JP7511509B2

JP7511509B2 - Thermal Flow Sensor

Info

Publication number: JP7511509B2
Application number: JP2021035015A
Authority: JP
Inventors: 真里彦田
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2024-07-05
Anticipated expiration: 2041-03-05

Description

本開示は、熱式流量センサに関する。 This disclosure relates to a thermal flow sensor.

従来から内燃機関の吸入空気量の測定に好適な熱式空気流量センサに関する発明が知られている（下記特許文献１）。特許文献１に記載された熱式空気流量センサは、以下のような構成を備えている（同文献、要約、請求項１等）。 An invention relating to a thermal air flow sensor suitable for measuring the amount of intake air in an internal combustion engine has been known for some time (see Patent Document 1 below). The thermal air flow sensor described in Patent Document 1 has the following configuration (see the document, abstract, claim 1, etc.).

半導体基板に、空洞部と、この空洞部を覆う電気絶縁膜よりなるダイヤフラム部とが形成される。このダイヤフラムに、発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の熱的影響を受ける測温抵抗体と、が形成される。この測温抵抗体は、上記発熱抵抗体を挟んで空気流の上流側と下流側に配置されている。このような構成を備えた熱式空気流量センサは、少なくともその上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づき空気流量を計測する。 A hollow portion and a diaphragm portion made of an electrical insulating film that covers the hollow portion are formed on a semiconductor substrate. A heating resistor and a resistance temperature detector that is thermally affected by the heating resistor are formed on the diaphragm. The resistance temperature detectors are arranged on the upstream and downstream sides of the air flow, sandwiching the heating resistor. A thermal air flow sensor with this configuration measures the air flow rate based on at least the temperature difference between the upstream and downstream resistance temperature detectors.

この従来の熱式空気流量センサは、さらに、次のような構成を備えることを特徴としている。上記ダイヤフラムは、空気流れ方向の幅（Ｗ）が０．７ｍｍ以下で、上記発熱抵抗体は、空気流れ方向の幅（Ｗｈ）が０．１ｍｍ以上で、かつ、上記上流側と下流側の各測温抵抗体は、空気流れ方向の敷設幅（Ｗｓ）が０．１～０．２ｍｍの範囲で構成されている。 This conventional thermal air flow sensor is further characterized by the following configuration: the diaphragm has a width (W) in the air flow direction of 0.7 mm or less, the heating resistor has a width (Wh) in the air flow direction of 0.1 mm or more, and each of the upstream and downstream temperature measuring resistors has a laying width (Ws) in the air flow direction in the range of 0.1 to 0.2 mm.

この従来の熱式空気流量センサは、半導体基板の空洞を電気絶縁膜により全面を一様に覆う構成にし、かつ、ダイヤフラム、発熱抵抗体および上下流の測温抵抗体の配置を最適な構造にしている。これにより、計測流速範囲（ダイナミックレンジ）が広く、高速応答かつ信頼性の高い温度差方式の熱式空気流量計を実現でき、特に内燃機関用に好適な熱式空気流量センサを提供することができる（同文献、第００８５段落）。 This conventional thermal air flow sensor is configured so that the cavity in the semiconductor substrate is uniformly covered over the entire surface with an electrical insulating film, and the diaphragm, heating resistor, and upstream and downstream resistance temperature detectors are optimally positioned. This makes it possible to realize a thermal air flow meter using a temperature difference method that has a wide measurement range (dynamic range) of flow velocity, a fast response, and high reliability, and to provide a thermal air flow sensor that is particularly suitable for internal combustion engines (ibid., paragraph 0085).

特開２００２－４８６１６号公報JP 2002-48616 A

たとえば、アトキンソンサイクルやミラーサイクルの内燃機関における吸入空気の脈動など、従来よりも複雑化した気体の流れをより正確に検出するために、熱式流量センサのさらなる高速応答化が求められている。熱式流量センサの高速応答化には、センシング素子の小型化が有効である。しかしながら、センシング素子の小型化は、熱式流量センサの検出精度の低下や耐汚損性の低下の要因となり得る。 For example, in order to more accurately detect gas flows that are more complex than ever before, such as the pulsation of intake air in Atkinson cycle or Miller cycle internal combustion engines, there is a demand for faster response in thermal flow sensors. Reducing the size of the sensing element is an effective way to increase the speed of response in thermal flow sensors. However, reducing the size of the sensing element can lead to reduced detection accuracy and reduced resistance to contamination of the thermal flow sensor.

本開示は、検出精度や耐汚損性を低下させることなく、さらなる高速応答化を実現可能な熱式流量センサを提供する。 This disclosure provides a thermal flow sensor that can achieve faster response without compromising detection accuracy or resistance to contamination.

本開示の一態様は、半導体基板と、該半導体基板の表面に積層された絶縁膜と、該絶縁膜によって構成されて前記半導体基板に設けられた空洞部に臨むダイヤフラムと、該ダイヤフラムに設けられた発熱抵抗体と、前記ダイヤフラムに沿う被計測気体の流れ方向において前記発熱抵抗体の両側に配置された一対の温度検出素子と、を備えた熱式流量センサであって、前記発熱抵抗体の端部と前記ダイヤフラムの外縁との間に設けられ、前記発熱抵抗体の前記端部から前記ダイヤフラムの前記外縁へ向かう放熱方向の熱伝導により、前記ダイヤフラムの熱を前記半導体基板へ放熱する放熱部を備え、前記放熱部の前記放熱方向の熱抵抗は、前記発熱抵抗体の前記放熱方向の熱抵抗よりも低いことを特徴とする、熱式流量センサである。 One aspect of the present disclosure is a thermal flow sensor including a semiconductor substrate, an insulating film laminated on the surface of the semiconductor substrate, a diaphragm formed by the insulating film and facing a cavity provided in the semiconductor substrate, a heating resistor provided on the diaphragm, and a pair of temperature detection elements arranged on both sides of the heating resistor in the flow direction of the gas to be measured along the diaphragm, the thermal flow sensor including a heat dissipation section provided between an end of the heating resistor and an outer edge of the diaphragm, which dissipates heat of the diaphragm to the semiconductor substrate by thermal conduction in the heat dissipation direction from the end of the heating resistor to the outer edge of the diaphragm, and the thermal resistance of the heat dissipation section in the heat dissipation direction is lower than the thermal resistance of the heating resistor in the heat dissipation direction.

本開示の上記一態様によれば、検出精度や耐汚損性を低下させることなく、さらなる高速応答化を実現可能な熱式流量センサを提供することができる。 According to the above aspect of the present disclosure, it is possible to provide a thermal flow sensor that can achieve even faster response without compromising detection accuracy or resistance to contamination.

本開示に係る熱式流量センサの実施形態１を示す平面図。1 is a plan view showing a first embodiment of a thermal type flow sensor according to the present disclosure. 図１のII－II線に沿う熱式流量センサの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of the thermal flow sensor taken along line II-II in FIG. 図１のIII－III線に沿う熱式流量センサの断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of the thermal flow sensor taken along line III-III in FIG. 本開示に係る熱式流量センサの実施形態２を示す図３に対応する断面図。4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 and showing a thermal flow sensor according to a second embodiment of the present disclosure. 本開示に係る熱式流量センサの実施形態３を示す図１に対応する平面図。FIG. 11 is a plan view corresponding to FIG. 1 and showing a thermal flow sensor according to a third embodiment of the present disclosure.

以下、図面を参照して本開示に係る熱式流量センサの実施形態を説明する。 Below, an embodiment of a thermal flow sensor according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.

