热式传感器装置的制作方法

1.本发明涉及在膜片形成有发热电阻体的热式传感器装置。


背景技术：

2.作为本技术领域的背景技术有专利文献1。在专利文献1中，记载有能够将保持发热电阻体的下部薄膜和上部薄膜的膜厚加厚而提高机械强度，且降低整体的翘曲的气流传感器。该气流传感器具有以桥接在硅基片形成的空腔部的方式层叠下部薄膜、加热层和上部薄膜的结构的薄膜发热部(以下称为膜片)。下部薄膜和上部薄膜分别采用组合压缩应力膜与拉伸应力膜的结构，以下部薄膜与上部薄膜夹持加热层地成为对称结构的方式层叠。压缩应力膜由密合性良好的氧化硅膜构成，拉伸应力膜由耐湿性良好的氮化硅膜构成。通过使下部薄膜与上部薄膜成为对称结构，能够消除翘曲力矩抑制膜片整体的翘曲。由此，专利文献1的气流传感器能够将下部薄膜和上部薄膜的膜厚加厚，实现膜片的机械强度的提高。
3.此外，作为本技术领域的背景技术有专利文献2。在专利文献2中，对于发热电阻体的下层的绝缘膜，交替地配置具有压缩应力的膜与具有拉伸应力的膜且配置2层以上具有拉伸应力膜的膜。由此降低膜片的挠度。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开平11
‑
271123号公报
7.专利文献2：日本特开2010
‑
133897号公报


技术实现要素：

8.发明所要解决的问题
9.为了检测出气体的流动和浓度等的微小的变化，需要将发热电阻体的温度高温化并提高检测灵敏度。例如，在气流传感器中，将发热电阻体加热至200℃左右的高温。此外，为了测量湿度等气体浓度的而将发热电阻体加热至500℃左右。
10.当对发热电阻体加热时膜片的温度上升而发生热膨胀。由于热膨胀而发生形变，如果在该状态下长期持续则会在发热电阻体发生塑性变形而电阻值发生变化。由于该电阻值的变化而加热温度发生变化，在测量值上产生误差。
11.在专利文献1和专利文献2中，虽然能够降低室温时的膜片的翘曲，但是会产生对发热电阻体加热而引起的膜片的膨胀。对于该膨胀对发热电阻体的影响未加以考虑，没有充分顾及。
12.为了减小长期持续高温状态而引起的发热电阻体的电阻变化，抑制发热电阻体的膨胀减小形变是有效的。为了减小温度变化引起的形变，优选使用热膨胀系数小的氧化硅膜覆盖发热电阻体，而尽量不使用热膨胀系数大的氮化硅膜。但是，采用这样的结构，与保持膜片的硅基片的热膨胀系数差变大，在膜片产生褶皱而异形化。当膜片异形化时，容易在
膜片产生裂纹而有损于机械可靠性。
13.本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供能够通过抑制发热电阻体的热膨胀引起的塑性变形而减小发热电阻体的电阻变化，维持长期测定精度的热式传感器装置。
14.用于解决问题的技术方案
15.为了达到上述目，本发明是一种热式传感器装置，包括形成有开口部的基片和具有以桥接所述开口部的方式层叠有下层层叠膜、发热电阻体和上层层叠膜的结构的膜片，其中所述下层层叠膜的膜厚大于所述上层层叠膜的膜厚，所述下层层叠膜的平均热膨胀系数大于所述上层层叠膜的平均热膨胀系数，所述下层层叠膜由热膨胀系数不同的多个膜构成，所述多个膜中的热膨胀系数最大的膜形成在与所述下层层叠膜的厚度中心相比的下侧。
