JP6438706B2 - センサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気体の物理量を検出するためのセンサ装置に関し、特に温度を検出することにより物理量を検出する熱式センサ装置に関する。
例えば、熱式センサ装置には、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ある。このタイプのセンサ素子は、高精度、高速応答、低消費電力で駆動できる特徴がある。例えば、内燃機関の吸入空気流量を計測する流量センサや、気体の熱伝導率の変化をヒータの放熱量から計測する気体濃度センサや、ヒータ周辺の気体の対流変化を利用した傾斜センサ、加速度センサなどがある。
しかしながら、このようなタイプのセンサは、高感度化を図るために薄いダイアフラム上に発熱体などの素子を配置しているため、センサ素子自体の熱膨張・熱収縮や、パッケージ材、保護部材などの実装部材による応力によりセンサ素子が変形しセンサの検出精度に影響を与えてしまう。したがって、このような応力によるセンサ素子の特性変化に起因する計測誤差や特性ばらつきを低減することが求められる。
このようなセンサの従来例として、例えば特許文献1に記載の流量センサがある。特許文献1には、ダイアフラム膜において流体の流量に応じて抵抗値が変化するヒータを二層構造に形成し、各層のヒータをダイアフラム膜の厚さ方向の中心に対して上下に対称な位置に形成し直列接続する。これにより、ダイアフラム膜の熱変形による反りや、外圧による撓みが発生した場合においてもヒータの抵抗温度特性に起因する抵抗変化を高精度に取り出すことが可能であることが開示されている。
特開2000-321108号公報
従来技術では、二層構造の各ヒータをダイアフラムの厚さ方向の中心に対して上下対称位置に形成する方法により、ダイアフラムの反り変形に対して効果が得られる。しかし、ダイアフラムの伸縮応力やせん断応力などに対しては十分ではない。特に熱式センサ装置では断熱性を高めるためダイアフラムを極力薄くすることが望ましい。また、薄いダイアフラムの反りを低減するためにダイアフラムが引っ張り応力となるように予め製造することが望ましい。したがって、ダイアフラムに生じる変形としては、反り変形よりも伸縮応力やせん断変形の方が主となる。
本発明の目的は、物理量センサのセンサ素子に働く応力による誤差を低減した高精度、高信頼の物理量センサを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のセンサ装置は、空洞部上の絶縁膜の温度を検出する検出素子を備え、前記検出素子は異なる不純物をドープした複数のシリコン素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、物理量センサのセンサ素子に働く応力による影響を低減した高精度、高信頼の物理量センサを提供することが可能である。
本発明の1実施例としてのセンサ装置のセンサ素子を示す平面図。 図1の断面図 センサ素子の駆動・検出回路の一例を示す回路図 図2のセンサ素子の拡大断面図及び歪による変形概略図。 ひずみによる抵抗変化を示す図。 ひずみによる抵抗変化を示す図。 本発明の一実施例としてのセンサ装置のセンサ素子を示す平面図。 図7の断面図。 図7の拡大断面図。 本発明の一実施例としてのセンサ装置のセンサ素子を示す平面図。 図10の断面図。 図11の拡大断面図。 センサ素子の駆動・検出回路の一例を示す回路図。
以下、本発明の実施例について説明する。
以下、図1〜図6を参照して、本発明に係るセンサ装置の第一の実施例について説明する。本実施例では本発明に係るセンサ装置として熱式空気流量センサを例に説明する。
図1に、本実施例における熱式空気流量センサのセンサ素子の平面図を示す。本実施例のセンサ素子1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は電気絶縁膜としての絶縁膜4a、4b、4cから成る支持膜5で覆われ、ダイアフラム5が形成される。ダイアフラム5には、発熱体6が形成されている。ダイアフラム5上には、発熱体6の近傍の両側に加熱温度センサ7、8を形成する。ダイアフラム5上には発熱体6の上流側に上流側温度センサ9、10、発熱体6の下流側に下流側温度センサ11、12を形成する。ダイアフラム5の外側には、空気の温度を検出するための抵抗体15〜17が形成される。これらの発熱体6、温度センサ7〜12、抵抗体15〜17はアルミ配線などにより電極が取り出されパッド部14に接続される。さらに、パッド部14にボンディングワイヤーによって電気的に駆動・検出回路(図示なし)に接続される。