（実施形態１）
図１は、本開示に係る熱式流量センサの実施形態１を示す平面図である。図２は、図１のII－II線に沿う熱式流量センサ１の断面図である。図３は、図１のIII－III線に沿う熱式流量センサ１の断面図である。なお、図１では、図２および図３に示す第２の絶縁膜１２２を除去した状態を示している。また、図１では、熱式流量センサ１の構成の理解を容易にするために、配線等の表面にハッチングを施している。 (Embodiment 1)
Fig. 1 is a plan view showing a first embodiment of a thermal flow sensor according to the present disclosure. Fig. 2 is a cross-sectional view of the thermal flow sensor 1 taken along line II-II in Fig. 1. Fig. 3 is a cross-sectional view of the thermal flow sensor 1 taken along line III-III in Fig. 1. Note that Fig. 1 shows a state in which the second insulating film 122 shown in Figs. 2 and 3 has been removed. Also, in Fig. 1, the surfaces of the wiring and the like are hatched to facilitate understanding of the configuration of the thermal flow sensor 1.

本実施形態の熱式流量センサ１は、たとえば、気体の流量を検出する。より具体的には、熱式流量センサ１は、たとえば、内燃エンジン車の吸気通路に設置される物理量検出装置に組み込まれる。物理量検出装置は、たとえば、主通路としての吸気通路を流れる吸入空気の一部を取り込んで迂回させる副通路を備え、その副通路に取り込んだ空気の温度、圧力、湿度、流量などの物理量を検出する。熱式流量センサ１は、たとえば、物理量検出装置の副通路に設置され、その副通路を流れる空気の流量を検出する。 The thermal flow sensor 1 of this embodiment detects, for example, the flow rate of a gas. More specifically, the thermal flow sensor 1 is incorporated into a physical quantity detection device that is installed, for example, in the intake passage of an internal combustion engine vehicle. The physical quantity detection device has, for example, a secondary passage that takes in and diverts a portion of the intake air flowing through the intake passage serving as the main passage, and detects physical quantities such as the temperature, pressure, humidity, and flow rate of the air taken in through the secondary passage. The thermal flow sensor 1 is installed, for example, in the secondary passage of the physical quantity detection device, and detects the flow rate of air flowing through the secondary passage.

熱式流量センサ１は、たとえば、半導体基板１１と、絶縁膜１２と、ダイヤフラム１３と、発熱抵抗体１４と、一対の温度検出素子１５と、を備えている。また、熱式流量センサは、たとえば、さらに一対の温度検出素子１６と、複数の引出配線１７と、複数のボンディングパッド１８と、を備えている。本実施形態の熱式流量センサ１は、特に、後述する放熱部１９を備えることを最大の特徴としている。 The thermal flow sensor 1 includes, for example, a semiconductor substrate 11, an insulating film 12, a diaphragm 13, a heating resistor 14, and a pair of temperature detection elements 15. The thermal flow sensor also includes, for example, a pair of temperature detection elements 16, a plurality of lead wires 17, and a plurality of bonding pads 18. The thermal flow sensor 1 of this embodiment is most notably characterized by including a heat dissipation section 19, which will be described later.

半導体基板１１は、たとえば、単結晶ケイ素（Ｓｉ）などの半導体を素材とする基板である。半導体基板１１は、たとえば、空洞部１１１が設けられている。空洞部１１１は、たとえば、半導体基板１１をウェットエッチングやドライエッチングによって加工することで、ダイヤフラム１３に対応する位置に設けられている。空洞部１１１は、たとえば、半導体基板１１を貫通しており、半導体基板１１の表面側の開口部が絶縁膜１２によって閉鎖され、半導体基板１１の裏面側の開口部が開放され、凹状の空間を形成している。 The semiconductor substrate 11 is a substrate made of a semiconductor material such as single crystal silicon (Si). The semiconductor substrate 11 is provided with, for example, a cavity 111. The cavity 11 is provided at a position corresponding to the diaphragm 13 by processing the semiconductor substrate 11 by wet etching or dry etching, for example. The cavity 11 penetrates, for example, the semiconductor substrate 11, and the opening on the front side of the semiconductor substrate 11 is closed by the insulating film 12, while the opening on the back side of the semiconductor substrate 11 is open, forming a concave space.

空洞部１１１は、たとえば、空洞部１１１の周囲を囲む内壁１１２によって画定されている。空洞部１１１は、たとえば、図１に示すように、半導体基板１１の表面に垂直な方向から見て、ダイヤフラム１３と同様に、矩形の平面形状を有している。より具体的には、空洞部１１１の平面形状は、たとえば長方形であり、その長方形の長手方向は、被計測気体の流れ方向Ｆにおおむね平行である。 The cavity 111 is defined, for example, by an inner wall 112 that surrounds the periphery of the cavity 111. As shown in FIG. 1, the cavity 111 has a rectangular planar shape, similar to the diaphragm 13, when viewed from a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11. More specifically, the planar shape of the cavity 111 is, for example, rectangular, and the longitudinal direction of the rectangle is approximately parallel to the flow direction F of the gas to be measured.

絶縁膜１２は、たとえば、半導体基板１１の表面に積層されている。絶縁膜１２は、たとえば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｘ）などの複数の絶縁膜１２１，１２２を含む多層構造を有している。図２に示す例において、第１の絶縁膜１２１は、半導体基板１１の表面に積層され、第２の絶縁膜１２２は、第１の絶縁膜１２１の表面に積層され、第１の絶縁膜１２１の表面に形成された発熱抵抗体１４および温度検出素子１５，１６を覆っている。 The insulating film 12 is laminated, for example, on the surface of the semiconductor substrate 11. The insulating film 12 has a multi-layer structure including a plurality of insulating films 121, 122 made of, for example, silicon dioxide (SiO ₂ ) or silicon nitride (Si _x N _x ). In the example shown in Fig. 2, the first insulating film 121 is laminated on the surface of the semiconductor substrate 11, and the second insulating film 122 is laminated on the surface of the first insulating film 121 and covers the heating resistor 14 and the temperature detection elements 15, 16 formed on the surface of the first insulating film 121.

ダイヤフラム１３は、絶縁膜１２によって構成され、半導体基板１１に設けられた空洞部１１１に臨んでいる。すなわち、ダイヤフラム１３は、半導体基板１１を貫通する空洞部１１１の一端を閉鎖する薄膜状の絶縁膜１２によって構成されている。ダイヤフラム１３の外縁１３１は、たとえば、図１から図３において破線で示すように、半導体基板１１の表面に開口する空洞部１１１の一方の開口の縁に一致している。ダイヤフラム１３は、たとえば、図１に示すように、空洞部１１１と同様に、矩形の平面形状を有している。より具体的には、ダイヤフラム１３は、被計測気体の流れ方向Ｆを長手方向とする長方形の平面形状を有している。 The diaphragm 13 is made of an insulating film 12 and faces a cavity 111 provided in the semiconductor substrate 11. That is, the diaphragm 13 is made of a thin insulating film 12 that closes one end of the cavity 111 that penetrates the semiconductor substrate 11. The outer edge 131 of the diaphragm 13 coincides with the edge of one opening of the cavity 111 that opens into the surface of the semiconductor substrate 11, for example, as shown by the dashed line in Figures 1 to 3. The diaphragm 13 has a rectangular planar shape, similar to the cavity 111, as shown in Figure 1, for example. More specifically, the diaphragm 13 has a rectangular planar shape with the flow direction F of the gas to be measured as the longitudinal direction.

被計測気体の流れ方向Ｆにおけるダイヤフラム１３の寸法は、熱式流量センサ１の耐汚損性向上および応答性向上の観点から、たとえば、４００［μｍ］以上かつ６００［μｍ］以下の範囲で選択することができる。この場合、被計測気体の流れ方向Ｆおよび半導体基板１１の法線方向Ｄｎに直交し、流れ方向Ｆを横断する方向におけるダイヤフラム１３の短手方向の寸法は、たとえば、３５０［μｍ］以上かつ６００［μｍ］以下とすることができる。 The dimension of the diaphragm 13 in the flow direction F of the gas to be measured can be selected, for example, in the range of 400 μm or more and 600 μm or less from the viewpoint of improving the contamination resistance and responsiveness of the thermal flow sensor 1. In this case, the short-side dimension of the diaphragm 13 in a direction perpendicular to the flow direction F of the gas to be measured and the normal direction Dn of the semiconductor substrate 11 and transverse to the flow direction F can be, for example, 350 μm or more and 600 μm or less.

