(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に形成された抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞を形成することによって、前記電気絶縁膜の前記抵抗体の本体部が形成された領域をダイヤフラム部とした熱式空気流量計において、
前記電気絶縁膜の少なくとも前記ダイヤフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆い、かつ、前記電気絶縁膜の前記ダイヤフラム部の前記抵抗体の本体部が形成された領域には前記保護膜は形成されていないことを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項２】
半導体基板と、該半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に形成された抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞を形成することによって、前記電気絶縁膜の前記抵抗体の本体部が形成された領域をダイヤフラム部とした熱式空気流量計において、
前記電気絶縁膜の前記ダイヤフラム部の前記抵抗体の本体部が形成された領域を除いた部分を有機材料からなる保護膜で覆ったことを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項３】
前記電気絶縁膜が、前記抵抗体が形成された第１の電気絶縁膜と、該第１の電気絶縁膜上に前記抵抗体を覆って形成された第２の電気絶縁膜とからなり、前記第２の電気絶縁膜上に前記保護膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱式空気流量計。
【請求項４】
前記有機材料がポリイミドであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱式空気流量計。
【請求項５】
前記保護膜が形成された領域は、前記抵抗体の発熱により達する温度が２５０℃以下の領域であることを特徴とする請求項４に記載の熱式空気流量計。
【請求項６】
前記保護膜の膜厚が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の熱式空気流量計。
【請求項７】
前記ポリイミドが、化式（１）
【化１】
0003610484.tif 000007
（ただし、式中Ｒ１は炭素数２以上の２価の有機基、nは１より大きい整数である）で表されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の熱式空気流量計。
【請求項８】
前記電気絶縁膜が二酸化ケイ素で形成され、前記ポリイミドが、化式（２）
【化２】
0003610484.tif 000008
（但し、式中Ｒ２は１価の有機基、pは１より大きい整数である）で表されるシロキサン化合物を含むことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の熱式空気流量計。
【請求項９】
前記シロキサン化合物が、化式（３）
【化３】
0003610484.tif 000009
または、化式（４）
【化４】
0003610484.tif 000010
（但し、式中Ｒ３とＲ５とは２価の有機基、Ｒ４とＲ６とは１価の有機基、qとrは１より大きい整数である）で表されることを特徴とする請求項８に記載の熱式空気流量計。
【請求項１０】
前記有機基のR１が、化式（５）
【化５】
0003610484.tif 000011
で表されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の熱式空気流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気流量計に係り、特に、熱式の空気流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気流量計として、質量空気量を直接検知できることから熱式の空気流量計が主流となってきている。特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された測定素子を備えた熱式空気流量計が、コストが低減できることや、低電力で駆動できることなどから注目されてきている。このような熱式空気流量計としては、特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されているものがある。