JP4975972B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、基板上に抵抗体を形成して所定の物理量を検出するセンサに係り、例えば、流体の流量を検出する流量センサや、加速度センサ、傾斜センサに適用される物理量センサに関する。

自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する流量センサとして、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上にマイクロマシン技術を用いてセンサ素子を製造するものが提案されている。このタイプの流量センサは、低コストで大量生産でき、また小形で低電力駆動できる利点を有する。この種のセンサとしては、質量流量を直接測定できる発熱抵抗体式の空気流量センサが主流になっている。

従来知られている半導体タイプの発熱抵抗体式流量センサは、例えば特許文献１（特開2001-021401号公報）に記載のように、シリコン基板における一部を除去して空洞部を有するダイアフラム構造を形成し、このダイアフラム上に発熱抵抗体と温度補償抵抗体とを形成している。したがって、この種のセンサは、機械的強度が低くダイアフラム部の内部応力のアンバランスにより撓みが発生する問題があった。前記公報では、前記ダイアフラム部に剛性部材を備えることにより、ダイアフラムの撓みを低減しセンサ素子の信頼性と空気流量の測定精度を向上している。

特開2001-021401号公報

多くの物理量センサは、接着剤によりセンサ素子を固定している。また、センサ素子から電気信号を取り出すためのワイヤーボンディングを保護するためにエポキシなどの封止剤が用いられている。これらの接着剤や封止剤は周囲の温度変化により膨張・収縮し応力を発生させる。また、センサ素子の駆動回路などを収めた実装部材からの応力がセンサ素子に伝わってしまう。センサ素子に応力が発生すると、センサ素子上に形成した抵抗体に応力が加わり、抵抗値が変化する。特にシリコンなど半導体で形成した抵抗体の場合、ピエゾ抵抗係数が大きく抵抗変化が大きい。このような抵抗変化は、測定精度を低下させる要因となる。

前述の特開2001-021401号公報に記載の熱式空気流量センサは、ダイアフラム内で発生する内部応力のアンバランスによる撓みを低減しているものである。したがって、内部応力による撓みは低減されるが、外部からの応力に対しては考慮されていなかった。また、実装部材からセンサ素子に加わる応力はダイアフラム部だけでなく、センサ素子全体に影響する。したがって、物理量検出のための抵抗体のだけでなく、これらの電気的信号を取り出すための配線部にも影響を与える。このように、センサ素子を実装する部材により発生する応力影響に関しては課題を残していた。

本発明の目的は、センサ素子に加わる応力による抵抗変化を低減し、高精度な物理量センサを提供することにある。

本発明の物理量センサは、基本的には、以下の手段により上記課題を解決する。
（１）一つは、物理量を計測するための抵抗体が基板上に帯状にパターン形成される物理量センサにおいて、次のように構成する。

基板に加わる応力は、いろいろな方向から応力が加わる。そのうちの所定方向（例えば最大応力の加わる方向）の応力σに対して平行な方向を横方向、垂直な方向を縦方向と定義すると、前記抵抗体は横方向の抵抗成分Ｒｌと縦方向の抵抗成分Ｒｔを有する。基板に加わる応力σが横方向の抵抗成分Ｒｌに加わるときのピエゾ抵抗係数πｌと、応力σが縦方向の抵抗成分Ｒｔに加わるときのピエゾ抵抗係数πｔとの比がπｌ：πｔ＝−ｎ：１（すなわちπt/πl＝−１/ｎであり、ｎは整数）である場合、縦方向の抵抗成分Ｒｔと横方向の抵抗成分Ｒｌとの抵抗比がピエゾ抵抗係数π１とπｔの比の絶対値にほぼ等しくなる（Ｒｌ／Ｒｔ≒｜πｔ／πｌ｜）よう設定した。

例えば、抵抗体が、不純物をドープした多結晶シリコンである場合、πｌとπｔの関係はπｌ＝−３πｔである。すなわち基板に加わる応力σに対して横方向の抵抗成分Ｒｌのピエゾ抵抗係数πｌは、負の方向に変化し且つ縦方向抵抗のピエゾ抵抗係数πｔの３倍の変化率である（πｌ：πｔ＝−３：１）。

したがって、縦方向の抵抗成分Ｒｔと横方向の抵抗成分Ｒｌとの抵抗値の比を、Ｒｔ：Ｒｌ＝３：１とすれば、応力σの抵抗変化が互いにキャンセルし抵抗体全体の変化は低減できる。これを式で表せば、
ΔＲ＝（Ｒｌπｌ＋Ｒｔπｔ）σ
となる。

