JP5315196B2

JP5315196B2 - 空気流量計

Info

Publication number: JP5315196B2
Application number: JP2009225897A
Authority: JP
Inventors: 林太郎南谷; 恵二半沢; 彰夫保川
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011075354A

Description

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。

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、特許文献１などに提案されているものがある。特許文献１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。

特許文献１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、ダイアフラム状になっており、両面が直接ダストを含む空気流に曝されている。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（ＳｉＯ₂）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ア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、信頼性への配慮が必要である。

そこで特許文献２で提案されている熱式空気流量計の測定素子では、電気絶縁膜のダイアフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆い、かつ電気絶縁膜ダイア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造となっている。

特開平１０−３１１７５０号公報特許３６１０４８４号公報

電気絶縁膜のダイアフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆う構造において、ダイアフラム上の抵抗体配線はダイアフラム周縁部を横切る構造が存在する。例えば測温抵抗体などの狭幅配線がダイアフラム周縁部を横切る箇所では、ダスト衝突性能が低下することが明らかになった。このダスト衝突性能の低下は、狭幅配線上に形成される保護膜の厚さが薄くなり、保護膜で吸収できるダストの運動エネルギが低下することが原因であることがわかった。さらにこのダスト衝突性能の低下は、ダスト衝突でダイアフラムが撓んだとき狭幅配線近傍では、狭幅配線がない個所に比べて配線角部の応力集中により少ない撓みで破壊することが原因であることがわかった。すなわち狭幅配線近傍では、狭幅配線がない個所に比べてダイアフラムで吸収できるダストの運動エネルギ（ダスト吸収エネルギ）が低下することが原因であることがわかった。

一方測温抵抗体などの狭幅配線がダイアフラム周縁部を横切る箇所では、保護膜で吸収できるダストの運動エネルギを向上させるために保護膜の膜厚を過剰に厚くすると、ダイアフラムにたわみが発生することが明らかになった。このたわみの発生は、保護膜の膜厚が厚くなるに従い、保護膜の成膜応力による引張り力が大きくなることが原因であることがわかった。

電気絶縁膜のダイアフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆う構造において、測温抵抗体の本体部すなわち感温部が保護膜で覆われると測温抵抗体の特性が低下して、流量を精度良く測定できないことがわかった。

本発明の目的は、測定素子に設けた保護膜で吸収できるダストの運動エネルギ、すなわち変形エネルギが低下するのを防ぎ、信頼性の高い熱式空気流量計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量計は、半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成された発熱抵抗体及び測温抵抗体とを備え、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して空洞を形成することにより、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域をダイアフラム部とし、ダイアフラム部の周縁部を含んでその外側に保護膜を形成し、ダイアフラム部の発熱抵抗体本体部及び測温抵抗体本体部が形成された領域には保護膜を形成していない熱式空気流量計において、発熱抵抗体本体に接続された発熱抵抗体配線又は測温抵抗体本体に接続された測温抵抗体配線がダイアフラム部の周縁部を横切る箇所に、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線と並べて、前記電気絶縁膜から逆凸状に形成された膜構成部が設けられ、前記膜構成部は、電気的に接続されていない配線であり、前記電気的に接続されていない配線の線幅は、前記配線と隣接する前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線の線幅よりも広くしたものである。

このとき、前記膜構成部は、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線と同じ材料で形成され、電気的に接続されていない配線とするとよい。

前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線と並べて形成された、電気的に接続されていない配線の線幅は、前記配線と隣接する前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線の線幅よりも広くするとよい。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量計は、半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成された発熱抵抗体及び測温抵抗体とを備え、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して空洞を形成することにより、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域をダイアフラム部とし、ダイアフラム部の周縁部を含んでその外側に保護膜を形成し、ダイアフラム部の発熱抵抗体本体部及び測温抵抗体本体部が形成された領域には保護膜を形成していない熱式空気流量計において、発熱抵抗体本体に接続された発熱抵抗体配線又は測温抵抗体本体に接続された測温抵抗体配線がダイアフラム部の周縁部を横切る箇所に、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線にこれらの配線より幅広で、前記電気絶縁膜からダイアフラム中央部に向けて逆凸状に形成された膜構成部を設けたものである。

本発明によれば、ダスト衝突によるダイアフラムの破壊を防止して、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上させることができる。これによって、信頼性の高い熱式空気流量計を提供することができる。

