(57)【要約】必要とされる物理的構造および熱特性を取り入れる丈夫なセンサは、過酷な環境の状態下で流体の流量および特性を測定できる。センサ・ダイは、センサの飽和を避けるのに必要な熱伝導特性を提供するのに合った熱伝導率を有する材料でできており、したがって、高圧下で、また、しばしば、シリコンベースのセンサでは従来は利用できない、過酷な環境下での、大流量の空気流量および液体特性の測定が可能である。丈夫なセンサはさらに、裏側電気接続用の内部バイアを有し、したがって、測定への電気的および機械的干渉がなくなる。これらの特徴の全てが一緒になって、過酷な環境下で、信頼性があり、すなわち安定した、広いダイナミックレンジで、高速動作が可能なマイクロセンサが実現される。
2004513331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表側表面および裏側表面を有する実質的に中実の絶縁センサ本体であって、基板が、前記表側表面から前記裏側表面へ延びる複数の開口を有する、絶縁センサ本体と、
前記表側表面に結合された少なくとも１つの検知素子と、
前記複数の検知素子が前記裏側表面上の対応する接続材料に電気的に接続されるように、前記複数の開口を満たす接続材料であって、電子回路基板への接続材料の接続を可能にするように構成される接続材料と、
を備える物理特性センサ・ダイ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの検知素子が加熱器および熱センサを含む、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの検知素子が温度センサを含む、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの検知素子が環境センサを含む、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの検知素子が加熱器、第１熱センサおよび第２熱センサを含む、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項６】
前記センサ本体が感光性ガラスでできている、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項７】
前記センサ本体がセラミックでできている、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項８】
前記センサ本体が高溶解性ガラスでできている、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項９】
前記センサ本体が高絶縁性シリコンでできている、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１０】
前記セラミックがアルミナである、請求項７に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１１】
前記セラミックが高溶解性ガラスである溶融シリカである、請求項８に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１２】
前記感光性ガラスがＦｏｔｕｒａｎである、請求項６に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１３】
前記複数の検知素子が、前記表側表面上にコーティングされたプラチナで作られる、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１４】
前記実質的に中実のセンサ本体が第１材料および第２材料でできており、前記第１材料が前記複数の検知素子の直下に位置決めされる、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１５】
前記実質的に中実のセンサ本体が、前記複数の検知素子の下に位置決めされた第１材料製プラグを含み、前記プラグが、前記実質的に中実のセンサ本体の残りの部分を構成する第２材料によって囲まれている、請求項１に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１６】
前記プラグが実質的に円筒形である、請求項１５に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１７】
前記第１材料がガラスであり、前記第２材料がアルミナである、請求項１４に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１８】
前記第１材料がガラスであり、前記第２材料がアルミナである、請求項１５に記載の物理特性センサ・ダイ。
【請求項１９】
検知回路に取り付けられるように適合された、流体の物理特性を測定するセンサにおいて、
