热式流量传感器的制作方法

专利名称：热式流量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在被测流体中设置发热电阻体来测定流量的热式流量传感器，尤其涉及适合测定汽车的内燃机的吸入空气流量、排气流量的热式流量传感器。
背景技术：
作为检测汽车等的内燃机的吸入空气量的空气流量传感器，可以直接测定质量流量的热式的空气流量传感器正成为主流。近年来，提出了用微型机械技术在硅(Si)等的半导体衬底上制造热式流量计的传感器元件。这样的半导体型的传感器元件形成有矩形状地除去半导体衬底的一部分而成的空洞部，在该空洞部中形成的数微米厚的电气绝缘膜上形成有发热电阻体。另外，在这样的传感器元件中，在发热电阻体的附近形成热敏电阻体，基于从发热电阻体上流动的被测流体向热敏电阻体传导的热量测定流量的方法成为主流。发热电阻体的大小很微细，为几百微米，由于形成为几微米的薄膜状，所以热容量小，可以高速应答和低耗电化。但另一方面，针对因在流路上存在的油、灰尘等的飘浮物造成的破损等的可靠性，现在也正采取各种各样的改善措施。例如，为了减少传感器元件的污损，有在取入空气流的一部分的通路内配置传感器元件，通过使该通路以各种各样的形状弯曲，成为利用惯性效应使油、灰尘等难以撞到传感器元件上的结构的方法。但是，在这样的以各种各样的形状弯曲的结构的通路中配置传感器元件时，与通路内流动的流量对应地作用于空气流的惯性效应变化，传感器元件上流动的空气的方向会随着流量变化。而且，如果传感器元件上流动的空气的方向变化，由传感器元件检测的流量
会产生误差。作为其原因之一，由于伴随着发热电阻体周边的结构的不均匀，发热电阻体周边的温度分布不均匀，所以即使空气流量方向的微小变化也会使传感器元件的检测灵敏度变化。而且，如果发热电阻体小型化，发热电阻体的周边的温度分布的均匀性进一步变差，测定误差进一步增大。为了解决该问题，在例如专利文献I中，通过局部地增减发热电阻体的布线宽度，调节发热电阻体的发热量，实现温度分布的平滑化。专利文献1:日本特开2009-198299号公报

发明内容
(发明要解决的问题)但是，在现有技术中，由于在发热电阻体的布线宽度有局部相对变细的部分，而且构成小型的传感器元件时，该部位的强度降低，所以担心因油、灰尘等造成的破损、因电迁移等造成的劣化。在专利文献I中对发热电阻体周边的温度分布进行了考虑，但对于发热电阻体的结构强度没有充分考虑。于是，本发明正是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供，在搭载到汽车等的内燃机上时，发热电阻体的结构强度不会降低，通过减小因空气流的流动方向的微小的变化造成的传感器元件的检测灵敏度的变化来减小流量测定误差，小型且低耗电的高精度的热式流量传感器。(用来解决问题的手段)为了实现上述目的，根据本发明的热式流量传感器构成为，调整热电阻，以使得由发热电阻体的电极部侧的一边和前膜片部的电极部侧的一边构成的第I区域的热电阻、与由发热电阻体的与一边对置的另一边和空洞部的与一边对置的另一边构成的第2区域的热电阻基本相等。本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请2010-220248号的说明书和/或附图记载的内容。(发明效果)根据本发明，可以提供通过减小因空气流的流动方向的微小的变化造成的传感器元件的检测灵敏度的变化来减小流量测定误差，小型且低耗电的高精度的热式流量传感器。


图1是实施例1中的传感器元件的平面图。图2是实施例1中的传感器元件的X-X’剖面结构和温度分布。图3是热式流量传感器的检测电路结构。图4是区域I和区域2的解释图。图5是传感器元件的安装方式例。图6是应用本发明以前的传感器元件的结构。图7是应用本发明以前的传感器元件的Y-V剖面结构和温度分布。图8是应用本发明以前的区域I和区域2的热电阻的关系图。图9是应用本发明以前的发热电阻体周边的平面图上的温度分布。图10是实施例1中的传感器元件的Y-V剖面结构和温度分布。图11是实施例1中的区域I和区域2的热电阻的关系图。图12是实施例1中的发热电阻体周边的平面图上的温度分布。图13是发热电阻体的配置指标值(=L1/L2)与电气绝缘膜厚的关系。图14是发热电阻体的配置指标值(=L1/L2)与点A-点B间的温度差的关系。图15是实施例2中的传感器元件的平面图。图16是实施例2中的传感器元件的Y-Y’剖面结构和温度分布。图17是实施例3中的传感器元件的平面图。图18是实施例3中的传感器元件的Y-Y’剖面结构和温度分布。图19是实施例4中的传感器元件的平面图。图20是实施例4中的传感器元件的Y-Y’剖面结构和温度分布。图21是实施例5中的传感器元件的Y-Y’剖面结构和温度分布。图22是实施例6中的传感器元件的平面图。图23是实施例7中的传感器元件的平面图。图24是实施例7中的传感器元件的X-X’剖面结构和温度分布。
