CN101498596B - 热式流体流量传感器 - Google Patents

热式流体流量传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN101498596B
CN101498596B CN200910002806.3A CN200910002806A CN101498596B CN 101498596 B CN101498596 B CN 101498596B CN 200910002806 A CN200910002806 A CN 200910002806A CN 101498596 B CN101498596 B CN 101498596B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mentioned
temperature detecting
resistance body
detecting resistance
heating resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200910002806.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101498596A (zh
Inventor
佐久间宪之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of CN101498596A publication Critical patent/CN101498596A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101498596B publication Critical patent/CN101498596B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element

Abstract

本发明提供一种发热电阻体和测温电阻体使用金属薄膜且提高了检测灵敏度的热式流体流量传感器。做成在硅衬底(2)上形成有发热电阻体(3)、测量发热电阻体(3)的温度的发热电阻体用测温电阻体(4)、上游侧测温电阻体(5a)、下游侧测温电阻体(5b)和空气测温电阻体(6)的构造，在上述发热电阻体(3)和其引出布线内配置多个浮岛状的绝缘部。

Description

热式流体流量传感器
技术领域
本发明涉及一种热式流体流量传感器，尤其涉及适用于对内燃机的吸入空气进行测量的热式流体流量计的热式流体流量传感器。
背景技术
现在，作为在设置在汽车等的内燃机的电子控制燃料喷射装置上并测量吸入空气量的空气流量计所使用的热式流体流量传感器，由于能直接检测质量空气流量，因此热式流体流量传感器成为主流。
其中，尤其是利用半导体微细加工技术制造的热式空气流量(airflow)传感器，由于能够降低成本、且能够以低功率驱动，因此备受瞩目。作为这样的空气流量传感器的现有技术，例如有专利文献1公开的技术，公开了将铂(Pt)用于发热元件(加热器)和温度检测元件(传感器)、并除去了加热器和传感器下部Si膜的流量孔板(diaphragm)构造。尤其在专利文献2中公开了如下方法：在传感器中央部配置发热元件(加热器)和夹着该加热器的两个温度检测元件(传感器)，该加热器等的氧化膜上形成槽而埋入铂膜，采用CMP(Chemical Mechanical Polishing：化学机械研磨)将其平坦化。
专利文献1：日本特开平10-213470号公报
专利文献2：日本特开平11-287687号公报
发明内容
然而，在上述的以往技术中，不考虑采用CMP法形成加热器和传感器部时的槽的形成方法和槽宽度等的布局，在宽幅加热器和窄幅传感器等的槽宽度不同的情况下，产生由干刻引起的槽深偏差及由CMP引起的凹陷、腐蚀(erosion)的布线宽度依赖性，加热器和传感器的电阻值发生变化。根据该加热器和传感器的电阻值来计算作为基准的温度差(ΔTh)，在电阻值产生偏差时为了与设计值相符，需要在外部设置修正电阻，则产生成本增加的问题。由于槽深度的差异、凹陷、腐蚀的程度，每个芯片的该修正电阻不同，因此，不得不确定某一范围地做成同一修正电阻，存在降低传感器灵敏度、检测精度降低的问题，以及由于晶圆面内分布等原因产生不在范围内的不良品，存在成品率降低使成本进一步增加的问题。
本发明的目的在于提供如下这样的热式流体流量传感器，在槽宽度不同时或在晶圆面内均匀保持槽深度，抑制电阻值相对于设计值的偏差，不需在外部设置修正电阻，流量测量的检测精度较高。
上述目的是通过在形成槽的绝缘膜的下层设置比上述绝缘膜更难以蚀刻的层并使槽深度相同、以及实施在加热器、传感器、布线内排列多个浮岛状绝缘部的布局等而达成的。
根据本发明，能够提供如下这样的热式流量传感器，即使在由干饰刻等形成槽时的槽宽度不同的部分的蚀刻速度存在差异、或存在蚀刻速度的晶圆面内分布的情况下，通过在下层具有难以蚀刻的层，因此可抑制槽深度的偏差，且通过规定槽宽度等布局，能够使CMP时的凹陷、腐蚀均匀，由此能够使加热器、传感器的布线高度恒定，电阻值偏差较少精度较高。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的热式流体流量传感器的一例的要部俯视图。
图2A是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2B是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2C是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2D是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2E是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2F是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图2G是本发明实施方式1的热式流体流量传感器的制造工序的要部剖视图。
图3是本发明实施方式1的汽车等的内燃机的进气通路上所安装的、安装了热式流体流量传感器的热式空气流量计的概略配置图。
图4是将图3的一部分放大表示的要部俯视图。
图5是图4的B-B’线的要部剖视图。
图6是表示本发明实施方式1的热式流体流量传感器的一例的电路图。
图7是本发明实施方式2的热式流体流量传感器的要部剖视图。