実質的に中実の絶縁センサ本体および複数の検知素子でできているセンサ・ダイであって、前記複数の検知素子が、基板の表側表面上に位置決めされ、かつ複数のダイ・バイアと連通して、電気信号が基板の前記裏側表面に送られることを可能にしており、前記裏側表面が前記表側表面と反対側であり、かつ前記表側表面と実質的に平行である、センサ・ダイと、
前記裏側表面に並置して前記センサ・ダイに取り付けられるセンサ基板であって、複数の基板バイアを通して前記検知回路にさらに取り付けられるように構成され、前記基板バイアが、前記ダイ・バイアと接触して前記検知回路への電気接触を可能にする、センサ基板と、
を備えるセンサ。
【請求項２０】
前記検知素子を被覆するパッシベーション層をさらに備える、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記パッシベーション層が窒化シリコンである、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記複数の検知素子が加熱器および熱センサを含む、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記複数の検知素子が加熱器、第１熱センサおよび第２熱センサを含む、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記センサ本体が感光性ガラスから作製される、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記検知素子が、前記センサ本体の第１主表面上にコーティングされたプラチナ構造であり、前記パッシベーション層で被覆される、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記バイアが、前記表側表面から前記裏側表面へ延びる、前記センサ本体内の穴を含む、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記ダイ・バイアと連通して、前記センサ本体上に位置決めされ、前記検知素子に対する適切な相互接続を提供している複数の内部接続構造をさらに備える、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記センサ本体が、前記複数の検知素子の下に位置決めされた第１材料製プラグ、およびセンサ本体の残りの部分を構成し前記プラグを囲む第２材料を含む、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記第１材料がガラスであり、前記第２材料がアルミナである、請求項２８に記載のセンサ。
【請求項３０】
ガラスベースの特性センサを作成する方法であって、
所定のマスクパターンを有するマスクを用いてガラスダイ基板をマスキングするステップであって、前記マスクが、所定の光信号を選択的にさえぎる材料でできている、ステップと、
前記ガラスダイ基板のマスクされていない部分を露光するために、前記マスキングされたガラスダイ基板を照射するステップと、
前記マスクを除去し、かつ前記マスクによって被覆されなかった前記ガラスダイ基板の部分を結晶化するために、前記ガラスダイ基板をアニールするステップと、
前記ガラス基板の結晶化部分をエッチングするステップと、
電気信号の導電経路を提供するために、前記ガラスダイ基板の所定の領域を導電材料でコーティングするステップと、
を含む方法。
【請求項３１】
前記エッチングするステップが、前記基板の表側から前記基板の裏側全体へ延びる複数の穴を提供する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記複数の穴が、前記ガラスダイ基板を貫通する電気接触連通点を提供するバイアを構成する、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本出願は、１９９８年１２月７日に出願された、「Ｒｕｇｇｅｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ」という名称の米国特許出願第０９／２０７，１６５号（現在、米国特許第　　　号）、および、１９９９年１月２８日に出願された米国特許出願第０９／２３９，１２５号の一部継続出願である１９９９年８月５日に出願された米国特許出願第０９／３６８，６２１号の一部継続出願（両出願とも「Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ　Ｈｏｕｓｉｎｇ」という名称）である。
【０００２】
発明の分野：
