(57)【要約】【課題】発熱抵抗体の経時変化を低減できる熱式ガス空気流量センサを実現する。【解決手段】薄肉部２の表面には発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、１４を形成している。発熱抵抗体３及び温度検出抵抗体４、１４から信号線を引き出せるように配線部１８〜２３とパッド８〜１３が形成されている。発熱抵抗体部３及び温度検出抵抗体４、１４と配線部１８〜２３とが接するコンタクト部２４〜２９が形成されている。発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は、保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃで被覆され、保護膜３１ａ、３１ｂはナイトライドなどの緻密な膜で形成されている。配線部３４と発熱抵抗体３とが接する部分はコンタクトバリアメタル膜３６（チタンナイトライドやチタンタングステン、チタン等のチタン系電気導体）で覆われる。チタン系電気伝導体は緻密な膜であり水素に対して耐性があるため発熱抵抗体の経時変化を低減できる。【選択図】図２
2008026205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍に設けられた測温抵抗体と、上記発熱抵抗体と電気的に接する引き出し配線部とを備える熱式ガス流量センサにおいて、
上記発熱抵抗体と引き出し配線部とが電気的に接するコンタクト部は、ナイトライド系を含む電気伝導体で少なくとも一部が覆われていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項２】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて
上記コンタクト部は、上記基板に形成された絶縁膜部を貫通させたコンタクトホールに配置されていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項３】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記引き出し配線部は、アルミニウム(Ａｌ)、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）又はアルミニウムシリコンカッパ（ＡｌＳｉＣｕ）から形成され、上記コンタクト部は、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）又はチタン（Ｔｉ）を含むチタン系電気伝導体で少なくとも一部が覆われていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項４】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記発熱抵抗体は、ポリシリコン、白金又はモリブデン（Ｍｏ）で形成されることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項５】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記測温抵抗体は、ポリシリコン、白金又はモリブデン（Ｍｏ）で形成されることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項６】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記コンタクト部は、上記発熱抵抗体及び上記引出し配線部とは直接接触しない側壁部が、上記ナイトライド系を含む電気伝導体で覆われていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項７】
請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記コンタクト部は、上記発熱抵抗体との接触部及び側壁部が、上記ナイトライド系を含む電気伝導体で覆われていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項８】
内燃機関に供給する空気流量を計測する空気流量計測手段と、この流量計測手段により計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備える内燃機関の制御装置において、
上記空気流量計測手段は、
基板上に、発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍に設けられた測温抵抗体と、上記発熱抵抗体と電気的に接する引き出し配線部とを備え、上記発熱抵抗体と引き出し配線部とが電気的に接するコンタクト部は、ナイトライド系を含む電気伝導体で少なくとも一部が覆われていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜により発熱抵抗体を構成した熱式ガス流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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の流量計や、半導体製造に用いる各種ガスおよび燃料電池に用いる水素／酸素の流量計として、熱式のガス流量計が質量ガス量を直接検知できることから主流である。
