熱式空氣流量傳感器的制造方法
【專利摘要】提供流量測定精度高的熱式空氣流量傳感器。該熱式空氣流量傳感器具有測定元件，該測定元件包括：半導體襯底；電絕緣體，其包括在上述半導體襯底上沉積薄膜而形成的發熱電阻體、測溫電阻體和氧化硅膜；和隔膜部，其是將半導體襯底的一部分除去而形成的，在上述隔膜部上形成有上述發熱電阻體和上述測溫電阻體，薄膜相對于上述測定元件的面積的占有面積的比率為40％～60％。
【專利說明】熱式空氣流量傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及測量吸入空氣量的空氣流量傳感器，尤其是具有發熱電阻體和測溫電阻體來測定空氣流量的熱式空氣流量傳感器。
【背景技術】
[0002]作為空氣流量傳感器，能夠直接檢測空氣量的熱式空氣流量傳感器成為主流。特別是，具有利用半導體微細加工技術制造的測定元件的熱式空氣流量傳感器，因能夠降低成本和能夠以低電力驅動而受到關注。作為這樣的熱式空氣流量傳感器所使用的測定元件(熱式空氣流量傳感器)，有日本特開平11-194043號公報(專利文獻I)中提出的裝置。專利文獻I中記載的熱式空氣流量傳感器為如下結構:在半導體襯底上形成有電絕緣膜，在該電絕緣膜上形成有成為發熱電阻體、測溫電阻體的薄膜，并且在發熱電阻體、測溫電阻體之上形成有電絕緣體。另外，是在形成有發熱電阻體、測溫電阻體的區域通過進行各向異性蝕刻而從半導體襯底的背面側除去了半導體襯底的一部分的隔膜構造。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開平11-194043號公報
【發明內容】
[0006]發明想要解決的技術問題
[0007]薄膜的圖案化通常如圖7所示的方式進行。首先，沉積薄膜20，之后，在薄膜20上沉積抗蝕劑21，進行圖案化。接著，以該抗蝕劑(底版)21為掩模，通過干蝕刻對薄膜進行圖案化。
[0008]在該情況下，按照抗蝕劑(底版)21的尺寸使薄膜圖案化是理想的，但是因測定元件內的薄膜圖案的總面積相對于測定元件的面積的比例(薄膜占有率)而成為圖7(b)所示那樣。即，在薄膜占有率小的情況下，相對于設計(掩模)尺寸變細，在薄膜占有率大的情況下，相對于設計尺寸變粗。該尺寸變化量多的情況下，熱式空氣流量計的流量測定精度降低。
[0009]本發明的目的在于提供流量測定精度高的熱式空氣流量傳感器。
[0010]用于解決技術課題的技術方案
[0011]為了達成上述目的，本發明的熱式空氣流量傳感器具有測定元件，該測定元件包括:半導體襯底；電絕緣體，其包括在所述半導體襯底上沉積薄膜而形成的發熱電阻體、測溫電阻體和氧化硅膜；和將半導體襯底的一部分除去而形成的隔膜部，在所述隔膜部上形成有所述發熱電阻體和所述測溫電阻體，薄膜相對于所述測定元件的面積的占有面積的比率為40?60%。
[0012]發明效果
[0013]根據本發明，能夠提供流量測定精度高的熱式空氣流量傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的第一實施例中的測定元件的概略平面圖。
[0015]圖2是本發明的第一實施例中的截面圖。
[0016]圖3是表示薄膜的占有率和尺寸變化量的圖。
[0017]圖4是說明熱式空氣流量傳感器的測定原理的圖。
[0018]圖5是變更了薄膜圖案的圖。
[0019]圖6是變更了薄膜圖案的圖。
[0020]圖7(a)是在薄膜加工前的薄膜上沉積有抗蝕劑的圖。
[0021]圖7(b)是表示薄膜加工時的尺寸變化(shift)的一個例子的圖。
[0022]圖8是表示薄膜的占有率和尺寸變化量的圖。
[0023]圖9是安裝有測定元件的熱式空氣流量傳感器的截面圖。
[0024]圖10是表示在內燃機控制系統中使用本發明的熱式空氣流量傳感器的一個例子的系統圖。
【具體實施方式】
[0025]以下，對本發明的實施例進行說明。
