(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する熱流センサデバイスであって、
前記チャネルに面するよう構成される前記熱流センサデバイスの前面側にある電気的に駆動される熱要素と、
前記熱流センサデバイスとの電気接点を作るため、前記電気的に駆動される熱要素に電気的に結合される結合パッドとを有し、
前記結合パッドが、前記熱流センサデバイスの背面側から接点にアクセス可能であるよう、前記前面側からそれる方向を向くよう構成され、
基板を有し、前記電気的に駆動される熱要素が、前記基板の前面側に配置され、前記基板は、背面側に１つ又は複数の柱を形成するようパターン化され、前記結合パッドが、前記柱の１つにおいて前記基板の背面側に配置される、熱流センサデバイス。
【請求項２】
前記電気的に駆動される熱要素及び前記結合パッドの間の電気接続のため、前記熱流センサデバイスの前面側に導電層を有し、前記結合パッドが、前記導電層の背面側に配置され、前記導電層の背面側は、前記熱流センサデバイスの前面側からそれる方向を向く、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項３】
前記チャネルにおいて流体から前記熱流センサデバイスを電気的に絶縁する絶縁層を有する、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項４】
前記絶縁層が、ポリイミドを有する、請求項３に記載の熱流センサデバイス。
【請求項５】
前記基板が、前記結合パッドを露出させる開口を提供するようパターン化され、前記開口を介して前記結合パッドとの接触が可能にされる、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項６】
前記１つ又は複数の柱が、電気抵抗性材料の被覆を具備する、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項７】
前記被覆が、パリレンを有する、請求項６に記載の熱流センサデバイス。
【請求項８】
前記電気的に駆動される熱要素が、前記チャネルに面するよう、前記熱流センサデバイスの前面側に加熱要素又は温度センサ要素を有する、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項９】
前記加熱要素が、レジスタとして形成される、請求項８に記載の熱流センサデバイス。
【請求項１０】
前記レジスタが、多結晶シリコンでできている、請求項９に記載の熱流センサデバイス。
【請求項１１】
集積回路として形成される、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項１２】
シリコンオンインシュレータ集積回路として形成される、請求項１に記載の熱流センサデバイス。
【請求項１３】
プリント回路基板と、前記プリント回路基板に取り付けられる請求項１に記載の熱流センサデバイスとを有し、結合パッドが、前記プリント回路基板の対応する接点に結合される、アセンブリ。
【請求項１４】
チャネルを持つシステムであって、前記チャネルが、壁を持ち、前記壁が、リセスを持ち、前記リセスに請求項１に記載の熱流センサデバイス又は請求項１３に記載のアセンブリが取り付けられ、電気的に駆動される熱要素が前記チャネルに面する、システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の熱流センサデバイスを有するネビュライザシステム。
【請求項１６】
温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する熱流センサデバイスの製造方法において、
前記チャネルに面するよう構成される前記熱流センサデバイスの前面側に電気的に駆動される熱要素を形成するステップと、
前記熱流センサデバイスとの電気接点を作るため、前記電気的に駆動される熱要素に電気的に結合される結合パッドを形成するステップとを有し、前記結合パッドが、前記熱流センサデバイスの背面側から接点にアクセス可能であるよう、前記前面側からそれる方向を向くよう構成され、
前記熱流センサデバイスが、基板を持ち、前記電気的に駆動される熱要素は、前記基板の前記前面側に配置され、前記方法が、背面側に柱を形成するため前記基板をパターン化するステップを有し、前記方法が更に、前記柱に前記結合パッドを形成するステップを有する、製造方法。
【請求項１７】
前記電気的に駆動される要素を形成するステップが、シリコン基板の前面側に多結晶シリコン層を堆積及びパターン化するステップを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気的に駆動される熱要素及び前記結合パッドの間の電気接続に関する導電層を形成するステップを有し、前記結合パッドが、前記導電層の背面側に配置され、前記導電層の背面側は、前記熱流センサデバイスの前面側からそれる方向を向く、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記チャネルにおける流体から前記熱流センサデバイスを電気的に絶縁する絶縁層を形成するステップを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁層が、ポリイミドを有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記方法は、前記結合パッドを露出させる開口を提供するため前記基板をパターン化するステップを持ち、前記開口を介して前記結合パッドとの接触が可能にされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記柱に電気抵抗性材料の被覆を形成するステップを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記被覆が、パリレンを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