【０００３】
この中で特に、半導体マイクロマシニング技術により製造されたガス流量計が、コストが低減でき且つ低電力で駆動することができることから注目されてきた。
【０００４】
このような従来の半導体基板を用いたガス流量計としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、発熱抵抗体として耐熱性および材料コストの利点から、従来使用されていた白金に置き換えて多結晶ケイ素（ポリシリコン）を用いたものが知られている。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８８０６５１号公報
【特許文献２】特許第３６９８６７９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、熱式ガス流量センサにおいては、発熱抵抗体にポリシリコンや金属等を用いた場合、発熱抵抗体の抵抗値が経時変化することによりセンサの耐久特性が左右されるため経時変化抑制が必要である。
【０００７】
発熱抵抗体の抵抗値変動要因の中に、外部から発熱抵抗体に水素が進入することで抵抗値変動を引き起こすことがわかっている。このため、発熱抵抗体表面は水素に耐性のあるナイトライド膜で覆われており電気的にも絶縁されている。
【０００８】
しかしながら、発熱抵抗体と電気的に接する電極配線部のコンタクトホール（ビア）部との接続部分については、電気的に絶縁することはできないので水素に耐性のある緻密な膜で覆うことはできない。
【０００９】
このため、発熱抵抗体とコンタクトホール部との接続部分から水素が発熱抵抗体に進入し、抵抗値が変動していた。
【００１０】
また、配線電極部となる金属（例えばアルミニウム）と発熱抵抗体（例えばポリシリコン）とでは、シリサイド化反応を引き起こし、同部の抵抗温度係数は不安定となり、抵抗の経時変化に対して変化量が大きくなってしまっていた。
【００１１】
本発明の目的は、発熱抵抗体の経時変化を低減できる熱式ガス空気流量センサ及びそれを用いた内燃機関の制御装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の熱式ガス流量センサは、基板上に、発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍に設けられた測温抵抗体と、上記発熱抵抗体と電気的に接する引き出し配線部とを備え、発熱抵抗体と引き出し配線部とが電気的に接するコンタクト部は、ナイトライド系を含む電気伝導体で少なくとも一部が覆われている。
【００１３】
また、本発明の、内燃機関の制御装置は、内燃機関に供給する空気流量を計測する空気流量計測手段と、この流量計測手段により計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備え、上記空気流量計測手段は、発熱抵抗体と引き出し配線部とが電気的に接するコンタクト部が、ナイトライド系を含む電気伝導体で少なくとも一部が覆われている。
【発明の効果】
【００１４】
発熱抵抗体の経時変化を低減できる熱式ガス空気流量センサ及びそれを用いた内燃機関の制御装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を熱式空気流量センサに適用した場合の例である。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態であるの熱式空気流量センサの検出素子１の平面図、図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図、図３は図２に示したコンタクト部３３の拡大図である。
【００１７】
まず、本発明の第１の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子１の構成を図１、２を参照して説明する。
【００１８】
図１、２において、検出素子１はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板３２に保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃ、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、コンタクト部３３、引き出し配線部３４、コンタクトバリアメタル膜３６を形成する。
【００１９】
その後、平板基板３２を裏面からアルカリエッチ、例えばＫＯＨやＴＭＡＨ溶液などでエッチングすることで絶縁膜３０ｃの下部に空間３５を形成し、平板基板３２に薄肉部（ダイヤフラム）２を形成する。
【００２０】
薄肉部２の表面には測定空気流量の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体３と、この発熱抵抗体３の両側に温度検出手段として温度検出抵抗体４、１４（ポリシリコン、白金又はモリブデン）を形成している。
【００２１】
なお、発熱抵抗体３はポリシリコン薄膜、白金薄膜、モリブデン膜などでつくられた抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、温度検出抵抗体４、１４が配置された場所の温度を検出する。
