ、かつヒータ3の熱伝導率以上の熱伝導率を有する熱均一層5と、ヒータ3と熱均一層5との間に配置された絶縁層12aと、を有している。なお、ヒータ3と熱均一層5は、空洞部2a上の上記絶縁膜の領域に配置されている。そして、熱均一層5は、平面視でヒータ3と重なるように配置されている。すなわち、平面視において、熱均一層5は、少なくともその一部がヒータ3と重なるように配置されており、好ましくは図1に示すように、熱均一層5の中心NCとヒータ3の中心HCとが一致するように両者が配置されている。
なお、熱均一層5は、ヒータ3の熱伝導率以上の熱伝導率を有する層であり、熱平衡層でもある。すなわち、ヒータ3上の層の熱分布を均一化するものである。そして、熱均一層5は、金属膜、もしくは樹脂膜などの絶縁膜からなる層であり、好ましくは金属膜からなる。その際、熱均一層5は、熱均一層5とヒータ3との間に介在される絶縁層12aの熱伝導率よりも大きな熱伝導率の金属膜からなることが好ましい。さらに、熱均一層5は、ヒータ3よりも大きな熱伝導率の金属膜からなることが好ましく、これにより、更にヒータ3上の層の熱分布の均一化を図ることができる。
また、熱均一層5は、ヒータ3と同一の材質からなることが好ましい。例えば、熱均一層5とヒータ3は、モリブデン(Mo)からなる。その際、熱均一層5の厚さは、ヒータ3の厚さ以上であることが好ましい。さらに、熱均一層5は、平面視の大きさが、ヒータ3と同等もしくはそれ以下であることが好ましい。
なお、熱均一層5は、グランド電位が供給されるグランド電極に電気的に接続されている。すなわち、図1に示す熱均一層5と配線6を介して電気的に接続された電極7cは、グランド電位が供給されるグランド電極である。
また、図2に示すように、半導体基板2上には、第1の絶縁膜9、第2の絶縁膜10、第3の絶縁膜11、第4の絶縁膜12、第5の絶縁膜13、第6の絶縁膜14および第7の絶縁膜15が、それぞれ上方に向かって順に形成されている。すなわち、各絶縁膜が上方に向かって積層されている。
なお、ヒータ3は、第3の絶縁膜11上の第4の絶縁膜12中に埋め込まれ、一方、熱均一層5は、第4の絶縁膜12上の第5の絶縁膜13中に埋め込まれており、ヒータ3と熱均一層5との間には第4の絶縁膜12における絶縁層12aが配置されている。つまり、熱均一層5は、絶縁層12aを介してヒータ3上に配置されている。言い換えると、熱均一層5は、絶縁層12aと同一の材質からなる他の絶縁層(第4の絶縁膜12)内に配置されている。ただし、ヒータ3および熱均一層5が埋め込まれる絶縁膜は、半導体基板2上の別の絶縁膜であってもよく、上記絶縁膜や上記他の絶縁膜に限定されるものではない。
また、半導体基板2上の第3の絶縁膜11上には、ヒータ3に電源を供給する図1に示す配線4a、4bが配置され、その上に図2に示すように第4の絶縁膜12を介して熱均一層5と配線6が形成されている。さらに、その上には第5の絶縁膜13、第6の絶縁膜14、第7の絶縁膜15が順次積層され、接続部(コンタクト部)16を介して配線4bが電極7bと電気的に接続されている。
なお、上述したようにヒータ3と熱均一層5は、半導体基板2を除去して形成された空洞部2aの上方の絶縁膜の領域であるダイヤフラム8内に位置し、かつ、半導体基板2から離れた距離に配置されている。例えば、図1に示すように、平面視における半導体基板2と熱均一層5との距離Lは、平面視における熱均一層5の幅Wもしくはヒータ3の幅より長い(L>W)。
また、熱均一層5とヒータ3の両者とも絶縁層12aを含む絶縁膜(第1の絶縁膜9〜第7の絶縁膜15)より熱伝導率の高い材質で構成されている。そして、台座17上に形成した上記チップを接着剤19によって固定することで、センサチップ1が形成される。なお、台座17には、ダイヤフラム8が密閉されないよう換気孔18が設けられ、接着剤19は換気孔18を塞がないように形成されている。また、本実施の形態1では、換気孔18が下面に空けられている構造を図示しているが、換気孔18は溝などによって横方向に形成されていてもよい。
次に、本実施の形態1による湿度センサの製造方法を、図3〜図7を用いて工程順に説明する。図3〜図7は本発明の実施の形態1である熱式抵抗型湿度センサにおけるセンサチップの製造工程を示す要部断面図である。