[0026]首先，先使用圖10針對電子燃料噴射方式的內燃機控制系統中使用本發明的熱式空氣流量傳感器300的一實施例進行說明。基于具有發動機氣缸112和發動機活塞114的內燃機110的動作，從空氣凈化器122吸入吸入空氣作為被測量氣體30，經由作為主通路124的例如進氣管、節流閥體126、進氣歧管128被導入發動機氣缸112的燃燒室。被導入上述燃燒室的作為吸入空氣的被測量氣體30的流量通過本發明的熱式空氣流量傳感器300測量，基于所測量出的流量利用燃料噴射閥152供給燃料，與作為吸入空氣的被測量氣體30 —起以混合氣的狀態被導入燃燒室。此外，本實施例中，燃料噴射閥152設置在內燃機的進氣口，噴射至進氣口的燃料與作為吸入空氣的被測量氣體30 —起形成混合氣，經由吸入閥116被導入燃燒室，進行燃燒而產生機械能。
[0027]近年來，在較多的車輛中作為提高排氣凈化和燃油效率的優良方式，采用在內燃機的氣缸蓋安裝燃料噴射閥152，從燃料噴射閥152對各燃燒室直接噴射燃料的方式。熱式空氣流量傳感器300不僅采用圖10所示的對內燃機的進氣口噴射燃料的方式，也同樣能夠使用對各燃燒室直接噴射燃料的方式。兩個方式在包括熱式空氣流量傳感器300的使用方法的控制參數的測量方法和包括燃料供給量、點火時期的內燃機的控制方法的基本概念方面均大致相同，在圖10中表示作為兩個方式的代表例的對進氣口噴射燃料的方式。
[0028]被導入燃燒室的燃料和空氣成為燃料和空氣的混合狀態，利用火花塞154的火花點火，爆炸性地燃燒，產生機械能。燃燒后的氣體從排氣閥118排出到排氣管，作為排氣24從排氣管排出到車外。被導入上述燃燒室的作為吸入空氣的被測量氣體30的流量由基于油門踏板的操作而其開度發生變化的節流閥132控制。基于被導入上述燃燒室的吸入空氣的流量控制燃料供給量，駕駛者控制節流閥132的開度來控制被導入上述燃燒室的吸入空氣的流量，由此能夠控制內燃機產生的機械能。
[0029]從空氣凈化器122取入的在主通路(進氣管)124中流動的作為吸入空氣的被測量氣體30的流量和溫度，通過熱式空氣流量傳感器300測量，從熱式空氣流量傳感器300將表示吸入空氣的流量和溫度的電信號輸入控制裝置200。另外，測量節流閥132的開度的節流閥角度傳感器144的輸出被輸入控制裝置200，并且為了測量內燃機的發動機活塞114、進氣閥116、排氣閥118的位置、狀態、乃至內燃機的旋轉速度，而將旋轉角度傳感器146的輸出輸入控制裝置200。為了從排氣24的狀態測量燃料量和空氣量的混合比的狀態，將氧傳感器148的輸出輸入控制裝置200。
[0030]控制裝置200基于作為熱式空氣流量傳感器300的輸出的吸入空氣的流量和基于旋轉角度傳感器146的輸出測量出的內燃機的旋轉速度，計算燃料噴射量和點火時期。基于這些運算結果，控制從燃料噴射閥152供給的燃料量和利用火花塞154點火的點火時期。燃料供給量、點火時期，實際上還基于由熱式空氣流量傳感器300測量的進氣溫度和節流閥角度的變化狀態、發動機旋轉速度的變化狀態、由氧傳感器148測量的空燃比的狀態，細致地進行控制。控制裝置200還在內燃機的怠速運轉狀態中，利用怠速空氣控制閥156控制繞過節流閥132的空氣量，控制怠速運轉狀態下的內燃機的旋轉速度。
[0031]作為內燃機的主要的控制量的燃料供給量和點火時期均以熱式空氣流量傳感器300的輸出作為主參數進行運算。因此，熱式空氣流量傳感器300的測量精度的提高、時效變化的抑制和可靠性的提高對于車輛的控制精度的提高和可靠性的確保比較重要。尤其是近年來，關于車輛的省燃料費的要求非常高，另外關于排氣凈化的要求非常高。為了應對這些要求，提高由熱式空氣流量傳感器300測量的作為吸入空氣的被測量氣體30的流量的測量精度非常重要。另外，維持熱式空氣流量傳感器300較高的可靠性非常重要。
[0032]搭載有熱式空氣流量傳感器300的車輛能夠在溫度變化較大的環境下使用，另外能夠在風雨或雪中使用。在車行駛在雪道上的情況下，成為在散布有防凍劑的道路上行駛。期望還考慮到熱式空氣流量傳感器300對該使用環境中的溫度變化的應對和對塵埃、污染物質等的應對。并且，熱式空氣流量傳感器300設置在受到內燃機的振動影響的環境下。要求相對于振動維持較高的可靠性。
[0033]此外，熱式流量計300安裝在受到來自內燃機的發熱的影響的進氣管。因此，內燃機的發熱經由作為主通路124的進氣管被傳遞至熱式流量計300。熱式流量計300通過與被測量氣體進行熱傳遞來測量被測量氣體的流量，因此盡可能抑制來自外部的熱的影響很重要。