图8是表示本发明实施方式3的热式流体流量传感器的一例的要部俯视图。
图9是本发明实施方式3的热式流体流量传感器的要部剖视图。
图10是表示本发明实施方式3的热式流体流量传感器的一例的电路图。
图11是表示本发明实施方式4的加速度传感器的一例的要部俯视图。
图12是本发明实施方式4的加速度传感器的要部剖视图。
图13是表示本发明实施方式4的加速度传感器的一例的电路图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的一实施例的热式流体流量传感器的俯视图，图2A～图2G是以A-A’剖视图表示图1的热式流体流量传感器的制造过程的图。
(实施方式1)
图1表示本实施方式1的热式流体流量传感器的要部俯视图的一例。
作为热式流体流量传感器的测量元件1由如下部件构成：由单晶Si构成的半导体衬底2、隔着绝缘膜形成在半导体衬底2上的发热电阻体3、用于检测因发热电阻体3而升温的空气的空气温度的、由上游侧测温电阻体4a和下游侧测温电阻体4b构成的测温电阻体4、用于测量空气的空气温度的空气温度测温电阻体5、用于将测量元件1的信号与外部电路连接的端子电极6a～6g、将发热电阻体3的两端与端子电极6a、6b连接的引出布线7a、7b、将测温电阻体4的两端与端子电极6c、6d连接的引出布线7c、7d、将上游侧测温电阻体4a和下游侧测温电阻体4b之间连接到端子电极6e的引出布线7e、将空气温度测温电阻体5的两端与端子电极6f、6g连接的引出布线7f、7g。发热电阻体3的布线宽度例如是10～150μm左右，测温电阻体4和空气温度测温电阻体5例如是0.5～20μm左右，引出布线7a～7g的宽度例如是30～500μm左右。
发热电阻体3和引出布线7a～7g的内部配置有多个浮岛状绝缘部8，被分割成宽度较窄的布线部。俯视下看，上述浮岛状绝缘部8的形状为正方形或长方形，相邻的浮岛状绝缘部8彼此之间的间隔及布线外侧绝缘部与浮岛状绝缘部8的间隔优选是大于或等于测温电阻体4的布线宽度。
配置有发热电阻体3和测温电阻体4的部分的Si衬底被除去而成的流量孔板9。
该测量元件1为如下构造：利用空气温度测量电阻体5测量空气流10的空气温度，比较其与加热后的发热电阻体3的电阻增加，而计算温度差(ΔTh)，利用由发热电阻体3升温了的空气流使测温电阻体4a、4b的电阻发生变化。在本实施方式1中，发热电阻体3的布线宽度大于测温电阻体4的布线宽度这样的方式，能够确保使空气升温的热量。
接着，使用图2A～图2G按工序顺序说明本实施方式1的热式流体流量传感器的制造方法的一例。图2A～图2G是图1的A-A’线的要部剖视图。
首先，如图2A所示，准备由单晶Si构成的半导体衬底2。接着，在半导体衬底2上依次形成第一绝缘膜11、第二绝缘膜12、第三绝缘膜13。第一绝缘膜11由例如热氧化法或CVD法形成的Si02(氧化硅)膜构成，其厚度为200～1000nm左右。第二绝缘膜12由例如采用CVD法形成的SiN(氮化硅)膜构成，其厚度为100～200nm左右。第三绝缘膜1 3由例如采用CVD法形成的SiO2(氧化硅)膜构成，其厚度为100～200nm左右。
接着，如图2B所示，将由光刻法形成的抗蚀图案作为掩模，采用干刻法等在第三绝缘膜13上形成槽14。在该槽形成中，通过使第三绝缘膜13的蚀刻速度大于第二绝缘膜12的蚀刻速度，从而即使槽宽度不同时或存在晶圆面内分布等那样的绝缘膜13的蚀刻速度产生偏差时，也能够在槽加工进行到第二绝缘膜12时使蚀刻速度变慢来抑制槽深度的偏差。优选此时的第二绝缘膜12与第三绝缘膜13的蚀刻速度比为3以上。在该槽形成中，形成浮岛状绝缘部8。该浮岛状绝缘部8的周围被槽14包围。槽14的截面形状优选形成为槽上部的宽度大于槽底部宽度，槽14的侧壁的角度优选是60°以上89°以下。
接着，如图2C所示，作为第一金属膜15，采用溅射法或CVD法等沉积厚度是槽深度的1.5～2倍左右的Mo(钼)膜。利用溅射法形成该第一金属膜15时的半导体衬底2的温度例如维持在200～500℃左右。
接着，通过进行使用了在酸性研磨液中添加了过氧化氢水而成的浆料的化学机械研磨(CMP)来除去槽以外的Mo膜，而如图2D所示那样，形成发热电阻体3、测温电阻体4a、4b及空气温度测温电阻体5和用于将它们与端子电极6a～6g连接的引出布线7a～7g。在用CMP法对上述第一金属膜15的Mo膜进行研磨时，发热电阻体3和引出布线7的布线宽度较宽，但由于被浮岛状绝缘部8分割成与测温电阻体4相同程度的宽度的布线部，因此能够抑制CMP时的凹陷、腐蚀，能够抑制发热电阻体3和引出布线7的电阻值偏差。在第一金属膜15的沉积后或CMP后，进行800℃以上、优选是1000℃以上的热处理。通过该热处理来降低电阻率，提高电阻温度系数(TemperatureCo-efficiency of Resistance，以下简称为TCR)。
接着，如图2E所示，在发热电阻体3等之上沉积100～200nm左右的例如CVD法制成的SiN(氮化硅)膜来作为第四绝缘膜16，通过光刻法采用干刻法或湿刻法形成连接孔17。也可以采用使用等离子体的低温CVD法形成绝缘膜16，此时，在形成后进行800℃以上的热处理，调整膜厚，以使流量孔板部9应对拉伸应力。
接着，作为第二金属膜例如沉积厚度为1μm左右的Al(铝)合金膜，并通过光刻法形成图案，如图2F所示那样形成通过连接孔17与引出布线7a～7g电连接的端子电极6a～6g。在图2F中，仅表示端子电极6e，省略了其他端子电极6a～6d、6f、6g，这些端子也与端子电极6e同时形成。第二金属膜形成时，为了使其与引出布线7a～7g的接触良好，可以在沉积前由Ar(氩)对引出布线7a～7g的表面进行溅射蚀刻。而且，为了使其接触可靠，也可以由TiN(氮化钛)等屏蔽金属膜和Al合金膜的层叠膜形成第二金属膜。若此时的屏蔽金属膜形成得相对厚，则会增加连接电阻，因此，优选将其厚度做成20nm左右。但是，在能够取得充分接触的面积并避免电阻增加的问题的情况下，能够将屏蔽金属膜的厚度做成100nm以下。作为屏蔽金属膜，举出了TiN膜，但也可以是TiW膜、Ti膜以及它们的层叠膜。
接着，如图2G所示，通过光刻法在半导体衬底2的背面形成抗蚀图案，将该抗蚀图案作为掩模而使用KOH(氢氧化钾)或TMAH等水溶液对半导体衬底2的一部分进行湿刻，形成流量孔板9。该流量孔板9形成在包括形成有发热电阻体3和测温电阻体4(上游侧测温电阻体4a和下游侧测温电阻体4b)的区域的位置。