発熱体6は、電流を流すことによって発熱し、流体中に晒されるダイアフラム5を加熱する。加熱温度センサ7、8は発熱体6の近傍の温度を検出し、発熱体5の加熱温度制御の他、発熱体5の温度検出値に応じた補正に用いることができる。上流側温度センサ9、10は発熱体6の上流側の温度を検出し、下流側温度センサ11、12は発熱体6の下流側の温度を検出する。図1のように空気流13が流れると、上流側温度センサ9、10が冷却される。発熱体6の下流側は発熱体6を通過し温度上昇した空気が流れるため下流側温度センサ11、12の温度が上昇する。したがって、空気流が発生すると上流側温度センサ9、10と下流側温度センサ11、12に温度差が発生するため、この温度差を検出することにより空気流量に応じた信号がえられる。
図2に、本実施例における気体センサ装置のセンサ素子の断面図を示す。センサ素子1は、単結晶シリコンで形成された基板2を有する。基板2上には、絶縁膜4aが形成される。絶縁膜4aの材料としては酸化シリコン膜を用いている。また、窒化シリコン膜やこれらの複合膜で形成することも可能である。絶縁膜4a上には第1多結晶シリコン膜をパターニングした発熱体6a、加熱温度センサ7a、8a、上流側温度センサ9a、下流側温度センサ11a、感温抵抗体15a、16a、17aが形成される。第1多結晶シリコン膜はCVDなどにより形成し不純物をドープする。不純物としてボロンを用いることによりP型の半導体となる。この第1多結晶シリコン上に絶縁膜4bを形成する。絶縁膜4bとしては酸化シリコン膜などの電気絶縁材料で形成する。絶縁膜4b上には第2多結晶シリコン膜をパターニングした発熱体6b、加熱温度センサ7b、8b、上流側温度センサ9b、下流側温度センサ11b、感温抵抗体15b、16b、17bが形成される。第2多結晶シリコン膜はCVDなどにより形成し不純物をドープする。不純物としてリンを用いることによりN型の半導体となる。この第2多結晶シリコン膜上に絶縁膜4cを形成する。絶縁膜4cとしては酸化シリコン膜などの電気絶縁材料で形成する。また、窒化シリコン膜やこれらの複合膜で形成することも可能である。
本実施例では、第1多結晶シリコン膜にボロンでドープしたが、ボロンの他に、アルミニウムなどの3価元素をドープすることでP型半導体としても良い。また、第2多結晶シリコン膜にはリンをドープしたが、リンの他に、ヒ素などの5価元素をドープすることでN型半導体としても良い。また、本実施例では、第1多結晶シリコン膜をP型半導体、第2多結晶シリコン膜をN型半導体としたが、逆に第1多結晶シリコン膜をN型半導体、第2多結晶シリコン膜をP型半導体としても良い。すなわち、異なる不純物がドープされた2層の多結晶シリコンで形成されていれば良い。
発熱体6は、発熱体6aと発熱体6bがアルミなどの金属配線層により直列または並列に接続された一つの発熱体6として構成される。以下同様に、加熱温度センサ7、は、加熱温度センサ7aと加熱温度センサ7bが直列または並列に接続された一つの加熱温度センサ7として構成される。以下同様に、加熱温度センサ8は加熱温度センサ8aと8bから成る。上流側温度センサ9は上流側温度センサ9aと9bから成る。下流側温度センサ11は上流側温度センサ11aと11bから成る。感温抵抗体15、16、17についても同様な構成である。
以上のようにダイアフラム上に配置した温度によって抵抗値が変化する発熱体や温度センサは、異なる不純物がドープされた第1多結晶シリコン膜と第2多結晶シリコン膜の複合材で形成される。さらに、効果的には、パターニングされた第1多結晶シリコン上に第2多結晶シリコンが電気絶縁膜を介して重なるように形成するとさらに効果的である。
次に、センサ素子1の駆動・検出回路について説明する。図3にセンサ素子1の駆動・検出回路を示す。加熱温度御センサ7、8と感温抵抗体17から成る直列回路と、感温抵抗体15と感温抵抗体16から成る直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路の各直列回路の中間電圧を取り出し、増幅器18に接続する。増幅器18の出力は発熱抵抗体6に接続される。このブリッジ回路に基準電圧VREFが供給される。発熱体6の温度によって抵抗値が変化する加熱温度センサ7、8と、空気の温度によって抵抗値が変化する感温抵抗体15〜17の抵抗バランスを適宜設定することにより、発熱体6の温度を空気の温度Taに対して所定の温度加熱されるように制御される。
本実施例では、発熱体6の温度制御回路として、増幅器15を用いたがブリッジ回路の差電圧を検出し、検出した差電圧に応じた電流を発熱体6に供給する構成であれば良い。例えば、ブリッジ回路の差電圧をAD変換器でデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に基づいてDA変換し、発熱体6の加熱電流を制御する構成でもよい。
