JP7163247B2 - 熱式センサ、及び内燃機関用湿度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は熱式センサに係り、特に発熱抵抗線を用いて気体等の物理量を測定する熱式センサ、及び内燃機関用湿度検出装置に関するものである。

発熱抵抗線を用いて物理量を測定する熱式センサは、種々の産業機械に使用されており、例えば代表的には自動車に搭載された内燃機関に使用されている。そして、この熱式センサは、内燃機関に空気を供給する吸気通路に配置されて、内燃機関に供給される空気量やその湿度を測定している。空気量は、例えば燃料噴射量や点火時期を制御する制御信号を求めるために使用され、湿度は、例えば点火時期を補正する補正信号を求めるために使用される。

このような熱式センサとして、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム)技術により、シリコン基板を用いて製造されたＭＥＭＳセンサがある。このＭＥＭＳセンサは、応答性に優れ、かつ、低電力での駆動が可能であり、更にコスト低減を図ることができるという利点を有している。

このＭＥＭＳセンサからなる熱式センサでは、発熱量の変化を利用して気体等の物理量を計測しており、シリコン基板を除去した薄膜ダイヤフラム部に発熱抵抗線を利用して加熱源となるヒータ領域を構成し、発熱抵抗線の抵抗や電流に基づいて空気量や湿度といった物理量を測定する構成となっている。

ところで、熱式センサを内燃機関に使用した場合、吸入された空気には往々にして水分が含まれており、これらの水分がヒータ領域に付着すると熱容量が大きくなり計測精度が低下する現象がある。特に、内燃機機関の吸気系には排気ガスが再循環(ＥＧＲガス)されており、このＥＧＲガス中には多くの水蒸気が含まれている。したがって、外気温が低い状態で内燃機関が停止されて冷却されると、吸気通路に滞留している吸入空気やＥＧＲガスの水蒸気が凝縮して、ヒータ領域に結露として付着することがある。

このようなヒータ領域への水分の付着による悪影響を対策する方法としては、例えば特開２０００－８１３４７号公報(特許文献１)や特許５３１８４６７号公報(特許文献２)等に記載された構成が知られている。

特許文献１においては、半導体基板の発熱抵抗体の近傍に形成された保護膜の形状が、親液性を有する凹凸形状に形成されており、保護膜上に付着した水分は、親液性を有する凹凸形状領域に集中して発熱抵抗体上の保護膜より除去され、加熱電力を必要とすることなく計測精度を向上することができると述べられている。

また、特許文献２においては、基板上に設けられたガス検出部を覆う疎水性(撥水性)の第１の膜(疎水性膜)が形成され、この第１の膜の隣にその周囲を取り囲むように親水性の第２の膜(親水性膜)が形成されることにより、ガスセンサに付着した水分は、疎水性膜から親水性膜へ移動されて、ガス検出部であるヒータへの水分の浸入、接触が防止できると述べられている。

特開２０００－８１３４７号公報 特許５３１８４６７号公報

ところで、ＭＥＭＳセンサからなる熱式センサにおいては、結露等によって生じた多量の水分によって形成された水滴、或いは水膜(以下では、まとめて水滴と表記する)が薄膜ダイヤフラム部のヒータ領域に付着、滞留した場合、熱式センサの起動時の急速加熱によって、水滴の内部における沸騰により大きな気泡が発生する。そして、この大きな気泡が破裂する際の圧力エネルギーによって、薄膜ダイヤフラム部が衝撃を受けて亀裂等の破損に至る現象がある。

例えば、内燃機関においては、停止時にはピストンが動作せず吸気通路に空気の流れが発生しないので、空気の流れによって水滴が持ち去られず多量の水滴が滞留する。また、湿度を測定する場合は、空気の流れが影響しないような収納空間に熱式センサを配置するので、この場合も空気の流れが少なく多量の水滴が滞留する。

上述した沸騰現象についての発明者等の検討によると、ヒータ領域での気泡の発生は、水滴の高さと相関性が高く、発熱抵抗線を覆う絶縁膜が一般的な酸化シリコン膜の場合、所定の水分量を超えると水滴の高さが高くなり、大きな気泡が発生することが新たな知見として得られた。

一方、特許文献１や特許文献２においては、このような観点でのアプローチはなされておらず、多量の水滴がヒータ領域に付着、滞留すると、特許文献１や特許文献２のような構成を採用しても、大きな気泡が発生しない水分量に制御できないことがあり、上述した沸騰現象を発生する恐れがある。

このように、水蒸気を含む気体の物理量を測定する熱式センサにおいては、水分量が多い水滴の内部に発生した気泡は、時間経過とともに大きく成長して破裂し、その際の圧力エネルギーにより薄膜ダイヤフラム部に亀裂等の破損を生じさせ、機械的信頼性を損なうことになる。

したがって、熱式センサのヒータ領域に付着した水滴に発生する気泡の破裂による薄膜ダイヤフラム部の機械的信頼性を向上するため、水滴の高さを制限する技術が要請されている。

本発明の目的は、熱式センサのヒータ領域に付着した水滴の内部に大きな気泡が発生するのを抑制して薄膜ダイヤフラム部の機械的信頼性を向上することができる新規な熱式センサ、及び内燃機関用湿度検出装置を提供することにある。

ここで、上述した説明では熱式センサを内燃機関に使用した例を説明しているが、これ以外の産業機械(例えば、燃料電池)に使用されている熱式センサにも本発明は適用できるものである。

本発明の特徴は、熱式センサの検出部が、平面状の薄膜ダイヤフラム部に形成され発熱抵抗が配置されたヒータ領域と、このヒータ領域の一部、或いは全部を覆い、薄膜ダイヤフラム部より外側に向かって延びる高親水性膜と、薄膜ダイヤフラム部に形成され高親水性膜に隣接して薄膜ダイヤフラム部より外側に向かって延びる低親水性膜とを備えている、ところにある。

本発明によれば、高親水性膜に付着した水滴は薄膜ダイヤフラム部の外側に広がり、また高親水性膜に隣接する低親水性膜によって、他の領域から余分な水分が高親水性膜に移動するのを抑制することで、ヒータ領域の高親水性膜に存在する水滴の高さが低くなり、これによってヒータ領域に付着した水滴の内部に大きな気泡が発生するのを抑制して薄膜ダイヤフラム部の機械的信頼性を向上することができる。

本発明が適用される熱式湿度センサが組み込まれたセンサモジュールを示す断面図である。 図１のＡ－Ａ線で切断した時の断面を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態になる熱式湿度センサの検出部を説明する説明図である。 図３ＡのＢ－Ｂ線で切断した時の断面を示す断面図である。 図３Ａに示す検出部に水滴が付着した初期状態を説明する説明図である。 図４ＡのＣ－Ｃ線で切断した時の断面を示す断面図である。 図４Ａに示す熱式湿度センサを動作させた状態を説明する説明図である。 図５ＡのＤ－Ｄ線で切断した時の断面を示す断面図である。 高親水性膜と低親水性膜の「水滴量」と「水滴の直径」の関係を説明する説明図である。 高親水性膜と低親水性膜の「水滴量」と「水滴高さ」の関係を説明する説明図である。 高親水性膜と低親水性膜の「水滴量」と「水滴高さ/水滴直径の比」の関係を説明する説明図である。 第１の実施形態と比較例の「水滴量」と「水滴の蒸発時間」の関係を説明する説明図である。 第１の実施形態である熱式湿度センサの検出部の製造工程を説明する説明図である。 第１の実施形態である熱式センサの検出部を支持台に固定した状態を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態になる熱式湿度センサの検出部を説明する説明図である。 本発明の第３の実施形態になる熱式湿度センサの検出部を説明する説明図である。 本発明の第４の実施形態になる熱式湿度センサの検出部を説明する説明図である。 図１４ＡのＥ－Ｅ線で切断した時の断面を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態になる熱式湿度センサの検出部を説明する説明図である。 図１５ＡのＦ－Ｆ線で切断した時の断面を示す断面図である。 本実施形態と比較するための熱式湿度センサの検出部と、これに付着した水滴を説明する説明図である。 図１６ＡのＧ－Ｇ線で切断した時の断面を示す断面図である。 図１６Ａに示す熱式湿度センサを動作させた状態を説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明が適用される一例として内燃機関の吸気通路に配置された熱式センサを備えたセンサモジュールの構成(図１、図２参照)と、本発明の比較例とした熱式センサの検出部の構成(図１６Ａ～図１６Ｃ参照)、及び水滴に発生する気泡について説明する。

