JP3610484B2

JP3610484B2 - Thermal air flow meter

Info

Publication number: JP3610484B2
Application number: JP22596199A
Authority: JP
Inventors: 林太郎南谷; 彰夫保川; 信弥五十嵐; 昌宏小町谷
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: JP2001050787A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気流量計に係り、特に、熱式の空気流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気流量計として、質量空気量を直接検知できることから熱式の空気流量計が主流となってきている。特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された測定素子を備えた熱式空気流量計が、コストが低減できることや、低電力で駆動できることなどから注目されてきている。このような熱式空気流量計としては、特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されているものがある。特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されている熱式空気流量計の測定素子では、半導体基板上に電気絶縁膜が形成され、この電気絶縁膜上に平行に延材する複数の抵抗体が形成されており、電気絶縁膜の抵抗体が形成された領域に対応する半導体基板の部分が除去されて空洞が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されているような熱式空気流量計の測定素子では、抵抗体が形成されている領域に対応する半導体基板の部分が除去され空洞が形成されているため、この空洞に対応する電気絶縁膜の部分は、ダイヤフラム状になっており、両面が直接環境に曝されている。さらに、電気絶縁膜は、脆性の無機材料、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などで形成されている。したがって、流量の測定対象となる空気中に砂、塩、そしてその他の塵埃などの個体粒子が含まれ、このような粒子が電気絶縁膜のダイヤフラム部に衝突すると、電気絶縁膜、すなわち測定素子が破壊されてしまい、空気流量の計測ができなくなってしまう場合があり、信頼性に欠ける。
【０００４】
本発明の課題は、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱式空気流量計は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、この電気絶縁膜上に形成された抵抗体とを備え、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する部分の半導体基板を除去して空洞を形成することによって、電気絶縁膜の抵抗体の本体部が形成された領域をダイヤフラム部とした熱式空気流量計において、電気絶縁膜上の少なくともダイヤフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆い、かつ、電気絶縁膜のダイヤフラム部の抵抗体の本体部が形成された領域には保護膜は形成されていない構成とすることにより、上記課題を解決する。また、電気絶縁膜のダイヤフラム部の抵抗体の本体部が形成された領域を除いた部分を有機材料からなる保護膜で覆った構成とすることにより、上記課題を解決する。
【０００６】
このような構成とすれば、有機材料からなる膜は一般に軟質であるため、粒子の衝突エネルギの吸収能が無機材料からなる膜よりも高く、粒子の衝突による電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。さらに、電気絶縁膜のダイヤフラム部の中央部では、ダイヤフラム部の撓み、つまり変形により粒子の衝突エネルギの吸収能が大きいが、半導体基板で拘束されているダイヤフラム部の周縁部では、粒子の衝突エネルギの吸収能が小さい。このため、膜の破壊は、電気絶縁膜のダイヤフラム部の周縁部で起こり易い。したがって、電気絶縁膜上の少なくとも空洞の周縁部に対応する領域に有機材料からなる保護膜を形成し、さらに、保護膜を形成した領域が、少なくとも、粒子の衝突エネルギよりも電気絶縁膜の変形エネルギが小さい領域を含んでいれば電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。すなわち、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することができる。
【０００７】
なお、有機材料は、より軟質のものを用いた方が、粒子の衝突エネルギの吸収能が大きいので好ましい。さらに、有機材料は、高分子材料であることが好ましい。また、有機材料は、抵抗体の発熱により保護膜を形成する領域が達する最高温度以上の耐熱性を有する材料を選択すれば、保護膜の熱による劣化を防げるので好ましい。
【０００８】
また、保護膜を通して侵入する水分により電気絶縁膜表面の微細な傷、すなわちマイクロクラックが広がり、粒子の衝突によるマイククラックを起点として第１の電気絶縁膜の破壊が起こるような場合には、電気絶縁膜が、抵抗体が形成された第１の電気絶縁膜と、この第１の電気絶縁膜上に抵抗体を覆って形成された第２の電気絶縁膜とからなり、第２の電気絶縁膜上に保護膜を形成する。このように電気絶縁膜を２層にすれば、有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合でも、第２の電気絶縁膜が、水分の透過を妨げ、第１の電気絶縁膜表面のマイクロクラックが広がるのを抑えるため、粒子の衝突によるマイククラックを起点とする電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。
【０００９】
また、電気絶縁膜のダイヤフラム部の中央部で粒子の衝突による破壊が発生する場合には、保護膜が、空洞の周縁部に対応する領域から内側全体に抵抗体を覆って形成されていれば、電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。
【００１０】
また、前記有機材料がポリイミドであれば耐熱性が高いため、抵抗体の発熱による保護膜の劣化を防ぐことがことができるので好ましい。さらに、ポリイミドの連続使用温度が２５０℃付近であることから、保護膜が形成された領域が、抵抗体の発熱により達する温度が２５０℃以下の領域であることが好ましい。
【００１１】
また、保護膜の膜厚が１０μｍ以下であれば、抵抗体が周囲から十分に熱絶縁され、感度の高い流量測定が行えるので好ましい。
【００１２】
また、ポリイミドが、酸無水物にビフェニルテトラカルボン酸を有していれば、耐水性が得られるため、水分による保護膜の剥離を防ぐことができるので好ましい。
【００１３】
また、電気絶縁膜が二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成され、ポリイミドが、ジアミン成分にシロキサン化合物を含んでいれば、保護膜と電気絶縁膜との密着性が向上するため、水分による保護膜の剥離を防ぐできるので好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる熱式空気流量計の一実施形態を、図１乃至図７を参照して説明する。図１（ａ）は、熱式空気流量計の測定素子の概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図である。図２は、熱式空気流量計の概略構成を示す断面図である。図３は、電気絶縁膜の粒子の衝突による破壊のメカニズムを示す図である。図４は、ポリイミド膜と二酸化ケイ素膜との圧縮試験の結果を示す図である。図５は、粒子の運動エネルギとダイヤフラム部の変形エネルギとの関係を示す図である。図６は、粒子衝突時のダイヤフラム部に発生する最大曲げ応力を示す図である。図７は、発熱抵抗体の発熱によるダイヤフラム部表面の温度分布を示す図である。なお、本実施形態の熱式空気流量計は、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、吸入空気量を測定するものである。
【００１５】
本実施形態の熱式空気流量計に備えられた測定素子１は、図１に示すように、半導体基板３、電気絶縁膜５、２本の発熱抵抗体７、９、発熱抵抗体７、９の温度を計測するための測温抵抗体１１、空気温度を計測するための空気温度測温抵抗体１３、そして電気絶縁膜５を保護する保護膜１５などで構成されている。シリコンなどからなる半導体基板３上に形成された電気絶縁膜５は、半導体基板３上に形成された電気絶縁性と熱絶縁性を有する膜、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜や窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜で補強された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜などであり、電気絶縁膜５上には、半導体材料、例えば多結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素などからなる２本の発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３などが形成されている。
【００１６】
空気流１７に対して上流側に形成された発熱抵抗体７、下流側に形成された発熱抵抗対９、そして測温抵抗体１１は、互いに平行に延在させて形成されており、測定素子１のほぼ中央部に、２本の発熱抵抗体７、９が測温抵抗体１１を挟んで対称に形成されている。また、発熱抵抗体７、９、そして測温抵抗体１１は、各々複数回折り返して形成されている。２本の発熱抵抗体７、９は、発熱抵抗体７、９の一方の端部を電気的に接続する配線１９により直列に接続されており、発熱抵抗体７、９の他方の端部は、各々、測定素子１の縁部に形成された端子電極２０ａ、２０ｂに配線２１ａ、２１ｂで電気的に接続されている。配線１９の中間部からは配線２３が引き出され、配線２３は、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂが形成されている側の縁部に形成された端子電極２０ｃに接続されている。測温抵抗体１１には、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部に形成された２つの端子電極２５ａ、２５ｂが、各々配線２７ａ、２７ｂにより直列に接続されている。なお、発熱抵抗体７、９、そして測温抵抗体１１は、各々、端子電極２０ａ、２０ｂ、２５ａ、２５ｂと配線２１ａ、２１ｂ、２７ａ、２７ｂなどを含む発熱抵抗体と測温抵抗体の本体部を意味している。
【００１７】
電気絶縁膜５の２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域に対応する半導体基板３の部分は、異方性エッチングにより電気絶縁膜５との境界面まで除去されて空洞２９となっており、発熱抵抗体７、９を熱絶縁している。したがって、電気絶縁膜５の空洞２９に対応する部分であるダイヤフラム部３０は、両面が直接環境に曝されている。空気温度測温抵抗体１３は、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部と反対側の縁部に形成されており、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部に形成された２つの端子電極３１ａ、３１ｂと、各々配線３３ａ、３３ｂにより直列に接続されている。なお各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂと各配線１９、２１ａ、２１ｂ、２３、２７ａ、２７ｂ、３３ａ、３３ｂは、金やアルミニウムなどの導電性材料の鍍金や蒸着などにより形成されている。
【００１８】
保護膜１５は、電気絶縁性を有しかつ軟質な有機材料からなる膜であり、電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する領域から外側部分を覆うように形成されている。また、半導体素子１の各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂが形成されている縁部側の電気絶縁膜５上には、電気的接続を行うため、保護膜１５は形成されていない。すなわち、保護膜１５は、空洞２９の周縁部よりも内側の２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている部分と、端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂとが形成されている部分とを除いた電気絶縁膜５上を覆うように形成されている。
【００１９】
本実施形態の熱式空気流量計は、図２に示すように、測定素子１を支持する支持体３７、そして外部回路３９などを備えている。測定素子１と外部回路３９とは、測定素子１の各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１と外部回路３９との間の、支持体３７により保護された図示していない配線により電気的に接続されている。測定素子１は、電子制御燃料噴射装置の吸気通路４１内部にある副通路４３内に配置され、外部回路３９は、吸気通路４１の外壁面に設置されている。
【００２０】
本実施形態の熱式空気流量計の流量計測において、発熱抵抗体７、９には、発熱抵抗体７、９の温度を計測する測温抵抗体１１の温度が空気流１７の温度を計測する空気温度測温抵抗体１３の温度より一定温度高くなるような加熱電流、すなわち傍熱電流が流されている。このとき、測温抵抗体１１に対して対称に形成された発熱抵抗体７、９の各々の温度、すなわち、温度に対応した各々の抵抗値を比較することにより空気流の方向を検知することができる。例えば、空気流がゼロならば、発熱抵抗体７、９は、測温抵抗体１１の温度とほぼ同じ温度を示す。発熱抵抗体７、９は直列接続であり、同じ加熱電流が流れているため、発熱抵抗体７、９の発熱量はほぼ一定である。このため、図１に示す空気流１７の方向、すなわち、順流では、主に発熱抵抗体７の方が、発熱抵抗体９よりも空気流１７による冷却効果が大きく、発熱抵抗体７の温度が発熱抵抗体９の温度より低い値となり、空気流１７と逆方向、すなわち、逆流では、発熱抵抗体９の温度の方が発熱抵抗体７の温度より低い値となる。このように、発熱抵抗体７、９の温度、すなわち、温度に対応する抵抗値を比較することにより、空気流１７の方向を検知できる。なお、発熱抵抗体７、９の抵抗値は、各々、端子電極２０ａと２０ｃ、端子電極２０ｂと２０ｃの端子間電圧から求められる。空気流量は、測温抵抗体１１での測定温度を空気温度測温抵抗体１３での測定温度より一定温度高く制御するために、発熱抵抗体７、９に流す加熱電流の値から算出される。
【００２１】
ここで、電気絶縁膜５上に形成された一対の発熱抵抗体７、９には、上記のように、加熱電流が流されているため、発熱抵抗体７、９は２００〜３００℃に加熱されており、発熱抵抗体７、９に加えて電気絶縁膜５や測温抵抗体１１なども高温に曝されている。したがって、保護膜１５を構成する有機材料としては、熱変形温度や熱変性温度と連続使用温度とが共に高く、かつ半導体マイクロマシニング技術による製造工程で採用できる材料を選択することが好ましい。このような性質を有する樹脂として熱硬化性樹脂のポリイミドが知られている（プラスチック、１９９９年４月号別冊、８６ページ）。さらに、保護膜１５は、２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域の空洞２９の周縁部よりも内側の部分と、端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂとが形成されている部分を除いた電気絶縁膜５上を覆うように形成するため、半導体マイクロマシニング技術による製造工程による保護膜１５の形成においては、部分的なエッチングができる材料、すなわち感光性レジスト材料であることが好ましい。
【００２２】
このため、本実施形態では、保護膜１５を形成する有機材料として、次の構造式（１）で表されるポリイミド、
【００２３】
【化６】