图25是实施例7中的热式流量传感器的检测电路结构。图26是实施例8中的传感器元件的平面图。(附图标记说明)1:半导体衬底；2 :膜片；3a,3b 电气绝缘膜；4 :发热电阻体；5 :布线部；6a,6b,7a, 7b :热敏电阻体；8a，8b，9a，9b，9c，9d，10a, 10b, 10c, IOd, 28a, 28b, 28c, 28d :引出布线部；11 :电极焊盘部;12a，12b，18a，18b，18d，18 e :温度分布;13，29 :放大器；14a :通路；14b :分支通路；15a，15b :空气流；16 :基底部材；17 电路衬底；19a，19b :等温线；20a，20b :空气流的方向；21 :调整体；22a，22b :模拟布线部；23 :保护膜；24 :膜厚变化点；25 膜厚边界线；26 :热敏电阻体;27a，27b，27c，110a，110b，IlOc :固定电阻;30，112 :晶体管；100，101 :驱动电路；111 :运算放大器；200 :检测电路
具体实施例方式下面，用图1到图26说明根据本发明的一实施例。(实施例1)下面，说明根据本发明的实施例1。用图1、图2说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。在图1中，构成传感器元件的半导体衬底I由硅(Si)、陶瓷等的热传导率好的材料构成。另外，在半导体衬底I上形成电气绝缘膜3a，通过从背面蚀刻半导体衬底I形成空洞部，形成膜片2。在膜片2上的电气绝缘膜3a的表面上形成发热电阻体4和用来对发热电阻体4通电的布线部5。在此，如果相对于Y-Y’线方向，从形成布线部5的一侧的空洞部2的短边的端部到发热电阻体4的布线部侧端部的距离为L1、从与形成布线部5的一侧相反侧的空洞部2的短边的端部到发热电阻体4的前端部的距离为L2，则把发热电阻体4配置在LI > L2的位置上。另外，相对于X-X’线方向，在膜片2的中央配置发热电阻体4。而且，在发热电阻体4的两侧形成上游侧热敏电阻体6a，6b、下游侧热敏电阻体7a，7b。上游侧热敏电阻体6a，6b相对于发热电阻体4配置在流体的流动方向的上游侧，下游侧热敏电阻体7a，7b相对于发热电阻体4配置在流体的流动方向的下游侧。而且，传感器元件的最表面被电气绝缘膜3b覆盖，电气绝缘膜3b除了进行电气绝缘以外还用作保护膜。而且，在膜片2外部的半导体衬底I上设置用来与驱动和检测构成发热电阻体4、上游侧热敏电阻体6a，6b、下游侧热敏电阻体7a，7b等各电阻体的电路连接的引出布线部8，9，10和电极焊盘部11。另外，电极焊盘部11由铝(Al)等形成。在此，这些发热电阻体4、上游侧热敏电阻体6a，6b、下游侧热敏电阻体7a，7b用电阻值随温度变化的电阻温度系数比较大的材料形成。例如，可以用掺杂了杂质的多晶硅、单晶硅等的半导体材料、钼(Pt)、钥(Mo)、钨(W)、镍合金等的金属材料等形成。另外，电气绝缘膜3a，3b由二氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)形成约2微米厚的薄膜状，设为得到足够热绝缘效果的结构。另外，发热电阻体4是膜片2上的以发热为主的部分，作为与发热电阻体4电气连接的、像布线部5那样的通过加宽布线宽度而减小每单位长度的电阻值的部位、以从发热电阻体4突起的形状形成的图案等的不能作为电流通路的部位不含在发热电阻体4的范围中。例如，希望发热电阻体4的每单位长度的电阻值为布线部5的每单位长度的电阻值的10倍以上。下面，说明实施例1的传感器元件的制造方法。作为半导体衬底I使用单晶硅等的半导体。对作为基底的单晶硅构成的半导体衬底I的表面热氧化或通过CVD法等形成作为预定的厚度约I μ m的电气绝缘膜3a的二氧化硅和氮化硅。然后，作为电阻体，通过CVD法等层叠厚度约1μ m的多晶硅半导体薄膜。然后，对多晶硅半导体薄膜进行杂质扩散，进行高浓度掺杂处理以成为预定的电阻率。进而，通过光刻技术把光刻胶形成预定的形状之后，通过反应性离子蚀刻等的方法对多晶硅半导体薄膜进行构图，得到发热电阻体4、布线部5、热敏电阻体6a，6b，7a，7b、引出布线部 8a, 8b, 9a 9d, IOa 10d。