JPWO2016084664A1 - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

従来の空気流量計においては、粒径が大きな異物については慣性力を利用して、検出素子接触を対策しているが、粒径が10um以下の質量が非常に小さな異物については、バイパス構造内部で慣性力がほとんど働かず検出素子に付着する可能性がある。また上記粒径が10um以下の質量が非常に小さな異物は主に、アメリカSAE 規格J726Cで定められているACダストなどが挙げられ、米国アリゾナの砂漠の砂を精製して製造されており、この砂(砂塵)は帯電しやすいことが分かっており、一度静電気を帯びた粒径の小さなダストは、検出素子に一度付着すると、そのクーロン力により脱離しにくくなるという課題がある。上記課題は、流量を検知する半導体素子を備えており、その半導体素子はシリコンなどの半導体基板上に絶縁層と抵抗配線層が形成されており、前記基板の一部を除去して薄膜化された領域（ダイアフラム）があり、そのダイアフラム領域内に少なくとも一つ以上の加熱抵抗体（ヒータ）が設けられ、その上流と下流に温度差を検出するための測温抵抗体が配置されており、前記ダイアフラム内の配線抵抗周辺領域における空気流に晒される表面側の電位が、任意の一定電位となるように導電性膜が半導体素子に形成されていることを特徴とする熱式流量センサで解決することができる。

Description

本発明は、物理量を検出するセンサに関するものであり、特に、熱式流量センサに関するものである。

従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

最近では、半導体マイクロマシニング技術によりシリコン基板上に抵抗体や絶縁層膜を堆積した後で、KOHなどを代表とする溶材でシリコン基板の一部を除去し、薄膜部（ダイアフラム）を形成する空気流量エレメントが高速応答性を有することや、逆流検出も可能であることから注目されている。

一方、自動車用部品としての熱式流量計に要求される性能の１つとして、耐ダスト性が挙げられる。自動車用部品の熱式流量計は、一般的には図11に示すようにエアクリーナーフィルタの下流に設置される。吸気ダクトに混入する異物（ダスト、水、繊維屑、砂利など）のほとんどは、エアクリーナーフィルタでトラップされるようにしている。

しかしながら、上記エアクリーナーフィルタのメッシュサイズは100um以下であることが多い。したがって、100um以下のサイズの異物は、エアクリーナーフィルタではトラップされず、吸入ダクトに侵入することになる。この異物が上記熱式流量計のセンシングエレメントのダイアフラム部に到達し表面に付着すると、熱容量が変化し、放熱特性が変化するため、センシングエレメントの出力が変化し、検出誤差が発生してしまうという課題がある。

上記課題を解決する技術として、特許文献１に記載の技術が存在する。特許文献１によれば、流路の少なくとも一部分が静電気散逸特性を有するよう技術が開示されている。特許文献１に記載の技術によれば、帯電した汚損粒子がセンサ素子に到達する前に静電気散逸特性部により放電されるので、センサ素子への帯電した汚損粒子の蓄積が阻止される。

ＤＥ１０２０１００２０２６４Ａ１

特許文献１の技術によれば、帯電した汚損粒子がセンサ素子へ到達する量を減らしているため、センサ素子への汚損物の堆積を低減することが可能である。しかしながら、センサ素子へ飛来する汚損粒子のすべてを放電することは難しく、また、センサ素子へ到達する間に放電された汚損粒子が他の汚損粒子に衝突することにより、放電された汚損粒子が再度帯電する恐れもある。そのため、特許文献１の技術には、帯電した汚損粒子そのものをセンサ素子へ堆積させにくくするという点については検討の余地が残されている。

本発明は、耐汚損性に優れた熱式流量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量センサは、ダイアフラム内の配線抵抗周辺領域における空気流に晒される表面側の電位が、任意の一定電位となるように導電性膜が半導体素子に形成されている。

本発明によれば、耐汚損性に優れた熱式流量センサを提供することができる。

本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である 従来の熱式流量センサの回路説明図である 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である 従来の熱式流量センサのダスト付着説明図である 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である 空気流量センサの実車搭載レイアウト説明図である