16.根据如以上那样构成的本发明，下层层叠膜的膜厚比上层层叠膜的膜厚大，因此，发热电阻体配置在与膜片的厚度中心相比的上层侧。此外，由于下层层叠膜的平均热膨胀系数比上层层叠膜的平均热膨胀系数大，所以在对发热电阻体加热时在膜片发生弯曲变形。因此，在与膜片的厚度中心相比的上层侧，不仅发生膜片的热膨胀引起的伸长形变，而且发生膜片的弯曲变形引起的压缩形变。其结果是，配置在与膜片的厚度中心相比的上层侧的发热电阻体的伸长形变因膜片的弯曲变形引起的压缩形变而减小。通过以上的作用，发热电阻体的热膨胀引起的塑性变形被抑制，发热电阻体的电阻变化减小，因此能够长期维持热式传感器装置的测定精度。
17.发明的效果
18.根据本发明的热式传感器装置，能够通过抑制发热电阻体的热膨胀引起的塑性变形减小发热电阻体的电阻变化，维持长期测定精度。
附图说明
19.图1是本发明的热式传感器装置中使用的传感器元件的一个实施例的俯视图。
20.图2是表示图1的x
‑
x’截面的截面图。
21.图3是表示本发明的热式传感器装置的驱动电路(电路结构)的一个实施例的电路图。
22.图4是表示膜片为拉伸性的情况下和为压缩性的情况下的翘曲形状的图。
23.图5是将本发明的传感器元件的一个实施例中的发热部放大后的截面图。
24.图6是表示本发明的传感器元件的一个实施例中的发热部的截面方向的形变的图。
25.图7是本发明的热式传感器装置中使用的传感器元件的一个实施例的截面图。
26.图8是本发明的热式传感器装置中使用的传感器元件的一个实施例的截面图。
27.图9是本发明的热式传感器装置中使用的传感器元件的一个实施例的截面图。
具体实施方式
28.以下说明本发明的实施例。各实施例说明作为一个例子安装在发动机的吸气通路，进行在吸气通路中流动的吸入空气的流量测量的内容，还能够应用于从发热电阻体的
放热量和温度的变化测量气体的湿度和氢浓度的气体传感器。
29.实施例1
30.以下对本发明的第1的实施例进行说明。使用图1说明本实施例的热式流量计的传感器元件1的结构。传感器元件1的基片2由硅等热传导率良好的材料构成。而且，在基片2上形成下层层叠膜3a、上层层叠膜3b。以被下层层叠膜3a和上层层叠膜3b夹持的方式形成发热电阻体5，在发热电阻体5的周围形成检测发热电阻体5的加热温度的加热温度传感器7，在加热温度传感器7的两侧形成上游侧温度传感器8a、8b，下游侧温度传感器9a、9b。上游侧温度传感器8a、8b相对于发热电阻体5配置在空气流6的气流的上游侧，下游侧温度传感器9a、9b相对于发热电阻体5配置在空气流6的流动的下游侧。此外，在下层层叠膜3a上，配置电阻值与空气流6的温度相应地变化的感温电阻体10、11、12。而且，传感器元件1的最表面被上层层叠膜3b覆盖。上层层叠膜3b除了进行电绝缘以外，还作为保护膜发挥作用。进一步，通过将基片2的一部分从背面通过蚀刻等除去，形成作为薄膜发热部的膜片4。
31.在上述结构中，利用加热温度传感器7检测发热电阻体5的温度，对空气流6的温度以提高一定温度的方式进行加热控制，从由空气流6产生的上游侧温度传感器8a、8b与下游侧温度传感器9a、9b的温度差检测空气流量。
32.这些发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、感温电阻体10、11、12由电阻值随温度变化的材料形成。例如由铂、钼、钨、镍合金等电阻温度系数大的金属材料形成即可。此外，下层层叠膜3a、上层层叠膜3b由氧化硅(sio2)或氮化硅(si3n4)形成为约2微米厚的薄膜状，成为获得热绝缘效果的结构。
33.在传感器元件1的端部，设置形成有用于将构成发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、感温电阻体10、11、12的各电阻体与驱动/检测电路连接的多个电极的电极垫13。另外，电极垫13由铝等形成。此外，形成用于连接发热电阻体5、各温度传感器与电极垫13的配线。