発熱抵抗体１４は、ダイヤフラム１３に設けられている。発熱抵抗体１４は、たとえば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、またはタングステン（Ｗ）などの金属材料、もしくは、シリコンまたはポリシリコンなどの半導体材料によって形成されている。発熱抵抗体１４は、たとえば、絶縁膜１２を構成する第１の絶縁膜１２１の表面に前述の材料をスパッタリングによって成膜することで形成することができる。 The heating resistor 14 is provided on the diaphragm 13. The heating resistor 14 is formed, for example, from a metal material such as molybdenum (Mo), platinum (Pt), titanium (Ti), or tungsten (W), or a semiconductor material such as silicon or polysilicon. The heating resistor 14 can be formed, for example, by forming a film of the aforementioned material by sputtering on the surface of the first insulating film 121 that constitutes the insulating film 12.

発熱抵抗体１４の厚みＴ１４は、たとえば、１００［ｎｍ］以上かつ２００［ｎｍ］以下の範囲で選択することができる。また、被計測気体の流れ方向Ｆにおける発熱抵抗体１４の幅Ｗ１４は、たとえば、消費電力抑制の観点から、１００［μｍ］程度に設定することができる。発熱抵抗体１４は、たとえば、第１の絶縁膜１２１の表面に形成された第２の絶縁膜１２２によって覆われている。 The thickness T14 of the heating resistor 14 can be selected, for example, in the range of 100 nm or more and 200 nm or less. The width W14 of the heating resistor 14 in the flow direction F of the measured gas can be set, for example, to about 100 μm from the viewpoint of reducing power consumption. The heating resistor 14 is covered, for example, by a second insulating film 122 formed on the surface of the first insulating film 121.

図１に示す例において、発熱抵抗体１４は、たとえば、半導体基板１１の表面に平行で、被計測気体の流れ方向Ｆに直交するダイヤフラム１３の短手方向に直線状に延びている。また、図１に示す例では、被計測気体の流れ方向Ｆにおけるダイヤフラム１３の中央部に、その流れ方向Ｆに間隔をあけて隣り合う互いに平行な二つの発熱抵抗体１４が設けられている。ダイヤフラム１３の短手方向、すなわち、発熱抵抗体１４の延在方向における発熱抵抗体１４の一端と他端は、それぞれダイヤフラム１３の外縁１３１の内側に位置し、放熱部１９を介して引出配線１７に接続されている。 1, the heating resistor 14 is, for example, parallel to the surface of the semiconductor substrate 11 and extends linearly in the short side direction of the diaphragm 13 perpendicular to the flow direction F of the measured gas. Also, in the example shown in FIG. 1, two heating resistors 14 are provided in the center of the diaphragm 13 in the flow direction F of the measured gas, adjacent to each other and spaced apart in the flow direction F. One end and the other end of the heating resistor 14 in the short side direction of the diaphragm 13, i.e., in the extension direction of the heating resistor 14, are located inside the outer edge 131 of the diaphragm 13, and are connected to the lead-out wiring 17 via the heat dissipation section 19.

一対の温度検出素子１５は、ダイヤフラム１３に沿う被計測気体の流れ方向Ｆにおいて、発熱抵抗体１４の両側に配置されている。より具体的には、一対の温度検出素子１５は、たとえば、被計測気体の流れ方向Ｆの上流側に配置された第１の温度検出素子１５１と、その流れ方向Ｆの下流側に配置された第２の温度検出素子１５２とを含む。一対の温度検出素子１５は、たとえば、発熱抵抗体１４と同様の金属材料により、発熱抵抗体１４と同様の方法によって、ダイヤフラム１３に設けられている。 The pair of temperature detection elements 15 are arranged on both sides of the heating resistor 14 in the flow direction F of the gas to be measured along the diaphragm 13. More specifically, the pair of temperature detection elements 15 includes, for example, a first temperature detection element 151 arranged upstream of the flow direction F of the gas to be measured, and a second temperature detection element 152 arranged downstream of the flow direction F. The pair of temperature detection elements 15 are provided on the diaphragm 13, for example, by the same metal material as the heating resistor 14 and by the same method as the heating resistor 14.

もう一対の温度検出素子１６も、一対の温度検出素子１５と同様に、ダイヤフラム１３に沿う被計測気体の流れ方向Ｆにおいて、発熱抵抗体１４の両側に配置されている。より具体的には、一対の温度検出素子１６は、たとえば、被計測気体の流れ方向Ｆの上流側に配置された第１の温度検出素子１６１と、その流れ方向Ｆの下流側に配置された第２の温度検出素子１６２とを含む。一対の温度検出素子１６は、たとえば、一対の温度検出素子１５と同様の方法によって、ダイヤフラム１３に設けられている。 The other pair of temperature detection elements 16, like the pair of temperature detection elements 15, are arranged on both sides of the heating resistor 14 in the flow direction F of the gas to be measured along the diaphragm 13. More specifically, the pair of temperature detection elements 16 includes, for example, a first temperature detection element 161 arranged upstream of the flow direction F of the gas to be measured, and a second temperature detection element 162 arranged downstream of the flow direction F. The pair of temperature detection elements 16 are provided on the diaphragm 13, for example, by a method similar to that of the pair of temperature detection elements 15.

各々の温度検出素子１５，１６として感温抵抗体を用いる場合には、各々の温度検出素子１５，１６を、たとえば、次のように接続することができる。まず、一対の温度検出素子１５において、被計測気体の流れ方向Ｆの上流側に配置した第１の温度検出素子１５１と、その流れ方向Ｆの下流側に配置した第２の温度検出素子１５２とを直列に接続する。そして、第１の温度検出素子１５１と第２の温度検出素子１５２の抵抗分圧による中間電位を測定することで、第１の温度検出素子１５１と第２の温度検出素子１５２との間の温度差を検出することができる。 When a temperature-sensitive resistor is used as each of the temperature detection elements 15, 16, the temperature detection elements 15, 16 can be connected, for example, as follows. First, in a pair of temperature detection elements 15, a first temperature detection element 151 arranged upstream of the flow direction F of the gas to be measured is connected in series with a second temperature detection element 152 arranged downstream of the flow direction F. Then, by measuring the intermediate potential due to the resistive voltage division of the first temperature detection element 151 and the second temperature detection element 152, the temperature difference between the first temperature detection element 151 and the second temperature detection element 152 can be detected.

さらに、上記一対の温度検出素子１５の電気的接続と反対になるように、もう一対の温度検出素子１６において、第１の温度検出素子１６１と、第２の温度検出素子１６２とを直列に接続する。さらに、これら一対の温度検出素子１５と一対の温度検出素子１６とによって、ブリッジ回路を構成する。このとき、被計測気体の流れによって生じる流れ方向Ｆの上流側と下流側との温度差によって、一対の温度検出素子１５の中間電位と、一対の温度検出素子１６の中間電位とが電気的に反対方向に変化するように、一対の温度検出素子１５と一対の温度検出素子１６とを接続する。 Furthermore, in another pair of temperature detection elements 16, the first temperature detection element 161 and the second temperature detection element 162 are connected in series so that the electrical connection is opposite to that of the pair of temperature detection elements 15. Furthermore, a bridge circuit is formed by this pair of temperature detection elements 15 and the pair of temperature detection elements 16. At this time, the pair of temperature detection elements 15 and the pair of temperature detection elements 16 are connected so that the intermediate potential of the pair of temperature detection elements 15 and the intermediate potential of the pair of temperature detection elements 16 change electrically in opposite directions due to the temperature difference between the upstream and downstream sides of the flow direction F caused by the flow of the gas to be measured.

