KR100728314B1

KR100728314B1 - 열식 공기유량센서, 이에 사용되는 검출소자 및 내연 기관용 제어 시스템

Info

Publication number: KR100728314B1
Application number: KR1020010001869A
Authority: KR
Inventors: 야마다마사미치; 와타나베이즈미; 나카다게이이치
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼; 가부시키 가이샤 히다치 카 엔지니어링
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2007-06-13
Also published as: US6490915B2; JP2001194202A; US20010015199A1; EP1116939A3; DE60138323D1; JP3468731B2; EP1116939A2; KR20010087155A; EP1116939B1

Abstract

열식 공기유량센서는, 불순물이 도핑된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 발열 저항체와 온도 측정 저항체를 형성함으로써, 전기 절연막을 지나 반도체 기판상에 적어도 발열 저항체와 온도 측정 저항체로 형성되며, 실리콘(Si) 반도체 박막의 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도 도핑 공정을 거침으로써, 동시에 대량으로 동일한 불순물 농도를 갖는 실리콘(Si) 반도체 박막을 형성하는 제조공정이 간소해지고 비용이 절감된다.

Description

열식 공기유량센서, 이에 사용되는 검출소자 및 내연 기관용 제어 시스템{THERMAL TYPE AIR FLOW SENSOR, DETECTION ELEMENT FOR THE SAME AND CONTROL SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

도 1은 본 발명에 따른 열식 공기유량 센서의 제 1 실시예의 평면도.

도 2는 도 1의 센서소자의 A-A' 단면을 나타낸 도면.

도 3은 도 1의 센서소자를 장착한 열식 공기유량 센서의 단면을 나타낸 도면.

도 4는 도 3의 측정 소자부의 확대도.

도 5는 저항체(4a, 4b, 5 및 6) 및 외부 회로(20)의 전기회로를 나타낸 도면.

도 6은 소자(1)의 제조 공정을 설명하는 도면.

도 7은 실리콘 반도체 박막의 저항률(ρ) 및 불순물 농도 간의 관계를 나타낸 도면.

도 8은 실리콘(Si) 반도체 박막의 저항 온도 계수(α) 및 저항률(ρ) 간의 관계를 나타낸 도면.

도 9는 실리콘(Si) 반도체 박막의 피에조 저항 계수(π) 및 저항률(ρ) 간의 관계를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 열식 공기유량 센서 소자의 제 2 실시예의 평면도.

본 발명은 열식 공기유량 센서 및 검출 소자에 관련된 것으로서, 특히, 내연 기관의 흡기유량을 측정하는데 적합한 열식 공기유량 센서에 관련된 것이다.

종래에는, 자동차의 내연 기관용 전자 제어 연료 분사 시스템에 제공되어 흡기유량을 측정하는 공기유량 센서로서, 열식 센서가 질량 공기유량을 직접 검출할 수 있는 것의 주류이다. 그 중에서도, 반도체 마이크로 머시닝 기술에 의해 제조된 공기유량 센서는 비용을 저감시키고 낮은 전력에서 구동할 수 있는 면에서 매력적이다.

종래의 반도체 기판을 이용하는 열식 공기유량 센서는 일본국 특허 제 2880651 호 및 일본국 특개평11-83580호에 개시되어 있다.

일본국 특허 제 2880651 호에 개시된 기술에 있어서, 발열 저항체로서 내열성 및 재료 비용면에서 유리한 다결정 실리콘(폴리 실리콘)이 사용되었다. 그러나, 흡기유량 측정시 공기 온도의 온도 의존성에 대해 고려되지 않았으므로, 공기유량 측정의 정확성이 만족스럽지 못하다. 또한, 발열 저항체를 지지하는 전기 절연막의 기계적 강도 등의 문제에 직면한다.

한편, 일본국 특개평11-83580호에 개시된 기술에 있어서, 발열 저항체에 더하여, 공기 온도 측정 저항체는 공기 온도의 온도 의존성을 고려하여 다결정 실리콘(폴리 실리콘)으로 형성된다. 그러나, 발열 저항체 및 온도 측정 저항체는 각각 다른 불순물 농도를 가지는 다결정 실리콘(폴리 실리콘)으로 형성되기 때문에, 제조 공정이 복잡하며 비용이 높다.

기존의 기술은 다음과 같은 문제점에 직면해 있다. 일본국 특허 제 2880651 호에 있어서, 발열 저항체로서의 다결정 실리콘(폴리 실리콘)은 반도체 기판상의 전기 절연막을 경유하여 이용된다. 그러나, 공기 온도를 검출하는 공기 온도 측정 저항체가 형성되지 않기 때문에, 측정될 공기의 유량에 상당하는 출력은 공기 온도가 변하면 에러를 포함할 수 있다.

한편, 발열 저항체로 형성되는 전기 절연막(격막)은 반도체 기판으로 단열을 달성하며 응답 특성을 강화시키기 위하여 열용량을 좀더 작게 만들려면 전체 두께가 수 마이크론의 범위로 얇아지도록 구성되어져야 한다. 따라서, 발열 저항체가 가열 및 냉각을 반복하거나 또는 공기유량이 증가할 때, 과도한 응력이 전기 절연막상에 가해져 파손을 일으킬 소지가 있다.

또한, 발열 저항체로서 다결정 실리콘(폴리 실리콘)을 사용하는 것과 불순물 도핑 처리를 수행하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 발열 저항체로서 중요한 평가 항목인 불순물 도핑 처리에 의한 저항률(ρ) 및 저항 온도 계수(α)가 기재된 바는 없어 소정의 성능을 끌어내고 있다고 할 수 없다.

한편, 본 출원인에 의해 먼저 출원된 일본국 특개평11-83850호에 개시된 종래의 기술에 있어서, 공기 온도가 변하면 측정될 공기의 유량에 상당하는 출력이 에러를 포함한다는 문제점에 대하여, 공기 온도를 검출하는 공기 온도 측정 저항체를 새로이 제공함으로써 해결된다. 또한, 전기 절연막(격막)이 반도체 기판의 공동에 걸친 전 표면을 전기 절연막으로 덮어 기계적 강도를 현저히 향상시키도록 구성된다.

그러나, 선원인 일본국 특개평11-83850호에 있어서, 다결정 실리콘(폴리 실리콘)의 불순물 도핑 처리에 의한 저항률(ρ) 및 저항 온도 계수(α)에 관련된 연구는 만족스럽지 못하다. 특히, 고농도의 불순물 도핑 영역에 대한 연구가 부족하여 결과적으로 서로 다른 불순물 농도를 가지는 다결정 실리콘(폴리 실리콘)으로 발열 저항체 및 온도 측정 저항체를 형성하기 때문에 제조공정이 복잡해져 비용을 높인다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하고 제조공정을 단순화한 저비용 열식 공기유량 센서 및 내연 기관용 제어 시스템을 제공하는 것이다.

반도체 기판상에 전기 절연막을 경유하여 적어도 발열 저항체 및 온도 측정 저항체로 형성된 열식 공기유량 센서에 있어서, 발열 저항체 및 온도 측정 저항체를 불순물로 도핑된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 형성하여, 실리콘(Si) 반도체 박막의 저항률(ρ)이 8 × 10^-4 Ω㎝ 이하가 되도록 고농도 도핑 처리를 수행함으로써, 발열 저항체 및 온도 측정 저항체의 저항 온도 계수(α)를 증가시키기 때문에 측정의 감도가 향상될 수 있다. 또한, 발열 저항체 및 온도 측정 저항체는 동일한 농도의 불순물로 실현될 수 있어 제조 공정의 단순화 및 비용 저감을 가능케 한다.

또한, 저항 온도 계수(α)를 더욱 증가시키기 위하여 불순물로서 인(P)을 고농도 도핑함으로써 실리콘(Si) 반도체 박막이 처리된다.

한편, 저항 온도 계수(α)를 더욱 증가시키기 위하여 실리콘(Si) 반도체 박막은 불순물 열확산처리를 통하여 비정질 구조로부터 다결정화한 구조를 가진다.

실리콘(Si) 반도체 박막은 1050 ℃이상의 온도에서 최고 30 분이상동안 불순물 열 확산 처리를 통하여 고농도 도핑이 가능해진다.

반도체 기판은 공동부를 가지며, 적어도 발열 저항체가 전기 절연막을 경유하여 상기 공동부상에 형성되어, 발열 저항체와 반도체 기판사이의 충분한 단열을 제공하여 열식 공기유량 센서의 감도를 향상시킨다.

상기 열식 공기유량 센서를 이용하여 내연 기관의 흡기유량을 측정함으로써, 연료 분사량을 제어하는 내연 기관용 저비용 제어 시스템이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열식 공기유량 센서의 제 1 실시예의 평면도이며, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따른 센서 소자(1)의 단면이다.

도 1 및 도 2 에 있어서, 센서 소자(1)는 실리콘 등의 반도체 기판(2), 전기 절연막(12)(12a, 12b)으로 구성되는 격막(7), 전기 절연막(12a)상에 형성된 상류측 발열 저항체(4a) 및 하류측 발열 저항체(4b), 발열 저항체의 온도를 검출하는 온도 측정 저항체(5), 기판(2)의 선단부에 형성되어 공기 온도를 측정하는 공기 온도 측정 저항체(6), 센서 소자(1)의 신호를 외부 회로에 연결하는 단자 전극(10)(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g), 각 저항체 및 단자 전극(10)을 연결하기 위한 배선 연결부(9)(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g), 및 각 저항체를 보호하기 위한 전기 절연막(12b)으로 구성된다. 여기서, 각 저항체(4a, 4b, 5, 6)는 불순물 도핑 처리된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 형성되고 실리콘(Si) 반도체 박막의 저항률이 8 × 10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도 도핑 처리에 의해 형성된다.

본 발명에 따른 열식 공기유량 센서의 실시예는 다음과 같은 동작을 수행한다.

한 쌍의 상류측 및 하류측 발열 저항체(4a, 4b)가 직접 전기적으로 접속된다. 접합점(중간 탭)(D)은 인출전극(9f)에 의해 단자 전극(10f)에 연결된다. 공동(8)에 의해 열적으로 분리된 전기 절연막(12a)상에 형성된 한 쌍의 발열 저항체(4a, 4b)에, 가열(간접 열) 전류가 흘러 발열 저항체(4a, 4b)의 온도를 검출하는 온도 측정 저항체(5)의 온도가 공기흐름(11)의 온도를 나타내는 공기 온도 측정 저항체(6)의 온도보다 소정의 온도로 더 높아질 수 있다.

기류(11)의 방향은 온도 측정 저항체(5)에 대하여 동시에 형성된 발열 저항체(4a, 4b)의 온도를 비교함으로써 검출된다. 즉, 발열 저항체(4a, 4b)는 공기유량이 없으면 온도 측정 저항체(5)의 온도와 실질적으로 같은 온도를 나타내며 아무런 온도 차이를 일으키지 않는다. 한편, 도 11의 공기흐름(11)의 방향(순방향 유동)에서, 주로, 상류측상에 배치되는 발열 저항체(4a)가 하류측상에 배치되는 발열 저항체(4b)보다 공기흐름(11)에 의한 더 큰 냉각 효과를 받기 쉽다. 또한, 발열 저항체(4a, 4b)는 직렬로 접속되어 동일한 가열 전류가 실질적으로 동일한 열 발생량을 가지도록 인가되기 때문에, 상류측 발열 저항체(4a)의 온도가 하류측 발열 저항체(4b)의 온도보다 더 낮은 값이 된다. 한편, 공기흐름(11)이 도 1의 방향과 반대(역방향)흐름이면, 하류측 발열 저항체(4b)의 온도가 상류측 발열 저항체(4a)의 온도보다 더 낮게 된다. 따라서, 발열 저항체(4a, 4b)의 온도(저항치)를 비교함으로써, 공기흐름(11)의 방향이 검출될 수 있다.

한편, 온도 측정 저항체(5)가 공기 온도 측정 저항체(6)보다 소정 온도 더 높도록 제어가 수행되기 때문에, 공기유량의 측정은 발열 저항체(4a, 4b)에 적용될 가열(간접열) 전류치에 의해 수행된다. 따라서, 상기 실시예에 있어서, 공기유량의 방향 및 공기유량의 검출이 가능해진다.

도 3은 도 1의 센서 소자(1)에 설치된 열식 공기유량 센서의 실시예를 나타낸 단면도이다. 예를 들면, 자동차 등의 내연 기관의 공기 흡입통로에 설치된 열식 공기유량 센서의 실시예를 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이, 열식 공기유량 센서는 소자(1), 지지체(19) 및 외부 회로(20)를 포함하여 구성된다. 그 다음, 센서 소자(1)는 공기 흡입통로(17)내의 보조 통로(18)내에 배치된다. 외부 회로(20)는 센서 소자(1)의 단자 전극(10)에 지지체(19)를 통하여 전기적으로 접속된다. 여기서, 통상 흡기는 11 로 나타난 방향으로 흐르며, 내연 기관의 소정의 상태에서, 흡기는 반대 방향(역방향 유동)으로 흐른다.

도 4는 도 3의 센서 소자(1) 및 지지체(18)의 확대도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 소자(1)는 지지체(19)에 고정된다. 또한, 알루미나 등의 전기 절연기판상에, 신호 처리 회로로 형성된 단자 전극(21) 및 외부 회로(20)가 유사한 방식으로 지지체(19)상에 고정된다. 센서 소자(1) 및 외부 회로(20)는 단자 전극(10, 21)사이의 금 와이어(22)의 와이어 본딩에 의해 전기적으로 접속된 다음, 금 와이어(22), 전극 단자(10, 21) 및 외부 회로(20)를 상부로부터 보호하기 위하여 지지체(19)(도시되지 않음)에 의해 밀봉되는 식으로 보호된다.

다음으로, 본 발명의 실시예의 회로 동작이 도 5를 참조로 논의될 것이다. 도 5는 도 1의 센서 소자(1)의 저항체(4a, 4b, 5, 6) 및 신호 처리용 외부 회로(20)를 나타낸다. 도면에서, 23은 전원을 나타내며, 24는 발열 저항체(4a, 4b)에 가열(간접 가열) 전류를 인가하는 트랜지스터를 나타내며, 25a, 25b, 25c는 저항기이고, 26은 A/D 컨버터 등을 포함하는 입력 회로, D/A 컨버터 등을 포함하는 출력 회로 및 산술 처리 등을 수행하는 CPU 로 이루어지는 제어 회로를 나타내며, 27은 메모리 회로를 나타낸다.

여기서, 온도 측정 저항체(5), 공기 온도 측정 저항체(6), 저항기(25b, 25c)로 이루어지는 브리지 회로의 단자(F, G)의 전압이 제어 회로(26)로 입력된다. 발열 저항체(4a, 4b)에 의해 간접 가열되는 온도 측정 저항체(5)의 온도(Th)는 공기 온도 측정 저항체(6)의 온도보다 소정치(예를 들면 △Th = 150 ℃ ) 더 높게 되도록 각각의 저항치로 설정되어 제어 회로(26)에 의해 제어된다. 온도 측정 저항체(5)의 온도가 설정치보다 더 낮으면, 트랜지스터(24)는 제어 회로(26)의 출력에 의해 턴온되어 발열 저항체(4a, 4b)내에 가열 전류를 흐르게 한다. 온도 측정 저항체(5)의 온도가 설정 온도보다 더 높으면, 트랜지스터(24)는 턴오프되도록 제어되며 설정치를 유지하도록 제어된다. 이 때, 발열 저항체(4a, 4b)에 인가된 가열 전류치(저항체(25a)의 전하(E)에 해당)는 공기유량(Q)이 된다.

한편, 공기유량의 방향은 발열 저항체(4a, 4b)의 온도차(pf)에 의해 검출된 다. 상술된 바와 같이, 온도 측정 저항체(5)는 소정의 기준 온도(Th = Ta + △Th)로 설정된다. 발열 저항체(4a, 4b)에 동일한 가열 전류가 인가되도록 직렬로 접속되기 때문에, 공기유량이 순방향유동이면, 상류측 발열 저항체(4a)는 상당한 량의 공기유량에 의해 열이 제거되어 온도를 더 낮추게 한다. 한편, 공기유량이 역방향 유동이면, 반대로 발열 저항체(4b)의 온도가 더 낮아지게 된다. 즉, 발열 저항체(4a, 4b)의 온도(저항치)(n)를 비교함으로써, 공기유량방향이 검출될 수 있다.

도 5의 회로에 있어서, 발열 저항체(4a, 4b)의 온도(저항치)의 비교는 직렬로 접속된 각각의 저항체의 양 끝에서의 전위에 의해 수행된다. 도 5의 지점(C 및 D)사이의 전위차는 상류측 발열 저항체(4a)의 온도에 해당하고, 지점(D 및 E)사이의 전위차는 하류측 발열 저항체(4b)의 온도에 해당한다. 따라서, 제어 회로(26)에 지점(C, D, E)에서의 전위를 입력함으로써, 공기유량의 방향이 각 발열 저항체에 해당하는 전위차로부터 검출된다.

상술된 바와 같이, 종래 기술(일본국 특허 제 2880651 호)의 열식 공기유량 센서가 발열 저항체로만 구성되는 것에 비해, 공기 온도 측정 저항체(6) 및 온도 측정 저항체(5)를 부가하여 구성됨에 따라, 비록 온도가 변하더라도 영향을 받지 않으며, 공기유량의 방향도 검출되어 상당히 정밀한 공기유량 검출을 가능케한다.

다음으로, 열식 공기유량 센서 소자의 도시된 실시예의 제조 과정의 소정의 예시가 도 6에 참조로 하여 기술될 것이다.

도 6(a)에서, 실리콘 반도체 기판의 상하부 표면상에, 이산화 규소(SiO₂)층 (12a, 15)은 열산화처리에 의해 0.5 마이크론 두께로 형성된다. 이 때, 실리콘 반도체 기판(2)의 상부 표면상에 형성된 전기 절연막(12a)으로서, 이산화 규소이외의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 심지어 높은 기계적 강도를 가지고 실리콘 반도체 기판(2)보다 조금 더 큰 잔류 인장 응력을 가지는 질화 규소(Si₃N₄)가 이용될 수 있다. 대안적으로, 실리콘 반도체 기판(2)의 1/10의 열 팽창 계수 및 압축 잔류 응력을 가지는 이산화 규소 및 잔류 응력 및 열 팽창 계수를 맞추기 위해 실리콘 반도체 기판(2)보다 조금 더 큰 열 팽창 계수를 가지는 질화 규소의 다중층 구조를 채용함으로써, 실리콘 반도체 기판(2) 및 전기 절연막(12a)사이의 열응력 및 잔류응력에 기인한 변형이 감소되어 강도를 향상시킬 수 있다.

한편, 격막을 형성하며 전기 절연막(12a)의 상부층으로 형성되는 전기 절연막(12b)에 대해 유사한 막구조를 제공하고 실리콘(Si) 반도체 박막(13)의 수직방향에 대하여 대칭인 막구조로 함으로써, 열응력 및 잔류응력에 기인한 변형이 좀 더 감소되어 강도를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 도 6(b)에서, 전기 절연막(12a) 상에, 발열 저항체(4a, 4b) 및 온도 측정 저항체(5, 6)로서의 비정질 실리콘(Si) 반도체 박막이 CVD 등의 방법으로 약 1 마이크론의 두께로 형성된다. 이 때, 비정질 실리콘(Si) 반도체 박막은 플라즈마를 이용한 LPCVD, 전자 사이클로트론 공명을 이용한 ECR-PCVD, 마이크로 웨이브를 이용한 CVD 등의 방법에 의해 형성된다. 박막의 형성온도를 600 ℃이하로 제어함으로써, 비정질 실리콘(Si) 반도체 박막이 얻어질 수 있다.

그 다음, 형성된 비정질 실리콘(Si) 반도체 박막(13)에 대하여 열 확산 공정에 의한 불순물 도핑 공정을 수행한다. 비정질 실리콘(Si) 반도체 박막(13)의 표면상에 인산유리(POCl₃)를 형성하고 1050℃로 30분간 열처리하여, 전기 저항률이 8×10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도의 인(P)이 도핑처리되는 다결정 실리콘(Si) 반도체 박막이 형성된다.

여기서, 실리콘(Si) 반도체 박막(13)으로서 비정질 막을 형성한 후에 열 확산 공정을 거쳐 다결정으로 형성된다. 이러한 공정을 통해 미리 다결정을 형성하여 열확산을 실행하는 경우에 비하여 인(P)의 더욱 높은 농도의 도핑처리가 가능하게 되어 전기 저항률(ρ)을 낮추어 줌과 동시에 저항의 온도계수(α)가 높아져 저항체로서 적합한 재료 특성을 부여할 수 있다.

다음에, (c)에서와 같이 종래의 포토리소그래피 기술로 소정 형상의 레지스트를 형성한 후, 반응성 이온 에칭 등의 방법을 통해 반도체 박막(13)을 패터닝하여 발열 저항체(4a, 4b), 온도 측정 저항체(5) 및 공기온도 측정 저항체(도시되지 않음)를 형성한다. 이후, 도시되지는 않았으나, 단자 전극(10)(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g) 및, 상기 단자 전극(10)과 각각의 저항체를 연결하는 배선 접속부(9)(9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g)를 알루미늄, 금 등으로 형성한다.

(d)에서와 같이, 단자 전극(10)외의 부분을 보호하기 위해서, 이전에 전기 절연막(12a)을 형성한 방법과 유사한 방법으로 약 0.5 미크론 두께의 전기 절연막(12b)을 형성한다. 다음에, 실리콘 반도체기판(2)내에 공동(8)을 형성하기 위해서, 에칭의 마스크 재료(15)를 소정 형상으로 패터닝하여 반도체기판(2)의 에칭부만을 노출시킨다. 마스크 재료(15)로는 에칭 선택비가 더 높은 이산화규소 또는 질화규소가 사용될 수 있다.

(e)에서와 같이, 최종적으로 이산화규소 또는 질화규소를 마스크 재료로 하여, 수산화칼륨(KOH) 등과 같은 에칭액을 사용하여 실리콘 반도체기판(2)의 이면으로부터 이방성 에칭하여 공동(8)을 형성한다.

전술한 실시예에서 불순물로는 P(인)가 사용된다. 하지만, 그와 같은 n형 불순물인 N(질소), Sb(안티몬), As(비소)나 p형 불순물인 Al(알루미늄), B(붕소) 등이 사용될 수도 있다. 하지만, 고농도의 불순물을 도핑하기 위해서는 고온에서 고체 가용성이 높은 P(인)가 제일 적합하다.

한편, 전술한 실시예에서는 실리콘(Si) 반도체 박막(13)으로서 비정질 막이 열 확산 공정을 통해 다결정화되는 것을 예시하였다. 하지만, SOI(Silicon-On-Insulator)을 사용하여 단결정을 적용하여도 그와 같은 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 구성하면, 발열 저항체(4a, 4b) 및 온도 측정 저항체(5)가 형성된 공동(8)상의 격막(7)이 종래의 기술(일본 특허 제 2880651호)에 비하여 공동(8)의 전체 표면을 덮는 구성이 되므로, 발열 저항체가 계속해서 가열되고 냉각되는 경우, 공기흐름이 증가되는 경우, 그리고 큰 응력이 부과되는 경우에도 충분한 기계적 강도를 유지할 수 있다.

한편, 도핑 처리된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 발열 저항체(4a, 4b) 및 온 도 측정 저항체(5, 6)를 형성하고 전기 저항률이 8×10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도로 인(P)을 도핑함으로써, 온도 측정 저항체(5, 6)의 저항의 온도계수(α)가 상대적으로 크게 유지되어 온도 측정 감도가 향상된다. 또한, 동일한 불순물 농도의 실리콘(Si) 반도체 박막으로 발열 저항체(4a, 4b) 및 온도 측정 저항체(5, 6)를 형성함으로써, 동시에 대량으로 실리콘(Si) 반도체 박막이 형성된다. 따라서, 일본 특개평 제 11-83580호에 비하여 제조공정이 간소하고 저비용이 드는 열식 공기유량센서를 제공할 수 있다.

도 7은 실리콘(Si) 반도체 박막의 전기 저항률(ρ)과 불순물 농도간의 관계를 나타내고, 도 8은 저항의 온도계수(α)와 전기 저항률(ρ)간의 관계를 나타내며, 도 9는 피에조 저항계수(π)와 전기 저항률(ρ)간의 관계를 나타낸다.

선출원된 일본 특개평11-83590호에서는, 도 7 및 도 8에 나타난 불순물 농도가 3×10¹⁹(㎝^-3)이하인 영역(29)을 발열 저항체(4a, 4b)에 적용하고, 불순물 농도가 3×10¹⁹(㎝^-3)이상인 영역(30)을 온도 측정 저항체(5)에 적용한다. 그 이유는 실리콘(Si) 반도체 박막의 저항 온도계수(α)와 전기 저항률(ρ)간의 관계가 도 8에 도시된 바와 같이 고농도로 도핑된 영역에서 점선(33)으로 도시된 관계를 따르기 때문이다.

도 8에서 점선(33)으로 도시된 관계가 성립한다고 가정하면, 그에 따른 결과는 선출원된 일본 특개평11-83580호에서와 마찬가지가 된다.

일반적으로, 실리콘(Si) 반도체 막은 서미스터형 저항-온도 특성을 나타낸 다. 온도 범위가 비교적 협소하고 불순물이 도핑된 경우에는, 금속의 저항-온도 특성은 다음의 수학식(1)으로 표현된다.

R = R0 ( 1 + α(T - T0) )

여기서, R은 온도(T)에서 반도체 막의 저항값이고, R0는 온도(T0)에서 반도체 막의 저항값이며, α는 저항의 온도계수이다.

특히, 온도 측정 저항체(5, 6)로서는 온도에 따른 저항값의 변화를 크게 하려면 저항의 온도계수(α)가 커져야 감지도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 도 8의 점선(33)에 따르면, 저항의 온도계수(α)와 전기 저항률(ρ)간의 관계가 단조 증가하게 된다. 온도 측정 저항체(5, 6)로서는, 저항의 온도계수(α)가 1000(×10^-5/℃)이상인 영역(30)[전기 저항률(ρ)은 30×10^-4Ω㎝이상이며, 불순물 농도는 3×10¹⁹(㎝^-3)이하]이 선택된다.

한편, 발열 저항체(4a, 4b)로서는 온도 측정 저항체(5, 6)와 동일한 불순물 농도 영역(30)이 너무 큰 전기 저항률(ρ)을 가질 수 있다. 발열 저항체(4a, 4b)가 소정 온도(예를 들어, 200℃)로 가열될 경우에는, 발열 저항체(4a, 4b)의 저항값이 커져서 높은 구동 전압이 필요하게 되어 충분히 가열할 수 없다는 문제가 생긴다. 따라서, 발열 저항체(4a, 4b)로는, 도 8의 영역(29)으로 도시된 바와 같이 불순물 농도가 3×10¹⁹(㎝^-3)이상이고 전기 저항률(ρ)은 30×10^-4Ω㎝이하인 영역이 선택된 다.

상술한 바와 같이, 선출원된 일본 특개평 제 11-83580호에서는 온도 측정 저항체(5, 6) 및 발열 저항체(4a, 4b)가 서로 다른 불순물 농도를 갖도록 선택되어 제조 공정이 복잡하고 비용도 많이 들게 된다.

계속해서, 도 8에 도시된 저항 온도계수(α)와 전기 저항률(ρ)간의 관계에 있어서, 불순물 농도가 높은 영역 즉, 전기 저항률(ρ)이 낮은 영역에 대하여 상세히 연구한 결과, 실선으로 도시된 바와 같이, 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하인 영역에서는 저항 온도계수(α)가 증가된다는 사실이 새롭게 밝혀졌다.

따라서, 도 8에 나타낸 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하인 영역에서는 낮은 전기 저항률(ρ)로 큰 저항 온도 계수(α)(1000(×10^-6/℃)이상)가 실현된다. 그 결과, 온도 측정 저항체(5, 6) 및 발열 저항체(4a, 4b) 모두에 대하여 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하인 영역(31)이 적용될 수 있다. 따라서, 동일한 불순물 농도를 갖는 실리콘(Si) 반도체 박막을 동시에 대량으로 형성할 수 있으므로, 선출원된 일본 특개평 제 11-83580호의 제조공정에 비하여 제조공정이 간소해지고 저비용이 드는 열식 공기유량센서가 제공될 수 있다.

또한, 도 9에서 피에조 저항계수(π)와 전기 저항률(ρ)간의 관계로 도시된 바와 같이, 불순물 농도가 증가할수록(전기 저항률(ρ)이 작아질수록) 피에조 저항계수(π)는 작아진다.

피에조 저항계수(π)와 저항 변화율(ΔR/R)간의 관계는 다음의 수학식(2)과 같이 표현된다.

(ΔR/R) = (π) × Δσ

여기서, Δσ는 저항체(R)에 가해진 응력 변화이다.

열식 공기유량센서로서 저항체의 저항 변화율(ΔR/R)은 수학식(1)의 표현과 같이 단지 온도에만 의존하여 변화되고, 온도이외의 저항 변화 요인으로서 피에조 저항계수(π)는 작은 것이 바람직하다. 피에조 저항계수(π)가 큰 경우에는, 저항체 및 전기 절연막 형성 및 에칭 등의 제조공정에서의 응력이 시간경과에 따라 변화(Δσ)하고, 저항값(R)도 변화하기 때문에 기류속도를 정확히 측정하기가 불가능해진다.

본 발명에서는 온도 측정 저항체(5, 6) 및 발열 저항체(4a, 4b) 모두에 대하여, 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하인 영역이 적용될 수 있어서 피에조 저항계수(π)가 작아질 수 있다. 따라서, 선출원된 일본 특개평11-83580호의 제조공정에 비하여 안정된 기류속도 측정이 가능해진다.

다음에, 본 발명의 제 2실시예에 대하여 서술될 것이다. 도 10은 본 발명에 따른 열식 공기유량센서소자(1)의 제 2실시예의 평면도이다. 도 1의 제 1실시예와 다른 점은 온도 측정 저항체(5a, 5b)가 발열 저항체(4)의 상류 및 하류에 형성된다는 것이다.

상술한 바와 같이, 온도 측정 저항체(5a, 5b)가 발열 저항체(4)의 상류 및 하류에 배치되고 상류 및 하류 온도 측정 저항체(5a, 5b)의 온도차로부터 기류속도를 측정하는 온도차 검출 시스템의 경우에, 온도 측정 저항체(5, 6) 및 발열 저항체(4a, 4b) 모두에 대하여 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하인 영역(31)이 적용될 수 있다. 따라서, 동시에 대량으로 동일한 불순물 농도를 갖는 실리콘(Si) 반도체 박막을 형성할 수 있으므로, 열식 공기유량센서의 제조공정이 간소해지고 비용이 절감된다.

기타 임의의 시스템에 대하여도, 반도체 기판(2)상에 발열 저항체 및 온도 측정 저항체가 구축된 열식 공기유량센서에 상술한 바와 같은 본 발명이 적용될 수 있음은 명확하다.

도시된 실시예에서, 전기 절연막을 통해 반도체 기판상에 적어도 발열 저항체와 온도 측정 저항체를 형성함으로써 기류속도를 측정하는 열식 공기유량센서에 있어서, 발열 저항체와 온도 측정 저항체는 도핑된 실리콘(Si) 반도체 박막과 함께 형성되며 고농도로 도핑된 영역(31)의 전기 저항률(ρ)은 8×10^-4Ω㎝이하이다. 따라서, 동시에 대량으로 동일한 불순물 농도를 갖는 실리콘(Si) 반도체 박막을 형성할 수 있으므로, 열식 공기유량센서의 제조공정이 간소해지고 비용이 절감된다.

불순물이 도핑된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 발열 저항체와 온도 측정 저항체를 형성함으로써, 전기 절연막을 지나 반도체 기판상에 적어도 발열 저항체와 온 도 측정 저항체로 형성되며, 실리콘(Si) 반도체 박막의 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도 도핑 공정을 거치는 열식 공기유량센서를 제공하여, 대량으로 동일한 불순물 농도를 갖는 실리콘(Si) 반도체 박막을 형성하는 제조공정이 간소해지고 비용이 절감되며, 이를 이용하여 연료 분사량을 제어하는 내연 기관용 저비용 제어 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

반도체 기판상에 전기 절연막을 경유하여 적어도 발열 저항체와 온도 측정 저항체로 형성되는 열식 공기유량센서에 있어서,

상기 발열 저항체 및 온도 측정 저항체는 불순물이 도핑된 실리콘(Si) 반도체 박막으로 형성되고, 상기 실리콘(Si) 반도체 박막의 전기 저항률(ρ)이 8×10^-4Ω㎝이하가 되도록 고농도 도핑 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항에 있어서,

상기 실리콘(Si) 반도체 박막은, 인(P)을 불순물로서 고농도로 도핑하여 처리되는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 실리콘(Si) 반도체 박막은 단결정인 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 실리콘(Si) 반도체 박막은 불순물 열 확산 공정을 거쳐 비정질 구조로부터 다결정화된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 실리콘(Si) 반도체 박막은 1050℃이상의 온도에서 30분이상 불순물 열 확산 공정을 거쳐 고농도 도핑 처리되는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 반도체 기판은 공동부를 가지며, 상기 발열 저항체는 전기 절연막을 거쳐 상기 공동부상에 형성되는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 1항 또는 제 2항에 기재된 열식 공기유량센서를 사용하여 흡기유량을 측정하고, 연료 분사량을 제어하는 내연기관용 제어시스템.
절연막을 거쳐 반도체 기판상에 제공되며 전원에 의해 열을 발생시키는 저항막 및 상기 저항막의 열 발생을 제어하는 제어회로를 구비하는 열식 공기유량센서에 있어서,

상기 저항막의 온도계수는 1000×10^-6/℃이상이고, 전기 저항률은 8×10^-4Ω㎝이하인 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 8항에 있어서,

상기 반도체 기판에 공동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
제 9항에 있어서,

상기 절연막은 상기 공동부의 전체 또는 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 열식 공기유량센서.
열식 공기유량센서용 검출 소자에 있어서,

반도체 기판; 및

절연막을 거쳐 상기 반도체 기판상에 형성되며, 저항 온도 계수는 1000×10^-6/℃이상이고 전기 저항률은 8×10^-4Ω㎝이하인 저항막을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
제 11항에 있어서,

상기 반도체 기판에는 공동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 소자.
제 12항에 있어서,

상기 절연막은 상기 공동부의 전체 또는 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 검출 소자.