JP6294172B2 - 物理量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体の物理量を検出するため物理量検出装置に関し、特に、内燃機関の吸気系に取り付けられ吸入空気の物理量を検出する物理量検出装置に関する。

近年、自動車の燃費向上のため、吸入空気の流量の他、吸入空気の湿度や圧力といった吸入空気の物理量を検出することが必要とされている。そして、自動車エンジンの小形化、配置レイアウトの自由度確保等から、空気流量測定装置、湿度検出装置、圧力検出装置をなるべく集約して吸気系に取り付けることが求められている。

複数の物理量検出装置を集約した従来例として、例えば特許文献１に記載の圧力計一体型ガスセンサがある。特許文献１には、Si基板に不純物拡散等により形成されたピエゾ抵抗素子からなる被検ガス圧の測定センサと、Si基板上の絶縁材料でできた張り出し部上に設けられたヒーターリードと金属酸化物半導体層とからなる被検ガス濃度の測定センサとを構成し、被検ガスの濃度と被検ガスを含む気体の圧力を１チップで同時に測定できることが開示されている。

特開平５−２４９０６３号公報

湿度検出の誤差要因として、被測定媒体である吸入空気の圧力変動による湿度検出素子の出力値変化が挙げられる。そのため、精度よく吸入空気の湿度を検出するために、湿度検出素子の出力を圧力検出素子の出力で補正することが考えられる。ここで、圧力検出素子の出力で湿度検出素子の出力を補正する上では、湿度検出素子に対する誤差要因による影響度と圧力検出素子に対する誤差要因による影響度をなるべく近づけることが補正精度向上の点で望ましい。特許文献１は、湿度検出素子は絶縁材料からなる取り出し部上に設けられており、圧力検出素子はSi基板に設けられているため、湿度検出素子と圧力検出素子との誤差要因による影響度が異なる。そのため、特許文献１は上述の課題に対して検討の余地を残している。

本発明の目的は、信頼性の高い物理量検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の物理量検出装置は、空洞部を有する半導体基板と、前記空洞部を覆うように前記半導体基板上に設けられる絶縁材料からなる支持膜と、前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域に設けられるゲージ抵抗体と、前記支持膜上に設けられる湿度検出素子とを備えた。

本発明によれば、信頼性の高い物理量検出装置を提供することが可能である。

本発明の一実施例としての物理量検出装置のセンサチップを示す平面図。 図１のＸ−Ｘ断面図。 センサチップの駆動・検出構成の一例を示す回路図。 センサ信号の処理形態を示す信号処理装置の一例を示すブロック図。 本実施例の物理量検出装置を内燃機関の吸気通路に設置した簡易モデルの図。 本実施例のセンサチップをモールドパッケージ化した構造図。 本発明の実施例２に係る物理量検出装置のセンサチップを示す平面図。 図７のＸ−Ｘ断面図。 本発明の実施例１の支持膜変形を示す断面図。 本発明の実施例１のひずみを示す図。 本発明の実施例２の支持膜変形を示す断面図。

以下、本発明の実施例について説明する。

以下、図１〜図６、図９、図１０を参照して、本発明に係る物理量検出装置の第一の実施例について説明する。本実施例では濃度検出素子として熱式の湿度検出素子（熱式湿度センサ）を備えた物理量検出装置を例にして説明する。

図１に、本実施例における物理量検出装置である熱式湿度センサのセンサチップ１ａの平面図を示す。図２に、図１のセンサチップ１ａのＸ−Ｘ線断面図を示す。

本実施例のセンサチップ１ａは、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部３が形成されており、この空洞部３は絶縁膜４ａ、４ｂ、４ｃから成る支持膜５で覆われ、支持膜５上に湿度検出素子としての発熱体６、７が形成されている。発熱体６、７は空洞部３上の支持膜５上に形成される。支持膜５上には圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９、圧力検出における参照抵抗体としての参照抵抗体１０、１１が形成されている。ゲージ抵抗体８、９は空洞部３内の支持膜５上に形成される。参照抵抗体１０、１１は空洞部３外すなわち基板２上の支持膜５上に形成される。これらの抵抗体を保護するためにセンサチップ１ａの表面は保護膜１２で覆われる。発熱体６、７に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１３ａ〜１３ｄが形成される。また、ゲージ抵抗体体に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１４ａ〜１４ｆが形成される。これらの電極１３ａ〜１３ｄ、電極１４ａ〜１４ｆは駆動回路装置（図示なし）に金線ボンディングワイヤーやリードフレームなどにより電気的に接続される。

発熱体６、７としては、抵抗温度係数が高い材料として、例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、不純物をドープした多結晶シリコン（Ｓｉ）等が選定される。熱式湿度センサとしての発熱体は、湿度の検出感度を得るために、400℃以上の耐熱性と、1000ppm/℃以上の抵抗温度係数を備える材料であることが望ましい。ゲージ抵抗体８、９及び参照抵抗体１０、１１としては、発熱体６、７と同様な材料で構成できる。ゲージ抵抗体８，９及び参照抵抗体１０，１１としては、ゲージ率が検出感度を確保するために１以上であることが望ましい。湿度センサとしての発熱体と圧力検出素子としてのゲージ抵抗体を同一材料で形成する場合、これらの物性値を満足することが必要である。特に厳しいのは耐熱性であるが、耐熱性に優れる材料としてはＭｏ膜が好適である。Ｍｏ膜のゲージ率は0.4〜1.5であり、圧力検出素子としては比較的小さい。しかしながら、圧力検出素子の形状や構造により感度を高めることができる。本実施例では、Ｓｉ基板を完全に除去することで、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜からなる絶縁膜を支持膜としている。支持膜の厚みとしては数１０μｍ以下の薄膜としている。Si基板を除去した薄膜であるため圧力による支持膜の撓みが大きくなり、圧力検出感度を向上することが可能である。また、発熱体とゲージ抵抗体に不純物をドープした多結晶シリコンなどを用いることの可能であるが、耐熱性が200℃程度であり湿度センサとしては長期信頼性に課題がある。しかしながら、多結晶シリコンのゲージ率は３〜１４程度であり圧力検出感度が高い。したがって、長期使用を必要としないシステムに限定すれば利用可能である。自動車用のセンサとして利用する場合、長期信頼性が求められるためＭｏ膜などの高耐熱材を用いることが望ましい。