先ず、本発明が適用されるセンサモジュールは、熱式センサが組み込まれたセンサモジュールであり、熱式センサの適用箇所に制限はないが、例えば、他のセンサと共にセンサモジュールに組み込むことができる。

センサモジュールに組み込まれる熱式センサとして、以下では熱式湿度センサを例に挙げて説明する。図１、及び図２は熱式湿度センサが組み込まれたセンサモジュールを示している。

図１、及び図２において、センサモジュール１００は、内燃機関の燃焼室に吸入空気を流す吸気管１０１に装着されており、支持基板１０２を有する。この支持基板１０２は、例えば、配線が印刷されたプリント基板から構成され、支持基板１０２上には、様々な種類の機能部品が搭載されている。

具体的に、支持基板１０２上には、例えば、吸気管１０１を流れる吸入空気の流量を測定する熱式流量センサを構成する検出部(半導体チップ)１０３と、空気の湿度を測定する熱式湿度センサを構成する検出部(半導体チップ)１０４と、熱式流量センサ、及び熱式湿度センサの制御回路が形成された制御回路部(半導体チップ)１０５とが搭載されている。このように構成されている支持基板１０２は、コネクタ１０６と接続されている。

センサモジュール１００のボディ１０７は、表面カバーや必要な形状を備えた内壁を有し、表面カバーや内壁によって、ボディ１０７の内部空間は、熱式流量センサを構成する検出部１０３と制御回路部１０５とが配置された収納空間１０７Ａと、熱式湿度センサの検出部１０４が配置された収納空間１０７Ｂとに区画されている。

また、センサモジュール１００のボディ１０７には、副流路１０８が設けられており、熱式流量センサを構成する検出部１０３の一部は、この副流路１０８に露出されている。副流路１０８には吸入空気の一部が分流されおり、分流された吸入空気の流量(実際は流速)が測定されて、全体の吸入空気量を推定している。

更に、センサモジュール１００のボディ１０７によって区画された収納空間１０７Ｂには、空気入れ替え通路１０９(図２参照)と連通している。この空気入れ替え通路１０９は、空気の流れの影響を受けないように、吸入空気の流れで見て下流側に設けられている。そして、空気入れ替え通路１０９の開口面積は、副流路１０８の開口面積と比べて小さく、また、その通路形状はクランク形状とされている。

特に、収納空間１０７Ｂの内部に配置されている熱式湿度センサの検出部１０４に、流速の早い空気が接すると熱式湿度センサの検出部１０４の温度分布に悪影響を及ぼすので、熱式湿度センサの検出精度が低下する。このことから、上述した空気入れ替え通路１０９を介して、収納空間１０７Ｂを吸気管１０１の内部と連通させる構成が採用されている。

次に、図２に示すように、センサモジュール１００のボディ１０７によって、制御回路部１０５が配置されている制御空間１０７Ａと、熱式湿度センサの検出部１０４が配置されている収納空間１０７Ｂとが分離されている。そして、収納空間１０７Ｂは、空気入れ替え通路１０９と連通している。

図２において、例えば、熱式湿度センサの検出部１０４は、ワイヤ１１０Ａを介して、支持基板１０２の表面に形成されている配線と電気的に接続されている。同様に、例えば、制御回路部１０５は、ワイヤ１１０Ｂを介して、支持基板１０２の表面に形成されている配線と電気的に接続されている。このとき、ワイヤ１１０Ａやワイヤ１１０Ｂは、腐食から保護するため、エポキシ系保護剤１１１で覆われるように構成されている。図２では、一例として、ワイヤ１１０Ａがゲル状のエポキシ系保護剤１１１で覆われている構成が示されている。

以上のようにして、センサモジュール１００が構成されている。尚、このセンサモジュール１００は、上述した構成に限らず、例えば、熱式流量センサの代わりに圧力センサが配置された収納空間を備えるように構成することもできる。

すなわち、センサモジュール１００では、流量センサと熱式湿度センサとを組み合わせたセンサモジュールについて説明しているが、これに限らず、例えば、圧力センサや他のセンサと熱式湿度センサとを組み合わせたセンサモジュールや、熱式湿度センサ単体のセンサモジュールとすることもできる。

次に、上述したセンサモジュール１００の動作について簡単に説明する。図１において、吸気管１０１の内部に取り込まれた空気は、副流路１０８を通る。このとき、副流路１０８に露出するように設けられた熱式流量センサの検出部１０３により、空気流量が測定され、空気流量に対応づけられた電気信号が熱式流量センサから出力される。

また、吸入空気は空気入れ替え通路１０９から収納空間１０７Ｂに流入する。この結果、収納空間１０７Ｂの内部に設けられている熱式湿度センの検出部１０４によって、空気の湿度が測定され湿度に対応づけられた電気信号が熱式湿度センサから出力される。

熱式流量センサから出力された電気信号と、熱式湿度センサから出力された電気信号は、制御回路部１０５に入力される。そして、制御回路部１０５によって、空気の流量に対応づけられた電気信号に基づいて空気流量が算出され、空気流量を示す流量データが、制御回路部１０５からコネクタ１０６を介して、外部機器に出力される。

同様に、制御回路部１０５によって、空気の湿度に対応づけられた電気信号に基づいて空気の湿度が算出され、空気の湿度を示す湿度データが、制御回路部１０５からコネクタ１０６を介して、外部機器に出力される。

ここで、外部機器とは、エンジンコントロールユニットであり、このエンジンコントロールユニットで燃料噴射量や点火時期が演算され、これに基づいて燃料噴射弁や点火コイルが動作される。

以上のようにして、センサモジュール１００を動作させることができる。このように構成されているセンサモジュール１００を自動車などの内燃機関に組み込んで、吸入空気量、吸入空気湿度を検出することで、最適な量の燃料を内燃機関に噴霧することができ、また最適な点火時期に火花点火を行なうことができる。この結果、内燃機関の燃費を向上し、また排気ガス有害成分を低減することができるようになる。

尚、発熱抵抗線を使用して絶対湿度を測定する熱式湿度センサは、例えば、感湿膜を使用して、感湿膜の抵抗値や容量値の変化から相対湿度を測定する湿度センサに比べて、湿度の検出感度が高いという利点を有している。なぜなら、感湿膜は、水分を吸着することにより抵抗値や容量値が変化するが、水分を吸着する量に限界があり、湿度が高い環境においては、感湿膜に吸着する水分の量が飽和して、湿度に対応した抵抗値や容量値の変化が起こらなくなってしまうからである。

これに対し、熱式湿度センサでは、水分の蒸発に必要な熱量の大小によって発熱抵抗線の両端の電位差が変化すること利用して気体の湿度を測定しているため、たとえ湿度が高い状態でも検出精度を確保することができる。

つまり、熱式湿度センサは、感湿膜による水分の吸着を利用する湿度センサではないため、感湿膜による水分吸着の飽和に起因する湿度の検出感度の低下を招くことがない。このことから、熱式湿度センサは、感湿膜を使用する湿度センサに比べて、気体の湿度の検出精度が高いという利点を有している。したがって、特に、熱式湿度センサは、高温、高湿の環境の湿度検出に優れている。

また、感湿膜を使用する湿度センサでは、水滴が付着した場合、センサ全体を加熱するヒータが必要となり、消費電力の増大は免れない。また、加熱するための回路が必要となり、コスト増の課題もある。

また、熱式湿度センサでは、発熱抵抗線の温度を５００℃以上にすると、湿度の検出感度が良好であり、空気だけでなく、一酸化炭素（ＣＯ）や他のガスにおいて適切な検出感度を得ることができる。更には、熱式湿度センサでは、６００℃以上でも精度良く、かつ、多様なガスに対応する湿度センサを実現することができる。

ところで、上述したように、例えば内燃機関においては、停止時にはピストンが動作せず空気の流れが発生しないので、水滴が空気の流れによって持ち去られず多量の水滴が熱式センサの検出部１０３に付着、滞留することがある。また、湿度を測定する場合は、空気の流れが影響しないような収納空間に熱式センサを配置するので、この場合も空気の流れが少なく多量の水滴が熱式センサの検出部１０４付着、滞留することがある。