对由Mo构成发热电阻体3和测温电阻体4的第一金属膜15的热式流体流量传感器进行了说明，作为第一金属膜15的材料，可以是例如以α-Ta(α钽)、Ti(钛)、W(钨)、Co(钴)、Ni(镍)、Fe(铁)、Nb(铌)、Hf(铪)、Cr(铬)、Zr(锆)为主成分的金属膜、或TaN(氮化钽)、MoN(氮化钼)、WN(氮化钨)等金属氮化物或MoSi(钼硅化物)、CoSi(钴硅化物)、NiSi(镍硅化物)等金属硅化物，优选是电阻相对于温度的增加(电阻温度系数)较大的、例如为2000ppm/℃以上的材料。
作为第四绝缘膜16，记载的是使用CVD法的SiN(氮化硅)，但也可以是使用等离子体CVD法的P-SiN膜，也可以在上述第四绝缘膜16之上、之下或上下形成由使用了TEOS的等离子体CVD法制成的P-TEOS膜。
图3是本发明实施方式1的安装于汽车等的内燃机的进气通路上的、安装了热式流体流量传感器的热式空气流量计的概略配置图。热式空气流量计18由作为热式流体流量传感器的测量元件1、由上部和下部构成的支承体19、外部电路20构成，测量元件1配置在位于空气通路21内部的副通路22上。根据内燃机的条件，进气空气向如图3的箭头10所示的空气流的方向或其相反方向流动。
图4是将上述的图3的一部分(测量元件1和支承体19)放大了的要部俯视图，图5是图4的B-B’线的要部剖视图。
如图4和图5所示，测量元件1固定在下部支承体19a上，测量元件1的端子电极6与外部电路20的端子电极23之间例如通过使用了金属线24等的线接合法而电连接。由此，外部电路20与测量元件1电连接。端子电极6、23和金属线24被上部支承体19b覆盖而得以保护。上部的保护支承体19b也可以密封保护。
接着，使用图6说明上述空气流量计18的工作。图6是表示本实施方式1的测量元件1和外部电路20的电路图，附图标记25是电源，附图标记26是用于使加热电流流过发热电阻体3的晶体管，附图标记27、28是设置在外部电路20内的电阻，附图标记29是由含有A/D转换器等的输出电路和进行运算处理的CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)构成的控制电路，附图标记30是存储器电路。外部电路20内的电阻27、28也可以设置在测量元件1内。
由发热电阻体3、空气温度测温电阻体5和电阻27、28构成的电桥电路的端子A、B的电压输入至控制电路29，设定发热电阻体3、空气温度测温电阻体5和电阻27、28的电阻值，使得发热电阻体3比相对于空气温度的空气温度测温电阻体5的温度高出某一定值(例如ΔTh＝100℃)，并由控制电路29进行控制。若上述ΔTh偏离设定，则由控制电路29的输出控制晶体管26来使发热电阻体3流过电流。
另一方面，测温电阻体4的上游侧测温电阻体4a和下游侧测温电阻体4b设定为大致相同的电阻值，由于发热电阻体3的传热，测温电阻体4为某一定值。进气空气向空气流10的方向流动时，上游侧测温电阻体4a的温度降低，与下游侧测温电阻体4b的平衡被打破。将上游侧测温电阻体4a和下游侧测温电阻体4b的值输入控制电路28并进行运算处理，输出空气流量(Q)。在空气流10向相反方向流动时，由于也同样地可知空气流量，因此可进行逆流检测。
(实施方式2)
在本实施方式2中，作为热式流体流量传感器的测量元件所含有的发热电阻体、空气温度测温电阻体、上游侧测温电阻体、下游侧测温电阻体和引出布线是粘结层和金属膜这样的双层构造，且在最上层设有保护膜。
图7是本实施方式2的热式流体流量传感器的一例，表示上述实施方式1的图1的A-A’线的要部剖视图。在由单晶Si构成的半导体衬底46上形成第一绝缘膜47，并依次形成第二绝缘膜48、第三绝缘膜49。第一绝缘膜47例如是在高温炉体形成的SiO2膜，厚度是200nm左右，第二绝缘膜48例如是SiNx膜，厚度是150～200nm左右。第三绝缘膜49是使用CVD法的SiOx膜，厚度是150～200nm左右。
接着，以利用光刻法形成的抗蚀图案为掩模而使用干刻法等在第三绝缘膜49上形成槽。上述槽的截面形状形成为：槽上部的宽度大于槽底部的宽度，例如槽侧壁倾斜60～89°。相对于第三绝缘膜49，第二绝缘膜48是在降低了蚀刻速度的条件下形成槽的，因此，在第二绝缘膜48的上表面，蚀刻能够停止，能够使槽深度均匀。
接着，通过溅射法形成20nm左右的TiN膜作为第一金属膜。接着，通过溅射法沉积300nm的Mo膜作为第二金属膜，从而作成层叠膜。TiN膜是对于基底的第二绝缘膜48和第三绝缘膜49的粘结层。接着，使用例如混合了过氧化氢的浆料作为酸性研磨液和氧化剂来除去槽以外的Mo膜和TiN膜的层叠膜，形成用于与发热电阻体50、测温电阻体51(上游侧测温电阻体51a和下游侧测温电阻体51b)、用于连接空气温度测温电阻体52和外部电路的引出布线53。形成第一金属膜TiN之前，实施采用了Ar气体等的溅射蚀刻，来提高第二绝缘膜48和第三绝缘膜49的粘结力。
接着，依次形成150～200nm左右的使用了CVD法或等离子体CVD法的SiNx膜作为第四绝缘膜54、以及100～500nm左右的使用CVD法的SiOx膜或使用TEOS的等离子体CVD法制得的P-TEOS膜作为第五绝缘膜55。
然后，形成露出引出布线53一部分的连接孔56，接着，在经连接孔56与引出布线53电连接的第三金属膜形成端子电极57。第三金属膜由例如厚度50nm左右的TiN(氮化钛)等的屏蔽金属膜和厚度1μm左右的A1合金膜的层叠膜形成。
接着，形成保护膜58，在端子电极57和发热电阻体50、测温电阻体51上形成了开口部59等后，对背面Si进行蚀刻而形成流量孔板60。保护膜58例如是聚酰亚胺膜，膜厚为2～3μm左右。
在本实施方式2中，作为第一金属膜所使用的材料记载的是TiN，但也可以是Ti或TaN。
(实施方式3)
图8表示本实施方式3的热式流体流量传感器的要部俯视图的一例。
作为热式流体流量传感器的测量元件101由如下部件构成：由单晶Si构成的半导体衬底102、隔着绝缘膜形成在半导体衬底102上的发热电阻体103、用于检测发热电阻体103的温度的发热电阻体用测温电阻体104、用于检测因发热电阻体103而升温的空气的空气温度的、由两个上游侧测温电阻体105a、105b和两个下游侧测温电阻体105c、105d构成的测温电阻体105、用于测量空气的空气温度的空气温度测温电阻体106、加热器温度控制用电阻体107、108、用于将测量元件101的信号与外部电路连接的端子电极109a～109i、将发热电阻体103与端子电极109a连接的引出布线110a、将发热电阻体103与端子电极109b连接的引出布线110b、将加热器温度控制用电阻体107和加热器温度控制用电阻体108与端子电极109c连接的两个引出布线110c-1、110c-2、将发热电阻体用测温电阻体104和加热器温度控制用电阻体107与端子电极109d连接的引出布线110d、将空气温度测温电阻体106和加热器温度控制用电阻体108与端子电极109e连接的引出布线110e、将上游侧测温电阻体105a和下游侧测温电阻体105c与端子电极109f连接的引出布线110f、将发热电阻体用测温电阻体104、空气温度测温电阻体106、上游侧测温电阻体105b和下游侧测温电阻体105d与端子电极109g连接的引出布线110g、将上游侧测温电阻体105b和下游侧测温电阻体105c与端子电极109h连接的两个引出布线110h-1、110h-2、将上游侧测温电阻体105a和下游侧测温电阻体105d与端子电极109i连接的两个引出布线110i-1、110i-2。
