(57)【要約】【課題】  流量測定精度の高い熱式空気流量センサを提供すること【解決手段】  半導体基板と、前記半導体基板上に薄膜を堆積して形成した発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜を含む電気絶縁体と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部とを有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された測定素子を有する熱式空気流量センサにおいて、前記測定素子の面積に対する薄膜の占有面積の比率を４０〜６０％とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に薄膜を堆積して形成した発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜を含む電気絶縁体と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部とを有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された測定素子を有する熱式空気流量センサにおいて、
前記測定素子の面積に対する薄膜の占有面積の比率を４０〜６０％としたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記測温抵抗体と同一材料で形成された薄膜を用いて、前記測定素子の面積に対する薄膜の占有面積の比率を４０〜６０％としたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記測温抵抗体と同一材料で形成された薄膜は、電気的に他の部分と接続されていない薄膜であることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記測温抵抗体と同一材料で形成された薄膜の配列パターンは、複数の千鳥状に配置したパターンからなることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記配列パターンは、長方形形状のパターンを千鳥状に配置したパターンからなることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記配列パターンは、四角形状又は円形形状のパターンを千鳥状に配置したパターンからなることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項７】
請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
前記測温抵抗体と同一材料で形成された薄膜は、前記ダイヤフラム部外の前記半導体基板上に配置されることを特徴とする熱式空気流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸入空気量を計測する空気流量センサに係り、特に、発熱抵抗体と測温抵抗体とを備えて空気流量を測定する熱式空気流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気流量センサとして、空気量を直接検知できる熱式の空気流量センサが主流になっている。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の空気流量センサは、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いる。このような熱式の空気流量センサに用いられる測定素子（熱式空気流量センサ）としては、特開平１１−１９４０４３号公報（特許文献１）に提案されているものがある。特許文献１に記載の熱式空気流量センサは、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発熱抵抗体や測温抵抗体となる薄膜が形成されており、さらに発熱抵抗体、測温抵抗体の上には電気絶縁体が形成されている構成である。また、発熱抵抗体や測温抵抗体が形成された領域には、半導体基板の裏面側から異方性エッチングすることにより半導体基板の一部が除去されたダイヤフラム構造が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１９４０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
薄膜のパターニングは一般的に図７に示すようにして行われる。まず、薄膜２０を堆積し、その後、薄膜２０上にレジスト２１を堆積、パターニングする。次に、このレジスト（原版）２１をマスクにして、ドライエッチ法により薄膜をパターニングする。
【０００５】
この場合、レジスト（原版）２１の寸法通りに薄膜をパターニングすることが理想であるが、測定素子の面積に対する、測定素子内の薄膜パターンの総面積の割合（薄膜占有率）によっては図７（ｂ）に示すようになる。すなわち、薄膜占有率が小さい場合には設計（マスク）寸法に対して細く、大きい場合には設計寸法に対して太くなる。この寸法シフト量が多い場合には、熱式空気流量計の流量測定精度が低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、流量測定精度の高い熱式空気流量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に薄膜を堆積して形成した発熱抵抗体と測温抵抗体とシリコン酸化膜を含む電気絶縁体と、半導体基板の一部を除去して形成したダイヤフラム部とを有し、前記発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が前記ダイヤフラム部上に形成された測定素子を有する熱式空気流量センサにおいて、前記測定素子の面積に対する薄膜の占有面積の比率を４０〜６０％とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流量測定精度の高い熱式空気流量センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る第一実施例における測定素子の概略平面図である。
【図２】本発明に係る第一実施例における断面図である。
【図３】薄膜の占有率と寸法シフト量を示す図である。
【図４】熱式空気流量センサの測定原理を説明した図である。
【図５】薄膜パターンを変更した図である。
【図６】薄膜パターンを変更した図である。
【図７（ａ）】薄膜加工前の薄膜上にレジストを堆積した図である。
【図７（ｂ）】薄膜加工時の寸法シフトの一例を示した図である。
【図８】薄膜の占有率と寸法シフト量を示す図である。
【図９】測定素子を実装した熱式空気流量センサの断面図である。
【図１０】内燃機関制御システムに本発明に係る熱式空気流量センサを使用した一例を示すシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１１】