したがって、結露等によって生じた多量の水滴が検出部１０３、１０４を構成する薄膜ダイヤフラム部のヒータ領域に付着、滞留した場合、熱式センサの起動時の急速加熱によって、水滴の内部における沸騰により大きな気泡が発生する。そして、この大きな気泡が破裂する際の圧力エネルギーによって、薄膜ダイヤフラム部が衝撃を受けて亀裂等の破損に至る現象がある。

次に、熱式センサの検出部の構成と水滴に発生する気泡について説明する。図１６Ａ、及び図１６Ｂは、比較例としての熱式湿度センサにおいて、検出部１０４の最表面が、酸化シリコン膜からなる絶縁膜で覆われている薄膜ダイヤフラム部の表面に水滴が形成された初期状態を示している。

図１６Ａにおいて、半導体基板で作られた検出部１０４の平面形状は四角形の形状をしている。また、この検出部１０４の裏面には、例えば、四角形の形状からなる薄膜ダイヤフラム部１０が形成されている。尚、図１６Ａでは、破線によって薄膜ダイヤフラム部１０が示されている。この薄膜ダイヤフラム部１０より外側は、厚さが薄膜ダイヤフラム部１０より厚い厚膜部とされている。

検出部１０４の表面には、薄膜ダイヤフラム部１０の面に直交する方向の平面視において、薄膜ダイヤフラム部１０に内包されるように、ヒータ領域１１が設けられており、このヒータ領域１１に発熱抵抗線からなるヒータ１１Ｈが形成されている。例えば、ヒータ領域１１は、縦、及び横の長さが９０μｍの四角形状をしている。このようなヒータ領域１１に形成されているヒータ１１Ｈは、例えば、折り返し形状を有する発熱抵抗線から構成されている。

そして、ヒータ１１Ｈの一端は、引き出し配線であるリード配線１２ａと接続され、ヒータ１１Ｈの他端は、引き出し配線であるリード配線１２ｂと接続されている。リード配線１２ａは、プラグ１３ａを介して、外部接続端子として機能する電極１４ａと電気的に接続されている。同様に、リード配線１２ｂは、プラグ１３ｂを介して、外部接続端子として機能する電極１４ｂと電気的に接続されている。

このように構成されている検出部１０４では、電極１４ａと電極１４ｂとの間に電圧を印加することにより、電極１４ａと電極１４ｂとを接続するヒータ１１Ｈに電流を流すことができる。この結果、ヒータ１１Ｈを構成する発熱抵抗線からジュール熱を発生させる。このとき、図１６Ａに示すように、平面視において、ヒータ１１Ｈは、厚さの薄い薄肉ダイヤフラム部１０に内包されるように設けられているため、熱容量が小さくヒータ１１Ｈの加熱特性を向上することができる。

そして、比較例における熱式湿度センサの検出部１０４の表面は、絶縁膜４としての酸化シリコン膜によって全面が覆われている。図１６Ｂにあるように、検出部１０４は、支持体である半導体基板１と、半導体基板１に開口部１ａを形成する際にマスクとして使用された絶縁膜２から構成されている。更に半導体基板１の上面に酸化シリコン膜からなる絶縁膜３が形成され、この絶縁膜３の上面にヒータ１１Ｈを形成する発熱抵抗線が形成されている。そして、この発熱抵抗線を保護する酸化シリコン膜からなる絶縁膜４が、検出部１０４の全面を覆うように形成されている。

このような構成の検出部１０４において、周辺環境(ここでは、吸気管内の空気)中の水蒸気が凝縮して多量の水滴となって検出部１０４に付着すると、図１６Ａ、及び図１６Ｂに示すように、水滴１５の断面は半円状の形状を示し、水滴１５の端の接触角度はほぼ９０度となる。

発明者等の検討によれば、絶縁膜４が酸化シリコン膜で形成される場合、１μＬの水滴が付着すると、水滴の高さＨは、Ｈ≒１ｍｍとなり、その直径Ｌは、Ｌ≒２ｍｍとなった。したがって、水滴１５の量が多くなるほど水滴の高さＨと直径Ｌは大きくなっていくことは容易に理解できる。

そして、この状態で内燃機関を始動するとヒータ１１Ｈに電流が流れ、ヒータ１１Ｈにおいてはジュール熱が発生して、ヒータ１１Ｈの温度は設定された温度５００℃に向けて急速に加熱される。そして、薄膜ダイヤフラム部１０の絶縁膜４の上面に接する水滴１５は、ジュール熱によって加熱されて蒸発して縮小していくようになる。

この時、図１６Ｃに示すように水滴１５の絶縁膜４に近い外周面は水滴１５の高さが低いため、気泡Ｂの発生が認められなく、水蒸気はそのまま空気中に拡散していく。一方、水滴の中央部に近い領域は水滴１５の高さＨが高いため、蒸発した水蒸気が空気中に抜けて行かず、気泡Ｂとなって水滴の中央付近に集まるようになる。

そして、この状態が続くと気泡Ｂが更に大きく成長していき、最終的には水滴１５内の気泡Ｂが破裂することになる。このときの破裂の圧力エネルギーにより、薄膜ダイヤフラム部１０に衝撃が加わり、亀裂が生じて破損に至ることがある。発明者等の検討によると、水滴１５の高さＨが１ｍｍ程度に達すると、気泡Ｂが水滴１５から抜けずに成長していき、破裂に至ることが判明した。

また、薄膜ダイヤフラム部１０の亀裂の問題とは別に、ヒータ領域１１の中央付近に多量の水滴１５が残っている場合、ヒータ１１Ｈの温度が上昇せず設定温度である５００℃になるまで時間がかかり、また、水滴の外周面では、蒸発した水蒸気が再度小さな水滴１５となって付着することから、完全に蒸発するまで長い時間を要するようになる。

尚、気泡Ｂが発生するのは、大まかにはヒータ１１Ｈの温度が２００℃以上の場合であるが、熱式湿度センサにおいては、ヒータ１１Ｈの温度を２００℃以下にすると検出感度が低下すること、及び検出部１０４が乾燥して湿度を検出するまでの時間が更に長時間となるため、設定温度を２００℃以下に下げることは得策ではない。

このため、水滴が付着した場合においても気泡が発生せず、且つ短時間で水滴を蒸発して湿度の検出が可能となる熱式湿度センサが要望されている。

次に本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。尚、以下では比較例に示した検出部１０４の構成を踏襲しているので、同じ参照番号は同じ構成要素を示している。

先ず、センサモジュール１００に組み込まれている熱式湿度センサについて説明する。図３Ａは、熱式湿度センサを構成する検出部１０４の上面の構成を示し、図３Ｂはヒータ領域１１付近の断面を示している。

図３Ａ、図３Ｂにおいて、検出部１０４の平面形状は四角形の形状に形成されている。この検出部１０４の裏面には、例えば、四角形の形状からなる薄膜ダイヤフラム部１０が形成されている。図３Ａでは、破線によって薄膜ダイヤフラム部１０が示されている。薄膜ダイヤフラム部１０は、検出部１０４の範囲に含まれるような大きさに形成されており、検出部１０４の各辺と、薄膜ダイヤフラム部１０の各辺がそれぞれ平行な関係になる形態に形成されている。

そして、この薄膜ダイヤフラム部１０の平面形状は、例えば、一辺が８００μｍの四角形形状から構成されている。検出部１０４の薄膜ダイヤフラム部１０の面に直交する方向の平面視において、薄膜ダイヤフラム部１０の外側は、厚さが薄膜ダイヤフラム部１０より厚い厚膜部(シリコン基板)１とされており、この厚膜部１によって薄膜ダイヤフラム部１０が支持されている。

また、検出部１０４の薄膜ダイヤフラム部１０の面に直交する方向の平面視において、検出部１０４の表面には、薄膜ダイヤフラム部１０の範囲に内包されるように、ヒータ領域１１が設けられており、このヒータ領域１１にヒータ１１Ｈが形成されている。例えば、ヒータ領域１１は、縦、横の長さが９０μｍの四角形状をしている。このようなヒータ領域１１に形成されているヒータ１１Ｈは、例えば、折り返し形状を有する発熱抵抗線から構成されている。

