JP2001165733A - フローセンサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体温度の変化を応答性よく検出して、流体
の流量を正確に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上に薄膜構造
のダイアフラム１０を形成し、そのダイアフラム１０に
流量検出体３０、ヒータ４０を設けるとともに、半導体
基板１上に流体温度検出体２０を設けてなるフローセン
サにおいて、流体温度検出体２０の配線パターンの両側
に溝２１を形成した。このことにより、流体温度検出体
２０の応答性が良好になり、流体の温度を応答性よく検
出することができるため、フローセンサとして流量を正
確に検出することができる。

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、
半導体基板上のダイアフラム以外の領域に流体温度検出
体を設け、流体温度検出体で検出した温度より所定の温
度ΔＴ高くなるようにヒータの温度を制御し、このとき
の流量検出体の抵抗値に基づいて流体の流量を検出する
ようにしたものが種々提案されている。なお、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】上記した従来の構造で
は、流体の温度を測定する流体温度検出体は、ヒータの
の影響を受けないように熱的に断熱させつつも、流体の
温度を応答よく測定する必要がある。

【０００４】しかしながら、流体温度検出体は、半導体
基板上のダイアフラム以外の領域に形成されているた
め、流体温度が変化したとき、基板の熱容量が影響し
て、応答良く流体温度を測定することができず、ヒータ
との温度差ΔＴがずれて、流量を正確に測定することが
できないという問題がある。

【０００５】この場合、流体温度検出体もダイヤフラム
の薄膜構造体に設けることが考えられるが、ヒータと熱
的に絶縁させるためにはヒータと離して配置しなければ
ならないため、薄膜構造体の面積が大きくなり、またそ
のために薄膜構造体の強度が著しく落ちるといった問題
が生じる。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みたもので、流体温
度の変化を応答性よく検出して、流体の流量を正確に測
定できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明では、流体温度検出体（２
０）の配線パターンの両側に溝（２１）を形成したこと
を特徴としている。

【０００８】このことにより、熱容量が小さくなるた
め、流体の温度を応答性よく検出することができ、フロ
ーセンサとして流量を正確に測定することが可能とな
る。

【０００９】この場合、請求項２に記載の発明のよう
に、溝（２１）を基板（１）の内部に達する深さので形
成するのが好ましい。

【００１０】また、請求項３に記載の発明のように、基
板（１）内に溝（２１）に連通する空洞部（２２）を形
成するようにすれば、より熱容量が小さくなり応答性を
良好にすることができる。

【００１１】請求項４に記載の発明では、基板（１）に
形成された第１の空洞部（１ａ）の上に発熱体（４０）
を配設し、基板（１）に形成された第２の空洞部（２
２）の上に流体温度検出体（２０）を配設したことを特
徴としている。

【００１２】このように流体温度検出体（２０）を第２
の空洞部（２２）の上に配設することによっても、熱容
量が小さくなり、流体の温度を応答性よく検出すること
ができる。

【００１３】この場合、請求項５に記載の発明のよう
に、第２の空洞部（２２）を基板（１）の内部に形成す
るのが好ましい。

【００１４】請求項６ないし１３に記載の発明によれ
ば、上記したようなフローセンサを適切に製造すること
ができる。

【００１５】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。

【００１６】

【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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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
高い基準温度になるようにヒータ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３
０の抵抗値が変化することで、流量が検出される。

【００２２】ここで、この実施形態においては、図２に
示すように、流体温度検出体２０の配線パターンの両側
に溝２１が形成されている。この溝２１は、半導体基板
１の内部に達する深さ（例えば半導体基板１の表面から
５０μｍ程度の深さ）のものである。このように流体温
度検出体２０の配線パターンの両側に溝２１を設けたフ
ィン構造とすることで、熱応答性が良くなり、流体温度
の変化を応答よく測定することができるため、流体の熱
伝導変化を考慮した正確な流量測定を行うことができ
る。

【００２３】次に、上記したフローセンサの製造方法に
ついて、図３、図４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。

【００２４】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］抵抗体材料としてＰｔ膜を２００
℃で真空蒸着機によりシリコン窒化膜１２の上に堆積さ
せ、Ｐｔ膜を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の配線形状にパターニ
ングする。