特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されている熱式空気流量計の測定素子では、半導体基板上に電気絶縁膜が形成され、この電気絶縁膜上に平行に延材する複数の抵抗体が形成されており、電気絶縁膜の抵抗体が形成された領域に対応する半導体基板の部分が除去されて空洞が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３１１７５０号公報などに提案されているような熱式空気流量計の測定素子では、抵抗体が形成されている領域に対応する半導体基板の部分が除去され空洞が形成されているため、この空洞に対応する電気絶縁膜の部分は、ダイヤフラム状になっており、両面が直接環境に曝されている。さらに、電気絶縁膜は、脆性の無機材料、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などで形成されている。したがって、流量の測定対象となる空気中に砂、塩、そしてその他の塵埃などの個体粒子が含まれ、このような粒子が電気絶縁膜のダイヤフラム部に衝突すると、電気絶縁膜、すなわち測定素子が破壊されてしまい、空気流量の計測ができなくなってしまう場合があり、信頼性に欠ける。
【０００４】
本発明の課題は、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱式空気流量計は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、この電気絶縁膜上に形成された抵抗体とを備え、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する部分の半導体基板を除去して空洞を形成することによって、電気絶縁膜の抵抗体の本体部が形成された領域をダイヤフラム部とした熱式空気流量計において、電気絶縁膜上の少なくともダイヤフラム部の周縁部を有機材料からなる保護膜で覆い、かつ、電気絶縁膜のダイヤフラム部の抵抗体の本体部が形成された領域には保護膜は形成されていない構成とすることにより、上記課題を解決する。また、電気絶縁膜のダイヤフラム部の抵抗体の本体部が形成された領域を除いた部分を有機材料からなる保護膜で覆った構成とすることにより、上記課題を解決する。
【０００６】
このような構成とすれば、有機材料からなる膜は一般に軟質であるため、粒子の衝突エネルギの吸収能が無機材料からなる膜よりも高く、粒子の衝突による電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。さらに、電気絶縁膜のダイヤフラム部の中央部では、ダイヤフラム部の撓み、つまり変形により粒子の衝突エネルギの吸収能が大きいが、半導体基板で拘束されているダイヤフラム部の周縁部では、粒子の衝突エネルギの吸収能が小さい。このため、膜の破壊は、電気絶縁膜のダイヤフラム部の周縁部で起こり易い。したがって、電気絶縁膜上の少なくとも空洞の周縁部に対応する領域に有機材料からなる保護膜を形成し、さらに、保護膜を形成した領域が、少なくとも、粒子の衝突エネルギよりも電気絶縁膜の変形エネルギが小さい領域を含んでいれば電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。すなわち、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することができる。
【０００７】
なお、有機材料は、より軟質のものを用いた方が、粒子の衝突エネルギの吸収能が大きいので好ましい。さらに、有機材料は、高分子材料であることが好ましい。また、有機材料は、抵抗体の発熱により保護膜を形成する領域が達する最高温度以上の耐熱性を有する材料を選択すれば、保護膜の熱による劣化を防げるので好ましい。
【０００８】
また、保護膜を通して侵入する水分により電気絶縁膜表面の微細な傷、すなわちマイクロクラックが広がり、粒子の衝突によるマイククラックを起点として第１の電気絶縁膜の破壊が起こるような場合には、電気絶縁膜が、抵抗体が形成された第１の電気絶縁膜と、この第１の電気絶縁膜上に抵抗体を覆って形成された第２の電気絶縁膜とからなり、第２の電気絶縁膜上に保護膜を形成する。このように電気絶縁膜を２層にすれば、有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合でも、第２の電気絶縁膜が、水分の透過を妨げ、第１の電気絶縁膜表面のマイクロクラックが広がるのを抑えるため、粒子の衝突によるマイククラックを起点とする電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。
【０００９】
また、電気絶縁膜のダイヤフラム部の中央部で粒子の衝突による破壊が発生する場合には、保護膜が、空洞の周縁部に対応する領域から内側全体に抵抗体を覆って形成されていれば、電気絶縁膜の破壊を防ぐことができる。
【００１０】
また、前記有機材料がポリイミドであれば耐熱性が高いため、抵抗体の発熱による保護膜の劣化を防ぐことがことができるので好ましい。さらに、ポリイミドの連続使用温度が２５０℃付近であることから、保護膜が形成された領域が、抵抗体の発熱により達する温度が２５０℃以下の領域であることが好ましい。