絶縁層４ａ、４ｃ、４ｃおよび保護膜１２としては酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などが単層あるいは積層構成にて選定される。また、電極１３ａ〜１３ｄ、電極１４ａ〜１４ｆとしては、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。

上記のような構造を備えたセンサチップ１ａは、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術を用いて形成される。

本実施例では、湿度検出素子としての発熱体６を形成した支持膜５に圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９を形成している。すなわち、ゲージ抵抗体８、９を支持膜５と同一層の絶縁膜を含んだ支持膜上に形成している。これにより、空洞部３を形成するためのＳｉ基板エッチングが一回の工程で済む。本実施例では空洞部３を形成するために、裏面からのＫＯＨによるエッチングが利用できる。Ｓｉと絶縁膜４ａ（酸化ケイ素）のエッチング速度の差によりエッチングをストップさせることができ簡易に空洞部３を形成でき、濃度検出素子と圧力検出素子部を同時に製造することが可能である。また、エッチングをストップさせる膜としては、絶縁膜４ｂ（窒化ケイ素）を用いることも可能でありエッチング速度の違いがあれば安定したエッチングが可能である。本実施例では、空洞部３を一つ形成すれば濃度検出素子と圧力検出素子部を同時に製造でき小型化が可能である。

また、発熱体６と同一の材料を用いてゲージ抵抗体８、９を形成すれば工程の追加なく圧力検出素子８、９を形成でき、濃度検出機能と圧力検出機能を備えた物理量検出装置が製造できる。

以下、本実施例における熱式湿度センサの測定原理を説明する。発熱体６は、４００℃〜５００℃程度に加熱制御される。また、発熱体７は補助的な発熱素子であり２００℃から３００℃に加熱制御される。空気の湿度が変化すると空気の熱伝導率が変化し、発熱体６から空気へ放熱される放熱量が変化する。この放熱量の変化を検出することにより絶対湿度の測定ができる。発熱体７は、発熱体６の周囲を一定温度に保持するための補助的な発熱体である。発熱体７により、センサチップ１ａが設置される環境温度が変化しても発熱体６の近傍は一定温度に保持することができ、湿度計測における温度特性を向上することができる。本実施例では発熱体７を設ける構成としたが、発熱体６のみでも湿度計測は可能である。発熱体６のみで構成する場合、必要に応じて温度センサなどを用いて空気の温度変化による計測誤差を補償することが必要である。

本実施例における熱式湿度センサの特徴としては、基板２を除去した空洞部３を形成し薄膜部上に発熱体６を設けていることから熱容量が小さく、湿度による空気の熱伝導率の変化に対して高感度、高速に応答することができる。

以下、本実施例における圧力の測定原理を説明する。

図２に示したようにゲージ抵抗体８および９は空洞部３上の支持膜５上に配置されている。空洞部３の内部空間は基準圧力で保持されるようにセンサチップ１ａの裏面側に台座２２を密着させている。例えば陽極接合を用いることにより基板２をガラスなどの基材２２上に接合し、空洞部３を密封することが可能である。測定対象となる空気の圧力が増加すると空洞部３上の支持膜５に撓みが発生し、この撓みによりゲージ抵抗体８、９の抵抗値が変化する。参照抵抗体１０、１１は空洞部３外の支持膜５上に形成されているため撓みよる抵抗変化がほぼ発生しない。このことから、ゲージ抵抗体８、９と参照抵抗体１０、１１の抵抗値を比較することにより圧力に応じた信号を得ることができる。

本実施例における湿度センサの誤差要因の一つについて説明する。本実施例における湿度センサは、図２に示したように、基板２の空洞部が密封されている。外部の圧力が変動すると、空洞部３上の支持膜５に撓みが生じ、湿度検出素子である発熱体６に抵抗変化が生じる。発熱体６に抵抗変化が生じると湿度計測に誤差が生じる。本発明では、このような支持膜５の撓みによって生じる湿度計測誤差を良好に補正することが可能である。

本実施例における圧力検出素子を用いた湿度検出の補正について説明する。湿度検出素子は発熱体６と発熱体７から成る。湿度は発熱体６の放熱量に応じた電圧信号から検出している。発熱体６の加熱温度をTh、発熱体７の加熱温度をTsとすると、発熱体６の消費電力Phは
Ph=λ(Th-Ts)
である。λは発熱体６から周囲の空気への熱伝達係数であり湿度によって変化する。このことからTh-Tsを一定に保持すれば湿度に応じた消費電力Phとなる。ここで、発熱体６の抵抗値をRhとすると、発熱体６の印加電圧をVhは、
Vh=√(Rh λ(Th-Ts))
である。抵抗Rhは温度特性の他に、応力によって抵抗が変化するひずみ抵抗変化が同時に発生する。そのため、温度による抵抗変化であるか、ひずみ抵抗変化によるものであるが判別ができない。このため、発熱体６が形成された支持膜５の撓みによって発熱体６の抵抗値Rhが変化し、湿度計測における誤差となる。そこで、支持膜５の撓みによるRhの変化を検出し補正することが必要になる。

