JP6421071B2

JP6421071B2 - 流量センサ

Info

Publication number: JP6421071B2
Application number: JP2015074749A
Authority: JP
Inventors: 保夫小野瀬; 中野　洋; 洋中野; 佐久間　憲之; 憲之佐久間
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: JP2016194463A

Description

本発明は、物理量を検出するセンサに関するものであり、特に、空気流量を検出する流量センサに関するものである。

従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流である。

近年、半導体マイクロマシニング技術によるＭＥＭＳセンサが製品化されている。半導体製造プロセスを応用し、シリコン基板上に抵抗体や絶縁層膜を堆積、ターニングを行い、薄膜部（ダイアフラム）を形成する。熱容量が小さいため高速応答性を有することや、逆流検出も可能であること、大量生産に適するため、低コスト化が可能であるから前記センシングデバイスの主流となりつつある。

流量信号は、センシングデバイスの出力をそのまま使うことはできず、信号処理ＬＳＩを通じて特性ばらつきの調整、増幅を行い、必要な信号形態に変換してエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）へ送られる。このようにセンサとしては、センシングデバイスと信号処理ＬＳＩは不可欠である。このため、更なる低コストの一案としてセンシングデバイスと信号処理ＬＳＩを一体化した複合デバイスが開発されている。

センシングデバイスと信号処理ＬＳＩを一体化した複合デバイスとしは例えば特許文献１がある。特許文献１によれば、信号処理ＬＳＩプロセスに用いられるポリシリコンをヒータとし、ポリシリコンと金属配線で形成した熱伝対を温度センサとして流量検知デバイスを構成し、複合デバイスを実現している。またｍポリシリコンで形成されたヒータに電流を流して加熱し、流体の流れの上下方向に配置された熱伝対の温度差を計測し流量信号に変換するものである。

特許４７４６００１号

空気流量センサは、燃費改善を目的に、計測流量域の拡大、高精度化要求が年々増している。このような要求に答えるためには、センシングデバイスの高感度化とともに信号処理ＬＳＩの高精度、大容量化が必要になってきている。低コストでこの要求を満足するためには汎用ＬＳＩ同様、信号処理ＬＳＩのデバイス微細化が必要になる。従って、センシングデバイスと信号処理ＬＳＩを一体化した複合デバイスを実現するには、ＬＳＩの微細化に対応したセンシングデバイス構造が必要になる。

しかしながら上記特許文献１は、ヒータ材料としてポリシリコンを使用しているが、ＬＳＩの微細化に伴い電源電圧は低下し、ポリシリコン膜厚は薄膜化するために高抵抗になる。センシングデバイスは、動作原理上、ヒータ加熱による周囲との温度差（ΔＴ）が高くなるほど高感度になる。ΔＴは、ヒータにかかる電力で決まる。電力は、電源電圧に比例して高くなり、抵抗が高くなれば電流が減るため低くなる。したがって、微細化されたＬＳＩとセンシングデバイスを複合すると、ΔＴを高くするための電力が得られず、センシングデバイスの感度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、微細化されたＬＳＩと複合化しても電力の低下を抑制し、高感度の流量センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の流量センサは、基板に薄肉部が形成され前記薄肉部に電流を流すことにより発熱する抵抗体と、前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の上流側と下流側に熱電対が配置され、前記上流側熱電対と下流側熱電対の熱起電力の差を流量信号とした流量センサにおいて、前記熱電対は、ポリシリコンと金属の接点で構成され、前記発熱抵抗体は、前記ポリシリコンよりも抵抗率が低い構成とした。

本発明によれば、微細化されたＬＳＩと複合化しても電力の低下を抑制し、高感度の流量センサを提供することが可能となる。

本発明による流量センサの一実施形態を説明図する平面図である。本発明による流量センサの一実施形態を説明図する回路図である。本発明による流量センサの一実施形態を説明図する断面図である。本発明による流量センサの一実施形態を説明図する断面図である。本発明による流量センサの一実施形態を説明図する断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について詳述する。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による流量センサのセンシング部である。基板上に形成された肉薄部１００の中央部に、流体流れ方向とは垂直方向にヒータ３００が配置され、発熱抵抗体の上下流に、温度センサ２００ａ、２００ｂを発熱抵抗体３００を中心に対称に配置している。温度センサ２００ａ，２００ｂは熱電対で構成してあり、本実施例では、７本の熱電対が、直列に接続され、２００ａ、２００ｂの起電力は、金属配線を通じて出力される。熱電対の起電力は、材料のゼーベック係数で決まる。シリコン、ポリシリコンは金属に比べ、高いゼーベック係数を持ち、不純物を添加することによって抵抗率を調整できることから、配線としても使うことができる。