流量の検出回路は、上流側温度センサ9と下流側温度センサ11とからなる直列回路と、下流側温度センサ12と上流側温度センサ10から成る直列回路とを並列に接続したブリッジ回路で構成される。このブリッジ回路に基準電圧VREFを印加する。空気流13により上流側温度センサ9、10と下流側温度センサ11、12に温度差が発生すると、ブリッジ回路の抵抗バランスが変化して差電圧が発生する。この差電圧を検出し空気流量に応じた出力が得られる。
以下、本実施例におけるセンサ素子1の効果を説明する。図4(a)に第1の多結晶シリコン膜のパターニングによって形成した素子Rpと、第2の多結晶シリコン膜のパターニングによって形成した素子Rnの拡大断面図を示す。素子Rp上に素子Rnが絶縁膜4bを挟んで形成されている。図4(b)のようにセンサ素子の変形によりダイアフラムが伸縮し素子Rpと素子Rnにひずみが発生すると、線幅WがW+ΔWに変化しε=ΔW/Wのひずみが発生する。ひずみεにより素子Rpが変化すると、素子Rpの抵抗値RpはΔRp/Rp=Gp×εとなる。Gpは素子Rpのゲージ率である。素子Rpと素子Rnは薄い絶縁膜により近接して配置しているため素子Rnも同様にεのひずみが発生しΔRn/Rn=Gn×εの抵抗変化が発生する。
素子RpはP型半導体であるため、上記のような素子に流れる電流に対して交差する方向にひずみが発生したときのゲージ率GPは負の値となる。(Gp=-17〜-12)また、素子RnはP型半導体であるため、上記のようなひずみが発生したときのゲージ率GPは正の値となる。(Gn=+10〜+15)GpとGnの値は不純物のドーピング濃度によって変化するが絶対値は同等な値で符号が反転する。したがって、図5に示すように、素子Rpにひずみが発生した時の抵抗変化はマイナス変化となり、素子Rnではプラス変化となる。
図6に素子Rpと素子Rnを複合素子として使用したときの抵抗変化を示す。素子Rpと素子Rnを直列に接続し抵抗値がRp+Rnである場合、RpとRnの抵抗変化は互いに相殺することが可能である。直列に接続する場合微小変形から大変形までひずみに対応することが可能であり、より効果的な複合構成である。素子Rpと素子Rnを並列に接続し抵抗値がRp//Rn=1/(1/Rp+1/Rn)である場合でも、互いに相殺する効果が得られる。並列接続であってもひずみεが1%程度の小変形領域であればひずみによる抵抗変化を1/10に低減する効果が得られる。
ダイアフラムが伸縮するひずみの場合、図4(b)に示すようにダイアフラムの厚さ方向に同様なひずみが加わる。図4(c)に示すようなダイアフラムに反り変形が生じた場合、ダイアフラムの厚さ方向の中心より上層側はマイナスのひずみが発生し、下層側はプラスのひずみが発生する。そのため、ダイアフラムの反り変形に対して効果を得るためには、素子Rpと素子Rnは、いずれの素子ともに、ダイアフラムの厚さ方向の中心よりも片側に配置することが望ましい。そうすると、素子Rp、素子Rnともに同じ方向のひずみを加えることができる。また、図4(c)に示すようにダイアフラムの厚さ方向によってひずみの絶対値が異なる。そのため、素子Rpと素子Rnをダイアフラムの厚さ方向に対して、近接して配置することが望ましい。これによって、素子Rpと素子Rnに加わるひずみの絶対値を近づけることが可能である。上記のような配置とすることでより効果的に素子Rpと素子Rnの抵抗変化を相殺することが可能である。
本実施形態では図2に示したように、センサ素子1に形成される発熱体6、加熱温度センサ7、8、上流側温度センサ9、10、下流側温度センサ11、12、抵抗体15〜17のすべてを第1の多結晶シリコンと第2の多結晶シリコンを複合した素子で形成したが、これらの素子のいずれかを複合構成する方法でも効果がえられる。ダイアフラム上の特に変形が大きい箇所に配置した素子を複合構成とすればより効果的である。また、ブリッジ回路に組み込まれる加熱温度センサ7、8と抵抗体15〜17は同一特性の抵抗体であることが望ましい。したがって、加熱温度センサ7、8を複合構成とした場合は抵抗体15〜17も同一の材料かつ同一の線幅で形成すると抵抗温度係数が一致するため、温度変化によるブリッジバランスの変動が抑制され加熱温度制御が高精度になる。
本実施形態では図4(a)に示すように、P型である第1の多結晶シリコン素子Rpの幅をN型である第2の多結晶シリコン素子Rnの幅よりも大きく形成している。そのため、素子Rnは素子Rpの平たんな部分に形成することができ、段差によるクラックや信頼度低下を生じる懸念がない。また、P型の素子Rpのゲージ率の絶対値はN型の素子Rnよりも大きくなる。そのため、同じひずみが加わったとしても、素子Rpの抵抗変化が大きくなってしまう。図4(a)に示すように、素子Rpの線幅を素子Rnの線幅よりも広く形成すれば、素子Rpの抵抗値を小さく設定することができる。これにより、ひずみによる抵抗変化量も小さくなり、N型の素子とP型の素子のゲージ率の差による相殺効果の低下を抑制することが可能である。