34.图2表示传感器元件1的截面结构。在基片2上形成下层层叠膜3a。下层层叠膜3a为交替地层叠氧化硅膜与氮化硅膜的结构。从下层起依次形成将si基片热氧化了的氧化硅膜14a、氮化硅膜15a、氧化硅膜14c。这些氧化硅膜14a、14c和氮化硅膜15a能够利用cvd法形成。在下层层叠膜3a上形成发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b，下游侧温度传感器9a、9b。在这些上层形成上层层叠膜3b。上层层叠膜从下方起依次形成氧化硅膜14d、氮化硅膜15c、氧化硅膜14e。这些氧化硅膜14d～14e和氮化硅膜15c能够利用等离子体cvd法形成。
35.在本实施例中，采用使用热膨胀系数不同的氧化硅膜与氮化硅膜作为下层层叠膜3a的材料的结构，不过并不限定于这些材料。例如，氧化硅膜的热膨胀系数为0.5
×
10
‑6(/℃)，氮化硅膜的热膨胀系数为3.6
×
10
‑6(/℃)左右。除这些膜以外，还能够使用热膨胀系数不同的材料，例如能够使用氮化铝等换下氮化硅膜。氮化铝的热膨胀系数为5.7
×
10
‑6(/℃)左右。
36.在本实施例中，使用氧化硅膜与氮化硅膜作为上层层叠膜3b的材料，不过并不限定于这些膜。在本发明的实施中，采用上层层叠膜3b的平均热膨胀系数比下层层叠膜3a的平均热膨胀系数小的结构即可。因此，也可以不需要使用氧化硅膜和氮化硅膜等2种膜，而仅由氧化硅膜构成。平均热膨胀系数以各个膜的热膨胀系数的膜厚的加权平均定义。
37.上述所示的氧化硅膜和氮化硅膜的具体的膜厚与本发明的作用、效果一起后述。
38.接着，说明传感器元件1的驱动/检测电路。
39.如图3所示那样，构成将由电阻值随发热电阻体5的温度变化的加热温度传感器7和感温电阻体10构成的串联电路与由感温电阻体11和感温电阻体12构成的串联电路并联连接的桥接电路，向各串联电路施加基准电压vref。提取这些串联电路的中间电压，与放大器16连接。放大器16的输出与晶体管17的基极连接。晶体管17的集电极与电源vb连接，发射极与发热电阻体5连接，构成反馈电路。由此，发热电阻体5的温度th以相对于空气流6的温度ta高温度δth(＝th
‑
ta)的方式被控制。
40.而且，构成将由上游侧温度传感器8a和下游侧温度传感器9a构成的串联电路与由下游侧温度传感器9b和上游侧温度传感器8b构成的串联电路并联连接的桥接电路，向桥接电路施加基准电压vref。当由于空气流而在上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b产生温度差时，桥接电路的电阻平衡发生变化而产生差电压。通过利用放大器18检测该差电压而获得与空气流量相应的输出vout。
41.以下，对上述那样的热式传感器装置中的发热电阻体5的电阻变化进行说明。另外，电阻变化不仅在发热电阻体5，而且在加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b等形成在膜片4上的电阻体也产生。
42.特别是温度变高的发热电阻体5和加热温度传感器7电阻变化大，利用本发明获得的效果好。
43.通过发明者的实验明确了：为了减小发热电阻体5的电阻变化，优选对形成发热电阻体5的下层层叠膜3a和上层层叠膜3b采用热膨胀系数小的膜。即，需要增加氧化硅的膜厚，减小氮化硅膜的膜厚。