【００２２】
発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４から信号線を引き出せるように配線部１８〜２３（アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）、又はアルミニウムシリコンカッパ（ＡｌＳｉＣｕ））と、これら配線部１８〜２３に接続するパッド８〜１３が形成されている。
【００２３】
これらの発熱抵抗体部３および温度検出抵抗体４、１４と配線部１８〜２３が接するコンタクト部２４〜２９（チタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、チタン（Ｔｉ））が形成されている。そして、パッド８〜１３を用いて外部に信号が取り出せるようにしている。
【００２４】
発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は、保護膜３０ａ、保護膜３０ｂ、保護膜３１ａ、絶縁膜３１ｂ、絶縁膜３０ｃで被覆されている。保護膜３１ａ、保護膜３１ｂはナイトライドなどの緻密な膜で形成されている。これら保護膜３１ａ、保護膜３１ｂは、緻密な膜であるため、発熱抵抗体３への水や水素などの介入を防止することができる。
【００２５】
コンタクト部２４〜２９は、絶縁膜３０ａ、３１ａ、３０ｂに穴を形成し、この穴の部分に配線部（アルミニウムやアルミニウム合金）を埋め込んで形成している。
【００２６】
このとき、配線部３４と発熱抵抗体３（ポリシリコン）とが接するコンタクト部３３は、発熱抵抗体３との接触部及び側壁部（保護膜３０ａ、３１ａ、３０ｂと接触する部分）が、コンタクトバリアメタル膜３７（チタンナイトライドやチタンタングステン、チタン等のチタン系電気導体）で覆われる。ここで、チタン系電気伝導体は、緻密な膜であり水素に対して耐性があることが知られている。
【００２７】
図３は、図２の一部拡大図であり、コンタクトバリアメタル膜３７部分を示す図である。図３に示すように、コンタクトバリアメタル膜３７により、発熱抵抗体３が外部から介入する水素などからバリアされる。
【００２８】
また、ポリシリコンなどの発熱抵抗体３とアルミニウムなどの配線部３４が接する場合、通常シリサイド化反応が発生する。このシリサイド反応は、経時的な抵抗変化を大きくしてしまう。しかし、コンタクトバリアメタル膜３６が発熱抵抗体３と配線部３４との間に配置されることによりシリサイド化を抑制することが可能となる。
【００２９】
以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、発熱抵抗体の経時変化を低減できる熱式ガス空気流量センサを実現することができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態である熱式空気流量センサを、図４、図５を参照して説明する。なお、図４は第２の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子の断面図である。また、図５は、図４のコンタクト部の拡大図である。
【００３１】
本発明の第２の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子の断面構造は先に示した第１の実施形態である熱式空気流量センサとほぼ同一の構造であるため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
本発明の第２の実施形態では、コンタクト部の側壁部をナイトライド膜３７で覆い、底面部、つまり、配線部３４と発熱抵抗体３との接続部分は、ナイトライド膜３７は形成していない（発熱抵抗体３及び引出し配線部３４とは直接接触しない側壁部のみがナイトライド系を含む電気伝導体で覆われている）。
【００３３】
この第２の実施形態においても、外部からの水素の進入を防ぐことができ、発熱抵抗体の経時変化を低減できる熱式ガス空気流量センサを実現することができる。
【００３４】
次に、本発明の熱式流量センサについて、駆動回路も含めた具体例について、図６〜図９を参照して説明する。なお、図６は本発明の熱式流量センサの検出素子７１の平面図、図７は図６のＢ−Ｂ'線に沿った断面図、図８は本発明の熱式流量計測センサの検出素子３８の発熱抵抗体６８に関連する部分の平面図、図９は本発明の熱式流量センサを動作させる駆動回路図である。
【００３５】
本発明の熱式流量計測装置の検出素子３８は次のようにして形成される。つまり、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板７５にシリコン酸化膜７４、シリコン窒化膜７３、シリコン酸化膜７２を形成し、この上にポリシリコン薄膜を積層して、このポリシリコン薄膜をパターニングすることで発熱抵抗体６６、吸気温度検出抵抗６８、温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５などが形成される。そして、保護膜としてシリコン酸化膜６９、シリコン窒化膜７０、シリコン酸化膜７１を形成し、この上にアルミニウム薄膜を積層し、このアルミニウム薄膜をパターニングすることで配線とパッドを形成する。
【００３６】