然后，在工序中，与电气绝缘膜3a同样地，通过CVD法等形成约I微米厚的二氧化硅和氮化硅，作为保护膜形成电气绝缘膜3b。然后，在电极焊盘部11上除去保护膜3b，而由铝、金等形成作为用来与外部电路连接的端子的端子电极。另外，用来连接各电阻体与端子的引出布线部8a，8b，9a 9d，IOa 10d，当然也可以为多晶硅半导体薄膜与铝、金等的多层膜构成。在最后的工序中，在单晶硅半导体衬底I的背面将蚀刻的掩模材料构图成预定的形状，通过用氢氧化钾(KOH)等的蚀刻液进行各向异性蚀刻，形成空洞部，形成膜片2。通过以上的工序，完成传感器元件。下面，用图2说明热式流量传感器的检测原理。

图2所示的温度分布12a，12b是传感器元件的X_X’线上的温度分布。温度分布12a是无风时的膜片2表面上的温度分布，温度分布12b是产生空气流时的膜片2表面上的温度分布。通过产生空气流，发热电阻体4的上游侧被空气流冷却而温度下降，下游侧因通过发热电阻体4被加热了的空气流动而温度上升。因此，通过利用上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b测定发热电阻体4的上游部和下游部的温度差ATs，就可以计测流量。下面，用图3说明用来测定温度差Λ Ts的电路动作。图3示出的电路由施加为了使发热电阻体4发热必需的驱动电压Vh的驱动电路100、和用来测定ATs的桥电路200构成。驱动电路100构成把由发热电阻体4和固定电阻IIOa构成的串联电路与由固定电阻IIOb和固定电阻IIOc构成的串联电路并联连接的桥电路，向各串联电路施加驱动电压Vh。取出这些串联电路的中间电压，与放大器111连接。放大器111的输出与晶体管112的基极连接。晶体管112的集电极与Vh连接，发射极与发热电阻体4连接，构成反馈电路。由此，把发热电阻体4的温度Th控制成比空气流的温度Ta高一定温度AT(=Th_Ta)。另外，固定电阻110a、110b、IlOc配置在相对于发热电阻体4被热隔离的位置上。例如，可以配置在半导体衬底I上但不在膜片2上的部分上，也可以设置在不在半导体衬底I上的其它的部位上。桥电路200构成把由热敏电阻体6a和7a构成的串联电路与由热敏电阻体6b和7b构成的串联电路并联连接的桥电路，施加基准电压Vref0然后，如果因空气流在上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b上产生温度差ATs，由于电阻值随着各电阻体各自的温度变化，所以桥电路的电阻平衡产生变化，在各中间电压间产生电压差。通过放大器13从该电压差得到与流量对应的输出Vout。另外，像上述那样，热敏电阻体具有相对于发热电阻体配置在流体的流动方向的上游侧的上游侧热敏电阻体6a，6b和相对于发热电阻体配置在流体的流动方向的上游侧的下游侧热敏电阻体7a，7b，而且，像图1所示的那样，上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b是相对于长轴基本对称的结构。通过成为这样的结构，可以检测被测流体的顺流方向和逆流方向的流量。下面，用图4 图12说明通过实施例1得到的效果。在图4中，如果由从配置布线部5的一侧的膜片2的短边端部到发热电阻体4的端部的长度L1、膜片2的X-X’轴方向的宽度Wd和发热电阻体4的X-X’轴方向的宽度Wh构成的梯形区域为区域1，由L2、Wd和Wh构成的梯形区域为区域2，那么区域I中的朝Y-Y’轴方向的热电阻Rtl和区域2中的朝Y-Y’轴方向的热电阻Rt2可以分别通过式1、式2表
/Jn οRtl = LlXlog(ffh /ffd)/((kltl + k2t2 + n Ik3t3) (ffh-ffd))…(式 I)Rt2 = L2X log (ffh/ffd) / ((kltl + k2t2 + n 2k3t3) (ffh-ffd))…(式 2)在此，kl、tl是构成电气绝缘膜3a，3b的材料(例如，二氧化硅等)的热传导系数和膜厚。另外，k2、t2是构成电气绝缘膜3a，3b的材料(例如，氮化硅等)的热传导系数和膜厚。另外，k3，t3是构成发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5的材料(例如，掺杂了杂质的多晶硅等)的热传导系数和膜厚。另外，Π I是发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5的面积之和在区域I中占的比率。