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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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