まず初めに図１０を用いて電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係る熱式空気流量センサ３００を使用した一実施例について説明する。エンジンシリンダ１１２とエンジンピストン１１４を備える内燃機関１１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体３０としてエアクリーナ１２２から吸入され、主通路１２４である例えば吸気管、スロットルボディ１２６、吸気マニホールド１２８を介してエンジンシリンダ１１２の燃焼室に導かれる。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は本発明に係る熱式空気流量センサ３００で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１５２より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体３０と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁１５２は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である被計測気体３０と共に混合気を成形し、吸入弁１１６を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。
【００１２】
近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁１５２を取り付け、燃料噴射弁１５２から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。熱式空気流量センサ３００は、図１０に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも熱式空気流量センサ３００の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図１０に示す。
【００１３】
燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ１５４の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁１１８から排気管に導かれ、排気２４として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ１３２により制御される。前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ１３２の開度を制御して前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギを制御することができる。
【００１４】
エアクリーナ１２２から取り込まれ主通路（吸気管）１２４を流れる吸入空気である被計測気体３０の流量および温度が、熱式空気流量センサ３００により計測され、熱式空気流量センサ３００から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置２００に入力される。また、スロットルバルブ１３２の開度を計測するスロットル角度センサ１４４の出力が制御装置２００に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン１１４や吸気弁１１６や排気弁１１８の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ１４６の出力が、制御装置２００に入力される。排気２４の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ１４８の出力が制御装置２００に入力される。
【００１５】
制御装置２００は、熱式空気流量センサ３００の出力である吸入空気の流量、および回転角度センサ１４６の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度、に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁１５２から供給される燃料量、また点火プラグ１５４により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに熱式空気流量センサ３００で計測される吸気温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ１４８で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置２００はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ１３２をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ１５６により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。
【００１６】
内燃機関の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも熱式空気流量センサ３００の出力を主パラメータとして演算される。従って熱式空気流量センサ３００の計測精度の向上や経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには熱式空気流量センサ３００により計測される吸入空気である被計測気体３０の流量の計測精度の向上が極めて重要である。また熱式空気流量センサ３００が高い信頼性を維持していることも大切である。
熱式空気流量センサ３００が搭載される車両は温度変化の大きい環境で使用され、また風雨や雪の中で使用される。雪道を車が走行する場合には、凍結防止剤が散布された道路を走行することとなる。熱式空気流量センサ３００は、その使用環境における温度変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。さらに熱式空気流量センサ３００は内燃機関の振動を受ける環境に設置される。振動に対しても高い信頼性の維持が求められる。
【００１７】
また熱式空気流量センサ３００は内燃機関からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため内燃機関の発熱が主通路１２４である吸気管を介して、熱式空気流量センサ３００に伝わる。熱式空気流量センサ３００は、被計測気体と熱伝達を行うことにより被計測気体の流量を計測するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。
【００１８】
次に、図９を用いて測定素子３０１が実装された熱式空気流量センサ３００の一例について説明する。図９に示されるように、熱式空気流量センサ３００は吸気管１２４の壁面から挿入する形で取り付けられる。このとき、吸気管路１２４の壁面から突出するようにハウジング部材３０２が設けられる。ハウジング部材３０２には、吸気管路１２４を流れる吸入空気である被計測気体３０の一部を取り込む副通路３０４を形成する。副通路３０４は、湾曲部を有した通路形状であるが、測定素子３０１の付近の通路形状は直線形状である。副通路３０４内には測定素子３０１を支持する支持部材３０６の一部が露出している。支持部材３０６に形成した矩形状の凹部３０８に、測定素子３０１を設置する。測定素子３０１を設置する部分の副通路３０４は流路を直線状とし、その上流側および下流側では流路を湾曲した形状とする。また、支持部材３０６には、測定素子３０１の駆動・検出回路を搭載した回路チップ３１０やチップ部品が実装されている。測定素子３０１は例えばアルミボンディングワイヤー等により支持部材３０６と電気的に接続される。また、支持部材３０６と出力信号の取り出しのためのコネクタターミナル３１２をアルミボンディングワイヤー等により電気的に接続した構成である。支持部材３０６は、例えば、樹脂やセラミック、金属を材料としてなる板状の基板である。
【００１９】
次に本発明の第一の実施例である熱式空気流量センサの測定素子３０１について図１を用いて説明する。測定素子３０１は、図１に示すように、シリコン基板１、発熱抵抗体７、空気温度を測定するための測温抵抗体８、９、ダミー薄膜１０、端子電極１１、ダイヤフラム部５を備えている。なお、ダイヤフラム部５の裏面エッチングマスク端部６を破線で示している。