【００２４】
すなわち、２つのベンゼン環を繋げた構造にその特徴を有し、酸無水物としてビフェニルテトラカルボン酸を有するポリイミドを用いている。ただし、構造式（１）において、Ｒ１は炭素（Ｃ）の数が２つ以上の２価の有機基、例えば、本実施形態では次の構造式（５）の有機基、ｎは１より大きい整数である。
【００２５】
【化７】

【００２６】
さらに、保護膜１５を形成するポリイミドは、ジアミン化合物として、構造式（２）のシロキサン成分を含んでいる。
【００２７】
【化８】

【００２８】
ただし、構造式（２）において、Ｒ２は１価の有機基、またｐは１より大きい整数である。さらに、シロキサン化合物として、具体的には、次の構造式（３）、または（４）のジアミンシロキサンを含有している。
【００２９】
【化９】

【００３０】
【化１０】

【００３１】
ただし、構造式（３）、（４）において、Ｒ３とＲ５とは２価の有機基、Ｒ４とＲ６とは１価の有機基、またｑとｒは１より大きい整数である。なお、構造式（１）のポリイミドは、原料段階では、アクリル系の感光基、例えばオキシエチルメタクリレート基などが導入された感光性ポリイミドである。
【００３２】
測定素子１の製造は、まず、ＣＶＤ、フォトエッチング法などを用いる半導体マイクロマシニング技術により半導体基板３上に電気絶縁膜５を、電気絶縁膜５上に発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３などを形成する。次に、ポリイミドの原料となるポリアミド酸溶液をスピンコータにより電気絶縁膜５上に塗布した後、保護膜１５を形成しない領域、すなわち発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域の空洞２９の周縁部よりも内側の部分と、端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている部分とをマスクして露光し、現像を行う。その後、溶剤を気化させ、イミド化反応を促進させ、そして感光基をアルコールとして蒸発させるのに必要な温度に設定された加熱炉中で一定時間、例えば２７０℃で３０分、次いで４００℃で３０分熱処理することにより、構造式（１）のポリイミドからなる保護膜１５を有する測定素子１が１つの半導体基板上に複数個の形成される。最終的に、これを個々の測定素子１にダイシングにより切断する。このとき、保護膜１５の厚さは、ポリアミド酸溶液の濃度と粘度に依存するが、通常１０μｍ程度である。これよりも薄い膜が必要な場合には粘度を低く、厚い膜が必要な場合には粘度を高くするように溶剤を調整する。特に厚手の膜が必要な場合には、ポリアミド酸溶液の塗布と熱処理をくり返し、多層膜にすればよい。
【００３３】
ところで、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置では、外気を吸入するため、流量の測定対象となる空気には、砂や塩、その他の塵埃などの固体粒子が含まれている。自動車などの内燃機関などでは、吸入された外気中のこのような粒子を除去するため、通常、メッシュサイズ１５μｍのエアーフィルタが備えられている。しかし、粒径がほぼ１５μｍよりも大きい粒子はエアーフィルタによって除去されるが、粒径がほぼ１５μｍ以下の粒子はエアーフィルタを通過してしまい、熱式空気流量計の測定素子１に直接衝突する場合がある。したがって、脆性な無機材料である二酸化ケイ素などからなる電気絶縁膜５のみでは、粒子の衝突時の運動エネルギをダイヤフラム部３０の変形では吸収しきれずに、衝突位置に局所的な応力が発生し、電気絶縁膜５が破壊されてしまう場合がある。すなわち、粒子の運動エネルギが、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の変形エネルギ、つまりダイヤフラム部３０が吸収できるエネルギよりも大きい場合、図３に示すように、粒子の衝突位置の荷重が増大して行き、粒子の衝突の応力がダイヤフラム部３０で吸収できるエネルギの限界を超えると、ダイヤフラム部３０の粒子の衝突位置から亀裂が発生して膜が破壊されてしまう。
【００３４】
しかし、保護膜１５を構成する構造式（１）のようなポリイミド、すなわち軟質な有機材料であるポリイミドからなる膜は、図４の直径１００μｍの圧子による二酸化ケイ素膜とポリイミド膜の圧縮試験の結果に示すように、二酸化ケイ素膜に比べて膜自体のエネルギ吸収能が４〜５倍大きい。このため、ポリイミドからなる保護膜１５を備えた測定素子１では、ダイヤフラム部３０の変形だけでなく、保護膜１５自体が粒子の衝突エネルギーを吸収するため、粒子の衝突による電気絶縁膜５、すなわち測定素子１の破壊を防ぐことができる。本実施形態の場合、エアーフィルタを通過するほぼ１５μｍのダストが、想定される最大流速５０ｍ／ｓで衝突した場合、粒子の衝突位置の最大変形量は、二酸化ケイ素膜で０．４μｍ、ポリイミド膜で１．１μｍとなるので、保護膜１５は、粒子の運動エネルギを吸収するために、２μｍ以上の膜厚が必要となる。
【００３５】
ここで、測定素子１への粒子４５の衝突位置には、図１に示すように、衝突位置Ａ、Ｂ、Ｃの３種類がある。衝突位置Ａは、半導体基板３に対応する電気絶縁膜５上の部分に、衝突位置Ｂは、空洞２９の周縁部に対応する電気絶縁膜５上の部分、つまりダイヤフラム部３０の周縁部上に、そして衝突位置Ｃは、空洞２９の中央部に対応する電気絶縁膜５上の部分、つまりダイヤフラム部３０の中央部上にある。なお、粒子４５は、本実施形態における測定素子１に衝突する可能性がある最大の粒径、つまりほぼ１５μｍの粒子である。測定素子１が保護膜１５を備えていない場合、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０に粒子４５が衝突したときのダイヤフラム部３０の変形エネルギ、つまり衝突エネルギ吸収能は、図５に示すように、粒子４５の衝突位置がダイヤフラム部３０の周縁部、すなわち電気絶縁膜と空洞２の境界部に近いほど小さくなっている。また、電気絶縁膜５が本実施形態のような二酸化ケイ素膜よりも弾性の高い材料で形成されている場合でも、粒子４５の衝突時のダイヤフラム部３０の最大曲げ応力は、図６に示すように、粒子４５の衝突位置がダイヤフラム部３０の周縁部に近いほど大きくなっている。これらのことから、電気絶縁膜５の弾性に関わらず、半導体基板３によって拘束されているダイヤフラム部３０の周縁部、すなわち衝突位置Ｂ近傍の方が、衝突位置Ｃ近傍、つまりダイヤフラム部３０の中央部に比べて粒子４５の衝突による破壊が起こり易いことがわかる。
【００３６】
本実施形態では、図５に示すように、ダイヤフラム部３０の中央部での変形エネルギが粒子４５の運動エネルギよりも大きいため、ダイヤフラム部３０の中央部に保護膜１５を形成しなくても、衝突位置Ｃ近傍への粒子４５の衝突によるダイヤフラム部３０の破壊は起こり難い。したがって、ダイヤフラム部３０の周縁部の、粒子４５の運動エネルギよりもダイヤフラム部３０の変形エネルギの方が小さい領域から外側の電気絶縁膜５を覆うようにポリイミドからなる保護膜１５を形成することで、粒子４５の衝突による電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の破壊を防いでいる。実際に直径２０μｍの圧子により、窒化ケイ素で補強された二酸化ケイ素膜と、ポリイミドの保護膜を表面に形成した二酸化ケイ素膜とで曲げ試験を行った結果、保護膜を形成した二酸化ケイ素膜は、保護膜のない窒化ケイ素で補強された二酸化ケイ素膜に比べて破壊に対する強度が約２倍程度大きいことがわかった。
【００３７】
一方、保護膜１５となる有機材料の連続使用温度よりも高温で使用すると保護膜１５が劣化し、粒子４５の衝突による測定素子１の破壊を防げなくなる場合がある。このような場合、保護膜１５の材質に応じ、その材質の連続使用温度以下の領域に保護膜１５を形成することが好ましい。発熱抵抗体７、９の発熱により、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の発熱抵抗体７、９近傍や測温抵抗体１１が形成された部分は、図７に示すように、高温状態になっている。しかし、電気絶縁膜５は、発熱抵抗体７、９に比べて薄く、熱伝導性が低いため、ダイヤフラム部３０の温度は、ダイヤフラム部３０の端部に向かうにしたがって環境温度程度にまで低下している。また、ポリイミドの連続使用温度は２５０℃以下である。したがって、温度が２５０℃以下になるダイヤフラム部３０の周縁部から外側の電気絶縁膜５を覆うように保護膜１５を形成すれば保護膜１５の熱による劣化を防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態では、上記のような電気絶縁膜５のエネルギ吸収能と保護膜１５の熱劣化との観点から、ダイヤフラム部３０上の保護膜１５の形成幅の適正値について検討した結果、ダイヤフラム部３０上の保護膜１５の形成幅が、ダイヤフラム部３０の端部から発熱抵抗体までの距離の０．３から０．８の比率になるように形成している。
【００３９】
このように、本実施形態の熱式空気流量計では、測定素子１が軟質な有機材料からなる保護膜１５を備えており、測定素子１の表面に粒子４５が衝突しても、粒子４５の運動エネルギを保護膜１５が吸収するため、測定素子１の破壊を抑制することができる。すなわち、測定素子１の信頼性を向上することができる。
【００４０】
さらに、保護膜１５が他の有機材料に比べ耐熱性に優れたポリイミドで形成されているため、発熱抵抗体７、９などの発熱による材質の劣化を抑え、長期にわたり固体粒子の衝突による測定素子１の破壊を防ぐことができる。加えて、本実施形態では、保護膜１５は、酸無水物が２つのベンゼン環を繋げた構造のビフェニルテトラカルボン酸からなる構造式（１）のポリイミドで形成されているため、保護膜１５が耐水性を有している。また、保護膜１５は、構造式（２）、具体的には構造式（３）または（４）で表されるシロキサン化合物を含有するポリイミドで形成されているため、保護膜１５のシロキサン化合物のケイ素と二酸化ケイ素膜である電気絶縁膜５のケイ素とが酸素を介して結合し、保護膜１５と電気絶縁膜５との密着性を向上している。これにより、熱式空気流量計の製造時や使用時に測定素子１が曝される水分が保護膜１５と電気絶縁膜５との境界部などに侵入し保護膜１５の腐食や剥離を防ぐことができる。したがって、本実施形態の測定素子１は、保護膜１５の劣化や、環境中の水分による保護膜１５の腐食や剥離などを抑えることができ、長期の使用において粒子の衝突による測定素子１の破壊を防ぐことができる。
【００４１】
また、測定素子１のダイシング工程では、半導体基板３の発熱を抑えるために冷却水により測定素子１が冷却されるが、この冷却水の水圧により、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の表面に存在する微細な傷、すなわちマイクロクラックを起点として電気絶縁膜５が破壊する場合がある。しかし、本実施形態の測定素子１では、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０表面のマイクロクラックは保護膜１５により埋められるため、ダイシング工程における冷却水の水圧による電気絶縁膜５の破壊を抑制できる。
【００４２】
さらに、電気絶縁膜５、発熱抵抗体７、９、測熱対抗体１１を形成する場合、形成温度や熱処理などにより電気絶縁膜５に内部応力が発生する。二酸化ケイ素からなる電気絶縁膜５では、成膜時に圧縮の内部応力が発生するため、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０に撓みが発生し、しわが寄り易い。ダイヤフラム部３０でのしわの発生は、外観の問題と共に測定素子１の流量計測特性に悪影響を及ぼす。しかし、本実施形態では、有機材料であるポリイミドからなる保護膜１５が形成されており、有機材料からなる膜は無機材料からなる膜に比べて成膜時に発生する圧縮の内部応力が小さいため、電気絶縁膜５の撓みを抑え、しわの発生を抑えることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、保護膜１５が電気絶縁膜５上の、空洞２９の周縁部に対応する部分から外側を覆うように形成されているが、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の中央部のエネルギ吸収能よりも衝突する粒子４５の運動エネルギが大きい場合や、発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１近傍にしわが発生し易い場合などは、図８に示すように、発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３を覆うように、端子電極２０ａ、２０ｂが形成されている部分を除き、電気絶縁膜５上全体に保護膜１５を形成してもよい。この場合、二酸化ケイ素からなる電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０は、発熱抵抗体７、９を周囲から熱絶縁する役割があるため、保護膜１５の膜厚が厚くなると熱絶縁性が低下してしまう。従来の熱式空気流量計の測定素子では、電気絶縁膜５を、発熱抵抗体を形成した第１の電気絶縁膜と、第１の電気絶縁膜上に抵抗体を覆うように形成した第２の電気絶縁膜とで形成する場合があるが、第２の電気絶縁膜となる二酸化ケイ素膜の膜厚は、熱絶縁性を考慮し１μｍ程度にしている。この第２の電気絶縁膜をポリイミド膜に置き換えたと考えると、ポリイミドの熱伝導率が二酸化ケイ素の約１／１０程度であることから、ポリイミドからなる保護膜１５の膜厚は、１０μｍ以下であればよい。したがって、保護膜１５は、２μｍ以上、１０μｍ以下の所定の膜厚で形成すればよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、保護膜１５が電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する部分から外側部分全体に形成されているが、保護膜１５は、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０を保護することを目的とするため、半導体基板３に対応する電気絶縁膜５上の部分全体に保護膜１５が形成されている必要はない。したがって、保護膜１５は、少なくとも電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する領域、すなわち半導体基板３と空洞２９との境界部に対応する領域に形成されていればよい。