44.但是，当利用氧化硅形成膜片4时，膜片4成为异形。图4表示膜片4为拉伸性的情况下和为压缩性的情况下的翘曲形状。
45.图4的(a)是概念性地表示热式传感器装置中使用的传感器元件的变形的截面图，是不是以使得形成膜片4的层叠膜的合成应力成为拉伸性的方式设定膜厚的情况下的、膜片4的截面形状的图。在图4的(a)中，层叠氧化硅膜和氮化硅膜形成膜片4。以使得氧化硅膜和氮化硅膜的合成应力成为拉伸性的方式设定各膜厚。在此情况下，能够如图4的(a)所示那样，膜片4成为平坦的形状，良好地进行制造。
46.图4的(b)是表示以使得形成膜片4的层叠膜的合成应力成为压缩性的方式设定膜厚的情况下的、膜片4的截面形状的图。在图4的(b)中，以使得氧化硅膜和氮化硅膜的合成应力成为压缩性的方式设定各膜厚。在增加膜片4的氧化硅膜的比率而成为压缩性的情况下，如图所示，在膜片4产生褶皱，膜片4异形化。
47.根据以上说明，由于作为膜片4的膜结构需要以具有拉伸性的方式形成，所以需要以获得拉伸应力的方式将氮化硅膜设为规定的厚度。
48.如上所述，需要将氮化硅膜设定为规定的厚度，因此在膜片4的热膨胀系数的降低上产生限制。本发明的目的在于满足该制约，抑制膜片4的膨胀引起的发热电阻体5的形变。根据本发明，能够不改变膜片4整体的氮化硅膜与氧化硅膜的膜厚比而抑制发热电阻体5的膨胀。以下说明具体的实施例。
49.图5是表示对图2中的传感器元件1的发热电阻体5加热时的变形的截面图。下层层
叠膜3a从下层起依次形成氧化硅膜14a、氮化硅膜15a、氧化硅膜14c。此处，下层层叠膜3a中，下层侧的氧化硅膜14a的膜厚t1与上层侧的氧化硅膜的膜厚t3以成为t1＜t3的方式形成。由此使得热膨胀系数大的氮化硅膜15a配置到更下层侧。即，下层层叠膜3a由热膨胀系数不同的氧化硅膜14a、14c、氮化硅膜15a构成，这些膜中热膨胀系数最大的氮化硅膜15a在与下层层叠膜3a的厚度中心相比的下层侧形成。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
50.以下说明使弯曲形变增加的效果。图6表示在本发明的结构中对发热电阻体5加热时发生的膜片4的膜内部的形变。当对发热电阻体5加热时，与构成膜片4的膜整体的平均热膨胀系数相应地发生伸长形变εs。不仅如此，通过因膜结构的非对称性而产生上层侧与下层侧的热膨胀系数差还发生弯曲形变εb。弯曲变形的内周侧发生压缩形变，外周侧发生伸长形变。发热电阻体5配置在弯曲变形的内周侧、即与膜片4的厚度中心相比的上层侧，因此弯曲形变εb引起的形变是压缩形变εbm起作用。发热体的形变εsm成为伸长形变εs被该压缩形变εbm抵消后的值。由此，能够减小发热体的伸长形变，抑制伴随温度的变化发生的发热体的伸缩，减小伴随伸缩发生的发热体的电阻变化。
51.在本实施例中，在设有形成有开口部2a的基片2以及以桥接开口部2a的方式层叠下层层叠膜3a、发热电阻体5和上层层叠膜3b的结构的膜片4的热式传感器装置1中，使得下层层叠膜3a的膜厚比上层层叠膜3b的膜厚大，下层层叠膜3a的平均热膨胀系数比上层层叠膜3b的平均热膨胀系数大，下层层叠膜3a由热膨胀系数不同的多个膜14a、15a、14c构成，多个膜14a、15a、14c中热膨胀系数最大的膜15a在与下层层叠膜3a的厚度中心相比的下侧形成。