发热电阻体103的宽度例如是10～150μm左右，发热电阻体用测温电阻体104的宽度例如0.5～10μm左右，测温电阻体105、空气温度测温电阻体106和加热器温度控制用电阻体107、108的各宽度例如是0.5～10μm左右，引出布线110a～110i的各宽度例如是30～500μm左右。发热电阻体103和引出布线110等的布线宽度大于测温电阻体105时，在布线内配置多个浮岛状绝缘部111。至少在发热电阻体103、发热电阻体用测温电阻体104和测温电阻体105上的保护膜设置开口部112，作成除去了下层Si衬底的流量孔板113构造。此时，保护膜的开口部112位于流量孔板113向内50μm处。
图9是图8的C-C’线的要部剖视图。首先，准备由单晶Si构成的半导体衬底102。接着，在半导体衬底102上形成第一绝缘膜114，并依次形成第二绝缘膜115、第三绝缘膜116。第一绝缘膜114例如是在高温炉体形成的SiO2膜，厚度是200nm左右，第二绝缘膜115例如是使用CVD法得到的SiNx膜，厚度是150～200nm左右。第三绝缘膜116是使用CVD法得到的SiOx膜，第三绝缘膜116的厚度是150～200nm左右，该膜厚作为上述各种电阻体103～108以及引出布线110a～110i的设计膜厚。
接着，以利用光刻形成的抗蚀图案为掩模使用干刻法等在第三绝缘膜116上形成槽，接着例如沉积厚度(例如300nm)为槽深度的1.5倍以上的与上述实施方式相同的Mo膜作为第一金属膜，其后，在氮气气氛中实施1000℃的热处理。
接着，使用例如混合了过氧化氢的浆料作为酸性研磨液和氧化剂来除去槽以外的Mo膜，形成发热电阻体103、发热电阻体用测温电阻体104、测温电阻体105、空气温度测温电阻体106、加热器温度控制用电阻体107、108和引出布线110。过氧化氢相对于酸性研磨液的浓度例如是1wt％以下。
接着，依次形成第四绝缘膜117和第五绝缘膜118。第四绝缘膜117是例如使用了CVD法或等离子体CVD法的SiNx膜，膜厚是150～200nm左右。第五绝缘膜118是例如使用CVD法形成的SiOx膜或使用TEOS的等离子体CVD法制得的P-TEOS膜，膜厚是100～500nm左右。
然后，使用光刻法在第四绝缘膜117和第五绝缘膜118上形成连接孔119，而使引出布线110一部分露出，在经上述连接孔119与引出布线110电连接的第二金属膜形成端子电极109。第二金属膜由例如厚度50nm左右的TiN(氮化钛)等的屏蔽金属膜和厚度1μm左右的Al合金膜的层叠膜形成。屏蔽金属可以是TaN或TiW等，从接触电阻的均衡方面考虑，其膜厚优选是200nm以下。
接着，形成保护膜120，使用光刻法至少在端子电极109的一部分和发热电阻体103、发热电阻体用测温电阻体104和测温电阻体105上形成了开口部112后，形成流量孔板113。保护膜120例如是聚酰亚胺膜，膜厚为2～3μm左右。作为其他材料，也可以是感光性有机膜等。开口部112至少比流量孔板113窄，从高精度地测量空气的加热效率和其加热后的空气温度方面考虑，优选是至少在发热电阻体103、发热电阻体用测温电阻体104和测温电阻体105上形成开口。从强度方面考虑，也可以在发热电阻体103和测温电阻体105的一部分上残留保护膜120。
接着，使用图10说明上述的热式空气流量计18的工作。图10是表示本实施方式3的测量元件101和外部电路的电路图，附图标记122是电源，附图标记123是用于使加热电流流过发热电阻体103的晶体管，附图标记124是由含有A/D转换器等的输出电路和进行运算处理的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)构成的控制电路，附图标记125是存储器电路。
本电路中有两个电桥电路，一个是由发热电阻体用测温电阻体104、空气温度测温电阻体106和两个加热器温度控制用电阻体107、108构成的加热器控制电桥电路，另一个是由四个测温电阻体105a～105d构成的温度传感器电桥电路。
在图8所示的测量元件101中，端子电极109c经两个引出布线110c-1、110c-2与两个加热器温度控制用电阻体107、108这二者电连接，对该端子电极109c供给图10中的规定电位Vref1。端子电极109f与上游侧测温电阻体105a和下游侧测温电阻体105c这二者电连接，对该端子电极109f供给图10中的规定电位Vref2。并且，端子电极109g经引出布线110g与空气温度测温电阻体106、发热电阻体用测温电阻体104、上游侧测温电阻体105b和下游侧测温电阻体105d分别电连接，该端子电极109g为图10所示的接地电位。
经引出布线110d与发热电阻体用测温电阻体104和加热器温度控制用电阻体107这二者电连接的端子电极109d与图10中节点A对应，经引出布线110e与空气温度测温电阻体106和加热器温度控制用电阻体108这二者电连接的端子电极109e与图10中节点B对应，经两个引出布线110i-1、110i-2与上游侧测温电阻体105a和下游侧测温电阻体105d这二者电连接的端子电极109i与图10中节点C对应，经两个引出布线110h-1、110h-2与上游侧测温电阻体105b和下游侧测温电阻体105c这二者电连接的端子电极109h与图10中节点D对应。
在本实施方式中，由共用的端子电极109g供给加热器电桥电路和温度传感器电桥电路的接地电位，但也可以增加端子电极，使各端子电极都为接地电位。
对加热器控制用电桥电路的发热电阻体用测温电阻体104、空气温度测温电阻体106和加热器温度控制用电阻体107、108的各电阻值进行设定，使得在因发热电阻体103而升温的气体比进气温度高出某一定温度(ΔTh例如为100℃)时，节点A(端子电极109d)与节点B(端子电极109e)之间的电位差为0V。在上述一定温度(ATh)偏离设定的情况下设计成：在节点A与节点B之间产生电位差，由控制电路124控制晶体管123，使发热电阻体103的电流发生变化来将电桥电路保持平衡状态(A-B之间电位差为0V)。