【００４５】
また、本実施形態では保護膜１５を形成する有機材料としてポリイミドを用いたが、本発明はこれに限らず様々な有機材料、例えばポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリプロピレンなどにより保護膜１５を形成しても同様の効果を得ることができる。ただし、保護膜１５として用いる有機材料は、測定素子１が曝される環境条件や抵抗体などの発熱温度、また保護膜１５の製造方法や必要な膜厚などを考慮して適宜選択すればよい。保護膜１５を半導体マイクロマシニング技術により膜厚が数μｍの膜として形成し、保護膜１５を形成する領域の最高温度が約１５０℃程度である場合には、感光性レジスト材料であるフェノール樹脂や環化イソプレン樹脂などを用いてもよい。予め形成した膜を電気絶縁膜５上に張ることで保護膜１５を形成する場合や、膜厚が数十μｍ程度でもよい場合などでは、保護膜１５を形成する領域の最高温度が約２００℃程度であればポリフェニレンサルファイドなどを、最高温度が約１５０℃程度であればエポキシ樹脂、ポリスルフォンなどを用いてもよい。さらに、本実施形態の保護膜１５は、シロキサン化合物を含むポリイミドにより形成されているが、電気絶縁膜５がケイ素を含まない材料で形成されている場合には、保護膜１５は、シロキサン化合物を含有していなくてもよい。
【００４６】
ところで、保護膜１５を形成する有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合、保護膜１５を通して侵入する水分により、電気絶縁膜５表面のマイクロクラックが進展して広がり、粒子４５の衝突時にマイククラックを起点として電気絶縁膜５が破壊され易くなる場合がある。このような場合には、図９、１０に示すように、電気絶縁膜５を表面に発熱抵抗体７、９などが形成された二酸化ケイ素などの無機材料からなる第１の電気絶縁膜５ａと、第１の電気絶縁膜５ａ上に発熱抵抗体７、９など覆うように形成された第１の電気絶縁膜５ａと同様の材料からなる第２の電気絶縁膜５ｂとで構成し、第２の電気絶縁膜５ｂ上に保護膜１５を形成するようにしてもよい。このとき、保護膜１５は、測定素子１を構成する材料の性質や、測定素子１が曝される環境条件などに応じて、図９に示すように、電気絶縁膜５ｂの空洞２９の周縁部に対応する領域から外側の部分を覆うように形成してもよいし、図１０に示すように、電気絶縁膜５ｂ全体を覆うように形成してもよい。このように測定素子１を形成すれば、有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合でも、水分の侵入を第２の電気絶縁膜５が抑えるため、第１の電気絶縁膜５ａ表面のマイクロクラックの進展による、粒子４５の衝突によるマイククラックを起点とする第１の電気絶縁膜５ａの破壊などを防ぐことができる。
【００４７】
また、本実施形態では、測定素子１は、複数回折り返して形成した発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１などを備えているが、本発明はこれに限らず様々な構成、例えば、発熱抵抗体が測温抵抗体を兼ねているため測温抵抗体を備えていない測定素子や、発熱抵抗体などが複数回折り返して形成されておらず１本の直線状に形成された測定素子などにも適用できる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、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を測定するための熱式空気流量計に関して説明したが、本発明はこれに限らず、様々な用途の熱式空気流量計に適用できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる熱式空気流量計に設けられた測定素子の一実施形態の（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図及び粒子の動作を示す図である。
【図２】本発明を適用してなる熱式空気流量計の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図３】電気絶縁膜の粒子の衝突による破壊のメカニズムを示す図である。
【図４】ポリイミド膜と二酸化ケイ素膜との圧縮試験の結果を示す図である。
【図５】粒子の運動エネルギとダイヤフラム部の変形エネルギとの関係を示す図である。
【図６】粒子衝突時のダイヤフラム部に発生する最大曲げ応力を示す図である。
【図７】発熱抵抗体によるダイヤフラム部表面の温度分布を示す図である。
【図８】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂでの拡大断面図である。
【図９】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の拡大断面図である。
【図１０】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の拡大断面図である。
【符号の説明】
１測定素子
３半導体基板
５電気絶縁膜
７，９発熱抵抗体
１１測温抵抗体
１５保護膜
２９空洞
３０ダイヤフラム部
４５固体粒子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air flow meter, and more particularly to a thermal air flow meter.
[0002]
[Prior art]
As an air flow meter, a thermal air flow meter has become the mainstream because it can directly detect the amount of mass air. In particular, a thermal air flow meter equipped with a measuring element manufactured by a semiconductor micromachining technique has attracted attention because it can be reduced in cost and can be driven with low power. As such a thermal air flow meter, there is one proposed in JP-A-10-311750. In a measuring element of a thermal air flow meter proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-311750, etc., an electrical insulating film is formed on a semiconductor substrate, and a plurality of resistors extending in parallel on the electrical insulating film are provided. A cavity is formed by removing the portion of the semiconductor substrate corresponding to the region where the resistor of the electrical insulating film is formed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In a measurement element of a thermal air flow meter as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-311750, a portion of a semiconductor substrate corresponding to a region where a resistor is formed is removed and a cavity is formed. The portion of the electrical insulating film corresponding to this cavity is in the form of a diaphragm, and both surfaces are directly exposed to the environment. Furthermore, the electrical insulating film is made of a brittle inorganic material such as silicon dioxide (SiO2). ₂ ) Etc. Therefore, when the solid particles such as sand, salt, and other dust are contained in the air whose flow rate is to be measured, and such particles collide with the diaphragm portion of the electrical insulation film, the electrical insulation film, that is, the measurement element is It may be destroyed and the air flow rate may not be measured, which is unreliable.
[0004]
An object of the present invention is to improve the reliability of a measuring element of a thermal air flow meter.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The thermal air flow meter of the present invention includes a semiconductor substrate, an electric insulating film formed on the semiconductor substrate, and a resistor formed on the electric insulating film, and a main body portion of the resistor is formed. In the thermal air flow meter in which the region where the body portion of the resistor body of the electrical insulating film is formed is removed by removing the semiconductor substrate corresponding to the region, the diaphragm is formed on the electrical insulating film. Cover at least the periphery of the diaphragm with a protective film made of an organic material. And a protective film is not formed in the region where the main body of the resistor of the diaphragm portion of the electrical insulating film is formed. By adopting a configuration, the above-described problems are solved. Moreover, the said subject is solved by setting it as the structure which covered the part except the area | region in which the main-body part of the resistor of the diaphragm part of the electrical insulating film was formed with the protective film which consists of organic materials.
