(57)【要約】【課題】発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス流量センサを実現する。【解決手段】検出素子１は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等を形成する。平板基板３２を裏面から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、ダイヤフラム２を形成する。発熱抵抗体の発熱時における最表面保護膜３０ａからのＨ２Ｏの脱離によりダイヤフラム２の膜応力が変動し、抵抗ピエゾ効果により発熱抵抗体３の抵抗値が変動するため、保護膜３０ａは、Ｈ２Ｏの含有量が小さく吸着しない材質の酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)やポリシリコン膜で形成される。これにより、Ｈ２Ｏなどの含有量を低減して、クラックの発生も低減でき、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。【選択図】図２
2008026203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有する熱式ガス流量センサにおいて、
上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)もしくはポリシリコン膜であ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記載の熱式空気流量計測装置において、上記表面保護膜は、上記ダイヤフラムの表面の全てを覆うことを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項３】
請求項２記載の熱式ガス流量センサ計測装置において、上記表面保護膜は、ダイヤフラムより大の領域の上記基板の表面を覆うことを特徴とする熱式ガス流量センサ。
【請求項４】
請求項３記載の熱式ガス流量センサ計測装置において、上記表面保護膜の、上記ダイヤフラム上に位置しない領域にスリットが形成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５】
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、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)もしくはポリシリコン膜であ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号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、発熱抵抗体にポリシリコンや金属などを用いた場合、発熱抵抗体等の抵抗値の経時変化により、センサ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】
ここで、発熱抵抗体等の抵抗体を電気的に絶縁する保護膜は、抵抗体と同様に、半導体プロセスにて製作するため、成膜プロセス過程において、保護膜中にＨ２Ｏ（水分）が含まれ、成膜後にもＨ２Ｏが保護膜に吸着する。
【０００８】
発熱抵抗体等の抵抗値変動要因の中に、保護膜中に存在している、あるいは最表面に付着している水（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）などが、発熱時のエネルギーを受けて解離する。発熱抵抗体がダイヤフラム部上に形成されるている場合、水や水素が保護膜から解離すると、膜応力が変化し、抵抗ピエゾ効果により抵抗値変動が発生する。
【０００９】
このため、熱式ガス流量センサの流量検出精度が低下してしまっていた。
【００１０】
本発明の目的は、発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス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】
【００１１】
本発明の熱式ガス流量センサは、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)もしくはポリシリコン膜である。
【００１２】
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、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)もしくはポリシリコン膜である。
【発明の効果】
【００１３】
発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス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】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態が適用される熱式空気流量センサの検出素子１の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。
【００１６】
図１、図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、強度補強保護膜３７、引き出し配線部３４を形成する。
【００１７】
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。
【００１８】
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、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を形成している。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。
【００１９】
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、これら配線部１８〜２３に接続されるパッド８〜１３が形成されている。
【００２０】
これらの発熱抵抗体部３及び温度検出抵抗体４、１４とは、配線部１８〜２３を介してコンタクト部２４〜２９に接続される。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。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で被覆されている。
【００２１】
保護膜３１ａ、３１ｂは、シリコンナイトライドなどの緻密な膜で形成されている。ここで保護膜３１ａ、３１ｂのシリコンナイトライド膜は、緻密であるため、水の吸湿や水の脱離が発生しにくい。しかし、計測する空気流量に接する最表面の保護膜３０ａは、低圧ＣＶＤ法やプラズマ法により成膜を行うシリコン酸化膜などの絶縁膜であるため、緻密性に欠ける。
【００２２】
図３は、保護膜３０ａ中からの水（Ｈ２Ｏ）の脱離を説明する図であり、図４は保護膜３０ａの最表面からの水（Ｈ２Ｏ）の脱離を説明する図である。図３、図４に示すように、発熱抵抗体３の加熱時において膜３０ａ中もしくは最表面膜からの水の脱離がみられる。
【００２３】
図５は、保護膜３０aをＴＳＤ（脱ガス分析）などで解析した温度と水の脱離量との関係を示す図である。図５に示すように、吸着水（Ｈ２Ｏ）、含有水分（Ｈ２Ｏ）が多く保護膜から脱離していることが判明した。特に、吸着水については、発熱抵抗体加熱時の温度に相当する８０℃〜３００℃において、多く脱離が見られることが判明している。
【００２４】
保護膜３０ａが、発熱抵抗体発熱時の熱エネルギーを受けて、保護膜３０ａ中や最表面よりＨ２Ｏが脱離する。このとき脱離に要したエネルギーと抵抗経時変化時における活性化エネルギー値が一致していることを確認している。