なお、πｌ：πｔがｎ：１（例えば３：１）である場合、Ｒｔ：Ｒｌをｎ：１±０．５（例えば２：１オア３：０．５）にすれば、誤差は半減（ΔＲ＝０．５σ）できる。したがってセンサの応力誤差を少なくとも半減させたい場合には、Ｒｔ：Ｒ１をｎ：１からｎ：１±０．５の範囲で設定すればよい。

さらに、半導体基板上に抵抗体を形成する場合、ＲｌとＲｔの抵抗体の線幅はほぼ等しくすることによりばらつきを低減できる。簡易にＲｌとＲｔの抵抗値の比を調整するには、抵抗ＲｔとＲｌの抵抗長さを調整するか抵抗幅を調整する方法があるが、抵抗幅は同一とし抵抗長さで調整したほうが良い。これは、配線抵抗による感度低下を低減するためにセンサ素子の検出部の抵抗値は大きくする必要があり、このため抵抗線幅は細くなってしまう。細いパターンの抵抗体をエッチングする際、エッチング量のばらつき（オーバーエッチ)の影響が大きくなってしまう。抵抗体の線幅を等しくしておけば、オーバーエッチされた場合でもＲｌとＲｔの抵抗比を保つことができるため、さらに高精度化される。
（２）もう一つの発明は、基板上に抵抗体を形成（抵抗体は一つの抵抗体或いは２以上の直列抵抗体）した物理量センサにおいて、抵抗体の電源側端子と接地側端子とが４端子以上で構成されていることを特徴とする。このように４端子以上すれば、直列接続された抵抗体の電源側端子と接地側端子とに、電源電圧と接地電圧を維持するためのフィードバック素子が端子を介して接続することができる。

したがって、抵抗体の電源側の配線や接地側の配線抵抗に応力歪などで変化が生じても上記抵抗体の配線抵抗の歪み変化を無視できる駆動回路を構成することができ、応力が配線部分に加わった場合の影響を低減することができる。

本発明によれば、センサ素子に加わる応力の影響を低減し高精度な物理量センサが得られる。

本発明に係る物理量センサの好ましい実施形態を、図を参照して説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、物理量センサとして自動車などの内燃機関の吸入空気流量を計測するための熱式空気流量センサを例示する。

図１は本実施形態における熱式空気流量センサのセンサ素子の概略平面図であり、また図２は図1におけるＡ−Ａ断面を示す概略図である。これらの図において、センサ素子１は、単結晶シリコン（Ｓｉ）板製の半導体基板２（ベース）上に次のようにして形成される。

半導体基板２の一部には、異方性エッチングにより空洞部３が形成されている。この空洞部３は、平面形状が長方形の孔よりなる。空洞部３の一方の面にダイアフラム４が形成されている。ダイアフラム４は、半導体基板２の一面に熱酸化あるいはCVD（Chemical Vapor Deposition）により形成される二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の電気絶縁膜５よりなる。

ダイアフラム４上には、温度依存特性を有する発熱抵抗体６と感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂとが形成される。さらにダイアフラム４から外れる場所に空気温度補償用の感温抵抗体９が形成される。これらの抵抗体の配線１０も基板１上に形成されている。これらの抵抗体および配線は多結晶シリコンであり、ＣＶＤ等により電気絶縁膜５上に多結晶シリコン層を形成し所望の形状にエッチングすることにより形成される。

これらの抵抗体は、例えば所望の抵抗値・抵抗温度係数になるようにリン（Ｐ）を熱拡散またはイオン注入によりドーピングしたｎ型の多結晶シリコンよりなる。

空気流量の流れ４３が、図面に向かって左から右に流れるとすると、感温抵抗体７ａ、７ｂは発熱抵抗体６の上流に配置され、感温抵抗体８ａ、８ｂは発熱抵抗体６の下流に配置される。各抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂは、それぞれ、互いに直交する縦方向の抵抗成分２９と横方向の抵抗成分２８を組み合わせたものである。図５にその一例を示す。ここで、基板２に加わる所定方向の応力σ（ここで所定方向は、好ましくは応力分布における最大の方向に一致する）に対して平行な方向を横方向（Ｘ方向）、垂直な方向を縦方向（Ｙ方向）と定義する。

図５は、感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂのうちのいずれか一つ（ここでは感温抵抗体８ａ）の配列を示すもので、縦方向（Ｙ方向）に延びて繰り返し折り返される縦方向の抵抗成分（縦向き抵抗成分Ｒｔ）２９と、横方向（Ｘ方向）に延びて繰り返し折り返される横方向の抵抗成分（横向き抵抗成分Ｒｌ）２８との抵抗値の比が、抵抗体のピエゾ抵抗係数πｌとπtの比ｎ：１にほぼ等しい形状（長さ）となっている。他の感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ｂについても同様な構成となっている。具体的な感温抵抗体の形状については後述する。