另一方面，温度传感器电桥电路设计成各测温电阻体105a、105b、105c、105d与发热电阻体103的距离相同，因此，无论是否被发热电阻体103加热，在无风时，节点C(端子电极109i)与节点D(端子电极109h)之间的电位差为平衡状态，为0V。对发热电阻体103施加电压，进气向空气流126方向流动时，因发热电阻体103升温的上游侧测温电阻体105a、105b的温度降低，下游侧测温电阻体105c、105d的温度升高，测温电阻体105的电阻值在上游侧和下游侧不同，温度传感器桥的平衡被打破，在节点C与节点D之间产生电压差。将该电压差输入控制电路124，对根据存储器125的电压差与空气流量的对比表求出空气流量(Q)进行运算处理并输出。在空气流126向相反方向流时，也同样地可知空气流量，因此可进行逆流检测。
(实施方式4)
在本实施方式4中，说明的是将包括发热电阻体和测温电阻体的测量元件应用于加速度传感器的例子。
图11是表示本实施方式4的加速度传感器的一例的要部俯视图。
加速度传感器128具有：隔着绝缘膜等形成在由单晶Si构成的半导体衬底上的发热电阻体129、进行发热电阻体129与外部电路的电连接的端子电极130a、130b、在四个方向上与发热电阻体129隔开恒定间隔地配置的相同长度(相同电阻值)的测温电阻体131a、131b、131c、131d、进行测温电阻体131a～131d与外部电路的电连接的端子电极133a、133b、133c、133d、133e、133f、133g、133h，在外部电路构成电桥电路等。
发热电阻体129的布线宽度是10～150μm，测温电阻体的布线宽度是0.5～10μm左右。在发热电阻体129的布线内配置多个浮岛状绝缘部132，使浮岛状绝缘部132彼此之间或布线外侧绝缘部与浮岛状绝缘部132之间间隔为测温电阻体131a～131d的最小布线宽度。俯视下浮岛状绝缘部132的形状为正方形或长方形，短边大于等于测温电阻体。
具有发热电阻体129和测温电阻体131的背面Si衬底被除去而成的流量孔板134构造。
图12是图11的D-D’线的要部剖视图。
在由单晶Si构成的半导体衬底136上自下方起依次层叠形成第一绝缘膜137、第二绝缘膜138、第三绝缘膜139。第一绝缘膜137例如是在高温炉体形成的SiO2膜，厚度是200nm左右，第二绝缘膜138例如是使用CVD法的SiNx膜，厚度是150～200nm左右。第三绝缘膜139是使用CVD法或由使用TEOS的等离子体CVD法制成的SiOx膜，第三绝缘膜139的膜厚是100～200nm左右。
以通过光刻法形成的抗蚀图案为掩模而使用干刻法等在第三绝缘膜139上形成槽，并在其上形成例如膜厚为槽深度的1.5倍以上的Mo膜作为第一金属膜，接着，使用例如混合了过氧化氢的浆料作为酸性研磨液和氧化剂来除去槽以外的Mo膜，形成发热电阻体129和测温电阻体131。
接着，在发热电阻体129和测温电阻体131的上层依次形成第四绝缘膜140和第五绝缘膜141。第四绝缘膜140是例如使用了CVD法的SiNx膜，膜厚是150～200nm左右。第五绝缘膜141是例如使用CVD法或由使用TEOS的等离子体CVD法制得的SiOx膜，膜厚是100～500nm左右。
然后，利用干刻形成用于将发热电阻体129和测温电阻体131a、131c与外部电路连接的连接孔142，在其上形成端子电极133b、133e。该端子电极133b、133e例如是在20nm的TiN膜上层叠1μm的Al膜而形成。接着，使用KOH或TMAH溶液除去发热电阻体129和测温电阻体131a、131c正下方的Si膜，形成流量孔板134。
在图13中，仅图示了测温电阻体131a、131c，省略了其他测温电阻体131b、131d，但这些测温电阻体131b、131d也与测温电阻体131a、131c同时形成。在图13中，仅图示了端子电极133b、133e，省略了其他端子电极133a、133c、133d、133f、133g、133h，但这些端子电极133a、133c、133d、133f、133g、133h也与端子电极133b、133e同时形成。
接着，使用图13和上述的图11说明加速度传感器的工作。图13是表示本实施方式4的加速度传感器和外部电路的电路图。
首先，使用于旁热的加热电流从外部电源145通过晶体管146流过发热电阻体129。由于该旁热，各测温电阻体131a～131d升温而电阻值发生变化。此时，流过加热电流以使发热电阻体129的电阻值保持恒定，从而测温电阻体131a～131d的温度恒定，电阻值也稳定。由于从发热电阻体129到各测温电阻体131a～131d的距离为恒定，因此各测温电阻体131a～131d的温度相同，且形状相同，因此电阻值也相等。
在该状态下，例如如图11所示，通过从外部对加速度传感器128施加力135，加速度传感器128动作，则均衡的旁热状态被打破，测温电阻体131a和测温电阻体131c的温度不同，电阻值发生变动而能够检测加速度。将该电阻值的差异(电压差)发送到外部的输入电路147，与存储于存储器148中的静止状态的数据相比，用CPU等计算动作方向和温度差(ΔTh)并向外部输出。利用加速度传感器128的输出，能够进行加速度的调整或开关的通断等处理。
在本实施方式4中，说明的是在四个方向配置4个测温电阻体131a～131d的加速度传感器128，还可通过改变测温电阻体的角度增加数量，来高精度地得知力135的施力方向。
如此，根据本实施方式4，不仅可适用于热式流体流量传感器，还可适用于加速度传感器，能够实现灵敏度高的加速度传感器。
以上，基于实施方式具体说明了本发明人完成的发明，但本发明不限于上述实施方式，不言而喻，在不脱离其要旨的范围内可进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，对于由Mo构成发热电阻体和测温电阻体的金属膜的热式流体流量传感器进行了说明，也可以是以α-Ta(α钽)、Ti(钛)、W(钨)、Co(钴)、Ni(镍)、Fe(铁)、Nb(铌)、Hf(铪)、Cr(铬)、Zr(锆)为主成分的金属膜、或TaN(氮化钽)、MoN(氮化钼)、WN(氮化钨)等金属氮化物和MoSi(钼硅化物)、CoSi(钴硅化物)、NiSi(镍硅化物)等金属硅化物。
在上述实施方式中，第一金属膜和第二金属膜使用不同的金属膜，但也可以是相同的金属膜。