このように、二組の温度検出素子１５，１６を使用したブリッジ回路の差電圧を検出することで、一対の温度検出素子１５のみを使用する場合と比較して、被計測気体の流れ方向Ｆにおける発熱抵抗体１４の上流側と下流側の温度差による電圧変化が２倍になる。これにより、二組の温度検出素子１５，１６を含むブリッジ回路によって、被計測気体の流れ方向Ｆにおける発熱抵抗体１４の上流側と下流側の温度差に応じた被計測気体の流量を検出することができる。 In this way, by detecting the difference voltage of the bridge circuit using two sets of temperature detection elements 15, 16, the voltage change due to the temperature difference between the upstream and downstream sides of the heating resistor 14 in the flow direction F of the measured gas is doubled compared to when only a pair of temperature detection elements 15 are used. As a result, the bridge circuit including two sets of temperature detection elements 15, 16 can detect the flow rate of the measured gas according to the temperature difference between the upstream and downstream sides of the heating resistor 14 in the flow direction F of the measured gas.

また、各々の温度検出素子１５，１６として熱電対を用いることもできる。この場合、熱電対の温接点を発熱抵抗体１４の上流側と下流側にそれぞれ設ける。また、熱電対の冷接点は、ダイヤフラム１３の外側の半導体基板１１上に設ける。熱電対は、温接点と冷接点の温度差に依存する起電力を発生するため、冷接点の温度を基準にした温度差に応じた電圧が出力される。そのため、被計測気体の流れ方向Ｆの上流側に配置した熱電対の起電力と、その流れ方向Ｆの下流側に配置した熱電対の起電力との差分を計算することで、上流側と下流側の温度差に応じた被計測気体の流量を検出することができる。 Thermocouples can also be used as the temperature detection elements 15, 16. In this case, the hot junctions of the thermocouples are provided on the upstream and downstream sides of the heating resistor 14, respectively. The cold junctions of the thermocouples are provided on the semiconductor substrate 11 outside the diaphragm 13. The thermocouple generates an electromotive force that depends on the temperature difference between the hot junction and the cold junction, so a voltage corresponding to the temperature difference based on the temperature of the cold junction is output. Therefore, by calculating the difference between the electromotive force of the thermocouple placed upstream of the flow direction F of the gas to be measured and the electromotive force of the thermocouple placed downstream of the flow direction F, the flow rate of the gas to be measured according to the temperature difference between the upstream and downstream sides can be detected.

複数の引出配線１７は、たとえば、ダイヤフラム１３に設けられた発熱抵抗体１４、一対の温度検出素子１５、および一対の温度検出素子１６と、複数のボンディングパッド１８とを接続している。より具体的には、複数の引出配線１７は、たとえば、引出配線１７ａ～１７ｊ，１７ｕを含み、複数のボンディングパッド１８は、たとえば、ボンディングパッド１８ａ～１８ｊを含む。 The multiple outgoing wirings 17 connect, for example, the heating resistor 14, the pair of temperature detection elements 15, and the pair of temperature detection elements 16 provided on the diaphragm 13 to the multiple bonding pads 18. More specifically, the multiple outgoing wirings 17 include, for example, outgoing wirings 17a to 17j, 17u, and the multiple bonding pads 18 include, for example, bonding pads 18a to 18j.

引出配線１７ａの一端は、ボンディングパッド１８ａに接続され、引出配線１７ａの他端は、放熱部１９を介して一方の発熱抵抗体１４の一端に接続されている。引出配線１７ｕの一端は、放熱部１９を介して一方の発熱抵抗体１４の他端に接続され、引出配線１７ｕの他端は、他方の発熱抵抗体１４の一端に接続されている。引出配線１７ｂの一端は、放熱部１９を介して他方の発熱抵抗体１４の他端に接続され、引出配線１７ｂの他端は、ボンディングパッド１８ｂに接続されている。 One end of the lead-out wiring 17a is connected to the bonding pad 18a, and the other end of the lead-out wiring 17a is connected to one end of one of the heating resistors 14 via the heat dissipation section 19. One end of the lead-out wiring 17u is connected to the other end of one of the heating resistors 14 via the heat dissipation section 19, and the other end of the lead-out wiring 17u is connected to one end of the other heating resistor 14. One end of the lead-out wiring 17b is connected to the other end of the other heating resistor 14 via the heat dissipation section 19, and the other end of the lead-out wiring 17b is connected to the bonding pad 18b.

引出配線１７ｃの一端は、ボンディングパッド１８ｃに接続され、引出配線１７ｃの他端は、一対の温度検出素子１５の第１の温度検出素子１５１の一端に接続されている。引出配線１７ｄの一端は、その第１の温度検出素子１５１の他端に接続され、引出配線１７ｄの他端は、ボンディングパッド１８ｄに接続されている。 One end of the lead-out wiring 17c is connected to the bonding pad 18c, and the other end of the lead-out wiring 17c is connected to one end of the first temperature detection element 151 of the pair of temperature detection elements 15. One end of the lead-out wiring 17d is connected to the other end of the first temperature detection element 151, and the other end of the lead-out wiring 17d is connected to the bonding pad 18d.

引出配線１７ｅの一端は、ボンディングパッド１８ｅに接続され、引出配線１７ｅの他端は、一対の温度検出素子１６の第１の温度検出素子１６１の一端に接続されている。引出配線１７ｆの一端は、その第１の温度検出素子１６１の他端に接続され、引出配線１７ｆの他端は、ボンディングパッド１８ｆに接続されている。 One end of the lead-out wiring 17e is connected to the bonding pad 18e, and the other end of the lead-out wiring 17e is connected to one end of the first temperature detection element 161 of the pair of temperature detection elements 16. One end of the lead-out wiring 17f is connected to the other end of the first temperature detection element 161, and the other end of the lead-out wiring 17f is connected to the bonding pad 18f.

引出配線１７ｇの一端は、ボンディングパッド１８ｇに接続され、引出配線１７ｇの他端は、一対の温度検出素子１５の第２の温度検出素子１５２の一端に接続されている。引出配線１７ｈの一端は、その第２の温度検出素子１５２の他端に接続され、引出配線１７ｈの他端は、ボンディングパッド１８ｈに接続されている。 One end of the lead-out wiring 17g is connected to the bonding pad 18g, and the other end of the lead-out wiring 17g is connected to one end of the second temperature detection element 152 of the pair of temperature detection elements 15. One end of the lead-out wiring 17h is connected to the other end of the second temperature detection element 152, and the other end of the lead-out wiring 17h is connected to the bonding pad 18h.

引出配線１７ｉの一端は、ボンディングパッド１８ｉに接続され、引出配線１７ｉの他端は、一対の温度検出素子１６の第２の温度検出素子１６２の一端に接続されている。引出配線１７ｊの一端は、その第２の温度検出素子１６２の他端に接続され、引出配線１７ｊの他端は、ボンディングパッド１８ｊに接続されている。 One end of the lead-out wiring 17i is connected to the bonding pad 18i, and the other end of the lead-out wiring 17i is connected to one end of the second temperature detection element 162 of the pair of temperature detection elements 16. One end of the lead-out wiring 17j is connected to the other end of the second temperature detection element 162, and the other end of the lead-out wiring 17j is connected to the bonding pad 18j.