【００１１】
また、保護膜の膜厚が１０μｍ以下であれば、抵抗体が周囲から十分に熱絶縁され、感度の高い流量測定が行えるので好ましい。
【００１２】
また、ポリイミドが、酸無水物にビフェニルテトラカルボン酸を有していれば、耐水性が得られるため、水分による保護膜の剥離を防ぐことができるので好ましい。
【００１３】
また、電気絶縁膜が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成され、ポリイミドが、ジアミン成分にシロキサン化合物を含んでいれば、保護膜と電気絶縁膜との密着性が向上するため、水分による保護膜の剥離を防ぐできるので好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる熱式空気流量計の一実施形態を、図１乃至図７を参照して説明する。図１（ａ）は、熱式空気流量計の測定素子の概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図である。図２は、熱式空気流量計の概略構成を示す断面図である。図３は、電気絶縁膜の粒子の衝突による破壊のメカニズムを示す図である。図４は、ポリイミド膜と二酸化ケイ素膜との圧縮試験の結果を示す図である。図５は、粒子の運動エネルギとダイヤフラム部の変形エネルギとの関係を示す図である。図６は、粒子衝突時のダイヤフラム部に発生する最大曲げ応力を示す図である。図７は、発熱抵抗体の発熱によるダイヤフラム部表面の温度分布を示す図である。なお、本実施形態の熱式空気流量計は、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ、吸入空気量を測定するものである。
【００１５】
本実施形態の熱式空気流量計に備えられた測定素子１は、図１に示すように、半導体基板３、電気絶縁膜５、２本の発熱抵抗体７、９、発熱抵抗体７、９の温度を計測するための測温抵抗体１１、空気温度を計測するための空気温度測温抵抗体１３、そして電気絶縁膜５を保護する保護膜１５などで構成されている。シリコンなどからなる半導体基板３上に形成された電気絶縁膜５は、半導体基板３上に形成された電気絶縁性と熱絶縁性を有する膜、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜で補強された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜などであり、電気絶縁膜５上には、半導体材料、例えば多結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素などからなる２本の発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３などが形成されている。
【００１６】
空気流１７に対して上流側に形成された発熱抵抗体７、下流側に形成された発熱抵抗対９、そして測温抵抗体１１は、互いに平行に延在させて形成されており、測定素子１のほぼ中央部に、２本の発熱抵抗体７、９が測温抵抗体１１を挟んで対称に形成されている。また、発熱抵抗体７、９、そして測温抵抗体１１は、各々複数回折り返して形成されている。２本の発熱抵抗体７、９は、発熱抵抗体７、９の一方の端部を電気的に接続する配線１９により直列に接続されており、発熱抵抗体７、９の他方の端部は、各々、測定素子１の縁部に形成された端子電極２０ａ、２０ｂに配線２１ａ、２１ｂで電気的に接続されている。配線１９の中間部からは配線２３が引き出され、配線２３は、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂが形成されている側の縁部に形成された端子電極２０ｃに接続されている。測温抵抗体１１には、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部に形成された２つの端子電極２５ａ、２５ｂが、各々配線２７ａ、２７ｂにより直列に接続されている。なお、発熱抵抗体７、９、そして測温抵抗体１１は、各々、端子電極２０ａ、２０ｂ、２５ａ、２５ｂと配線２１ａ、２１ｂ、２７ａ、２７ｂなどを含む発熱抵抗体と測温抵抗体の本体部を意味している。
【００１７】
電気絶縁膜５の２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域に対応する半導体基板３の部分は、異方性エッチングにより電気絶縁膜５との境界面まで除去されて空洞２９となっており、発熱抵抗体７、９を熱絶縁している。したがって、電気絶縁膜５の空洞２９に対応する部分であるダイヤフラム部３０は、両面が直接環境に曝されている。空気温度測温抵抗体１３は、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部と反対側の縁部に形成されており、測定素子１の端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている側の縁部に形成された２つの端子電極３１ａ、３１ｂと、各々配線３３ａ、３３ｂにより直列に接続されている。なお各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂと各配線１９、２１ａ、２１ｂ、２３、２７ａ、２７ｂ、３３ａ、３３ｂは、金やアルミニウムなどの導電性材料の鍍金や蒸着などにより形成されている。