52.根据如以上那样构成的本实施例，下层层叠膜3a的膜厚比上层层叠膜3b的膜厚大，因此，发热电阻体5配置在与膜片4的厚度中心相比的上层侧。此外，由于下层层叠膜3a的平均热膨胀系数比上层层叠膜3b的平均热膨胀系数大，所以在对发热电阻体5加热时在膜片4发生弯曲变形。因此，在与膜片4的厚度中心相比的上层侧，不仅发生膜片4的热膨胀引起的伸长形变εs，而且发生膜片4的弯曲变形引起的压缩形变εbm。其结果是，配置在与膜片4的厚度中心相比的上层侧的发热电阻体5的伸长形变因膜片4的弯曲变形引起的压缩形变εbm而减小。通过以上的作用，发热电阻体5的热膨胀引起的塑性变形被抑制，发热电阻体5的电阻变化减小，因此能够长期维持热式传感器装置1的测定精度。
53.此外，在下层层叠膜3a交替地形成有氧化硅膜与氮化硅膜，下层层叠膜3a的最下层的氧化硅膜14a的膜厚t1比下层层叠膜3a的最上层的氧化硅膜14c的膜厚t3小。由此，热膨胀系数大的氮化硅膜15a与下层层叠膜3a的厚度中心相比靠近下层侧地形成。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
54.此外，上层层叠膜3b由氧化硅膜和氮化硅膜构成，上层层叠膜3b中包含的氮化硅膜15c的膜厚比下层层叠膜3a中包含的氮化硅膜15a的膜厚小。由此，能够使上层层叠膜3b的热膨胀系数更小，使膜片4的下层侧的热膨胀系数大。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，通过下层层叠膜3a的下层侧的膨胀变大而弯曲力矩增大，能够使膜片4发生过大的弯曲形变。
55.进一步，由于在2个氮化硅膜15c、15a之间配置发热电阻体5，所以能够防止发热电阻体5的氧化。
56.实施例2
57.以下说明本发明的第2的实施例。对与实施例1相同的结构，标注相同的附图标记，省略说明。
58.在本实施例中，说明在下层层叠膜3a设置有多层氮化硅膜的结构。图7表示传感器元件1的截面结构。在基片2上形成下层层叠膜3a。下层层叠膜3a为交替地层叠氧化硅膜与氮化硅膜的结构。从下层起依次形成将si基片热氧化了的氧化硅膜14a、氮化硅膜15a、氧化硅膜14b、氮化硅膜15b、氧化硅膜14c。这些氧化硅膜14a～14c和氮化硅膜15a、15b能够利用cvd法形成。在下层层叠膜3a上形成发热电阻体5，加热温度传感器7，上游侧温度传感器8a、8b，下游侧温度传感器9a、9b。在这些上层形成上层层叠膜3b。上层层叠膜3b从下方起依次形成氧化硅膜14d、氮化硅膜15c、氧化硅膜14e。这些氧化硅膜14d、14e和氮化硅膜15c能够利用等离子体cvd法形成。
59.在本实施例中，使用氧化硅膜与氮化硅膜作为上层层叠膜3b的材料，不过并不限定于这些膜。在本实施例中，也采用上层层叠膜3b的平均热膨胀系数不超过下层层叠膜3a的平均热膨胀系数的结构即可。因此，也可以不需要使用氧化硅膜和氮化硅膜等2种膜，而仅由氧化硅膜构成。
60.此外，在本实施例中，也在下层层叠膜3a使用氧化硅膜和氮化硅膜，除这些膜以外，还能够使用热膨胀系数不同的材料。例如能够使用氮化铝等换下氮化硅膜。
61.图7是表示对图5中的传感器元件1的发热电阻体5加热时的变形的截面图。此处，下层层叠膜3a中，最下层的氧化硅膜14a的膜厚t1与最上层的氧化硅膜的膜厚t3以成为t1＜t3的方式形成。由此使得热膨胀系数大的氮化硅膜15a、15b与下层层叠膜3a的厚度中心相比更靠近下层侧地形成。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
62.以下说明本实施例中更有效果的结构。