そして、ヒータ１１Ｈの一端は、引き出し配線であるリード配線１２ａと接続され、ヒータ１１Ｈの他端は、引き出し配線であるリード配線１２ｂと接続されている。リード配線１２ａは、プラグ１３ａを介して外部接続端子として機能する電極１４ａと電気的に接続されている。同様に、リード配線１２ｂは、プラグ１３ｂを介して外部接続端子として機能する電極１４ｂと電気的に接続されている。

このように構成されている検出部１０４では、電極１４ａと電極１４ｂとの間に電圧を印加することにより、電極１４ａと電極１４ｂとを接続するヒータ１１Ｈに電流を流すことができる。この結果、ヒータ１１Ｈを構成する発熱抵抗線からジュール熱を発生させる。

このとき、図３Ａに示すように、ヒータ１１Ｈは厚さの薄い薄膜ダイヤフラム部１０のヒータ領域１１の範囲に内包されるように設けられているため熱容量を小さくでき、ヒータ１１Ｈの加熱特性を向上することができる。すなわち、薄膜ダイヤフラム部１０は、ヒータ３１１加熱特性を向上するために形成されているということができる。

次に、本実施形態の特徴である水滴の高さを制御する構成について説明する。尚、ここで、制御とは電気的な制御を意味するものではなく、水滴の高さを調整するという意味である。また、図３Ａでは四角形の形状の検出部１０４において、夫々対向する２つの辺を説明の都合から、上辺１０４Ｕ、下辺１０４Ｂ、右辺１０４Ｒ、左辺１０５Ｌと定義する。

図３Ａにおいて、ヒータ１１Ｈを含む薄膜ダイヤフラム部１０は低親水性膜４によって全体が覆われている。尚、本実施形態では検出部１０４の全面に亘って低親水性膜４で覆われている。低親水性膜４は、比較例と同様に酸化シリコン膜で形成されており、この酸化シリコン膜は絶縁膜、及び保護膜としても機能する。この低親水性膜４は水分との親和性が低い性質を備えているものであり、後述の高親水性膜との比較での表現である。以下では、必要に応じて低親水性膜４、或いは酸化シリコン膜４と表記する場合もある。ここで、低親水性膜４は、本実施形態では酸化シリコン膜を使用しているが、これに限らず酸化シリコン膜と同等の親水性を有する絶縁膜から形成されていても良いものである。

そして、酸化シリコン膜４の上面には、検出部１０４の上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂに直交し、しかも上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂを接続する高親水性膜５が、所定の間隔をおいて断続的に形成されている。高親水性膜４は、窒化アルミニウム膜で形成されており、この窒化アルミニウム膜は絶縁膜としても機能する。この高親水性膜５は水分との親和性が高い性質を備えているものであり、上述の低親水性膜との比較での表現である。以下では、必要に応じて高親水性膜５、或いは窒化アルミニウム膜５と表記する場合もある。

本実施形態では、検出部１０４の表面に３つの窒化アルミニウム膜５が形成されており、右辺１０４Ｒに沿って形成された右側窒化アルミニウム膜５Ｒ、左辺１０４Ｌに沿って形成された左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、及び、右側窒化アルミニウム膜５Ｒと左側窒化アルミニウム膜５Ｌとの間に形成された、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈが備えられている。

そして、左側窒化アルミニウム膜５Ｌとヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの間には、酸化シリコン膜４が露出されており、同様に、右側窒化アルミニウム膜５Ｒとヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの間には、酸化シリコン膜４が露出されている。したがって、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、酸化シリコン膜４によって両側から挟まれる状態となっている。

それぞれの酸化シリコン膜４は、検出部１０４の上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂに直交し、しかも上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂを接続し、上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂの方向に所定の幅(第２の所定幅)を有した長方形の形状とされている。

このように、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒは、検出部１０４の上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂを接続する長方形の形状で、酸化シリコン膜４の上面に形成されている。ここで、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、ヒータ領域１１を含むように重ね合せられており、水滴の水分を早期に蒸発させることができる。

例えば、ヒータ領域１１に酸化シリコン膜４が露出され、これに隣り合わせて窒化アルミニウム膜５が形成されていると、ヒータ１１Ｈは水分が少ない酸化シリコン膜４を加熱するだけで、隣接する窒化アルミニウム膜５の加熱が不十分となり、水分が完全に蒸発するまで長い時間を要するようになる。

尚、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、ヒータ領域１１の一部、或いは全部を覆う形状とされていても良いが、本実施形態では、ヒータ領域１１の全部を覆うように構成している。

そして、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒは、高親水性を備えているので、水滴の水分は夫々の窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒの表面で広がって水滴の高さが低くなる。

これに加えて、夫々の窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒの間に露出して配置された酸化シリコン膜４は、低親水性を備えているので、夫々の窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒの間での水滴の水分の流れが規制され、水滴は左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒに分断される。

また、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒの合計面積は、露出している酸化シリコン膜４の合計面積より大きく設定されている。これによって、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒの上面に広がる水滴１５の高さを低く(薄く)して、水滴の乾燥を更に促進している。

このように、ヒータ領域１１のヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに存在する水滴の水分量は少なく制御され、その高さが低く管理される。ここで、上辺１０４Ｕ、及び下辺１０４Ｂが延びる方向のヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの幅(第１の所定幅)と、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、及び右側窒化アルミニウム膜５Ｒの幅(第３の所定幅)は、「ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ＞右側窒化アルミニウム膜５Ｒ＝左側窒化アルミニウム膜５Ｌ」の関係を有しており、ヒータ１１Ｈの熱が最も作用するヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに付着する水滴の水分を多くして、ヒータ１１Ｈによる直接的な加熱によって水分の乾燥を促進している。

また、左側窒化アルミニウム膜５Ｌとヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの間の酸化シリコン膜４には、電極１４ａが配置され、右側窒化アルミニウム膜５Ｒとヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの間の酸化シリコン膜４には、電極１４ｂが配置されている。これによって、電極１４ａ、１４ｂが窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒで覆われることがなく、信号線の引き出しが容易になる。また、窒化アルミニウム膜５に電極１４ａ、１４ｂを設けると、水滴が電極部に到達して腐蝕することがあるため、電極１４ａ、１４ｂは酸化シリコン膜４に配置されている。

ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、少なくともヒータ領域１１のヒータ１１Ｈの全体を覆う範囲の幅を備えており、薄膜ダイヤフラム部１０を横断して、上辺１０４Ｕと下辺１０４Ｂまで延びている。これによって、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに付着した水滴は、薄膜ダイヤフラム部１０を超えて外側に広がって、水滴の高さを低くすることができる。

尚、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに付着した水滴は、薄膜ダイヤフラム部１０を超えて、検出部１０４の上辺１０４Ｕ、下辺１０４Ｂの端部から排出されることもある。もちろん、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒも同様である。

また、左側窒化アルミニウム膜５Ｌのヒータ領域１１側の辺５ＬＳと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒのヒータ領域１１側の辺５ＲＳは、薄膜ダイヤフラム部１０が形成されている範囲に含まれるように、ヒータ領域１１の側に延びている。言い換えれば、酸化シリコン膜４は、薄膜ダイヤフラム部１０の範囲内に収まるようにその幅(第２の所定幅)が決められている。これによって、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒをヒータ領域１１に近づけて、水滴の乾燥を促進することができる。

次に図３Ｂに示すように、熱式湿度センサを構成する検出部１０４は、大まかに下層領域部２０ａと上層領域部２０ｂの２つの領域を有している。

下層領域部２０ａは、開口部１ａが形成された支持体である半導体基板１と、半導体基板１に開口部１ａを形成する際にマスクとして使用された絶縁膜２から構成されている。半導体基板１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、半導体基板１の裏面に形成されている絶縁膜２は、例えば、酸化シリコン膜から形成されている。尚、絶縁膜２は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の多層膜であっても良い。

また、下層領域部２０ａの上側には、上層領域部２０ｂが設けられており、この上層領域部２０ｂは、複数膜(積層膜)から構成されている。具体的には、上層領域部２０ｂは、開口部１ａが形成された半導体基板１上に形成された絶縁膜３を有する。この絶縁膜３は、酸化シリコン膜から形成されている。尚、この絶縁膜３は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜であっても良い。ただし、積層膜の場合、半導体基板１上に発熱抵抗線を形成する下地面は、酸化シリコン膜が好ましい。