まず、図3に示すように、単結晶SiでSi<100>の結晶方位からなる半導体基板2を用意する。次に、半導体基板2上に絶縁膜を形成する。すなわち、半導体基板2上に第1の絶縁膜9、第2の絶縁膜10および第3の絶縁膜11を形成する。なお、第1の絶縁膜9は、例えば、1000℃以上の炉体に酸素、または水蒸気を導入して形成した圧縮応力を有する酸化シリコン膜であり、第2の絶縁膜10は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成した引っ張り応力を有する窒化シリコン膜、第3の絶縁膜11は、CVD法を用いた圧縮応力を有する酸化シリコン膜である。
次に、Arガスによるスパッタエッチングで下地絶縁膜である第3の絶縁膜11を約15nmエッチングし、表面改質した後、スパッタリング法で金属膜、例えばモリブデン(Mo)を約150nm形成し、フォトリソグラフィ法とメタルエッチング技術を用いて湿度センサのヒータ3および、ヒータ3に繋がる配線4bと図1に示す配線4aを形成する。
次に、図4に示すように、第4の絶縁膜12を形成し、その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing : 化学機械研磨)により平坦化を行う。なお、第4の絶縁膜12は、CVD法を用いた圧縮応力を有する酸化シリコン膜である。これにより、ヒータ3や配線4bは第4の絶縁膜12によって覆われる(第4の絶縁膜12中に埋め込まれる)。
次に、Arガスを用いたスパッタエッチングで第4の絶縁膜12を約15nmエッチングし、表面改質した後、スパッタリング法で金属膜、例えばモリブデン(Mo)を約150nm形成し、フォトリソグラフィ法とメタルエッチング技術を用いて熱均一層5および、熱均一層5に繋がる配線6を形成する。これにより、熱均一層5は、ヒータ3上に第4の絶縁膜12の絶縁層12aを介して配置される。
この時、熱均一層5を、図1に示すように、平面視でヒータ3と重なるように配置する(形成する)。好ましくは、熱均一層5の中心NCとヒータ3の中心HCとが一致するように熱均一層5を形成する。
なお、熱均一層5を形成する金属膜は、例えば、W(タングステン)などであってもよい。
次に、熱均一層5上に他の絶縁膜を形成する。詳細には、図5に示すように、第5の絶縁膜13を形成し、その後、CMPにより平坦化を行い、第6の絶縁膜14、第7の絶縁膜15を形成する。なお、第5の絶縁膜13は、CVD法を用いた圧縮応力を有する酸化シリコン膜であり、第6の絶縁膜14は、プラズマCVD法で形成した引っ張り応力を有する窒化シリコン膜、第7の絶縁膜15は、CVD法を用いた圧縮応力を有する酸化シリコン膜である。なお、これまで形成した金属膜、および絶縁膜の応力調整のため、適宜熱処理工程を加えてもよい。
次に、図1に示すヒータ3に繋がる配線4a、配線4b、および熱均一層5に繋がる配線6上の絶縁膜に、フォトリソグラフィ法と絶縁膜エッチング技術とを用いて接続部16を形成する。次に、Arガスを用いたスパッタエッチングで第7の絶縁膜15を約15nmエッチングし、表面改質した後、スパッタリング法で金属膜、例えばTiやTiN、TiWなどを20nm〜200nm程度形成し、その後アルミニウム(Al)を主成分とした積層膜を連続して形成する。その後、フォトリソグラフィ法とメタルエッチング技術により図1に示す電極7a、7b、7cを形成する。
次に、図6に示すように、半導体基板2の裏面に形成された第1の絶縁膜9と第2の絶縁膜10とに、図1に示すダイヤフラム8となる領域の半導体基板2のSi膜を除去するマスクをフォトリソグラフィ技術と絶縁膜エッチング技術とを用いて形成する。
次に、図7に示すように、半導体基板2の裏面の第1の絶縁膜9と第2の絶縁膜10をマスクにして、半導体基板2の裏面側のSi膜をKOH(水酸化カリウム)溶液、TMAH(テトラメチルアミド)溶液によるウェットエッチング、または、フッ素系ガスを主成分としたドライエッチングにより除去し、ヒータ3の下部の領域に空洞部2aを形成する。これにより、空洞部2aの上部に絶縁膜の領域であるダイヤフラム8を形成する。
なお、第3の絶縁膜11を形成した後にダイヤフラム8全体の膜応力調整のため、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜を追加して形成しても良い。