本発明の実施の形態を説明する前に、今回見出した従来センシングエレメントの課題について以下に説明する。

図2に、従来のセンシングエレメントの断面構造を示す。センシングエレメントは、以下に示す製造方法により製造される。まず、Si等の半導体基板10を熱処理することにより、半導体基板10上に熱酸化絶縁膜11を形成する。そして、CVD法等の成膜処理により、熱酸化絶縁膜１１上に酸化膜絶縁層12が形成される。この酸化膜絶縁層12には、SiO2やSiNなどのMEMSプロセスで一般的に使用される絶縁膜が用いられる。その次に、CVD法等の成膜処理により熱酸化絶縁膜層12上に抵抗配線層13が形成される。抵抗配線層13は、成膜後にエッチングによりパターニングされる。抵抗配線層13をパターニングした後に成膜処理を行い、酸化膜絶縁層12aが抵抗配線層13と酸化膜絶縁層12上に形成される。その後、抵抗配線層13の上層の酸化膜絶縁層12aをエッチングすることによりコンタクト部15を形成し、コンタクト部15上にアルミなどの電極配線層14を形成することで抵抗配線層13と電極配線層１４との電気的導通をとる。電極配線層14を、エッチングによりパターニングを行うことで電極パッドを形成する。最後に半導体基板10を裏面側からKOH（水酸化カリウム）でエッチングすることにより半導体基板10を部分的に除去し、ダイアフラム部20が形成される。これによってダイアフラム部の熱容量を小さくすることができ、高速応答が可能となる。一方、汚損物がダイアフラム上に付着してしまうと、もともとのダイアフラム部の熱容量が小さいため、汚損物付着により熱容量が変化し、その結果、流量特性が変化してしまう。

図3に表面からみたセンシングエレメントの配線図の概略を示す。ダイアフラム部20上に、加熱抵抗体（Rh）31と上流測温抵抗体（Ru1、Ru2）32と下流測温抵抗体（Rd1、Rd2）33が形成されている。加熱抵抗体（Rh）31はダイアフラム部20の中心部に配置されており、その上流側に上流測温抵抗体（Ru1、Ru2）32が、下流側に下流測温抵抗体（Rd1、Rd2）33が配置されている。ここで、それぞれの抵抗体（Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2）は全て抵抗値が同一となるように形成されている。これらの抵抗体（Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2）は、図2の抵抗配線層13から形成されており、コンタクト部15を介して、電極配線層14へ接続されている。

それぞれの抵抗体（Rh、Ru1、Ru2、Rd1、Rd2）を用いて図4に示すような回路を形成することにより、空気流量に応じた出力を得ることができる。加熱抵抗体（Rh）31は、外部から電流を印加されることにより加熱する。流量が無い場合は、ダイアフラム部20の温度分布は上下流で左右対称となるため、図4のV1、V2の電位は同一値になり、流量出力である（V1-V2）はゼロとなる。一方、流量が流れる場合は、上流と下流で温度分布差が発生し、その結果ブリッジ回路出力が変化し、流量に応じた出力が得られる。

ここで測温抵抗体（Ru1、Ru2、Rd1、Rd2）の配線電位について着目してみる。図5は下流測温抵抗体の配線部（A-A’）を断面でみた構造を示している。図5において、向かって左（A側）の配線はD2電位のため（Low）となる。その隣はD1電位のため（High）となる。その隣もD1電位のため（High）となる。その隣の配線はD2電位のため（Low）となる。このように測温抵抗体の配線は電位レベルが異なる配線が、ある規則性を持って交互に配列しており、図6に示すように異なる電位配線間で電界（E）が発生し、電気力線が形成される。この場合、エレメント表面上に電荷を持ったダスト50が飛来してくると、クーロン力図のようにエレメント表面にトラップされてしまう。特に、遠心分離や慣性分離の影響を受けにくい微小なダストは、ダスト同士の摩擦等により帯電しやすく、上述したクーロン力の発生によりこの微小なダストがエレメント表面にトラップされてしまうという課題を本発明者らの誠意検討の結果見出した、
そして、汚損物がセンシングエレメント表面にトラップされると、ダイアフラム部20の熱容量が変化してしまい、流量検出の誤差が発生する。以下に、上記課題を解決する本発明の実施形態を詳述する。
（第一実施例）
本発明の第一実施例について、図１と図８を用いて説明する。なお、上述した従来例と同様の構成については、説明を省略する。

本発明の第一実施例におけるセンシングエレメントは、電極パッドを形成後、酸化膜絶縁層12a上に導電性膜16を形成し、パターニングを行い、電極パッドの任意の配線と短絡させる。その後に半導体基板裏面側10からKOH（水酸化カリウム）でエッチングし、半導体基板を部分的に除去することで、ダイアフラム部20が形成される。

導電性膜16はMEMSプロセスで一般的に使用されるTi(チタン)、W（タングステン）、Al（アルミ）、Ta（タンタル）、Ni(ニッケル)、Pt（白金）、Cu（銅）、Si(シリコン)、Mo（モリブデン）を使用すれば、製造時に特殊な設備が不要であるため、スパッタ装置などを用いて安価に製造することができる。