上層領域部２０ｂは、絶縁膜３上に形成された発熱抵抗線からなるヒータ１１Ｈを有している。このヒータ１１Ｈは、熱式湿度センサの発熱抵抗線として機能する。ヒータ１１Ｈは、電流を流すことができるように導電性材料から構成されており、特に、ヒータ１１Ｈは、電流が流れることにより発生するジュール熱が大きい導電性材料を使用することが望ましく、更に、耐熱性も考慮して、例えば高融点金属材料から構成することが望ましい。高融点金属材料としては、例えば、モリブデン(Ｍｏ)やタングステン(Ｗ)を使用することができる。

また、上層領域部２０ｂは、ヒータ１１Ｈを覆うように低親水性膜４が形成されている。この低親水性膜４は絶縁性を有しており、代表的には酸化シリコン膜が使用されている。尚、薄膜ダイヤフラム部１０の強度向上のため、低親水性膜４は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜であっても良い。

低親水性膜４を部分的に覆う高親水性膜５として、酸化シリコン膜４より親水性の高い窒化アルミニウム膜５が形成されている。尚、高親水性膜５として機能するヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、少なくともヒータ１１Ｈの幅と同等、或いはそれ以上の幅に形成され、且つ、図３Ａに示しように所定の間隔(酸化シリコン膜の幅)を介して検出部１０４の左辺１０４Ｌから右辺１０４Ｒにかけて、左側窒化アルミニウム膜５Ｌ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒが形成されている。

ここで、酸化シリコン膜４と窒化アルミニウム膜５の間の高さ、言い換えれば窒化アルミニウム膜５の膜厚は、酸化シリコン膜４に付着した水滴の水分が窒化アルミニウム膜５に移動しやすいように５０ｎｍ～１ｎｍの範囲に決められている。これは窒化アルミニウム膜５の膜厚が厚いと段差となって、酸化シリコン膜４に付着した水滴の水分が円滑に窒化アルミニウム膜５に移動するのが難しくなるからである。

図３Ｂに示すように、半導体基板１に形成された開口部１ａ上には、上層領域部２０ｂを構成しヒータ１１Ｈを保持する酸化シリコン膜３、ヒータ１１Ｈを覆う酸化シリコン膜(低親水性膜)４及び窒化アルミニウム膜(高親水性膜)５だけが形成されている。このことから、半導体基板１に形成された上層領域部２０ｂだけの厚さは、下層領域部２０ａと上層領域部２０ｂを足し合わせた厚さよりも薄くなる。この結果、検出部１０４には、半導体基板１に開口部１ａを形成することによって、薄肉部となる薄肉ダイヤフラム部１０が形成されることになる。

次に、本実施形態の熱式湿度センサの動作、及びヒータ領域１１に付着した水滴の挙動について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１、及び図２にあるように、制御回路部１０５は、熱式湿度センサが形成された検出部１０４と電気的に接続されている。そして、制御回路部１０５は、ＣＰＵ(中央演算処理部)とメモリとを有しており、ＣＰＵの制御によって検出部１０４に形成されている電極１４ａと電極１４ｂとの間に電圧(電位差)が印加される。例えば、電極１４ａに接地電位(０Ｖ)が印加され、電極１４ｂに電源電位(例えば、５Ｖ)が印加される構成とされている。

電圧が印加されると、電極１４ａと電極１４ｂとに接続されている発熱抵抗線からなるヒータ１１Ｈに電流が流れる。これにより、ヒータ１１Ｈではジュール熱が発生して、ヒータ１１Ｈは電流に応じて発熱することになる。このとき、例えば、ＣＰＵがヒータ１１Ｈに流れる電流を一定とする定電流制御を行なうことによって、例えば、ヒータ１１Ｈが形成されているヒータ領域１１の温度を５００℃程度に維持することができる。

ここで、図３Ｂに示すように、ヒータ１１Ｈが発熱すると、ヒータ１１Ｈのヒータ領域１１の表面側の上方、およびヒータ領域１１の裏面側の下方に存在する空気が加熱されて、空気に含まれる水分が蒸気Ｓとして蒸発(気化)する。このとき、ヒータ１１Ｈから発生した熱の一部が、空気に含まれる水分の蒸発に必要とされる気化熱に消費される。

すなわち、ヒータ１１Ｈに供給された電力の一部が気化熱に消費されるが、この気化熱のために消費される電力は、空気に含まれる水分量によって変化する。例えば、空気に含まれる水分が多くなると、水分の蒸発に必要とされる電力は大きくなる。一方、空気に含まれる水分が少なくなると、水分の蒸発に必要とされる電力は小さくなる。

このことは、空気の湿度に応じて、水分の蒸発に必要とされる電力が変化することを意味する。そして、ＣＰＵによって、ヒータ１１Ｈを流れる電流を一定にする定電流制御が行なわれていることから、水分の蒸発に消費される電力の変化は、電極１４ａと電極１４ｂとの間の電位差の変化として現れる。したがって、電極１４ａと電極１４ｂとの間の電位差の変化を検出することによって、空気の湿度を推定することができる。

具体的には、検出部１０４における電極１４ａと電極１４ｂとの間の電位差の変化は、制御回路部１０５に備えられているＣＰＵによって監視されている。そして、ＣＰＵは、電極１４ａと電極１４ｂとの間の電位差に対応した電気信号が検出部１０４から入力されると、例えば、予め電気信号の電圧値と空気の湿度(湿度データ)とを対応付けたテーブル、或いはマップを記憶しているメモリにアクセスして、検出部１０４から入力した電気信号の電圧値に対応した空気の湿度(湿度データ)を検索、取得する。その後、ＣＰＵは、取得した空気の湿度(湿度データ)を外部のＥＣＵに出力する。このようにして、空気の湿度を測定できる。

熱式湿度センサにおいて、図１６Ａ～図１６Ｃで説明したように、水滴１５の外周近辺では蒸発した分子が空気中に拡散していくのに対し、水滴の高さが高いと水滴の中央付近に発生した気泡は外周付近に到達できないことから、水滴の内部に気泡となって留まるように振る舞う。したがって、高温になるヒータ領域１１の水滴の高さが低くなるように、酸化シリコン膜より親水性の高い高親水性膜を形成することが考えられる。

しかしながら、薄膜ダイヤフラム部１０の全面に酸化シリコン膜より親水性の高い高親水性膜を形成した場合、付着した水分は水滴の中央から同心円状に広がり、その後にヒータ１１Ｈによって加熱されると、水分の蒸発と共に水滴は表面張力により中央に集まってくる。そして、水滴の水分量が多い場合には、図１６Ａ～図１６Ｃと同様の挙動行い、気泡が成長して破裂することで薄膜ダイヤフラム部１０に悪影響を及ぼすことになる。

このような現象に対応するため、本実施形態では図３Ａに示すように、高親水性膜５と低親水性膜４を所定の間隔で交互に配置することにより、付着した水滴を分散することで、夫々の水滴の高さを低く抑えるようにしている。

図４Ａ、及び図４Ｂは、上述した実施形態において水滴が付着した初期状態を示している。ヒータ１１Ｈを含む薄膜ダイヤフラム部１０の全体を覆うように、低親水性膜４としての酸化シリコン膜４が形成され、これの上面にヒータ領域１１、検出部１０４の左辺１０４Ｌ、及び右辺１０４Ｒに沿って高親水性膜５としての窒化アルミニウム膜５が、所定の間隔で交互に配置されている。

そして、検出部１０４に付着した水滴１５の水分は、酸化シリコン膜４と窒化アルミニウム膜５に多少の段差があっても、酸化シリコン膜４上の水分は親水性の高い窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒ上に移動して分断される。加えて、水滴１５は、酸化シリコン膜４によって、窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒの間で相互の水分の移動が規制されるので、水滴１５の水分は３つの領域に分断されてその量が少なく制御される。更に、移動した水滴１５の水分は、窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒの幅に沿って、上辺１０４Ｕ、及び下辺１０４Ｂのほうへ向かって広がっていく。

したがって、水分量が少ない水滴１５が、更に窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒで広がるので、ヒータ１１Ｈ上の水滴の高さは充分低く抑えられる。発明者等の検討によると、検出部１０４の中央に１μＬの水滴を滴下した時に、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈにおいては、その水滴１５の高さ(Ｈ)を１ｍｍ以下に制御できることが確認された。