【００２５】
つまり、抵抗経経時変化が発熱抵抗体の発熱時における最表面保護膜３０ａからのＨ２Ｏの脱離により、ダイヤフラム２の膜応力が変動し、抵抗ピエゾ効果により発熱抵抗体３の抵抗値が変動する。
【００２６】
これにより、保護膜３０ａは、Ｈ２Ｏの含有量が小さく、吸着しない材質の膜が望ましい。具体的には、酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)やポリシリコン膜であることが良い。シリコンナイトライド膜などを保護膜３０ａに用いることも考えられるが、シリコンナイトライド膜の場合、Ｈ２Ｏなどの含有量は低下するが硬い膜であるため、ダストなどが衝突した場合、クラックなどが発生し易すくなってしまう。
【００２７】
以上のように、ダイヤフラムに発熱抵抗体を設けて電気抵抗値を用いて空気流量を測定する熱式空気流量センサにおいて、ダイヤフラム最表面膜がＳｉＯＮ膜やポリシリコン膜により形成することにより、Ｈ２Ｏなどの含有量を低減して、クラックの発生も低減でき、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。
【００２８】
つまり、本発明の第１の実施形態によれば、発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス流量センサを実現することができる。
【００２９】
図６は、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１の平面図である。この第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図は先に示した第１の実施例である熱式空気流量計測装置とほぼ同一の構造であり、保護膜３０ａの材質は酸窒化膜(ＳｉＯＮ膜)又はポリシリコン膜であるが、第２の実施形態においては、膜応力低減のため、ダイヤフラム２上以外の部分にスリット３０ｄが形成されている。
【００３０】
つまり、配線部１５と１６との間、配線部１６と１７との間、配線部１７と７との間、配線部７と６との間、配線部６と５との間にスリット３０ｄが形成されている。これらのスリット３０ｄを形成することにより、保護膜３０ａの膜応力がさらに低減され、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。
【００３１】
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７〜図１０を参照して説明する。なお、図７は本発明の熱式流量センサの検出素子７１の平面図、図８は図７のＢ−Ｂ'線に沿った断面図、図９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１０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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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に接続している。また、固定抵抗５９のもう一端はパッド５８に接続している。
【００３５】
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し、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。ここで、発熱抵抗体６６のヒータ温度は８０℃以上の高温で動作するため、水などの吸着水や膜中の含有水などが存在した場合、蒸発や脱離現象が発生する。
【００３６】
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差動増幅器７６と、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出力を出力する差動増幅器７８と、この差動増幅器７８の出力で制御され発熱抵抗体６６に電流を流すトランジスタ７７とを備える。
【００３７】
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。
【００３８】
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。このため、この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。
【００３９】
こうすることで本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。
【００４０】
図１１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。
【００４１】
図１１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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、熱式空気流量センサ１１７のダイヤフラム最表面膜がＳｉＯＮ膜やポリシリコン膜により形成することにより、Ｈ２Ｏなどの含有量を低減して、クラックの発生も低減でき、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。
【００４５】
これにより、流量検出精度が向上されるので、内燃機関の制御精度も向上することができる。
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態が適用される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】保護膜中からの水（Ｈ２Ｏ）の脱離を説明する図である。
【図４】保護膜の最表面からの水（Ｈ２Ｏ）の脱離を説明する図である。
【図５】保護膜をＴＳＤ（脱ガス分析）などで解析した温度と水の脱離量との関係を示す図である。
【図６】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平面図である。
【図７】本発明の熱式流量センサの検出素子の平面図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。
【図９】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１０】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１１】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】
【００４８】
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、３０ｄ・・スリット、３０ｃ、３１ｂ・・・絶縁膜、３２・・・平板基板、３３、３６・・・コンタクト部、３４・・引き出し配線部、３５・・中空部、３７・・強度補強保護膜、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】
2008026203.tif 000003
【図２】
2008026203.tif 000004
【図３】
2008026203.tif 000005
【図４】
2008026203.tif 000006
【図５】
2008026203.tif 000007
【図６】
2008026203.tif 000008
【図７】
2008026203.tif 000009
【図８】
2008026203.tif 000010
【図９】
2008026203.tif 000011
【図１０】
2008026203.tif 000012
【図１１】
2008026203.tif 000013