JP2001165732A - フローセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量検出体の抵抗値を高めて、ヒータの温度
を精度よく測定できるようにする。 【解決手段】 半導体基板１の空洞部１ａの上に形成さ
れたダイヤフラム１０に流量検出体３０とヒータ４０と
が形成されており、流量検出体３０の膜厚がヒータ４０
の膜厚より薄くなっている。このように流量検出体３０
の膜厚を薄くすることで、その抵抗値が高くなり、ヒー
タ４０の温度変化を精度良く測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を検出
するフローセンサおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の流量を検出するフローセンサとし
て、半導体基板の空洞部上に薄膜構造のダイアフラムを
形成し、そのダイアフラムにマイクロヒータ（以下、単
にヒータという）および流量検出体を設けるとともに、
半導体基板のダイアフラム以外の領域に流体温度検出体
を設けた構造のものが種々提案されている。ヒータ、流
量検出体および流体温度検出体は、Ｐｔ（白金）などの
抵抗体膜で形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなフローセン
サにおいては、温度変化に対してできる限り流量検出体
の抵抗値の変化を大きくした方が、ヒータの温度分布を
正確に測定でき、ひいてはフローセンサの精度向上には
望ましい。しかしながら、従来は、ヒータと流量検出体
は同じプロセスで形成されるため、膜厚などは同じにな
っている。

【０００４】また、特開平４−２５９８２１号公報に
は、ヒータおよび流量検出体を多層膜にすることで、抵
抗値を高めるものが記載されている。しかしながら、こ
のように多層化すると、ヒータでは各層のコンタクト部
分の信頼性が問題となる。また、抵抗値を高くする必要
があるのは、温度変化に対する抵抗値変化で温度を検出
する流量検出体の方である。また、ダイアフラムの薄膜
構造体にヒータと流量検出体を形成する場合、限られた
面積で流量検出体の抵抗値だけを上げることが必要とな
る。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みたもので、流量検
出体を多層膜にすることなく、その抵抗値を高めて、検
出精度のよいフローセンサを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、発熱体（４０）の抵抗
体膜よりも流量検出体（３０）の抵抗体膜の方を薄くし
て、流量検出体（３０）の抵抗値を高めた構造にしたこ
とを特徴としている。

【０００７】このように流量検出体（３０）の抵抗体膜
を薄くすることで、その断面積が小さくなり、流量検出
体（３０）の抵抗値を高くして、発熱体（４０）の温度
変化を精度良く測定することができる。

【０００８】請求項２に記載の発明では、流量検出体
（３０）を断面テーパ形状にして、流量検出体（３０）
の抵抗値を高めた構造にしたことを特徴としている。

【０００９】このように流量検出体（３０）を断面テー
パ形状にし流量検出体（３０）の抵抗値を高くすること
で、発熱体（４０）の温度変化を精度良く測定すること
ができる。

【００１０】請求項３に記載の発明では、流量検出体
（３０）の側壁に凹凸をつけて、流量検出体（３０）の
抵抗値を高めた構造にしたことを特徴としている。

【００１１】このように流量検出体（３０）の側壁に凹
凸をつけ流量検出体（３０）の抵抗値を高くすること
で、発熱体（４０）の温度変化を精度良く測定すること
ができる。

【００１２】請求項４に記載の発明では、流量検出体
（３０）の材料を発熱体（４０）の材料より抵抗率の大
きい材料として、流量検出体（３０）の抵抗値を高めた
構造にしたことを特徴としている。

【００１３】このように流量検出体（３０）の材料を抵
抗率の大きい材料とし流量検出体（３０）の抵抗値を高
くすることで、発熱体（４０）の温度変化を精度良く測
定することができる。

【００１４】請求項５に記載の発明では、流量検出体
（３０）の表面をアモルファス（３０ａ）にして、流量
検出体（３０）の抵抗値を高めた構造にしたことを特徴
としている。

【００１５】このように流量検出体（３０）の表面をア
モルファス（３０ａ）にし流量検出体（３０）の抵抗値
を高くすることで、発熱体（４０）の温度変化を精度良
く測定することができる。

【００１６】請求項６に記載の発明では、流量検出体
（３０）を凸凹がつけられた下地（１２）の上に形成し
て、流量検出体（３０）の抵抗値を高めた構造にしたこ
とを特徴としている。

【００１７】このことにより、流量検出体（３０）の配
線長が長くなり、流量検出体（３０）の抵抗値を高くし
て、発熱体（４０）の温度変化を精度良く測定すること
ができる。

【００１８】請求項７に記載の発明では、請求項２に記
載のフローセンサを適切に製造することができ、請求項
８に記載の発明では、請求項３に記載のフローセンサを
適切に製造することができ、請求項９に記載の発明で
は、請求項５に記載のフローセンサを適切に製造するこ
とができ、請求項１０に記載の発明では、請求項６に記
載のフローセンサを適切に製造することができる。