以下、図7〜図9を参照して、本発明に係るセンサ装置の第二の実施例について説明する。本実施例では本発明に係るセンサ装置として熱式空気流量センサを例に説明する。本実施例においては、主に第1実施例と異なる構造について詳細に説明する。
図7に、本実施例における熱式空気流量センサのセンサ素子21の平面図を示す。本実施例のセンサ素子21は、単結晶シリコンで形成された基板22を有している。基板22には、空洞部23が形成されており、この空洞部23は絶縁膜24a、24bから成る支持膜で覆われ、ダイアフラム25が形成される。ダイアフラム25には、発熱体26が形成されている。ダイアフラム25上には、発熱体26を取り囲むように加熱温度センサ27を形成する。ダイアフラム25上には発熱体26の上流側に上流側温度センサ29、30、発熱体26の下流側に下流側温度センサ31、32を形成する。ダイアフラム25の外側には、空気の温度を検出するための抵抗体35〜37が形成される。これらの素子はアルミ配線などにより電極が取り出されパッド部34に接続される。さらに、パッド部34からボンディングワイヤーによって駆動・検出回路(図示なし)に接続される。
発熱体26は、電流を流すことによって発熱し流体中に晒されるダイアフラム25を加熱する。加熱温度センサ27は発熱体26の近傍の温度を検出し、発熱体25の加熱温度制御に用いる他、発熱体26の温度検出値に応じた補正に用いることができる。上流側温度センサ29、30は発熱体26の上流側の温度を検出し、下流側温度センサ31、32は発熱体26の下流側の温度を検出する。図7のように空気流33が流れると、上流側温度センサ29、30が冷却される。発熱体26の下流側は発熱体26を通過し温度上昇した空気が流れるため下流側温度センサ31、32の温度は上昇する。したがって、空気流が発生すると上流側温度センサ29、30と下流側温度センサ31、32に温度差が発生するため、この温度差を検出することにより空気流量に応じた信号が得られる。
図8に、本実施例におけるセンサ素子21の断面図を示す。センサ素子21は、単結晶シリコンで形成された基板22を有する。基板22上には、絶縁膜24aが形成される。絶縁膜24aの材料としては酸化シリコン膜を用いている。絶縁膜24a上には単結晶シリコン層をパターニングした発熱体26a、26b、加熱温度センサ27a、27b、上流側温度センサ29a、29b、下流側温度センサ31a、31b、感温抵抗体35、36、37が形成される。本実施例においては基板22、絶縁膜24a、単結晶シリコン層の基材としてSOI基板を用いることができる。単結晶シリコン層には不純物がドープされ、その後エッチングによりパターニングし、発熱体26a、26b、加熱温度センサ27a、27b、上流側温度センサ29a、29b、下流側温度センサ31a、31b、感温抵抗体35〜37などの素子が形成される。単結晶シリコン層の不純物としてはボロンをドープしたP型領域とリンをドープしたN型領域を設ける。発熱体26は、ボロンがドープされた発熱体26aと、リンがドープされた発熱体26bからなる。加熱温度センサ27は、ボロンがドープされた加熱温度センサ27aと、リンがドープされた加熱温度センサ27bの抵抗体から成る。上流側温度センサ29は、ボロンがドープされた上流側温度センサ29aと、リンがドープされた上流側温度センサ29bの抵抗体から成る。上流側温度センサ30、下流側温度センサ32についても同様である。
上記構成では、P型の単結晶シリコン層にボロンをドープしたが、ボロンの他に、アルミニウムなどの3価元素をドープしても良い。また、N型の単結晶シリコン膜にはリンをドープしたが、リンの他に、ヒ素などの5価元素をドープしても良い。また、本実施例では、P型素子とN型素子を図8のようはレイアウトで形成したが、センサ素子21上の各素子が異なる不純物がドープされた複数の単結晶シリコンで形成されていれば良い。
発熱体26は、発熱体26aと発熱体26bが直列または並列に接続された一つの発熱体26として構成される。加熱温度センサ27は、加熱温度センサ27aと加熱温度センサ27bが直列または並列に接続された一つの加熱温度センサ27として構成される。以下同様に、上流側温度センサ29は上流側温度センサ29aと29bから成る。下流側温度センサ31は下流側温度センサ31aと31bから成る。感温抵抗体35、36、37についても同様な構成である。
以上のようにダイアフラム25上に配置した温度によって抵抗値が変化する発熱体や温度センサは、単層の単結晶シリコン層に異なる不純物をドープした領域を設けた複合材で形成される。さらに効果的には、パターニングされたP型単結晶シリコン素子とN型単結晶シリコン素子が隣合うように形成するとさらに効果的である。これにより、P型素子とN型素子がほぼ同じ場所に配置することができこれらの素子に加わるひずみを同等にすることが可能である。
