(57)【要約】【課題】発熱抵抗体の熱膨張による塑性変形を抑制して発熱抵抗体の抵抗変化を低減することにより、長期間測定精度を維持できる熱式センサ装置を提供する。【解決手段】開口部２ａが形成された基板２と、開口部２ａを架橋するように、下層積層膜３ａ、発熱抵抗体５、および上層積層膜３ｂを積層した構造のダイアフラム４とを備えた熱式センサ装置１において、下層積層膜３ａの膜厚が上層積層膜３ｂの膜厚よりも大きく、下層積層膜３ａの平均熱膨張係数が上層積層膜３ｂの平均熱膨張係数よりも大きく、下層積層膜３ａが熱膨張係数の異なる複数の膜から成り、前記複数の膜のうち最も熱膨張係数の大きい膜が下層積層膜３ａの厚さ中心よりも下側に形成されている。【選択図】  図２
2020204500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が形成された基板と、
前記開口部を架橋するように、下層積層膜、発熱抵抗体、および上層積層膜を積層した構造のダイアフラムとを備えた熱式センサ装置において、
前記下層積層膜の膜厚が前記上層積層膜の膜厚よりも大きく、
前記下層積層膜の平均熱膨張係数が前記上層積層膜の平均熱膨張係数よりも大きく、
前記下層積層膜が熱膨張係数の異なる複数の膜から成り、
前記複数の膜のうち最も熱膨張係数の大きい膜が前記下層積層膜の厚さ中心よりも下側に形成されている
ことを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱式センサ装置において、
前記下層積層膜に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とが交互に形成されており、
前記下層積層膜の最下層の酸化シリコン膜の膜厚が前記下層積層膜の最上層の酸化シリコン膜の膜厚よりも小さい
ことを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱式センサ装置において、
前記下層積層膜に窒化シリコン膜が少なくとも２層形成され、
前記下層積層膜の２つの窒化シリコン膜に挟まれた酸化シリコン膜の膜厚が前記下層積層膜の最上層の酸化シリコン膜の膜厚よりも小さい
ことを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱式センサ装置において、
前記上層積層膜は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とからなり、
前記上層積層膜に含まれる窒化シリコン膜の膜厚が前記下層積層膜に含まれる窒化シリコン膜の膜厚よりも小さい
ことを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項５】
請求項３に記載の熱式センサ装置において、
前記下層積層膜に含まれる複数の窒化シリコン膜のうち最下層の窒化シリコン膜の膜厚が最も大きい
ことを特徴とする熱式センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムに発熱抵抗体を形成した熱式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。特許文献１には、発熱抵抗体を保持する下部薄膜と上部薄膜の膜厚を厚くして機械的強度を高めることができ、且つ全体の反りを低減したエアフローセンサが記載されている。このエアフローセンサは、シリコン基板に形成した空洞部を架橋するように、下部薄膜、ヒータ層および上部薄膜を積層した構造の薄膜発熱部（以下、ダイアフラム）を有する。下部薄膜及び上部薄膜は、それぞれ圧縮応力膜と引張応力膜とを組み合わせた構成とし、ヒータ層を挟んで下部薄膜と上部薄膜とが対称構造となるように積層される。圧縮応力膜は密着性の良い酸化シリコン膜で構成し、引張応力膜は、耐湿性の良い窒化シリコン膜で構成している。下部薄膜と上部薄膜とを対称構造にすることで反りモーメントを打ち消してダイアフラム全体の反りを抑制できる。これにより、特許文献１のエアフローセンサは、下部薄膜及び上部薄膜の膜厚を厚くすることができ、ダイアフラムの機械的強度の向上を図っている。
【０００３】
また、本技術分野の背景技術として、特許文献２がある。特許文献２には、発熱抵抗体の下層の絶縁膜について、圧縮応力を有する膜と引っ張り応力を有する膜とが交互に配置され且つ引っ張り応力膜を有する膜が２層以上配置している。これによりダイアフラムのたわみを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２７１１２３号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２０１０−１３３８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