これらの抵抗体を保護するために、電気絶縁膜１１を形成している。電気絶縁膜１１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）をＣＶＤ等の方法で形成している。さらに、各抵抗体の電極を取り出すためにアルミ電極１２を形成している。

次に、センサ素子１を用いて空気流量を計測する原理について説明する。空気流量を測定するには、図３に示すブリッジ回路、演算増幅器１５、及び加熱電流制御のトランジスタ１６を用いて、発熱抵抗体６を電気的に加熱制御し、発熱抵抗体６の温度が空気温度を感知する温度補償抵抗体９の温度よりも常に一定温度高くなるように保っている（この回路の詳細は後述する）。この状態で、発熱抵抗体６の上下流に形成した感温抵抗体７（７ａ，７ｂ）、８（８ａ，８ｂ）の温度差を計測する。空気が流れていない場合、ダイアフラム４上の温度分布は、発熱抵抗体６を中心に対称になる。したがって、感温抵抗体７a、７ｂと８ａ、８ｂには温度差は発生しない。一方、空気が図中４３の方向に流れている場合、発熱抵抗体６の上流側に配置した感温抵抗体７a、７ｂの温度は低下し、下流側の感温抵抗体８ａ、８ｂの温度は上昇し温度差が発生する。これらの感温抵抗体７a、７ｂ、８ａ、８ｂは温度によって抵抗値が変化するため、温度変化を抵抗値の変化として電気的に取り出すことによって、空気流量に応じた電気信号が得られる。

また、空気が空気流４３の方向と逆に流れた場合においては、前述の温度分布とは逆の状態になるため、感温抵抗体７ａ、７ｂと感温抵抗体８ａ、８ｂの抵抗値を比較することによって、流れの方向が判別できる。

ここで、センサ素子１を駆動し空気流量を計測するための駆動回路について説明する。

図１（ａ）は、発熱抵抗体６の温度を制御するためのフィードバック回路である。この回路は、発熱抵抗体６、温度補償抵抗体９、固定抵抗１３および１４よりなるブリッジ回路を有する。このブリッジ回路の差電圧を演算増幅器１５により検出し、トランジスタ１６を通して加熱電流を制御する。発熱抵抗体６は加熱電流により温度上昇し抵抗値が変化する。したがって、固定抵抗１３と固定抵抗１４の抵抗値を調整することにより、発熱抵抗体６と温度補償抵抗体９の抵抗比を調整することができる。温度補償抵抗体９は、空気温度とほぼ等しい。発熱抵抗体６と温度補償抵抗体９の抵抗比は、空気温度に対する発熱抵抗体６の温度値に対応している。したがって、発熱抵抗体６の温度は、常に空気の温度よりも一定温度高くなるように保つことができる。

図１（ｂ）は、発熱抵抗体６の上下流の温度差を検出して、空気流量に関する電気信号を出力する回路である。この回路は、感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂでブリッジ回路を構成し、演算器１７を通して出力する。空気流が図１の４３の方向に発生した場合、感温抵抗体７ａ、７ｂは温度低下により抵抗値が下がり、感温抵抗体８ａ、８ｂは温度上昇により抵抗値が上がる。したがって、ブリッジ回路には空気流量に応じた差電圧が発生する。空気が逆に流れた場合は、差電圧の符号から空気流の方向を検知できる。また、演算器１７には、ブリッジ回路の出力を補正し出力する機能を持たせることも可能である。

図４は、センサ素子１を、自動車用エンジンの吸気管路に取り付け吸入空気流量を測定する構成とした場合の断面図である。吸入空気は矢印４３で示すように、吸気管路の主通路１８の中を流れるようになっており、センサ素子１は主通路１８内に突出した副通路１９の中に設置される。そして、この副通路１９を構成している部材２０は、ケーシング２１によって支持されている。

ケーシング２１は、支持具２２により吸気管路の壁面２３に取り付けられている。このケーシング２１の中には回路基板２４が設置してある。回路基板２４にセンサ素子１を駆動し流量信号を取り出すための駆動回路が搭載されている。

センサ素子１は、ケーシング２１に機械的に支持され、回路基板２４の駆動回路にボンディングワイヤー２６により電気的に接続されている。また、ボンディングワイヤー２６を保護するために、センサ素子１の電極と回路基板２４とをエポキシなどの樹脂で保護している。このセンサ素子１を備えた熱式空気流量センサの空気流量信号は、コネクタ２５を介して取り出され、図示していないが、エンジン制御用コンピュータに供給され、燃料供給量制御などに利用される。