プリント回路基板上へ前記熱流センサデバイスを組み立てるステップと、前記プリント回路基板上の対応する接点に前記結合パッドを結合させるステップとを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
流体フローに関するチャネルの壁におけるリセスに前記熱流センサデバイスを取り付けるステップを持つ、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量を検出するセンサ集積回路、斯かる集積回路を組み込むシステム、及び斯かる集積回路及び斯かるシステムを製造する及び作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２００７０２５１２９２号は、基板上部に温度センサ及びヒーターを持ち、センサに流体を近づけるための流体のためのチャネルを基板底部に持つフリップ集積回路フローセンサを示す。基板上の温度センサのより好適な熱絶縁を提供するため、基板において多孔性シリコンの領域を提供することが、米国特許第６７４６９３２号からも知られる。その結果、センサは、基板の上の温度に対してより感度が良い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、流量を検出する代替的なセンサ及びセンサ集積回路、斯かるセンサ又はセンサ集積回路を組み込むシステム、及び斯かるセンサ又はセンサ集積回路及び斯かるシステムを製造する及び作動させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の側面によれば、本発明は、熱流センサデバイスを提供する。このデバイスは、温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する集積回路を含む熱流センサ集積回路又は（ＩＣ）熱流センサであって、この集積回路が、上記流体チャネルに面する上記集積回路の前面側にある電気的に駆動される熱要素、例えば温度感知要素を持つ、熱流センサと、上記集積回路との電気接点を作るため、上記電気的に駆動される熱要素、例えば温度感知要素に電気的に結合される結合パッドとを有し、上記結合パッドが、上記集積回路の背面側から接点にアクセス可能であるよう、上記前面側からそれる方向を向くよう構成される。
【０００５】
集積回路の後方からアクセス可能な結合パッドを流体チャネルからそれる方向に向けることにより、結合パッド及びこれに対する任意の接続に必要とされる空間は、電気的に駆動された熱要素、例えば温度感知要素を越えて延在する必要がなく、流体チャネルの中で邪魔になる必要がない。こうして、電気的に駆動される熱要素、例えば温度感知要素が、より良好な測定を可能にするため、流体チャネルの近くに、又は流体チャネルに配置されることができる。
【０００６】
正確な流量検出が、多くの用途において必要とされる。斯かる用途の１つは、薬物の静脈送達を監視及び制御することにある。斯かる別の用途は、ネビュライザシステムにある。ネビュライザシステムは、呼吸器疾患を持つ患者に対してエアゾールの形で薬を供給するために用いられる。正確な薬物又はエアゾール送達を可能にするために、薬物又はエアゾール放出に関する正確な時間期間が、フローセンサのデータに基づき決定される。斯かるフローセンサは、例えば吸気から呼気へ及びその逆への転換点周りでの速度変動を解決するため、高速かつ感度が良くなければならない。
【０００７】
ネビュライザといった医療デバイスは、オートクレーブにおいて、又は、機械的又は化学的方法を用いて殺菌を必要とする場合がある。流体チャネルの壁を通るフローを測定する能力は、無菌の環境から分離される、デバイスの密封された部分にフローセンサ及び電子機器を取り付けることを可能にする。しかしながら、感度及びレスポンス時間の観点からの良好なセンサ性能のため、このセンサは、流体の近くに取り付けられなければならない。
【０００８】
熱流センサ集積回路は、ＩＣ処理技術を用いて、シリコン基板の上端又は上層に製造される。結果的に、センサ領域及びセンサと接触する結合パッドが共に、シリコンスタックの前面側に配置される。センサ領域及び結合パッドが同じ平面において配置されるので、ＰＣＢ又はリードフレームへの接続ワイヤを保護及び誘導するため、センサ及び流体の間に厚い層を適用する必要がある。感度及びレスポンス時間の観点からのセンサの性能は、フロー及び流体の間の距離と共に減少する。
【０００９】
本発明において、上記電気的に駆動される熱要素及び上記結合パッドの間の電気接続のため、導電層が上記熱流センサデバイスの上記前面側に与えられることができ、上記結合パッドが、上記導電層の背面側に配置され、上記熱流センサデバイスの前面側からそれる方向を向く。これは、背面側に接点を与えると共に、熱流センサデバイスの熱伝導率に関して追加的な自由度を与えるという利点を持つ。例えば、導電層の厚み又は導電層に含まれる物質は、設計変数として使用されることができる。