支持膜５の撓みによる発熱体６のひずみ抵抗変化はゲージ抵抗体８、９のひずみ抵抗変化を検出し高精度に推定することができる。図９に空洞部３上の支持膜５に配置した発熱体６とゲージ抵抗体８，９のひずみを示すモデル図を示す。図中支持膜５にはゲージ抵抗体８、９と、発熱体６が配置される。また図中の＜A＞はゲージ抵抗体８の拡大断面図、＜B＞は発熱体６の拡大断面図を示す。上記のような支持膜５に等分布荷重ｗが加わると、ゲージ抵抗体８、９の抵抗変化率ΔRg/Rgと、発熱体６の抵抗変化率ΔRh/Rhは以下のようになる。
上式において、Kgはゲージ抵抗体８のひずみ抵抗変化の係数（ゲージ率）、Khは発熱体６のゲージ率である。ygは図９の＜A＞に示すように応力中心軸からのゲージ抵抗体８までの距離、yhは図９の＜B＞に示すように応力中心軸からの発熱体６までの距離である。Lは空洞部の大きさ、Eは支持膜５のヤング率、Izは支持膜５の慣性モーメントである。Xgは空洞部端部からゲージ抵抗体８の距離、Xhは空洞部端部から発熱体６の距離である。

本実施形態では、発熱体６とゲージ抵抗体８，９を同一の支持膜上に形成しているため、yg=yhである。また発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一材料で形成すれば、Kg=Khである。したがって、（１）（２）式からｗを削除すると、
となる。上式において、Xg、Xh、Lは固定値であるため、ゲージ抵抗体８，９の抵抗変化率ΔRg/Rgに係数を掛けることによって簡易に発熱体の抵抗変化ΔRh/Rhを求めることができる。

本実施形態の特徴としては、発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一の支持膜上に形成しているため、量産時の製造バラツキによって支持膜の膜厚が変化してもyg=yhを維持することができる。また、支持膜のヤング率Eについても同様に変化するため膜質変化の影響を受けない。さらに、発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一材料で形成すればゲージ率Kg=Khであり、膜厚や膜質のバラツキの影響をうけずより効果的である。すなわち（３）式はXg、Xh、Lの平面方向の配置である製造バラツキの小さいパラメータで決まる。支持膜５を構成する絶縁膜の膜厚、膜質や、発熱体５の膜厚、膜質などの製造バラツキの影響を受けやすいパラメータyg、yh、E、Kg、Khの影響を受けない。その結果、支持膜５の撓みよる発熱体６の抵抗変化を高精度に推定し湿度検出誤差を補正することが可能である。

従来技術の一つとして、別部材で形成した圧力検出素子の圧力信号によって補正する方法があるが以下のような問題が生じる。圧力信号は、式（２）におけるｗに相当する。ｗを検出することによって発熱体６の抵抗値Rhの変化量を推定することが可能であるが、製造ばらつきによってKh,yh,Eがばらつくため推定精度が悪い。また、推定精度を上げるためにはKh,yh,Eについて素子ごとに測定する必要があり,これらのデータを取得する工数は膨大となる。

本実施例では、湿度検出素子としての発熱体を空洞部３上の支持膜５上に形成し、圧力検出素子としてのゲージ抵抗体を湿度検出素子が搭載される支持膜５と同一層の絶縁膜を含んだ支持膜上に形成した。特に本実施例では、圧力検出素子と湿度検出素子とが同一の空洞部３上の支持膜５上に配置されているため、発熱体６が受ける圧力変動影響を高精度に検出することが可能である。

また湿度センサの誤差要因の一つとして、高速な圧力変動が発生した場合の熱式湿度センサに誤差がある。圧力変化と熱伝導率が高速に変化し、これにより発熱体６の抵抗値がほぼ同時に変化する。ゲージ抵抗体８、９による圧力検出においても、気体の高速な圧力変動に対して高速に応答する。熱式湿度センサと圧力検出素子は機械的な変化を用いた検出原理であるため、両センサともに圧力に対して高速に反応し、且つほぼ同時に反応することができる特徴がある。また、本実施例では、同一の空洞部上の支持膜に湿度センサ素子である発熱体６、７と圧力検出素子であるゲージ抵抗体８、９が配置されているため圧力によるこれらの抵抗の変化は同時に変化する。したがって、高速な圧力変動条件（過渡条件）においても正確な圧力補正を行うことが可能である。さらに、環境温度が変化すると支持膜５の機械的物性値が変化するが同一基板かつ同一支持膜に湿度検出素子である発熱体６、７と圧力検出素子であるゲージ抵抗体８、９が配置されているため両者の環境温度が常に同一となり高速な温度変化の状況下におても湿度検出と圧力検出への影響度を一致することが可能である。したがって、複数のセンサの応答速度の違いや温度変化による補正誤差が小さく、または応答速度の差を補正する応答補償や温度による補正値の補償が不要または簡易な構成で済む。

他の湿度センサの構造として静電容量式のものがある。静電容量式は感湿膜の水分濃度が変化することによる静電容量の変化を検出するもので、高速な湿度変化や圧力変化に対して１〜１０秒程度の遅れが発生する。また、固体電解質を用いた濃度検出素子においても１秒程度の遅れがあるものが一般的である。固体電解質を用いた濃度検出素子においては数１０ミリ秒の応答速度を備えたものもあるが、圧力検出素子と応答速度は一致しない。また、固体電解質や感湿膜の応答速度は、構造的な寸法や温度によって変化する。さらに固体電解質や感湿膜は圧力か急上昇する場合と急下降する場合とで応答性がわずかに異なる。したがって製造バラツキや様々な環境条件における応答補償が必要であり補償のための調整工程が過大かつ複雑な処理を要する。