ところで、前述の構成の熱式空気流量センサは、センサ素子１を実装するために、センサ素子１の裏面には接着剤が塗布され、さらにボンディングワイヤー２６を保護するために封止剤２７が形成されている。これらの接着剤や封止剤２７などの樹脂を形成するには、樹脂を塗布した後、高温炉の中に入れ硬化させる必要がある。硬化する際、樹脂には膨張・収縮し応力が発生する。これにより、センサ素子１に応力が加わってしまう。センサ素子１には複数の抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂが形成されており、この抵抗体に応力が加わることになる。

抵抗体に応力が加わると下式のように抵抗値が変化する。

ΔＲ／Ｒ＝πｌσ＋πｔσ …（１）
ここで、ΔＲ／Ｒは抵抗変化率、πｌは横方向の抵抗成分２８に応力σが加わった場合のピエゾ抵抗係数、πtは縦方向の抵抗成分２９に応力σが加わった場合のピエゾ抵抗係数である。センサ素子には、各方向からの応力が作用するが、そのセンサ素子の構造から図１、図５の矢印方向の応力σが最大となる。本実施形態における抵抗体は、多結晶シリコンで形成しており、ピエゾ抵抗係数πlとπtの関係は、
πｌ＝−３πｔ …（２）
となる。とくに、単結晶シリコンや多結晶シリコンのような半導体の場合ピエゾ抵抗係数が大きく、センサ素子１に加わる応力は熱式空気流量センサの測定精度を悪化させる要因になっていた。

ここで、前述の応力影響を低減するための具体的な方法について説明する。本実施形態では、図１における感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂに本発明を適用することによって、応力影響を低減している。図５は、感温抵抗体８ａの形状を示す平面図である。その他の感温抵抗体７ａ、７ｂ、８ｂも同様な形状である。図示したように、抵抗体は一定の幅で帯状に形成しており、図面上の縦方向の抵抗成分２９（σに垂直）は、横方向の抵抗成分２８（σに平行）に対しておよそ３倍の長さとなるようにしている。したがって、縦方向成分２９の抵抗値Ｒ２９と横方向成分２８の抵抗値Ｒ２８の関係は、
Ｒ２９＝３Ｒ２８ …（３）
となっており、Ｒ２９とＲ２８の比は（２)式で示したピエゾ抵抗係数の比としている。

図５に示したσは、感温抵抗体８ａに加わる応力を示している。この応力σによる感温抵抗体８ａの抵抗変化量ΔＲは下式となる。

ΔＲ＝（Ｒ２８πｌ＋Ｒ２９πｔ）σ …（４）
ここで、（２)、（３)式の関係を代入すると、ΔＲ＝０となる。このように、縦方向成分Ｒ２９と横方向成分Ｒ２８の抵抗値をピエゾ抵抗係数πｌとπｔの比とすることで、応力による抵抗変化を低減することができる。

感温抵抗体８ａなどの抵抗体を形成する場合、エッチングによりパターニングする。エッチング量にはばらつきがあり、抵抗体の帯幅が狭くなる（オーバーエッチング）など抵抗値がばらついてしまう。抵抗体を一定の帯幅で形成することにより、エッチング量がばらついても縦方向の抵抗成分２９と横方向の抵抗成分２８の抵抗比は保たれるため、高精度化が可能である。

本実施形態では、センサ素子１上に形成する抵抗体としてｎ型の多結晶シリコンを用いているが、ｐ型の多結晶シリコン、ｎ型単結晶シリコン、ｐ型単結晶シリコンでも抵抗体の縦方向成分と横方向成分の抵抗がピエゾ抵抗係数πｌとπｔの比に調整することによって、同様な効果が得られる。また、白金などの金属を用いた抵抗体の場合でも同様な効果が得られる。

また、図６に示すように、応力分布の中で最大となる応力σの方向に対して、感温抵抗体８ａを斜め方向にパターン形成しても、縦方向成分と横方向成分がピエゾ抵抗係数πｌとπｔ比になるように形成することができ、図５同様な効果が得られる。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図７により説明する。本実施形態も、本発明を熱式空気流量センサに適用した場合の例である。基本的な、原理、構造は第１の実施形態と同じであるため、共通する点の説明は省略し、異なる点のみを説明する。