【００１０】
熱流センサデバイスは、チャネルにおいてこれを流体から電気的に絶縁する絶縁層を有することができる。好ましくは、絶縁層は、ポリイミドを有する。ポリイミドは、約０．１５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を持ち、およそ１０ミクロンの厚さでの堆積を可能にする。その結果、熱シャントが低減される。これは、有利なことに熱流センサデバイスの感度を増加させる。更に、より小さな厚みは、熱流センサデバイスに関連付けられるレスポンス時間にプラスの影響を及ぼす。それに加えて、ポリイミドは、スピンコーティング法により容易に適用される。この方法は有利なことに、接着の必要性を回避する。
【００１１】
このデバイスは、例えば半導体基板といった基板を含むことができる。この基板は、上記結合パッドを露出させる開口を提供するようパターン化され、上記開口を介して上記結合パッドとの接触が可能にされる。これは、機械的強度及び安定性のため基板を特定の厚さに保つと共に、結合パッドへのアクセスを可能にする。
【００１２】
基板は、１つ又は複数の柱を形成するようパターン化されることもできる。結合パッドは、柱の１つにおいて基板の背面側に配置されることができる。
【００１３】
この柱は、柱の機械的支持を増加させるため、電気的抵抗性材料のコーティングを具備することができる。その結果、充分な機械的強度を実体化すると共に、柱の断面サイズが低減されることができる。柱の断面サイズの削減は、ＩＣのサイズを減少させ、従って、有利なことにＩＣのコストを減少させる。好ましくは、電気的抵抗性材料はパリレンを有する。なぜなら、この物質は、非常に良好なステップカバレージ特性を持つからである。上記優れたステップカバレージ特性のため、パリレンは、基板の水平面とほぼ同じレートを持つ柱の側壁をカバーすることになる。適切なパリレンの例は、ポリキシリレンである。
【００１４】
上記電気的に駆動される熱要素が、上記チャネルに面するよう、上記熱流センサデバイスの前面側に加熱要素又は温度センサ要素を有することができる。前面側への配置は、温度センサをより感度が良いものにする。
【００１５】
このデバイスは、集積回路として形成されることができる。これは、他の装置に容易に含まれることができるコンパクトデバイスを生み出す。ＩＣは、シリコンオンインシュレータ集積回路とすることができる。
【００１６】
本発明は、プリント回路基板と、上記プリント回路基板に取り付けられる上述した熱流センサデバイスとを有する、アセンブリも与える。ここで、結合パッドが、上記プリント回路基板の対応する接点に結合される。
【００１７】
本発明は、チャネルを持つシステムであって、上記チャネルが、壁を持ち、上記壁が、リセスを持ち、上記リセスに上述した熱流センサデバイス又はアセンブリが取り付けられ、電気的に駆動される熱要素が上記チャネルに面する、システムを与える。
【００１８】
本発明は、温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する熱流センサデバイスの製造方法も与える。この方法は、
上記チャネルに面するよう構成される上記熱流センサデバイスの前面側に電気的に駆動される熱要素を形成するステップと、
上記熱流センサデバイスとの電気接点を作るため、上記電気的に駆動される熱要素に電気的に結合される結合パッドを形成するステップとを有し、上記結合パッドが、上記熱流センサデバイスの背面側から接点にアクセス可能であるよう、上記前面側からそれる方向を向くよう構成される。導電層の背面側は、熱流センサデバイスの前面側からそれる方向を向く。これらの方法ステップは、標準的なＣＭＯＳ処理フローと互換性があり、このことは、安価な製造を可能にする。
【００１９】
上記電気的に駆動される熱要素及び上記結合パッドの間の電気接続に関する導電層が提供されることができ、これにより、上記結合パッドが、金属層の背面側を有する。この層がデバイスの前面側にあるとき、これは流体チャネルのメイン方向に平行な方向に沿った熱レスポンス時間を改善するのに役立つことができる。
【００２０】
上記熱流センサデバイスが、例えば半導体基板といった基板を持ち、上記方法は、上記結合パッドを露出させる開口を提供するため上記基板をパターン化するステップを持つことができ、上記開口を介して上記結合パッドとの接触が可能にされる。
【００２１】
この方法は、柱を形成するために基板をパターン化するステップも持ち、結合パッドを形成するステップが、柱上に結合パッドを形成するステップを有する。
【００２２】
この方法は、プリント回路基板上へ上記熱流センサデバイスを組み立てるステップと、上記プリント回路基板上の対応する接点に上記結合パッドを結合させるステップとを含むことができる。
【００２３】
熱流センサデバイスは有利なことに、流体フローに関するチャネルの壁におけるリセスに取り付けられることができる。
【００２４】
本発明の他の側面は、センサ及び斯かる集積回路を持つセンサシステム、斯かる集積回路又は斯かるシステムを製造する方法、並びに斯かるセンサ及び斯かる集積回路を持つセンサシステムを作動させる方法を含む。
【００２５】
