JPH04295720A

JPH04295720A - 半導体フローセンサ

Info

Publication number: JPH04295720A
Application number: JP6016891A
Authority: JP
Inventors: Patoritsuku Jieemusu Furenchi; フレンチ・パトリック・ジェームス
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1992-10-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体フローセンサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体フローセンサとしては、例
えば図１３及び図１４に示すようなものがある（Ｋ．Ｐ
ｅｔｅｒｓｅｎ　，Ｊｏｓｅｐｈ　Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｒ
ｅｎｋｉｎ　，“Ｈｉｇｈ　−Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，Ｈ
ｉｇｈ　−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　Ｍａｓｓ　−Ｆ
ｌｏｗ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　　Ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄ　Ｌａｍｉｎａｒ　　Ｆｌｏｗ　Ｍｉｃｒｏ−ｃｈ
ａｎｎｅｌｓ”，Ｐｒｏｃ　．Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ
’８５，Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ　１９８５，ｐｐ３
６１　〜３６３　，及びＮｉｋｋｅｉ　Ｍｉｃｒｏｄｅ
ｖｉｃｅｓ　　７／１９８５．ｐｐ２６３　〜　２７３
）。それぞれ対応した部位に溝が形成された２個の半導
体チップ６１，６２が接合されて被検ガスの流路となる
チューブ状空間６３が形成されている。チューブ状空間
６３内には微細加工された梁６４が渡設され、加熱素子
６５が梁６４を高温に保つように形成されている。加熱
素子６５は高抵抗温度係数を有しており、梁６４には孔
６６がエッチングにより穿設されて測定すべきガスに対
する熱の損失量が最大で、半導体チップ６１に対する熱
の損失量は最小となるように設計されている。

【０００３】このような構成により、ガスの流れに対す
る影響を最小にし、ガスによって熱が奪われることによ
る加熱素子６５の抵抗値変化等からガス流量が測定され
るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体フローセ
ンサでは、加熱素子によって発生させた熱が被検流体に
よって奪われることを利用してその流量を測定するよう
にしていたため、奪われる熱量は被検流体の流量だけで
なく、被検流体の種類によっても変化して測定精度が低
下する。消費電力が大きい。さらには、被検流体が温度
上昇してしまうという問題があった。

【０００５】そこで、この発明は、被検流体の種類に依
存せずにその流量を精度よく測定することができ、また
、消費電力が小さく、被検流体を温度上昇させることの
ない半導体フローセンサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するために、半導体基板内に空洞部及び該空洞部に通
じる被検流体の流路を形成し、前記空洞部に被検流体の
流量に応じた回転速度で回転する回転体を設置し、該回
転体の回転速度を検出する回転速度検出手段を設けてな
ることを要旨とする。

【０００７】

【作用】回転体が被検流体の流量に応じた回転速度で回
転し、その回転速度が回転速度検出手段により検出され
る。これにより被検流体の種類に依存することなく、そ
の流量が精度よく測定される。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【０００９】図１ないし図５は、この発明の第１実施例
を示す図である。

【００１０】まず、半導体フローセンサの構成を図１及
び図２を用いて説明する。

【００１１】これらの図において、１は半導体基板であ
り、半導体基板１上には窒化物膜２を介してポリシリコ
ン層が形成され、このポリシリコン層のエッチングによ
り、円形状の空洞部３とこの空洞部３に通じる被検ガス
の流路４が形成されている。空洞部３の内周部には、断
面コ字状の張出部７が等間隔をおいて４個形成されてい
る。各張出部７には、１対の高濃度領域８，９が形成さ
れている。空洞部３内には、同じくポリシリコンにより
、中心軸５を有する十字状の回転体６が形成されている
。回転体６の各先端部６ａは、回転の際に張出部７のコ
字状凹部内を通過するようになっている。各張出部７に
形成された１対の高濃度領域８，９により、回転検出用
コンデンサの極板が形成され、回転体６の回転がその先
端部６ａと１対の高濃度領域８，９との間の相互作用に
より検出されるようになっている。而して、１対の高濃
度領域８，９からなる回転検出用コンデンサにより、回
転体６の回転速度を検出する回転速度検出手段が構成さ
れている。１１はキャップ用半導体チップであり、この
半導体チップ１１をポリシリコン層等の上に接合するこ
とにより、被検ガスの流路４が形成されている。