以下、本実施例におけるセンサ素子21の効果を説明する。図9にセンサ素子21上に異なる不純物でドープした単結晶シリコン膜のパターニングによって形成した素子Rpと素子Rnの拡大断面図を示す。素子RpはP型の単結晶シリコン、素子RnはN型の単結晶シリコンである。素子Rpと素子Rnが同一層で形成されさらに、隣合うように配置している。センサ素子の変形により素子Rpと素子Rnにひずみが発生すると、線幅WがW+ΔWに変化しε=ΔW/Wのひずみが発生する。ひずみεにより素子Rpが変化すると、素子Rpの抵抗値RpはΔRp/Rp=Gp×εとなる。Gpは素子Rpのゲージ率である。素子Rpと素子Rnは隣り合うように近接して配置しているため素子Rnも同様にεのひずみが発生しΔRn/Rn=Gn×εの抵抗変化が発生する。
素子RpはP型の単結晶シリコンであるため、上記のようなひずみが発生したときのゲージ率Gpは正の値となる。また、素子RnはN型単結晶シリコンであるため、上記のようなひずみが発生したときのゲージ率Gnは負の値となる。GpとGnの値は不純物のドーピング濃度や結晶方向によって変化するが符号が反転する。したがって、第1実施例のように素子Rpと素子Rnの抵抗変化の増減方向が異なるため、直列接続および並列接続した複合抵抗として構成すると互いの抵抗変化が相殺され、ひずみに対する影響を低減することが可能である。
本実施形態では図8に示したように、センサ素子21に形成される発熱体26、加熱温度センサ27、上流側温度センサ29、30、下流側温度センサ31、32、抵抗体35〜37のすべての素子をP型単結晶シリコンとN型単結晶シリコンを複合した素子で形成したが、これらの素子の何れかを複合構成する方法でも効果がえられる。その場合、ダイアフラム上の変形が大きい箇所に配置した素子を複合構成とすればより効果的である。また、ブリッジ回路に組み込まれる加熱温度センサ27と抵抗体35〜37は同一特性の抵抗体であることが望ましい。したがって、加熱温度センサ27を複合構成とした場合、抵抗体35〜37も同一の材料かつ同一の線幅で形成するとこれらの素子の抵抗温度係数などの特性が一致するため、温度変化によるブリッジバランスの変動が抑制され加熱温度制御が高精度になる。
本実施例では、単結晶シリコンの異なる領域の各々に異なる不純物をドープすることによって、P型の素子とN型の素子を形成した。単結晶シリコンの場合、多結晶シリコンに比べ加わる応力の方向によってゲージ率が大きく変化する。さらに、P型とN型とで方向依存性が異なる。したがって、P型素子とN型素子を同一形状、方向でパターニングすると、同じ応力が加わったとしても抵抗変化量が異なってしまう。しかしながら、ダイアフラム上の素子のひずみは、様々な方向の応力が加わるため、正負が異なる符号ゲージ率を備える素子を複合することによって、ひずみによる抵抗変化を低減する効果がえられる。さらに効果を得るためには、主応力の方向や素子のパターニング方向や線幅により最適な形状を適宜設定することが必要である。
以下、図10〜図12を参照して、本発明に係るセンサ装置の第3の実施例について説明する。本実施例では本発明に係るセンサ装置として熱式空気流量センサを例に説明する。本実施例においては、主に第1実施例と異なる構造について詳細に説明する。
図10に、本実施例における熱式空気流量センサのセンサ素子41の平面図を示す。本実施例において第1実施例と異なる構造は、上流側温度センサ49と下流側温度センサ51である。第1実施例では、多結晶シリコンの抵抗温度変化を利用した温度検出方法であるのに対し、本実施例における上流側温度センサ49、下流側温度センサ51は多結晶シリコンの熱電効果を利用した熱電対により温度検出を用いている。センサ素子41のその他の構造は第1実施例と同様である。
図11に、本実施例におけるセンサ素子41の断面図を示す。センサ素子41は、第1実施例と同様に単結晶シリコンで形成された基板2を有する。基板2上には、絶縁膜4aが形成される。絶縁膜4aの材料としては酸化シリコン膜を用いている。また、窒化シリコン膜やこれらの複合膜で形成することも可能である。絶縁膜4a上には第1多結晶シリコン膜をパターニングした発熱体6a、加熱温度センサ7a、8a、上流側温度センサ49a、下流側温度センサ51a、感温抵抗体15a、16a、17aが形成される。第1多結晶シリコン膜はCVDなどにより形成し不純物をドープする。不純物としてボロンを用いることによりP型の半導体となる。この第1多結晶シリコン上に絶縁膜4bを形成する。絶縁膜4bとしては酸化シリコン膜などの電気絶縁材料で形成する。絶縁膜4b上には第2多結晶シリコン膜をパターニングした発熱体6b、加熱温度センサ7b、8b、上流側温度センサ49b、下流側温度センサ51b、感温抵抗体15b、16b、17bが形成される。第2多結晶シリコン膜はCVDなどにより形成し不純物をドープする。不純物としてリンを用いることによりN型の半導体となる。この第2多結晶シリコン膜上に絶縁膜4cを形成する。絶縁膜4cとしては酸化シリコン膜などの電気絶縁材料で形成する。また、窒化シリコン膜やこれらの複合膜で形成することも可能である。