【００１８】
保護膜１５は、電気絶縁性を有しかつ軟質な有機材料からなる膜であり、電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する領域から外側部分を覆うように形成されている。また、半導体素子１の各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂが形成されている縁部側の電気絶縁膜５上には、電気的接続を行うため、保護膜１５は形成されていない。すなわち、保護膜１５は、空洞２９の周縁部よりも内側の２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている部分と、端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂとが形成されている部分とを除いた電気絶縁膜５上を覆うように形成されている。
【００１９】
本実施形態の熱式空気流量計は、図２に示すように、測定素子１を支持する支持体３７、そして外部回路３９などを備えている。測定素子１と外部回路３９とは、測定素子１の各端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１と外部回路３９との間の、支持体３７により保護された図示していない配線により電気的に接続されている。測定素子１は、電子制御燃料噴射装置の吸気通路４１内部にある副通路４３内に配置され、外部回路３９は、吸気通路４１の外壁面に設置されている。
【００２０】
本実施形態の熱式空気流量計の流量計測において、発熱抵抗体７、９には、発熱抵抗体７、９の温度を計測する測温抵抗体１１の温度が空気流１７の温度を計測する空気温度測温抵抗体１３の温度より一定温度高くなるような加熱電流、すなわち傍熱電流が流されている。このとき、測温抵抗体１１に対して対称に形成された発熱抵抗体７、９の各々の温度、すなわち、温度に対応した各々の抵抗値を比較することにより空気流の方向を検知することができる。例えば、空気流がゼロならば、発熱抵抗体７、９は、測温抵抗体１１の温度とほぼ同じ温度を示す。発熱抵抗体７、９は直列接続であり、同じ加熱電流が流れているため、発熱抵抗体７、９の発熱量はほぼ一定である。このため、図１に示す空気流１７の方向、すなわち、順流では、主に発熱抵抗体７の方が、発熱抵抗体９よりも空気流１７による冷却効果が大きく、発熱抵抗体７の温度が発熱抵抗体９の温度より低い値となり、空気流１７と逆方向、すなわち、逆流では、発熱抵抗体９の温度の方が発熱抵抗体７の温度より低い値となる。このように、発熱抵抗体７、９の温度、すなわち、温度に対応する抵抗値を比較することにより、空気流１７の方向を検知できる。なお、発熱抵抗体７、９の抵抗値は、各々、端子電極２０ａと２０ｃ、端子電極２０ｂと２０ｃの端子間電圧から求められる。空気流量は、測温抵抗体１１での測定温度を空気温度測温抵抗体１３での測定温度より一定温度高く制御するために、発熱抵抗体７、９に流す加熱電流の値から算出される。
【００２１】
ここで、電気絶縁膜５上に形成された一対の発熱抵抗体７、９には、上記のように、加熱電流が流されているため、発熱抵抗体７、９は２００〜３００℃に加熱されており、発熱抵抗体７、９に加えて電気絶縁膜５や測温抵抗体１１なども高温に曝されている。したがって、保護膜１５を構成する有機材料としては、熱変形温度や熱変性温度と連続使用温度とが共に高く、かつ半導体マイクロマシニング技術による製造工程で採用できる材料を選択することが好ましい。このような性質を有する樹脂として熱硬化性樹脂のポリイミドが知られている（プラスチック、１９９９年４月号別冊、８６ページ）。さらに、保護膜１５は、２本の発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域の空洞２９の周縁部よりも内側の部分と、端子電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂとが形成されている部分を除いた電気絶縁膜５上を覆うように形成するため、半導体マイクロマシニング技術による製造工程による保護膜１５の形成においては、部分的なエッチングができる材料、すなわち感光性レジスト材料であることが好ましい。
【００２２】
このため、本実施形態では、保護膜１５を形成する有機材料として、次の構造式（１）で表されるポリイミド、
【００２３】
【化６】
0003610484.tif 000002
【００２４】