【００１２】次に、図３および図４を用いて、上述のよ
うに構成された半導体フローセンサの作用を説明する。

【００１３】被検ガスが流路４を流れると、回転体６が
被検ガスの流量に応じた回転速度で回転する。図３およ
び図４は、回転体６の回転により生じる先端部６ａと１
対の高濃度領域８，９との相互間の容量変化における最
小容量値と最大容量値の状態を示している。回転体６の
先端部６ａが１対の高濃度領域８，９の部分を通過する
時、先端部６ａが２つの直列コンデンサＣ１　，Ｃ２の
共通の極板となって、回転検出用コンデンサの容量は最
大容量値となる（図３の（ａ），（ｂ）、図４の（ａ）
）。このとき、断面コ字状の張出部７が出力される容量
の最大値を高める。先端部６ａが各張出部７の中間位置
にある時、１対の高濃度領域８，９に対する先端部６ａ
の影響は最小となって回転検出用コンデンサの容量は最
小容量値となる（図４（ｂ））。したがって、回転検出
用コンデンサの容量が最大容量値又は最小容量値となる
周期を測定することにより、回転体６の回転速度、即ち
被検ガスの流量を、その被検ガスの種類に依存すること
なく精度よく測定することが可能となる。

【００１４】具体的数値例を述べると、高濃度領域８，
９のそれぞれ上下及び左右の間隔を３μｍ及び１０μｍ
、回転体６の先端部６ａの幅及び厚さを９０μｍ及び１
μｍ、張出部７の長さを１００μｍとし、先端部６ａ及
び張出部７の数は、図示のようにそれぞれ４個とすると
、回転検出用コンデンサの最大容量値は約０．１ｐＦ、
最小容量値は１ｆＦ以下にすることができる。何れにせ
よ、これらの寸法は、半導体フローセンサの信頼性及び
機能を最大とするように選択することができる。

【００１５】次いで、図５を用いて、この実施例の半導
体フローセンサの製造工程の一例を説明する。なお、以
下の説明において（ａ）〜（ｅ）の各項目記号は、図５
の（ａ）〜（ｅ）のそれぞれに対応する。

【００１６】（ａ）半導体基板１上に窒化物膜２を形成
し、その上にポリシリコン層１２を堆積する。ポリシリ
コン層１２を、エッチングにより所要形状にパターニン
グする。

【００１７】（ｂ）後に除去される低熱酸化膜（ＬＴＯ
）１３を堆積して平坦化し、その後、ポリシリコン層１
４を堆積してパターニングする。さらに、窒化物層１５
を堆積してパターニングする。窒化物層１５は、その後
の酸化処理の際に回転体６がポリシリコン層１２に接触
しないように保持する機能を持っている。

【００１８】（ｃ）さらに、ＬＴＯ層１６を堆積し、パ
ターニングする。次いで、ポリシリコン１７を堆積して
パターニングする。その後、窒化物層１８を堆積してパ
ターニングする。

【００１９】（ｄ）最終の酸化膜１９を堆積して平坦化
する。この処理は、流路４形成のためのキャップ用の半
導体チップの接合に必要な平坦面を形成するためである
。

【００２０】（ｅ）さらに、酸化膜１９をパターニング
し、回転体６領域の上部をエッチングにより除去する。また、これとともに、ＬＴＯ層１３，１６をエッチング
除去する。この処理により、流路４形成のための溝部も
同時に形成される。次いで、酸化処理により薄い酸化膜
２１を形成する。酸化膜２１は回転体６と基板部とのス
ペーサとなる。さらに、窒化物層１５，１８をエッチン
グにより除去して回転体６を基板部から遊離する。その
後、キャップ用の半導体チップ１１を接合して所望の流
路４を形成する。

【００２１】なお、上記の回転体６の形成プロセスは、
信号処理部の形成プロセスの終了後に行う。

【００２２】図６及び図７には、この発明の第２実施例
を示す。

【００２３】なお、図６、図７及び後述の各実施例を示
す図において、前記図１及び図２における部材及び部位
と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示
し、重複した説明を省略する。