本発明は、温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する熱流センサデバイス、例えば熱流センサ集積回路の製造方法も提供し、
上記流体チャネルに面するよう構成される上記集積回路の前面側に電気的に駆動される熱要素、例えば温度感知要素を形成するステップと、
上記集積回路との電気接点を作るため、上記電気的に駆動される熱要素又は温度感知要素に電気的に結合される結合パッドを形成するステップとを有し、上記結合パッドが、上記流体チャネルからそれる方向を向くよう構成される。
【００２６】
この方法は、金属層の背面側に結合パッドを形成するステップ又は開口を形成するため基板をパターン化するステップと、開口に結合パッドを形成するステップ又は柱を形成するため基板をパターン化するステップと、柱上に結合パッドを形成するステップとを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図２】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図３】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図４】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図５】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図６】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図７】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図８】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図９】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図１０】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図１１】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図１２】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図１３】基板において開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ、第１の実施形態による集積回路を製造する方法におけるステップを示す図である。
【図１４】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図１５】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図１６】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図１７】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図１８】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図１９】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図２０】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図２１】基板の背面側の柱に結合パッドを持つ、別の実施形態による集積回路を製造する代替的な方法におけるステップを示す図である。
【図２２】ＰＣＢ上に集積回路を取り付けることによりアセンブリを形成することを示す図である。
【図２３】アセンブリにシーラントを適用することを示す図である。
【図２４】別の実施形態によるチャネル壁に取り付けられるアセンブリを示す図である。
【図２５】別の実施形態によるチャネル壁に取り付けられるアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
任意の追加的な特徴が、加えられることができ、いくつかは、以下に更に詳細に説明される。任意の追加的な特徴は、一緒に結合されることができ、及び任意の側面と結合されることができる。これは、当業者には明らかであろう。他の従来技術に対する他の利点が、当業者には明らかであろう。多数の変形及び修正が、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲でなされることができる。従って、本発明の形式は、説明的であるにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではないと明確に理解されたい。
【００２９】
添付の図面を参照して例示を介して、本発明がどのように実行されることができるかが以下に説明されることになる。
【００３０】
本発明は、特定の実施形態及び特定の図面を参照して説明されることになるが、本発明はそれらに限定されるものではなく、添付された請求項によってのみ定まるものである。記載された図面は、概略的なものに過ぎず非限定的なものである。図面において幾つかの要素の大きさが誇張されている場合があり、説明目的のため実際のスケール通りに描かれていない場合がある。明細書及び請求項で使用される「有する」という語は、他の要素又はステップを除外するものではない。「a」「an」「the」といった不定冠詞又は定冠詞が単数形名詞の前で使用される場合、これは、特に記述がない限り、その名詞が複数あることも含むものとする。