すなわち、２つのベンゼン環を繋げた構造にその特徴を有し、酸無水物としてビフェニルテトラカルボン酸を有するポリイミドを用いている。ただし、構造式（１）において、Ｒ１は炭素（Ｃ）の数が２つ以上の２価の有機基、例えば、本実施形態では次の構造式（５）の有機基、ｎは１より大きい整数である。
【００２５】
【化７】
0003610484.tif 000003
【００２６】
さらに、保護膜１５を形成するポリイミドは、ジアミン化合物として、構造式（２）のシロキサン成分を含んでいる。
【００２７】
【化８】
0003610484.tif 000004
【００２８】
ただし、構造式（２）において、Ｒ２は１価の有機基、またｐは１より大きい整数である。さらに、シロキサン化合物として、具体的には、次の構造式（３）、または（４）のジアミンシロキサンを含有している。
【００２９】
【化９】
0003610484.tif 000005
【００３０】
【化１０】
0003610484.tif 000006
【００３１】
ただし、構造式（３）、（４）において、Ｒ３とＲ５とは２価の有機基、Ｒ４とＲ６とは１価の有機基、またｑとｒは１より大きい整数である。なお、構造式（１）のポリイミドは、原料段階では、アクリル系の感光基、例えばオキシエチルメタクリレート基などが導入された感光性ポリイミドである。
【００３２】
測定素子１の製造は、まず、ＣＶＤ、フォトエッチング法などを用いる半導体マイクロマシニング技術により半導体基板３上に電気絶縁膜５を、電気絶縁膜５上に発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３などを形成する。次に、ポリイミドの原料となるポリアミド酸溶液をスピンコータにより電気絶縁膜５上に塗布した後、保護膜１５を形成しない領域、すなわち発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域の空洞２９の周縁部よりも内側の部分と、端子電極２０ａ、２０ｂなどが形成されている部分とをマスクして露光し、現像を行う。その後、溶剤を気化させ、イミド化反応を促進させ、そして感光基をアルコールとして蒸発させるのに必要な温度に設定された加熱炉中で一定時間、例えば２７０℃で３０分、次いで４００℃で３０分熱処理することにより、構造式（１）のポリイミドからなる保護膜１５を有する測定素子１が１つの半導体基板上に複数個の形成される。最終的に、これを個々の測定素子１にダイシングにより切断する。このとき、保護膜１５の厚さは、ポリアミド酸溶液の濃度と粘度に依存するが、通常１０μｍ程度である。これよりも薄い膜が必要な場合には粘度を低く、厚い膜が必要な場合には粘度を高くするように溶剤を調整する。特に厚手の膜が必要な場合には、ポリアミド酸溶液の塗布と熱処理をくり返し、多層膜にすればよい。
【００３３】
ところで、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置では、外気を吸入するため、流量の測定対象となる空気には、砂や塩、その他の塵埃などの固体粒子が含まれている。自動車などの内燃機関などでは、吸入された外気中のこのような粒子を除去するため、通常、メッシュサイズ１５μｍのエアーフィルタが備えられている。しかし、粒径がほぼ１５μｍよりも大きい粒子はエアーフィルタによって除去されるが、粒径がほぼ１５μｍ以下の粒子はエアーフィルタを通過してしまい、熱式空気流量計の測定素子１に直接衝突する場合がある。したがって、脆性な無機材料である二酸化ケイ素などからなる電気絶縁膜５のみでは、粒子の衝突時の運動エネルギをダイヤフラム部３０の変形では吸収しきれずに、衝突位置に局所的な応力が発生し、電気絶縁膜５が破壊されてしまう場合がある。すなわち、粒子の運動エネルギが、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の変形エネルギ、つまりダイヤフラム部３０が吸収できるエネルギよりも大きい場合、図３に示すように、粒子の衝突位置の荷重が増大して行き、粒子の衝突の応力がダイヤフラム部３０で吸収できるエネルギの限界を超えると、ダイヤフラム部３０の粒子の衝突位置から亀裂が発生して膜が破壊されてしまう。
【００３４】
しかし、保護膜１５を構成する構造式（１）のようなポリイミド、すなわち軟質な有機材料であるポリイミドからなる膜は、図４の直径１００μｍの圧子による二酸化ケイ素膜とポリイミド膜の圧縮試験の結果に示すように、二酸化ケイ素膜に比べて膜自体のエネルギ吸収能が４〜５倍大きい。このため、ポリイミドからなる保護膜１５を備えた測定素子１では、ダイヤフラム部３０の変形だけでなく、保護膜１５自体が粒子の衝突エネルギーを吸収するため、粒子の衝突による電気絶縁膜５、すなわち測定素子１の破壊を防ぐことができる。本実施形態の場合、エアーフィルタを通過するほぼ１５μｍのダストが、想定される最大流速５０ｍ／ｓで衝突した場合、粒子の衝突位置の最大変形量は、二酸化ケイ素膜で０．４μｍ、ポリイミド膜で１．１μｍとなるので、保護膜１５は、粒子の運動エネルギを吸収するために、２μｍ以上の膜厚が必要となる。