另外，Π 2是发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5的面积之和在区域2中占的比率。图6的传感器元件配置成发热电阻体4的Y-Y’轴方向的配置为LI = L2。图7示出该传感器元件的沿Y-Y’线的剖面结构。传感器元件中，电气绝缘膜3a，3b和布线部5构成区域1，电气绝缘膜3a，3b构成区域2。在此，发热电阻体4、上游侧热敏电阻体6a，6b、下游侧热敏电阻体7a，7b和布线部5，由例如掺杂了杂质的多晶硅、单晶硅等的半导体材料、钼、钥、钨、镍合金等的金属材料等形成。另外，电气绝缘膜3a，3b由二氧化硅、氮化硅形成。一般地，掺杂了杂质的多晶硅、单晶硅等的半导体材料、钼、钥、钨、镍合金等的金属材料的热电阻比二氧化硅、氮化硅小。因此，区域I中的Y-Y’轴方向的长度LI与热电阻Rtl的关系、区域2中的Y-Y’轴方向的长度L2与热电阻Rt2的关系像图8所示的那样，随着1/L的增加，区域I中的热电阻的增加率更小。因此，成为在LI = L2的情况下，传感器元件上的温度为点B侧比点A更高的状态，Y-Y’轴方向的温度分布成为图7那样的温度分布18a的形状。另外，表示此时的传感器元件的平面图中的温度分布18a的状态的等温线19a像图9所示的那样。在此，图5示出传感器元件的安装方式例。在空气流15a流动的通路14a内，设置从通路14a的壁面突出的形状的基底部材16，在基底部材16上形成分支通路14b，成为把通路14a内流动的空气流15a的一部分取入的结构。另外，在基底部材16设置搭载了驱动电路100和检测电路200的电路衬底17，电路衬底17的一部分配置成突出到分支通路14b内。另外，在突出到分支通路14b内的电路衬底17上配置传感器元件，通过分支通路14b内流动的空气流15b进行流量测定。
为了减少传感器元件的污损，分支通路14b为弯曲成大致U形的结构。因此，在分支通路14b中，由于空气流15b中产生的惯性力随流量变化，所以传感器元件上的空气流15b的方向随流量变化。另外，在本实施例中为分支通路14b的形状弯曲成大致U形的结构，但分支通路14b的结构不仅限于此，只要是在取入分支通路14b中的空气流15b中产生惯性力那样的结构就可以。另外，不仅限于惯性力，为了减少传感器元件的污损，有时是在取入分支通路14b的空气流15b中产生离心力的结构，在这样的情况下也是，由于离心力随流量变化，所以传感器元件上的空气流15b的方向随流量变化。下面，详细说明因空气流15b的方向变化造成的检测灵敏度的降低。在图9的等温线19a的状态下，因惯性作用而倾斜的空气流20a，20b分别流入膜片2时，通过发热电阻体4而温度上升的空气流流到下游侧热敏电阻体7a，7b。在发热电阻体4上，由于通过空气流20a和空气流20b的位置的温度不同，所以流入下游侧热敏电阻体7a，7b的空气的温度是在空气流20a的情况下温度高，在空气流20b的情况下温度低。如果这样，在空气流20a的情况下，由于更多的热量传到下游侧热敏电阻体7a，7b，所以下游侧热敏电阻体7a，7b的电阻值变化大，得到良好的检测灵敏度。另一方面，在空气流20b的情况下，由于传到下游侧热敏电阻体7a，7b的热量比20a的情况下小，所以下游侧热敏电阻体7a，7b的电阻值的变化小，因此检测灵敏度低。因此，在现有的热式流量传感器中，由于会因空气流的方向变化而产生灵敏度变化，所以导致流量测定精度的降低。其次，在本发明中的实施例1中，像图1所示的那样在满足LI > L2的位置配置发热电阻体4。另外，图10示出沿图1的传感器元件的Y-Y’线的剖面结构和膜片2表面中的温度分布。根据式1、式2，通过使LI >L2，有使Rtl更大、Rt2更小的效果。因此，可以像图11所示的那样，在LI > L2的情况下使Rtl和Rt2成为基本同等的值。此时的传感器元件上的温度分布成为图10的温度分布18b的形状。图12是示出表示 温度分布18b的状态的等温线19b的图。在图12的温度分布19b的状态中，倾斜的空气流20a，20b流入膜片2时，通过发热电阻体4而温度上升的空气流流到下游侧热敏电阻体7a，7b。在发热电阻体4上，由于空气流20a和空气流20b通过的位置上的温度基本相同，所以流入下游侧热敏电阻体7a，7b的空气的温度，在空气流20a的情况下与在空气流20b的情况下为基本相同的温度。因此，即使空气流的方向变化，从空气流传到下游侧热敏电阻体7a，7b的热量也不变，可以在流量检测中维持稳定的灵敏度，可以良好地进行空气流的测定。