熱式空気流量計に設けられた測定素子の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図。熱式空気流量計の一実施形態の概略構成を示す図。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。ダイアフラムの吸収エネルギとダイアフラム端部からの距離を示した図。保護膜の膜厚に及ぼす配線の幅の影響を説明した図。狭幅配線のダスト衝突による破壊のメカニズムを示す図。逆凸広幅配線のダスト衝突による破壊のメカニズムを示す図。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平面図。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平面図。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平面図。

以下、本発明を適用してなる熱式空気流量計について説明する。

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。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２，電気絶縁膜３，発熱抵抗体本体４，発熱抵抗体本体４の温度を計測するための測温抵抗体本体５、そして電気絶縁膜３を保護する保護膜６などで構成されている。単結晶シリコンなどからなる半導体基板２上に形成された電気絶縁膜３は、半導体基板２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（ＳｉＯ₂）膜や窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜で補強された二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）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，タンタル，モリブデン，白金などからなる発熱抵抗体本体４，測温抵抗体本体５などが形成されている。

測温抵抗体本体５は、空気流４０に対して発熱抵抗体本体４の上流側に測温抵抗体本体５ａ，発熱抵抗体本体４の下流側に測温抵抗体本体５ｂが、互いに平行に延在させて形成されている。測温抵抗体本体５ａ，５ｂは発熱抵抗体本体４を挟んで対称に形成されている。また、発熱抵抗体本体４，測温抵抗体本体５は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお発熱抵抗体と測温抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示した。発熱抵抗体本体４の両端部は、各々、測定素子１の縁部に形成された端子電極１０に配線４′で電気的に接続されている。なお、発熱抵抗体本体４、そして測温抵抗体本体５は、各々端子電極１０と配線４′，５ａ′，５ｂ′を除いた発熱抵抗体と測温抵抗体の本体部を意味し、単に発熱抵抗体本体４，測温抵抗体本体５ともいう。なお各端子電極１０は、金やアルミニウムなどの導電性材料のめっきや蒸着などにより形成されている。

電気絶縁膜３の発熱抵抗体本体４と測温抵抗体本体５が形成されている領域に対応する半導体基板２の部分は、異方性エッチングにより電気絶縁膜３との境界面まで除去されて空洞２９となっており、発熱抵抗体本体４を熱絶縁している。したがって、電気絶縁膜３の空洞２９に対応する部分であるダイアフラム部３０は、両面が直接環境に曝されている。

保護膜６は、電気絶縁性を有しかつ軟質な膜、例えば有機材料からなる膜であり、電気絶縁膜３上の空洞２９の周縁部に対応する領域（周縁部の少し内側）から外側部分まで覆うように形成されている。ここで、空洞２９の周縁はダイアフラム部３０の周縁３０ａに相当する。発熱抵抗体本体４上は高温で保護膜が劣化するため、測温抵抗体本体５は熱絶縁性と共にセンサ特性が低下するため保護膜６が形成されていない。また、半導体素子１の各端子電極１０が形成されている縁部側の電気絶縁膜３上には、電気的接続を行うため、保護膜６は形成されていない。すなわち、保護膜６は、空洞２９の周縁部よりも内側の発熱抵抗体本体４と測温抵抗体本体５が形成されている部分と、端子電極１０とが形成されている部分とを除いた電気絶縁膜３上を覆うように形成されている。

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２０、そして外部回路２１などを備えている。測定素子１と外部回路２１とは、測定素子１の各端子電極１０と外部回路２１との間の、支持体２０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２２内部にある副通路２３内に配置され、外部回路２１は、吸気通路２２の外壁面などに設置されている。

本実施形態の熱式空気流量計の流量計測において、発熱抵抗体本体４には、発熱抵抗体本体４の温度を計測する測温抵抗体本体５の温度が、空気流４０の温度を計測する空気温度測温抵抗体（ここでは図示していない）の温度より一定温度だけ高くなるような加熱電流が流されている。このとき、測温抵抗体本体５に対して対称に形成された発熱抵抗体本体４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、上流側の測温抵抗体本体５の温度は、下流側の測温抵抗体の温度は等しくなる。図１に示す空気流４０の方向、すなわち順流では、上流側の測温抵抗体の方が下流側の測温抵抗体よりも空気流４０による冷却効果が大きく、上流側の測温抵抗体の温度が下流側の測温抵抗体の温度より低い値となる。また逆流では、上流側の測温抵抗体の温度が下流側の測温抵抗体の温度より高い値となる。このように、測温抵抗体の温度、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４０の流量と方向を検知できる。なお、測温抵抗体本体５の抵抗値は、各々、端子電極１０の端子間電圧から求められる。空気流量は、測温抵抗体本体５での測定温度を空気温度測温抵抗体での測定温度より一定温度高く制御するために、発熱抵抗体本体４に流す加熱電流の値から算出される。