【００３１】
請求項において使用される「有する」という語は、その後に記載される手段に限定されるものとして解釈されるべきでない。これは他の要素又はステップを除外するものではない。従って、「手段A及び手段Bを有するデバイス」という表現の範囲は、要素A及び要素Bのみからなるデバイスに限定されるべきではない。それは、本発明に関して、デバイスの関連要素がAとBとであることを意味する。
【００３２】
更に、明細書及び請求項における第１、第２、第３等の用語は、同様な要素間を識別するのに使用され、必ずしも順次的な順序又は実際の順序を表すものではない。そのように使用されるこれらの用語は、適切な環境下において交換可能であり、本書に述べられる本発明の実施形態は、本書に説明又は図示される順序以外の他の順番で動作することができる点を理解されたい。
【００３３】
更に、明細書及び請求項におけるトップ(表面、上部)、ボトム(底面、下部)、オーバー(上)、アンダー(下)等の用語は、説明目的で使用されるものであり、必ずしも相対的な位置を表すものではない。そのように使用されるこれらの用語は、適切な環境下において交換可能であり、本書に述べられる本発明の実施形態は、本書に説明又は図示される方向以外の他の方向で動作することができる点を理解されたい。
【００３４】
本発明が、温度測定に基づきチャネルにおけるフローを検出する熱流センサ集積回路を参照して説明されることになる。この集積回路は、
流体チャネルに面する集積回路の前面側にある温度感知要素と、
集積回路との電気接点を作るため、温度感知要素に電気的に結合される結合パッドとを持ち、結合パッドが、集積回路の背面側から接点にアクセス可能であるよう、前面側からそれる方向を向くよう構成される。
【００３５】
いくつかの実施形態において、取り付けを容易にし、高速かつ感度のよいセンサレスポンスを可能にするため、センサの背面側に結合パッドが取り付けられた集積回路（ＩＣ）処理による熱流センサが示される。結合パッドが、ポスト処理ステップで製造されるので、説明されるステップは、例えばＣＭＯＳ処理、特に標準的なＣＭＯＳ処理といった主流のＩＣ処理と互換性を持つことができる。こうして、オンインテグレートテッド（on-integrated）回路駆動電子機器の一体化が可能にされる。別の実施形態では、大量の低コスト製造を可能にするため、センサは、ピックアンドプレース手順でプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けられることができる。
【００３６】
いくつかの実施形態において、感知要素及び結合パッドの間の電気接続のため、集積回路の前面側に金属層があり、結合パッドは、金属層の背面側を有する。これは、結合パッドが感知要素に比較的近いことを可能にし、この構造を簡単かつコンパクトなものに保つ。例は、以下に説明される第１の実施形態において示される。
【００３７】
いくつかの実施形態において、集積回路は、基板を有し、この基板は、結合パッドを露出させる開口を提供するようパターン化される。開口を通り結合パッドへの接触が可能にされる。これは、接点を保護し、コンパクトな構造を提供するのに役立つ。
【００３８】
いくつかの実施形態において、集積回路は基板を有し、基板は、１つ又は複数の柱を形成するようパターン化され、結合パッドは、柱の１つにおいて基板の背面側に配置される。柱は、結合パッドに関する支持部を提供することができ、他の電気回路からの絶縁を維持することができる。例が、以下に説明される第２の実施形態において示される。
【００３９】
いくつかの実施形態において、集積回路は、流体チャネルに面する集積回路の前面側に加熱要素を有する。これは、より一体化されたソリューションを可能にする。しかし、別の実施形態では、加熱は、外部ヒーターにより集積回路に提供されることができる。流体が温度センサに対して十分に接近して加熱されるよう、外部ヒーターが提供されるべきである。
【００４０】
いくつかの実施形態において、集積回路は、シリコンオンインシュレータ集積回路を有する。これは、他の回路要素が一体化されるのを可能にすることを助ける。以下に説明される第３の実施形態は、この構成を開示する。
【００４１】
いくつかの実施形態において、プリント回路基板及びプリント回路基板に取り付けられる任意の実施形態の集積回路を有するアセンブリが存在する。ここで、結合パッドが、プリント回路基板における対応する接点に結合される。これは、他の回路要素が、同じ集積回路に一体化される代わりに基板に取り付けられることを可能にする。このことは、製造をより安価にし、より容易にすることができる。集積回路に追加的な要素が含まれることも可能にする。例が、以下に説明される第４の実施形態において示される。
【００４２】
いくつかの実施形態において、流体フローに関する流体チャネルを持つシステムが存在する。このチャネルは、リセスを持つ壁を備え、リセスにおいて、集積回路又はアセンブリが存在する。感知要素は、このチャネルに面する。
【００４３】
本発明は、温度測定に基づき流体チャネルにおけるフローを検出する熱流センサ集積回路の製造方法も提供する。この方法は、
流体チャネルに面するよう構成される集積回路の前面側の例えば温度感知要素といった電気的に駆動される熱要素を形成するステップと、