以上により、熱均一層5が、ヒータ3の熱伝導率以上の熱伝導率を有し、かつ空洞部2a上の絶縁膜の領域にヒータ3と熱均一層5とが絶縁層12aを介して配置されたセンサチップ1が製造される。
<本実施の形態1の湿度センサの効果>
熱式抵抗型湿度センサは、他の感湿膜を用いた抵抗型や容量型と比較し、高温高湿時の検出感度が高いのが特徴である。
図8は、図1のA−A線中のヒータ中心を基準にした本実施の形態1の温度プロファイルと、ヒータは同一サイズで、かつ熱均一層を有していない比較例の湿度センサの温度プロファイルとを示す図である。
図8において、図1に示すダイヤフラム8のサイズが縦、横とも500μmであり、ヒータ中心HCから半導体基板2までの距離が250μmである。そして、ヒータ3は、縦横とも80μm(片側40μm)の四角形であり、本実施の形態1の熱均一層5は、ヒータ3と同一サイズである。ここでは、ヒータ抵抗値から換算した設定温度100%が500℃の場合に関して、図8の本実施の形態1(E)と図8の比較例(F)との両者の温度プロファイルを比較している。
まず、比較例(F)では、ヒータ中心HCの温度が設定温度に対して約15%(t1)高温になっており、ヒータの外側に向かうに従い温度が低下し、ヒータ領域HAにおけるヒータ端の付近では100%を数%(t0)下回っている。つまり、上面から見てヒータ中心から放射状に温度が低下する温度プロファイルであることが分かる。したがって、ヒータ内(ヒータ領域HA)の温度分布(温度差)は約20%程度(ΔT1=t1+t0)であり、ヒータ形状が四角形であるためヒータ角部はさらに温度が低下する。なお、ヒータは、熱伝導率が低い酸化シリコン膜によって覆われていること、熱伝導の良いSi基板(半導体基板)から離れていることにより、ヒータ端から外側の温度は急激に低下し、ヒータ端から40μm(ヒータ中心から80μm)では、設定温度に対して40%(約200℃)となり、さらにヒータ領域HAの外側に行くほど温度が低下していくことが分かる。
これに対して、ヒータ3と熱均一層5が同一サイズの図8に示す本実施の形態1(E)では、ヒータ中心HCの温度上昇を約5%(t2)に抑えることができ、ヒータ内の温度分布も10%未満(ΔT2=t2+t0)にすることができ、熱均一層5によりヒータ内の温度を均一化できることが分かる。なお、熱均一層5はヒータ3と同一サイズのため、ヒータ端(熱均一層5の端部)より外側の温度プロファイルは(F)の比較例と等しく、温度低下(t0)も(F)の比較例とほぼ等しくなる。
なお、他のヒータ温度(ヒータ抵抗値換算)に設定して温度プロファイルを計測した結果、設定温度に対応した割合で計算した温度プロファイルがほぼ同等であることを確認している。また、ヒータ領域HAの温度分布は熱均一層5がヒータ3より大きくなるほど低減されるが、その分ヒータの消費電力が増加することがわかった。したがって、熱均一層5の大きさは、ヒータ3と同等か若干小さいほうが好ましい。すなわち、熱均一層5の大きさをヒータ3と同等かもしくは若干小さくすることにより、ヒータ3の消費電力の増加を抑制することができる。
次に、図9は本発明の実施の形態1におけるヒータ温度と湿度検出電圧の関係を示す図であり、環境温度85℃、相対湿度80%の場合(空気中水分量約280kg/m3)のヒータ温度(抵抗置換算)と湿度検出電圧(v)の関係を示している。
図9に示すように、ヒータ温度が300℃以上になると急激に湿度検出電圧が高くなる。つまり、ヒータ温度が高いほど湿度検出電圧が大きくなり、検出感度は高くなることがわかる。なお、熱均一層を有していない比較例(H)では、温度分布(ΔT1)が大きいため、ヒータ部の湿度検出領域では、湿度検出電圧が設定に対して約±30%以上(ΔV1)ばらつくことが分かった。これに対し、本実施の形態1(G)による検出電圧のばらつきは、温度分布(ΔT2)を低減することができるため、±10%以下(ΔV2)に抑えることができる。上記湿度検出電圧は、空気中の水分を蒸発させる消費熱量であり、ヒータ面内の温度分布が大きいと水分蒸発による空気の流れが乱され、検出電圧の出力にもばらつきが発生する。そこで、本実施の形態1のように熱均一層5を設けることで、図8に示すヒータ領域HAにおける温度分布を低減することができ、精度良く湿度を計測することができる。
すなわち、湿度センサにおいて、図2に示すように、ヒータ3の上方に絶縁層12aを介して熱均一層5を設けたことにより、ヒータ3の湿度検出内における温度分布の設定温度との差を小さくすることができ、その結果、高精度で、かつ信頼性に優れた湿度センサを実現することができる。