【００２５】ここで、抵抗体材料としては、ポリシリコ
ン、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどでもよい。この
場合、多層膜とするよりは単一膜の方が望ましい。ま
た、シリコン酸化膜１２とＰｔ膜との間に接着層として
Ｔｉ層あるいはＣｒ層を密着力を高める目的で挿入して
もよく、また接着層を抵抗体材料と上部の膜との間にも
挿入してもよい。 ［図３（ｃ）の工程］流体温度検出体２０、流量検出体
３０およびヒータ４０間の絶縁のために、シリコン酸化
膜１３を堆積させる。 ［図３（ｄ）の工程］表面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４（ａ）の工程］流体温度検出体２０の配線間をシ
リコン基板１まで異方性エッチングにより溝２１を形成
し、フィン構造とする。 ［図４（ｂ）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４（ｃ）の工程］シリコン基板１の裏面側をシリコ
ン窒化膜１１が露出するまで異方性エッチングして空洞
部１ａを形成する。このときの終点検出は、例えばエッ
チング液にＴＭＡＨ（水酸化４メチルアンモニウム）を
用いることにより、シリコンに対してシリコン窒化膜１
１のエッチング速度が非常に小さいため容易に止めるこ
とができる。

【００２６】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）上記した第１実施形態では、流体温度
検出体２０の配線パターンの両側に溝２１を形成する構
造のものを示したが、図５〜図７に示すように、流体温
度検出体２０の下部に溝２１に連通する空洞部２２を形
成するようにすれば、より熱容量が小さくなり応答性を
良好にすることができる。

【００２７】図５に示す実施形態では、シリコン基板１
の内部に溝２１に連通する空洞部２１が形成された構造
になっている。この実施形態における空洞部２２は、図
４（ａ）の異方性ドライエッチング後に、表面から等方
性のエッチング（例えばＳＦ６を用いたプラズマエッチ
ング）を行い、流体温度検出体２０の下のシリコン基板
１を取り除くことによって形成される。この場合、シリ
コン窒化膜１４、シリコン酸化膜１３がそのままマスク
材となるため、マスクの追加をすることなく、フォトな
どの工程を省いてエッチングすることができる。また、
この構造では、チップ全体の強度を維持したまま、形成
できると言うメリットがある。

【００２８】図６に示す実施形態では、シリコン基板１
に溝２１に連通しかつシリコン基板１の裏面に開口した
空洞部２２が形成された構造になっている。この実施形
態における空洞部２２は、図４（ｃ）の工程で、第１実
施形態では、裏面のみエッチングしていたのに対し、両
面エッチングすることによって形成される。

【００２９】ここで、エッチング液としてＴＭＡＨまた
はＫＯＨなどを用いることにより、シリコンの（１１
１）面と他の面とのエッチング速度の違いを利用して、
エッチング形状を正確に制御できることができる。この
ため、空洞部１ａと空洞部２２の壁の傾きが同じで平行
となるエッチング形状となり、裏面からのエッチングに
より同様の空洞部を形成する場合に比べ、流体温度検出
体２０とヒータ４０の距離を熱的影響無いところまで近
づけることができ、チップサイズを小さくすることがで
きる。

【００３０】図７に示す実施形態では、図６に示す実施
形態におけるチップ強度の低下を防ぐため、空洞部２２
を裏面まで貫通させず、途中で止めた構造となってい
る。この実施形態における空洞部２２は、裏面のみのエ
ッチングと両面のエッチングを組み合わせることにより
形成することができる。詳しくは、始めに裏面のみエッ
チングを行い、所定量エッチングした後、両面エッチン
グすることで、図７に示す空洞部２２を形成することが
できる。この場合、両面エッチングしてから裏面エッチ
ングをしてもよいが、制御性の良さと、後から裏面エッ
チングする際の流体温度検出体２０の破壊の可能性を考
慮すると、先に裏面エッチングを行う方が望ましい。こ
の図７に示す実施形態の場合、図６に示す実施形態の場
合より工程が複雑になるが、図５に示す実施形態のもの
よりも、制御よく空洞部２２を形成することができる。

【００３１】なお、上記した空洞部２２は、流体温度検
出体２０の配線パターンの両側に形成された溝２１に連
通しているのが望ましいが、そのような溝２１に連通せ
ずに他の溝に連通させて空洞部２２を形成するようにし
ても、流体の温度を応答性よく検出することができる。

【００３２】また、上記した種々の実施形態では、流量
検出体３０およびヒータ４０の薄膜構造体として、ダイ
アフラム型構造のものを示したが、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４
０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】図３に示す工程を示す工程図である。