Claims (11)

1.一种热式流体流量传感器，用于测量空气流量，其具有发热电阻体和设置在上述发热电阻体旁边的测温电阻体，其特征在于，具有：
半导体衬底；
第一端子电极及第二端子电极；
形成在上述半导体衬底上的第一绝缘膜；
形成在上述第一绝缘膜上的第二绝缘膜；
形成在上述第二绝缘膜上的第三绝缘膜；
分别形成在上述第二绝缘膜上且由导体膜构成的发热电阻体和测温电阻体；
将上述发热电阻体和上述第一端子电极连接的第一引出布线；
将上述测温电阻体和上述第二端子电极连接的第二引出布线；以及
在从上述热式流体流量传感器的上面观察时设置在上述发热电阻体、上述测温电阻体、上述第一引出布线或者上述第二引出布线的内部，且周围被上述导体膜包围的第一浮岛状绝缘部；
上述第三绝缘膜的蚀刻速度比上述第二绝缘膜的蚀刻速度快，上述第三绝缘膜的蚀刻速度与上述第二绝缘膜的蚀刻速度之比为3以上。
2.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述发热电阻体的宽度大于上述测温电阻体的宽度。
3.根据权利要求2所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述第一浮岛状绝缘部设置在上述发热电阻体、上述第一引出布线或者上述第二引出布线的内部。
4.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述第二绝缘膜由氮化硅膜构成，上述第三绝缘膜由氧化硅膜构成。
5.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述发热电阻体和上述测温电阻体的上部宽度大于上述发热电阻体和上述测温电阻体的底部宽度，上述发热电阻体和上述测温电阻体的侧壁角度为60°以上89°以下。
6.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述第一浮岛状绝缘部的俯视形状是正方形或长方形。
7.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述导体膜是以钼、α钽、钛、钨、钴、镍、铁、铌、铪、铬、锆、铂、β钽中任一种为主成分的金属膜、或氮化钛、氮化钽、氮化钼、氮化钨中任一种金属氮化物膜、或钨硅化物、钼硅化物、钴硅化物、镍硅化物中任一种金属硅化物膜。
8.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述第一浮岛状绝缘部设置在上述发热电阻体或者上述测温电阻体的内部，
在上述第一引出布线的内部和上述第二引出布线的内部配置有多个第二浮岛状绝缘部。
9.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述测温电阻体由上游侧测温电阻体和下游侧测温电阻体构成，上述发热电阻体配置在上述上游侧测温电阻体和下游侧测温电阻体之间，上述上游侧测温电阻体与上述发热电阻体的距离同上述下游侧测温电阻体与上述发热电阻体的距离相等。
10.根据权利要求9所述的热式流体流量传感器，其特征在于，
上述上游侧测温电阻体还由第一上游侧测温电阻体和第二上游侧测温电阻体构成，上述下游侧测温电阻体还由第一下游侧测温电阻体和第二下游侧测温电阻体构成，由上述第一上游侧测温电阻体、上述第二上游侧测温电阻体、上述第一下游侧测温电阻体和上述第二下游侧测温电阻体构成温度传感器电桥电路。
11.根据权利要求1所述的热式流体流量传感器，其特征在于，还具有：
由发热电阻体用测温电阻体、空气温度测温电阻体、第一加热器温度控制用电阻体和第二加热器温度控制用电阻体构成的加热器控制电桥电路；和
将上述加热器控制电桥电路的各电阻体之间的节点与第三端子电极连接的第三引出布线，其中，
在上述第三引出布线的内部配置有第三浮岛状绝缘部。
CN200910002806.3A 2008-01-29 2009-01-24 热式流体流量传感器 Expired - Fee Related CN101498596B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008017015 2008-01-29
JP2008-017015 2008-01-29
JP2008017015A JP5202007B2 (ja) 2008-01-29 2008-01-29 熱式流体流量センサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101498596A CN101498596A (zh) 2009-08-05
CN101498596B true CN101498596B (zh) 2012-06-27