また、上辺１０４Ｕ、及び下辺１０４Ｂが延びる方向で、低親水性膜４の形成位置は、少なくともヒータ領域１１の端から、薄膜ダイヤフラム部１０の端縁よりヒータ領域１１側までとされている。これによって、薄膜ダイヤフラム部１０が形成されている範囲に低親水性膜４が形成されることになる。この理由は以下の通りである。

薄膜ダイヤフラム部１０の範囲は熱容量が小さいので、ヒータ１１Ｈの熱により水滴１５の水分が蒸発しやすい環境に置かれる。これに対して、薄膜ダイヤフラム部１０の外側では、半導体基板１の熱容量が大きいため、急激に温度が低下する傾向にある。したがって、酸化シリコン膜４が、薄膜ダイヤフラム部１０の外側の半導体基板１まで延びていると、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒの水滴１５の水分が蒸発し難くなると共に、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒの面積が小さくなり水滴の高さが高くなる。

このため、薄膜ダイヤフラム部１０が形成されている範囲内に酸化シリコン膜４を形成することによって、酸化シリコン膜４の外側に隣接する左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒの温度を高め、更に水滴１５の高さを低くして水滴１５の蒸発を促進している。これによって、ヒータ１１Ｈの輻射熱や伝熱によって早く乾燥することができる。

このように、ヒータ領域１１のヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの水滴１５の水分を少なくするためにも、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒを形成することは有効である。つまり、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒが形成されないと、酸化シリコン膜４上に残った水滴の水分が、窒化アルミニウム膜５Ｈに流れて供給されてしまい、水滴１５の蒸発効率が悪くなり、熱式センサが復帰するまで長い時間を要するようになる。

図５Ａ、及び図５Ｂは、上述した水滴が付着した初期状態から内燃機関を始動してヒータ１１Ｈを加熱した状態を示している。

今、熱式湿度センサを動作させるとヒータ１１Ｈに電流が流れ、設定温度である５００℃に向けて急速に加熱される。例えば、熱式湿度センサを早期に起動させるために、ヒータ１１Ｈには予備的に大電流を流してヒータ１１Ｈの温度を高める手法を採用することができる。この時、図１６Ａ～図１６Ｃにある通り、薄膜ダイヤフラム部１０に水分量が多い水滴が付着していると、水滴内の気泡が急速に成長して破裂し、薄膜ダイヤフラム部１０の損傷を発生する恐れがある。

これに対して、本実施形態では、上述したように、低親水性膜として酸化シリコン膜４が形成され、これの上面にヒータ領域１１、検出部１０４の左辺１０４Ｌ、及び右辺１０４Ｒに沿って高親水性膜として窒化アルミニウム膜５が、所定の間隔で交互に配置されている。これによって、付着した水滴１５は、水分量が少ない３つの水滴１５に分断され、更に窒化アルミニウム膜５上を上辺１０４Ｕ、下辺１０４Ｂに向かって広がる。

これによって、ヒータ領域１１に形成されたヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに形成される水滴１５の高さが低く制御される。そして、ヒータ領域１１に形成されたヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの水滴１５の高さが低いので、蒸発した蒸気は水滴１５の内部に滞留することなく空気中に抜けて行き、短い時間でヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに付着した水滴１５を乾燥することができる。

実際には、水滴の高さ(Ｈ)を１ｍｍ以下に制御できれば、気泡の発生を充分抑制することができる。尚、図５Ａでは薄膜ダイヤフラム部１０の外側に熱が伝わり難い部分に水滴が残留した状態を示しているが、全てが蒸発するまでそれほど時間を要さないものである。

このように、本実施形態によればヒータ１１Ｈによって水滴１５が急速に加熱されても、気泡が発生することが抑制されるため、薄膜ダイヤフラム部１０に気泡の破裂による衝撃を与えることを抑制できる。

更に、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに加えて、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと右側窒化アルミニウム膜５Ｒが形成されているので、水分が分散されて個々の水滴の水分量が更に少なく、その高さが低い状態で広がっているため、水分の蒸発も早いものとなっている。したがって、湿度検出までの復帰時間が短縮されるという効果を奏することができる。

次に、図６～図９を用いて、高親水性膜と低親水性膜の水滴の水分量と水滴の高さや直径に関する特性を比較した結果について説明する。

図６は、高親水性膜である窒化アルミニウム膜５と低親水性膜である酸化シリコン膜４に所定の水分量の水滴を滴下した時の水滴の直径(Ｌ)との関係を示している。図６において、同じ水滴量であっても親水性が異なることにより、酸化シリコン膜４に比べて、本実施形態の窒化アルミニウム膜５によれば、水滴が約１．４倍程度広がり易いことがわかる。

同様に、図７は窒化アルミニウム膜５と酸化シリコン膜４に所定の水分量の水滴を滴下した時の水滴の高さ(Ｈ)との関係を示している。図７において、同じ水滴量であっても親水性が異なることにより、酸化シリコン膜４に比べて、本実施形態の窒化アルミニウム膜５によれば、水滴の高さ(Ｈ)が約１/２程度まで低くできることがわかる。

したがって、図６、図７から理解できるように、高親水性膜である窒化アルミニウム膜５Ｌ、５Ｈ、５Ｒ及び酸化シリコン膜４を形成することで、水滴の高さ(Ｈ)を低く抑え、しかも水滴を広げることができる。このように窒化アルミニウム膜５や酸化シリコン膜４の寸法を適切に管理すれば、水滴の高さ(Ｈ)を制御することが可能となる。

尚、酸化シリコン膜４において１μＬ以上の水分量があると、水滴高さ(Ｈ)が１ｍｍ以上に達して、気泡が発生することが確認されており、この高さ以上になると気泡の破裂によって薄膜ダイヤフラム部１０が破損されてしまう恐れがある。つまり、酸化シリコン膜４では１μＬ以上の水滴で薄膜ダイヤフラム部１０が破損する恐れがある。これに対して、本実施形態の窒化アルミニウム膜５では、水滴の高さ(Ｈ)は１ｍｍ以上に達しないので、気泡の発生が抑制されて薄膜ダイヤフラム部１０の破損を避けることができる。

また、水滴が付着すると異物を取り込みやすくなり、酸化シリコン膜４の場合、０．２μＬと微量の水滴であってもヒータ領域１１近傍に微細な異物があると、これを核にして気泡が発生しやすくなる。これに対して、本実施形態の窒化アルミニウム膜５においては、水滴の高さが低くなるので、微細な異物を水滴の中央付近まで移動させる前に水分を蒸発させることができ、気泡の発生まで至らないことを確認している。

図８は、窒化アルミニウム膜５と酸化シリコン膜４に所定の水分量の水滴を滴下した時の水滴高さ(Ｈ)/水滴直径(Ｌ)の関係を示している。この図８において、酸化シリコン膜４は、1μＬ以上において、水滴高さ(Ｈ)/水滴直径(Ｌ)の比が１：２であり、水滴の接触角度が９０度に近いことがわかる。これに対して、本実施形態の窒化アルミニウム膜５では、1μＬ以上においても水滴高さ(Ｈ)/水滴直径(Ｌ)の比が０．２未満であり、水滴の高さ(Ｈ)を抑制できていることがわかる。

図９は、水滴がある状態でヒータ温度を５００℃に加熱した場合における水滴の乾燥までの蒸発時間を比較例と本実施形態を比較した結果を示している。尚、薄膜ダイヤフラム部１０の破損を考慮して水滴量は１μＬまでとした。この図９からわかるように、比較例に比べて本実施形態では、約３倍の速度で水滴を乾燥することができていることがわかる。また、本実施形態の場合、水滴の水分量が1μＬを超えた場合でも、酸化シリコン膜４によって水滴が分散され、分散された水滴は窒化アルミニウム膜５の上面を広がって薄膜ダイヤフラム部１０の外側に流されるので、蒸発時間はほとんど変わらないことを確認している。