本実施例における圧力検出部の特徴について詳述する。本実施例では、図２に示したようにゲージ抵抗体８、９は空洞部３内の支持膜５上に配置されている。これに対し参照抵抗体１０、１１は空洞部３外の支持膜５上に形成されている。これらの、ゲージ抵抗体と参照抵抗体の抵抗変化の差を検出する構成である。さらに本実施例では、Ｓｉ基板を除去することにより薄膜化している。そのため、従来Si基板で形成した支持膜を用いた圧力検出構造に対してゲージ抵抗体のひずみの特性が異なる。図１０は図１に示すＸ−Ｘ線に沿った空洞部３上の支持膜５のひずみεを示す図である。図１０のε１は従来の圧力センサ素子構造であるＳｉ基板の表面に拡散抵抗を形成することによってゲージ抵抗体を設けた場合のひずみを示す。従来構造は、比較的厚い支持膜であるとともに、ゲージ抵抗体が支持膜の表面に形成されているため、図１７に示したような曲げ応力が支配的となる。したがって、空洞部端部では、ゲージ抵抗体が伸びる正のひずみとなり、空洞部中心部ではゲージ抵抗体が圧縮される負のひずみとなる。したがって、空洞部の端部側と空洞部の中心側にゲージ抵抗体を設けこれらのひずみの差Δ１を検出することにより圧力に応じた信号が得られる。本実施例では、Ｓｉ基板を除去しシリコン酸化膜とシリコン窒化膜を主とする薄い支持膜であるため、特に大圧力が加わった場合、上記のような曲げ応力に加えて支持膜全体が伸びる応力が働く。この結果、空洞部端部と空洞部中心のひずみは両方とも正のひずみとなる。このため、空洞部端部と空洞部中心のひずみの差Δ２を検出するよりも、空洞部内の端部と空洞部の外部（Ｓｉ基板上）のひずみの差Δ３を検出する方がより高感度にひずみを検出することが可能である。したがって、ゲージ抵抗体８、９は空洞部内の端部側の曲げ応力が正となる場所（曲げ応力により伸びる場所）に配置し、参照抵抗体は空洞部の外側のＳｉ基板上に配置することで高感度化が可能である。

本実施例のように発熱体を用いた熱式湿度センサの支持膜は、湿度検出における高感度化および低消費電力化を図るために熱絶縁性が必須であり、このため支持膜を薄くすることが望ましい。したがって、本実施例におけるゲージ抵抗体８、９の配置の特徴は、発熱体を用いた湿度センサの薄い支持膜を用いて圧力検出構造を製造する上で圧力検出の高感度化が可能にする特徴的な構成である。

本実施例におけるセンサ装置の駆動回路の実施例を説明する。以下、図３を用いて、本実施例におけるセンサ装置の駆動回路について説明する。
熱式湿度センサの駆動回路は、発熱体６と発熱体７に対して加熱電流を供給し、発熱体６を第一の温度Ｔ１に制御し、且つ発熱体７を第一の温度よりも低温である第二の温度Ｔ２に制御する。Ｔ１、Ｔ２としては、たとえばＴ１＝５００℃、Ｔ２＝３００℃が選ばれる。

熱式湿度センサの駆動回路は、第一のブリッジ回路１５と第二のブリッジ回路１６と、差動増幅器１７ａ、１７ｂを有している。

第一のブリッジ回路１５は、発熱体６と固定抵抗１９ａ、１９ｂ、１９ｃから構成されており、発熱体６と固定抵抗１９ｃが直列接続された直列回路と、固定抵抗１９ａと１９ｂが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。第二のブリッジ回路１６も同様に、発熱体７と固定抵抗２０ａ、２０ｂ、２０ｃから構成されており、発熱体７と固定抵抗２０ｃが直列接続された直列回路と、固定抵抗２０ａと２０ｂが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。

このとき、第一のブリッジ回路１５における発熱体６と固定抵抗１９ｃの接続端電位と、固定抵抗１９ａと１９ｂの接続端の電位とが差動増幅器１７ａに入力される。差動増幅器１７ａの出力は第一のブリッジ回路１５に接続され、入力電圧の差に応じた電圧及び電流をフィードバックする。固定抵抗１９ａの抵抗値は発熱体６の抵抗値の１０倍以上に設定する。これにより差動増幅器１７ａによって制御される電流のほとんどは発熱体６側の直列回路へ流れ、発熱体６が加熱される。この構成により、発熱体６の温度が５００℃程度の一定温度である第一の温度Ｔ１になるようにフィードバック制御される。

発熱体６の温度設定は、既知である発熱体６の抵抗温度係数から第一の温度Ｔ１における発熱体６の抵抗値と固定抵抗１９ｃの比と、固定抵抗１９ａと固定抵抗１９ｂの比が一致するように設定され、発熱体６の温度が第一の温度Ｔ１より低い（発熱体６の放熱量が増加する）と、差動増幅器によって流れる電流が増加する。湿度変化により発熱体６の放熱量が変化することから差動増幅器１７ａの出力電圧ＶＨをモニターすることによって湿度計測が行われる。