気体の流れや濃度などの微小な変化を検出するためには、発熱抵抗体の温度を高温化し検出感度を高める必要がある。例えば、エアフローセンサにおいては、発熱抵抗体を２００℃程度の高温に加熱している。また、湿度などの気体濃度を計測するためには発熱抵抗体を５００℃程度に加熱している。
【０００７】
発熱抵抗体を加熱するとダイアフラムの温度が上昇し熱膨張が生じる。熱膨張によりひずみが生じ、この状態で長期間継続すると発熱抵抗体に塑性変形が生じ抵抗値が変化する。この抵抗値の変化により加熱温度が変化して計測値に誤差が生じる。
【０００８】
特許文献１や特許文献２では、室温でのダイアフラムの反りを低減することが可能であるが、発熱抵抗体を加熱することによるダイアフラムの膨張は生じる。この膨張が発熱抵抗体へ与える影響については考慮されておらず配慮が十分ではなかった。
【０００９】
高温状態を長期間継続することによる発熱抵抗体の抵抗変化を低減するためには、発熱抵抗体の膨張を抑えひずみを小さくすることが有効である。温度変化によるひずみを低減するためには、熱膨張係数の小さい酸化シリコン膜により発熱抵抗体を覆い、熱膨張係数の大きい窒化シリコン膜は極力使用しないことが望ましい。しかし、このような構成にすると、ダイアフラムを保持するシリコン基板との熱膨張係数差が大きくなりダイアフラムにしわが生じ異形化する。ダイアフラムが異形化すると、ダイアフラムに割れが発生しやすくなり機械的信頼性が損なわれる。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱抵抗体の熱膨張による塑性変形を抑制して発熱抵抗体の抵抗変化を低減することにより、長期間測定精度を維持できる熱式センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、開口部が形成された基板と、前記開口部を架橋するように、下層積層膜、発熱抵抗体、および上層積層膜を積層した構造のダイアフラムとを備えた熱式センサ装置において、前記下層積層膜の膜厚が前記上層積層膜の膜厚よりも大きく、前記下層積層膜の平均熱膨張係数が前記上層積層膜の平均熱膨張係数よりも大きく、前記下層積層膜が熱膨張係数の異なる複数の膜から成り、前記複数の膜のうち最も熱膨張係数の大きい膜が前記下層積層膜の厚さ中心よりも下側に形成されているものとする。
【００１２】
以上のように構成した本発明によれば、下層積層膜の膜厚が上層積層膜の膜厚よりも大きいため、ダイアフラムの厚さ中心よりも上層側に発熱抵抗体が配置される。また、下層積層膜の平均熱膨張係数が上層積層膜の平均熱膨張係数よりも大きいため、発熱抵抗体を加熱したときにダイアフラムに曲げ変形が生じる。そのため、ダイアフラムの厚さ中心よりも上層側には、ダイアフラムの熱膨張による伸びひずみに加えて、ダイアフラムの曲げ変形による圧縮ひずみが生じる。その結果、ダイアフラムの厚さ中心より上層側に配置されている発熱抵抗体の伸びひずみは、ダイアフラムの曲げ変形による圧縮ひずみによって低減される。以上の作用により、発熱抵抗体の熱膨張による塑性変形が抑制され、発熱抵抗体の抵抗変化が低減されるため、熱式センサ装置の測定精度を長期間維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る熱式センサ装置によれば、発熱抵抗体の熱膨張による塑性変形を抑制して発熱抵抗体の抵抗変化を低減することにより、長期間測定精度を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例に係る平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ‘断面を示す断面図である。
【図３】本発明の熱式センサ装置の駆動回路（回路構成）の一実施例を示す回路図である。
【図４】ダイアフラムが引張性である場合と圧縮性である場合の反り形状を示す図である。
【図５】本発明に係るセンサ素子の一実施例における発熱部を拡大した断面図である。
【図６】本発明に係るセンサ素子の一実施例における発熱部の断面方向のひずみを示す図である。
【図７】本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例に係る断面図である。
【図８】本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例に係る断面図である。