而且，布线部5可以设置成具有比发热电阻体4的线宽更大的宽度。由此，可以减小布线部5的电阻值，可以减小因流到布线部5的电流造成的温度上升，可以使发热电阻体4周边的温度分布更均匀。下面，用图13、图14说明更优选的LI和L2的方式。为了构成更有益的热式流量传感器，可以成为LI和L2的比率L1/L2为1. 5以上的结构。在此，满足Rtl = Rt2时的L1/L2可以通过式3算出。在此为了简化，使η2 = 0。L1/L2 = (kltl + k2t2 + η Ik3t3) / (kltl + k2t2)...(式 3)根据式3，为了使Rtl = Rt2，除了变更L1、L2的比率的方法以外，还有使tl、t2 t3的方法。通过使构成电气绝缘膜3a，3b的二氧化硅的膜厚tl和氮化硅的膜厚t2比构成发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5的材料的膜厚t3足够大，可以相对地减小发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5在热电阻Rtl、Rt2中占的比例。但是，另一方面，由于氮化硅有大的拉伸应力(lGPa)，所以如果膜厚t2太大,膜片中产生裂纹等，成为电气绝缘膜3a，3b破损的要因，所以必须注意内部应力。图13示出L1/L2和在L1/L2中与满足Rtl = Rt2的电气绝缘膜3a，3b的膜厚对应的内部应力的关系。根据图13，在L1/L2 <1. 5时，内部应力急剧增加。例如，在L1/L2=1. 4时，产生约IMPa · μ m的内部应力，有电气绝缘膜3a，3b破损的可能性。另一方面，在L1/L2 >1. 5时，内部应力稳定且值小。另外，在L1/L2 <1. 5的区域中，为了满足Rtl = Rt2所需的电气绝缘膜厚急剧增大。为此，为了得到更好的空气流的测定灵敏度，必须提高电气绝缘膜3a，3b的热绝缘性。因此，L1/L2彡1. 5的结构在传感器元件小型化时也是有效的。另外，图14示出电气绝缘膜3a，3b的膜厚恒定时的L1/L2与点A-点B间的温度差ATab的关系。根据图14，L1/L2和ATab的相关曲线为下降型的收缩曲线。如果进一步分析，如果L1/L2彡1. 5，与LI = L2的情况相比可以使ATab减到一半以下。

由此，可以缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，可以改善温度分布的偏差，而且，可以减薄电气绝缘膜，可以实现更加小型化和高灵敏度化。(实施例2)下面，用图15、图16说明根据本发明的实施例2。图15是示出本实施例中的热式流量计的传感器元件的结构的图。实施例2中的传感器元件构成为，在实施例1中的传感器元件的结构的基础上，在区域2内的发热电阻体4附近设置相对于Y-Y’轴对称的形状的调整体21。该调整体21用例如与发热电阻体4相同的材料形成，可以通过在模制形成发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5时，设置追加的光刻胶图案来形成。像图16所示的那样，通过用与各电阻体相同的材料构成调整体21，可以使区域2的层结构(例如，二氧化硅和氮化硅)接近区域I的层结构(例如，二氧化硅和氮化硅和多晶硅)。因此，可以使热电阻Rtl、Rt2的值更接近。即，可以进一步缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，可以成为像18c所示的那样无偏差的好的温度分布。另外，在小型的传感器元件中，由于在传感器元件端部存在用来和外部电路连接的电极、键合引线等的凹凸物，所以有因凹凸物产生的湍流影响发热电阻体4周边的温度分布的可能性。因此，有时限制传感器元件的物理寸法，限制L1/L2的值。根据本实施例，通过在区域2内设置调整体21，无须变更传感器元件的尺寸就可以改善温度分布的偏差，所以对小型的传感器元件等特别有效果。另外，调整体21的形状也可以是像图15所示那样的多角形的形状，也可以为分割了的形状。另外，作为使效果更好的手段，可以通过式4求出调整体21在区域2内占的面积比率Π 2，反映在结构中。由此，可以使Rtl和Rt2基本同等，得到更高的效果。η 2 = (L2/L1) (kltl+k2t2+ η Ik3t3) / (k3t3)…(式 4)(实施例3)下面，说明根据本发明的实施例3。