Family

ID=40578906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200910002806.3A Expired - Fee Related CN101498596B (zh) 2008-01-29 2009-01-24 热式流体流量传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7621180B2 (zh)
EP (1) EP2085754A3 (zh)
JP (1) JP5202007B2 (zh)
CN (1) CN101498596B (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006258678A (ja) * 2005-03-18 2006-09-28 Hitachi Ltd 熱式流量計測装置
JP4836864B2 (ja) * 2007-05-16 2011-12-14 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流量計
US8280674B2 (en) * 2008-01-24 2012-10-02 Raytheon Company Apparatus for measuring surface temperature using embedded components
JP5276964B2 (ja) * 2008-12-08 2013-08-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流体流量センサおよびその製造方法
JP5114463B2 (ja) * 2009-09-25 2013-01-09 日立オートモティブシステムズ株式会社 発熱抵抗式空気流量測定装置
EP2348292A1 (en) * 2010-01-13 2011-07-27 Sensirion AG Sensor device
JP5418510B2 (ja) * 2010-02-25 2014-02-19 日立化成株式会社 評価用半導体チップ、評価システム及びそのリペア方法
JP2012026856A (ja) 2010-07-23 2012-02-09 Hitachi Automotive Systems Ltd 熱式空気流量センサ
CN102095459A (zh) * 2010-12-08 2011-06-15 苏州谷之道软件科技有限公司 热膜式空气流量计
JP5526065B2 (ja) 2011-03-25 2014-06-18 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式センサおよびその製造方法
US8541720B2 (en) 2011-04-12 2013-09-24 Raytheon Company Apparatus for remotely measuring surface temperature using embedded components
IL213767A (en) * 2011-06-23 2017-05-29 Adler Michael A method and device for measuring fluid flow rate
JP5677222B2 (ja) * 2011-07-25 2015-02-25 三菱電機株式会社 炭化珪素半導体装置
JP5915026B2 (ja) * 2011-08-26 2016-05-11 住友大阪セメント株式会社 温度測定用板状体及びそれを備えた温度測定装置
JP5675716B2 (ja) * 2012-06-29 2015-02-25 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式空気流量センサ
JP5883740B2 (ja) * 2012-08-01 2016-03-15 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式空気流量センサ
CN103274349A (zh) * 2013-04-26 2013-09-04 北京大学 一种热应力隔离的mems微加热器互联基板及其制备方法
CN107003165B (zh) * 2014-11-28 2021-03-09 日立汽车系统株式会社 热式流量传感器
CN107655534A (zh) * 2016-07-26 2018-02-02 上海微联传感科技有限公司 空气流量传感器及其制造方法
CN107764349A (zh) * 2016-08-22 2018-03-06 上海微联传感科技有限公司 空气流量传感器及其制备方法
JP6979279B2 (ja) * 2017-04-10 2021-12-08 日本特殊陶業株式会社 保持装置
CN109068414B (zh) * 2018-06-08 2022-03-25 中北大学 面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法
JP7235218B2 (ja) * 2019-03-04 2023-03-08 ミネベアミツミ株式会社 流体センサ