[0006]
With such a configuration, since the film made of an organic material is generally soft, the ability to absorb the collision energy of particles is higher than that of a film made of an inorganic material, and the electric insulation film can be prevented from being broken by the collision of particles. it can. Furthermore, in the central portion of the diaphragm portion of the electrical insulating film, the ability to absorb the collision energy of the particles is large due to the deflection of the diaphragm portion, that is, deformation, but in the peripheral portion of the diaphragm portion restrained by the semiconductor substrate, the collision energy of the particles is large. The absorption capacity of is small. For this reason, the destruction of the film is likely to occur at the peripheral portion of the diaphragm portion of the electrical insulating film. Therefore, a protective film made of an organic material is formed in a region corresponding to at least the peripheral edge of the cavity on the electric insulating film, and the region where the protective film is formed is at least deformed of the electric insulating film more than the collision energy of particles. If an area with low energy is included, the electric insulating film can be prevented from being broken. That is, the reliability of the measuring element of the thermal air flow meter can be improved.
[0007]
Note that it is preferable to use a softer organic material because it has a higher ability to absorb the collision energy of particles. Furthermore, the organic material is preferably a polymer material. For the organic material, it is preferable to select a material having heat resistance equal to or higher than the maximum temperature reached by the region where the protective film is formed due to the heat generated by the resistor, since deterioration of the protective film due to heat can be prevented.
[0008]
In addition, in the case where fine scratches on the surface of the electric insulating film, that is, microcracks spread due to moisture entering through the protective film, and the first electric insulating film is destroyed starting from a microphone crack caused by particle collision, The insulating film includes a first electric insulating film in which a resistor is formed and a second electric insulating film formed on the first electric insulating film so as to cover the resistor, and the second electric insulating film film Keep on Form a protective film. If the electric insulating film is formed in two layers as described above, even when an organic material having a high water permeability is used, the second electric insulating film prevents the water from passing through and the surface of the first electric insulating film In order to prevent the microcracks from spreading, it is possible to prevent breakage of the electrical insulating film starting from microphone cracks caused by particle collision.
[0009]
In addition, in the case where breakdown due to particle collision occurs in the central portion of the diaphragm portion of the electrical insulating film, the protective film is formed so as to cover the resistor from the region corresponding to the peripheral portion of the cavity to the entire inside. In addition, the electrical insulating film can be prevented from being broken.
[0010]
Moreover, since the heat resistance is high if the organic material is polyimide, it is preferable because deterioration of the protective film due to heat generation of the resistor can be prevented. Furthermore, since the continuous use temperature of polyimide is around 250 ° C., the region where the protective film is formed is preferably a region where the temperature reached by the heat generation of the resistor is 250 ° C. or less.
[0011]
Moreover, if the film thickness of the protective film is 10 μm or less, it is preferable because the resistor is sufficiently thermally insulated from the surroundings and a highly sensitive flow rate measurement can be performed.
[0012]
In addition, it is preferable that the polyimide has biphenyltetracarboxylic acid in the acid anhydride, because water resistance can be obtained, and peeling of the protective film due to moisture can be prevented.
[0013]
In addition, the electrical insulating film is silicon dioxide (SiO 2 ₂ It is preferable that the polyimide contains a siloxane compound in the diamine component because adhesion between the protective film and the electrical insulating film is improved, and peeling of the protective film due to moisture can be prevented.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a thermal air flow meter to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a schematic plan view of a measuring element of a thermal air flow meter, and FIG. 1B is an enlarged sectional view taken along line AA of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the thermal air flow meter. FIG. 3 is a diagram showing a mechanism of destruction due to collision of particles in the electrical insulating film. FIG. 4 is a diagram showing the results of a compression test between a polyimide film and a silicon dioxide film. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the kinetic energy of particles and the deformation energy of the diaphragm portion. FIG. 6 is a diagram showing the maximum bending stress generated in the diaphragm portion at the time of particle collision. FIG. 7 is a diagram showing a temperature distribution on the surface of the diaphragm portion due to heat generation by the heating resistor. The thermal air flow meter of this embodiment is provided in an electronically controlled fuel injection device for an internal combustion engine such as an automobile, and measures the intake air amount.
[0015]
As shown in FIG. 1, the measuring element 1 provided in the thermal air flow meter of the present embodiment includes a semiconductor substrate 3, an electrical insulating film 5, two