上述のようにして、第一実施例におけるセンシングエレメントの積層構造体(12、12a、13、14、16)を半導体基板10上に形成している。

次に導電性膜16の効果について図7を用いて説明する。図7は、図6同様の断面図を示している。導電性膜16はGNDに短絡しており、一定電位（0V）に保たれている。配線層13よりも表面側、言い換えるとダスト50が通過する側に形成される一定の同電位層により、測温抵抗体（Ru1、Ru2）間で発生する電気力線が同電位層よりも表面側に発生することを阻害することが可能となる。すなわち、導電性膜16よりも表面側で電気力線が発生することを抑制しているため、電荷を持ったダスト50が飛来してくる場合でも、エレメント表面側でクーロン力によるダストのトラップが起こらないようにしている。本実施例によれば、遠心分離や慣性分離の影響を受けにくく、流体の流れにのってくるような微小な汚損物が飛来してくる場合であっても、汚損物をセンシングエレメント表面に引き寄せるクーロン力をセンシングエレメントの表面に発生させることを抑制しているので、センシングエレメント表面での汚損物の付着を低減することができるので、耐汚損性の高い熱式流量センサを提供することが可能となる。

図８に、本発明の第一実施例における導電性膜16のパターニングの一例を示す。ダイアフラム部20内の配線部領域を覆うように導電性膜16を形成することによって、クーロン力によるダイアフラム部20へのダスト50の付着を低減できる。

本発明の第一実施例では、導電性膜16の電位をGNDに短絡する例を示したが、電源電圧など任意の電圧に短絡して同電位を保つことにより、GNDに短絡する場合と同様の効果が得られる。

導電性膜16を一定の電位とする効果について以下に説明する。導電性膜16は導電性を有するため、導電性膜16を任意の電圧に接続しない場合であっても多少の電界シールド効果は期待できる。しかしながら、MEMSプロセスにより形成される導電性膜16と抵抗配線層13との間は一般的に3um以下となる場合が多く、近接配線間クロストークによって、抵抗配線層13の電位が導電膜16の電位に影響を与える場合がある。抵抗配線層13は加熱抵抗体Rhや測温抵抗体Ru、Rdの場所によって電位が異なり、また時間(流量)変化によっても電位が変動する。そのため、近接配線間クロストークの影響を受け得る位置の導電性膜16は、その電位が場所および時間によって電位レベルが変動する場合が考えられる。すなわち、近接配線である抵抗配線層13との間のクロストークにより導電性膜16そのものに電位が異なる領域が発生し、これによって、導電性膜16よりも表面側で電気力線が発生しうる場合がある。本実施例によれば、導電性膜16を一定の電位としているので、近接配線間クロストークによる影響を抑制でき、導電性膜16の表面側での電気力線の発生を抑制することができる。

また、導電性膜16を短絡させる電位としては、GND電位が望ましい。飛来してくるダスト50は、数kV以上の静電気を帯電している場合もある。短絡させる電位を電源電圧とする場合、導電性膜16は駆動回路の電源回路に接続する。この場合、数kV以上の静電気を帯電したダスト50が導電性膜16に接触した場合、駆動回路に高い静電気が印加されることとなり駆動回路が壊れる可能性がある。係る事態を避けるために、導電性膜16を電源電圧に短絡させる場合には、駆動回路を保護する保護回路を設ける必要がある。一方で、導電性膜16の短絡電位をGNDとする場合は、導電性膜16は駆動回路の電源回路に接続しないため、数kV以上の静電気を帯電したダスト50が導電性膜16に接触したとしても、駆動回路に高い静電気が印加されることがない。導電性膜16をGNDに短絡させた場合には、駆動回路の保護回路が必要とならないことから、駆動回路の回路規模を小さくでき、また熱式流量センサ全体としてコストを削減することができる。

導電性膜16をセンシングエレメントの最表面に形成する効果について説明する。帯電したダスト50が空気流の流れに沿ってダイアフラム部20に衝突してくる場合、ダイアフラム部20の最表面に形成される導電性膜16にダスト50が接触すると、ダスト50に帯電していた電荷が除電される。ダスト50自体を除電することにより、センシングエレメント表面と結合する力をダスト50から除去することができる。その結果、一度センシングエレメント表面に衝突したダスト50が空気流で脱離しやすくさせることが可能となり、センシングエレメント表面にダスト50を堆積させにくくする効果がある。