ここで、電気絶縁膜３上に形成された発熱抵抗体本体４には、上記のように、加熱電流が流されているため、発熱抵抗体本体４は２００〜３００℃に加熱されており、発熱抵抗体本体４に加えて電気絶縁膜３や測温抵抗体本体５なども高温に曝されている。したがって、保護膜６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、例えば熱硬化性樹脂のポリイミドが知られている。

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、いわゆるダストが含まれている。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、脆性無機材料である二酸化ケイ素などからなる電気絶縁膜３のみでは、粒子の衝突時の運動エネルギをダイアフラム部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３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３のダイアフラム部３０の変形エネルギ、つまりダイアフラム部３０が吸収できるエネルギよりも大きい場合、ダイアフラム部３０が破壊されてしまう。

軟質な有機材料であるポリイミドからなる膜は、二酸化ケイ素膜に比べて膜自体のエネルギ吸収能が大きい。このため、ポリイミドからなる保護膜６を備えた測定素子１では、ダイアフラム部３０の変形だけでなく、保護膜６自体が粒子の衝突エネルギを吸収するため、粒子の衝突による電気絶縁膜３、すなわち測定素子１の破壊を防ぐことができる。

ここで、測定素子１への粒子４５の衝突位置には、図３に示すように、衝突位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６種類がある。衝突位置Ａは半導体基板２に対応する電気絶縁膜３の保護膜上に、衝突位置Ｂは空洞２９の周縁部に対応する電気絶縁膜３の保護膜部分つまりダイアフラム部３０の周縁部の保護膜上に、衝突位置Ｃは空洞２９の中央部に対応する電絶縁膜３つまりダイアフラム部３０の中央部上にある。また衝突位置Ｄはダイアフラム部３０の周縁部の測温抵抗体本体５など狭幅配線の保護膜上で、衝突位置Ｅはダイアフラム部３０の中央部の配線上で、衝突位置Ｆは、衝突位置Ｃと同じ空洞２９の中央部に対応する電気絶縁膜３つまりダイアフラム部３０の中央部上である。空洞２９及びダイアフラム部３０の周縁部は、空洞２９及びダイアフラム部３０の周縁３０ａを含み、さらにその近傍部分を含むものとする。電気絶縁膜３のダイアフラム部３０に粒子４５が衝突したときのダイアフラム部３０の変形エネルギ、つまり吸収エネルギを図４に示す。変形エネルギは、粒子４５の衝突位置がダイアフラム部３０の周縁部、すなわち基板と空洞２９の境界部に近いほど小さくなっている。ただし境界線上では半導体基板の影響で、変形エネルギは向上する。図４（ａ）に示すように、ダイアフラム部での変形エネルギは、保護膜６がある場合とない場合で異なる傾向を示す（図中の保護膜ありと保護膜なしの線図）。したがって保護膜６の境界部では、保護膜ありから保護膜なしの線図に転移する。図４で端部からの距離が０近くで変形エネルギが増加しているのは、距離０ではダストの一部がダイアフラム部外側の半導体基板を衝突して衝突エネルギの一部を半導体基板で受け持っているためである。

衝突位置Ａは半導体基板上でありダイアフラムの破壊には関与しない。図４（ｂ）に示すように、衝突位置Ｂでは保護膜がある状態、衝突位置Ｃでは保護膜がない状態での変形エネルギとなる。半導体基板２によって拘束されているダイアフラム部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、つまりダイアフラム部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。ダイアフラム部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、ダイアフラム部３０の中央部に保護膜６を形成しなくても、衝突位置Ｃ近傍への粒子４５の衝突によるダイアフラム部３０の破壊は起こり難い。したがって、ダイアフラム部３０の周縁部の、粒子４５の運動エネルギよりもダイアフラム部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３を覆うようにポリイミドからなる保護膜６を形成することで、粒子４５の衝突による電気絶縁膜３のダイアフラム部３０の破壊を防いでいる。測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′が存在するダイアフラムの周縁部すなわち衝突位置Ｄでは、保護膜６の厚さが薄く図４（ｂ）に点線で示す厚さｔ₂での変形エネルギとなる。測温抵抗体が存在しないダイアフラムの周縁部３０ａに比べて変形エネルギが小さくなる。ただし、保護膜６がない衝突位置Ｅ，Ｆでは、衝突位置Ｃと同等の変形エネルギとなる。測温抵抗体は狭幅配線であるため、ダイアフラムの変形エネルギは測温抵抗体の有無にほとんど影響されない。