【図９】本発明の熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例に係る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施例について説明する。各実施例は、一例としてエンジンの吸気通路に取り付け、吸気通路を流れる吸入空気の流量計測を行うものについて説明するが、発熱抵抗体の放熱量や温度の変化から気体の湿度や水素濃度を計測する気体センサにも適用できる。
【実施例１】
【００１６】
本発明に係る第１の実施例について以下説明する。本実施例による熱式流量計のセンサ素子１の構成を図１により説明する。センサ素子１の基板２は、シリコンなどの熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板２上に下層積層膜３ａ，上層積層膜３ｂを形成する。下層積層膜３ａと上層積層膜３ｂに挟まれるように発熱抵抗体５と、発熱抵抗体５の周囲に発熱抵抗体５の加熱温度を検出する加熱温度センサ７と、加熱温度センサ７の両側には上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂが形成される。上流側温度センサ８ａ，８ｂは発熱抵抗体５に対して空気流６の流れの上流側、下流側温度センサ９ａ，９ｂは発熱抵抗体５に対して空気流６の流れの下流側に配置する。また、下層積層膜３ａ上には、空気流６の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体１０，１１，１２を配置する。そして、センサ素子１の最表面は上層積層膜３ｂによって覆われる。上層積層膜３ｂは電気的絶縁を行うほか、保護膜としても働く。さらに、基板２の一部を裏面からエッチングなどにより除去することで、薄膜発熱部としてのダイアフラム４を形成する。
【００１７】
上記の構成において、発熱抵抗体５の温度を加熱温度センサ７で検出し、空気流６の温度に対して一定温度高くなるように加熱制御し、空気流６により生じる上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂの温度差から空気流量を検出する。
【００１８】
これらの発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２は温度によって抵抗値が変化する材料で形成する。例えば、白金、モリブデン、タングステン、ニッケル合金などの抵抗温度係数の大きい金属材料により形成すると良い。また、下層積層膜３ａ、上層積層膜３ｂは酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）により約２ミクロン厚の薄膜状に形成し、熱絶縁効果が得られる構造とする。
【００１９】
センサ素子１の端部には、発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２を構成する各抵抗体を駆動・検出回路と接続するための複数の電極が形成された電極パッド１３を設ける。尚、電極パッド１３はアルミなどで形成する。また、発熱抵抗体５や各温度センサと電極パッド１３を接続するための配線を形成する。
【００２０】
図２にセンサ素子１の断面構造を示す。基板２上には下層積層膜３ａが形成される。下層積層膜３ａは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を交互に積層した構成である。下層から順に、Ｓｉ基板を熱酸化した酸化シリコン膜１４ａ、窒化シリコン膜１５ａ、酸化シリコン膜１４ｃが形成される。これらの酸化シリコン膜１４ａ，１４ｃ及び窒化シリコン膜１５ａはＣＶＤ法により形成することができる。下層積層膜３ａ上には発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂが形成される。これらの上層には上層積層膜３ｂが形成される。上層積層膜は下から順に、酸化シリコン膜１４ｄ、窒化シリコン膜１５ｃ、酸化シリコン膜１４ｅが形成される。これらの酸化シリコン膜１４ｄ〜１４ｅ及び窒化シリコン膜１５ｃはプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００２１】
本実施例では、下層積層膜３ａの材料として熱膨張係数の異なる酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を用いた構成としているがこれらの材料に限定されるものではない。例えば、酸化シリコン膜の熱膨張係数は０．５×１０−６（／℃）、窒化シリコン膜の熱膨張係数は３．６×１０−６（／℃）程度である。これらの膜の他に、熱膨張係数の異なる材料を用いることができ例えば窒化シリコン膜に変えて窒化アルミニウムなどの用いることができる。窒化アルミニウムの熱膨張係数は５．７×１０−６（／℃）程度である。