放熱部１９は、発熱抵抗体１４の端部と、ダイヤフラム１３の外縁１３１との間に設けられ、発熱抵抗体１４の端部からダイヤフラム１３の外縁１３１へ向かう放熱方向Ｄｈの熱伝導により、ダイヤフラム１３の熱を半導体基板１１へ放熱する。放熱部１９の放熱方向Ｄｈの熱抵抗は、発熱抵抗体１４の放熱方向Ｄｈの熱抵抗よりも低い。図３に示す例において、放熱部１９は、引出配線１７によって構成され、半導体基板１１の表面に直交する法線方向Ｄｎの厚みＴ１９が、発熱抵抗体１４の法線方向Ｄｎの厚みＴ１４よりも厚くされている。 The heat dissipation section 19 is provided between the end of the heating resistor 14 and the outer edge 131 of the diaphragm 13, and dissipates heat from the diaphragm 13 to the semiconductor substrate 11 by thermal conduction in the heat dissipation direction Dh from the end of the heating resistor 14 to the outer edge 131 of the diaphragm 13. The thermal resistance of the heat dissipation section 19 in the heat dissipation direction Dh is lower than the thermal resistance of the heating resistor 14 in the heat dissipation direction Dh. In the example shown in FIG. 3, the heat dissipation section 19 is formed by the lead-out wiring 17, and the thickness T19 in the normal direction Dn perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 is made thicker than the thickness T14 of the heating resistor 14 in the normal direction Dn.

図３に示す例において、発熱抵抗体１４、引出配線１７、および放熱部１９は、たとえば、モリブデン（Ｍｏ）をスパッタリングにより厚みＴ１９で成膜し、発熱抵抗体１４の部分を選択的に厚みＴ１４になるまでエッチングすることで設けられている。放熱部１９および発熱抵抗体１４の熱抵抗Ｒｃは、たとえば、放熱方向Ｄｈの熱伝導による熱流路の長さをＬ、その熱流路の断面積をＡ、放熱部１９および発熱抵抗体１４の材料の熱伝導率をλとして、以下の式（１）によって表すことができる。 3, the heating resistor 14, the lead wiring 17, and the heat dissipation section 19 are provided by, for example, forming a film of molybdenum (Mo) to a thickness T19 by sputtering, and selectively etching the portion of the heating resistor 14 to a thickness T14. The thermal resistance Rc of the heat dissipation section 19 and the heating resistor 14 can be expressed by the following formula (1), for example, where L is the length of the heat flow path due to heat conduction in the heat dissipation direction Dh, A is the cross-sectional area of the heat flow path, and λ is the thermal conductivity of the material of the heat dissipation section 19 and the heating resistor 14.

Ｒｃ＝Ｌ／（Ａ・λ）・・・（１） Rc = L / (A λ) ... (1)

本実施形態において、発熱抵抗体１４、引出配線１７、および放熱部１９は、図１に示すように、放熱方向Ｄｈに直交する被計測気体の流れ方向Ｆと平行な横断方向の幅Ｗ１４，Ｗ１７，Ｗ１９が等しくなっている。そのため、放熱部１９の厚みＴ１９が発熱抵抗体１４の厚みＴ１４よりも厚ければ、放熱部１９の断面積Ａは、発熱抵抗体１４の断面積Ａよりも大きくなる。また、放熱部１９と発熱抵抗体１４の材料が同一であれば、熱伝導率λは等しい。したがって、発熱抵抗体１４の端部からダイヤフラム１３の外縁１３１までの放熱方向Ｄｈの長さをＬとすると、上記式（１）に示すように、この長さＬの放熱部１９の熱抵抗Ｒｃは、同じ長さＬの発熱抵抗体１４の熱抵抗Ｒｃよりも低くなる。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, the heating resistor 14, the lead wire 17, and the heat dissipation section 19 have the same widths W14, W17, and W19 in the transverse direction parallel to the flow direction F of the gas to be measured, which is perpendicular to the heat dissipation direction Dh. Therefore, if the thickness T19 of the heat dissipation section 19 is thicker than the thickness T14 of the heating resistor 14, the cross-sectional area A of the heat dissipation section 19 is larger than the cross-sectional area A of the heating resistor 14. In addition, if the heat dissipation section 19 and the heating resistor 14 are made of the same material, the thermal conductivity λ is the same. Therefore, if the length in the heat dissipation direction Dh from the end of the heating resistor 14 to the outer edge 131 of the diaphragm 13 is L, as shown in the above formula (1), the thermal resistance Rc of the heat dissipation section 19 with this length L is lower than the thermal resistance Rc of the heating resistor 14 with the same length L.

引出配線１７および放熱部１９の厚みＴ１９は、たとえば、２００［ｎｍ］以上かつ９００［ｎｍ］以下の範囲で選択することができる。また、放熱性確保と生産性向上の観点から、引出配線１７および放熱部１９の厚みＴ１９は、たとえば、４００［ｎｍ］以上かつ６００［ｎｍ］以下の範囲で選択することができ、より具体的には、たとえば、５００［ｎｍ］程度に設定することができる。このような構成により、引出配線１７および放熱部１９を覆う絶縁膜１２２の表面の凹凸を低減することができ、熱式流量センサ１の生産性を向上させることができる。 The thickness T19 of the lead-out wiring 17 and the heat dissipation section 19 can be selected, for example, in the range of 200 nm or more and 900 nm or less. From the viewpoint of ensuring heat dissipation and improving productivity, the thickness T19 of the lead-out wiring 17 and the heat dissipation section 19 can be selected, for example, in the range of 400 nm or more and 600 nm or less, and more specifically, can be set to, for example, about 500 nm. With this configuration, it is possible to reduce the unevenness of the surface of the insulating film 122 covering the lead-out wiring 17 and the heat dissipation section 19, and to improve the productivity of the thermal flow sensor 1.

以下、本実施形態の熱式流量センサ１の作用を説明する。 The operation of the thermal flow sensor 1 of this embodiment is described below.

熱式流量センサ１は、ボンディングパッド１８ａ，１８ｂ、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂを介して発熱抵抗体１４に電力が供給されることで、発熱抵抗体１４が発熱し、ダイヤフラム１３が加熱される。ダイヤフラム１３の外縁１３１は、たとえば、ダイヤフラム１３を構成する絶縁膜１２と比較して熱伝導率が高い単結晶シリコンなどの半導体によって形成された半導体基板１１に接続されている。 In the thermal flow sensor 1, power is supplied to the heating resistor 14 via the bonding pads 18a, 18b and the lead wires 17a, 17u, 17b, causing the heating resistor 14 to generate heat, heating the diaphragm 13. The outer edge 131 of the diaphragm 13 is connected to a semiconductor substrate 11 formed of a semiconductor such as single crystal silicon that has a higher thermal conductivity than the insulating film 12 that constitutes the diaphragm 13.

そのため、ダイヤフラム１３には、発熱抵抗体１４からダイヤフラム１３の外縁１３１へ向けて温度勾配が生じる。また、ダイヤフラム１３は、その表面に接する気体に対しても、熱伝達によって放熱する。ダイヤフラム１３に沿う被計測気体の流れがない状態では、ダイヤフラム１３における熱伝導と、ダイヤフラム１３に接する気体への自然対流による放熱により、ダイヤフラム１３に温度分布が生じる。 As a result, a temperature gradient occurs in the diaphragm 13 from the heating resistor 14 toward the outer edge 131 of the diaphragm 13. The diaphragm 13 also dissipates heat to the gas in contact with its surface by heat transfer. In a state in which there is no flow of the gas to be measured along the diaphragm 13, a temperature distribution occurs in the diaphragm 13 due to heat conduction in the diaphragm 13 and heat dissipation by natural convection to the gas in contact with the diaphragm 13.