次に、本実施形態における熱式湿度センサの製造方法を図１０に基づいて説明する。

まず、図１０の(ａ)に示すように、半導体基板１の裏面と表面に絶縁膜２と絶縁膜３を形成する。このとき、絶縁膜２と絶縁膜３は、例えば１０００℃以上の炉体に酸素、または水蒸気を導入して形成した酸化シリコン膜、または、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成した酸化シリコン膜である。尚、絶縁膜２、絶縁膜３は、例えば、ＣＶＤ法を用いた窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜であっても良い。

その後、図１０の(ｂ)に示すように、絶縁膜３上に例えばモリブデン(Ｍｏ)やタングステン(Ｗ)に代表される高融点金属材料からなる金属膜を形成する。この金属膜は、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成できる。そして、フォトリソグラフィ技術、及びエッチング技術を使用することにより、金属膜をパターニングして、発熱抵抗線からなるヒータ１１Ｈ、およびリード配線１２を形成する。

次に、図１０の(ｃ)に示すように、ヒータ１１Ｈを保護するためヒータ１１Ｈを覆うようにＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜４を形成する。この酸化シリコン膜４は電気絶縁性を備えた低親水性膜である。尚、ヒータ１１Ｈが存在する部分は段差が形成されているので、平坦化技術により酸化シリコン膜４に形成された表面の段差を低減している。また、この後に窒化シリコン膜と酸化シリコン膜を積層しても良い。ただし、この後の電極１４を形成する下地として表面は酸化シリコン膜となるようにするのが望ましい。

次に、図１０の(ｄ)に示すように、スパッタリング法を用いて高親水性膜である窒化アルミニウム膜５を形成する。窒化アルミニウム膜５は、スパッタリング法を用いた場合、粒径が１０ｎｍ以下の微小な柱状結晶となり、膜表面に数ｎｍの凹凸を有して親水性が高い膜となる。また、窒化アルミニウム膜５とは別に、ＹＳＺ (イットリア安定化ジルコニア)膜、ＺｒＯ(酸化ジルコニウム)膜、ＭｏＮ(窒化モリブデン)膜等の柱状結晶を有する金属膜を用いることもできる。

その後、フォトリソグラフィ技術、及びエッチング技術を使用することにより、少なくとも図３に示した長方形状の窒化アルミ膜５が得られるように、パターニングを行って酸化シリコン膜４を露出させる領域を形成する。尚、露出される酸化シリコン膜４は交互に形成されている。

次に、図示はしていないが、フォトリソグラフィ技術、及びエッチング技術を使用することにより、酸化シリコン膜４をパターニングしてリード線１２が露出するようにコンタクト孔を形成し、その後、電極１４となるアルミニウム膜をスパッタ法により形成する。

この際、プラグ１３が同時に形成され、フォトリソグラフィ技術、及びエッチング技術を使用することにより、電極１４をパターニングする。また、窒化アルミニウム膜５に電極１４を設けると、水滴が電極部に到達して腐蝕することがあるため、窒化アルミニウム膜５と電極１４が相互に接触しない配置とされている。

次に、裏面側の絶縁膜２にフォトリソグラフィ技術、及びエッチング技術を使用することにより、薄膜ダイヤフラム部１０を形成するためのマスクとしてパターニングを行う。この後、表面を保護しながら、ＫＯＨ液、またはＴＭＡＨ液を用いて、裏面側の半導体基板１を絶縁膜３までエッチングして薄膜ダイヤフラム部１０を形成する。

図１１は、上述した製造方法により形成した熱式湿度センサを支持台に固定した時の断面を示している。この図１１において、支持台１６は、熱式湿度センサの検出部１０４よりも外形形状を大きく形成している。尚、支持台１６の上面と検出部１０４の側面との間に間隔をあけ、窒化アルミニウム膜５を伝わってきた水滴が検出部１０４の外側に排出できるようにしている。

また、薄膜ダイヤフラム部１０が密閉されないように、薄膜ダイヤフラム部１０の裏面の空間と支持台１６には連通孔１７が形成されている。そして、このような形態に組み上げられて、図１、図２に示すセンサモジュール１００に搭載されることになる。

このように、本実施形態によれば、高親水性膜に付着した水滴は薄膜ダイヤフラム部の外側に広がり、また高親水性膜に隣接する低親水性膜によって、他の領域から余分な水分が高親水性膜に移動するのを抑制することでヒータ領域の高親水性膜に存在する水滴の高さが低くなり、これによってヒータ領域に付着した水滴の内部に大きな気泡が発生するのを抑制して薄膜ダイヤフラム部の機械的信頼性を向上することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１２は、第２の実施形態になる熱式湿度センサの断面を示している。ここで、第１の実施形態と同じ参照番号は同じ構成部品を示しているので、その説明は省略する。

図１２に示す熱式湿度センサの構成は、第１の実施形態における熱式湿度センサの検出部１０４の裏側全面に、スパッタ法によって窒化アルミニウム膜５Ａを形成している。この場合の窒化アルミニウム膜５Ａの膜厚は約５０ｎｍであり、薄膜ダイヤフラム部１０の全体の応力に影響が及ばない程度に形成されている。

図１１に示した構成の検出部１０４においては、薄膜ダイヤフラム部１０の裏面側は、支持台１６の連通孔１７を介して外気と繋がっている。したがって、薄膜ダイヤフラム部１０の裏面側も結露が発生する場合がある。このため、高親水性の窒化アルミニウム膜５Ａが形成されることにより、薄膜ダイヤフラム部１０の裏面側に付着した水滴の高さを低くすることができ、水滴の乾燥時間を短くすることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１３は第３の実施形態になる熱式湿度センサの断面を示している。ここで、第１の実施形態と同じ参照番号は同じ構成部品を示しているので、その説明は省略する。

図１３において、本実施形態になる熱式湿度センサでは、高親水性膜である窒化アルミニウム膜５をパターニングせず、低親水性膜である酸化シリコン膜４の全面に窒化アルミニウム膜５を形成した後、窒化アルミニウム膜５の上面に窒化アルミニウム膜５より親水性の低い低親水性膜１８を形成している。尚、この低親水性膜１８は、図３Ａに示す酸化シリコン膜４と同じ形状とされ、酸化シリコン膜で形成されている。

そして、ヒータ領域１１にはヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈが露出していることから、水滴が付着した場合は、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ上に広がり、水滴の高さを低く抑えることができる。もちろん、左側窒化アルミニウム膜５Ｌと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒも形成されているので、第１の実施形態と同じ作用、効果を奏することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１４Ａ、及び図１４Ｂは第４の実施形態になる熱式湿度センサを示している。ここで、第１の実施形態と同じ参照番号は同じ構成部品を示しているので、その説明は省略する。

図１４Ａ、及び図１４Ｂにおいて、図３Ａに示すヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、本実施形態では、ヒータ１１Ｈとリード線１２の間で分断されており、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕと、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｂは、間隙ＧＢを介して分割されている。そして、ヒータ領域１１はヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕと重ね合されている。

一方、右側窒化アルミニウム膜５Ｒと左側窒化アルミニウム膜５Ｌは、上辺１０４Ｕ、及び下辺１０４Ｂと平行に形成されており、右側窒化アルミニウム膜５Ｒと左側窒化アルミニウム膜５Ｌの延長線は互いに一致する形状とされている。

更に、右側窒化アルミニウム膜５Ｒと左側窒化アルミニウム膜５Ｌの延長線は、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕと直角に交差し、その交差付近にはヒータ領域１１が配置されている。また、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕと右側窒化アルミニウム膜５Ｒ、及び左側窒化アルミニウム膜５Ｌの間には、間隙ＧＲ、ＧＬが形成されている。

このように、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕ、及びヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｂと、右側窒化アルミニウム膜５Ｒと左側窒化アルミニウム膜５Ｌとは、全体的な形状が「十文字」の形状とされている。

したがって、第１の実施形態と同様の理由で、検出部１０４に付着した水滴はヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｂ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒ、及び左側窒化アルミニウム膜５Ｌに分割されて付着し、更にヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｂ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒ、及び左側窒化アルミニウム膜５Ｌの上で広がるので、水滴の高さを低く抑えることができる。

また、本実施形態の特徴として、ヒータ領域１１はヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕで覆われ、これ以外のヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｂ、右側窒化アルミニウム膜５Ｒ、及び左側窒化アルミニウム膜５Ｌは、間隙ＧＢ、ＧＲ、ＧＬが形成されている。