保護膜６はワニスをスピンコートで塗布した後に加熱による脱水縮合を行うことにより形成される。図５（ａ）に示すように、測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′のような狭幅配線７（配線幅Ｗ₇）の場合、粘性の低いワニスが周りに流動９して、狭幅配線７上のワニスが薄くｔ₂なることがわかった。図５（ｂ）に示すように広幅配線８（配線幅Ｗ₈，Ｗ₈＞Ｗ₇として配線幅を長くすることにより、ワニスが周りに流動するのを防止でき、配線上の保護膜の厚さを配線がない箇所の厚さｔ₁と同等に維持できることがわかった。例えば広幅配線の線幅は膜厚の５倍以上が好適である。

保護膜６の厚さは厚くすることによりダイアフラムの耐ダスト性を向上させることができる。上述のように設計仕様としてダストの大きさと速度を定めることで、ダストの運動エネルギを算出できる。図４に示すように最も変形エネルギの小さい箇所は、ダイアフラム周縁部でかつ測温抵抗体が存在する箇所である。したがって保護膜６の厚さとしては、このダイアフラムの周縁部でかつ測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′が存在する箇所での変形エネルギが、上述のダストの運動エネルギよりも大きな値となるような保護膜の膜厚ｔ_b以上の膜厚を設定する必要がある。このように保護膜６の最低膜厚を求めることができる。保護膜６の膜厚が厚くなると、以下に示すように保護膜６の成膜応力によるダイアフラムのたわみ、保護膜６の熱伝導性で熱絶縁性の低下によるセンサ特性の低下が課題に挙げられる。したがってこれらの影響を受けない範囲で保護膜６の膜厚を厚くするのが好ましい。

電気絶縁膜３のダイアフラム部３０の周縁部を有機材料からなる保護膜６で覆う構造に
おいて、ダイアフラム上の抵抗体配線４′，５′がダイアフラム部３０の周縁部を横切る
構造が存在し、例えば測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′などの狭幅配線がダイアフラム部
３０の周縁部を横切る箇所では、ダスト衝突性能が低下する。このダスト衝突性能の低下
は、狭幅の配線５ａ′，５ｂ′上に形成される保護膜６の厚さが薄くなり、保護膜６で吸
収できるダストの運動エネルギが低下することが原因である。狭幅配線上に形成される保
護膜６の厚さが薄くなるのを防止することにより、ダイアフラムの耐ダスト性能が向上さ
れる。

さらにこのダスト衝突性能の低下は、ダスト衝突でダイアフラムが撓んだとき狭幅配線近傍では、狭幅配線がない個所に比べて配線角部の応力集中により少ない撓みで破壊することが原因であることがわかった。電気絶縁膜３のダイアフラム部３０の周縁部を有機材料からなる保護膜６で覆う構造において、ダイアフラム上の抵抗体配線４′，５′がダイアフラム部３０の周縁部を横切る構造が存在し、例えば測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′などの狭幅配線がダイアフラム部３０の周縁部を横切る箇所では、ダスト衝突でダイアフラムが撓んだとき狭幅配線近傍では、狭幅配線がない個所に比べて配線角部の応力集中により少ない撓みで破壊する。図６に示すように、ダイアフラム周縁部の狭幅配線の近傍のダスト衝突位置４６では、ダイアフラムが変形して狭幅配線角部４７の応力集中によりダイアフラムが破壊する。ダイアフラム周縁部の狭幅配線から離れたダスト衝突位置４６′では、ダイアフラムが変形しても狭幅配線角部４７の応力集中に影響しないため、ダイアフラムは破壊し難い。