【００２４】この実施例は、前記第１実施例と回転速度
検出手段を除いては、その基本構成及び製造工程におい
て類似している。即ち、この実施例では、回転速度検出
手段が光センサにより形成されている。光センサにはフ
ォトトランジスタ２２が用いられ、回転体６の下方のｐ
型半導体基板１に等間隔をおいて４個形成されている。フォトトランジスタ２２は、大きなベース領域２４、エ
ミッタ領域２５、埋込層式コレクタ領域２３からなり、
標準的なバイポーラ製造プロセスにより作製されている
。図の例ではｎｐｎ型のものが用いられているが、いか
なるタイプのフォトトランジスタでも使用可能である。回転体６が収納された空洞部３は透明層２６により覆わ
れており、各フォトトランジスタ２２には光源２７から
の光が照射されている。

【００２５】そして、回転体６がフォトトランジスタ２
２上を通過するとき、その出力電流は暗電流の値まで減
少する。この出力電流の減少する周期を測定することに
より、被検ガスの流量を、その被検ガスの種類に依存す
ることなく精度よく測定することが可能となる。この場
合、回転体６が各フォトトランジスタ２２上にあるとき
の出力電流を最小にするには、光源２７からの光周波数
は、回転体６を形成しているポリシリコンの光吸収係数
に合った周波数を選択する必要がある。例えば、仮に光
の波長を４５０ｎｍとすると、ポリシリコンの光吸収係
数は約６．５×１０４　／ｃｍとなり、これによると、
フォトトランジスタ２２への光透過率の値は、約０．１
５％となる。また、光の波長を５５０ｎｍとすると、前
記光吸収係数は１．５×１０４　／ｃｍとなり、その結
果、光透過率は２２％に増加する。

【００２６】図８乃至図１０には、この発明の第３実施
例を示す。

【００２７】この実施例では、回転体２８が単結晶シリ
コンで形成されている。キャッピング用の半導体チップ
１１とＰＳＧ層２９とで被検ガスの通過する空洞部３等
が封じられている。回転速度検出手段としては、回転体
２８の周囲に配置された複数のｐ＋高濃度領域３０によ
り、前記第１実施例と同様の回転検出用コンデンサが構
成されている。したがって、被検ガスの流量測定作用は
、前記図３および図４を用いて説明したのと同様である
。

【００２８】次いで、図９および図１０を用いて、この
実施例の半導体フローセンサの製造工程の一例を説明す
る。

【００２９】（ａ）ｎ型基板３１上にｐ＋埋込層３２を
形成し、その上に薄い第１のエピタキシャル層３３及び
ｐ＋拡散領域３４を形成する。

【００３０】（ｂ）第２のエピタキシャル層４０を形成
し、さらに２種のｐ＋拡散領域３５，３６を所定の位置
に形成する。中心軸５及び回転体２８の回転による電気
的容量の変化を検出するためのｐ＋高濃度領域３０は、
ｐ＋拡散領域３４，３５の部分により形成される。また
、回転体２８は、ｐ＋拡散領域３６により形成される。

【００３１】（ｃ）中心軸５の回り及び回転体２８の先
端をエッチングにより除去し、その部位の絶縁処理を行
う。さらにエッチングした部分にＰＳＧ３７を充填する
。さらに、酸化膜３８堆積してパターニングし、その上
にポリシリコン層３９を堆積してｐ＋ドーピングを行う
。

【００３２】（ｄ），（ｅ）ポリシリコン層３９を形成
後、窒化物層４１を堆積し、これをストライプ状にエッ
チングする。ストライプ状の窒化物層４１は、その後の
酸化処理の際に回転体２８がＰ＋高濃度領域３０に接触
しないように保持する機能を持つ。

【００３３】（ｆ）ＰＳＧ層２９を堆積して平坦化する
。この処理により、後のキャップ用半導体チップ１１を
接合するための平坦な表面を形成する。回転体２８の下
部のエッチングを次の３段階のステップで行う。まず、
ＰＳＧ層２９をパターニングして回転体２８の形状を形
成する。次いで、酸化膜３８及びＰＳＧ３７をエッチン
グ除去する。最後に、ドーパント依存エッチングにより
、回転体２８下部のエピタキシャル層を除去する。このとき、被検ガスの流路も同時に形成する。回転体２
８と中心軸５との間の摩擦を軽減するために、内表面全
体にわたり薄い酸化膜４２を形成する。次いで、ストラ
イプ状の窒化物層４１を除去して回転体２８を遊離する
。その後、キャップ用半導体チップ１１を接合して所望
の流路を形成するとともに空洞部３を封じる。