[0034]接著，使用圖9對安裝有測定元件301的熱式空氣流量傳感器300的一個例子進行說明。如圖9所示，熱式空氣流量傳感器300以從進氣管124的壁面插入的方式安裝。此時，以從進氣管路124的壁面突出的方式設置外殼部件302。在外殼部件302上形成將在進氣管路124中流動的作為吸入空氣的被測量氣體30的一部分取入的副通路304。副通路304為具有彎曲部的通路形狀，但是測定元件301的附近的通路形狀為直線形狀。在副通路304內，支承測定元件301的支承部件306的一部分露出。在形成于支承部件306的矩形的凹部308設置測定元件301。設置測定元件301的部分的副通路304，使流路為直線狀，在其上游側和下游側使流路為彎曲的形狀。另外，在支承部件306安裝有搭載有測定元件301的驅動?檢測電路的電路芯片310和芯片部件。測定元件301例如通過鋁接合線等與支承部件306電連接。另外，是利用鋁接合線等將支承部件306和用于取出輸出信號的連接器端子312電連接的構成。支承部件306例如為以樹脂、陶瓷或者金屬作為材料形成的板狀的襯底。
[0035]接著，使用圖1對作為本發明的第一的實施例的熱式空氣流量傳感器的測定元件301進行說明。如圖1所示，測定元件301包括硅襯底1、發熱電阻體7、用于測定空氣溫度的測溫電阻體8、9、偽薄膜10、端子電極11、隔膜部5。此外，用虛線表示隔膜部5的背面蝕刻掩模端部6。
[0036]使用圖2對本實施例的測定元件301的制造方法進行說明。首先，將硅襯底I熱氧化而形成成為下部電絕緣膜的熱氧化膜2。然后，在熱氧化膜2上形成發熱電阻體7、測溫電阻體8、9。發熱電阻體7和測溫電阻體8、9例如由鉑(Pt)膜、鉬(Mo)膜、多晶硅膜的薄膜的沉積形成。
[0037]在此，以使薄膜圖案的總面積相對于測定元件301的面積的比例(薄膜占有率)為40?60%的方式，使薄膜圖案化，形成發熱電阻體7、測溫電阻體8、9。優選隔膜上的發熱電阻體7、測溫電阻體8、9的電阻體寬度由電特性決定，因此改變這些電阻體的配線部分(在隔膜部5的區域外的配線)的寬度，形成沒有電連接的偽薄膜10 (可接地)，將薄膜的占有率設定在40?60%的范圍。
[0038]此外，薄膜下部的下部電絕緣膜可以僅為熱氧化膜2，但也可以疊層氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(S12)。
[0039]接著，利用等離子體CVD法在發熱電阻體7、測溫電阻體8、9、偽薄膜10上沉積成為上部電絕緣膜的氧化硅膜3，然后，以膜的致密化為目的在800°C以上進行熱處理。此外，與下部電絕緣膜同樣，在上部電絕緣膜中也可以僅為熱氧化膜3，但是也可以疊層氮化硅(SiN)膜、氧化硅膜(S12)。在上述疊層膜的情況下，也以膜的致密化為目的在800°C以上進行熱處理。
[0040]接著，對聚酰亞胺類的樹脂膜進行沉積.圖案化，形成聚酰亞胺膜4。圖1所示的端子電極11是在形成氧化硅膜3之后的上部電絕緣膜開設接觸用的孔來沉積鋁、金等而形成(未圖示)的。最后，從背面以氧化硅膜等為掩模材料，使用KOH等蝕刻液形成隔膜部5(未圖示)。隔膜部5也可以使用干式蝕刻法形成。圖2的符號6表示作為掩模材料的背面蝕刻掩模端部的位置，用掩模材料21從背面蝕刻掩模端部6覆蓋外側，進行蝕刻，由此除去隔膜部5的部分的娃襯底I。
[0041]接著，說明本實施例的作用效果。
[0042]熱式空氣流量傳感器300中，根據測定精度的限制，例如鉑(Pt)膜、鉬(Mo)膜、多晶硅膜等薄膜圖案的尺寸變化量AL相對于掩模尺寸優選抑制為10%以下。為了將薄膜圖案的尺寸變化量AL抑制在10%，根據圖3，使薄膜占有率的范圍為40?60%即可。由此，能夠降低尺寸變化量△ L，因此能夠抑制由尺寸變化量導致的流量測定精度的降低，能夠提供流量測定精度高的熱式空氣流量傳感器。
[0043]但是，圖4表示熱式空氣流量傳感器300的空氣流量測定原理，熱式空氣流量傳感器300中，使熱電阻體7發熱，測定測定元件301上部的空氣流量。作為吸入空氣的被測量氣體30從熱電阻體7的上游側流動時，通過熱電阻體7和被測量氣體30的熱的交換，如圖4所示，溫度分布成為非對象，在形成有測溫電阻體8、9的位置產生溫度差。該溫度差依賴于空氣流量，所以根據該溫度差算出空氣流量。熱式空氣流量傳感器300，如圖1所示在隔膜部5上形成有發熱電阻體7、測溫電阻體8、9。這是因為，在發熱電阻體7、測溫電阻體8、9的下部存在熱傳導率高的硅襯底I時，產生熱容量變大、發熱電阻體7上的空氣溫度相對于設計值變小、測溫電阻體8、9中空氣溫度的測定誤差變大、而且測定的響應速度變慢等課題。