本発明は、概して、微細構造の形態で実施される流体流量センサなどの流体の熱センサに関する。便宜上、用語「流量センサ」は、以下でそのような熱センサに対して広く使用することになる。読者は、そのようなセンサを、温度、熱伝導率および特定の熱などの主要な特性を測定するために使用できること、また、熱伝達が強制対流または自然対流によって起こる可能性があることを理解できよう。本発明は、より具体的には、構造的に頑健で過酷な環境で動作できる、中央加熱素子および周辺センサアレイを有する、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）またはマイクロフィル（ｍｉｃｒｏｆｉｌｌ）タイプのセンサに関する。これらのＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）またはマイクロフィルタイプのセンサは、ウェハ貫通相互接続を含み、したがって、環境上の損傷または汚染に対する敏感さを非常に低くできる。センサ支持構造の材料は、用途に合わせた熱伝導率を有し、したがって、過酷な環境における、高感度または大流量（ｈｉｇｈ　ｍａｓｓ　ｆｌｕｘ）の１つまたは複数の流体流量測定に必要とされるような、より有益で多用途のセンサを生み出す。
【０００３】
関連技術の説明：
Ｈｉｇａｓｈｉ他に付与された米国特許第５，４０１，１５５号に詳細に記載されている、開いた（ｏｐｅｎ）マイクロブリッジ構造は、大きな圧力変動がある状態で、またはそれがない状態で清浄ガスの測定に好適である。その理由は、マイクロブリッジが破裂耐性を有する（ｂｕｒｓｔ−ｐｒｏｏｆ）ためである。しかし、マイクロブリッジ構造の開いた性質のために、蒸気からの凝縮物がマイクロブリッジ構造内に保持されるのを制御できず、制御できない熱応答すなわち出力の変化がもたらされ、それによって、その構造が出力誤差および不十分な安定性の影響を受けやすくなる。
【０００４】
通常のマイクロブリッジ構造は、上部表面でヘッダまたは基板にワイヤボンドされ、さらに導電線および／または電子回路を保持するシリコンダイを有する。通常、こうしたワイヤボンド用のワイヤは０．０００２５４ｃｍ（１ミル）の金ワイアとなろう。このワイヤは、流体中に浮遊する粒子を保持し、液体凝縮物を保持し、好ましくない乱流を増加させ、また流れの応答を変化させる傾向を有する。その細さのために、ワイヤはまた、高速液体流などの大流量の環境において、またセンサを清浄しようとする時に損傷を受けやすい。
【０００５】
膜ベースのセンサは、流体にさらされる開口がないため、マイクロブリッジ構造の問題のいくつかを解決する。より具体的には、開口がなく、流体が下部構造に入ることができない。しかし、膜は、絶縁空気層（ａｉｒ　ｓｐａｃｅ）の上で封止され、差圧によって誘発される応力（ｓｔｒｅｓｓ）信号誤差を受けるため、膜ベースのセンサは、高圧用途への適用が限られる。膜の物理的形状（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）のために、膜は、圧力差（膜の両側での）が６８９．５ｋＰＡ（１００ＰＳＩ）（大流量の環境では非常にありそうな圧力レベル）を超えて増加すると、変形すなわち破裂する可能性がある。膜センサの上表面の上の加熱素子／検知素子もまた、通常、他の構成部品にワイヤボンドされ、流れ経路内のワイヤが漂積物を蓄積する問題、またおそらく清浄しようとしている間に切れる問題を残す。
【０００６】
多くの異なる材料を使用して、流体流量センサを作成できるが、材料の選択がセンサ性能に大きく影響する可能性がある。センサ基板を構成する好ましい材料は、特性の中でも特に、比較的低い熱伝導率を有するであろう。この低い熱伝導率は、センサの感度を維持するのに必要である。この比較的低い熱伝導率のために、種々の検知素子に働く全ての加熱作用／冷却作用は、主に、検知されるはずの流体によって引き起こされる。言い換えると、熱が基板を通って過度に伝導しないことを確実にすることが重要である。これは、信号短絡（ｓｈｏｒｔ）を起こす。上述したマイクロメンブレン構造は、過酷な環境（浮遊粒子を伴う凝縮蒸気など）において、正確な熱測定を行うことを可能にする設計手法を提供する。具体的には、加熱器／検知素子の直下のシリコン質量が大幅に減少する、またはなくなる。したがって、起こり得る熱損失を制限できる。しかし、こうした構造においてさえ、材料の選択が重要である。すなわち、低い熱伝導率および適切な材料強度が重要であり続ける。この構造の欠点は、検知素子に応力を誘発し、抑制できない出力信号変動すなわち誤差を生ずる、（膜の両端の）差圧に対する感度である。
【０００７】
上述の熱特性（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）に加えて、流量センサ全体は、化学的に不活性で、耐食性があり、高い温度安定性があり、電気的に絶縁され、生体適合性があることが非常に望ましい。明らかに、これらの特性の多くは、材料の適切な選択によって得られる。さらに、センサの動作環境を考慮に入れると、これらの所要の特性が必要である。選択される材料は、過酷な環境で動作することができるセンサを考慮に入れなければならない。
【０００８】