図７は、本実施形態における感温抵抗体８ａ、８ｂの形状を示す平面図である。第１の実施形態では、感温抵抗体８ａ、８ｂは、発熱抵抗体６の縦方向に上下に分割して配置したが、本実施形態の感温抵抗体８ａ、８ｂは、縦方向の抵抗成分同士および横方向の抵抗成分同士が互いに噛み合って（交錯して）並設されている。図面上の縦方向の抵抗成分（σに垂直）と横方向の抵抗成分（σに平行）は、第１の実施形態同様にピエゾ抵抗係数πlとπtの比となるように形成している。また、抵抗体の帯幅は一定としている。

半導体プロセスにおける製造工程では、製造ばらつきにより抵抗体を形成する多結晶シリコン膜の抵抗率がウエハ内でばらつき、分布ができてしまうことがある。第１の実施形態で示したように、感温抵抗体８ａ、８ｂを異なる場所に分割して形成すると、抵抗率の分布の影響を受け感温抵抗体８ａ、８ｂの抵抗比が多少ばらつくことも考えられる。本実施形態における熱式空気流量センサは、４つの感温抵抗体でブリッジ回路を構成し流量に応じた電気的出力を得る構成であるため、これらの感温抵抗体８ａ、８ｂの抵抗値がばらつくと、ブリッジ回路の対称性が変化し、測定精度を低下させる原因になる。

本実施形態によれば、感温抵抗体を図７で示した構成とすることで、感温抵抗体８ａ、８ｂはほぼ同じ場所に形成することができる。したがってウエハ内に抵抗率分布があったとしても、感温抵抗体８ａ、８ｂの抵抗比はほぼ一定にすることができ、ブリッジ回路の対称性を保つことができる。

また、発熱抵抗体６の長手方向に温度分布が発生した場合においても、感温抵抗体８ａと８ｂはほぼ同じ温度にさらされるためブリッジ回路のバランスを対称に保つことができる。

したがって、本実施例によれば、抵抗のばらつきが低減され高精度に空気流量を計測することができる。

本実施形態においても、センサ素子１上に形成する抵抗体としてｎ型の多結晶シリコンを用いているが、ｐ型の多結晶シリコン、ｎ型単結晶シリコン、ｐ型単結晶シリコンでも抵抗体の縦方向成分と横方向成分をピエゾ抵抗係数πtとπｌの比に調整することによって、同様な効果が得られる。また、白金などの金属を用いた抵抗体の場合でも同様な効果が得られる。
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について説明する。本実施形態は、自動車などの加速度センサや傾斜角センサに用いることができる発熱抵抗体式加速度センサに本発明を適用した場合の例である。

従来の発熱抵抗体式加速度センサとしては、米国特許5581034号公報に記載されているものがある。

図８は本実施形態における熱型加速度センサのセンサ素子を示す概略平面図である。また図９は、図１におけるＢ−Ｂ断面を示す概略図である。図示していないが、センサ素子３０は密閉した容器内に実装され、容器内は空気やキセノン（Ｘｅ）など熱伝導率の小さい流体で満たされている。

これらの図において、センサ素子３０は、全体が単結晶シリコン（Ｓｉ）板の半導体基板３１をベースとして形成され、この半導体基板３１には、空洞部３４が形成されている。この空洞部３４の平面形状は長方形の孔として形成されている。そして空洞部３の一方の面には、両持梁３５ａ、３５ｂ、３５ｃが形成されている。図のように両持梁３５ａ、３５ｂ、３５ｃ上には、発熱抵抗体３６、感温抵抗体３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂが形成されている。

これらの抵抗体は多結晶シリコンであり、CVD等により電気絶縁膜３２上に多結晶シリコン層を形成し所望の形状にエッチングすることにより形成している。また、所望の抵抗値・抵抗温度係数になるようにリン（P）を熱拡散またはイオン注入によりドーピングしｎ型の多結晶シリコンとしている。

例えば、感温抵抗体３７ａは互いに直行する縦と横の２方向の抵抗成分の合成抵抗であり、縦方向成分と横方向成分の抵抗値の比がピエゾ抵抗係数πｌとπｔの比にほぼ等しい構成となっている。他の感温抵抗体３７ｂ、３８ａ、３８ｂについても同様な構成となっている。具体的な感温抵抗体の形状については図１１により後述する。またこれらの抵抗体を保護するために、電気絶縁膜３３を形成している。

前述した両持梁３５ａ、３５ｂ、３５ｃおよびそれらの上の抵抗体は、次のように製作される。半導体基板３１は、当初は電気絶縁膜３２で全体が覆われる。電気絶縁膜３２は、熱酸化あるいはCVD(Chemical Vapor Deposition)により成形された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。この電気絶縁膜３２上に、発熱抵抗体３６、感温抵抗体３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂが形成され、さらにその上に電気絶縁膜３３が形成される。さらに電気絶縁膜３２、３３を所望の形状となるようにエッチングして一部を除去する。さらに、半導体基板３１のもう一方の面を異方性エッチングにより取り除き空洞部３４を形成する。以上のプロセスを経てセンサ素子が製造される。