【００３５】
ここで、測定素子１への粒子４５の衝突位置には、図１に示すように、衝突位置Ａ、Ｂ、Ｃの３種類がある。衝突位置Ａは、半導体基板３に対応する電気絶縁膜５上の部分に、衝突位置Ｂは、空洞２９の周縁部に対応する電気絶縁膜５上の部分、つまりダイヤフラム部３０の周縁部上に、そして衝突位置Ｃは、空洞２９の中央部に対応する電気絶縁膜５上の部分、つまりダイヤフラム部３０の中央部上にある。なお、粒子４５は、本実施形態における測定素子１に衝突する可能性がある最大の粒径、つまりほぼ１５μｍの粒子である。測定素子１が保護膜１５を備えていない場合、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０に粒子４５が衝突したときのダイヤフラム部３０の変形エネルギ、つまり衝突エネルギ吸収能は、図５に示すように、粒子４５の衝突位置がダイヤフラム部３０の周縁部、すなわち電気絶縁膜と空洞２の境界部に近いほど小さくなっている。また、電気絶縁膜５が本実施形態のような二酸化ケイ素膜よりも弾性の高い材料で形成されている場合でも、粒子４５の衝突時のダイヤフラム部３０の最大曲げ応力は、図６に示すように、粒子４５の衝突位置がダイヤフラム部３０の周縁部に近いほど大きくなっている。これらのことから、電気絶縁膜５の弾性に関わらず、半導体基板３によって拘束されているダイヤフラム部３０の周縁部、すなわち衝突位置Ｂ近傍の方が、衝突位置Ｃ近傍、つまりダイヤフラム部３０の中央部に比べて粒子４５の衝突による破壊が起こり易いことがわかる。
【００３６】
本実施形態では、図５に示すように、ダイヤフラム部３０の中央部での変形エネルギが粒子４５の運動エネルギよりも大きいため、ダイヤフラム部３０の中央部に保護膜１５を形成しなくても、衝突位置Ｃ近傍への粒子４５の衝突によるダイヤフラム部３０の破壊は起こり難い。したがって、ダイヤフラム部３０の周縁部の、粒子４５の運動エネルギよりもダイヤフラム部３０の変形エネルギの方が小さい領域から外側の電気絶縁膜５を覆うようにポリイミドからなる保護膜１５を形成することで、粒子４５の衝突による電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の破壊を防いでいる。実際に直径２０μｍの圧子により、窒化ケイ素で補強された二酸化ケイ素膜と、ポリイミドの保護膜を表面に形成した二酸化ケイ素膜とで曲げ試験を行った結果、保護膜を形成した二酸化ケイ素膜は、保護膜のない窒化ケイ素で補強された二酸化ケイ素膜に比べて破壊に対する強度が約２倍程度大きいことがわかった。
【００３７】
一方、保護膜１５となる有機材料の連続使用温度よりも高温で使用すると保護膜１５が劣化し、粒子４５の衝突による測定素子１の破壊を防げなくなる場合がある。このような場合、保護膜１５の材質に応じ、その材質の連続使用温度以下の領域に保護膜１５を形成することが好ましい。発熱抵抗体７、９の発熱により、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の発熱抵抗体７、９近傍や測温抵抗体１１が形成された部分は、図７に示すように、高温状態になっている。しかし、電気絶縁膜５は、発熱抵抗体７、９に比べて薄く、熱伝導性が低いため、ダイヤフラム部３０の温度は、ダイヤフラム部３０の端部に向かうにしたがって環境温度程度にまで低下している。また、ポリイミドの連続使用温度は２５０℃以下である。したがって、温度が２５０℃以下になるダイヤフラム部３０の周縁部から外側の電気絶縁膜５を覆うように保護膜１５を形成すれば保護膜１５の熱による劣化を防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態では、上記のような電気絶縁膜５のエネルギ吸収能と保護膜１５の熱劣化との観点から、ダイヤフラム部３０上の保護膜１５の形成幅の適正値について検討した結果、ダイヤフラム部３０上の保護膜１５の形成幅が、ダイヤフラム部３０の端部から発熱抵抗体までの距離の０．３から０．８の比率になるように形成している。
【００３９】
このように、本実施形態の熱式空気流量計では、測定素子１が軟質な有機材料からなる保護膜１５を備えており、測定素子１の表面に粒子４５が衝突しても、粒子４５の運動エネルギを保護膜１５が吸収するため、測定素子１の破壊を抑制することができる。すなわち、測定素子１の信頼性を向上することができる。
【００４０】