用图17、图18说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例3中的膜片2构成为，在图4的传感器元件的膜片2的结构的基础上，在区域2内设置与布线部5基本对称的模拟布线部22a，22b。模拟布线部22a，22b，通过用例如与发热电阻体4相同的材料设置而构成。该模拟布线部22a，22b，可以通过在模制形成发热电阻体4、热敏电阻体6a，6b，7a，7b和布线部5时，设置追加的光刻胶图案来形成。如果这样，由于传感器元件的剖面结构是像图18所示的那样，区域I和区域2的结构基本对称，所以根据式I和式2，热电阻Rtl和Rt2基本相等。因此，传感器元件上的温度分布，像图18的温度分布18d所示的那样，得到无偏差的好的温度分布。即，可以进一步缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，可以改善温度分布的偏差。(实施例4)下面，说明根据本发明的实施例4。用图19、图20说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例4中的膜片2构成为，在图4的传感器元件的膜片2的结构的基础上，在区域2中除了电气绝缘膜3a，3b以外，还在电气绝缘膜3b的上层形成保护膜23。保护膜23通过用例如与电气绝缘膜3a，3b相同的材料设置而构成。另外，像图12所示的那样，传感器元件的剖面结构构成为区域2中的膜厚T2比区域I中的膜厚Tl更厚。此时的Rt2可以用式5表不。Rt2 = L2 X log (ffh/ffd)/((kltl + k2t2 + n 2k3t3 + k4t4) (ffh-ffd))...(式 5)在此，k4是保护膜23的热传导系数。t4是保护膜23的膜厚。其它的符号与实施例I中说明的相同。根据 式5，通过形成保护膜23，热电阻Rt2减小，接近Rtl的大小。另夕卜，通过式6得到式I的Rtl和上述式5的Rt2相等时的t4的值。t4 = (L2/L1) (kltl + k2t2 + n Ik3t3)/k4-(kltl + k2t2 + n2k3t3)/k4...(式 6)根据式6，通过使保护膜23的膜厚t4接近通过式6得到的膜厚，可以使Rtl ^ Rt2，传感器元件上的温度分布，像图20的温度分布18e所示的那样，得到无偏差的好的温度分布。即，可以缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，可以改善温度分布的偏差。(实施例5)下面，说明根据本发明的实施例5。用图21说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例5中的传感器元件构成为，成为在实施例4的传感器元件中，在膜片2的膜厚从Tl变成T2的膜厚变化点24处设置倾斜的结构。通过成为本结构，成为使在膜厚Tl和膜厚T2的边界处产生的应力分散的结构。把热式流量传感器搭载到汽车的内燃机的情况下，除了因发热电阻体4使膜片2表面上发热以外，传感器的周围温度也变化很大。因此，有热应力、振动等的机械应力导致膜片2破损的可能性。根据本实施例，由于可以使膜厚Tl和T2的边界处产生的应力分散，所以可以缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，且提高膜片2的强度、耐久性和电气绝缘膜的强度，可以实现高可靠性的流量传感器。
(实施例6)下面，说明根据本发明的实施例6。用图22说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例6中的传感器元件构成为，在实施例4的膜片2内，把保护膜23形成为，形成膜厚Tl和膜厚T2的边界的边界线25具有至少I个弯曲部。通过成为本结构，成为在膜厚Tl和膜厚T2的边界处使力学的应力分散的结构。因此，可以缓和区域I和区域2的长度方向的热电阻的不均等，且提高膜片2的强度、耐久性和电气绝缘膜的强度，可以实现高可靠性的流量传感器。(实施例7)下面，用图23 图25说明根据本发明的实施例7。用图23说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例7中的传感器元件，在实施例1中的传感器元件的结构的基础上，在发热电阻体4的附近设置热敏电阻体26，进一步在膜片2外部形成固定电阻27a，27b，27c。接着，通过热敏电阻体26和固定电阻27a，27b，27c形成桥电路，各电阻体的中间电压与引出布线部28a，28b，28c，28d和电极焊盘部11连接。