heating resistors

7 and 9, and

heating resistors

7 and 9. The temperature measuring resistor 11 for measuring the temperature of the air, the air temperature measuring resistor 13 for measuring the air temperature, the protective film 15 for protecting the electrical insulating film 5, and the like. An electrical insulating film 5 formed on a semiconductor substrate 3 made of silicon or the like is a film formed on the semiconductor substrate 3 and having an electrical insulating property and a thermal insulating property, such as silicon dioxide (SiO 2). ₂ ) Film and silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) Silicon dioxide (SiO) reinforced with film ₂ ) On the electrical insulating film 5, two

heating resistors

7 and 9, a resistance temperature detector 11 made of a semiconductor material such as polycrystalline silicon, germanium, and gallium arsenide, and an air temperature temperature measurement A resistor 13 and the like are formed.
[0016]
The heating resistor 7 formed on the upstream side with respect to the air flow 17, the heating resistor pair 9 formed on the downstream side, and the temperature measuring resistor 11 are formed so as to extend in parallel with each other. Two

heating resistors

7 and 9 are formed symmetrically with a temperature measuring resistor 11 in between at approximately the center of 1. Further, the

heating resistors

7 and 9 and the temperature measuring resistor 11 are each formed by being folded multiple times. The two

heating resistors

7, 9 are connected in series by a wiring 19 that electrically connects one end of the

heating resistors

7, 9, and the other end of the

heating resistors

7, 9 is These are electrically connected to terminal electrodes 20a and 20b formed on the edge of the measuring element 1 by wirings 21a and 21b, respectively. A wiring 23 is drawn out from an intermediate portion of the wiring 19, and the wiring 23 is connected to a terminal electrode 20 c formed at an edge of the measuring element 1 on the side where the terminal electrodes 20 a and 20 b are formed. Two

terminal electrodes

25a and 25b formed on the edge of the measuring element 1 on the side where the terminal electrodes 20a and 20b are formed are connected in series to the resistance temperature detector 11 by

wirings

27a and 27b, respectively. ing. The

heating resistors

7 and 9 and the resistance thermometer 11 are respectively the main body of the heating resistor and the resistance thermometer including the

terminal electrodes

20a, 20b, 25a and 25b and the

wirings

21a, 21b, 27a and 27b. Means part.
[0017]
The portion of the semiconductor substrate 3 corresponding to the region where the two

heating resistors

7 and 9 and the resistance temperature detector 11 of the electrical insulating film 5 are formed is brought to the boundary surface with the electrical insulating film 5 by anisotropic etching. It is removed to form a cavity 29, which thermally insulates the

heating resistors

7 and 9. Therefore, the diaphragm portion 30 which is a portion corresponding to the cavity 29 of the electrical insulating film 5 is directly exposed to the environment. The air temperature measuring resistor 13 is formed on the edge opposite to the edge on which the terminal electrodes 20a and 20b of the measuring element 1 are formed, and the terminal electrodes 20a and 20b of the measuring element 1 and the like. Are connected in series by two terminal electrodes 31a and 31b formed on the edge on the side where the is formed, and

wirings

33a and 33b, respectively. In addition, each

terminal electrode

20a, 20b, 20c, 25a, 25b, 31a, 31b and each

wiring

19, 21a, 21b, 23, 27a, 27b, 33a, 33b are plating, vapor deposition, etc. of electrically conductive materials, such as gold and aluminum. It is formed by.
[0018]
The protective film 15 is a film made of a soft organic material having electrical insulation, and is formed so as to cover an outer portion from a region corresponding to the peripheral edge of the cavity 29 on the electrical insulating film 5. In addition, the protective film 15 is formed on the electrical insulating film 5 on the edge side where the

terminal electrodes

20a, 20b, 20c, 25a, 25b, 31a, 31b of the semiconductor element 1 are formed. Not formed. That is, the protective film 15 includes the portions where the two

heating resistors

7 and 9 and the resistance temperature detector 11 inside the peripheral edge of the cavity 29 are formed, and the

terminal electrodes

20a, 20b, 20c, 25a, and 25b. , 31a, 31b are formed so as to cover the electrical insulating film 5 except for the portion where the portions are formed.
[0019]
As shown in FIG. 2, the thermal air flow meter of the present embodiment includes a support 37 that supports the measuring element 1, an external circuit 39, and the like. The measuring element 1 and the external circuit 39 are not shown protected by the support 37 between the