一方、ダイヤフラム１３に沿って被計測気体が流れ方向Ｆに流れると、ダイヤフラム１３に強制対流による放熱が生じることで、自然対流による放熱よりもダイヤフラム１３の放熱量が増加する。すると、被計測気体の流れ方向Ｆにおいて、発熱抵抗体１４の上流側のダイヤフラム１３の温度は、被計測気体の流れがない場合よりも低下する。一方、発熱抵抗体１４の下流側のダイヤフラム１３の温度は、発熱抵抗体１４によって加熱された被計測気体が流れ方向Ｆに流れることで、被計測気体の流れがない場合よりも上昇する。 On the other hand, when the measured gas flows along the diaphragm 13 in the flow direction F, heat dissipation occurs in the diaphragm 13 due to forced convection, and the amount of heat dissipation from the diaphragm 13 increases compared to heat dissipation due to natural convection. Then, in the flow direction F of the measured gas, the temperature of the diaphragm 13 on the upstream side of the heating resistor 14 decreases compared to when there is no flow of the measured gas. On the other hand, the temperature of the diaphragm 13 on the downstream side of the heating resistor 14 increases compared to when there is no flow of the measured gas, as the measured gas heated by the heating resistor 14 flows in the flow direction F.

この被計測気体の流れ方向Ｆにおける発熱抵抗体１４の上流側と下流側のダイヤフラム１３の温度差を、一対の温度検出素子１５および一対の温度検出素子１６によって検出することで、被計測気体の流量を検出することができる。ここで、ダイヤフラム１３の熱容量をＣｄとし、ダイヤフラム１３の熱抵抗をＲｄとすると、熱式流量センサ１の応答速度τは、たとえば、以下の式（２）で表すことができる。 The flow rate of the gas to be measured can be detected by detecting the temperature difference between the diaphragm 13 on the upstream side and the downstream side of the heating resistor 14 in the flow direction F of the gas to be measured using a pair of temperature detection elements 15 and a pair of temperature detection elements 16. Here, if the heat capacity of the diaphragm 13 is Cd and the thermal resistance of the diaphragm 13 is Rd, the response speed τ of the thermal flow sensor 1 can be expressed, for example, by the following equation (2).

τ＝１／（Ｃｄ・Ｒｄ）・・・（２） τ = 1/(Cd Rd) ... (2)

すなわち、熱式流量センサ１の応答速度τは、ダイヤフラム１３の熱容量Ｃｄと熱抵抗Ｒｄとの積に反比例する。したがって、熱式流量センサ１の応答速度τを向上させるには、ダイヤフラム１３の面積を減少させることと、ダイヤフラム１３の熱抵抗Ｒｄを減少させることが有効である。しかしながら、ダイヤフラム１３の面積を減少させると、熱式流量センサ１の耐汚損性が悪化する。より具体的には、たとえば、内燃エンジン車の吸気通路において、エンジンから逆流する空気は、オイル蒸気などの異物を含む。このような被計測気体に含まれる異物がダイヤフラム１３に付着する。 That is, the response speed τ of the thermal flow sensor 1 is inversely proportional to the product of the heat capacity Cd and the thermal resistance Rd of the diaphragm 13. Therefore, in order to improve the response speed τ of the thermal flow sensor 1, it is effective to reduce the area of the diaphragm 13 and to reduce the thermal resistance Rd of the diaphragm 13. However, reducing the area of the diaphragm 13 deteriorates the resistance to contamination of the thermal flow sensor 1. More specifically, for example, in the intake passage of an internal combustion engine vehicle, the air flowing back from the engine contains foreign matter such as oil vapor. Such foreign matter contained in the gas to be measured adheres to the diaphragm 13.

ダイヤフラム１３に付着した異物は、ダイヤフラム１３の温度分布を変化させ、流量の検出誤差を生じさせるおそれがある。ダイヤフラム１３に付着する異物は、ダイヤフラム１３の中央部よりも外縁１３１において増加する傾向がある。そのため、ダイヤフラム１３の面積を減少させると、ダイヤフラム１３の外縁部により多く付着する異物の影響を受けやすくなり、熱式流量センサ１による流量の検出誤差を増加させるおそれがある。そのため、ダイヤフラム１３の面積を減少させることによる熱式流量センサ１の応答性向上には限界がある。 Foreign matter adhering to the diaphragm 13 may change the temperature distribution of the diaphragm 13, which may cause errors in flow rate detection. Foreign matter adhering to the diaphragm 13 tends to be more abundant at the outer edge 131 than at the center of the diaphragm 13. Therefore, if the area of the diaphragm 13 is reduced, the sensor becomes more susceptible to the effects of foreign matter adhering more to the outer edge of the diaphragm 13, which may increase errors in flow rate detection by the thermal flow sensor 1. Therefore, there is a limit to how much the responsiveness of the thermal flow sensor 1 can be improved by reducing the area of the diaphragm 13.

本実施形態の熱式流量センサ１は、前述のように、半導体基板１１と、その半導体基板１１の表面に積層された絶縁膜１２と、その絶縁膜１２によって構成されて半導体基板１１に設けられた空洞部１１１に臨むダイヤフラム１３と、を備えている。また、本実施形態の熱式流量センサ１は、ダイヤフラム１３に設けられた発熱抵抗体１４と、ダイヤフラム１３に沿う被計測気体の流れ方向Ｆにおいて発熱抵抗体１４の両側に配置された一対の温度検出素子１５と、を備えている。さらに、本実施形態の熱式流量センサ１は、発熱抵抗体１４の端部とダイヤフラム１３の外縁１３１との間に設けられ、発熱抵抗体１４の端部からダイヤフラム１３の外縁１３１へ向かう放熱方向Ｄｈの熱伝導により、ダイヤフラム１３の熱を半導体基板１１へ放熱する放熱部１９を備えている。そして、放熱部１９の放熱方向Ｄｈの熱抵抗は、発熱抵抗体１４の放熱方向Ｄｈの熱抵抗よりも低い。 As described above, the thermal flow sensor 1 of this embodiment includes a semiconductor substrate 11, an insulating film 12 laminated on the surface of the semiconductor substrate 11, and a diaphragm 13 formed by the insulating film 12 and facing a cavity 111 provided in the semiconductor substrate 11. The thermal flow sensor 1 of this embodiment also includes a heating resistor 14 provided on the diaphragm 13, and a pair of temperature detection elements 15 arranged on both sides of the heating resistor 14 in the flow direction F of the gas to be measured along the diaphragm 13. Furthermore, the thermal flow sensor 1 of this embodiment includes a heat dissipation section 19 provided between the end of the heating resistor 14 and the outer edge 131 of the diaphragm 13, which dissipates heat from the diaphragm 13 to the semiconductor substrate 11 by thermal conduction in the heat dissipation direction Dh from the end of the heating resistor 14 to the outer edge 131 of the diaphragm 13. The thermal resistance of the heat dissipation section 19 in the heat dissipation direction Dh is lower than the thermal resistance of the heating resistor 14 in the heat dissipation direction Dh.

このような構成により、本実施形態の熱式流量センサ１は、放熱部１９を有しない場合と比較して、発熱抵抗体１４の端部とダイヤフラム１３の外縁１３１との間のダイヤフラム１３の熱抵抗Ｒｄを減少させることができる。すなわち、ダイヤフラム１３に設けられた放熱部１９によって、ダイヤフラム１３の熱を効率よく半導体基板１１へ放熱することができる。これにより、ダイヤフラム１３の面積の減少を抑制して耐汚損性の低下を防止しつつ、ダイヤフラム１３の熱抵抗Ｒｄを低下させることで、上記式（２）に示すように、熱式流量センサ１の応答速度τを向上させることができる。このように、熱式流量センサ１の応答速度τが向上することにより、被計測気体の流れ方向Ｆが変化する脈動時の流量の検出誤差を低減することができる。また、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４を増加させる必要がないため、消費電力の増加を防止することができる。 With this configuration, the thermal flow sensor 1 of this embodiment can reduce the thermal resistance Rd of the diaphragm 13 between the end of the heating resistor 14 and the outer edge 131 of the diaphragm 13 compared to when it does not have the heat dissipation portion 19. That is, the heat of the diaphragm 13 can be efficiently dissipated to the semiconductor substrate 11 by the heat dissipation portion 19 provided on the diaphragm 13. As a result, the response speed τ of the thermal flow sensor 1 can be improved as shown in the above formula (2) by reducing the thermal resistance Rd of the diaphragm 13 while suppressing the reduction in the area of the diaphragm 13 and preventing a decrease in the resistance to contamination. In this way, by improving the response speed τ of the thermal flow sensor 1, it is possible to reduce the detection error of the flow rate during pulsation when the flow direction F of the measured gas changes. In addition, since there is no need to increase the thickness T14 of the heating resistor 14, it is possible to prevent an increase in power consumption.