さらに、保護膜１５が他の有機材料に比べ耐熱性に優れたポリイミドで形成されているため、発熱抵抗体７、９などの発熱による材質の劣化を抑え、長期にわたり固体粒子の衝突による測定素子１の破壊を防ぐことができる。加えて、本実施形態では、保護膜１５は、酸無水物が２つのベンゼン環を繋げた構造のビフェニルテトラカルボン酸からなる構造式（１）のポリイミドで形成されているため、保護膜１５が耐水性を有している。また、保護膜１５は、構造式（２）、具体的には構造式（３）または（４）で表されるシロキサン化合物を含有するポリイミドで形成されているため、保護膜１５のシロキサン化合物のケイ素と二酸化ケイ素膜である電気絶縁膜５のケイ素とが酸素を介して結合し、保護膜１５と電気絶縁膜５との密着性を向上している。これにより、熱式空気流量計の製造時や使用時に測定素子１が曝される水分が保護膜１５と電気絶縁膜５との境界部などに侵入し保護膜１５の腐食や剥離を防ぐことができる。したがって、本実施形態の測定素子１は、保護膜１５の劣化や、環境中の水分による保護膜１５の腐食や剥離などを抑えることができ、長期の使用において粒子の衝突による測定素子１の破壊を防ぐことができる。
【００４１】
また、測定素子１のダイシング工程では、半導体基板３の発熱を抑えるために冷却水により測定素子１が冷却されるが、この冷却水の水圧により、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の表面に存在する微細な傷、すなわちマイクロクラックを起点として電気絶縁膜５が破壊する場合がある。しかし、本実施形態の測定素子１では、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０表面のマイクロクラックは保護膜１５により埋められるため、ダイシング工程における冷却水の水圧による電気絶縁膜５の破壊を抑制できる。
【００４２】
さらに、電気絶縁膜５、発熱抵抗体７、９、測熱対抗体１１を形成する場合、形成温度や熱処理などにより電気絶縁膜５に内部応力が発生する。二酸化ケイ素からなる電気絶縁膜５では、成膜時に圧縮の内部応力が発生するため、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０に撓みが発生し、しわが寄り易い。ダイヤフラム部３０でのしわの発生は、外観の問題と共に測定素子１の流量計測特性に悪影響を及ぼす。しかし、本実施形態では、有機材料であるポリイミドからなる保護膜１５が形成されており、有機材料からなる膜は無機材料からなる膜に比べて成膜時に発生する圧縮の内部応力が小さいため、電気絶縁膜５の撓みを抑え、しわの発生を抑えることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、保護膜１５が電気絶縁膜５上の、空洞２９の周縁部に対応する部分から外側を覆うように形成されているが、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０の中央部のエネルギ吸収能よりも衝突する粒子４５の運動エネルギが大きい場合や、発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１近傍にしわが発生し易い場合などは、図８に示すように、発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３を覆うように、端子電極２０ａ、２０ｂが形成されている部分を除き、電気絶縁膜５上全体に保護膜１５を形成してもよい。この場合、二酸化ケイ素からなる電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０は、発熱抵抗体７、９を周囲から熱絶縁する役割があるため、保護膜１５の膜厚が厚くなると熱絶縁性が低下してしまう。従来の熱式空気流量計の測定素子では、電気絶縁膜５を、発熱抵抗体を形成した第１の電気絶縁膜と、第１の電気絶縁膜上に抵抗体を覆うように形成した第２の電気絶縁膜とで形成する場合があるが、第２の電気絶縁膜となる二酸化ケイ素膜の膜厚は、熱絶縁性を考慮し１μｍ程度にしている。この第２の電気絶縁膜をポリイミド膜に置き換えたと考えると、ポリイミドの熱伝導率が二酸化ケイ素の約１／１０程度であることから、ポリイミドからなる保護膜１５の膜厚は、１０μｍ以下であればよい。したがって、保護膜１５は、２μｍ以上、１０μｍ以下の所定の膜厚で形成すればよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、保護膜１５が電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する部分から外側部分全体に形成されているが、保護膜１５は、電気絶縁膜５のダイヤフラム部３０を保護することを目的とするため、半導体基板３に対応する電気絶縁膜５上の部分全体に保護膜１５が形成されている必要はない。したがって、保護膜１５は、少なくとも電気絶縁膜５上の空洞２９の周縁部に対応する領域、すなわち半導体基板３と空洞２９との境界部に対応する領域に形成されていればよい。
【００４５】