本実施例では、第1多結晶シリコン膜にボロンでドープしたが、ボロンの他に、アルミニウムなどの3価元素をドープしても良い。また、第2多結晶シリコン膜にはリンをドープしたが、リンの他に、ヒ素などの5価元素をドープしても良い。また、本実施例では、第1多結晶シリコン膜をP型半導体、第2多結晶シリコン膜をN型半導体としたが、逆に第1多結晶シリコン膜をN型半導体、第2多結晶シリコン膜をP型半導体としても良い。すなわち、異なる不純物がドープされた2層の多結晶シリコンで形成されていれば良い。
発熱体6は、発熱体6aと発熱体6bがアルミなどの金属配線層により直列または並列に接続された一つの発熱体6として構成される。同様に、加熱温度センサ7は、加熱温度センサ7aと加熱温度センサ7bが直列または並列に接続された一つの加熱温度センサ7として構成される。加熱温度センサ8は、加熱温度センサ8aと8bが直列または並列に接続された一つの加熱温度センサ8として構成される。上流側温度センサ49は上流側温度センサ49aと49bから成る熱電対である。上流側温度センサ49は、ダイアフラム5外側から発熱体6へ向かって延設したパターンである。また、上流側温度センサ49の発熱体6側の端部において、P型の多結晶シリコン層(49a)とN型の多結晶シリコン層(49b)が電気的に接続され温接点を形成している。下流側温度センサ51についても同様である。
図12に熱電対として形成した上流側温度センサ49の拡大断面図を示す。P型半導体である第1の多結晶シリコンで形成した抵抗RpとN型半導体である第2の多結晶シリコンで形成した抵抗Rnを平行してパターニングしている。これらの抵抗素子の一端はプラグ52、53によって上層のアルミ層54に接続され、抵抗Rpと抵抗Rnが電気的に接続されている。また、抵抗素子の他端では、抵抗素子Rnがプラグ55によって上層のアルミ層57に接続され、抵抗素子Rpはプラグ56によって上層のアルミ層58に接続される。このような熱電対構造において、熱電対の両端に温度差が生じると、起電力が発生しこの起電力をアルミ層57とアルミ層58を介して検出することにより温度を検出することが可能である。
以上のようにダイアフラム上に配置した温度によって特性が変化する発熱体や温度センサなどの素子は、異なる不純物がドープされた第1多結晶シリコン膜と第2多結晶シリコン膜の複合材で形成される。さらに、効果的には、パターニングされた第1多結晶シリコン上に第2多結晶シリコンが重なるように形成するとさらに効果的である。また、絶縁膜4bは他の絶縁膜4a、4bに比べて薄く形成すると良い。
次に、センサ素子41の駆動・検出回路について説明する。図12にセンサ素子41の駆動・検出回路を示す。加熱温度御センサ7、8と感温抵抗体17から成る直列回路と、感温抵抗体15と感温抵抗体16から成る直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路の各直列回路の中間電圧を取り出し、増幅器18に接続する。増幅器18の出力は発熱抵抗体6に接続される。このブリッジ回路に基準電圧VREFが供給される。発熱体6の温度によって抵抗値が変化する加熱温度センサ7、8と、空気の温度によって抵抗値が変化する感温抵抗体15〜17の抵抗バランスを適宜設定することにより、発熱体6の温度を空気の温度Taに対して所定の温度加熱されるように制御される。
本実施例では、発熱体6の温度制御回路として、増幅器15を用いたがブリッジ回路の差電圧を検出し、検出した差電圧に応じた電流を発熱体6に供給する構成であれば良い。例えば、ブリッジ回路の差電圧をAD変換器でデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に基づいてDA変換し、発熱体6の加熱電流を制御する構成でもよい。
流量の検出回路は、上流側温度センサ49と下流側温度センサ51のそれぞれの一端が基準電圧REFに接続される。そして上流側温度センサ49と下流側温度センサ51のそれぞれの他端の電圧を測定することにより、温度差に応じた起電力を検出することが可能である。このように上流側温度センサ49と下流側温度センサ51の起電力(差電圧)を検出し空気流量に応じた出力が得られる。
以下、本実施例におけるセンサ素子41の効果を説明する。本実施例では温度センサとして熱電対を用いている。熱電対は温度によって起電力が発生することを利用して温度検出する原理であるため、第1実施例の抵抗温度変化を利用する方法に比べひずみ抵抗変化の影響が小さい。しかしながら、抵抗率の高い半導体材で形成した熱電対は大きな内部抵抗を持つ。微小電流が熱電対に流れると電圧が発生し熱電効果による温度検出値に誤差を与える。さらに、ひずみにより多結晶シリコンの抵抗値が変化すると、微小電流により発生する電圧が変動し温度計測に誤差を与える。