集積回路の電気接点を作るため、例えば温度感知要素といった電気的に駆動される熱要素に電気的に結合される結合パッドを形成するステップとを有し、この結合パッドが、流体チャネルからそれる方向を向くよう構成される。
【００４４】
この方法は、金属層の背面側に結合パッドを形成するステップ又は開口を形成するよう基板をパターン化するステップと、開口において結合パッドを形成するステップ又は柱を形成するよう基板をパターン化するステップと、柱上に結合パッドを形成するステップとを含むことができる。
【００４５】
要約すると、記載される実施形態は、センサの背面側に製作される結合パッドを持つＩＣ処理された熱流センサを含む。結合パッドはポスト処理ステップにおいて製造されることができるので、少なくともいくつかの実施形態は、ＣＭＯＳ処理、特に標準的なＣＭＯＳ処理といった主流のＩＣ処理と互換性を持つ。こうして、例えば、オンインテグレーテッド（on-integrated）回路駆動電子機器の一体化が可能にされる。別の実施形態では、ピック及びプレース手順においてＰＣＢにセンサを取り付ける方法が、大量の低コスト製造を可能にすることが示される。
【００４６】
熱流センサは通常、１つ又は複数の加熱要素及び／又は例えばレジスタ、トランジスタ又は熱電対といった１つ又は複数の温度感知要素を有する。（集積回路又はどこか他の所における）加熱要素は、センサの近くに配置される流体の部分を加熱する。流体フローは、ヒーター温度における減少及び集積回路の温度プロファイルにおけるシフトをもたらす。これは、温度感知要素で測定されることができる。温度プロファイルにおけるシフトだけでなくヒーター温度が、流量に関する尺度として用いられることができる。温度プロファイル測定の追加的な利益は、フロー方向を決定することができる点にある。
【００４７】
本発明の実施形態において、「基板」という用語は、用いられることができる任意の基礎をなす物質、又はこの上にデバイス、回路又はエピタキシャル層が形成されることができる任意の物質を含むことができる。他の別の実施形態において、この「基板」は、例えばシリコン、ドーピングしたシリコン、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化ガリウムリン化物（ＧａＡｓＰ）、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板といった半導体基板を含むことができる。「基板」は例えば、半導体基板部分に加えて例えばＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４層といった絶縁層を含むことができる。従って、基板という用語は、シリコンオンガラス、シリコンオンサファイア基板も含む。「基板」という用語は、関心層又は関心部分の基礎をなす層に関する要素を一般に定めるために用いられる。
【００４８】
本発明の第１の実施形態は、図１〜図１３に示されるように製造される集積回路である。これは、基板における開口を通りアクセス可能な結合パッドを持つ。
【００４９】
図１は、開始物質を示す。この場合、上端に例えば０．５ミクロンの熱酸化物層１０といった酸化物層を持つ絶縁層を備える厚さ３００ミクロンのシリコン基板２０の半導体ウェーハといった半導体基板が例である。他の絶縁層厚又は窒化ケイ素といった他の絶縁層物質が用いられることができる。加熱要素及び温度感知要素は、標準的な堆積及びリソグラフィ技術（図２〜図７に示される）を用いて処理されることができる。
【００５０】
図２は、第１のマスクＭＡＳＫ  １：ＰＳを用いる０．３ミクロンin-situドープ（ｎ＋＋）多結晶シリコン層３０の例えば堆積及びパターン化による、熱レジスタのような電気的に駆動される熱要素の形成を示す。多結晶シリコン層３０は、１つ又は複数の加熱要素及び／又は例えばレジスタ、トランジスタ又は熱電対といった１つ又は複数の温度感知要素へと形成されることができる。加熱要素は、別々に配置されることができ、多結晶シリコン層は、温度感知要素としてのみ用いられる。加熱要素が提供される場合、これは、センサの近くに配置される流体の一部を加熱する。流体フローはヒーター温度における減少を誘導する。これは、温度感知要素で測定されることができる。温度センサの温度シフトだけでなくヒーター温度が、流量に関する尺度として用いられることができる。
【００５１】
図３は、例えば０．２ミクロンＴＥＯＳ層４０といったプレメタル誘電層及び例えば多結晶シリコン層３０といった熱要素にわたる第１の接点穴４２、４４の開口の形成を示す。これは、第２のマスクＭＡＳＫ  ２：ＣＯを用いる。図４は、結合パッドに関する基板に対する第２の接点穴５０の開口を示す。これは、第３のマスクＭＡＳＫ  ３：ＣＢを用いることができる。図５において、要素間に電気接点を作るため、特に第１の接点穴４２、４４を通り多結晶シリコン３０でできている熱要素への接点６２、６４及び結合パッド穴又は第２の接点穴５０への接点６６を作るため、例えば２０ｎｍ  Ｔｉ＋０．５アルミニウムメタライゼーション層６０のような金属スタックといったメタライゼーション層とすることができる導電層の形成が示される。これは、第４のマスクＭＡＳＫ  ４：ＩＮを用いることができる。接点６２、６４、６６は、電気接続が熱要素を駆動し、及びセンサを作動させることを可能にする。
【００５２】