すなわち狭幅配線近傍では、狭幅配線がない個所に比べてダイアフラムで吸収できるダストの運動エネルギ（ダスト吸収エネルギ）が低下することが原因である。狭幅配線近傍での配線角部の応力集中を防止することによりダイアフラムの耐ダスト性が向上される。

保護膜６が形成されていない領域に配置された発熱抵抗体本体４または測温抵抗体本体５に接続された発熱抵抗体配線４′または測温抵抗体配線５′の少なくともダイアフラム部３０の周縁部を横切る箇所に、電気的に接続されていないダミーの広幅配線８を並べて形成している。これにより配線間のすき間がなくなり、複数の配線群を一つの広幅配線とみなすことができ、図５（ｂ）に示したようにワニスの流動を抑制することが可能となる。また配線とダイアフラム境界線のなす角度が鋭角である部分的に広くした広幅配線８を配置させることにより、耐ダスト性を向上させる効果がある。配線とダイアフラム境界線のなす角度が０度に近づくにつれて配線とダイアフラム境界線に挟まれた領域の薄膜ダイアフラムの剛性が増大するため、本構造では耐ダスト性が向上すると考えられる。図７（ａ）に示すように、狭幅配線にダイアフラム中央部に向けて逆凸状に形成されているダミーの広幅配線８を有するダイアフラムは以下の理由でダイアフラムの耐ダスト性能が向上する。ダスト衝突位置４６が配線とダイアフラム周縁部の間にある図７（ｂ）断面Ａ−Ａではダミーの広幅配線８が逆凸状に形成されているためダミーの広幅配線８の剛性が高い。このためダスト衝突時のダイアフラムの撓みが小さくダミーの広幅配線８の角部の応力集中も小さくなり、ダイアフラムの耐ダスト性能が向上する。図７（ｃ）断面Ｂ−Ｂ，（ｄ）断面Ｃ−Ｃでは、逆凸状に形成されたダミーの広幅配線８の影響は少なく、配線による耐ダスト性能の低下を考慮する必要はない。ここで図８は部分的に広くした一対の配線の形状が、内側が配線とダイアフラム境界線のなす角度が９０度で、反対の外側が配線とダイアフラム境界線のなす角度が鋭角で構成されている。一対の配線は、ひとつの広幅配線とみなすことができ、図５に示すように配線が広くなるほどワニスが周りに流動し難くなるため、本構造ではダイアフラムの耐ダスト性が向上すると考えられる。また、広幅配線の両端角部の応力集中は、逆凸状に形成されて配線で低減されるため、ダイアフラムの耐ダスト性が向上する。またダイアフラム境界線に対して斜めに交差しているため、空洞２９をエッチングによりダイアフラムを形成する際に寸法がばらついても、同様の効果が得られる利点がある。

上記実施例では、保護膜６の膜厚が薄くなる狭幅配線が配置されている近傍のみにダミーの広幅配線１１を配置したが、ダミーの広幅配線１１は保護膜６の膜厚を確保する効果とダイアフラム部３０の周縁部を補強する効果がある。

上記実施例では、狭幅配線上の保護膜６が流動して狭幅配線上で保護膜６が薄くなるのを抑制するため、ダミーの広幅配線１１を発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と並べて形成することを提案している。狭幅配線上の保護膜６が流動するのを防止するには、必ずしもダミーの広幅配線１１である必要は無い。例えば、発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′とは異なる材料であっても良く、導電性は必ずしも必要ない。従って、ダイアフラム部３０の周縁部を横切る箇所に、発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と並べて、電気絶縁膜３から逆凸状に形成された膜構成部を設ければよい。このとき、逆凸状に形成された膜構成部は発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と積層膜構造の同じ層内に形成されることになる。

ダミーの広幅配線１１では、材料が導電性を有するため、発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′との間に微小な間隔を有して配置されることが好ましいが、発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と異なる材料にすれば、発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と接触させて設けることも可能である。

逆凸状に形成された膜構成部を発熱抵抗体配線４′又は測温抵抗体配線５′と同じ材料のダミー配線とすることにより、逆凸状に形成された膜構成部を発熱抵抗体配線４′及び測温抵抗体配線５′と同じプロセスで形成することができるので、位置及び形状の精度が高くなり、製造が容易になり、製造コストも低減することができる。