次に動作原理について説明する。発熱抵抗体３６に電流を流し加熱すると周囲の流体の温度が上昇し密度が低下する。ここで、図９に示した方向に加速度Ｇが加わると、加速度Ｇとは反対方向に流体が移動し対流が生じる。これにより、密閉容器内には温度分布が変化し、感温抵抗体３７ａ、３７ｂの温度は、感温抵抗体３８ａ、３８ｂの温度よりも高くなる。この温度差は、加速度Ｇの大きさによって変化するため、感温抵抗体３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂの温度変化による抵抗値の変化を電気信号により取り出すことによって、加速度Ｇに応じた信号が得られる。

図１０はセンサ素子３０を駆動し加速度に応じた信号を得るための駆動回路である。図１０において（ａ）は発熱抵抗体３６に電流を加え加熱するための回路である。（ｂ）は感温抵抗体３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂの温度差を検出するためのブリッジ回路である。

このような発熱抵抗体式加速度センサは、発熱抵抗体３６と感温抵抗体３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂの熱絶縁性をよくするために、両持梁３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ上にそれぞれの抵抗体を形成している。したがって、両持梁は機械的強度が低く応力が加わりやすく、両持梁上に形成した抵抗体は、ピエゾ抵抗効果により抵抗値が変化する。

図１１は、本発明を適用し、図中の応力σの影響を低減する構成としている。図示したように、帯幅が一定な２つの感温抵抗体３８ａ、３８ｂは、互いに縦方向抵抗成分２９同士、横方向抵抗成分２８同士が噛合って並走するように形成される。図面上の縦方向の抵抗成分（σと垂直）と横方向成分（σに平行）の抵抗値の比は、ピエゾ抵抗係数πｌとπｔの比とほぼ等しくしている。本実施形態では、感温抵抗体３８ａ、３８ｂは多結晶シリコンで形成してあり、ピエゾ抵抗係数πｌとπｔは前記（２）式の関係がある。したがって、本実施形態における感温抵抗体８ａおよび８ｂは、縦方向成分２９の長さが横方向成分２８の長さの３倍となるように形成している。これにより、応力σによる影響がキャンセルされる構成となり、抵抗値変化を低減し発熱抵抗体式加速度センサの計測精度が向上する。

本実施形態においても、センサ素子３０上に形成する抵抗体としてｎ型の多結晶シリコンを用いてるが、ｐ型の多結晶シリコン、ｎ型単結晶シリコン、ｐ型単結晶シリコンとしても良く、抵抗体の縦方向成分と横方向成分をピエゾ抵抗係数πｌとπｔの比に調整することによって、同様な効果が得られる。また、白金などの金属を用いた抵抗体の場合でも同様な効果が得られる。

また本実施形態においても、第１、第２実施形態と同様に感温抵抗体8a、８ｂの形状を一定の帯幅とすることで、オーバーエッチングによる抵抗比のばらつきを低減することができる。
（第４の実施形態）
次に第４の実施形態について図１２〜図１４を用いて説明する。

本実施形態は、今までの実施形態に述べた例と異なる手法を用いて、発熱抵抗式流量センサの配線抵抗の歪による流量測定精度の低下を防止する例である。すなわち、センサ素子上に形成した各抵抗体の配線部が応力によって歪み、それにより配線部の抵抗値が変化すると流量検出誤差が生じるが、本実施形態はそのような流量検出誤差を低減するよう配慮されている。

図１２は、本実施形態における流量センサの素子を示す概略平面図、図１３は、本実施形態におけるセンサ素子上の発熱抵抗体６の加熱温度を制御するための電気回路を示す図、図１４は、感温抵抗体７ａ、８ａにより発熱抵抗体６の上下流の温度差を検出し、流量に応じた電気信号を得るための電気回路を示す図である。流量センサの基本的な動作原理等ついては第１実施形態と同じであり、ここでは相違点のみを説明する。

まず、図１２のセンサ素子の説明に先立って、図１３および図１４の回路図について説明する。

図１３の発熱抵抗体の駆動回路は、基本的には図１（ａ）の駆動回路と同様の回路構成である。図１３において、図１（ａ）と異なる点は、直列接続される発熱抵抗体６と温度補償抵抗体９の電源側一端３９ａを配線１０ｎ、１０ｍを介して２端子（３９ａ−１，３９ａ−２）とし、接地側一端３９ｂも配線１０ｋ、１０ｌを介して２端子（３９ｂ−１，２９ｂ−２）とする。すなわち、直列接続された抵抗体の電源側端子と接地側端子とを合計少なくとも４端子とする。