したがって、上述の問題を受けにくい流量センサを開発することが望ましいであろう。具体的には、センサは、マイクロブリッジの下の蒸気の蓄積によって影響を受けないことになり、また加熱素子および検知素子の付近で露出したボンディングワイヤを有さないことになる。望ましいセンサは、構造的に丈夫で、したがって、過酷な環境で動作することができることになる。さらに、信号短絡によって影響を受けない、したがって、大流量の空気流量および液体流量を検知できる流量センサを開発するのが望ましいであろう。このことを達成するには、望まれる流量センサは、比較的低い熱伝導率、高い温度安定性、高い電気絶縁性、耐食性、化学的な不活性および生体適合性を有する丈夫な基板すなわちダイを含むことになる。こうした構造の設計は、高い圧力で広範囲にわたっての流量および熱特性の検知を可能にする。さらに、この能力は、適度な価格で、過酷な環境における故障なしの動作を提供する。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）またはマイクロフィル構造（それぞれが検知素子の下に実質的に中実の構造を有する）およびウェハ貫通電気相互接続を有するマイクロセンサ・ダイを有する微細構造流量センサを詳述する。この構造によって提供される多くの長所によって、丈夫なセンサ、すなわち、過酷な環境を含む多くの異なる用途において動作可能で、かつ正確であるセンサを作ることができる。
【００１０】
センサの特徴は、適切な電気的絶縁を提供するために、加熱器およびセンサ素子の上にある、平坦なパッシベーションされた上部表面を有することである。さらに、ウェハ貫通相互接続を有するダイは、上述した付随する問題を有するボンディングワイヤを用いる必要をなくす。広範囲の圧力レベルに耐え、過酷な環境で動作するために、ダイ構造は非常に丈夫であるように構成される。ダイは、非常に低い熱伝導率を有する材料でできており、したがって、好ましくない熱信号短絡の可能性がなくなる。たとえば、ダイは、種々のガラス材料、アルミナまたはこうした材料の組合せを用いて作製することができる。
【００１１】
ダイは、任意の数の接着剤によって、適度に合う熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する基板に取り付けられる。熱圧着（ｔｈｅｒｍｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂｏｎｄｉｎｇ）、はんだバンピング、導電性接着剤などによって電気接触が行われる。基板貫通式電気接触は、センサの別の電子回路に取り付けるための、必要な導電パターン（ｒｕｎ）で終端するのが好ましい。これによって別のデバイスに容易に相互接続できる。
【００１２】
基板はさらに、ダイの底部に対する流体障壁と、裏側接点へのアクセスを防止するために埋戻し封止を提供するために、ダイとの対合表面にパッシベーション層を有することができる。酸化シリコン層および窒化シリコン層の両方を、ダイ形成に使用することができる。本発明は、全ての流体流量用途における、故障のない、信頼性のある働き、ならびに容易に作製できること、および清掃メンテナンスを容易に受けられることによって、使用者に利益を与えるであろう。
【００１３】
大流量検知動作を行うことができることは、主として、センサの物理特性に依存する。より重要なことには、ダイ基板の低い熱伝導率は、これらの大流量検知状況で動作することができるセンサを作成するのに必要である。熱伝導率を最小にすることによって、センサ加熱作用／冷却作用への干渉が最小になり、検知能力が向上するであろう。具体的には、ダイ基板材料の特性は、熱伝達の適切なルートを制御し、加熱器からセンサへダイ基板を通る伝達が避けられるであろう。種々の材料がこの特性を提供できる。歴史的には、マイクロブリッジセンサチップの窒化シリコンは、容易に製造される一方で、あるレベルの熱伝導率を提供するのに使用されてきた。しかし、その脆性が過酷な環境での使用を妨げている。
【００１４】
望ましい特性を示すより最適な材料はガラスである。しかし、ガラスは、容易に微細加工されないために、以前は使用されなかった。すなわち、ガラスを用いて要求される構造を形成することが難しい。別の可能性のある基板材料はアルミナであり、アルミナは、電子回路実装に広く使用されており、いくつかの望ましい特性を有する基板として役立つように機械加工することができる。しかし、望ましくない１つの特徴は、高い熱伝導率であり、この熱伝導率はセンサチップの感度を非常に低下させるであろう。
【００１５】
感光性ガラスおよびパイレックス（登録商標）（ｐｙｒｅｘ）を含む、ガラス材料の最近の進歩は、微細加工が可能であり、非常に効果があることを示した。その結果、この材料は今や、微細加工された流量および特性センサに対する代替のダイ基板を提供できる。本発明は、ガラス（感光性ガラス、溶融シリカなど）またはアルミナ材料特性を利用して、最適化された物理特性を有する流量および特性センサを製造する。したがって、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）またはマイクロフィル構造でガラスベースのセンサを実現することによって、圧力による応力で誘発された誤差信号のない、液体特性または大流量の流体流量用の頑丈なセンサの作製が可能になる。