下面，用图24说明实施例7中的热式流量传感器的动作原理。与图24所示的传感器元件的剖面结构图一起示出的温度分布12a，12b是传感器元件的表面温度的分布。温度分布12a示出无风时的膜片2表面上的温度分布。温度分布12b是产生空气流时的膜片2表面上的温度分布。通过产生空气流，发热电阻体4的上游侧被空气流冷却而温度 下降，下游侧因通过发热电阻体4而被加热了的空气流动而温度上升。因此，通过利用上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b测定发热电阻体4的上游部和下游部的温度差Λ Ts，就可以计测流量。下面，用图25说明实施例7中的驱动和检测电路。实施例7中的驱动电路101构成把由电阻值因发热电阻体4的温度而变化的热敏电阻体26和固定电阻27a构成的串联电路与由固定电阻27b和固定电阻27c构成的串联电路并联连接的桥电路，向各串联电路施加基准电压Vref。取出这些串联电路的中间电压，与放大器29连接。放大器29的输出与晶体管30的基极连接。晶体管30的集电极与电源Vh连接，发射极与发热电阻体4连接，构成反馈电路。由此，把发热电阻体4的温度Th控制成比空气流的温度Ta高一定温度AT (=Th_Ta)。实施例7中的检测电路为与实施例1中的桥电路200相同的结构。桥电路200构成把由热敏电阻体6a和7a构成的串联电路与由热敏电阻体6b和7b构成的串联电路并联连接的桥电路，施加基准电压Vref。然后，如果因空气流在上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b上产生温度差Λ Ts，则由于上游侧热敏电阻体6a，6b和下游侧热敏电阻体7a，7b的电阻值随着各自的温度变化，所以桥电路的电阻平衡产生变化，在各中间电压间产生电压差。通过放大器13从该电压差得到与流量对应的输出Vout。由实施例7的热式流量传感器得到的优点，除了由实施例1中的热式流量传感器得到的优点以外，还可以减小向发热电阻体4供给的电力，可以使发热电阻体4进一步小型化。因此，可以提高膜片2内的发热电阻体4的配置自由度，在更有利于改善温度分布的部位配置发热电阻体4。另外，本实施例也可以适用于实施例2 实施例6和后述的实施例80(实施例8)下面，说明根据本发明的实施例8。用图26说明根据本实施例的热式流量计的传感器元件的结构。实施例8中的发热电阻体4构成为，在实施例1中，布线宽度比实施例1中的发热电阻体4更细，而且具有多个折回形状。由此可以提高每单位面积的发热密度。另外，由于钼、钥、钨、镍合金等的金属材料比多晶硅等的半导体材料耐热性高，所以热电阻体4的加热温度可以更高，但如果加热温度升高，则耗电增加，所以在以低耗电、低电压、低电流进行传感器动作时，希望发热电阻体4形成得更加小型。实施例8中的优点，除了由实施例1中的热式流量传感器得到的优点以外，由于发热电阻体4的每单位面积的发热密度增大，所以还可以增大发热量，同时可以使发热电阻体4小型化。因此，可以提高膜片2内的发热电阻体4的配置自由度，在更有利于改善温度分布的部位配置发热电阻体4。另外，本实施例也可以适用于实施例2 实施例7。另外，本实施例中的发热电阻体4为大致M形，但即使是大致U形的形状、弯折状(蛇行状)，也得到同样的效果。在前述的各实施例中，说明了在发热电阻体4的上游部和下游部配置两对热敏电阻体6a，6b，7a，7b的情况，但即使是一对热敏电阻体的结构，也得到与由各实施例得到的优点同样的好处。本说明书引用的全部出版物`、专利和专利申请，其全部内容在此作为参考引入。
权利要求
1.一种热式流量传感器，具有在半导体衬底上形成的空洞部、以覆盖上述空洞部的方式形成的电气绝缘膜、在上述电气绝缘膜上形成的发热电阻体、在上述发热电阻体的附近形成的热敏电阻体、在上述半导体衬底的边缘部处与边缘基本并行地配置的由导电体构成的电极部、以及把上述电极部和上述发热电阻体电气连接的布线部，所述热式流量传感器基于被测流体和上述热敏电阻体的传热量检测被测流体的流量，该热式流量传感器的特征在于 以使得由上述发热电阻体的上述电极部侧的一边和上述空洞部的上述电极部侧的一边构成的第I区域的热电阻、与由上述发热电阻体的与一边对置的另一边和上述空洞部的与一边对置的另一边构成的第2区域的热电阻基本相等的方式，调整上述热电阻。