差動増幅器４０の反転入力端子に、端子３９ａ−１を介して発熱抵抗体６の電源側一端（＋側）３９ａの一方の配線１０ｎが接続され、差動増幅器４０の非反転入力端子に電源電位３９ｃが接続される。差動増幅器４０の出力端子が端子３９ａ−２を介して発熱抵抗体６の電源側の一端３９ａの配線１０ｍに接続される。

このようにすれば、発熱抵抗体６の電源側一端の配線１０ｍ、１０ｎに歪が生じその配線抵抗が変化しても、発熱抵抗体６の電源側一端の電位３９ａを常に電源電位３９ｃに維持するフィードバック素子４０を設けることができる。なお、１０ｎ´、１０ｍ´は、配線１０ｎ、１０ｍの配線抵抗である。

同様に、差動増幅器４１の反転入力端子に、端子３９ｂ−２を介して温度補償抵抗体９の接地側一端３９ｂの一方の配線１０ｌが接続され、差動増幅器４１の非反転入力端子に接地電位が接続される。差動増幅器４１の出力端子が端子３９ｂ−１を介して温度補償抵抗体の配線１０ｋ（接地側一端３９ｂの配線）に接続される。

このようにすれば、温度補償抵抗体９の一端３９ｂの配線１０ｌ、１０ｋに歪が生じその配線抵抗が変化しても、温度補償抵抗体９の一端３９ｂの電位を常に接地電位に維持するフィードバック素子４１を設けることができる。なお、１０ｌ´、１０ｋ´は、配線１０ｌ、１０ｋの配線抵抗である。発熱抵抗体６と温度補償抵抗体９との間の中点電位は、配線１０ｊを介して、差動増幅器１５側に接続されている。１０ｊ´は配線抵抗である。

図１４の流量測定回路は、基本的には図１（ｂ）と同様の回路であるが、発熱抵抗体６の上下流に配置される感温抵抗体７ａと感温抵抗体８ａとはそれぞれ一つづつで構成されている。

原理的には、感温抵抗体７ａの両端電位と感温抵抗体８ａの両端電位とが配線１０ａ，１０ｂおよび１０ｇ，１０ｈを介して、それぞれ差動検出回路４２に入力され、その電位差から流量及び空気流の方向性を検知できる構成になっている。

本実施態様においても、直列接続される感温抵抗体のうち抵抗体７ａの電源側一端３９ｃを配線１０ｃ、１０ｄを介して２端子（３９ｃ−１，３９ｃ−２）とし、接地側一端３９ｄも配線１０ｆ、１０ｅを介して２端子（３９ｄ−１，２９ｄ−２）とする。すなわち、直列接続された抵抗体の電源側端子と接地側端子とを合計少なくとも４端子とする。

差動増幅器４４の反転入力端子に、端子３９ｃ−１を介して感温抵抗体７ａの一端３９ｃの一方の配線１０ｄが接続され、差動増幅器４４の非反転入力端子に電源の基準電位Ｖｒｅｆが接続される。差動増幅器４４の出力端子が端子３９ｃ−２，配線１０ｍを介して感温抵抗体７ａの一端３９ｃに接続される。

このようにすれば、感温抵抗体７ａの電源側一端の配線１０ｃ，１０ｄに歪が生じその配線抵抗が変化しても、感温抵抗体７ａの電源側一端の電位３９ｃを常にＶｒｅｆに維持するフィードバック素子４４を設けることができる。なお、１０ｃ´、１０ｄ´は、配線１０ｃ、１０ｄの配線抵抗である。

同様に、差動増幅器４５の反転入力端子に、端子３９ｄ−２を介して感温抵抗体８ａの接地側一端３９ｄの一方の配線１０ｅが接続され、差動増幅器４５の非反転入力端子に接地電位が接続される。差動増幅器４５の出力端子が端子３９ｄ−１を介して感温抵抗体８ａの配線１０ｆ（接地側一端３９ｄ）に接続される。

このようにすれば、感温抵抗体８ａの一端の配線１０ｅ，１０ｆに歪が生じその配線抵抗が変化しても、感温抵抗体８ａの一端３９ｄの電位を常に接地電位に維持するフィードバック素子４５を設けることができる。なお、１０ｅ´、１０ｆ´は、配線１０ｅ、１０ｆの配線抵抗である。