[0044]在隔膜部5上的發熱電阻體7、測溫電阻體8、9的周圍形成偽薄膜10，薄膜占有率的范圍為40?60%的情況下，偽薄膜10的熱傳導率比周圍的膜的熱傳導率高，因此熱容易因偽薄膜10的影響而被奪取，產生與上述相同的課題。因此，期望在隔膜部5上不形成偽薄膜10，在硅襯底I上形成偽薄膜10，而使薄膜占有率的范圍成為40?60%。由此，能夠提供流量測量精度更高的熱式空氣流量傳感器。
[0045]另外，偽薄膜10的圖案，為了使薄膜占有率的范圍為40?60%，與在測定元件301的數個位置集中設計偽薄膜10的圖案相比，測定元件301整體均勻地設置對于降低發熱電阻體7、測溫電阻體8、9的尺寸變化量AL比較有效。因此，如圖1所示，偽薄膜10的圖案以交錯狀的圖案形成是特別有效的。圖1所示的圖案為長方形的交錯狀圖案，但是當然也可以為圖5、6所示的圓形、四邊形的交錯狀圖案、其它的十字狀。
[0046]對于薄膜圖案的尺寸變化量△ L，薄膜尺寸越小其影響變得越大，所以在發熱電阻體7或者測溫電阻體8、9的最小圖案尺寸寬度為Iym以下的產品中本專利尤其有效。偽薄膜10的圖案寬度尺寸和其間隔以與發熱電阻體7、測溫電阻體8、9的薄膜圖案的最小尺寸(芯片上的最小加工尺寸)相同的尺寸形成時，當然可以抑制尺寸變化量AL。
[0047]符號說明
[0048]L...硅襯底
[0049]2…熱氧化膜
[0050]3…氧化硅膜
[0051]4…聚酰亞胺膜
[0052]5…隔膜部
[0053]6…背面蝕刻掩模端部
[0054]7…發熱電阻體
[0055]8…測溫電阻體
[0056]9…測溫電阻體
[0057]10…偽薄膜
[0058]11…端子電極
[0059]300…熱式空氣流量傳感器
[0060]301…測定元件
【權利要求】
1.一種具有測定元件的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 所述測定元件具有: 半導體襯底； 電絕緣體，包括在所述半導體襯底上沉積薄膜而形成的發熱電阻體、測溫電阻體和氧化硅膜；和 隔膜部，其是將半導體襯底的一部分除去而形成的， 并且在所述隔膜部上形成有所述發熱電阻體和所述測溫電阻體， 薄膜相對于所述測定元件的面積的占有面積的比率為40?60%。
2.如權利要求1所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 使用由與所述測溫電阻體相同材料形成的薄膜，薄膜相對于所述測定元件的面積的占有面積的比率為40?60 %。
3.如權利要求2所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 由與所述測溫電阻體相同材料形成的薄膜是不與其它部分電連接的薄膜。
4.如權利要求3所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 由與所述測溫電阻體相同材料形成的薄膜的排列圖案由交錯狀地配置的多個圖案形成。
5.如權利要求4所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 所述排列圖案由將長方形形狀的圖案交錯地配置的圖案形成。
6.如權利要求4所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 所述排列圖案由將四邊形或者圓形的圖案交錯地配置的圖案形成。
7.如權利要求2所述的熱式空氣流量傳感器，其特征在于: 由與所述測溫電阻體相同材料形成的薄膜配置在所述隔膜部外的所述半導體襯底上。
【文檔編號】G01F1/692GK104508434SQ201380040625
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月28日 優先權日:2012年8月1日
【發明者】石塚典男, 小野瀬保夫, 佐久間憲之, 中野洋 申請人:日立汽車系統株式會社