尚、ダミー配線とは、発熱抵抗体配線４′や測温抵抗体配線５′と同じ材料、或いは導電性を有する材料で構成され、電気的に接続されていない膜をいう。また、電気的に接続されているかどうかは、電流が流れるかどうか、或いは何らかの電気信号を取り出せるかどうかで区別することができる。すなわち、電源ラインに接続されていても、回路として閉じておらず電流が流れない構成や、電気信号を取り出せない構成であれば、電気的に接続されていることにはならない。

本発明の別の実施例を図９に示す。ダミーの広幅配線１１を用いることなく、発熱抵抗体の配線４′，測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′自体を部分的に広くした広幅配線を配置することでも同様の効果を得られる。ただし、発熱抵抗体の配線４′の幅は抵抗値を小さくするため従来から比較的広くしてあるので、測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′の幅を広くすることが特に有効である。なお熱式空気流量計は、測温抵抗体本体５の抵抗値変化を用いて流量を測定するため、抵抗値を正確に把握する必要がある。測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′全体の長さに比べて広幅配線８部分は充分に短く、広幅配線８の影響は無視できる。

本発明の別の実施例を図１０に示す。発熱抵抗体の配線４′，測温抵抗体の配線５ａ′，５ｂ′自体を部分的に広くした広幅配線とダミーの広幅配線１１とを併用して配置することでも同様の効果を得られる。一対の配線は、ひとつの広幅配線とみなすことができ、図５に示すように配線が広くなるほどワニスが周りに流動し難くなるため、本構造ではダイアフラムの耐ダスト性能が向上すると考えられる。またダイアフラム境界線に対して斜めに交差しているため、空洞２９をエッチングによりダイアフラムを形成する際に寸法がばらついても、同様の効果が得られる利点がある。

本実施形態では保護膜６を形成する有機材料としてポリイミドが適しているが、他の有機材料、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の保護膜６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６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。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。

１測定素子
２半導体基板
３電気絶縁膜
４発熱抵抗体本体
４′ 発熱抵抗体の配線
５測温抵抗体本体
５ａ上流側の測温抵抗体本体
５ａ′ 上流側の測温抵抗体の配線
５ｂ下流側の測温抵抗体本体
５ｂ′ 下流側の測温抵抗体の配線
６保護膜
７狭幅配線
８広幅配線
９ワニスの流れ
１０端子電極
１１ダミーの広幅配線
２０支持体
２１外部回路
２２吸気通路
２３副通路
２９空洞
３０ダイアフラム部
３０ａダイアフラム部の周縁
４０空気流
４５固体粒子
４６ダイアフラム周縁部の狭幅配線近傍のダスト衝突位置
４６′ ダイアフラム周縁部の狭幅配線から離れたダスト衝突位置
４７狭幅配線角部

Claims

半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成された発熱抵抗体及び測温抵抗体とを備え、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して空洞を形成することにより、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域をダイアフラム部とし、ダイアフラム部の周縁部を含んでその外側に保護膜を形成し、ダイアフラム部の発熱抵抗体本体部及び測温抵抗体本体部が形成された領域には保護膜を形成していない熱式空気流量計において、
発熱抵抗体本体に接続された発熱抵抗体配線又は測温抵抗体本体に接続された測温抵抗体配線がダイアフラム部の周縁部を横切る箇所に、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線と並べて、前記電気絶縁膜からダイアフラム中央部に向けて逆凸状に形成された膜構成部が設けられ、
前記膜構成部は、電気的に接続されていない配線であり、
前記電気的に接続されていない配線の線幅は、前記配線と隣接する前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線の線幅よりも広いことを特徴する熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、
前記膜構成部は、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線と同じ材料で形成されることを特徴とする熱式空気流量計。
半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成された発熱抵抗体及び測温抵抗体とを備え、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して空洞を形成することにより、発熱抵抗体及び測温抵抗体の本体部が形成された領域をダイアフラム部とし、ダイアフラム部の周縁部を含んでその外側に保護膜を形成し、ダイアフラム部の発熱抵抗体本体部及び測温抵抗体本体部が形成された領域には保護膜を形成していない熱式空気流量計において、
発熱抵抗体本体に接続された発熱抵抗体配線又は測温抵抗体本体に接続された測温抵抗体配線がダイアフラム部の周縁部を横切る箇所に、前記発熱抵抗体配線又は前記測温抵抗体配線にこれらの配線より幅広で、前記電気絶縁膜からダイアフラム中央部に向けて逆凸状に形成された膜構成部を設けたことを特徴する熱式空気流量計。