【００３４】図１１及び図１２には、この発明の第４実
施例を示す。

【００３５】この実施例では、図１１に示すように回転
体４３が、前記第３実施例と同様に単結晶シリコンで形
成されている。即ち、ｐ型半導体で形成された回転体４
３と同じくｐ型半導体で形成された中心軸４４とが備え
られている。回転体４３の回転速度の検出は、前記第１
実施例等と同様に、回転体４３の先端部とｐ＋拡散領域
４５との間の電気容量に関する相互作用を検出すること
により行われる。また、回転体４３及び各半導体領域４
４，４５は酸化膜４７で被覆されている。

【００３６】次いで、図１２を用いて、この実施例の半
導体フローセンサの製造工程の一例を説明する。

【００３７】（ａ）ｐ型基板５１上にｎ＋埋込層５２を
形成し、その上にｎ型エピタキシャル層５３を形成する
。さらに、ｎ＋拡散領域５４及びｐ型拡散領域５５を比
較的深く形成する。

【００３８】（ｂ）ｎ＋拡散領域５６、次いでｐ＋拡散
領域４６をそれぞれ浅く形成する。

【００３９】（ｃ）ｎ＋拡散領域５６をエッチングして
ｐ＋拡散領域５５に至る穴を形成し、さらに窒化物層５
７を堆積してパターニングする。窒化物層５７は、後の
酸化処理の間に回転体４３がＰ型基板５１に接触しない
よう保持する機能を持つ。ｎ＋拡散領域５２，５４，５
６の全体をＨＦ３，ＨＮＯ３　及びＣＨ３　ＣＯＯＨを
１：３：８に混合したエッチング液によりエッチング除
去することにより回転体４３を形成する。この段階では
、回転体４３はまだ窒化物層５７によって保持されてい
る。また、被検ガスの流路用の溝もこの段階で形成される。

【００４０】（ｄ）酸化膜４７を対応する半導体領域の
回りに形成して、回転体４３の表面を滑らかにし、且つ
電気的絶縁を行う。その後、窒化物層５７を除去して回
転体４３を遊離する。その後、キャップ用の半導体チッ
プ１１を接合して所望の流路を形成し、また空洞部を封
じる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
、半導体基板内に空洞部及び該空洞部に通じる被検流体
の流路を形成し、前記空洞部に被検流体の流量に応じた
回転速度で回転する回転体を設置し、この回転体の回転
速度を検出する回転速度検出手段を設けたため、被検流
体の流量を回転体の回転速度を検出することにより求め
ることができて被検流体の種類に依存せずにその流量を
精度よく測定することができる。また、加熱素子を使用
していないので、消費電力が小さく、被検流体を温度上
昇させることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る半導体フローセンサの第１実施
例の内部構造を示す平面図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】第１実施例の検出作用を説明するための図であ
る。

【図４】第１実施例の検出作用を説明するための図であ
る。

【図５】第１実施例の製造工程の一例を示す工程図であ
る。

【図６】この発明の第２実施例の内部構造を示す平面図
である。

【図７】図１の縦断面図である。

【図８】この発明の第３実施例の縦断面図である。

【図９】第３実施例の製造工程の一例を示す工程図であ
る。

【図１０】第３実施例の製造工程の一例を示す工程図で
ある。

【図１１】この発明の第４実施例の縦断面図である。

【図１２】第４実施例の製造工程の一例を示す工程図で
ある。

【図１３】従来の半導体フローセンサの平面図である。

【図１４】図１３の半導体フローセンサの全体構成を一
部破断して示す斜視図である。

【符号の説明】

１，３１，５１　　半導体基板３　　空洞部４　　流路６，２８，４３　　回転体８，９　　高濃度領域（回転速度検出手段となる回転検
出用コンデンサの極板）１１　　キャップ用の半導体チップ２２　　光源とともに回転速度検出手段を構成するフォ
トトランジスタ２７　　光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　半導体基板内に空洞部及び該空洞部に
通じる被検流体の流路を形成し、前記空洞部に被検流体
の流量に応じた回転速度で回転する回転体を設置し、該
回転体の回転速度を検出する回転速度検出手段を設けて
なることを特徴とする半導体フローセンサ。