terminal electrodes

20a, 20b, 20c, 25a, 25b, 31a, 31 of the measuring element 1 and the external circuit 39. It is electrically connected by wiring. The measuring element 1 is disposed in the auxiliary passage 43 inside the intake passage 41 of the electronically controlled fuel injection device, and the external circuit 39 is installed on the outer wall surface of the intake passage 41.
[0020]
In the flow measurement of the thermal air flow meter of the present embodiment, the temperature of the temperature measuring resistor 11 that measures the temperature of the

heating resistors

7, 9 measures the temperature of the air flow 17. A heating current that is higher than the temperature of the air temperature measuring resistor 13 by a certain temperature, that is, a side heat current is passed. At this time, the direction of the air flow is detected by comparing the temperatures of the

heating resistors

7 and 9 formed symmetrically with respect to the resistance temperature detector 11, that is, the resistance values corresponding to the temperatures. Can do. For example, if the air flow is zero, the

heating resistors

7 and 9 show substantially the same temperature as the temperature measuring resistor 11. Since the

heating resistors

7 and 9 are connected in series and the same heating current flows, the heat generation amount of the

heating resistors

7 and 9 is substantially constant. For this reason, in the direction of the air flow 17 shown in FIG. 1, that is, in the forward flow, the heating resistor 7 mainly has a larger cooling effect by the air flow 17 than the heating resistor 9, and the temperature of the heating resistor 7 is higher. The temperature is lower than the temperature of the heating resistor 9, and the temperature of the heating resistor 9 is lower than the temperature of the heating resistor 7 in the opposite direction to the air flow 17, that is, in the reverse flow. Thus, the direction of the air flow 17 can be detected by comparing the temperature of the

heating resistors

7 and 9, that is, the resistance value corresponding to the temperature. The resistance values of the

heating resistors

7 and 9 are obtained from the inter-terminal voltages of the terminal electrodes 20a and 20c and the

terminal electrodes

20b and 20c, respectively. The air flow rate is calculated from the value of the heating current flowing through the

heating resistors

7 and 9 in order to control the temperature measured by the resistance temperature detector 11 to be higher than the temperature measured by the temperature measuring resistor 13 by a certain temperature. .
[0021]
Here, since the heating current is applied to the pair of

heating resistors

7 and 9 formed on the electrical insulating film 5 as described above, the

heating resistors

7 and 9 are heated to 200 to 300 ° C. In addition to the

heating resistors

7 and 9, the electrical insulating film 5 and the resistance temperature detector 11 are also exposed to a high temperature. Therefore, as the organic material constituting the protective film 15, it is preferable to select a material that has a high heat deformation temperature, a heat denaturation temperature, and a continuous use temperature, and that can be used in a manufacturing process using a semiconductor micromachining technique. Thermosetting resin polyimide is known as a resin having such properties (Plastic, April 1999, separate volume, page 86). Further, the protective film 15 includes a portion inside the peripheral portion of the cavity 29 in the region where the two

heating resistors

7 and 9 and the resistance temperature detector 11 are formed, and the

terminal electrodes

20a, 20b, 20c, and 25a. , 25b, 31a, 31b are formed so as to cover the electrical insulating film 5 except for the portion where the portions are formed. In the formation of the protective film 15 by the manufacturing process by the semiconductor micromachining technique, partial etching is performed. It is preferable that the material is a photosensitive resist material.
[0022]
For this reason, in this embodiment, as an organic material for forming the protective film 15, polyimide represented by the following structural formula (1),
[0023]
[Chemical 6]

[0024]
That is, a polyimide having a feature in a structure in which two benzene rings are connected and having biphenyltetracarboxylic acid as an acid anhydride is used. However, in Structural Formula (1), R1 is a divalent organic group having two or more carbons (C), for example, an organic group of the following Structural Formula (5) in this embodiment, and n is larger than 1. It is an integer.
[0025]
[Chemical 7]

[0026]
Furthermore, the polyimide forming the protective film 15 contains a siloxane component of the structural formula (2) as a diamine compound.
[0027]
[Chemical 8]

[0028]
In Structural Formula (2), R2 is a monovalent organic group, and p is an integer greater than 1. Furthermore, the siloxane compound specifically contains a diamine siloxane of the following structural formula (3) or (4).
[0029]
[Chemical 9]

[0030]
Embedded image

[0031]
In Structural Formulas (3) and (4), R3 and R5 are divalent organic groups, R4 and R6 are monovalent organic groups, and q and r are integers greater than 1. The polyimide of the structural formula (1) is a photosensitive polyimide into which an acrylic photosensitive group such as an oxyethyl methacrylate group is introduced at the raw material stage.
[0032]
The measurement element 1 is manufactured by first using the semiconductor micromachining technique using CVD, photo-etching, etc., the electric insulating film 5 on the semiconductor substrate 3, the

heating resistors

7 and 9, and the resistance temperature detector on the electric insulating film 5. 11 and the air temperature measuring resistor 13 are formed. Next, after applying a polyamic acid solution, which is a raw material of polyimide, onto the electrical insulating film 5 by a spin coater, regions where the protective film 15 is not formed, that is, the

heating resistors

7 and 9 and the resistance temperature detector 11 are formed. Masking and exposing the portion inside the peripheral edge of the cavity 29 in the region and the portion where the terminal electrodes 20a and 20b are formed are performed. Thereafter, the solvent is evaporated, the imidization reaction is promoted, and in a heating furnace set at a temperature required to evaporate the photosensitive group as an alcohol, for example, at 270 ° C. for 30 minutes and then at 400 ° C. for 30 minutes. By performing the partial heat treatment, a plurality of measuring elements 1 each having the protective film 15 made of polyimide of the structural formula (1) are formed on one semiconductor substrate. Finally, this is cut into individual measuring elements 1 by dicing. At this time, the thickness of the protective film 15 depends on the concentration and viscosity of the polyamic acid solution, but is usually about 10 μm. The solvent is adjusted so that the viscosity is low when a thinner film is required and the viscosity is higher when a thick film is required. In particular, when a thick film is required, the application of the polyamic acid solution and the heat treatment are repeated to form a multilayer film.
[0033]
By the way, in an electronically controlled fuel injection device for an internal combustion engine such as an automobile, in order to inhale outside air, the air whose flow rate is to be measured contains solid particles such as sand, salt, and other dust. In an internal combustion engine such as an automobile, an air filter having a mesh size of 15 μm is usually provided in order to remove such particles in the inhaled outside air. However, particles having a particle size larger than approximately 15 μm are removed by the air filter, but particles having a particle size of approximately 15 μm or less pass through the air filter and directly collide with the measuring element 1 of the thermal air flow meter. There is a case. Therefore, with only the electric insulating film 5 made of silicon dioxide or the like which is a brittle inorganic material, the kinetic energy at the time of particle collision cannot be absorbed by the deformation of the diaphragm portion 30, and local stress is generated at the collision position. The electrical insulating film 5 may be destroyed. That is, when the kinetic energy of the particles is larger than the deformation energy of the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5, that is, the energy that can be absorbed by the diaphragm portion 30, the load at the particle collision position increases as shown in FIG. If the particle collision stress exceeds the limit of energy that can be absorbed by the diaphragm portion 30, cracks will occur from the particle collision position of the diaphragm portion 30 and the film will be destroyed.
[0034]
However, the polyimide film of the structural formula (1) constituting the protective film 15, that is, a film made of polyimide, which is a soft organic material, is a result of a compression test of a silicon dioxide film and a polyimide film with an indenter having a diameter of 100 μm in FIG. As shown, the energy absorption capacity of the film itself is 4 to 5 times greater than that of the silicon dioxide film. For this reason, in the measuring element 1 provided with the protective film 15 made of polyimide, not only the deformation of the diaphragm portion 30 but also the protective film 15 itself absorbs the collision energy of the particles. The destruction of the measuring element 1 can be prevented. In the case of the present embodiment, when approximately 15 μm dust passing through the air filter collides with the assumed maximum flow velocity of 50 m / s, the maximum deformation amount of the particle collision position is 0.4 μm for the silicon dioxide film, and the polyimide film 1.1 μm, the protective film 15 needs to have a thickness of 2 μm or more in order to absorb the kinetic energy of the particles.
[0035]
Here, as shown in FIG. 1, there are three kinds of collision positions A, B, and C as the collision positions of the particles 45 to the measuring element 1. The collision position A is on the part on the electrical insulating film 5 corresponding to the semiconductor substrate 3, and the collision position B is on the part on the electrical insulating film 5 corresponding to the peripheral part of the cavity 29, that is, on the peripheral part of the diaphragm part 30. The collision position C is on a portion on the electric insulating film 5 corresponding to the central portion of the cavity 29, that is, on the central portion of the diaphragm portion 30. The particles 45 are particles having a maximum particle size that can collide with the measuring element 1 in the present embodiment, that is, particles of approximately 15 μm. When the measuring element 1 does not include the protective film 15, the deformation energy of the diaphragm portion 30 when the particle 45 collides with the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5, that is, the collision energy absorption capacity, as shown in FIG. The closer the collision position of the particles 45 is to the peripheral edge of the diaphragm 30, that is, the boundary between the electrical insulating film and the cavity 2, the smaller the collision position. Further, even when the electrical insulating film 5 is formed of a material having higher elasticity than the silicon dioxide film as in the present embodiment, the maximum bending stress of the diaphragm portion 30 at the time of collision of the particles 45 is as shown in FIG. Moreover, the closer the collision position of the particles 45 is to the peripheral edge of the diaphragm portion 30, the larger the position. For these reasons, regardless of the elasticity of the electrical insulating film 5, the peripheral portion of the diaphragm portion 30 constrained by the semiconductor substrate 3, that is, the vicinity of the collision position B is the vicinity of the collision position C, that is, the center of the diaphragm portion 30. It can be seen that the breakage due to the collision of the particles 45 occurs more easily than the portion.
[0036]
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, since the deformation energy at the central portion of the diaphragm portion 30 is larger than the kinetic energy of the particles 45, even if the protective film 15 is not formed at the central portion of the diaphragm portion 30, The diaphragm portion 30 is hardly destroyed by the collision of the particles 45 near the collision position C. Therefore, by forming the protective film 15 made of polyimide so as to cover the outer electrical insulating film 5 from the region where the deformation energy of the diaphragm part 30 is smaller than the kinetic energy of the particles 45 at the peripheral part of the diaphragm part 30. The diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5 is prevented from being broken by the collision of the particles 45. As a result of performing a bending test with a silicon dioxide film reinforced with silicon nitride and a silicon dioxide film having a polyimide protective film formed on the surface with an indenter having a diameter of 20 μm, the silicon dioxide film with the protective film formed was It was found that the strength against fracture was about twice as high as that of a silicon dioxide film reinforced with silicon nitride without a protective film.
[0037]
On the other hand, when it is used at a temperature higher than the continuous use temperature of the organic material to be the protective film 15, the protective film 15 may deteriorate, and it may not be possible to prevent the measurement element 1 from being destroyed by the collision of the particles 45. In such a case, according to the material of the protective film 15, it is preferable to form the protective film 15 in the area | region below the continuous use temperature of the material. Due to the heat generated by the