第二のブリッジ回路１６でも同じように、発熱体７と固定抵抗２０ｃの接続端の電位と、固定抵抗２０ａと２０ｂの接続端の電位とが差動増幅器１７ｂに入力される。差動増幅器１７ａの出力は第一のブリッジ回路１５に接続され、入力電圧の差に応じた電圧及び電流をフィードバックする。固定抵抗２０ａの抵抗値は発熱体７の抵抗値の１０倍以上に設定する。これにより差動増幅器１７ｂによって制御される電流のほとんどは発熱体７側の直列回路へ流れ、発熱体７が加熱される。この構成により、発熱体７の温度が３００℃程度の一定温度である第二の温度Ｔ２になるようにフィードバック制御される。湿度計測において、発熱体７は発熱体６の周囲温度を一定温度に保持する働きをする。これにより、空気の温度変化により発熱体６の放熱が変化することを低減している。

気体の圧力検出する駆動回路は、図３の第三のブリッジ回路２１を有している。
第三のブリッジ回路２１は、ゲージ抵抗体８、９と参照抵抗体１０、１１が含まれる。ゲージ抵抗体８と参照抵抗体１０が直列接続された直列回路と、参照抵抗体１１とゲージ抵抗体９が直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。空気の圧力変化により空洞部３上の支持膜５が撓み、ゲージ抵抗体８、９に変形が生じる。ゲージ抵抗体８、９は変形によりひずみ抵抗変化が発生し、参照抵抗体１０、１１は空洞部の外側の基板２上に形成されているため抵抗変化が生じない。したがって、ブリッジ回路２１の抵抗バランスが変化し空洞部３上の支持膜５の撓みに応じた電圧ＶＰが得られる。

図３のＲＥＦは基準電源であり、ブリッジ回路２１に電圧または電流を供給するためのものである。ゲージ抵抗体８、９は、空洞部上の厚さ数ミクロンの支持膜５及び保護膜１２に覆われ形成されているため熱絶縁効果が高い。そのため、基準電源ＲＥＦから流れる電流によりゲージ抵抗体８、９が自己発熱し温度上昇が発生しやすい。温度上昇するゲージ抵抗体８，９の抵抗温度変化により抵抗値が変動する。さらに、環境温度によってブリッジ回路全体の抵抗値が変化し自己発熱量も変動するため圧力検出における温度特性が悪化する。このような自己発熱による圧力検出誤差が発生するため、ブリッジ回路２１の基準電源をＲＥＦを個別を設け自己発熱を抑えた電流値及び電圧値に適宜調整することができる。

また、基準電源ＲＥＦを電流源とし、ブリッジ回路の電圧ＶＴを取り出すことにより、環境温度を検出する温度センサとしても構成することが可能である。ゲージ抵抗体８、９及び参照抵抗体１０、１１を抵抗温度係数の高い同一材料で形成すれば環境温度によってこれらの抵抗体の抵抗値が同時に変動する。したがってブリッジ回路全体の電圧ＶＴはＶＴ＝（Ｒ８＋Ｒ１０）／／（Ｒ１１＋Ｒ９）×Ｉとなり、Ｒ８からＲ１１が環境温度によって同率で変化するためＶＴも環境温度によって変化させることができる。

図４に、本実施例におけるセンサチップ１ａから得られる湿度検出信号ＶＨ、圧力検出信号ＶＰを用いたセンサ信号の処理形態を示す。

信号処理装置においては、湿度センサからのアナログ信号ＶＨを入力しデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器ＡＤ１と、圧力検出電圧ＶＰのアナログ信号を入力しデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器ＡＤ２が備わる。ＡＤ１においてデジタル値に変換された湿度信号は信号処理部ＦＬＴ１により、高周波ノイズが除去され演算器ＰＵに入力される。ＡＤ２においてデジタル値に変換された圧力信号は信号処理部ＦＬＴ２により、高周波ノイズが除去され演算器ＰＵに入力される。ＦＬＴ１及びＦＬＴ２は湿度検出の動作速度、圧力検出の動作速度を超える高周波ノイズをカットするものである。本実施例のＦＬＴ１及びＦＬＴ２はデジタル値に変換した後のソフトフィルターで構成しているが、ＡＤ１及びＡＤ２の入力前にアナログフィルターとして構成することも可能である。ＰＵでは、湿度信号に対して補正演算が行われる。補正演算では、圧力信号値とあらかじめ記憶装置ＭＭＲに保存された定数を基に補正量が決定され、湿度信号に補正量を加える。その後、演算器ＰＵで補正された湿度信号SVHが出力される。また、圧力信号SVPとして圧力検出信号を出力することができる。

本実施例では、湿度センサ内で上記の補正処理を行っているが、このような湿度センサを搭載するシステム所でも補正処理をすること可能である。たとえば、自動車エンジンの制御に用いる場合、エンジン制御を行うマイコンなどのコントローラ（ECU）に本実施例における湿度信号ＳＶＨと圧力信号ＳＶＰを伝送し、ECU内で補正処理をする構成とすることもできる。

図５に、本実施例における物理量検出装置のモジュール構造を、断面図で示す。センサモジュール２３は、内燃機関の吸気通路２４内に取り付けられている。センサモジュール２３のハウジング２５の内部には、センサチップ１ａが設置される。また、ハウジング２５の内部には吸気通路２４を流れる吸気２６の流れを抑制する計測室２７が設けられている。計測室２７には、計測室２７の室内を吸気通路２４と連通し吸気通路２４を流れる吸気２６を取り込む連通路２８が形成されている。センサチップ１ａは、計測室２７の内部に設置される。また、計測室２７および連通路２８により、センサチップ１ａに吸気通路２４を流れる吸気２６が直接流入することを低減している。すなわち、計測室２７は吸気通路２４を流れる吸気２６の流れ（空気流）から隔離されており、この計測室２７にセンサチップ１ａを配置することにより、センサチップ１ａが吸気通路２４を流れる吸気２６の流れに晒されるのを防止している。これにより、センサチップ１ａの周辺の空気流動が低減され、安定した気体中において湿度及び圧力を高精度に計測することができる。