【００１６】
ガラスの最近の進歩によって、ダイ基板としてのこの材料の使用は、必要とされる構造上の機械加工の量を一般的に減らす。より具体的には、基板は今や、実質的に中実な構造を有するＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）またはマイクロフィル構造で作製することができる。このタイプのセンサ・ダイにおいて、加熱素子および検知素子は、基板上に直に配置され、これらの素子の下ではさらなる処理は必要とされない。したがって、基板自体は、検知素子の下で途切れがなく、より丈夫なセンサ・ダイを生成する。ガラス基板材料の特性によって、このＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）構造を過酷な環境で効果的に使用することが可能になる。
【００１７】
別法として、同じＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）構造は、プラグタイプ形態を利用して得ることができる。この手法において、基板材料は、加熱素子および検知素子の下の穴またはそれら素子全体にわたって延びる開口を含む。次に、この穴は、適切な材料の充填剤すなわちプラグで再充填され、マイクロフィル構造（すなわち、中実な材料で充填された微小穴）が生成される。この基板および適切な充填剤すなわちプラグの組合せは、マイクロセンサ・ダイの熱特性に効率よく合わせることができる。たとえば、基板は、主としてアルミナから作製され、ガラスプラグを含んでよい。次に、加熱素子が、このプラグ素子の上に直に配置され、したがって、必要な熱特性が実現される。
【００１８】
本発明は、図面と関連する好ましい実施形態の説明を読むことによって、より十分にまた完全に理解されるであろう。
（好ましい実施形態の詳細な説明）
好ましい実施形態の説明を通して、同じ構成部品は同じ参照番号で識別されるであろう。
【００１９】
図１を参照すると、流体流量センサ・ダイ２１は本体１３を含む。本体１３上に、中央加熱素子１９を囲むセンサ素子１５、１７が堆積される。これら全てはプラチナなどの適切な金属からなる。このタイプの微細構造流体流量センサの構成および動作理論は、当業者には知られており、本明細書上ではさらに詳細には説明されない。上述したように、再び、便宜上この構造は概して「流量センサ」と呼ばれるであろう。
【００２０】
図２を参照すると、本発明による流量センサは、適度に合う熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する基板２３に接合されたマイクロセンサ・ダイ２１を含んでよい。基板２３の材料は、アルミナ、ムル石または適切なＣＴＥを有する公知のプリント回路板材料を含んでよい。上部包囲本体すなわち層２５は、マイクロセンサ・ダイ２１を囲むように基板２３上に設置されて、検知装置の上部表面がさらに平坦化されるようにし、流体流に対する最低の抵抗およびその中に粒子すなわち凝縮物がとどまる可能性のある割れ目を最小にする。上部包囲本体２５は、エポキシ層、プリフォームまたは上述の目的にかなう、適切に製造され、配置された任意の堆積層すなわち構造層を含んでよい。基板２３、ダイ２１および上部包囲本体２５の間の接合部はさらに、発生する可能性のある塵および蒸気トラップを除去するために、適切なエポキシまたは同様のもので封止されるか平滑化される。
【００２１】
示されるように、マイクロセンサ・ダイ２１は、導電材料、好ましくは金、クロム／金合金またはクロム／金／パラジウム合金で充填された、電気バイア（ひとまとめにして２９）の役をする貫通穴を有する本体１３を備える。示すように、相互接続のための貫通の使用は、流量センサに対して多くの利点を与える。具体的には、ワイヤボンドがマイクロセンサ・ダイ２１の上部表面から上に延びない。したがって、検知される流れに干渉する構造がない。予想されるように、このことによって、特定の接合構造上の応力を防止することに加えて、乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）がなくなる。
【００２２】
再び図２を参照すると、基板２３は、マイクロセンサ・ダイ２１に適度に合う熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する、アルミナ、ムル石または他の公知の材料からなる基板本体５５を備える。シリコンマイクロセンサ・ダイ２１に係合するはずの基板構造２３の上部表面に、はんだバンプ熱圧着剤（ｔｈｅｒｍｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｏｌｄｅｒ−ｂｕｍｐ　ｂｏｎｄ）５１が存在する。
【００２３】