【００１９】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の第１実施形態にかかるフローセンサの斜視図、図２
に、図１中のＡ−Ａ断面図を示す。

【００２１】このフローセンサは、単結晶シリコン等で
形成された半導体基板１の上に、下層絶縁膜となるシリ
コン窒化膜１１およびシリコン酸化膜１２が形成され、
その上に、温度計をなす流体温度検出体２０および流量
検出体（測温体）３０が形成されるとともにヒータ（発
熱体）４０が形成され、さらにその上に、上層絶縁膜と
なるシリコン酸化膜１３およびシリコン窒化膜１４が形
成された構造となっている。

【００２２】半導体基板１には、図２に示すように、空
洞部１ａが形成されており、この空洞部１ａ上に薄膜構
造体をなすダイヤフラム１０が形成され、ダイヤフラム
１０に流量検出体３０とヒータ４０とが配置されてい
る。

【００２３】流体温度検出体２０、流量検出体３０およ
びヒータ４０は、流体の流れの方向（図１中の白抜き矢
印で示す）に対し、上流側からその順で配置されてお
り、いずれもＰｔなどの配線材料からなる抵抗体膜でパ
ターン形成されている。

【００２４】流体温度検出体２０は、流体の温度を検出
するもので、ヒータ４０の熱がその温度検出に影響を及
ぼさないようにヒータ４０から十分離隔した位置に配設
されている。ヒータ４０は、流体温度検出体２０で検出
された温度より一定温度高い基準温度になるように、図
示しない制御回路によって制御される。

【００２５】このように構成されたフローセンサにおい
て、流体が流れると、その流体温度が流体温度検出体２
０により計測され、その計測された温度よりも一定温度
高くなるようにヒータ４０が通電制御される。そして、
流体の流れの大きさによってヒータ４０の熱分布が変化
し、その熱分布の変化により流量検出体３０の抵抗値が
変化することで、流量が検出される。

【００２６】ここで、この実施形態においては、流量検
出体３０の抵抗体膜が、ヒータ４０および流体温度検出
体２０の抵抗体膜より薄くなるように形成されている。
このように流量検出体３０を薄くすることで、その断面
積が小さくなり、流量検出体３０の抵抗値を、ヒータ４
０および流体温度検出体２０の膜厚と同一にした場合に
比べて高くすることができ、温度変化を精度良く計測す
ることができる。すなわち、流量抵抗体３０の抵抗値だ
けを上げることにより、温度変化による抵抗値変化も大
きくなり、ヒータ４０の温度変化を精度良く測定するこ
とができる。

【００２７】次に、上記したフローセンサの製造方法に
ついて、図３に示す工程図（図１中のＡ−Ａ断面に対応
する図）を参照して順に説明する。 ［図３（ａ）の工程］半導体基板として単結晶のシリコ
ン基板１を用い、その一面（表面）側にシリコン窒化膜
１１をＬＰＣＶＤ法などで形成し、その上にシリコン酸
化膜１２をＣＶＤ法などで形成する。

【００２８】このようにシリコン窒化膜１１上にシリコ
ン酸化膜１２を積層することによって、シリコン酸化膜
１１の上に形成される配線材料との密着性を良好にし、
また薄膜構造体を形成した場合に、外側に耐水性のある
シリコン窒化膜１２を配置しているため、薄膜構造体の
耐湿性を向上させることができる。 ［図３（ｂ）の工程］Ｐｔ膜をシリコン窒化膜１２の上
に成膜し、エッチング等により流体温度検出体２０、流
量検出体３０およびヒータ４０をパターン形成する。こ
の場合、流量検出体３０のＰｔ膜が、ヒータ４０および
流体温度検出体２０のＰｔ膜より薄くなるようにパター
ン形成する。

【００２９】具体的には、Ｐｔ膜を成膜した後、流量検
出体３０の部分のみエッチング等で薄くし、この後、パ
ターニングを行う。あるいは、Ｐｔ膜を２層に分けて成
膜し、１層目を成膜した後に流量検出体３０の部分のみ
Ｐｔ膜を全部エッチング除去するか２層目を成膜した後
に流量検出体３０の部分のみ半分エッチング除去し、こ
の後、パターニングを行う。このようにすることで、流
量検出体３０のＰｔ膜をヒータ４０および流体温度検出
体２０のＰｔ膜より薄くすることができる。 ［図３（ｃ）の工程］シリコン酸化膜１３を堆積させ
る。この後、図示していないが、流体温度検出体２０、
流量検出体３０およびヒータ４０の電極パッド形成のた
めにシリコン酸化膜１３に開口を形成する。 ［図３（ｄ）の工程］保護膜であるシリコン窒化膜１４
を形成する。その後、図示していないが、流体温度検出
体２０、流量検出体３０およびヒータ４０の電極パッド
形成のためにシリコン窒化膜１４に開口を形成する。 ［図３（ｅ）の工程］シリコン基板１の裏面にマスク材
（例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜）１５
を形成し、エッチングして開口部１６を形成する。 ［図３（ｆ）の工程］シリコン基板１の裏面側をシリコ
ン窒化膜１１が露出するまでエッチングして空洞部１ａ
を形成する。