また、本実施形態の熱式流量センサ１は、発熱抵抗体１４の端部に接続され、放熱方向Ｄｈにダイヤフラム１３の外縁の外側へ延びる引出配線１７を備えている。このような構成により引出配線１７を介して発熱抵抗体１４に電力を供給することができるだけでなく、ダイヤフラム１３の熱を、放熱部１９を介して引出配線１７へ伝導させ、ダイヤフラム１３の放熱性を向上させることができる。 The thermal flow sensor 1 of this embodiment also includes an outgoing wiring 17 that is connected to an end of the heating resistor 14 and extends outside the outer edge of the diaphragm 13 in the heat dissipation direction Dh. This configuration not only makes it possible to supply power to the heating resistor 14 via the outgoing wiring 17, but also allows the heat of the diaphragm 13 to be conducted to the outgoing wiring 17 via the heat dissipation section 19, thereby improving the heat dissipation properties of the diaphragm 13.

また、本実施形態の熱式流量センサ１において、放熱部１９は、引出配線１７によって構成され、半導体基板１１の表面に直交する法線方向Ｄｎの厚みＴ１９が、発熱抵抗体１４の法線方向Ｄｎの厚みＴ１４よりも厚くされている。この構成により、放熱部１９の熱抵抗を発熱抵抗体１４の熱抵抗よりも低下させることができる。また、放熱部１９と引出配線１７とを同時に形成することができ、熱式流量センサ１の生産性を向上させることができる。 In addition, in the thermal flow sensor 1 of this embodiment, the heat dissipation section 19 is formed by the lead-out wiring 17, and the thickness T19 in the normal direction Dn perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 11 is made thicker than the thickness T14 in the normal direction Dn of the heating resistor 14. With this configuration, the thermal resistance of the heat dissipation section 19 can be made lower than the thermal resistance of the heating resistor 14. In addition, the heat dissipation section 19 and the lead-out wiring 17 can be formed simultaneously, improving the productivity of the thermal flow sensor 1.

以上説明したように、本実施形態によれば、検出精度や耐汚損性を低下させることなく、さらなる高速応答化を実現可能な熱式流量センサ１を提供することができる。 As described above, this embodiment can provide a thermal flow sensor 1 that can achieve faster response without compromising detection accuracy or resistance to contamination.

（実施形態２）
次に、図１および図２を援用し、図４を参照して、本開示に係る熱式流量センサの実施形態２を説明する。図４は、前述の実施形態１の図３に対応する、本開示に係る熱式流量センサの実施形態２を示す断面図である。 (Embodiment 2)
Next, a thermal flow sensor according to a second embodiment of the present disclosure will be described with reference to Fig. 4, with reference to Fig. 1 and Fig. 2. Fig. 4 is a cross-sectional view showing a thermal flow sensor according to a second embodiment of the present disclosure, which corresponds to Fig. 3 of the first embodiment described above.

本実施形態の熱式流量センサ１Ａは、絶縁膜１２Ａ、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂ、および放熱部１９Ａの構成が、前述の実施形態１に係る熱式流量センサ１の絶縁膜１２、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂ、および放熱部１９と異なっている。また、本実施形態の熱式流量センサ１Ａは、放熱層１９１を備える点で、前述の実施形態１に係る熱式流量センサ１と異なっている。本実施形態の熱式流量センサ１Ａのその他の点は、前述の実施形態１に係る熱式流量センサ１と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。 The thermal flow sensor 1A of this embodiment differs from the insulating film 12, the lead wires 17a, 17u, 17b, and the heat dissipation section 19A in the configurations thereof in the thermal flow sensor 1 of the above-described first embodiment in that the thermal flow sensor 1A of this embodiment is provided with a heat dissipation layer 191, and is different from the thermal flow sensor 1 of the above-described first embodiment in that the thermal flow sensor 1A of this embodiment is otherwise similar to the thermal flow sensor 1 of the above-described first embodiment, and therefore the same reference numerals are used for similar parts and their description is omitted.

本実施形態の熱式流量センサ１Ａにおいて、絶縁膜１２Ａは、たとえば、第１の絶縁膜１２１と、第２の絶縁膜１２２と、第３の絶縁膜１２３とを含んでいる。第１の絶縁膜１２１は、半導体基板１１の表面に積層されている。第２の絶縁膜１２２は、たとえば、第１の絶縁膜１２１の表面に積層された発熱抵抗体１４および引出配線１７を覆うように、第１の絶縁膜１２１の表面に積層されている。第３の絶縁膜１２３は、たとえば、第２の絶縁膜１２２の表面に積層された放熱層１９１を覆うように、第２の絶縁膜１２２の表面に積層されている。 In the thermal flow sensor 1A of this embodiment, the insulating film 12A includes, for example, a first insulating film 121, a second insulating film 122, and a third insulating film 123. The first insulating film 121 is laminated on the surface of the semiconductor substrate 11. The second insulating film 122 is laminated on the surface of the first insulating film 121, for example, so as to cover the heating resistor 14 and the lead wiring 17 laminated on the surface of the first insulating film 121. The third insulating film 123 is laminated on the surface of the second insulating film 122, for example, so as to cover the heat dissipation layer 191 laminated on the surface of the second insulating film 122.

また、発熱抵抗体１４と、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂは、たとえば、幅Ｗ１４，Ｗ１７が等しいだけでなく、厚みＴ１４，Ｔ１７も等しい。放熱層１９１は、たとえば、ダイヤフラム１３の外縁１３１の内側から外側へ延び、半導体基板１１の表面の法線方向Ｄｎにおいて、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂと重なるように、第２の絶縁膜１２２の表面に積層されている。なお、本実施形態において、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂと発熱抵抗体１４との境界は、半導体基板１１の表面の法線方向Ｄｎにおいて、ダイヤフラム１３の外縁１３１よりも内側に位置する放熱層１９１の端縁に揃っている。 The heating resistor 14 and the lead-out wirings 17a, 17u, 17b not only have the same widths W14, W17, but also have the same thicknesses T14, T17. The heat dissipation layer 191 extends from the inside to the outside of the outer edge 131 of the diaphragm 13, and is laminated on the surface of the second insulating film 122 so as to overlap the lead-out wirings 17a, 17u, 17b in the normal direction Dn of the surface of the semiconductor substrate 11. In this embodiment, the boundary between the lead-out wirings 17a, 17u, 17b and the heating resistor 14 is aligned with the edge of the heat dissipation layer 191 located inside the outer edge 131 of the diaphragm 13 in the normal direction Dn of the surface of the semiconductor substrate 11.