63.在图8所示的下层层叠膜3a，令由多个氮化硅膜夹持的氧化硅膜14b的膜厚为t2时，以成为t3＞t2的方式形成。由此，成为氮化硅膜15b在更下层侧形成，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
64.接着，在图9表示本实施例中，关于下层层叠膜3a中包含的多个氮化硅膜，进一步获得本发明的效果的结构。在图9中，下层层叠膜中包含的多个氮化硅膜15a、15b中最下层的氮化硅膜15a形成得最厚。即，成为与将氮化硅膜15a加厚的量相应地使氮化硅膜15b变薄的结构。由此，能够不使膜整体的氮化硅膜的合成的厚度变化地、在对发热电阻体5加热时使下层侧的膨胀变大。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
65.接着，说明本实施例中，关于上层层叠膜3b中包含的氮化硅膜，进一步获得本发明的效果的结构。在图9中，上层层叠膜3b由氧化硅膜14d、14e与氮化硅膜15c构成，上层层叠膜3b中包含的氮化硅膜15c比下层层叠膜3a中包含的氮化硅膜15a、15b薄地形成。由此，能够使上层层叠膜3b的热膨胀系数更小，使膜片4的下层侧的热膨胀系数大。通过采用该结
构，在对发热电阻体5加热时，通过下层层叠膜3a的下层侧的膨胀变大而弯曲力矩增大，因此能够使膜片4发生更大的弯曲形变。
66.在本实施例中，对将下层层叠膜3a中包含的氮化硅膜形成2层的结构进行了说明，不过采用3层形成的结构也能够获得本发明的效果。此外，当将下层层叠膜3a中包含的多个氮化硅膜中任一个膜极薄地形成时，该薄的氮化硅膜对膜片整体的膨胀影响小。因此，对这样的显著很薄的膜(例如～20nm，或整个氮化硅的合计膜厚的1/10以下)忽略不计。
67.在本实施例中，也可以在下层层叠膜3a至少形成2层氮化硅膜，下层层叠膜的被2个氮化硅膜15a、15b夹持的氧化硅膜14b的膜厚t2比下层层叠膜3a的最上层的氧化硅膜14c的膜厚t3小。
68.根据如以上那样构成的本实施例，成为氮化硅膜15b在更下层侧形成，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
69.此外，在本实施例的变形例(图9所示)中，下层层叠膜3a中包含的多个氮化硅膜15a、15b中最下层的氮化硅膜15a的膜厚tn1最大。由此，能够不使膜整体的氮化硅膜15a、15b的合成的厚度tn1+tn2变化地，在发热电阻体5加热时使下层侧的膨胀大。通过采用该结构，在对发热电阻体5加热时，下层层叠膜3a的下层侧大幅膨胀，作用于膜片4的弯曲力矩增大，因此能够使在膜片4发生的弯曲形变更大。
70.以上，详细说明了本发明的实施例，不过本发明并不限定于上述的实施例，而包括各种各样的变形例。例如，上述的实施例为了将本发明说明得容易明白而进行了详细的说明，但是并不一定限定于包括所说明的所有结构。此外，还能够在一个实施例的结构中加入另一个实施例的结构，还能够将一个实施例的结构的一部分删除，或者替换其它实施例的一部分。
71.附图标记的说明
[0072]1…
传感器元件(热式传感器装置)；2
…
基片；2a
…
开口部；3a
…
下层层叠膜；3b
…
上层层叠膜；4
…
膜片；5
…
发热电阻体；6
…
空气流；7
…
加热温度传感器；8a、8b
…
上游侧温度传感器；9a、9b
…
下游侧温度传感器；10、11、12
…
感温电阻体；13
…
电极垫；14a，14b，14c，14d、14e
…
氧化硅膜；15a、15b，15c
…
氮化硅膜；16
…
放大器；17
…
晶体管；18
…
放大器。