このような構成とすることで、応力により配線１０ａ〜１０ｎの抵抗値が変動しても、発熱抵抗体６、感温抵抗体９、７ａ、８ａに加わる電圧は変動しないため、高精度な流量検出が可能となる。

図１２に示すセンサ素子には、上記の発熱抵抗体６、温度補償抵抗体９、感温抵抗体８ａ，８ｂが形成され、かつ上記フィードバック素子対応の各端子３９ａ−１，３９ａ−２，３９ｂ−１，３９ｂ−２，３９ｃ−１，３９ｃ−２，３９ｄ−１，３９ｄ−２が形成されている。

また、前述の実施形態１〜３に本実施形態を組み合わせることにより、検出部と配線部両方の応力影響が低減され、さらに高精度化を図ることができる。

本発明の第１実施形態におけるセンサ素子の概略平面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の断面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第1実施形態におけるセンサ素子の実装構造を示す縦断面図。 第1実施形態における感温抵抗体の形状を示す平面図。 第1実施形態におけるその他の感温抵抗体の形状を示す平面図。 本発明の第２実施形態における感温抵抗体の形状を示す平面図。 本発明の第３実施形態におけるセンサ素子の概略平面図。 第３実施形態におけるセンサ素子の縦断面図。 第３実施形態におけるセンサ素子の駆動回路を示す図。 第３実施形態における感温抵抗体の形状を示す平面図。 本発明の第４の実施形態におけるセンサ素子の概略平面図。 第４の実施形態におけるセンサ素子の駆動回路の一部を示す図。 第４の実施形態におけるセンサ素子の駆動回路の一部を示す図。

符号の説明

１…センサ素子、２…半導体基板、６…発熱抵抗体、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ…感温抵抗体、９…温度補償抵抗体（感温抵抗体）、１０…配線部、１０a〜１０ｎ…配線抵抗、２８…感温抵抗体の横方向成分、２９…感温抵抗体の縦方向成分、３０…熱型加速度センサのセンサ素子、３１…半導体基板、３６…発熱抵抗体、３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ…感温抵抗体、３９ａ〜３９ｂ…回路上の電位、４０、４１、４４、４５…差動増幅器（フィードバック素子）

Claims (5)

1. 物理量として空気流量或いは加速度を計測するための抵抗体が基板上に帯状にパターン形成され、前記抵抗体は、温度依存性を有する抵抗体であって、空気温度に対して一定温度高くなるように電流制御される発熱抵抗体と、測定対象の物理量の作用方向において前記発熱抵抗体の上流側に配置される感温抵抗体および下流側に配置される感温抵抗体とで構成され、前記発熱抵抗体、前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体が前記基板に設けたダイヤフラム上に形成され、前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体が検出する空気温度差により前記物理量を計測する物理量センサにおいて、
   これらの抵抗体は、不純物をドープした多結晶シリコンであり、前記基板に加わる外部応力の分布における最大応力がかかる方向に対して平行な方向を横方向、垂直な方向を縦方向とした場合、横方向の抵抗成分Ｒｌと縦方向の抵抗成分Ｒｔを有し、
   前記ダイヤフラム上に形成された前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体は、いずれも、前記最大応力が前記横方向の抵抗成分Ｒｌに加わるときのピエゾ抵抗係数πｌと前記縦方向の抵抗成分Ｒｔに加わるときのピエゾ抵抗係数πｔとの比がπｔ／πｌ＝−１／ｎ（ｎは整数）であり、前記縦方向の抵抗成分Ｒｔと前記横方向の抵抗成分Ｒｌとの抵抗比が、Ｒｌ／Ｒｔ＝（１±０．５）／ｎの範囲で設定されていることを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１において、前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体のそれぞれの縦方向の抵抗成分Ｒｔと横方向の抵抗成分Ｒｌとの抵抗値の比が、Ｒｌ／Ｒｔ＝（１±０．５）／３の範囲で設定されていることを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項１又は２において、前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体は、それぞれ複数本よりなり、それぞれが前記縦方向の抵抗成分Ｒｔと前記横方向の抵抗成分Ｒｌを有し、かつ複数本の抵抗体の縦方向の抵抗成分同士および横方向成分同士が互いに噛合って並設されている特徴とする物理量センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体の電源側端子と接地側端子とが少なくとも計４端子以上で構成されていることを特徴とする物理量センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記上流側感温抵抗体および前記下流側感温抵抗体は、１の抵抗体或いは２以上の直列抵抗体よりなり、この抵抗体の電源側端子と接地側端子とに、電源電圧と接地電圧を維持するためのフィードバック素子が接続されていることを特徴とする物理量センサ。

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