本実施例では、熱電対の構成材料として、P型の多結晶SiであるRpとN型の多結晶SiであるRnを直列に接続した構成である。そのため、第1実施例に示したように、素子Rpと素子Rnの抵抗変化が互いに相殺する。すなわち、図12に示したアルミ層58とアルミ層57から見たときの抵抗値が変動しないため、微小電流が流れている場合であってもひずみ抵抗変化による電圧変動の発生を低減することが可能である。
本実施例では、加熱温度センサ7、8には抵抗温度変化を利用した温度検出方法を用いている。加熱温度センサ7、8は第1実施例に示した構造で形成しているため同様にひずみによる抵抗変化が相殺され温度検出時の誤差を低減することが可能である。また、発熱体6に近づくに従い温度が高くなるため、熱による劣化影響が大きくなる。熱電対は温接点に金属であるアルミ層を用いているためマイグレーションによる断線が発生するなど長期使用時の信頼度が低下する懸念がある。そのため、本実施例のように発熱体6に近い加熱温度センサとしては多結晶シリコンの抵抗温度変化を用いた構造とし、発熱体6から離れた上流側温度センサおよび下流側温度センサとしては温度検出感度の高い熱電対構造とすることにより、長期信頼性および流量検出感度を向上したセンサ素子が得られる。
1…センサ素子、2…基板、3…空洞部、4a、4b、4c…絶縁膜、5…ダイアフラム、6…発熱体、7、8…加熱温度センサ、9、10…上流側温度センサ、11、12…下流側温度センサ、13…空気流、14…パッド部、15、16、17…抵抗体、18…増幅器、
21…センサ素子、22…基板、23…空洞部、24…絶縁膜、25…ダイアフラム、
26…発熱体、27…加熱温度センサ、29、30…上流側温度センサ、31、32…下流側温度センサ、33…空気流、34…パッド部、35、36、37…感温抵抗体、49…上流側温度センサ、51…下流側温度センサ、52、53、55、56…プラグ、
54、57、58…アルミ層

Claims (8)

  1. Si基板に形成した空洞部と、前記空洞部を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜に形成した加熱部とを備えたセンサ装置において、
    前記空洞部上の絶縁膜の温度を検出する検出素子を備え、前記検出素子は所定の元素から構成される第1の不純物をドープしたシリコン素子と前記第1の不純物とは異なる元素から構成される第2の不純物をドープしたシリコン素子とを含む複数のシリコン素子が接続された抵抗体であって、前記複数のシリコン素子が接続された抵抗体の抵抗値の変化から温度を検出すること特徴とするセンサ装置。
  2. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    前記検出素子は少なくとも第1の多結晶シリコン素子と第2の多結晶シリコン素子を備え、
    前記第1の多結晶シリコン素子は前記第1の不純物でドーピングし、前記第2の多結晶シリコン素子は前記第2の不純物でドーピングすることを特徴とする、または、前記第1の多結晶シリコン素子は前記第2の不純物でドーピングし、前記第2の多結晶シリコン素子は前記第1の不純物でドーピングすることを特徴とするセンサ装置。
  3. 請求項2に記載のセンサ装置において、
    前記第1の不純物でドーピングした前記1の多結晶シリコン素子はP型半導体であり、前記第2の不純物でドーピングした前記第2の多結晶シリコンはN型半導体であることを特徴とするセンサ装置。
  4. 請求項2または3に記載のセンサ装置において、
    前記第1の多結晶シリコン素子は、電気絶縁膜を介して前記第2の多結晶シリコン素子の上側或いは下側に配置されることを特徴とするセンサ装置。
  5. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    前記検出素子は、ボロンがドープされたP型多結晶シリコンと、リンがドープされたN型多結晶シリコン素子を備え、
    前記N型多結晶シリコン素子は、電気絶縁膜を介して前記P型多結晶シリコンの上に配置され、
    前記P型多結晶シリコン素子の線幅は前記N型多結晶シリコン素子の線幅よりも広いことを特徴とするセンサ装置。
  6. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    前記検出素子は少なくとも第1の単結晶シリコン素子と第2の単結晶シリコン素子を備え、前記第1の単結晶シリコン素子は前記第1の不純物でドーピングし、前記第2の単結晶シリコン素子は前記第2の不純物でドーピングすることを特徴とする、または、前記第1の単結晶シリコン素子は前記第2の不純物でドーピングし、前記第2の単結晶シリコン素子は前記第1の不純物でドーピングすることを特徴とするセンサ装置。