また、本実施形態では保護膜１５を形成する有機材料としてポリイミドを用いたが、本発明はこれに限らず様々な有機材料、例えばポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリプロピレンなどにより保護膜１５を形成しても同様の効果を得ることができる。ただし、保護膜１５として用いる有機材料は、測定素子１が曝される環境条件や抵抗体などの発熱温度、また保護膜１５の製造方法や必要な膜厚などを考慮して適宜選択すればよい。保護膜１５を半導体マイクロマシニング技術により膜厚が数μｍの膜として形成し、保護膜１５を形成する領域の最高温度が約１５０℃程度である場合には、感光性レジスト材料であるフェノール樹脂や環化イソプレン樹脂などを用いてもよい。予め形成した膜を電気絶縁膜５上に張ることで保護膜１５を形成する場合や、膜厚が数十μｍ程度でもよい場合などでは、保護膜１５を形成する領域の最高温度が約２００℃程度であればポリフェニレンサルファイドなどを、最高温度が約１５０℃程度であればエポキシ樹脂、ポリスルフォンなどを用いてもよい。さらに、本実施形態の保護膜１５は、シロキサン化合物を含むポリイミドにより形成されているが、電気絶縁膜５がケイ素を含まない材料で形成されている場合には、保護膜１５は、シロキサン化合物を含有していなくてもよい。
【００４６】
ところで、保護膜１５を形成する有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合、保護膜１５を通して侵入する水分により、電気絶縁膜５表面のマイクロクラックが進展して広がり、粒子４５の衝突時にマイククラックを起点として電気絶縁膜５が破壊され易くなる場合がある。このような場合には、図９、１０に示すように、電気絶縁膜５を表面に発熱抵抗体７、９などが形成された二酸化ケイ素などの無機材料からなる第１の電気絶縁膜５ａと、第１の電気絶縁膜５ａ上に発熱抵抗体７、９など覆うように形成された第１の電気絶縁膜５ａと同様の材料からなる第２の電気絶縁膜５ｂとで構成し、第２の電気絶縁膜５ｂ上に保護膜１５を形成するようにしてもよい。このとき、保護膜１５は、測定素子１を構成する材料の性質や、測定素子１が曝される環境条件などに応じて、図９に示すように、電気絶縁膜５ｂの空洞２９の周縁部に対応する領域から外側の部分を覆うように形成してもよいし、図１０に示すように、電気絶縁膜５ｂ全体を覆うように形成してもよい。このように測定素子１を形成すれば、有機材料として水分の透過性の高いものを使用した場合でも、水分の侵入を第２の電気絶縁膜５が抑えるため、第１の電気絶縁膜５ａ表面のマイクロクラックの進展による、粒子４５の衝突によるマイククラックを起点とする第１の電気絶縁膜５ａの破壊などを防ぐことができる。
【００４７】
また、本実施形態では、測定素子１は、複数回折り返して形成した発熱抵抗体７、９と測温抵抗体１１などを備えているが、本発明はこれに限らず様々な構成、例えば、発熱抵抗体が測温抵抗体を兼ねているため測温抵抗体を備えていない測定素子や、発熱抵抗体などが複数回折り返して形成されておらず１本の直線状に形成された測定素子などにも適用できる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定するための熱式空気流量計に関して説明したが、本発明はこれに限らず、様々な用途の熱式空気流量計に適用できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、熱式空気流量計の測定素子の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる熱式空気流量計に設けられた測定素子の一実施形態の（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図及び粒子の動作を示す図である。
【図２】本発明を適用してなる熱式空気流量計の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図３】電気絶縁膜の粒子の衝突による破壊のメカニズムを示す図である。
【図４】ポリイミド膜と二酸化ケイ素膜との圧縮試験の結果を示す図である。
【図５】粒子の運動エネルギとダイヤフラム部の変形エネルギとの関係を示す図である。
【図６】粒子衝突時のダイヤフラム部に発生する最大曲げ応力を示す図である。
【図７】発熱抵抗体によるダイヤフラム部表面の温度分布を示す図である。
【図８】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂでの拡大断面図である。
【図９】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の拡大断面図である。
【図１０】本発明を適用してなる熱式空気流量計の別の実施形態の拡大断面図である。
【符号の説明】
１  測定素子
３  半導体基板
５  電気絶縁膜
７，９  発熱抵抗体
１１  測温抵抗体
１５  保護膜
２９  空洞
３０  ダイヤフラム部
４５  固体粒子
【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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