シリコンはしばしば、非常に有効なマイクロセンサ本体材料であると考えられている。その理由は、シリコンを、いくつかのよく知られているシリコン処理技法を用いて、容易に機械加工／処理することができるからである。大流量の流体流量検知および高圧用途などの、ある用途では、しかし、マイクロブリッジまたはマイクロメンブレンのようなシリコンで支持された構造は、確かにある種の欠点を有する。具体的には、シリコンの断熱特性は、シリコン上に直に作られる場合、センサの構造上および動作上の特性を制限するであろう。こうした熱特性を扱うために、シリコンベースのセンサのマイクロセンサ本体は、マイクロメンブレンタイプの構造で構成されて、加熱器および検知素子の下の熱質量を制限するようにする。明らかに、このことによって、シリコンベースのセンサの物理的強度が制限される。さらに、マイクロメンブレン形態は、大流量検知には適さない。その理由は、その出力信号が大流量レベルに達する前に飽和するからである。
【００２４】
過酷な環境において有効に動作するために、流量センサは、構造的に丈夫でなければならない。上で示したように、６８９．５ｋＰＡ（１００ＰＳＩ）付近で破裂する膜構造は、丈夫なセンサを作るのに必要とされる構造上の特性を示さない。必要とされるのは、発生源（高圧パルス、超音波洗浄および水ハンマーなど）による高圧に耐えるのに十分丈夫なセンサである。大流量の流量を検知するために、ある熱伝導率を有する基板材料を有する必要もある。熱伝導率があまりに小さ過ぎると（膜の場合がそうであるが）、出力信号は、適度の流量（〜１ｇ／ｃｍ２ｓ）で飽和する。しかし、熱伝導率があまり大き過ぎると、出力信号が小さくなり過ぎる。ある種のガラス材料は、（シリコンより）より良い断熱特性を提供し、したがって、上で概説した微細加工した流量および特性センサの検知能力を向上させる。ガラスの使用はまた、より丈夫な物理的構造を使用することを可能にする。さらに、検知素子は、パッシベーション層によって保護され、したがって、蒸気および液体に対する感度が落ちるであろう。これらの種々の特性によって、複数の用途に使用できるより多用途のセンサが得られる。さらに、以下で概説するように、ある種の技法は、ガラスベースの基板の効果的な微細加工手段を備えている。
【００２５】
ここで図３を参照すると、ガラスベースの空気流量または流体流量センサについての、より詳細な構造が示されている。マイクロセンサ本体材料としてのガラスの使用は、センサの能力を高める複数の特徴を提供する。これらの特徴は、（１）ウェハ貫通接触に対する自動的な電気絶縁、（２）シリコンより小さい熱伝導率、（３）液体検知用などの高圧パルスに耐えるのに必要な環境的頑丈さ、および（５）構造的に丈夫なセンサ本体形態を使用できることを含む。さらに、ガラスベースのセンサは、化学的不活性、耐食性および生体適合性についての全ての要件を満たす。
【００２６】
上述したように、ガラスは、種々の接触の間で固有の電気的絶縁を提供する。このことがシリコンベースのセンサと比較される。シリコンベースのセンサでは、少し絶縁性があるように成長する、より高価なシリコンを使用するのでなければ、電気的絶縁は基板上に二酸化シリコン層を塗布することによって得られる。明らかに、これによって、１つの層の材料および１つの必要な処理工程がなくなる。酸素を高める工程に時間がかり、またかなり高温度で行われるため、これは特に有益である。
【００２７】
ここで図３を参照すると、ガラスベースのセンサ・ダイ１２１の断面図が示されている。本発明のセンサは、概してガラスベースのセンサと呼ばれるが、適切な物理特性を有する他の材料もまた使用できるであろうことを理解すべきである。たとえば、アルミナはセンサ・ダイ１２１を形成するための支持体（ｂａｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ）として使用されるであろう。これら他の材料は、本発明の範囲および精神の中にあることが意図される。ガラス本体１１０は、センサ・ダイ１２１を形成するための土台として使用される。ガラス本体１１０の上部表面上に、再び、パッシベーションおよび構造的機能の役を果たす窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ５）層１１２がある。このパッシベーション層１１２の上に、上述されており、当業者には公知のものと同様の、加熱器素子１１４およびセンサ１１６が構築されている。再度、これらの加熱素子および検知素子を、プラチナなどの多くの材料から作製することができる。構造の上部表面全体を被覆するのは、保護パッシベーション被覆の役を果たす上部層１１８である。上部層１１８は、再び、通常は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ５）である。
【００２８】
上述したセンサと同様に、ガラス本体１１０は、ガラス本体を貫通して延びる複数の電気（ｅｌｅｃｔｒｉｃ）バイア１２９を有する。これらの電気バイアは通常、ガラス本体１１０内に作られ、ガラス本体の裏側１２０への相互接続を提供する穴である。再び、この穴によって、検知システムの別の素子への電気接続が可能になる。これらの電気バイア１２９の作製は、以下図４を参照してより完全に説明される。
【００２９】