図５に図示されるように、センサチップ１ａは、支持部材としてのセンサパッケージ２９に搭載されている。センサパッケージ２９は、射出成形技術によりセンサチップ１ａを封止樹脂により封止してパッケージ化したものである。センサチップ１ａの検出部は、封止樹脂から露出してパッケージ化されている。これにより、センサパッケージ２９に一体化されたセンサチップ１ａがハウジング２５の計測室２７内に設置された状態で、センサチップ１ａの検出部が計測室２７内に露出し、計測室２７内の空気の湿度を計測することが可能となっている。

図６に、センサパッケージ２９の内部構造を示す。センサパッケージ２９はセンサチップ１ａと共に、リードフレーム３０ａ〜３０ｆ、半導体チップ３１、封止樹脂３２により封止されて、センサパッケージ２９として一体化されている。センサチップ１ａは、リードフレーム３０ｆ上に接着され固定されている。

センサチップ１ａの電極（図示せず）は、ワイヤボンディング法を用いて、リードフレーム３０ａ、３０ｂおよび半導体チップ３１接続されている。リードフレーム３０ａ、３０ｂは、ワイヤボンディングにより半導体チップ３１の入力電極（図示せず）に電気的に接続されている。 リードフレーム３０ｄは、ワイヤボンディングにより半導体チップ３１の出力電極に接続されている。半導体チップ３１のグランド電極は、リードフレーム３０ｅに接続されている。

半導体チップ３１は半導体プロセスにより製造された半導体集積チップであり、センサチップ１ａの駆動回路や信号処理回路を構成する。この半導体チップ（処理回路部）３１は、湿度センサ素子の駆動回路、湿度を計測するための検出回路を備えている。また半導体チップ３１は、圧力センサの駆動回路、圧力を計測するための検出回路を備えている。半導体チップ３１はセンサチップ１ａを接着した同一のリードフレーム３０ｆ上に接着により固定される。半導体チップ３１の電源線及び検出した信号（出力信号線）はワイヤを介してリードフレーム３０ｄに接続されている。リードフレーム３０ｄ、３０ｅの端部は、外部接続用の端子としてセンサパッケージ２９の外部に引き出されている。

本実施例では、リードフレーム３０ｅ接地端子とするとともに、センサチップ１ａ及び半導体チップ３１を搭載する部材としても用いている。上述した如く、センサチップ１ａの検出部、リードフレーム３０ｄ、３０ｅの端部が部分的に露出するように、封止樹脂３２により封止されてパッケージ化されている。

本実施例では、湿度センサとしての発熱体６、７と圧力センサとしてのゲージ抵抗体８、９が同一の空洞部３上の支持膜５に形成している。そのため、発熱体６、７による熱がゲージ抵抗体８、９に伝わり、圧力検出時の誤差を発生する。さらに高精度な圧力検出が必要な場合においては、圧力検出時に発熱体６、７の加熱を停止することが有効である。本実施例におけるセンサチップ１ａの支持膜５及び保護膜１２は、Siシリコン基板が除去された数ミクロンの薄膜であるため熱容量が小さい特徴がある。したがって圧力検出と湿度検出を時分割で行っても高速に切り替えることができ応答性を維持することができる。

以下、図７、図８、図１１を参照して、本発明に係る物理量検出装置の第二の実施例について説明する。

図７に、本実施例における物理量検出装置のセンサチップ1bの構造を平面図で示す。図８に、図７のセンサチップ1bのＸ−Ｘ線断面図を示す。

本実施例のセンサチップ1bは、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部３ａと空洞部３ｂが形成されており、この空洞部３ａ、３ｂは絶縁膜４ａ、４ｂ、４ｃから成る支持膜５で覆われ、支持膜５上に湿度検出素子としての発熱体６、７が形成されている。発熱体６、７は空洞部３ａ内の支持膜５上に形成される。空洞部３ｂの支持膜５上には圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９を形成する。また、圧力検出における参照抵抗体としての参照抵抗体１０、１１が形成されている。ゲージ抵抗体８、９は空洞部３ｂ内の支持膜５上に形成される。参照抵抗体１０、１１は空洞部３ｂ外すなわち基板２上の支持膜５上に形成される。これらの抵抗体を保護するためにセンサチップ1bの表面は保護膜１２で覆われる。発熱体６、７に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１３ａ〜１３ｄが形成される。また、ゲージ抵抗体８，９に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１４ａ〜１４ｆが形成される。さらに、電極１３ａ〜１３ｄ、電極１４ａ〜１４ｆは駆動回路装置（図示なし）に金線ボンディングワイヤーやリードフレームなどにより電気的に接続される。

発熱体６、７としては、第１実施例と同様に選定される。またゲージ抵抗体８、９及び参照抵抗体１０、１１についても第１実施例と同様に選定される。絶縁層４ａ、４ｂ、４ｃ、および保護膜１２についても第１実施例と同様に選定される。

本実施例においては空洞部を複数形成しているが、湿度検出素子としての発熱体６と圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９は同一の支持膜５に形成している。このため、複数の空洞部３ａ、３ｂを形成しても第１実施例と同様に一度のＳｉ基板エッチング工程で製造できる。

また、発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一材料、同一層で形成すれば工程の追加なく圧力検出素子８、９を形成でき、湿度検出素子と圧力検出素子を備えた物理量検出装置が簡易に製造できる。