【００２２】
本実施例では、上層積層膜３ｂの材料として酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を用いたがこれらの膜に限定されるものではない。本発明の実施においては、上層積層膜３ｂの平均熱膨張係数が下層積層膜３ａの平均熱膨張係数よりも小さくなる構成とすればよい。したがって、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜など２種の膜を用いる必要はなく、酸化シリコン膜のみで構成しても良い。平均熱膨張係数は、それぞれの膜の熱膨張係数の膜厚の加重平均で定義される。
【００２３】
上記に示した酸化シリコン膜および窒化シリコン膜の具体的な膜厚は本発明による作用・効果とともに後述する。
【００２４】
次に、センサ素子１の駆動・検出回路について説明する。
【００２５】
図３に示されるように、発熱抵抗体５の温度によって抵抗値が変化する加熱温度センサ７と感温抵抗体１０とからなる直列回路と、感温抵抗体１１と感温抵抗体１２とからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成し、各直列回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。これらの直列回路の中間電圧を取り出し、増幅器１６に接続する。増幅器１６の出力は、トランジスタ１７のベースに接続する。トランジスタ１７のコレクタは電源ＶＢに接続し、エミッタは発熱抵抗体５に接続し、フィードバック回路を構成する。これにより、発熱抵抗体５の温度Ｔｈは空気流６の温度Ｔａに対して温度ΔＴｈ（＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように制御される。
【００２６】
そして、上流側温度センサ８ａと下流側温度センサ９ａとからなる直列回路と、下流側温度センサ９ｂと上流側温度センサ８ｂとからなる直列回路とを並列接続したブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。空気流により上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂとに温度差が発生すると、ブリッジ回路の抵抗バランスが変化して差電圧が発生する。この差電圧を増幅器１８を介して検出することよって空気流量に応じた出力Ｖｏｕｔが得られる。
【００２７】
以下、上記のような熱式センサ装置における発熱抵抗体５の抵抗変化について説明する。尚、抵抗変化は発熱抵抗体５だけでなく加熱温度センサ７や上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂなどダイアフラム４上に形成された抵抗体にも生ずる。特に温度が高くなる発熱抵抗体５と加熱温度センサ７は抵抗変化の大きく本発明によって得られる効果が高い。
【００２８】
発熱抵抗体５の抵抗変化を低減するためには、発熱抵抗体５が形成される下層積層膜３ａ及び上層積層膜３ｂを熱膨張係数の小さい膜とするとこが好ましいことが発明者の実験により判明した。つまり酸化シリコンの膜厚を増やし、窒化シリコン膜の膜厚を減らすことが必要である。
【００２９】
しかしながら、ダイアフラム４を酸化シリコンにより形成すると、ダイアフラム４が異形となる。図４にダイアフラム４が引張性である場合と圧縮性である場合の反り形状を示す。
【００３０】
図４（Ａ）は、熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変形を概念的に示す断面図であり、ダイアフラム４を形成する積層膜の合成応力が引張性となるように膜厚を設定した場合の、ダイアフラム４の断面形状を示す図である。図４（Ａ）では、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を積層してダイアフラム４を形成している。酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の合成応力は引張性となるように、各膜厚が設定されている。この場合、図４（Ａ）に示すように、ダイアフラム４は平坦な形状となり良好に製造することができる。
【００３１】