【００２０】
図２を用いて本実施例の測定素子３０１の製造方法について説明する。まず、シリコン基板１を熱酸化して下部電気絶縁膜となる熱酸化膜２を形成される。そして、熱酸化膜２上に発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９が形成される。発熱抵抗体７および測温抵抗体８，９は例えばプラチナ（Ｐｔ）膜やモリブデン（Ｍｏ）膜、多結晶シリコン膜の薄膜の堆積からなる。
【００２１】
ここで、測定素子３０１の面積に対して薄膜パターンの総面積の割合（薄膜占有率）を４０〜６０％とするように、薄膜をパターニングし、発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９を形成した。好ましくは、ダイヤフラム上の発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９の抵抗体幅は電気的特性より決められるので、これら抵抗体の配線部分（ダイヤフラム部５の領域外での配線）の幅を変更して、電気的に接続されていないダミー薄膜１０（アースは可）を形成し、薄膜の占有率を４０〜６０％の範囲に設定する。
【００２２】
なお、薄膜下部の下部電気絶縁膜は熱酸化膜２だけでも良いが、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜やシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を積層しても良い。
【００２３】
次に、発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９、ダミー薄膜１０上に上部電気絶縁膜となる、シリコン酸化膜３をプラズマＣＶＤ法により堆積し、その後、膜の緻密化を目的に８００℃以上で熱処理を行う。なお、下部電気絶縁膜同様、上部電気絶縁膜においても熱酸化膜３だけでも良いが、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜やシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を積層しても良い。これら積層膜の場合でも、膜の緻密化を目的に８００℃以上で熱処理を行う。
【００２４】
次に、ポリイミド系の樹脂膜を堆積・パターニングして、ポリイミド膜４を形成する。図１に示す端子電極１１はシリコン酸化膜３形成後の上部電気絶縁膜にコンタクト用の穴を開けてアルミニウムや金等を堆積して形成する（図示せず）。最後に、裏面よりシリコン酸化膜等をマスク材として、ＫＯＨなどのエッチング液を用いてダイヤフラム部５を形成する（図示せず）。ダイヤフラム部５は、ドライエッチング法を用いて形成しても良い。図２の符号６は、マスク材である裏面エッチングマスク端部の位置を示しており、裏面エッチングマスク端部６から外側をマスク材２１で覆い、エッチングを行うことにより、ダイヤフラム部５の部分のシリコン基板１が除去される。
【００２５】
次に、本実施例の作用効果について説明する。
【００２６】
熱式空気流量センサ３００では測定精度の制約から、例えばプラチナ（Ｐｔ）膜やモリブデン（Ｍｏ）膜、多結晶シリコン膜等の薄膜パターンの寸法シフト量ΔＬはマスク寸法に対して１０％以下に抑えることが好ましい。薄膜パターンの寸法シフト量ΔＬを１０％に抑えるためには、図３より、薄膜占有率の範囲を４０〜６０％とするようにすればよい。これにより寸法シフト量ΔＬを低減することができるため、寸法シフト量による流量測定精度の低下を抑制し、流量測定精度が高い熱式空気流量センサを提供することが可能となる。
【００２７】
ただし、熱式空気流量センサ３００の空気流量測定原理を図４に示すが、熱式空気流量センサ３００では、熱抵抗体７を発熱させて、測定素子３０１上部の空気流量を測定する。熱抵抗体７の上流側から吸入空気である被計測気体３０が流れると、熱抵抗体７と被計測気体３０との熱のやりとりにより、図４に示すように温度分布が非対象となり、測温抵抗体８，９が形成された位置で温度差が発生する。この温度差は空気流量に依存するので、この温度差から空気流量を算出している。熱式空気流量センサ３００は、図１に示したようにダイヤフラム部５上に発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９を形成している。これは、発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９の下部に熱伝導率の高いシリコン基板１が存在すると、熱容量が大きくなり、発熱抵抗体７上の空気温度が設計値に対して小さくなる、測温抵抗体８，９では空気温度の測定誤差が大きくなる、さらに測定の応答速度が遅くなる等の課題が生じるためである。
【００２８】
ダイヤフラム部５上の発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９の周りにダミー薄膜１０を形成して、薄膜占有率の範囲を４０〜６０％とした場合、ダミー薄膜１０は周囲の膜よりも熱伝導率が高いので、ダミー薄膜１０の影響で熱が奪われやすくなり、上記と同じような課題を生じる。そのため、ダイヤフラム部５上にはダミー薄膜１０を形成せず、シリコン基板１上にダミー薄膜１０を形成するようにして、薄膜占有率の範囲を４０〜６０％にすることが望ましい。これにより、より流量側て精度の高い熱式空気流量センサを提供することが可能となる。
【００２９】
また、ダミー薄膜１０のパターンは、薄膜占有率の範囲を４０〜６０％とするために、測定素子３０１のある数カ所にダミー薄膜１０のパターンを集中して設けるよりも、チ測定素子３０１全体で均一に設けることが発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９の寸法シフト量ΔＬ低減には有効である。そのため、ダミー薄膜１０のパターンは、図１に示すように、千鳥状のパターンで形成することが特に有効となる。図１に示すパターンは長方形の千鳥状パターンとしたが、図５，６に示す円形、四角形の千鳥状パターン、その他十字状でも構わない。
【００３０】
薄膜パターンの寸法シフト量ΔＬは薄膜寸法が小さいほどその影響が多くなることから、発熱抵抗体７又は、測温抵抗体８、９の最小パターン寸法幅が１μｍ以下となる製品で特に本特許は有効となる。ダミー薄膜１０のパターン幅寸法及びその間隔は、発熱抵抗体７、測温抵抗体８，９の薄膜パターンの最小寸法（チップ上の最小加工寸法）と同じ寸法で形成すると、寸法シフト量ΔＬが抑制されることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３１】
１…シリコン基板
２…熱酸化膜
３…シリコン酸化膜
４…ポリイミド膜
５…ダイヤフラム部
６…裏面エッチングマスク端部
７…発熱抵抗体
８…測温抵抗体
９…測温抵抗体
１０…ダミー薄膜
１１…端子電極
３００…熱式空気流量センサ
３０１…測定素子
【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】
2014032014.tif 000008
【図７（ａ）】
2014032014.tif 000009
【図７（ｂ）】
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【図８】
2014032014.tif 000011
【図９】
2014032014.tif 000012
【図１０】
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