【００３０】このようにして、図１、図２に示すフロー
センサを製造することができる。 （第２実施形態）第１実施形態では、流量検出体３０の
Ｐｔ膜をヒータ４０および流体温度検出体２０のＰｔ膜
より薄くして流量検出体３０の抵抗値を高めるものを示
したが、図４に示すように、流量検出体３０を、断面が
テーパ形状になるようにし、断面積を小さくしてその抵
抗値を高めるようにしてもよい。

【００３１】この場合、テーパ角θは、９０度未満でｔ
ａｎθ＝（配線の膜厚）／（配線の幅の半分）となる角
度以上とする。例えば、配線の膜厚ａ、配線の幅２ｂと
したとき、図５に示すように、ｔａｎθ＝ａ／ｂとなる
角度θをテーパ角とすれば、断面積は１／２となり、流
量検出体３０の配線抵抗値をテーパ形状にしないものに
比べて倍にすることができる。

【００３２】この第２の実施形態では、図３（ｂ）の工
程において、Ｐｔ膜によりパターンを形成するときに、
ヒータ４０および流体温度検出体２０のパターン形成と
流量検出体３０のパターン形成とを別々に行い、流量検
出体３０の形成時にウェットエッチングを行うことで、
流量検出体３０のみ断面をテーパ形状にすることができ
る。 （第３実施形態）また、図６に示すように、流量検出体
３０のパターンの側壁に凹凸をつけて、その抵抗値を高
めるようにしてもよい。この場合、流量検出体３０は、
ヒータ４０に比べて信頼性が劣るが、流量検出体３０は
消費電力を必要としないため、ヒータ４０ほど信頼性が
要求されず、側壁に凹凸をつけた形状にしても何ら問題
はない。

【００３３】この第３実施形態では、図３（ｂ）の工程
において、Ｐｔ膜によりパターンを形成するときに、ヒ
ータ４０および流体温度検出体２０のパターン形成と流
量検出体３０のパターン形成とを別々に行い、流量検出
体３０の形成時に、例えばエッチングガスに対し、耐性
のある膜を形成するガスとエッチングガスを交互に流す
ことにより、流量検出体３０の側壁に凹凸をつけること
ができる。 （第４実施形態）また、図７に示すように、流量検出体
３０の表面をアモルファス３０ａとすることで、抵抗値
を高めるようにしてもよい。

【００３４】この第４実施形態では、図３（ｂ）の工程
において、流体温度検出体２０、流量検出体３０および
ヒータ４０をパターン形成した後に、流量検出体３０の
パターンに対してのみイオン注入を行うことで、表面を
アモルファス化することができる。 （第５実施形態）また、流体温度検出体２０の材料と、
流量検出体３０およびヒータ４０の材料を変えて、流体
温度検出体２０の方が抵抗率が高い材料を選ぶことで、
流体温度検出体２０の抵抗値を高めるようにしてもよ
い。

【００３５】この第５実施形態では、図３（ｂ）の工程
において、ヒータ４０および流体温度検出体２０のパタ
ーン形成と流量検出体３０のパターン形成とを異なる材
料で別々に行うことで、流体温度検出体２０のみ抵抗率
の高い材料で形成することができる。

【００３６】（第６実施形態）また、図８に示すよう
に、流量検出体３０の配線パターンの下地に凹凸をつけ
ておき、そこに配線パターンを作ることで、配線長が凹
凸をつけない場合に比べ長くなり、流量検出体３０の抵
抗値を高くすることができる。なお、図８は、図１中の
Ｂ−Ｂ断面を示している。

【００３７】この第６実施形態の製造方法を、図９に示
す工程図（図１中のＢ−Ｂ断面に対応する図）を参照し
て順に説明する。 ［図９（ａ）の工程］第１実施形態と同様に、シリコン
基板１の表面側にシリコン窒化膜１１を形成し、その上
にシリコン酸化膜１２を形成する。 ［図９（ｂ）の工程］シリコン酸化膜１２のうち流量検
出体３０の配線パターンを形成する箇所をエッチングに
より凹部１２ａを形成する。