heat generating resistors

7 and 9, the portions of the diaphragm 30 of the electrical insulating film 5 where the

heat generating resistors

7 and 9 and the temperature measuring resistor 11 are formed are in a high temperature state as shown in FIG. ing. However, since the electrical insulating film 5 is thinner than the

heating resistors

7 and 9 and has low thermal conductivity, the temperature of the diaphragm portion 30 decreases to about the environmental temperature toward the end of the diaphragm portion 30. ing. Moreover, the continuous use temperature of a polyimide is 250 degrees C or less. Therefore, if the protective film 15 is formed so as to cover the outer electrical insulating film 5 from the peripheral edge portion of the diaphragm portion 30 at a temperature of 250 ° C. or lower, the deterioration of the protective film 15 due to heat can be prevented.
[0038]
In the present embodiment, from the viewpoint of the energy absorption capability of the electrical insulating film 5 and the thermal deterioration of the protective film 15 as described above, as a result of examining the appropriate value of the formation width of the protective film 15 on the diaphragm part 30, the diaphragm part The protective film 15 is formed so that the width of the protective film 15 on the surface 30 is a ratio of 0.3 to 0.8 of the distance from the end of the diaphragm 30 to the heating resistor.
[0039]
As described above, in the thermal air flow meter of the present embodiment, the measuring element 1 includes the protective film 15 made of a soft organic material, and even if the particle 45 collides with the surface of the measuring element 1, Since the protective film 15 absorbs the kinetic energy, the measurement element 1 can be prevented from being broken. That is, the reliability of the measuring element 1 can be improved.
[0040]
Furthermore, since the protective film 15 is formed of polyimide having superior heat resistance compared to other organic materials, the deterioration of the material due to heat generation such as the

heating resistors

7 and 9 is suppressed, and the measuring element due to collision of solid particles over a long period of time. 1 destruction can be prevented. In addition, in the present embodiment, the protective film 15 is formed of polyimide of the structural formula (1) made of biphenyltetracarboxylic acid having a structure in which an acid anhydride connects two benzene rings. Has water resistance. Further, since the protective film 15 is formed of polyimide containing the siloxane compound represented by the structural formula (2), specifically, the structural formula (3) or (4), Silicon and silicon of the electric insulating film 5 which is a silicon dioxide film are bonded through oxygen, and the adhesion between the protective film 15 and the electric insulating film 5 is improved. This prevents moisture exposed to the measuring element 1 during manufacture or use of the thermal air flow meter from entering the boundary between the protective film 15 and the electrical insulating film 5 to prevent corrosion or peeling of the protective film 15. it can. Therefore, the measuring element 1 of the present embodiment can suppress the deterioration of the protective film 15 and the corrosion and peeling of the protective film 15 due to moisture in the environment, and the destruction of the measuring element 1 due to particle collision in long-term use. Can be prevented.
[0041]
In the dicing process of the measuring element 1, the measuring element 1 is cooled by cooling water in order to suppress the heat generation of the semiconductor substrate 3, and is present on the surface of the diaphragm portion 30 of the electric insulating film 5 by the water pressure of this cooling water. In some cases, the electrical insulating film 5 is broken starting from minute scratches, that is, microcracks. However, in the measurement element 1 of the present embodiment, the micro cracks on the surface of the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5 are filled with the protective film 15, so that the breakdown of the electrical insulating film 5 due to the cooling water pressure in the dicing process can be suppressed.
[0042]
Furthermore, when forming the electrical insulating film 5, the

heating resistors

7, 9 and the thermometric antibody 11, internal stress is generated in the electrical insulating film 5 due to the formation temperature, heat treatment, or the like. In the electric insulating film 5 made of silicon dioxide, compression internal stress is generated during the film formation, so that the diaphragm portion 30 of the electric insulating film 5 is bent and wrinkles easily. Generation | occurrence | production of the wrinkle in the diaphragm part 30 has a bad influence on the flow volume measurement characteristic of the measuring element 1 with the problem of an external appearance. However, in this embodiment, the protective film 15 made of polyimide, which is an organic material, is formed, and a film made of an organic material has a smaller internal stress of compression that occurs during film formation than a film made of an inorganic material. The bending of the electrical insulating film 5 can be suppressed and the generation of wrinkles can be suppressed.
[0043]
In the present embodiment, the protective film 15 is formed so as to cover the outside from the portion corresponding to the peripheral portion of the cavity 29 on the electrical insulating film 5, but the central portion of the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5. When the kinetic energy of the colliding particles 45 is larger than the energy absorption capacity of the above, or when wrinkles are likely to occur near the

heating resistors

7, 9 and the resistance temperature detector 11, as shown in FIG. 7, 9, a protective film 15 is formed on the entire electrical insulating film 5 except for the portions where the terminal electrodes 20 a and 20 b are formed so as to cover the resistance temperature sensor 11 and the air temperature resistance resistance element 13. May be. In this case, the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5 made of silicon dioxide has a role of thermally insulating the