図６は、パシベーション及びスクラッチ保護のため、例えば０．５ミクロンＰＥＣＶＤ窒化物及び０．５ミクロン酸化物層７０を形成するコンプリートデバイスにわたるパシベーション層及びスクラッチ保護層を形成することを示す。流体チャネルの最も近くにあるセンサの部分は、多結晶シリコン層３０の上にある。その結果、追加的な層が、熱コンダクタンスを提供し、付着を改善するよう置かれることができる。例えば、図７は、熱伝導性を調整するため例えば０．０５〜１ミクロンのアルミニウム層７５といった金属層と、付着のため例えば０．５ミクロンの酸化物層８０といった絶縁層とを形成することを示す。最適なレスポンス時間及び感度を得るため、スタックの平均熱コンダクタンスは、追加的な（パターン化されていない）メタライゼーション層の厚みを適合させることにより調整されることができる。
【００５３】
図８は、化学的に抵抗する滑らかな及び平坦な表面層への接着処理を示す。例えば、接着剤１００が適用され、絶縁基板９０が後に続く。絶縁基板９０は、ガラスから製造されることができる。これは、約１Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導性を持つ。ガラスから製造される場合、絶縁基板は通常、約４００ミクロンの厚さを持つ。これは、絶縁基板９０に半導体ウェーハをトップダウンで設置することにより実現されることができる。すると、絶縁基板９０は、オプションで薄くされる。例えば５０〜１００ミクロンの厚さに（ＤＩＳＣＯ）研磨され、図９に示されるような滑らかなセンサ表面を確実にするため、オプションの光沢化ステップが続く。代替的に、絶縁基板９０は、約０．１５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導性及びおよそ１０ミクロンの厚さを持つポリイミドから製造される。結果として、センサが配置されることになる領域の熱シャントが減らされる。これは有利なことに、センサの感度を増加させる。更に、より小さな厚みは、センサのレスポンス時間にプラスの影響を及ぼす。それに加えて、ポリイミドは、例えばスピンコーティング法により半導体ウェーハ上に容易に適用される。この方法は有利なことに、絶縁基板９０を接着する必要性を回避する。
【００５４】
図１０は、第５のマスクＭＡＳＫ  ５：ＣＡＶを用いるディープＲＩＥエッチングといった異方性エッチングに関する背面側マスク１２０、例えばレジスト層を形成することを示す。
【００５５】
図１１は、例えばシリコンといった半導体材料を局所的に除去することにより、結合パッドをオープンにする半導体基板における開口１３０を形成することを示す。これは、絶縁層、例えば酸化物１０と、導電層６０、例えばアルミニウム結合パッドのような金属結合パッドとの上で停止するディープＲＩＥエッチング（ボッシュ処理）といった異方性エッチングを含むことができる。基板の除去によって結合パッドがオープンになるよう、アルミニウム結合パッドが、シリコン基板上に直接配置される点に留意されたい。センサ感度を増加させるため、オプションで、感知領域の下のシリコンが除去されることができる。残りのシリコンは、機械的な強度を提供し、ヒートシンクとして機能する。以下、センサは、例えばワイヤボンディングを用いて接触されることができる。
【００５６】
図１２は、例えばレジスト層１２０といった背面側マスクを除去することを示す。図１３は、ダイシング及び例えばＰＣＢ又は屈曲箔といった外部電気回路に対するワイヤ結合１６０を提供する最終ステップを示す。
【００５７】
第２の実施形態は、スタックのバックプレーンに対してセンサの電気接続を動かすため、電気的に単離された半導体、例えばシリコンの「柱」を製造することを含む。開始物質は、半導体ウェーハ、例えば上端に熱酸化物層を持ち上端に絶縁層を持つ高ドープ低抵抗の基板である。加熱要素及び／又は温度感知要素は、標準的な堆積及びリソグラフィ技術を用いて処理され、第１の実施形態に関連して説明される図２〜７に示されるように多結晶シリコン層３０から作られる。最適なレスポンス時間及び感度を得るため、スタックの平均熱コンダクタンスは、図７に示される追加的なメタライゼーション層の厚みを適合させることにより調整されることができる。
【００５８】
ウェーハは、例えば図８に示されるようにガラス基板にトップダウンで接着することにより、結合され、ガラス基板はオプションで、５０〜１００ミクロンの厚さへの（ＤＩＳＣＯ）研磨により薄くされる。図９に示されるように滑らかなセンサ表面を確実にするため、光沢化ステップが後続する。第１の実施形態の図１０〜図１３に関して説明された方法ステップの代わりに、第２の実施形態は、図１４〜図１９に示されるステップを持つ。
【００５９】
図１４は、例えばスパッタリングによりウェーハの背面側に０．５ミクロンのアルミニウム層１８０といった金属層が堆積されることを示す。図１５は、例えばディープＲＩＥエッチングといった異方性のエッチングに関する背面側マスクＭＡＳＫ  ５：ＣＡＶを示す。これは、レジスト層１９０とすることができる。これは、例えば図１６に示されるように結合パッド２００を定めるアルミニウム層１８０といった金属層をパターン化するために用いられる。
【００６０】