図４（Ｂ）は、ダイアフラム４を形成する積層膜の合成応力が圧縮性となるように膜厚を設定した場合の、ダイアフラム４の断面形状を示す図である。図４（Ｂ）では、酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の合成応力は圧縮性となるように、各膜厚が設定されている。ダイアフラム４の酸化シリコン膜の比率を増して圧縮性とした場合、図に示すように、ダイアフラム４にしわが生じダイアフラム４が異形化する。
【００３２】
以上のことから、ダイアフラム４の膜構成としては引張り性を持つように形成する必要があるため，引張応力が得られるように窒化シリコン膜を所定の厚さ設ける必要がある。
【００３３】
上記のように窒化シリコン膜を所定の厚さ設ける必要があるため、ダイアフラム４の熱膨張係数の低減には制限が生じる。この制約を満たしてダイアフラム４の膨張による発熱抵抗体５のひずみを抑制することが本発明の目的である。本発明によれば、ダイアフラム４全体の窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の膜厚比を変えることなく、発熱抵抗体５の膨張を抑制することができる。以下、具体的実施例を説明する。
【００３４】
図５は、図２におけるセンサ素子１の発熱抵抗体５を加熱したときの変形を示す断面図である。下層積層膜３ａは、下層から順に、酸化シリコン膜１４ａ、窒化シリコン膜１５ａ、酸化シリコン膜１４ｃが形成される。ここで、下層積層膜３ａのうち、下層側の酸化シリコン膜１４ａの膜厚Ｔ１と上層側の酸化シリコン膜の膜厚Ｔ３は、Ｔ１＜Ｔ３となるように形成している。これにより熱膨張係数の大きい窒化シリコン膜１５ａがより下層側へ配置されるようになる。つまり、下層積層膜３ａは熱膨張係数の異なる酸化シリコン膜１４ａ，１４ｃ、窒化シリコン膜１５ａから成り、これらの膜のうち最も熱膨張係数の大きい窒化シリコン膜１５ａが下層積層膜３ａの厚さ中心よりも下層側に形成される。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００３５】
以下、曲げひずみを増加させることによる効果を説明する。図６に本発明の構成において、発熱抵抗体５を加熱した時に発生するダイアフラム４の膜内部のひずみを示す。発熱抵抗体５を加熱するとダイアフラム４を構成する膜全体の平均熱膨張係数に応じて伸びひずみεｓが生じる。これに加えて膜構成の非対称性により上層側と下層側の熱膨張係数差が生じることで曲げひずみεｂが発生する。曲げ変形における内周側は圧縮ひずみが生じ、外周側は伸びひずみが生じる。発熱抵抗体５は、曲げ変形における内周側、つまりダイアフラム４の厚さ中心よりも上層側に配置されているため、曲げひずみεｂによるひずみは圧縮ひずみεｂｍが働く。発熱体のひずみεｓｍは、この圧縮ひずみεｂｍより伸びひずみεｓが相殺された値となる。これにより、発熱体の伸びひずみを低減され、温度の変化にともなう発熱体の伸縮を抑制し、伸縮にともなる発熱体の抵抗変化を低減することができる。
【００３６】
本実施例では、開口部２ａが形成された基板２と、開口部２ａを架橋するように、下層積層膜３ａ、発熱抵抗体５、および上層積層膜３ｂを積層した構造のダイアフラム４とを備えた熱式センサ装置１において、下層積層膜３ａの膜厚が上層積層膜３ｂの膜厚よりも大きく、下層積層膜３ａの平均熱膨張係数が上層積層膜３ｂの平均熱膨張係数よりも大きく、下層積層膜３ａが熱膨張係数の異なる複数の膜１４ａ，１５ａ，１４ｃから成り、複数の膜１４ａ，１５ａ，１４ｃのうち最も熱膨張係数の大きい膜１５ａが下層積層膜３ａの厚さ中心よりも下側に形成されている。
【００３７】
以上のように構成した本実施例によれば、下層積層膜３ａの膜厚が上層積層膜３ｂの膜厚よりも大きいため、ダイアフラム４の厚さ中心よりも上層側に発熱抵抗体５が配置される。また、下層積層膜３ａの平均熱膨張係数が上層積層膜３ｂの平均熱膨張係数よりも大きいため、発熱抵抗体５を加熱したときにダイアフラム４に曲げ変形が生じる。そのため、ダイアフラム４の厚さ中心よりも上層側には、ダイアフラム４の熱膨張による伸びひずみεｓに加えて、ダイアフラム４の曲げ変形による圧縮ひずみεｂｍが生じる。その結果、ダイアフラム４の厚さ中心より上層側に配置されている発熱抵抗体５の伸びひずみは、ダイアフラム４の曲げ変形による圧縮ひずみεｂｍによって低減される。以上の作用により、発熱抵抗体５の熱膨張による塑性変形が抑制され、発熱抵抗体５の抵抗変化が低減されるため、熱式センサ装置１の測定精度を長期間維持することが可能となる。
【００３８】