また、平板基板７５を裏面からエッチングすることでシリコン酸化膜７４の下部に空間を形成し、平板基板７５にダイアフラム（薄肉部）６７を形成する。ダイアフラム６７には測定空気流の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体６６と、発熱抵抗体６６の両側に温度差検出手段として温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５を形成している。
【００３７】
また、発熱抵抗体６６の一端は引き出し配線４５を介してパッド４８に接続され、もう一端は固定抵抗５９に接続され、発熱抵抗体６６と固定抵抗５９の接続点はパッド５８に、また、固定抵抗５９のもう一端はパッド５８に接続している。
【００３８】
また、温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５は引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２により接続されることでブリッジ回路を構成する。温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５の各々の接続点はパッド４６、４７、４９、５５に引き出される。
【００３９】
なお、発熱抵抗体６６、引き出し配線４５、固定抵抗５９、温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５はポリシリコン薄膜をパターニングすることで形成され、引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２はポリシリコン薄膜とアルミニウム薄膜をパターニングすることで形成している。
【００４０】
なお、温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５はブリッジ回路を構成することで発熱抵抗体６６の両端の温度差を検出するが、この時、引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２に対象性が無いとブリッジ回路の出力に誤差を発生させる。
【００４１】
このため、引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２はブリッジ回路が対象になるように構成している。特に、引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２のポリシリコン薄膜の部分の抵抗値とアルミニウム薄膜の部分の抵抗値は対象性が必要で本検出部では抵抗値が同じになるようにパターンを構成している。
【００４２】
これは、ポリシリコン薄膜の抵抗温度係数とアルミニウム薄膜の抵抗温度係数が大きく異なる為にポリシリコン薄膜の部分の抵抗値とアルミニウム薄膜の部分の抵抗値とに対称性が無いとブリッジ回路の出力電圧に大きな温度変化をもたらすからである。
【００４３】
また、引き出し配線４１、４２、４３、４４、６０、６１、６２のポリシリコン薄膜の部分とアルミニウム薄膜の部分の接続部（コンタクト、図中では黒い点として表示）であるコンタクト部も対称に成るように、接続部の大きさ・数を対称になるようにした。このとき、ポリシリコンとアルミ二ウムが反応して形成されるシリサイド反応層は、抵抗温度係数が異なり、不安定な状態となる。
【００４４】
また、発熱抵抗体６６を発熱させる為に発熱抵抗体６６には大きな電流が流れる。このときシリサイド層は、発熱抵抗体６６の抵抗経時変化に影響を与えてしまい、熱式流量計測装置の特性を悪化させる。このため、コンタクト部にチタン系電気伝導体を形成することで抵抗経時変化を低減することができる。
【００４５】
次に、本発明の検出部３８を動作させる駆動回路を説明する。この駆動回路は差動増幅器７６と、トランジスタ７７と、差動増幅器７８とを備える。
【００４６】
差動増幅器７６は、検出素子３８の発熱抵抗体６６、固定抵抗５９、吸気温度検出抵抗６８、固定抵抗６３、５８により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅する。
【００４７】
また、トランジスタ７７は、差動増幅器７８の出力で制御され発熱抵抗体６６に電流を流す。そして、差動増幅器７８は、温度差検出抵抗３９、４０、６４、６５により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅してセンサ信号を出力する。
【００４８】
この駆動回路は、発熱抵抗体６６、固定抵抗５９、吸気温度検出抵抗６８、固定抵抗５９、５８により構成されるブリッジ回路の出力電圧が０に成るように発熱抵抗体６６に流す電流を制御する。
【００４９】
ここで、発熱抵抗体６６、吸気温度検出抵抗６８、固定抵抗５９、５８は、上述したようにポリシリコン薄膜で構成され、それぞれの抵抗体の温度に応じて各抵抗の抵抗値が変化する。この為、ブリッジ回路の出力電圧は発熱抵抗体６６、固定抵抗５９、吸気温度検出抵抗６８、固定抵抗５９、５８の抵抗値とそれぞれの抵抗の温度に応じて変化するが、各抵抗の値を適当に選ぶことで発熱抵抗体６６の温度と吸気温度検出抵抗６８の温度が所定の温度差になった時に本ブリッジ回路の出力が０になるように設計しておく。
【００５０】