図１７は、例えば酸化物層１０（及び任意のアルミニウム層６０）で停止するディープＲＩＥエッチング（ボッシュ処理）といった異方性エッチングを示す。これは、センサ感度を増加させるため、感知領域の下のシリコン２２０が除去されることを可能にし、結合パッドの周りのシリコンが、センサ及び結合パッドの間の電気接続を提供する電気的に単離されたシリコンの「柱」２４０を形成するために除去される。残りのシリコンは、機械的な強度を提供し、センサに関するヒートシンクとして機能する。以下、センサは、例えばワイヤボンディングを用いて接触されることができる。
【００６１】
図１８は、レジスト層を除去することを示す。
【００６２】
図１９は、スタックの背面側での電気抵抗性材料の被覆２５０を提供することを示す。本書において、柱２４０の間の溝は、被覆２５０で充填される。また、残りのシリコン基板は、電気抵抗性材料の被覆２５０を具備する。好ましくは、被覆２５０は、パリレンを有する。被覆２５０は、柱の間の溝が完全に充填されるような厚みを持つ。即ち、被覆２５０は、柱２４０の間の溝の幅のほぼ半分に等しいし厚みを持つ。
【００６３】
図２０は、すべての被覆２５０が酸化物層１０及び柱の上部表面から除去されるまで、酸素プラズマを適用することを用いて被覆２５０を除去することを表示する。柱２４０の間の溝に置かれる被覆２５０のわずかな部分だけが除去される。この部分というのは、被覆２５０の最初の厚みに多かれ少なかれ等しい厚みを持つ。
【００６４】
図２１は、スタッドバンプ２７０を形成するためのウェーハスケール処理を示す。この後に、個別の集積回路を提供するためにウェーハをダイシングすることが続くことができる。
【００６５】
第３の実施形態は、上述したのと同じステップを用いる第１及び第２の実施形態のセンサを製造することを含む。しかし、開始物質は、絶縁層上の単結晶の上位層を持つＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェーハである。本実施形態において、Ａ／Ｄコンバータ等の駆動電子機器は、ＳＯＩの単結晶シリコン層において処理されることができる。また、温度感知要素は、別々の多結晶シリコン層３０を用いる代わりに、単結晶シリコンにおいて処理されることができる。
【００６６】
第４の実施形態において、上記実施形態のいずれかにて説明したセンサスタックを取り付ける方法が示される。例として、第２の実施形態のようなセンサデバイスが、図２２及び２３に示されるようにＰＣＢに直接取り付けられる。スタッドバンプが、ＰＣＢ２９０への良好な電気接続を提供するため、結合パッドに適用される。更に、スタッドバンプは、ＰＣＢに対する良好な熱接続を提供するため、シリコンヒートシンクの下に適用される。電気導電性粘着剤２８０が、ＰＣＢに適用される。粘着剤は、シリコン及びＰＣＢの熱展開係数のミスマッチを減らすよう選ばれるべきである。好ましくは、室温で硬化された導電性エポキシが、シリコン及びＰＣＢの熱展開係数のミスマッチが原因によるセンサにおけるストレスの導入を防止するために用いられる。センサ及びＰＣＢの間のギャップに水（蒸気）及びほこりが浸透することを回避するため、粘着剤３３０は、センサを封止するよう適用される。ヒートシンク３００は、ＰＣＢの背面側に取り付けられることができ、ＰＣＢを通り熱伝導性のビア３１０によりシリコンヒートシンクに接続されることができる。センサの結合パッドをＰＣＢの他の要素に結合する電気接続３２０が示される。これらの接続は、従来のビア及びプリント銅線を含むことができる。
【００６７】
図２４は、フローチャネル壁３４０におけるプレハブ方式のウィンドウの形で、本発明の実施形態のいずれかによるフローセンサを持つアセンブリのリセスでの取付けを示す。この図において、フローチャネルは、センサの上にある。図２５は、フローチャネル壁の局所的に薄くなる部分３５０の形で、代替的なタイプのリセスの後のフローセンサの取付けを示す。この薄くなる部分は、漏れのリスク又は流体の汚染を減らし、センサ集積回路のエッジ周りの良好な密封を提供する必要性を回避するためのバリアを提供することができる。
【００６８】
センサ、アセンブリ及び製作方法は、ネビュライザシステムにおいて適用されることに制限されるものではない。これらは、静注薬供給といった無菌性が必要とされる他の医療用途において適用されることができる。またこれらは、例えば悪性流体を持つ環境での使用といった医療分野以外の用途において適用されることができる。
【００６９】
熱流センサの実施形態において、センサは、シリコン基板の上端又は上位層において配置される。従来は、センサ領域及び結合パッドは共に、シリコンスタックの前面側に配置される例えば駆動電子機器をセンサに接続する。斯かる従来のデバイスにおいて、センサ領域及び結合パッドは、同じ平面に配置される。その結果、管の壁に熱流センサを埋め込むとき、室を提供し、ＰＣＢ又はリードフレームへの接続ワイヤを保護及び誘導するため、センサと管を通り流れる流体との間に厚い層を適用する必要がある。記載される本発明の実施形態は、感度及びレスポンス時間の観点でセンサの性能に影響を及ぼす可能性があるこの問題を解決することができる。熱センサに含まれる温度感知要素と流体チャネルを通り流れる流体との間の距離を上述される実施形態により減少させることは、センサのレスポンス時間及び感度を改善することができる。
【００７０】
他の変形例及び用途が、請求項に含まれると想定されることができる。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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