本実施形態の熱式流量センサ１Ａにおいて、放熱部１９Ａは、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂと、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂに積層された絶縁膜１２２と、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂと同素材で絶縁膜１２２に積層された放熱層１９１と、によって構成されている。このような構成によっても、放熱部１９Ａの放熱方向Ｄｈにおける熱抵抗を、発熱抵抗体１４の放熱方向Ｄｈにおける熱抵抗よりも低くして、前述の実施形態１の熱式流量センサ１と同様の効果を奏することができる。 In the thermal flow sensor 1A of this embodiment, the heat dissipation section 19A is composed of the lead-out wiring 17a, 17u, 17b, an insulating film 122 laminated on the lead-out wiring 17a, 17u, 17b, and a heat dissipation layer 191 made of the same material as the lead-out wiring 17a, 17u, 17b and laminated on the insulating film 122. Even with this configuration, the thermal resistance of the heat dissipation section 19A in the heat dissipation direction Dh can be made lower than the thermal resistance of the heating resistor 14 in the heat dissipation direction Dh, and the same effect as the thermal flow sensor 1 of the above-mentioned embodiment 1 can be achieved.

また、本実施形態の熱式流量センサ１Ａは、発熱抵抗体１４と放熱層１９１とが絶縁膜１２２を介して積層されている。そのため、放熱層１９１のエッチングによる加工を、絶縁膜１２２において停止させることができる。すなわち、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４は、第１の絶縁膜１２１の表面への成膜時から変化しない。したがって、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４をエッチングによって制御する場合よりも、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４の制御性を向上させ、発熱抵抗体１４の抵抗値の制御性を向上させることができる。 In addition, in the thermal flow sensor 1A of this embodiment, the heating resistor 14 and the heat dissipation layer 191 are laminated with the insulating film 122 interposed therebetween. Therefore, the etching of the heat dissipation layer 191 can be stopped at the insulating film 122. In other words, the thickness T14 of the heating resistor 14 does not change from the time of deposition on the surface of the first insulating film 121. Therefore, the controllability of the thickness T14 of the heating resistor 14 can be improved compared to the case where the thickness T14 of the heating resistor 14 is controlled by etching, and the controllability of the resistance value of the heating resistor 14 can be improved.

（実施形態３）
図５は、本開示に係る熱式流量センサの実施形態３を示す図１に対応する平面図である。本実施形態の熱式流量センサ１Ｂは、被計測気体の流れ方向Ｆにおける引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂおよび放熱部１９の幅Ｗ１７，Ｗ１９が、発熱抵抗体１４の同方向における幅Ｗ１４よりも広い点で、前述の実施形態１に係る熱式流量センサ１と異なっている。本実施形態の熱式流量センサ１Ｂのその他の点は、前述の実施形態１の熱式流量センサ１と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。 (Embodiment 3)
5 is a plan view corresponding to FIG. 1 showing a thermal flow sensor according to a third embodiment of the present disclosure. The thermal flow sensor 1B of this embodiment differs from the thermal flow sensor 1 according to the first embodiment in that the widths W17, W19 of the lead-out wirings 17a, 17u, 17b and the heat dissipation portion 19 in the flow direction F of the gas to be measured are wider than the width W14 of the heating resistor 14 in the same direction. The other points of the thermal flow sensor 1B of this embodiment are the same as those of the thermal flow sensor 1 according to the first embodiment, so the same reference numerals are used for the similar parts and the description thereof will be omitted.

前述の実施形態１の熱式流量センサ１と同様に、本実施形態の熱式流量センサ１Ｂにおいて、放熱部１９は、引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂによって構成されている。さらに、本実施形態の熱式流量センサ１Ｂにおいて、放熱部１９は、放熱方向Ｄｈに直交する引出配線１７ａ，１７ｕ，１７ｂの横断方向の幅Ｗ１９が、発熱抵抗体１４の横断方向の幅Ｗ１４よりも広くされている。 Similar to the thermal flow sensor 1 of the first embodiment described above, in the thermal flow sensor 1B of this embodiment, the heat dissipation section 19 is composed of the lead-out wirings 17a, 17u, and 17b. Furthermore, in the thermal flow sensor 1B of this embodiment, the heat dissipation section 19 has a transverse width W19 of the lead-out wirings 17a, 17u, and 17b perpendicular to the heat dissipation direction Dh that is wider than the transverse width W14 of the heating resistor 14.

このような構成により、放熱部１９の熱抵抗を、発熱抵抗体１４の熱抵抗よりも、さらに低下させることができる。なお、本実施形態の熱式流量センサ１Ｂでは、図３に示すように、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４よりも放熱部１９の厚みＴ１９が厚くなっている。しかし、放熱部１９の幅Ｗ１９が発熱抵抗体１４の幅Ｗ１４よりも広い場合、発熱抵抗体１４の厚みＴ１４と放熱部１９の厚みＴ１９を等しくしてもよい。このような構成によっても、前述の実施形態１と同様の効果を奏することができる。また、放熱部１９の表面積が拡大することで、被計測気体と放熱部１９との間の熱交換が促進され、ダイヤフラム１３の放熱効果を向上させることができる。 With this configuration, the thermal resistance of the heat dissipation section 19 can be further reduced below the thermal resistance of the heating resistor 14. In the thermal flow sensor 1B of this embodiment, as shown in FIG. 3, the thickness T19 of the heat dissipation section 19 is greater than the thickness T14 of the heating resistor 14. However, if the width W19 of the heat dissipation section 19 is greater than the width W14 of the heating resistor 14, the thickness T14 of the heating resistor 14 and the thickness T19 of the heat dissipation section 19 may be made equal. With this configuration, the same effect as in the first embodiment can be achieved. In addition, by increasing the surface area of the heat dissipation section 19, heat exchange between the gas to be measured and the heat dissipation section 19 is promoted, and the heat dissipation effect of the diaphragm 13 can be improved.

以上、図面を用いて本開示に係る熱式流量センサの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。 The embodiment of the thermal flow sensor according to the present disclosure has been described in detail above using the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there are design changes, etc., within the scope that does not deviate from the gist of this disclosure, they are included in this disclosure.

１熱式流量センサ
１Ａ熱式流量センサ
１Ｂ熱式流量センサ
１１半導体基板
１１１空洞部
１２絶縁膜
１２２絶縁膜
１３ダイヤフラム
１３１外縁
１４発熱抵抗体
１５温度検出素子
１６温度検出素子
１７引出配線
１９放熱部
１９１放熱層
Ｄｈ放熱方向
Ｄｎ法線方向
Ｆ被計測気体の流れ方向
Ｔ１４厚み
Ｔ１９厚み
Ｗ１４幅
Ｗ１９幅 1 Thermal flow sensor 1A Thermal flow sensor 1B Thermal flow sensor 11 Semiconductor substrate 111 Cavity 12 Insulating film 122 Insulating film 13 Diaphragm 131 Outer edge 14 Heat generating resistor 15 Temperature detection element 16 Temperature detection element 17 Lead wiring 19 Heat dissipation portion 191 Heat dissipation layer Dh Heat dissipation direction Dn Normal direction F Flow direction of measured gas T14 Thickness T19 Thickness W14 Width W19 Width

Claims

A thermal flow sensor comprising: a semiconductor substrate; an insulating film laminated on a surface of the semiconductor substrate; a diaphragm formed by the insulating film and facing a cavity provided in the semiconductor substrate; a heating resistor provided on the diaphragm; and a pair of temperature detection elements disposed on both sides of the heating resistor in a flow direction of a gas to be measured along the diaphragm,
a heat dissipation portion provided between an end of the heating resistor and an outer edge of the diaphragm, the heat dissipation portion dissipating heat of the diaphragm to the semiconductor substrate by thermal conduction in a heat dissipation direction from the end of the heating resistor to the outer edge of the diaphragm,
a thermal resistance of the heat dissipation portion in the heat dissipation direction is lower than a thermal resistance of the heating resistor in the heat dissipation direction;
a lead wire connected to the end of the heating resistor and extending to an outside of the outer edge of the diaphragm in the heat dissipation direction;
A thermal flow sensor, characterized in that the heat dissipation section is composed of the lead-out wiring, an insulating film laminated on the lead-out wiring, and a heat dissipation layer made of the same material as the lead-out wiring and laminated on the insulating film.