こうすることで、この駆動回路は発熱抵抗体６６の温度と吸気温度検出抵抗６８の温度が所定の温度差になるように動作する。また、発熱抵抗体６６の両側の温度を温度差検出抵抗３９，４０，６４，６５により構成されるブリッジ回路で検出し、このブリッジ回路の出力電圧を差動増幅器７８により増幅することで空気流量に応じたセンサ出力を得る。
【００５１】
図１０は、上述した本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。
【００５２】
図１０において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気１１６は、熱式空気流量センサ１１７が配置された主管１１８、吸気ダクト１０３、スロットルボディ１０４及び燃料が供給されるインジェクタ（燃料噴射弁）１０５を備えたインテークマニホールド１０６を経て、エンジンシリンダ１０７に吸入される。そして、エンジンシリンダ１０７で発生したガス１０８は排気マニホールド１０９を経て外部に排出される。
【００５３】
熱式空気流量センサ１１７は、エンジンルーム内のエアクリーナー１００と、スロットルボディ１０４との間に設置される。熱式空気流量センサ１１７から出力される空気流量信号、吸入空気温度信号、スロットル角度センサ１１１から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド１０９に設けられた酸素濃度計１１２から出力される酸素濃度信号、及びエンジン回転速度計１１３から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット１１４に送信される。
【００５４】
コントロールユニット１１４は、送信された信号を逐次演算して、最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度とを求め、その値を使ってインジェクタ１０５及びアイドルエアコントロールバルブ１１５を制御する。
【００５５】
本発明による熱式空気流量センサ１１７が適用された内燃機関の制御装置によれば、熱式空位流量センサ１１７の抵抗経時変化が低減され、流量検出精度が向上されているので、エンジン制御精度を向上することができるという効果がある。
【００５６】
なお、上述した例は発明を、熱式空気流量センサに適用した場合の例であるが、空気のならず、水素、酸素等の他のガス流量を測定するセンサにも適用可能である。
【００５７】
また、コンタクトバリアメタル膜３６は、タングステンナイトライド膜であってもよい。タングステンナイトライド膜も、緻密な膜であり水素に対して耐性があることが知られている。
【００５８】
また、上述した例では、発熱抵抗体等がダイヤフラム上に形成された例であるが、発熱抵抗体等が必ずしも、ダイヤフラム上に形成されていなくとも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態であるの熱式空気流量センサの検出素子１の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。
【図３】図２に示したコンタクト部の拡大図である。
【図４】第２の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子の断面図である。
【図５】図４のコンタクト部の拡大図である。
【図６】本発明の熱式流量センサの検出素子の平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。
【図８】本発明の熱式流量計測センサの検出素子の発熱抵抗体に関連する部分の平面図である。
【図９】本発明の熱式流量センサを動作させる駆動回路図である。
【図１０】本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・検出素子、２・・・薄肉部、３・・・発熱抵抗体、４・・・温度検出抵抗体、５〜７・・・配線部、８〜１３・・パット部、１４〜１７・・・配線部、１８〜２３・・・電極引き出し配線、２４〜２９・・・コンタクト部、３０ａ、３０ｂ、３１ａ・・・保護膜、３０ｃ、３１ｂ・・・絶縁膜、３２・・・平板基板、３３・・・コンタクト部、３４・・・引き出し配線部、３５・・・中空部、３６・・・コンタクトバリアメタル膜、３７・・・絶縁膜、３８・・・検出素子、３９・・・温度差検出抵抗、４０〜４５・・・引き出し配線、４６〜５７・・・パッド部、５８〜６３・・・引き出し配線、６４、６５・・・温度差検出抵抗、６６・・・ヒータ抵抗、６７・・・ダイアフラム、６８・・・吸気温度検出抵抗、６９、７１、７２、７４・・・シリコン酸化膜、７０、７３・・・シリコン窒化膜、７５・・・平板基板、７６、７８・・・差動増幅器、７７・・・トランジスタ
【図１】
2008026205.tif 000003
【図２】
2008026205.tif 000004
【図３】
2008026205.tif 000005
【図４】
2008026205.tif 000006
【図５】
2008026205.tif 000007
【図６】
2008026205.tif 000008
【図７】
2008026205.tif 000009
【図８】
2008026205.tif 000010
【図９】
2008026205.tif 000011
【図１０】
2008026205.tif 000012