本実施例においても、湿度検出素子としての発熱体６を空洞部３ａ上の支持膜５上に形成し、圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９を湿度検出素子が搭載される支持膜５と同一層の絶縁膜を含んだ支持膜上に形成した。本実施例では、湿度検出素子としての発熱体６、７と圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９が別々の空洞部に形成している。

また、本実施例では、図８に示すように、基板２をガラスなどの基材２２上に形成して空洞部３ａ、３ｂを密封している。たとえば陽極接合を用いることにより空洞部３ａ、３ｂを密封することが可能である。空洞部３ｂの内部が基準圧力で保持された場合、空洞部３ｂ上の支持膜５が気体の圧力によって撓みが生じゲージ抵抗体８、９の抵抗変化を検出できる。

第一実施例では、発熱体６、７による熱がゲージ抵抗体８、９に伝わることによる誤差要因があったため、高精度な圧力検出が必要な場合は圧力検出と湿度検出を時分割で切り替える必要があった。本実施例では、空洞部３ａと空洞部３ｂが形成され発熱体６、７とゲージ抵抗体８、９が熱的に分離しているため湿度検出素子の熱影響を低減した高精度な圧力検出が可能であるとともに、時分割検出を行う必要がなくスイッチング回路などの部品を省き簡易な構成で実現できる効果も得られる。また、湿度と圧力を同時に計測でき検出速度や相互の補正精度を向上することができる。

さらに、本実施例におけるさらなる効果として空洞部３ｂの長さLaを狭めることによって熱伝導性が向上し、空洞部３ｂ上の支持膜５に形成されたゲージ抵抗体８、９の自己発熱を基板２に放熱しゲージ抵抗体８、９の温度上昇を低減する効果が得られる。ゲージ抵抗体８、９は、空洞部３ｂ上の厚さ数ミクロンの支持膜５上に形成されているため熱絶縁効果が高い。そのため、ゲージ抵抗体８、９に流れる電流によりゲージ抵抗体８、９が自己発熱し温度上昇が発生しやすい。温度上昇するゲージ抵抗体の抵抗温度変化が発生し抵抗値が変動する。さらに、環境温度によってブリッジ回路全体の抵抗値が変化し自己発熱量も変動するため圧力検出における温度特性が悪化する。本実施例では、空洞部３ｂの長さLaが狭められているため、ゲージ抵抗体８、９の自己発熱により発生した熱を基板２へ放熱する効果が向上する。

また、図７に示すように空洞部３ｂの幅Waを大きく形成している。空洞部３ｂが長方形または長方形に近似した形状とした場合、基板２への放熱効果は長方形の短辺の長さLaが支配的である。したがって、短辺となるLaを狭くすれば、長辺となるWaを広げても放熱効果を向上ｓることができる。この形状によりゲージ抵抗体８、９を形成できる領域が長辺方向（Wｂ方向）に広がり、ゲージ抵抗体８、９の形成領域が広がり高抵抗化することが可能である。すなわち、空洞部３ｂを細長い長方形にすることにより、圧力に対する強度を確保するとともにゲージ抵抗体７，８の自己発熱量を低減、さらに放熱効果を向上することが可能であり、高精度化が可能である。また、空洞部３ｂのLa（短辺）を短くすると圧力による支持膜５の撓みが小さくなり圧力検出感度が低下することが考えられる、自己発熱による圧力検出の誤差要因を低減することによりS/N比が維持されるため圧力検出精度を確保することが可能である。

本実施例においても第1実施例と同様に熱式湿度センサの誤差要因を低減することが可能である。本実施例におけるセンサチップ１ｂ、図８に示したように、基板２の空洞部３ａ、３ｂが密封されている。外部の圧力が変動すると、空洞部３ａ、３ｂ上の支持膜５に撓みが生じ、発熱体６に抵抗変化が生じる。したがって第１実施例と同様に発熱体６に抵抗変化が生じると、湿度計測に誤差が生じる。本発明では、このような支持膜５の撓みによって生じる発熱体６の抵抗変化を推定し湿度計測誤差を良好に補正することが可能である。

支持膜５の撓みによる発熱体６のひずみ抵抗変化ΔRh/Rhはゲージ抵抗体８、９のひずみ抵抗変化ΔRg/Rgを検出し高精度に推定することができる。図９に空洞部３上の支持膜５に配置した発熱体６とゲージ抵抗体８，９のひずみを示すモデル図を示す。図中支持膜５にはゲージ抵抗体８、９と、発熱体６が配置される。また図中の＜A＞はゲージ抵抗体８の拡大断面図、＜B＞は発熱体６の拡大断面図を示す。上記のような支持膜５に等分布荷重ｗが加わると、ゲージ抵抗体８、９の抵抗変化率ΔRg/Rgと、発熱体６の抵抗変化率ΔRh/Rhは以下のようになる。
上式において、Kgはゲージ抵抗体８のひずみ抵抗変化の係数（ゲージ率）、Khは発熱体６のゲージ率である。ygは図１０の＜A＞に示すように応力中心軸からのゲージ抵抗体８までの距離、yhは図１０の＜B＞に示すように応力中心軸からの発熱体６までの距離である。LAは空洞部３ｂの大きさ、LBは空洞部３ａの大きさ、Eは支持膜５のヤング率、Izは支持膜５の慣性モーメントである。Xgは空洞部３ｂ端部からゲージ抵抗体８の距離、Xhは空洞部３ａ端部から発熱体６の距離である。