【００３８】ここで、凹凸を形成する場合、シリコン酸
化膜１２のうち流量検出体３０の配線パターンを形成す
る箇所に凸部を形成するように全面エッチングすること
でも形成できるが、ウェハ面内のエッチングむらを考え
ると、凹部１２ａを形成する方が望ましい。 ［図９（ｃ）の工程］Ｐｔ膜をシリコン酸化膜１２の上
に成膜し、エッチング等により流体温度検出体２０、流
量検出体３０およびヒータ４０をパターン形成する。こ
のとき、流量検出体３０の配線パターンの下地に凹凸が
ついているため、流量検出体３０の配線のみ凹凸形状に
形成され、平らな面に形成した場合に比べて配線が長く
なる。このため、流量検出体３０の抵抗値を高くするこ
とができる。

【００３９】この後、第１実施形態における図３（ｃ）
以降の工程と同様の工程を実施することで、この第６実
施形態におけるフローセンサを製造することができる。

【００４０】なお、上記した種々の実施形態において、
流量検出体３０およびヒータ４０の薄膜構造体として
は、上記したようなダイアフラム型構造のものに限ら
ず、ブリッジ型構造のものであってもよい。また、流量
検出体３０は、ヒータ４０の一方側のみでなく両側に設
けられていてもよい。この場合、両側に設けられた流量
検出体３０の検出温度差によって流量が測定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの
斜視図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の第１実施形態にかかるフローセンサの
製造方法を示す工程図である。

【図４】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの
要部の断面図である。

【図５】本発明の第２実施形態における流量検出体３０
のテーパ角を説明する説明図である。

【図６】本発明の第３実施形態にかかるフローセンサの
要部の断面図である。

【図７】本発明の第４実施形態にかかるフローセンサの
要部の断面図である。

【図８】本発明の第６実施形態にかかるフローセンサの
要部の断面図である。

【図９】本発明の第６実施形態にかかるフローセンサの
製造方法を示す工程図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、１ａ…空洞部、１０…ダイアフラ
ム、１１…シリコン窒化膜、１２…シリコン酸化膜、１
２ａ…凹部、１３…シリコン酸化膜、１４…シリコン窒
化膜、２０…流体温度検出体、３０…流量検出体、３０
ａ…アモルファス、４０…ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敏雅 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F035 EA08

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記発熱体（４０）の抵抗体膜よりも前記流量検出体
   （３０）の抵抗体膜の方を薄くして、前記流量検出体
   （３０）の抵抗値を高めた構造になっていることを特徴
   とするフローセンサ。
2. 【請求項２】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記流量検出体（３０）を断面テーパ形状にして、前記
   流量検出体（３０）の抵抗値を高めた構造になっている
   ことを特徴とするフローセンサ。
3. 【請求項３】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記流量検出体（３０）の側壁に凹凸をつけて、前記流
   量検出体（３０）の抵抗値を高めた構造になっているこ
   とを特徴とするフローセンサ。
4. 【請求項４】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記流量検出体（３０）の材料を前記発熱体（４０）の
   材料より抵抗率の大きい材料として、前記流量検出体
   （３０）の抵抗値を高めた構造になっていることを特徴
   とするフローセンサ。
5. 【請求項５】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記流量検出体（３０）の表面をアモルファス（３０
   ａ）にして、前記流量検出体（３０）の抵抗値を高めた
   構造になっていることを特徴とするフローセンサ。
6. 【請求項６】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサにおいて、 前記流量検出体（３０）を凸凹がつけられた下地（１
   ２）の上に形成して、前記流量検出体（３０）の抵抗値
   を高めた構造になっていることを特徴とするフローセン
   サ。
7. 【請求項７】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサの製造方法において、 前記流量検出体（３０）をウェットエッチングにより断
   面テーパ形状に形成する工程を含むことを特徴とするフ
   ローセンサの製造方法。
8. 【請求項８】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサの製造方法において、 前記流量検出体（３０）をパターン形成した後、交互ガ
   スによるエッチングを行って、その側壁に凹凸を形成す
   る工程を含むことを特徴とするフローセンサの製造方
   法。
9. 【請求項９】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
   （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
   熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
   たフローセンサの製造方法において、 前記流量検出体（３０）をパターン形成した後、イオン
   注入によりその表面をアモルファス化する工程を含むこ
   とを特徴とするフローセンサの製造方法。
10. 【請求項１０】 基板（１）上に形成された薄膜構造体
    （１０）内に抵抗体膜からなる流量検出体（３０）と発
    熱体（４０）を有して、流体の流量を検出するようにし
    たフローセンサの製造方法において、 前記流量検出体（３０）を形成する箇所に凹凸が付けら
    れた下地（１２）の上に前記流量検出体（３０）を形成
    する工程を含むことを特徴とするフローセンサの製造方
    法。