したがって、引張り応力を有する窒化アルミニウム膜を使用すると、ヒータ領域１１を覆うヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ-Ｕにおいては、図１４Ｂに示すように、膜応力によりヒータ領域１１付近が薄膜ダイヤヤフラム部１０の他の領域より上側、つまり凸形状となるように変形する。これによって、付着した水滴はヒータ領域１１から薄膜ダイヤヤフラム部１０の他の領域に移動してヒータ領域１１上の水滴高さは更に低くなり、水滴中の気泡の発生を抑制することができる。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１５Ａ、及び図１５Ｂは第５の実施形態になる熱式湿度センサを示している。ここで、第１の実施形態と同じ参照番号は同じ構成部品を示しているので、その説明は省略する。

図１５Ａ、及び図１５Ｂにおいて、本実施形態における熱式湿度センサでは、図３Ａに示す検出部１０４を９０°回転させた構成とされている。

したがって、検出部１０４の上辺１０４Ｕから下辺１０４Ｂに向かって、上辺１０４Ｕ、及び下辺１０４Ｂと平行に、上側窒化アルミニウム膜５Ｕ、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈ、下側窒化アルミニウム膜５Ｂが形成されている。ここで、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈは、後述するように補助ヒータ１１Ｈ-Ｓが設けられているので、この補助ヒータ１１Ｈ-Ｓを覆うような幅(第１の所定幅)に広く形成されている。尚、第１の実施系阿智と同様に、上側窒化アルミニウム膜５Ｕ、下側窒化アルミニウム膜５Ｂの幅(第３の所定幅)は、窒化アルミニウム膜５Ｈの幅より短く設定されている。

また、上側窒化アルミニウム膜５Ｕとヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈの間、ヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈと下側窒化アルミニウム膜５Ｂの間、及び下側窒化アルミニウム膜５Ｂと下辺１０４Ｂとの間に酸化シリコン膜４が形成されている。

ヒータ領域１１には、主ヒータ１１Ｈ-Ｍと、この主ヒータ１１-Ｍを外側から囲む補助ヒータ１１Ｈ-Ｓが配置されている。主ヒータ１１Ｈ-Ｍと補助ヒータ１１Ｈ-Ｓは、リード配線１２を介して夫々の電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと接続されている。

夫々の電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、下側窒化アルミニウム膜５Ｂと下辺１０４Ｂとの間の酸化シリコン膜４に形成されている。また、この酸化シリコン膜４の幅は、電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが配置されるので、上側の２つの酸化シリコン膜４の幅(第２の所定幅)より広く形成されている。

尚、補助ヒータ１１Ｈ-Ｓは、主ヒータ１１Ｈ-Ｍが周囲の環境に影響されないように配置されている。例えば、主ヒータ１１Ｈ-Ｍは、約５００℃に加熱され、補助ヒータ１１Ｈ-Ｓは、約３００℃に加熱されている。ここで、補助ヒータ１１Ｈ-Ｓの温度が３００℃以下に管理されていれば、湿度検出感度に影響が無いことを確認している。

このように本実施形態における熱式湿度センサでは、補助ヒータ１１Ｈ-Ｓも２００℃以上の温度に加熱されるため、酸化シリコン膜４が露出した領域に補助ヒータ１１Ｈ-Ｓが存在すると、この領域で気泡が発生するおそれがある。このため、本実施形態では、主ヒータ１１Ｈ-Ｍと補助１１Ｈ-Ｓを含むヒータ領域１１を覆うようにヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈを形成することで、ヒータ領域１１のヒータ部窒化アルミニウム膜５Ｈに存在する水滴の高さを低く抑えることができ、気泡の発生を抑制することができる。

以上に説明した実施形態では、熱式センサの一例として、熱式湿度センサを例に説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、熱式流量センサや熱式ガスセンサに代表される他の熱式センサにも適用できる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…半導体基板、２…絶縁膜、３…絶縁膜、４…低親水性膜/酸化シリコン膜、５…高親水性膜/窒化アルミニウム膜、１０…ダイヤフラム、１１Ｈ…ヒータ、１２…リード配線、１３…プラグ、１４ａ、１４ｂ…電極、１５…水滴、１６…支持台、１７…連通孔、１８…低親水性膜/酸化シリコン膜、１１Ｈ-Ｍ…主ヒータ、１１Ｈ-Ｓ…補助ヒータ、１００…センサモジュール、１０１…吸気管、１０２…支持基板、１０３…熱式流量センサ、１０４…熱式湿度センサ、１０５…制御回路部、１０６…コネクタ、１０７…ボディ、１０８…副流路、１０９…空気入れ替え通路、１１０…ワイヤ、１１１…保護剤。

Claims (12)

1. 少なくとも、薄膜ダイヤフラム部と、前記薄膜ダイヤフラム部に配置された発熱抵抗を有する検出部を備え、前記検出部は、平面状の前記薄膜ダイヤフラム部に形成され前記発熱抵抗が配置されたヒータ領域と、前記ヒータ領域を覆う高親水性膜と、前記薄膜ダイヤフラム部に設けられ、前記高親水性膜に隣接した低親水性膜とを備える熱式センサであって、
   前記検出部の形状は、前記薄膜ダイヤフラム部が形成された四角形の形状に形成され、
   前記高親水性膜は、前記四角形の対向する２つの辺に直交するように第１の所定幅を有した長方形の形状に形成され、また前記第１の所定幅の長さは前記ヒータ領域を含む長さに設定されており、
   前記低親水性膜は、前記四角形の対向する前記２つの辺に直交するように第２の所定幅を有した長方形の形状に形成され、また平面視において前記高親水性膜を両側から挟むように並んだ状態で前記薄膜ダイヤフラム部に設けられており、
   更に、前記高親水性膜とは別に前記低親水性膜に隣接して他の高親水性膜が設けられ、前記他の高親水性膜は、前記四角形の対向する前記２つの辺に直交するように第３の所定幅を有した長方形の形状に形成されていることを特徴とする熱式センサ。
2. 請求項１に記載の熱式センサであって、
   前記ヒータ領域を含む前記薄膜ダイヤフラム部の全面は、前記低親水性膜によって覆われると共に、前記ヒータ領域に対応する前記低親水性膜の上面には前記高親水性膜、及び前記他の高親水性膜が形成されていることを特徴とする熱式センサ。
3. 請求項２に記載の熱式センサであって、
   前記高親水性膜、及び前記他の高親水性膜は、前記四角形の対向する前記２つの辺に接続される位置まで延びて形成されていることを特徴とする熱式センサ。
4. 請求項２に記載の熱式センサであって、
   前記低親水性膜は、前記四角形の対向する前記２つの辺に接続される位置まで延びて形成されていることを特徴とする熱式センサ。
5. 請求項４に記載の熱式センサであって、
   前記低親水性膜は、前記薄膜ダイヤフラム部の範囲内に設けられていることを特徴とする熱式センサ。
6. 請求項１に記載の熱式センサであって、
   前記ヒータ領域を覆う前記高親水性膜の前記第１の所定幅は、前記他の高親水性膜の前記第３の所定幅より長いことを特徴とする熱式センサ。
7. 請求項１に記載の熱式センサであって、
   前記高親水性膜の合計総面積は、前記低親水性膜の合計面積より大きいことを特徴とする熱式センサ。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の熱式センサであって、
   前記低親水性膜は、酸化シリコンの絶縁膜から形成されていることを特徴とする熱式センサ。
9. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の熱式センサであって、
   前記高親水性膜は、柱状結晶を有する、窒化アルミニウム、イットリア安定化ジルコニア、酸化ジルコニウム、及び窒化モリブデンから選択された絶縁膜から形成されていることを特徴とする熱式センサ。
10. 請求項２に記載の熱式センサであって、
    前記高親水性膜の膜厚は、５０ｎｍ～１ｎｍの範囲に設定されていることを特徴とする熱式センサ。
11. 請求項２に記載の熱式センサであって、
    前記発熱抵抗に電流を供給する電極は、前記低親水性膜に設けられていることを特徴とする熱式センサ。
12. 内燃機関の燃焼室に空気を供給する吸気通路に設けられ、前記吸気通路を流れる空気の湿度を検出する熱式湿度センサを備えた内燃機関用湿度検出装置であって、
    前記熱式湿度センサは、請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の熱式センサであることを特徴とする内燃機関用湿度検出装置。

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