電気バイア１２９内に配置されているのは、実際の加熱器１１４またはセンサ１１６への電気接続を提供する導電接続材料１３１である。これらの電気接続に使用される材料は、ガラス本体１１０の熱膨張特性に密接に一致するように選択される。
【００３０】
再度、基板１２３は、マイクロセンサ・ダイ１２１の裏側に取り付けられるように構成される。基板１２３は、ガラス基板１１０の熱特性にぴったり合うように選択された材料でできた基板本体１５５を含む。例として、基板１２３は、コバール封じガラス、アルミナ、ＰＣＢなどであってよい。基板本体１５５の上部表面上には、複数の金属接点１７０に加えて、つや出し（ｇｌａｚｉｎｇ）層１６０がある。種々の貫通穴すなわちバイア１８０はまた、基板本体１５５に備えられて、別の構成部品への適切な電気接続を提供する。
【００３１】
使用できるセンサを実現するために、センサ・ダイ１２１は、基板１２３に取り付けられて、全ての適切な電気接続が適切に整列するようにされる。この取り付けは、熱圧着、またははんだバンピングまたはｚ軸接着剤などの他の適切な取り付け手法によって容易に行うことができる。
【００３２】
確認できるように、ガラス本体１１０は、実質的に中実の材料ブロックである。すなわち、センサ・ダイ１２１に取り付けられた構成部品への電気相互接続用に備わっている、存在する電気バイア１２９以外に、センサ・ダイ内の開口すなわち穴はない。より重要なことには、加熱器１１４および検知素子１１６の直下のガラス本体１１０の領域は実質的に中実である。予想されるように、このことによって、作製が非常に容易な構造が提供され、かつ必要とされる処理ステップ数が最小になる。ガラス本体１１０用に選択された材料の性質のために、このタイプの構造は有効に使用することができる。より具体的には、低い熱伝導率を有するガラスベースの材料を使用することによって、使用できる流体流量センサを作製することができる。一般的にＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）と呼ぶ、このタイプの構造は、非常に丈夫でかつ環境的に強固なセンサを提供する。より重要なことには、このセンサは、破裂することなく、高い圧力レベルに耐えることができる。
【００３３】
上述したように、ガラス本体１１０に対する適切な材料の使用によって、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）構造が可能になる。一般的に言えば、この構造は、シリコンが基板材料として使用される時にはうまくいかない。したがって、シリコンにおいて、熱伝導経路が基板材料自体を通して極めて容易に作られ、著しく低い信号出力が得られる。上述したように、このことは、加熱器１１４に対する検知素子１１６の感度を減ずるために、任意の流体流量センサにとって望ましくない。
【００３４】
ここで図４を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。この、変更されたマイクロメンブレン形態において、マイクロセンサ・ダイ２２１は再び、ガラス本体２１０に基づく。図３に示す実施形態におけるように、パッシベーション層１１２はガラス本体２１０の真上に堆積される。このパッシベーション層の上に、加熱器１１４および一対の検知素子１１６が作製される。検知素子と他の全ての適切な構成部品の間の電気相互接続を提供する、上部表面相互接続１１９もまた含まれている。これらの素子（加熱器１１４、検知素子１１６および相互接続１１９）の上部にコーティングされるのは、保護層１１８である。
【００３５】
確認できるように、ガラス本体２１０は、加熱器１１４および検知素子１１６の下に中央充填剤部２１２を含む。この実施形態において、充填剤部２１２は、加熱器１１４と検知素子１１６の間にさらなる断熱を提供することによって、マイクロセンサ・ダイ２２１の動作をさらに高める。上述したように、ガラス本体２１０用に選択されたガラス材料は、多くの利点およびシリコンに比べてより最適な断熱性を提供する。しかし、事実上全ての材料がそうであるように、ガラスは、実際ある程度の熱伝導特性を有する。上述したように、ガラスよりずっとよい熱伝導特性を有する、充填剤部２１２の材料を使用することによって、過熱が影響を与える通路がさらに減らされる。したがって、加熱器１１５および検知素子１１５に直接隣接する構造全体は非常に低い熱伝導特性を有する。したがって、大流量の流体流量状態でのセンサの感度は大幅に向上する。
【００３６】
ここで図５を参照すると、マイクロセンサ・ダイ３２１の別の形態が示されている。この特定の形態において、マイクロセンサ・ダイ３２１は、図５に示すガラス本体２１０とほぼ同様に構成された本体３１０上に配置される。しかし、この例において、本体３１０は、ガラスまたはシリコンまたはアルミナを含む他の材料から製造することができる。さらにマイクロセンサ・ダイ３２１の熱特性に合わせるのに、適切に構成されたプラグ３１２が利用される。プラグ３１２は、本体３１０を介して完全にまたは全体にわたって延び、所望の熱特性を有する材料から選択される。確認できるように、加熱器１１４および検知素子１１６はプラグ３１２の真上に構成される。たとえば、本体３１０はアルミナから構成することができるが、プラグ３１２は適切なガラス材料から構成することができる。この点に関して、加熱器１１４および検知素子１１６の下で中実の構造が維持されるが、熱特性は再度、厳密に管理される。