図２は、図１の等価回路を示す図である。加熱抵抗体により、温度センサ２００ａ、２００ｂは、周囲温度よりも高い温度になっている。流体の流れが無い場合は、温度センサ２００ａ、２００ｂを発熱抵抗体３００を中心に対称に配置しているため、上下流の温度センサ出力の差はセロであるが、流れにより、上流側温度センサ２００ａの温度は冷やされて下がり、出力が下がる。これに対し、下流側温度センサ２００ｂは、加熱抵抗体３００により暖められて、温度が上昇し、出力が上がる。両者の差電圧は、流体の流量に比例して変化するため流量センサとして機能する。差電圧出力は、増幅器５００で信号を増幅し、信号処理回路へ送られる。周囲温度と加熱抵抗体３００との温度差ΔＴが下がると熱電対の出力が上がるため、高感度化のためにはΔＴを高く設定する必要がある。

図３に、図１のＡ−Ａ断面を示す。Ｓｉ基板１０に、絶縁膜膜としてシリコン酸化膜２０を熱酸化により形成する。次に、熱ＣＶＤにより堆積、パターニングをおこなって、温度差センサである熱電対構成膜のポリシリコン３０を形成する。次に、絶縁膜を全面に堆積後に、加熱抵抗体となるポリシリコンパターン部のみ前記絶縁膜を除去してチタンを成膜する。その後４００℃〜７００℃で熱処理を行い、加熱抵抗体となるポリシリコンパターン上のみチタンシリサイド層３５を形成する。層間絶縁膜２１を熱ＣＶＤにより成膜後、コンタクト穴をあけてタングステンをＣＶＤにより形成し、表面のタングステンを研磨・除去した後、スパッタにより成膜、パターニングを行ってタングステン４０を形成し、温度差センサを形成する。チタンシリサイドの抵抗率は、ポリシリコンの１／５〜１／１０程度であり、同じ電源電圧においてもポリシリコン抵抗に比べ高い電流を流すことができるため、ΔＴを高く維持することができ、感度の低下を抑制することができる。

タングステン４０形成後、層間絶縁膜２１を熱ＣＶＤにより成膜し、スパッタにより成膜し、パターニングを行ってアルミ配線５０を形成し、絶縁物による保護膜２３を成膜する。その後、裏面からＳｉ基板１０をＫＯＨ溶液によりエッチングをして薄肉部１００を形成する。本実施例では、加熱抵抗体としてチタンシリサイドを使用したが、タングステンシリサイド、ニッケルシリサイド、モリブデンシリサイドを用いても同様の効果を得ることができる。

本実施例によれば、加熱抵抗体を抵抗率の低いタングステンで形成しているため、低電源電圧においても低抵抗化により電流を確保できるためΔＴの低下を抑制でき、高性能信号処理ＬＳＩとの複合化することができ、低コストで、高性能な１チップの流量センサを提供することができる。

図４は、加熱抵抗体を温度差センサの構成材料であるタングステン４０で形成した例である。その他の製造方法は、実施例１と同様である。

タングステンの抵抗率は、ポリシリコンの１／１００程度であり、実施例１で使用したシリサイド材料に比べ、さらに低抵抗化が可能になり、ΔＴの低下を抑制できる他、パターン設計自由度が広がるという効果がある。

本実施例では、加熱抵抗体材料としてタングステンを使用したが、チタン、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、ニッケル、モリブデン等の高融点金属でも同様の効果が得られる。

図５は、加熱抵抗体をチタンシリサイド３５で形成し、ポリシリコン３０とアルミ５０をタングステン４０．により接続で温度差センサを形成した実施例である。

本実施例では、アルミ５０は、温度差センサと温度差センサ出力の引き出し配線と兼ねている。このため、実施例１および実施例２で必要とした高融点金属配線層が不要になる。本実施例によれば、ΔＴの低下を抑制できる他、製造コストを低く抑えることができる効果がある。

１００・・・薄肉部
２００ａ，２００ｂ・・・温度差センサ
３００・・・加熱抵抗体
４００・・・温度差センサ信号取り出し配線
５００・・・増幅器
１０・・・シリコン基板
２０・・・シリコン酸化膜
２１・・・ＣＶＤ絶縁膜
２２・・・ＣＶＤ絶縁膜
２３・・・ＣＶＤ絶縁膜
３０・・・ポリシリコン
３５・・・チタンシリサイド
４０・・・タングステン
５０・・・アルミ

Claims

基板に薄肉部が形成され前記薄肉部に電流を流すことにより発熱する抵抗体と、前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の上流側と下流側に熱電対が配置され、前記上流側熱電対と下流側熱電対の熱起電力の差を流量信号とした流量センサにおいて、
前記熱電対は、ポリシリコンと金属の接点で構成され、
前記発熱抵抗体は、前記ポリシリコンよりも抵抗率が低く、チタンシリサイド、タングステンシリサイド、ニッケルシリサイド、モリブデンシリサイドのいずれかまたは、これらの組み合わせで形成し、前記熱電対を構成するポリシリコン層をシリサイド化して形成することを特徴とする流量センサ。