【図５】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの
第１の例を示す断面図である。

【図６】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの
第２の例を示す断面図である。

【図７】本発明の第２実施形態にかかるフローセンサの
第３の例を示す断面図である。

【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
３…シリコン酸化膜、１４…シリコン窒化膜、２０…流
体温度検出体、２１…溝、２２…空洞部、３０…流量検
出体、４０…ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和戸 弘幸 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 (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）の一面側に、配線パターンで
   形成された流体温度検出体（２０）および発熱体（４
   ０）が配設され、前記流体温度検出体（２０）によって
   検出された温度に基づいて前記発熱体（４０）の温度が
   基準温度に設定されるようになっており、流体の流れに
   よる前記発熱体（４０）の熱分布の変化に基づいて前記
   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、 前記流体温度検出体（２０）の配線パターンの両側に溝
   （２１）が形成されていることを特徴とするフローセン
   サ。
2. 【請求項２】 前記溝（２１）は、前記基板（１）の内
   部に達する深さのものであることを特徴とする請求項１
   に記載のフローセンサ。
3. 【請求項３】 前記基板（１）内に前記溝（２１）に連
   通する空洞部（２２）が形成されていることを特徴とす
   る請求項１に記載のフローセンサ。
4. 【請求項４】 基板（１）の一面側に、流体温度検出体
   （２０）および発熱体（４０）が配設され、前記流体温
   度検出体（２０）によって検出された温度に基づいて前
   記発熱体（４０）の温度が基準温度に設定されるように
   なっており、流体の流れによる前記発熱体（４０）の熱
   分布の変化に基づいて前記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）は、前記基板（１）に形成された第
   １の空洞部（１ａ）の上に配設され、 前記流体温度検出体（２０）は、前記基板（１）に形成
   された第２の空洞部（２２）の上に配設されていること
   を特徴とするフローセンサ。
5. 【請求項５】 前記第２の空洞部（２２）は、前記基板
   （１）の内部に形成されていることを特徴とする請求項
   ３記載のフローセンサ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし３のいずれか１つに記載
   のフローセンサを製造する方法であって、 前記基板（１）の一面側に、流体温度検出体（２０）お
   よび発熱体（４０）を配線パターンで形成する工程と、 前記流体温度検出体（２０）の配線パターンの両側に溝
   （２１）を形成する工程とを有することを特徴とするフ
   ローセンサの製造方法。
7. 【請求項７】 前記流体温度検出体（２０）の配線パタ
   ーンをマスクとして前記エッチングを行うことを特徴と
   する請求項６に記載のフローセンサの製造方法。
8. 【請求項８】 前記エッチングは異方性エッチングであ
   ることを特徴とする請求項６または７に記載のフローセ
   ンサの製造方法。
9. 【請求項９】 前記溝（２１）を形成した後、前記基板
   （１）の一面側から等方性エッチングを行って、前記溝
   （２１）に連通する空洞部（２２）を形成する工程を有
   することを特徴とする請求項８に記載のフローセンサの
   製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項４に記載のフローセンサを製造
    する方法であって、 前記基板（１）の一面側に、流体温度検出体（２０）お
    よび発熱体（４０）を形成する工程と、 前記基板（１）における前記発熱体（４０）の下に第１
    の空洞部（１ａ）を形成するとともに前記流体温度検出
    体（２０）の下に第２の空洞部（２２）を形成する工程
    とを有することを特徴とするフローセンサの製造方法。
11. 【請求項１１】 前記基板（１）に溝（２１）を形成し
    た後に、等方性エッチングを行って前記第２の空洞部
    （２２）を形成することを特徴とする請求項１０に記載
    のフローセンサの製造方法。
12. 【請求項１２】 前記基板（１）に溝（２１）を形成し
    た後に、異方性エッチングを行って前記第２の空洞部
    （２２）を形成することを特徴とする請求項１０に記載
    のフローセンサの製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項４に記載のフローセンサを製造
    する方法であって、 前記基板（１）の一面側に、流体温度検出体（２０）お
    よび発熱体（４０）を形成する工程と、 前記基板（１）の他面側から前記発熱体（４０）が形成
    された領域に第１の空洞部（１ａ）を形成すると同時に
    前記基板（１）の他面側から前記流体温度検出が形成さ
    れた領域に第２の空洞部（２２）を形成する工程とを有
    することを特徴とするフローセンサの製造方法。