2.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 上述布线部从上述发热电阻体的上述电极部侧的一边向上述空洞部的上述电极部侧的一边方向延伸； 通过上述发热电阻体的长度方向的配置调整上述热电阻； 如果上述发热电阻体的上述电极部侧的一边和上述空洞部的上述电极部侧的一边的距离为L1、上述发热电阻体的与一边对置的另一边和上述空洞部的与一边对置的另一边的距离为L2，则上述发热电阻体的长度方向的配置为LI > L2。
3.如权利要求2所述的热式流量传感器，其特征在于 上述发热电阻体的长度方向的配置满足L1/L2彡1. 5。
4.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 通过缓和在上述发热电阻体的附近的上述电气绝缘膜上设置的上述第I区域和上述第2区域的热电阻的不均等的调整体来调整上述热电阻。
5.如权利要求4所述的热式流量传感器，其特征在于 上述调整体设置在上述第2区域内。
6.如权利要求4所述的热式流量传感器，其特征在于 上述调整体是相对于上述空洞部的中心轴对称的形状。
7.如权利要求4所述的热式流量传感器，其特征在于 上述调整体用与上述发热电阻体相同的材料形成。
8.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 在上述空洞部的一侧的上述电气绝缘膜上形成上述布线部， 通过在上述空洞部的另一侧设置与上述布线部基本对称的模拟布线部来调整上述热电阻。
9.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 通过上述第I区域和上述第2区域中的上述电气绝缘膜的层叠膜的膜厚来调整上述热电阻； 如果上述第I区域中的层叠膜的平均膜厚为Tl，上述第2区域中的层叠膜的平均膜厚为T2，则上述平均膜厚的膜厚分布是满足Tl < T2的膜厚分布。
10.如权利要求9所述的热式流量传感器，其特征在于 在从上述Tl变成上述T2的边界处使上述电气绝缘膜的层叠膜的膜厚阶梯状地变化。
11.如权利要求9所述的热式流量传感器，其特征在于上述电气绝缘膜的层叠膜在上述Tl和上述T2的边界线处具有至少I个弯曲部。
12.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 在上述电气绝缘膜上形成用来检测上述发热电阻体的温度的热敏电阻体，基于上述热敏电阻体的电阻值控制上述发热电阻体的发热量的驱动电路与上述发热电阻体电气连接。
13.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 上述热敏电阻体具有相对于上述发热电阻体配置在被测流体的流动方向的上游侧的第I热敏电阻体、和相对于上述发热电阻体配置在上述被测流体的流动方向的下游侧的第2热敏电阻体； 上述第I热敏电阻体和上述第2热敏电阻体配置成相对于上述发热电阻体基本对称。
14.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 上述发热电阻体具有至少I个弯曲部。
15.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 上述布线部的线宽比上述发热电阻体的线宽宽。
16.如权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于 上述发热电阻体用导电性材料形成，通过焦耳热发热。
全文摘要
本发明的目的在于提供，减小因空气流的流动方向的微小的变化造成的传感器元件的检测灵敏度的变化，小型且高精度的热式流量传感器。本发明的实施方式的热式流量传感器，具有在半导体衬底(1)上形成的空洞部(2)、以覆盖上述空洞部(2)的方式形成的电气绝缘膜、在上述电气绝缘膜上形成的发热电阻体(4)、在上述发热电阻体的附近形成的热敏电阻体、在上述半导体衬底的边缘部处与边缘基本并行地配置的由导电体构成的电极部(11)、以及把上述电极部和上述发热电阻体电气连接的布线部(5)，基于被测流体和上述热敏电阻体的传热量检测被测流体的流量，其中调整上述热电阻，以使得由上述发热电阻体的上述电极部侧的一边和上述空洞部的上述电极部侧的一边构成的第1区域的热电阻、与由上述发热电阻体的与一边对置的另一边和上述空洞部的与一边对置的另一边构成的第2区域的热电阻基本相等。
文档编号G01F1/692GK103052866SQ20118003812
公开日2013年4月17日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月30日
发明者浅野哲, 松本昌大, 中野洋 申请人:日立汽车系统株式会社