また、下層積層膜３ａに酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とが交互に形成されており、下層積層膜３ａの最下層の酸化シリコン膜１４ａの膜厚Ｔ１が下層積層膜３ａの最上層の酸化シリコン膜１４ｃの膜厚Ｔ３よりも小さい。これにより、熱膨張係数の大きい窒化シリコン膜１５ａが下層積層膜３ａの厚さ中心よりも下層側に寄せられて形成される。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００３９】
また、上層積層膜３ｂは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とからなり、上層積層膜３ｂに含まれる窒化シリコン膜１５ｃの膜厚が下層積層膜３ａに含まれる窒化シリコン膜１５ａの膜厚よりも小さい。これにより、上層積層膜３ｂの熱膨張係数をより小さくし、ダイアフラム４の下層側の熱膨張係数を大きくすることができる。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側の膨張が大きくなることで曲げモーメントが増大し、ダイアフラム４により大きな曲げひずみを発生させることができる。さらに、２つの窒化シリコン膜１５ｃ，１５ａの間に発熱抵抗体５が配置されるため、発熱抵抗体５の酸化を防ぐことができる。
【実施例２】
【００４０】
本発明に係る第２の実施例について以下説明する。実施例１と同様な構成には、同じ符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
本実施例では、下層積層膜３ａに窒化シリコン膜を複数層設けた構成について説明する。図７にセンサ素子１の断面構造を示す。基板２上には下層積層膜３ａが形成される。下層積層膜３ａは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を交互に積層した構成である。下層から順に、Ｓｉ基板を熱酸化した酸化シリコン膜１４ａ、窒化シリコン膜１５ａ、酸化シリコン膜１４ｂ、窒化シリコン膜１５ｂ、酸化シリコン膜１４ｃが形成される。これらの酸化シリコン膜１４ａ〜１４ｃ及び窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂはＣＶＤ法により形成することができる。下層積層膜３ａ上には発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ、９ｂが形成される。これらの上層には上層積層膜３ｂが形成される。上層積層膜３ｂは下から順に、酸化シリコン膜１４ｄ、窒化シリコン膜１５ｃ、酸化シリコン膜１４ｅが形成される。これらの酸化シリコン膜１４ｄ，１４ｅ及び窒化シリコン膜１５ｃはプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００４２】
本実施例では、上層積層膜３ｂの材料として酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を用いたがこれらの膜に限定されるものではない。本実施例においても、上層積層膜３ｂの平均熱膨張係数が下層積層膜３ａの平均熱膨張係数を超えない構成とすればよい。したがって、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜など２種の膜を用いる必要はなく、酸化シリコン膜のみで構成しても良い。
【００４３】
また、本実施例においても、下層積層膜３ａに酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を用いているが、これらの膜の他に、熱膨張係数の異なる材料を用いることもできる。例えば窒化シリコン膜に変えて窒化アルミニウムなどの用いることができる。
【００４４】
図７は、図５におけるセンサ素子１の発熱抵抗体５を加熱したときの変形を示す断面図である。ここで、下層積層膜３ａのうち、最下層の酸化シリコン膜１４ａの膜厚Ｔ１と最上層の酸化シリコン膜の膜厚Ｔ３は、Ｔ１＜Ｔ３となるように形成している。これにより、熱膨張係数の大きい窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂが下層積層膜３ａの厚さ中心よりも下層側に寄せられて形成される。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００４５】
本実施例おいて、さらに効果的な構成を以下に説明する。
【００４６】