  7. 請求項6に記載のセンサ装置において、
    前記第1の不純物でドーピングした前記第1の単結晶シリコン素子はP型半導体であり、前記第2の不純物でドーピングした前記第2の単結晶シリコンはN型半導体であることを特徴とするセンサ装置。
  8. 請求項7に記載のセンサ装置において、
    前記第1の単結晶シリコン素子と前記第2の単結晶シリコン素子は、同一層の単結晶シリコン膜のエッチングにより形成され、前記第1の単結晶シリコン素子と前記第2の単結晶シリコン素子は絶縁膜を介して隣り合うよう配置したことを特徴とするセンサ装置。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016108625A1 (de) * 2016-05-10 2017-11-16 Innovative Sensor Technology Ist Ag Thermischer Durchflusssensor
JP6993893B2 (ja) 2018-02-16 2022-02-10 日立Astemo株式会社 半導体素子及びそれを用いた流量測定装置
CN109211342B (zh) * 2018-09-05 2020-03-20 四方光电股份有限公司 一种气流流量计、mems硅基温敏芯片及其制备方法
JP7258797B2 (ja) * 2020-02-21 2023-04-17 Mmiセミコンダクター株式会社 熱式フローセンサチップ
CN112461312B (zh) * 2020-11-24 2022-08-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 热堆式气体质量流量传感器及其制造方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677850A (en) * 1983-02-11 1987-07-07 Nippon Soken, Inc. Semiconductor-type flow rate detecting apparatus
JP2560824B2 (ja) * 1989-02-20 1996-12-04 日本電気株式会社 赤外線センサの製造方法
JPH03196582A (ja) * 1989-03-20 1991-08-28 Nippon Steel Corp シリコン単結晶を使用したサーモパイル及びその製造方法
GR1003010B (el) * 1997-05-07 1998-11-20 "����������" Ολοκληρωμενος αισθητηρας ροης αεριων χρησιμοποιωντας τεχνολογια πορωδους πυριτιου
AU740862B2 (en) * 1997-12-18 2001-11-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Infrared solid state image sensing device
JP2000321108A (ja) * 1999-05-13 2000-11-24 Mitsubishi Electric Corp 流量センサ
JP4881554B2 (ja) * 2004-09-28 2012-02-22 日立オートモティブシステムズ株式会社 流量センサ
JP5276964B2 (ja) * 2008-12-08 2013-08-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流体流量センサおよびその製造方法
JP4839395B2 (ja) * 2009-07-30 2011-12-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流量計
JP5683192B2 (ja) * 2010-09-30 2015-03-11 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流量センサ
WO2012117446A1 (ja) * 2011-03-02 2012-09-07 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流量計
US8552380B1 (en) * 2012-05-08 2013-10-08 Cambridge Cmos Sensors Limited IR detector

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