なお、上流測温抵抗体（Ru1、Ru2）の配線間を例に隣接配線間に電位差が発生する場合を説明してきたが、下流側測温抵抗体（Rd1、Rd2）の配線間、加熱抵抗（Rh）の配線間、加熱抵抗（Rh）と測温抵抗体（Ru1、Ru2、Rd1、Rd2）間などでも電位差が発生すれば同様の電位効果が発生するため、複数の電位の配線が隣接するダイアフラム領域内は上記発明効果が全面的に適用できる。

本発明の第一実施例は、センシングエレメントの積層構造体が、抵抗層よりも上層側に、言い換えるとセンシングエレメントの表面側に一定電位に保持される一定電位層を含む構成としている。抵抗配線層13により発生するクーロン力をセンシングエレメント表面に発生することを一定電位層により抑制しているので、帯電したダストがセンシングエレメントに到達したとしても、クーロン力によるセンシングエレメント表面に引き寄せられる力が発生しない。そのため、本発明の第一実施例によれば、
（第二実施例）
本発明の第二実施例について、図9を用いて説明する。なお、上述した第一実施例と同様の構成については、説明を省略する。

第一実施例と第二実施例とを比較して異なる点は、第一実施例では導電性膜16がセンシングエレメントの最表面に形成されているのに対し、第二実施例では導電性膜16が抵抗配線膜13よりも表面側に形成され、酸化膜絶縁層12aと酸化膜絶縁層12bに挟まれている点である。

第二実施例におけるセンシングエレメントの製造方法を以下に説明する。酸化膜絶縁層12aが形成された後、酸化膜絶縁層12aにおける抵抗配線層13の上側の領域をエッチングすることによりコンタクト部17を形成する。そして、コンタクト部17上に導電性膜16を形成することで導電性膜16を抵抗配線膜13の任意の電位に短絡させる。その後、成膜処理により酸化膜絶縁層12bを形成し、エッチング処理を行うことで、コンタクト部15を形成する。酸化膜絶縁層12b上にアルミなどの電極配線層14を形成し、パターニングを行うことで、電極パッドを形成する。最後に半導体基板裏面側10からKOH（水酸化カリウム）でエッチングしていけば、半導体基板を部分的に除去でき、ダイアフラム部20が形成される。

本実施例の場合は、抵抗配線膜13の電界影響をセンシングエレメントの表面側に出さないという効果に加えて、導電性膜16の信頼性を向上することができる。すなわち、導電性膜16の表面側に絶縁層保護層として形成することによって、耐腐食性を向上することができる。
（第三実施例）
本発明の第三実施例について図10を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。本発明の第三実施例は、第一実施例の構成に加えて、電極配線層14と導電性膜16の接続点を覆うポリイミドのような有機保護膜を有している。製造方法としては、実施例1の製造工程の後に、有機保護膜を形成し、パターニングすることにより製造できる。これにより、実施例1で記述した効果が得られると同時に、接続点を腐食物から保護できるため、より信頼性の高い熱式流量センサを提供できる。

なお、第一実施例と第三実施例では、電極配線層14を形成した後に導電性膜14を形成しているが、逆の順序でも問題ない。また、有機保護膜１８を形成した後にダイアフラム部20を形成してもよい。

10・・・半導体基板
11・・・熱酸化膜
12、12a、12b・・・酸化膜絶縁層
13・・・抵抗配線膜
14・・・電極配線層
15・・・コンタクト部
16・・・導電性膜
17・・・コンタクト部
18・・・有機保護膜
20・・・ダイアフラム
31・・・加熱抵抗体；Rh
32・・・上流測温抵抗体；Ru
33・・・下流測温抵抗体：Rd
50・・・ダスト

Claims (6)

1. 半導体基板と、該半導体基板上に設けられた積層構造体と、該半導体基板の一部を除去した空洞部と、を有し、
   前記積層構造体は、抵抗層と、該抵抗層の上層側に形成された一定電位層と、含む熱式空気流量センサ。
2. 前記一定電位層は、最上層に形成されている請求項１に記載の熱式空気流量センサ。
3. 前記積層構造体は、前記一定電位層の上層に形成される絶縁膜層を含む請求項１に記載の熱式空気流量センサ。
4. 前記一定電位層の電位は、GND電位である請求項1乃至３の何れかに記載の熱式空気流量センサ。
5. 前記一定電位層の電位は、電源電位である請求項１乃至３の何れかに記載の熱式空気流量センサ。
6. 前記一定電位層は、Ti(チタン)、W（タングステン）、Al（アルミ）、Ta（タンタル）、Ni(ニッケル)、Pt（白金）、Cu（銅）、Si(シリコン)、Mo（モリブデン）のうちのいずれかの元素を少なくとも含有する導電性膜を含む請求項１乃至３の何れかに記載の熱式空気流量センサ。

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