【００３７】
図５に示す形態は、アルミナまたはシリコンが本体材料として使用される時に特に該当する。よく知られているように、アルミナは、容易に機械加工できて、公知の方法を用いて適切な形態に製造できる。さらに、アルミナは、ガラスまたはシリコンよりも化学的に不活性である。したがって、アルミナのみの使用はある用途においては利点を有する。さらに、アルミナは、温度耐性がより大きいため、かなりの高温用途で使用できる。上述したように、適切なプラグ材料を用いて、必要な熱伝導率を得ることができて、所望の動作特性を有する熱センサがもたらされる。このプラグすなわちマイクロフィル手法を、同様に、他の材料を用いて使用して、センサの特性を適切に「調整する」すなわち合わせることができる。
【００３８】
ここで図６を参照すると、図３の所望のセンサ・ダイ１２１を作成するための裏側処理のブロック図が示してある。より具体的には、図６は、ガラス本体１１０を適切に構成するのに使用される工程を略図で示す。さらに、ガラス本体１１０は原料のむき出しのブロックとして存在する（ステップ１）。次に、ステップ２にて、適切に構成されたマスク１８０がガラス本体１１０の上部表面上に配置される。マスク１８０は、微細構造処理によって通常使用される標準的なクロム材料で作ることができる。
【００３９】
次に、マスクされた基板がＵＶ照射１８２に露光される。よく知られているように、ＵＶ照射はガラス本体１１０のマスクされた領域には接触しないが、マスクしていない部分に影響を与えるであろう。図６に具体的に示すように、マスクは、中に５個の開口を有するように構成される。したがって、ＵＶ照射はガラス本体１１０上でこれらの円形領域に入射することができる。
【００４０】
次に、ステップ３にて、露光領域の結晶化が行われる。この結晶化は、ガラス本体１１０のさらなる処理を容易にする。より具体的には、ガラスは、ＵＶ露光領域がエッチング可能になる。ステップ４にて、実際のエッチングが行われて、ＵＶ露光された領域が除去される。これによって、ガラス本体１１０内に穴が作られ、その穴は、その後さらに処理されることができる。ステップ４にて、ウェハ貫通穴が金属被覆されて、２つの表面の間での電気接触が可能になる。この時点で、裏側処理が完了して、ガラス本体１１０は、最後にガラスベースセンサ・ダイ１２１を作るために、さらに処理されることができる。
【００４１】
再び図３を参照すると、必要な表側処理は、加熱器１１４およびセンサ１１６の作成および全ての適切なコーティングおよび接続を含むことが理解できる。より具体的には、例示的な表側製造工程は、以下のようになるであろう。すなわち、（１）ガラス本体１１０の上部側面上へのパッシベーション層（窒化シリコン）１１２の堆積、（２）電気接点およびセンサ／加熱素子を形成するためのパッシベーション層へのプラチナの堆積、（３）所望のプラチナパターンを得るための、プラチナ被覆のパターニングおよびイオンミリング、および（４）最後に、構造全体にわたる上部パッシベーション層１１８の堆積。
【００４２】
十分に理解されるように、同様の工程を使用して、パイレックス（登録商標）から構成部品を製造できる。これらの他の工程は、必要な穴を形成するための、レーザ処理、化学的エッチングまたは物理的処理を含んでよい。
【００４３】
本発明が多くの利点を提供すること、および好ましい実施形態の詳細な構造が、多くの問題に対していくつかの解決策を提示することが当業者によって理解されるであろう。好ましい実施形態の種々の構造は、したがって、その特定の要素の固有の利点が、選択されるセンサの用途に好ましくない時には、よく似たもので置き換えることができることが認識されるであろう。したがって、本発明は、併記特許請求の範囲によって制限されるのみである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
マイクロメンブレン加熱器および検知素子を示すマイクロセンサ・ダイの平面図である。
【図２】
基板構造を含む、本発明による組み立てられた流体流量センサの断面図である。
【図３】
マイクロセンサ・ダイおよび基板の詳細図である。
【図４】
充填剤部を組み込んだ代替のマイクロセンサ・ダイ構造の断面図である。
【図５】
プラグを用いた、さらに別のマイクロセンサ・ダイ構造の断面図である。
【図６】
一タイプのガラスベースセンサに必要とされる裏側処理の略図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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