本実施形態では、発熱体６とゲージ抵抗体８，９を同一の支持膜上に形成しているため、yg=yhである。また発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一材料で形成すれば、Kg=Khである。したがって、（１）（２）式からｗを削除すると、
上式において、Xg、Xh、LA、LBは固定値であるため、ゲージ抵抗体８，９の抵抗変化率ΔRg/Rgに係数を掛けることによって簡易に発熱体の抵抗変化ΔRh/Rhを求めることができる。

本実施形態の特徴としては、発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一の支持膜上に形成しているため、量産時の製造バラツキによって支持膜の膜厚が変化してもyg=yhを維持することができる。また、支持膜のヤング率Eについても同様に変化するため膜質変化の影響を受けない。さらに、発熱体６とゲージ抵抗体８、９を同一材料で形成すればゲージ率Kg=Khであり、膜厚や膜質のバラツキの影響をうけずより効果的である。すなわち（３）式はXg、Xh、LA、LBの平面方向の配置である製造バラツキの小さいパラメータで決まる。支持膜５を構成する絶縁膜の膜厚、膜質や、発熱体５の膜厚、膜質などの製造バラツキの影響を受けやすいパラメータyg、yh、E、Kg、Khの影響を受けない。その結果、支持膜５の撓みよる発熱体６の抵抗変化を高精度に推定し湿度検出誤差を補正することが可能である。

本実施例においても、濃度検出素子としての発熱体６と圧力検出素子としてのゲージ抵抗体８、９は同一層の絶縁膜を含んだ支持膜上に形成したため、発熱体６が受ける圧力変動をゲージ抵抗体８、９により高精度に検出することが可能である。

また湿度センサの誤差要因の一つとして、高速な圧力変動が発生した場合の熱式湿度センサに誤差があるが、第1実施例と同様に高速な圧力変動条件（過渡条件）においても正確な圧力補正を行うことが可能である。また、環境温度が変化すると支持膜５の機械的物性値が変化するが同一基板かつ同一支持膜に湿度検出素子である発熱体６、７と圧力検出素子であるゲージ抵抗体８、９が配置されているため両者の環境温度が常に同一となり高速な温度変化の状況下におても湿度検出と圧力検出への影響度を一致することが可能である。したがって、複数のセンサの応答速度の違いや温度変化による補正誤差が小さく、または応答速度の差を補正する応答補償や温度による補正値の補償が不要または簡易な構成で済む。

本実施例における圧力検出部の特徴についても、ゲージ抵抗体８、９は空洞部内の端部側の曲げ応力が正となる場所（曲げ応力により伸びる場所）に配置し、参照抵抗体は空洞部の外側のＳｉ基板上に配置することで高感度化が可能である。

本実施形態では、湿度検出素子としての発熱体６が設置される空洞部３ａを密封した構成について説明したが、空洞部３ａは外部空気と連通させ外部の圧力と同等の圧力となるように構成することも可能である。その場合、空洞部３ａ上の支持膜５の圧力による撓みが低減される。高速な圧力、温度変化条件下での補正精度や、製造ばらつきに起因する補正精度悪化を低減できる。

１ａ、１ｂ…センサチップ、２…基板、３…空洞部、４ａ、４ｂ、４ｃ…絶縁膜、５…支持膜、６…発熱体、７…発熱体、８…ゲージ抵抗体体、９…ゲージ抵抗体体、１０…参照抵抗体、１１…参照抵抗体、１２…保護膜、１３ａ〜１３ｄ…電極、１４ａ〜１４ｆ…電極、１５…第一のブリッジ回路、１６…第二のブリッジ回路、１７ａ、１７ｂ…差動増幅器、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ…固定抵抗、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…固定抵抗、２１…第三のブリッジ回路、２２…基材、
２３…センサモジュール、２４…吸気通路、２５…ハウジング、２６…吸気、２７…計測室、
２８…連通路、２９…センサパッケージ、３０ａ〜３０ｆ…リードフレーム、３１…半導体チップ、３２…封止樹脂、

Claims (10)

1. 空洞部を有する半導体基板と、
   前記空洞部を覆うように前記半導体基板上に設けられる絶縁材料からなる支持膜と、
   前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域に設けられるゲージ抵抗体と、
   前記支持膜上に設けられる湿度検出素子と、を備えることを特徴とする物理量検出装置。
2. 前記支持膜上であって前記空洞部を覆う領域外に設けられ、前記ゲージ抵抗体と同一材料で形成された参照抵抗体と、を備え、
   前記ゲージ抵抗体と前記参照抵抗体とを有するブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
3. 前記ゲージ抵抗体は前記領域内に２つ形成され、前記参照抵抗体は前記領域外に２つ形成され、前記２つのゲージ抵抗体と前記２つの参照抵抗体によりホイーストンブリッジを構成することを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
4. 前記湿度検出素子は発熱体を有し、前記発熱体の放熱量から気体の濃度を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の物理量検出装置。
5. 前記湿度検出素子は、前記発熱体の周辺に、該発熱体の加熱温度よりも低い温度に加熱される補助発熱体を有することを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
6. 前記発熱体は、前記領域内の前記ゲージ抵抗体よりも内側に設けられることを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
7. 前記Ｓｉ基板は第二の空洞部を有し、前記支持膜は該第二の空洞部も覆うように設けられ、
   前記発熱体は、前記支持膜の前記第二の空洞部を覆う第二の領域に設けられることを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
8. 前記領域の短辺は、前記第二の領域の短辺よりも短いことを特徴とする請求項７に記載の物理量検出装置。
9. 前記発熱体と前記歪ゲージとが同一の金属材料により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の物理量検出装置。
10. 前記ブリッジから得られる信号に基づいて前記湿度検出素子から得られる信号を補正する信号処理部を設けたことを特徴とする請求項９に記載の物理量検出装置。