図８に示した下層積層膜３ａにおいて、複数の窒化シリコン膜に挟まれた酸化シリコン膜１４ｂの膜厚をＴ２とすると、Ｔ３＞Ｔ２となるように形成する。これにより、窒化シリコン膜１５ｂがより下層側に形成されることになり、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００４７】
次に、本実施例において、下層積層膜３ａに含まれる複数の窒化シリコン膜に関して、より本発明の効果が得られる構成を図９に示す。図９では、下層積層膜に含まれる複数の窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂのうち最下層の窒化シリコン膜１５ａが最も厚く形成している。つまり、窒化シリコン膜１５ａを厚くした分、窒化シリコン膜１５ｂを薄くする構成となる。これにより、膜全体の窒化シリコン膜の合成した厚さを変化させずに、発熱抵抗体５を加熱した時に下層側の膨張を大きくすることができる。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００４８】
次に、本実施例において、上層積層膜３ｂに含まれる窒化シリコン膜に関して、より本発明の効果が得られる構成を説明する。図９では、上層積層膜３ｂが酸化シリコン膜１４ｄ，１４ｅと窒化シリコン膜１５ｃから成り、上層積層膜３ｂに含まれる窒化シリコン膜１５ｃが下層積層膜３ａに含まれる窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂよりも薄く形成している。これにより、上層積層膜３ｂの熱膨張係数をより小さくし、ダイアフラム４の下層側の熱膨張係数を大きくすることができる。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側の膨張が大きくなることで曲げモーメントが増大し、ダイアフラム４により大きな曲げひずみを発生させることができる。
【００４９】
本実施例では、下層積層膜３ａに含まれる窒化シリコン膜を２層形成した構成について説明したが、３層形成する構成としても本発明の効果が得られる。また、下層積層膜３ａに含まれる複数の窒化シリコン膜のうちいずれかを極端に薄く形成すると、この薄い窒化シリコン膜は、ダイアフラム全体の膨張に関して影響が小さい。そのため、このような著しく薄くした膜（例えば〜２０ｎｍ、または全体の窒化シリコンの合計膜厚の１／１０以下）については無視して考える。
【００５０】
本実施例では、下層積層膜３ａに窒化シリコン膜が少なくとも２層形成され、下層積層膜の２つの窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂに挟まれた酸化シリコン膜１４ｂの膜厚Ｔ２が下層積層膜３ａの最上層の酸化シリコン膜１４ｃの膜厚Ｔ３よりも小さい。
【００５１】
以上のように構成した本実施例によれば、窒化シリコン膜１５ｂがより下層側に形成されることになり、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００５２】
また、本実施例の変形例（図９に示す）では、下層積層膜３ａに含まれる複数の窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂのうち最下層の窒化シリコン膜１５ａの膜厚Ｔｎ１が最も大きい。これにより、膜全体の窒化シリコン膜１５ａ，１５ｂの合成した厚さＴｎ１＋Ｔｎ２を変化させずに、発熱抵抗体５を加熱した時に下層側の膨張を大きくすることができる。この構成とすることで、発熱抵抗体５を加熱した時に、下層積層膜３ａの下層側が大きく膨張し、ダイアフラム４に作用する曲げモーメントが増大するため、ダイアフラム４に発生する曲げひずみをより大きくすることができる。
【００５３】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１…センサ素子（熱式センサ装置）、２…基板、２ａ…開口部、３ａ…下層積層膜、３ｂ…上層積層膜、４…ダイアフラム、５…発熱抵抗体、６…空気流、７…加熱温度センサ、８ａ，８ｂ…上流側温度センサ、９ａ，９ｂ…下流側温度センサ、１０，１１，１２…感温抵抗体、１３…電極パッド、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…酸化シリコン膜、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…窒化シリコン膜、１６…増幅器、１７…トランジスタ、１８…増幅器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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