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

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。

Images