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1834593A (zh) * 2005-03-18 2006-09-20 株式会社日立制作所 热式流量计
CN1928508A (zh) * 2005-09-07 2007-03-14 株式会社日立制作所 流量传感器
EP1226090B1 (en) * 1999-10-19 2007-09-05 Seju Engineering Co., Ltd. Gas sensor and fabrication method thereof

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5059556A (en) * 1988-09-28 1991-10-22 Siemens-Bendix Automotive Electronics, L.P. Low stress polysilicon microstructures
DE4041578C2 (de) * 1990-12-22 1997-07-17 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Messung der Geschwindigkeit bzw. der Durchflußmenge eines strömenden Mediums
JPH04236423A (ja) * 1991-01-21 1992-08-25 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法
US5313832A (en) * 1991-12-23 1994-05-24 Ford Motor Company Composite mass air flow sensor
WO1997022856A1 (de) * 1995-12-15 1997-06-26 Siemens Aktiengesellschaft Luftmassenmesser
DE19601592C1 (de) * 1996-01-18 1997-05-07 Bosch Gmbh Robert Sensor und Verfahren zur Herstellung eines Sensors
US5763775A (en) * 1996-03-13 1998-06-09 Ricoh Company, Ltd. Flow sensor having first and second temperature detecting portions for accurate measuring of a flow rate and a manufacturing method thereof
JPH10160538A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Murata Mfg Co Ltd 熱センサおよびその製造方法
JP3457826B2 (ja) 1997-01-31 2003-10-20 株式会社リコー 薄膜式抵抗体及びその製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度センサ
JP3364115B2 (ja) * 1997-07-03 2003-01-08 三菱電機株式会社 感熱式流量検出素子
JP3598217B2 (ja) 1998-04-03 2004-12-08 三菱電機株式会社 流量検出素子及び流量センサ並びに流量検出素子の製造方法
US6626037B1 (en) * 1999-09-03 2003-09-30 Denso Corporation Thermal flow sensor having improved sensing range
JP3653498B2 (ja) * 2000-05-19 2005-05-25 三菱電機株式会社 感熱式流量検出素子及びそのホルダ
JP3655838B2 (ja) * 2001-04-27 2005-06-02 三菱電機株式会社 感熱式流量センサ
JP2003031579A (ja) 2001-07-18 2003-01-31 Denso Corp センサ及びその製造方法
JP2003035580A (ja) * 2001-07-19 2003-02-07 Denso Corp フローセンサ
JP3698679B2 (ja) * 2002-03-27 2005-09-21 株式会社日立製作所 ガス流量計及びその製造方法
JP3817497B2 (ja) * 2002-06-10 2006-09-06 株式会社日立製作所 熱式流量計測装置
US6983653B2 (en) * 2002-12-13 2006-01-10 Denso Corporation Flow sensor having thin film portion and method for manufacturing the same
JP2007024589A (ja) * 2005-07-13 2007-02-01 Hitachi Ltd 気体流量計測装置
JP2008170382A (ja) * 2007-01-15 2008-07-24 Hitachi Ltd 熱式流体流量センサ及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1226090B1 (en) * 1999-10-19 2007-09-05 Seju Engineering Co., Ltd. Gas sensor and fabrication method thereof
CN1834593A (zh) * 2005-03-18 2006-09-20 株式会社日立制作所 热式流量计
CN1928508A (zh) * 2005-09-07 2007-03-14 株式会社日立制作所 流量传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开平10-213470A 1998.08.11
JP特开平11-287687A 1999.10.19

Also Published As

Publication number Publication date
US20090188314A1 (en) 2009-07-30
US7621180B2 (en) 2009-11-24
CN101498596A (zh) 2009-08-05
EP2085754A2 (en) 2009-08-05
JP2009180504A (ja) 2009-08-13
EP2085754A3 (en) 2011-06-15
JP5202007B2 (ja) 2013-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101498596B (zh) 热式流体流量传感器
CN101750123B (zh) 热式流体流量传感器及其制造方法
CN102052942A (zh) 热式流体流量传感器及其制造方法
USRE43660E1 (en) Flow sensor using a heat element and a resistance temperature detector formed of a metal film
JP3355127B2 (ja) 熱式空気流量センサ
EP2280251B1 (en) Thermal flow meter
US4744246A (en) Flow sensor on insulator
KR100276038B1 (ko) 감열식 유량 검출 소자 및 그것을 사용한 유량센서
JPH05508915A (ja) 温度バイアス形抵抗エレメントを用いた薄膜空気流センサ
EP2600121B1 (en) Thermal flow meter
US9625407B2 (en) Catalysis combustion type gas sensor
US6118166A (en) Thin-film microstructure sensor having a temperature-sensitive resistor to provide a large TCR with little variation
JP2012073206A (ja) 熱式流量センサ
US7721599B2 (en) Reduced resistance thermal flow measurement device
EP1870681B1 (en) Thermal type flow rate measuring apparatus
KR19980080155A (ko) 박막 부재를 구비한 센서
JP2619735B2 (ja) 熱流量センサ
JPH11344369A (ja) 流量検出素子及び流量センサ
JP2003106884A (ja) 気流センサ
JPS6243522A (ja) 流量センサ
JP2003106883A (ja) 気流センサ
JPS6063421A (ja) 感熱形流量検出器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120627

Termination date: 20160124

EXPY Termination of patent right or utility model