また、湿度センサにおいて、熱均一層5の平面視の大きさをヒータ3と同等もしくはヒータ3より小さくすることで、周囲温度の変化に影響されにくく、かつヒータ3の消費電力を抑えることができる。
なお、熱均一層5とヒータ3との間の絶縁層12aを含む第4の絶縁膜12の熱伝導率が熱均一層5より高い場合、元のヒータ温度分布に近くなる傾向がある。したがって、温度分布をより低減するためには、絶縁層12aを含む第4の絶縁膜12をその熱伝導率が熱均一層5より低くなるような材料によって形成することが望ましい。特に、第4の絶縁膜12をその膜厚がヒータ中央部は厚く、かつヒータ端部に向かうほど薄くなる構造とすることで、より温度分布の低減化を図ることができる。また、ヒータ3上の熱分布(温度分布)を均一化するため、熱均一層5をヒータ3より厚くしてもよい。
また、図1に示すように、熱均一層5と半導体基板2との間の距離Lは、近づく(短くなる)ほど半導体基板2への熱伝達が大きくなるため、熱均一層5の幅Wもしくはヒータの幅より離す(長くする)ことが望ましい。
本実施の形態1では、湿度センサに関して説明したが、ヒータを用いている他のセンサ、例えば空気流量センサや加速度センサなどでもヒータ温度のばらつきを低減することによって計測精度を向上させることができる。
<本実施の形態1の湿度センサと流量センサを組み合わせた例>
図10は本発明の実施の形態1の熱式流体流量センサを実装した熱式空気流量計(センサモジュール)の構造を一部破断して示す概略配置図、図11は図10のB−B線に沿って切断したセンサモジュールの断面図である。なお、図10では、自動車などの内燃機関の吸気通路に取り付けられたセンサモジュールの一例を示しており、センサモジュールの構造を分かり易くするため、モジュール本体(ボディ)の一部を透過させて図示している。
図10および図11に示すように、センサモジュール20は、吸気管21に装着されており、配線を有する支持基板22と、センサチップ1と、空気流量センサ23と、調整部品(例えば制御用回路チップやマイコンチップ、コンデンサなど)24と、を有したボディであるモジュール本体25を備えている。そして、センサモジュール20はモジュール本体25と、カバー25aとによって構成されている。
なお、センサチップ1および空気流量センサ23と、調整部品24は、支持基板22上に搭載されている。そして、センサモジュール20は、空気流量センサ23により空気流量を検出する副通路26と、湿度などを検出する検出部27と、調整部品24やコネクタ30がある制御回路室である制御部29とに分離されており、各素子は、ワイヤボンディングにより支持基板22の配線に電気的に接続されている。なお、センサチップ1および空気流量センサ23は、調整部品24を介し、かつコネクタ30を通して外部へ検出信号を送っている。
また、センサチップ1は、ワイヤボンディングで接続された図1に示す電極7a、7b、7cが腐食しないように図11に示す保護材31で覆われ、かつ図10に示すように、検出部27と吸気管21内への吸気32による空気が適度に入れ替わるように吸気入替口28が設けられている。
また、センサチップ1の表面での湿度検出は、急激な空気の流れが発生すると熱均一層5上の温度分布に影響を与え、検出精度が低下するため、吸気入替口28の面積が、クランク形状の通路などと比較して小さくなるように設計されている。
また、センサチップ1の同一支持基板22上に、制御部29における制御回路の一部を形成してもよい。その場合、同一の環境温度において相対湿度を変化させたときの湿度検出電圧を計測し、さらに湿度検出電圧から水分量を計算するマップを作成し、上記制御回路やマイコンチップに書き込んで外部に出力する。
(実施の形態2)
<熱式抵抗型湿度センサの構造>
本実施の形態2に係る熱式抵抗型湿度センサは、上記実施の形態1の熱式抵抗型湿度センサと比較して、ヒータが複数設けられているものである。
図12は本発明の実施の形態2の熱式抵抗型湿度センサにおけるセンサチップの要部平面図である。図12に示すように、センサチップ41は、単結晶シリコン(Si)からなる半導体基板(支持基板)42と、半導体基板42上に形成された絶縁膜(図示は省略)と、上記絶縁膜上に形成されたヒータ(第1ヒータ)43と、ヒータ43に電源を供給する配線44a、44bと、ヒータ43上の層の温度分布を平均化する熱均一層45と、を有している。さらに、センサチップ41は、熱均一層45のチャージアップを防止する配線46と、ヒータ43を取り囲むように形成された補助ヒータ(第2ヒータ)47と、補助ヒータ47に電源を供給する配線48a、48bと、配線44a、44b、46、48a、48bのそれぞれを外部と接続する電極49a、49b、49c、49d、49eとを有している。
なお、ヒータ43、熱均一層45、補助ヒータ47は、半導体基板42を除去して形成された、後述する図13に示す空洞部42aの上部の絶縁膜の領域であるダイヤフラム50内に設けられ、かつ、半導体基板42から一定の距離離れた位置に配置され、さらに断熱された状態となっている。
ここで、図13は図12のC−C線に沿って切断した構造の断面図である。図13に示すように、半導体基板42上に第1の絶縁膜51、第2の絶縁膜52および第3の絶縁膜53が形成されている。さらに第3の絶縁膜53上にヒータ43と補助ヒータ47が設けられ、かつヒータ43、補助ヒータ47にそれぞれ電源を供給する図12に示す配線44a、44b、48a、48bが配置されている。そして、ヒータ43の上に、絶縁層54aを含む第4の絶縁膜54を介して熱均一層45と配線46が形成されている。
また、第4の絶縁膜54の上には第5の絶縁膜55、第6の絶縁膜56および第7の絶縁膜57が積層され、第7の絶縁膜57上には、接続部58を介して電極49cが形成されている。さらに、電極49cの腐食防止のため、一部を除いて保護膜59が形成されている。なお、保護膜59は、ヒータ温度の安定化のため、ヒータ43、補助ヒータ47上には配置しない方がよく、材質としては、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、ポリイミド膜などである。
また、上述したようにヒータ43と熱均一層45、および補助ヒータ47は、半導体基板42を除去して形成された空洞部42a上の絶縁膜の領域であるダイヤフラム50内に配置され、かつ半導体基板42から離れた距離に配置されている。
次に、台座60上に、形成したチップを接着剤62によって固定して、センサチップ41の製造を終える。なお、台座60には、ダイヤフラム50が密閉されないよう換気孔61が設けられ、接着剤62は換気孔61を塞がないように配置されている。また、本実施の形態2では、換気孔61が下面に空けられているが、溝などにより台座60の横方向に向かって形成され、外部に通じていてもよい。
ここで、本実施の形態2の湿度センサの要部の構造について説明すると、補助ヒータ47は、平面視において、半導体基板42とヒータ43との間の位置にヒータ43を囲むように設けられており、ヒータ43より加熱時の温度が低い。
また、図12に示すように、熱均一層45は、平面視で補助ヒータ47より内側の位置に配置され、かつ、図13に示すように、ヒータ43を覆っている。すなわち、熱均一層45は、ヒータ43と補助ヒータ47とに跨がって覆っていない。言い換えると、熱均一層45は、繋がった層の状態でヒータ43と補助ヒータ47の両者を覆ってはいない。
また、平面視における熱均一層45と補助ヒータ47との距離(L1)に比べて、平面視における補助ヒータ47と半導体基板42との距離(L2)の方が長い(L2>L1)。
本実施の形態2の湿度センサのその他の構造については、実施の形態1の湿度センサと同様であるため、その重複説明については省略する。
<本実施の形態2の湿度センサの効果>
図14は比較例のヒータ中心からの距離に対する温度プロファイルを環境温度ごとに示す図、図15は本発明の実施の形態2のヒータ中心からの距離に対する温度プロファイルを環境温度ごとに示す図である。図14および図15は、それぞれ図12のC−C線中のヒータ中心を基準にした温度プロファイルを示すものである。
図15に示すように、本実施の形態2の温度プロファイルにおいては、環境温度20℃(K)の場合であっても環境温度80℃(M)の場合であっても、図13の熱均一層45が設けられた領域(第1ヒータ領域HA1)は、上記実施の形態1と同様、ヒータ中心部が高温になるのを抑え、ヒータ領域の熱分布が均一化されているのが分かる。一方、熱均一層を有していない構造の図14に示す比較例の温度プロファイルでは、環境温度25℃(I)の場合であっても環境温度80℃(J)の場合であっても、ヒータ領域HAにおいて、ヒータ中心部が高温になっており、ヒータ領域での熱分布が均一化されていないことが分かる。
そして、本実施の形態2の熱均一層45を有した構造による図15に示す温度プロファイルによれば、補助ヒータ47を設け、かつ環境温度より高温にしておくことにより、湿度を検出する第1ヒータ領域HA1に影響を及ぼすことを低減することができる。また、空気の流れが発生した場合においても、第2ヒータ領域HA2により温度変化を緩和することができるため、熱均一層を有していない比較例の構造に比べて湿度検出精度が維持されることが分かる。
なお、この温度分布の変化に関して、第2ヒータ領域HA2が広くなるほど、また、補助ヒータ47の温度が高いほど温度変化を緩和する効果が大きくなる。ただし、第2ヒータ領域HA2が大きい場合、あるいは補助ヒータ47の温度が高い場合は、補助ヒータ47の消費電力が増加するため、全体の消費電力を考慮して、第2ヒータ領域HA2の大きさ、および温度を設計する必要がある。
ここで、ヒータ43の加熱時の温度は、例えば500℃以上であるが、補助ヒータ47の加熱時の温度に関しては、湿度検出電圧が立ち上がる300℃近傍が良好である。さらに、消費電力の観点から、熱均一層45は、平面視で補助ヒータ47と重ならないように配置することが望ましい。すなわち、熱均一層45は、ヒータ43と補助ヒータ47の両者に対して跨がって覆ってはいない。一例として、図13に示す構造では、熱均一層45はヒータ43のみを覆っており、補助ヒータ47は覆っていない。つまり、熱均一層45は、繋がった層の状態でヒータ43と補助ヒータ47の両者を覆っていなければよく、例えば、2つに分離した状態(繋がっていない状態)の熱均一層45が、個々に単独でヒータ43と補助ヒータ47を覆ってればよい。
また、図13に示すように、熱均一層45と補助ヒータ47との間隔L1より補助ヒータ47と半導体基板42との間隔L2を大きくする(L2>L1)ことにより、半導体基板42への熱伝達を防止することができ、湿度検出の精度を向上させることができる。
また、例えば、図10に示す流量センサと湿度センサを組み合わせた構造の場合には、センサチップ1は吸気入替口28により、吸気管21と繋がっており、絶えず吸気管21内の空気が出入りし、センサチップ1上には空気の流れが発生している。すなわち、センサチップ1上には空気の流れが発生しているため、温度プロファイルが空気の流れの影響を受けて変動し易くなる。
そこで、図10に示す構造においても、図12および図13に示すような補助ヒータ(第2ヒータ)47を設けることにより、吸気管21内の空気の温度の安定化を図ることができる。
本実施の形態2の湿度センサによって得られるその他の効果については、実施の形態1の湿度センサと同様であるため、その重複説明は省略する。
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
上記実施の形態1、2では、湿度センサのセンサチップの構造において、熱均一層がヒータの上面側に設けられている場合を説明したが、熱均一層は、ヒータの上面側と反対側の位置、すなわちヒータの下面側に設けられていてもよい。熱均一層がヒータの下面側に設けられた構造であっても、上記実施の形態1、2と同様の効果を得ることができる。
また、支持基板は半導体基板に限定されることはなく、セラミック基板などであってもよい。
1、41 センサチップ
2、42 半導体基板(支持基板)
2a、42a 空洞部
3、43 ヒータ(第1ヒータ)
4a、4b、44a、44b、48a、48b 配線
5、45 熱均一層
6、46 配線
7a、7b、7c、49a、49b、49c、49d、49e 電極
8、50 ダイヤフラム
9、51 第1の絶縁膜
10、52 第2の絶縁膜
11、53 第3の絶縁膜
12、54 第4の絶縁膜
12a、54a 絶縁層
13、55 第5の絶縁膜
14、56 第6の絶縁膜
15、57 第7の絶縁膜
47 補助ヒータ(第2ヒータ)

Claims (15)

  1. 空洞部を備えた支持基板と、
    前記支持基板上に配置された第1ヒータと、
    前記第1ヒータの上面側または下面側に設けられ、前記第1ヒータの熱伝導率以上の熱伝導率を有する熱均一層と、
    前記第1ヒータと前記熱均一層との間に配置された絶縁層と、
    を有し、
    前記空洞部上の絶縁膜の領域に前記第1ヒータと前記熱均一層とが配置され、
    前記熱均一層は、平面視で前記第1ヒータと重なるように配置されており、
    前記第1ヒータから出力される電圧の変化を用いて湿度の計測を行う、湿度センサ。
  2. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、熱伝導率が前記絶縁層の熱伝導率より大きい金属膜からなる、湿度センサ。
  3. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、前記第1ヒータと同一の材質からなる、湿度センサ。
  4. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層の厚さは、前記第1ヒータの厚さ以上である、湿度センサ。
  5. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、前記絶縁層と同一の材質からなる他の絶縁層内に配置されている、湿度センサ。
  6. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、グランド電位が供給されるグランド電極に電気的に接続されている、湿度センサ。
  7. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、平面視の大きさが、前記第1ヒータと同等もしくはそれ以下である、湿度センサ。
  8. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    平面視における前記支持基板と前記熱均一層との距離は、平面視における前記熱均一層の幅より長い、湿度センサ。
  9. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    平面視において前記支持基板と前記第1ヒータとの間には、前記第1ヒータより加熱時の温度が低い第2ヒータが設けられている、湿度センサ。
  10. 請求項9に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、平面視で前記第2ヒータより内側の位置で前記第1ヒータを覆っている、湿度センサ。
  11. 請求項9に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、前記第1ヒータと前記第2ヒータとに跨がって覆っていない、湿度センサ。
  12. 請求項8に記載の湿度センサにおいて、
    平面視における前記熱均一層と前記第2ヒータとの距離に比べて、平面視における前記第2ヒータと前記支持基板との距離の方が長い、湿度センサ。
  13. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    平面視における前記熱均一層の中心と前記第1ヒータの中心とが一致している、湿度センサ。
  14. 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
    前記熱均一層は、熱伝導率が前記第1ヒータの熱伝導率より大きい金属膜からなる、湿度センサ。
  15. ヒータから出力される電圧の変化を用いて湿度を計測する湿度センサの製造方法であって、
    (a)支持基板上に絶縁膜を設ける工程、
    (b)前記絶縁膜上に金属膜からなる前記ヒータ、および前記ヒータに繋がる配線を形成する工程、
    (c)前記ヒータ上に絶縁層を介して熱均一層、および前記熱均一層に繋がる配線を形成する工程、
    (d)前記熱均一層上に他の絶縁膜を形成する工程、
    (e)前記支持基板における前記ヒータの下部の領域に空洞部を形成する工程、
    を有し、
    前記熱均一層は、前記ヒータの熱伝導率以上の熱伝導率を有し、
    前記空洞部上の前記絶縁膜の領域に前記第1ヒータと前記熱均一層とを配置し、
    前記(c)工程において、前記熱均一層を、平面視で前記ヒータと重なるように配置する、湿度センサの製造方法。
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