heating resistors

7 and 9 from the surroundings. Therefore, when the thickness of the protective film 15 is increased, the thermal insulating property is reduced. End up. In the measurement element of the conventional thermal air flow meter, the electrical insulating film 5 is formed with a first electrical insulating film in which a heating resistor is formed and a second electrical insulating film formed on the first electrical insulating film so as to cover the resistor. However, the thickness of the silicon dioxide film to be the second electrical insulating film is set to about 1 μm in consideration of thermal insulation. Assuming that the second electrical insulating film is replaced with a polyimide film, the thermal conductivity of polyimide is about 1/10 that of silicon dioxide, so the thickness of the protective film 15 made of polyimide should be 10 μm or less. That's fine. Therefore, the protective film 15 may be formed with a predetermined film thickness of 2 μm or more and 10 μm or less.
[0044]
Furthermore, in the present embodiment, the protective film 15 is formed from the portion corresponding to the peripheral edge of the cavity 29 on the electrical insulating film 5 to the entire outer portion, but the protective film 15 is formed by the diaphragm portion 30 of the electrical insulating film 5. Therefore, the protective film 15 does not have to be formed on the entire portion of the electrical insulating film 5 corresponding to the semiconductor substrate 3. Therefore, the protective film 15 may be formed at least in a region corresponding to the peripheral portion of the cavity 29 on the electrical insulating film 5, that is, a region corresponding to the boundary between the semiconductor substrate 3 and the cavity 29.
[0045]
In the present embodiment, polyimide is used as the organic material for forming the protective film 15. However, the present invention is not limited to this, and various organic materials such as polyamide imide, polyphenylene sulfide, phenol resin, epoxy resin, polysulfone, and polyamide are used. Even if the protective film 15 is formed of polypropylene or the like, the same effect can be obtained. However, the organic material used as the protective film 15 may be appropriately selected in consideration of the environmental conditions to which the measuring element 1 is exposed, the heating temperature of the resistor, the manufacturing method of the protective film 15, the required film thickness, and the like. . When the protective film 15 is formed as a film having a film thickness of several μm by a semiconductor micromachining technique, and the maximum temperature of the region where the protective film 15 is formed is about 150 ° C., a phenolic resin, which is a photosensitive resist material, A cyclized isoprene resin or the like may be used. When the protective film 15 is formed by stretching a pre-formed film on the electrical insulating film 5 or when the film thickness may be about several tens of μm, the maximum temperature of the region where the protective film 15 is formed is about 200 ° C. Polyphenylene sulfide or the like may be used as long as it is about, and epoxy resin or polysulfone may be used as long as the maximum temperature is about 150 ° C. Furthermore, although the protective film 15 of this embodiment is formed of polyimide containing a siloxane compound, when the electrical insulating film 5 is formed of a material not containing silicon, the protective film 15 is made of a siloxane compound. It does not need to contain.
[0046]
By the way, when an organic material having a high moisture permeability is used as the organic material for forming the protective film 15, the micro cracks on the surface of the electrical insulating film 5 develop and spread due to the water entering through the protective film 15, and the collision of the particles 45. Sometimes, the electric insulating film 5 is likely to be broken starting from a microphone crack. In such a case, as shown in FIGS. 9 and 10, the first electric insulating film 5 a made of an inorganic material such as silicon dioxide having the

heat insulating resistors

7 and 9 formed on the surface of the electric insulating film 5, and The second electric insulating film 5b made of the same material as the first electric insulating film 5a formed on the first electric insulating film 5a so as to cover the

heating resistors

7, 9 and the like, and the second electric insulating film 5a. A protective film 15 may be formed on the electrical insulating film 5b. At this time, as shown in FIG. 9, the protective film 15 has a peripheral portion of the cavity 29 of the electrical insulating film 5b according to the property of the material constituting the measurement element 1 and the environmental conditions to which the measurement element 1 is exposed. It may be formed so as to cover the outer portion from the region corresponding to, or may be formed so as to cover the entire electrical insulating film 5b as shown in FIG. If the measuring element 1 is formed in this way, even if an organic material having a high water permeability is used, the second electric insulating film 5 suppresses the intrusion of water, so that the surface of the first electric insulating film 5a It is possible to prevent the first electrical insulating film 5a from being broken starting from a microphone crack caused by the collision of the particles 45 due to the progress of the microcrack.
[0047]
Further, in the present embodiment, the measuring element 1 includes the

heating resistors

7 and 9 and the resistance temperature detector 11 formed by bending a plurality of times, but the present invention is not limited to this, and various configurations such as, for example, A measuring element that does not include a resistance temperature detector because the heating resistor also serves as a resistance temperature sensor, or a measuring element that is not formed by bending a plurality of heating resistors or the like, but is formed in a single linear shape. It can also be applied.
[0048]
Furthermore, in the present embodiment, a thermal air flow meter for measuring an intake air amount provided in an electronically controlled fuel injection device of an internal combustion engine such as an automobile has been described. However, the present invention is not limited to this, and various applications are possible. It can be applied to the thermal air flowmeter.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, the reliability of the measuring element of the thermal air flow meter can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic plan view of an embodiment of a measuring element provided in a thermal air flow meter to which the present invention is applied, and FIG. It is an expanded sectional view and a figure showing operation of particles.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a thermal air flow meter to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing a mechanism of destruction by collision of particles in an electrical insulating film.
FIG. 4 is a diagram showing the results of a compression test between a polyimide film and a silicon dioxide film.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the kinetic energy of particles and the deformation energy of a diaphragm portion.
FIG. 6 is a diagram showing a maximum bending stress generated in a diaphragm portion at the time of particle collision.
FIG. 7 is a diagram showing a temperature distribution on the surface of a diaphragm portion due to a heating resistor.
8A is a schematic plan view of another embodiment of a thermal air flow meter to which the present invention is applied, and FIG. 8B is an enlarged sectional view taken along line BB of FIG. 8A. .
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of another embodiment of a thermal air flow meter to which the present invention is applied.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of another embodiment of a thermal air flow meter to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Measuring element
3 Semiconductor substrate
5 Electrical insulation film
7,9 Heating resistor
11 Resistance thermometer
15 Protective film
29 cavity
30 Diaphragm part
45 solid particles

Claims

A semiconductor substrate, an electrical insulating film formed on the semiconductor substrate, and a resistor formed on the electrical insulating film, and a portion of the semiconductor corresponding to a region where the body of the resistor is formed In the thermal air flow meter in which the region where the main body portion of the resistor of the electrical insulating film is formed is a diaphragm portion by removing the substrate and forming a cavity,
Wherein not covering the peripheral edge of at least the diaphragm portion of the electrically insulating film with a protective film made of an organic material, and the protective film to the body portion of the resistor of the diaphragm portion of the electrically insulating film is formed regions Is a thermal air flow meter characterized in that it is not formed .

A semiconductor substrate, an electrical insulating film formed on the semiconductor substrate, and a resistor formed on the electrical insulating film, and a portion of the semiconductor corresponding to a region where the body of the resistor is formed In the thermal air flow meter in which the region where the main body portion of the resistor of the electrical insulating film is formed is a diaphragm portion by removing the substrate and forming a cavity,
A thermal air flowmeter, wherein a portion of the diaphragm portion of the electrical insulating film except a region where the main body portion of the resistor is formed is covered with a protective film made of an organic material.

The electrical insulation film is composed of a first electrical insulation film in which the resistor is formed and a second electrical insulation film formed on the first electrical insulation film so as to cover the resistor, The thermal air flow meter according to claim 1 or 2, wherein the protective film is formed on the second electrical insulating film.

The thermal air flow meter according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic material is polyimide.

5. The thermal air flow meter according to claim 4, wherein the region where the protective film is formed is a region where a temperature reached by heat generation of the resistor is 250 ° C. or less.

The thermal air flow meter according to claim 4 or 5, wherein the protective film has a thickness of 10 µm or less.

The polyimide has the chemical formula (1)

The heat according to claim 4, wherein R 1 is a divalent organic group having 2 or more carbon atoms and n is an integer greater than 1. Type air flow meter.

The electrical insulating film is formed of silicon dioxide, and the polyimide is represented by the chemical formula (2)

The thermal formula according to any one of claims 4 to 7, comprising a siloxane compound represented by the formula (wherein R2 is a monovalent organic group and p is an integer greater than 1). Air flow meter.

The siloxane compound is represented by the chemical formula (3)

Or chemical formula (4)

(Wherein R3 and R5 are divalent organic groups, R4 and R6 are monovalent organic groups, and q and r are integers greater than 1). The thermal air flow meter described in 1.

R1 of the organic group is represented by the formula (5)

The thermal air flow meter according to claim 7, wherein the thermal air flow meter is represented by: