JP2000249584A

JP2000249584A - 熱型センサ

Info

Publication number: JP2000249584A
Application number: JP11050317A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamashita; 彰山下; Yuichi Sakai; 裕一坂井; Kazuhiko Tsutsumi; 和彦堤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP3601993B2

Abstract

(57)【要約】【課題】検出精度の優れた熱型センサを提供する。【解決手段】開口部１２を有する基板１に、第１の支
持膜１５と第２の支持膜１６とを積層し、開口部１２の
直上に位置する第１の支持膜１５を除去し、第２の支持
膜１６上に発熱部１１を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱型センサに関し、
詳細には発熱部を備えた熱型センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱型センサは、発熱部の温度分布又は発
熱部によって加熱された部分の温度分布が、加速度、圧
力、流体等の変化に応じて発生する熱伝達現象に基づい
て、加速度、圧力、流体の流速又は流量を計測するもの
であり、例えば自動車の加速度、内燃機関に加わる圧
力、内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いられ
る。

【０００３】従来の熱型センサの一例として、特公平５
−７６５９号公報で開示されたブリッジタイプの感熱式
流量センサについて、図４及び図５を参照して説明す
る。図４及び図５において、１はシリコン半導体である
基板を、２はシリコンナイトライドである絶縁性の支持
膜を、３はシリコンナイトライドである絶縁性の保護膜
を、４は感熱抵抗膜であるパーマロイよりなる発熱抵抗
を、５及び６はいずれも感熱抵抗膜であるパーマロイよ
りなる測温抵抗を、７は感熱抵抗膜であるパーマロイか
らなる比較抵抗を示す。２つの測温抵抗５、６は、発熱
抵抗４を挟んで、計測しようとする流体１０に流れの方
向と垂直になるように配置されている。発熱抵抗４及び
測温抵抗５、６が形成された部分の直下には空気スペー
ス９が設けられ、ブリッジ構造を形成している。空気ス
ペース９は、シリコンナイトライド膜をエッチングしな
いエッチング液を用いて、基板１に形成された開口部８
から基板１の一部を除去して形成される。

【０００４】次に、上記流量センサの動作について説明
する。流量センサでは、発熱抵抗４の温度を比較抵抗７
で検出された基板１の温度よりも例えば２００℃高く維
持するように、制御回路（図示せず）によって発熱抵抗
４に電流が通電されている。尚、先に説明したように発
熱抵抗４の下方には空気スペース９が存在するので、発
熱抵抗4で発生した熱は比較抵抗７には伝達されること
はないので、比較抵抗７で検出される温度は周囲の空気
の温度とほぼ等しい。

【０００５】発熱抵抗４で発生した熱は、支持膜２や保
護膜３あるいは感熱抵抗膜を介して測温抵抗５、６に伝
達される。図４に示すように、測温抵抗５、６は、発熱
抵抗4に対して対称な位置に配置されているので、空気
の流れがない場合は、２つの測温抵抗５、６の温度は等
しく、測温抵抗５、６の抵抗値に差はない。しかしなが
ら、空気の流れがある場合、上流側の測温抵抗は空気に
よって冷却されるが、下流側の測温抵抗は発熱抵抗から
空気で伝達された熱によって加熱されるので、上流側の
測温抵抗ほど冷却されない。例えば、矢印１０で示す方
向の空気の流れが生じた場合は、上流側の測温抵抗５は
下流側の測温抵抗６よりも低温となり、両者の抵抗値の
差は、空気の流速又は流量が大きいときほど広がる。こ
のように、測温抵抗５、６の抵抗値の差を検出すること
により、空気の流速又は流量を測定することができる。
また、空気の流れの方向が矢印１０と逆になった場合
は、測温抵抗６が測温抵抗５より低温になるので、空気
の流れの方向も検出することができる。

【０００６】上述したブリッジタイプ以外に、ダイヤフ
ラムタイプの感熱式流量センサが広く利用されている。
以下、図６及び図７を参照して、従来のダイヤフラムタ
イプ感熱式流量センサについて説明する。図６及び図７
において、１〜１０の各構成要素は、上記ブリッジタイ
プの流量検出素子の同一番号を付した構成要素と実質的
に同じものであり、１２は、基板１の支持膜２が形成さ
れた面と反対側の面から該基板１の一部をエッチングで
除去して形成された開口部である。つまり、ダイヤフラ
ムタイプ感熱式流量センサにおいて、発熱抵抗４及び２
つの測温抵抗５、６が支持膜２及び保護膜３に挟まれた
ダイヤフラム領域１４の直下の基板１は除去されてい
る。このような構成にすると、ブリッジタイプの流量セ
ンサに比べて、高い強度を得ることができる。なお、空
気の流速又は流量の検出原理は、ブリッジタイプの流量
検出素子の場合と同様である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなダイヤフラムタイプの流量センサには以下に説明す
るような課題がある。

【０００８】従来の流量センサでは、支持膜中にピンホ
ールが存在すると、基板を除去する際、ピンホールから
エッチング液浸透し、支持膜を支えている基板の表面が
エッチングされ、ピットが形成されたり、ダイヤフラム
形状がいびつとなるので、流量センサの信頼性が低下す
るという課題があった。これに対処するために、ピンホ
ールのない緻密な支持膜を形成すると、基板を除去した
後、支持膜自体が撓むので、ダイヤフラムの形状をフラ
ットに維持することは困難であった。

【０００９】さらに、発熱抵抗に通電して、発熱抵抗部
が昇温されると、発熱抵抗部が熱膨張し、ダイヤフラム
領域が撓むので、流量センサの信頼性が低下し、流量セ
ンサの応答特性にばらつきが生じるという課題があっ
た。また、このように、動作中にダイヤフラム領域の撓
み変化が繰り返されると、流量センサの耐久性が損なわ
れるという課題もあった。

【００１０】本発明の第１の目的は、検出精度の優れた
熱型センサを提供することである。

【００１１】本発明の第２の目的は、検出精度に優れ、
かつ信頼性が高く、撓みのないダイヤフラム領域を備え
ている熱型センサを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の熱型センサは、
開口部を有する基板と、基板上に開口部を覆うように形
成された絶縁性の支持部と、支持部上に形成されかつ開
口部上に位置する感熱抵抗膜からなる発熱部と、発熱部
上に形成された絶縁性の保護部とを備えている熱型セン
サであって、支持部は基板上に形成された第１の支持膜
と第１の支持膜とは異なる第２の支持膜とが積層されて
なり、開口部の直上に位置する第１の支持膜が除去され
かつ、第２の支持膜上に発熱部を備えていることを特徴
とする。即ち、支持部を２層構造とし、基板の表面を第
１の支持膜で保護して基板に開口部を形成し、熱伝導性
に優れたダイヤフラム領域を形成することで、熱型セン
サの検出精度を向上させることができる。

【００１３】本発明の熱型センサにおいて、除去するの
に容易な絶縁性の酸化膜で第１の支持膜を形成するのが
好ましい。具体的には、酸化膜として、二酸化シリコン
膜を用いるのがより好ましい。

【００１４】本発明の熱型センサにおいて、基板をシリ
コン基板とし、シリコン基板の表面を熱酸化して二酸化
シリコン膜を形成して第１の支持膜としてもよい。

【００１５】本発明の熱型センサにおいて、第２の支持
膜、発熱部及び保護膜からなる領域の形状が、発熱部の
熱膨張によって変形されないように、第２の支持膜及び
上記保護膜の少なくとも一方に引張応力を設定して、ダ
イヤフラム領域の撓みを防止するのが好ましい。

【００１６】本発明の熱型センサにおいて、第２の支持
膜及び保護膜の少なくとも一方を、応力制御が容易な絶
縁性の窒化膜とするのが好ましく、具体的には、シリコ
ンナイトライドとするのがより好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の熱
型センサである流量センサについて説明する。

【００１８】実施の形態１．最初に図１を参照して実施
の形態１にかかる流量センサ３０について説明する。流
量センサ３０は、絶縁性の第２の支持膜１６上に形成さ
れた発熱部１１を備えている。詳細に説明すると、第２
の支持膜１６は基板上に絶縁性の第１の支持膜を介して
形成されたものであり、発熱部１１は感熱抵抗膜で形成
されたものであり、かつ側温抵抗と発熱抵抗とを含んで
いる。さらに、発熱部１１の周囲であるダイヤフラム領
域１４の下方に位置する基板は除去されていて、発熱部
１１上には保護膜（図示せず）が設けられている。

【００１９】次に、図２及び図３を参照して、流量セン
サ３０の製造方法について説明する。最初に図２（ａ）
に示すように、厚さ約４００μｍのシリコンウェハの基
板１に、厚さ約０.５μｍの絶縁膜を第１の支持膜１５
として積層し、第１の支持膜１５上に厚さ約１μｍの絶
縁膜を第２の支持膜１６として積層する。具体的には、
第１の支持膜１５を酸化膜で形成するのが好ましい。

【００２０】続いて、第２の支持膜１６上に蒸着法やス
パッタ法等によって、厚さ０.２μmの白金等を感熱抵抗
膜として成膜し、さらに、この感熱抵抗膜を写真製版
法、ウェットエッチング法又はドライエッチング法等を
用いてパターニングして、図２（ｂ）に示すように、測
温抵抗と発熱抵抗とを備えた発熱部１１を形成する。さ
らに、図２（ｃ）に示すように、発熱部１１及び第２の
支持膜１６を覆うように厚さ１μｍの絶縁性の保護膜３
を積層する。

【００２１】さらに、基板１の第１の支持膜１５が配置
された面とは反対側の面に裏面保護膜（図示せず）を設
け、この裏面保護膜に写真製版法等を用いてエッチング
ホールを形成する。続いて、図３（ａ）に示すように、
エッチングホール有する裏面保護膜を利用して、アルカ
リエッチング等によって、基板１の一部を除去し開口部
１２を設け、ダイヤフラム領域１４を形成する。

【００２２】この後、ウエットエッチング等により、図
３（ｂ）に示すように、ダイヤフラム領域１４直下の第
１の支持膜１５のみを除去する。この際、エッチング時
間を１０分以下と短くすることで、第１の支持膜１５
は、厚さ方向にのみエッチングされるので、ダイヤフラ
ム領域１４直下の第１の支持膜１５のみを除去すること
ができる。

【００２３】このように、ダイヤフラム領域１４の直下
に位置する第１の支持膜１５を除去することにより、ダ
イヤフラム領域１４を薄く形成することができる。即
ち、基板１上に２層構造の支持膜を形成した後、第１の
支持膜１５でダイヤフラム領域１４の直下以外に位置す
る基板１の表面を保護しつつ、基板１を除去してダイヤ
フラム領域１４を形成し、続いて、ダイヤフラム領域１
４直下の第１の支持膜１５のみを除去することで、基板
１の表面にピット等を発生させることなく、ダイヤフラ
ム領域１４の厚さを薄くすることができる。このように
して、ダイヤフラム領域１４の熱伝導度を向上させるこ
とで、流量センサ３０の流量検出精度を優れたものにす
ることができる。

【００２４】さらに、ダイヤフラム領域１５の直下の基
板１を除去する際、第２の支持膜１６又は保護膜３に存
在するピンホール等にエッチング液が浸入し、さらにこ
のエッチング液が基板１の表面に達することを防止する
ために、ピンホールのない第１の支持膜１５を用いるの
が好ましい。このようにピンホールの無い第１の支持膜
を用いると、基板１の表面にエッチングピットが発生す
ることをより確実に防止することができる。さらに、第
２の支持膜１６によってダイヤフラム領域１４の撓みが
防止されるので、ダイヤフラム領域の形状異常を防止す
ることができる。つまり、上述した方法で製造された流
量センサ３０は、応答特性のばらつきが少なく、信頼性
の高いものである。

【００２５】実施の形態２．本発明の実施の形態２にか
かる流量センサは、上記実施の形態１にかかる流量セン
サの第２の支持膜及び保護膜を、引張応力を設定するこ
とできるもので構成したものである。即ち、第２の支持
膜及び保護膜の引張応力を設定することにより、発熱部
が通電され熱膨張した場合、この熱膨張で発生する応力
を第２の支持膜及び保護膜の引張応力で打ち消すことに
より、ダイヤフラム領域が撓むことを防止することがで
きる。こうすることで、流量センサの信頼性を向上させ
ることができる。尚、保護膜及び第２の支持膜の引張応
力は、発熱部に実際に通電される電流に応じて発生する
熱膨張に打ち勝つ程度であればよい。また、実施の形態
２の流量センサは、上記実施の形態１の流量センサと同
様の作用・効果を示す。

【００２６】上記実施の形態では、第２の支持膜及び保
護膜の引張応力を設定したが本発明はこれに限定される
ものではなく、第２の支持膜及び保護膜のいずれか一方
の引張応力のみを設定してもよい。

【００２７】実施の形態３．本発明の実施の形態３にか
かる流量センサは、上記実施の形態１の流量センサの第
１の支持膜を二酸化シリコン膜で形成したものである。
二酸化シリコン膜は、容易に形成することが可能でか
つ、ピンホールが少ないのでより確実に基板１の表面を
保護することができる。また、二酸化シリコン膜で第１
の支持膜を形成し、さらに第２の支持膜を耐フッ化水素
酸性の膜で形成して、フッ化水素酸の水溶液を用いるこ
とで、第１の支持膜のみを容易に除去することができる
ので、流量センサを容易かつ低コストに製造することが
できる。

【００２８】また、上記二酸化シリコン膜は、ＣＶＤ法
又は熱酸化法等によって形成することができる。特に、
シリコン基板を熱酸化して二酸化シリコン膜を形成する
熱酸化法を用いる場合、シリコン基板の両面にピンホー
ルの無い二酸化シリコン膜を容易に形成することができ
るので、一方の表面に形成された二酸化シリコン膜を第
１の支持膜とし、他方の表面に形成された二酸化シリコ
ン膜を裏面保護膜とすることで、裏面保護膜を形成する
工程を省略することができる。つまり、熱酸化法を用い
ることで、工程を省略し、流量センサの製造コストを低
くすることができる。

【００２９】実施の形態４．本発明の実施の形態４にか
かる流量センサは、上記実施の形態２にかかる流量セン
サの保護膜及び第２の支持膜をシリコンナイトライド膜
で形成したものである。具体的には、スパッタ法または
ＣＶＤ法等によってシリコンナイトライド膜を形成す
る。シリコンナイトライド膜は膜の引張応力の制御が容
易であるから、このようなシリコンナイトライド膜を保
護膜及び第２の支持膜に利用することで、ダイヤフラム
領域の膜応力を引張応力として制御することが可能とな
り、発熱部が熱膨張した場合でも、この熱膨張による応
力は保護膜及び第２の支持膜の引張応力に打ち消され、
ダイヤフラム領域の撓みを防止することができる。

【００３０】また、シリコンナイトライド膜は耐フッ化
水素酸性の膜であるから、第１の支持膜に二酸化シリコ
ン膜を用いることで、フッ化水素酸の水溶液で第１の支
持膜のみを容易に除去することができる。つまり、第１
の支持膜を二酸化シリコン膜で形成し、第２の支持膜を
シリコンナイトライド膜で形成することで、流量センサ
の製造方法が容易になり、製造コストを引き下げること
ができる。

【００３１】上記実施の形態では、保護膜及び第２の支
持膜の両方を、シリコンナイトライド膜で形成したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、保護膜及び第
２の支持膜のいずれか一方を絶縁性の窒化膜で形成して
もよい。

【００３２】上述した実施の形態１ないし４では、熱型
センサを流量センサに用いたが本発明はこれに限定され
るものではなく、本発明の熱センサを、加速度センサや
圧力センサ等に用いても上述した作用・効果を得ること
ができる。

【００３３】

【発明の効果】上述したように、本発明の熱型センサ
は、支持部を２層構造として、基板の表面を第１の支持
膜で保護し、基板に開口部を形成して、熱伝導性に優れ
たダイヤフラム領域を設けることで、熱型センサの検出
精度を向上させることができる。

【００３４】本発明の熱型センサにおいて、第１の支持
膜を絶縁性の酸化膜とすることで、容易に第１の支持膜
を除去することができる。

【００３５】本発明の熱型センサにおいて、第１の支持
膜を二酸化シリコン膜とすることで、さらに容易に第１
の支持膜を除去することができる。

【００３６】本発明の熱型センサにおいて、基板をシリ
コン基板とし、シリコン基板の表面を熱酸化して二酸化
シリコン膜を形成して第１の支持膜とすることで、二酸
化シリコン膜を容易に得ることができる。

【００３７】本発明の熱型センサにおいて、第２の支持
膜及び保護膜の少なくとも一方の応力を調整して、第２
の支持膜、発熱部及び保護膜からなる領域の形状が、発
熱部の熱膨張によって変形されないようにして、ダイヤ
フラム領域の撓みを防止することで、熱型センサの信頼
性を向上させることができる。

【００３８】本発明の熱型センサにおいて、第２の支持
膜及び保護膜の少なくとも一方を、絶縁性の窒化膜とす
ることで、第１の支持膜を容易に除去することができ
る。

【００３９】本発明の熱型センサにおいて、第２の支持
膜及び保護膜の少なくとも一方を、シリコンナイトライ
ドとすることで、第１の支持膜を容易に除去することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本明の実施の形態１にかかる流量センサの平
面図を示す。

【図２】本明の実施の形態１にかかる流量センサの製
造工程を示す断面図で、（ａ）は基板に第１の支持膜及
び第２の支持膜を形成する工程を、（ｂ）は発熱部を形
成する工程を、（ｃ）は保護膜を形成する工程を示す。

【図３】本明の実施の形態１にかかる流量センサの製
造工程を示す断面図で、（ａ）は基板を除去する工程
を、（ｂ）は第１の支持膜を除去する工程を示す。

【図４】従来のブリッジタイプの感熱式流量センサの
平面図を示す。

【図５】従来のブリッジタイプの感熱式流量センサの
断面図を示す。

【図６】従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量セン
サの平面図を示す。

【図７】従来のダイヤフラムタイプの感熱式流量セン
サの断面図を示す。

【符号の説明】

１基板、３保護膜、１１発熱部、１２開
口部、１４ダイヤフラム領域、１５第１の支持
膜、１６第２の支持膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堤和彦東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA04 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開口部を有する基板と、上記基板上に上
記開口部を覆うように形成された絶縁性の支持部と、上
記支持部上に形成されかつ上記開口部上に位置する感熱
抵抗膜からなる発熱部と、該発熱部上に形成された絶縁
性の保護部とを備えている熱型センサであって、上記支持部は、上記基板上に形成された第１の支持膜と
該第１の支持膜とは異なる第２の支持膜とが積層されて
なり、上記開口部の直上に位置する上記第１の支持膜が除去さ
れかつ、上記第２の支持膜上に上記発熱部を備えている
ことを特徴とする熱型センサ。
【請求項２】上記第１の支持膜が、絶縁性の酸化膜で
あることを特徴とする請求項１記載の熱型センサ。
【請求項３】上記酸化膜が、二酸化シリコン膜である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱型センサ。
【請求項４】上記基板がシリコン基板であり上記二酸化シリコン膜は上記シリコン基板の表面を熱酸
化して形成したものであることを特徴とする請求項３記
載の熱型センサ。
【請求項５】上記第２の支持膜、上記発熱部及び上記
保護膜からなる領域の形状が、該発熱部の熱膨張によっ
て変形されないように、上記第２の支持膜及び上記保護
膜の少なくとも一方に引張応力を設定したことを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱型セン
サ。
【請求項６】上記第２の支持膜及び上記保護膜の少な
くとも一方を絶縁性の窒化膜で形成したことを特徴とす
る請求項５記載の熱型センサ。
【請求項７】上記窒化膜が、シリコンナイトライドで
あることを特徴とする請求項６記載の熱型センサ。