JP3920247B2 - 感熱式流量検出素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する流量検出素子およびその製造方法に関し、特に発熱体を備え、該発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて該流体の流速ないしは流量を計測する流量センサに適用される感熱式流量検出素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量検出素子では、導体膜と絶縁膜とからなる薄膜層が基板の表面に形成され、空洞部が基板裏面側から薄膜層を残すように形成されて、薄膜層からなる薄膜部（検出部）が空洞部上に形成されている。そして、貫通孔が空洞部の形成されていない領域の基板裏面側から導体膜まで達するように形成され、導体が貫通孔の壁面に形成され、基板導体部が導体を介して導体膜に電気的に接続するように基板裏面に形成されている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３５７４６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の流量検出素子においては、検出部としての薄膜部が基板の表面に形成されているので、計測流体に曝される基板表面に凹凸が生じてしまう。これにより、薄膜部の表面における計測流体の流れに乱れが生じて、流量特性がばらついたり、長期の使用において、ダストが凹凸部に堆積して、薄膜部の表面を流れる計測流体の様相が変化したりして、流量検出特性が変動してしまうという課題があった。
【０００５】
また、貫通孔が基板裏面側から基板および絶縁膜を除去して導体膜まで達するように形成された後、導体を貫通孔の壁面および導体膜の露出面に形成しているので、導体と導体膜との接合部での密着力が低下したり、熱や電流により接合界面で反応が起こり、接合部の抵抗変化が生じてしまい、高い信頼性が得られないという課題があった。
また、基板表面側の導体膜から基板裏面側の基板導体部に至るように配線するために、貫通孔を基板裏面側から導体膜に至るように形成し、さらに導体を貫通孔の壁面および導体膜の露出面に形成する必要があり、製造工程が煩雑となるという課題もあった。
【０００６】
また、電極取り出し用の貫通孔を空洞部の形成領域を避けて基板に形成する必要があるので、貫通孔を形成するための領域が必要となり、流量検出素子の小型化が図れないという課題もあった。
また、空洞部に加えて貫通孔を形成しているので、基板の機械的強度が低下してしまい、ワイヤボンディング等による外部と基板導体部との接続工程で生じる基板へのストレスや流量検出素子の落下等により基板の損傷が発生しやすいという課題もあった。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、基材を貫通するように形成されたキャビティの表面側開口を塞口するように絶縁膜を形成し、キャビティ内に露出する絶縁膜の露出面に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成するようにし、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性が得られる感熱式流量検出素子およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明による感熱式流量検出素子は、平板状の基材と、上記基材の裏面から表面に貫通するように形成されたキャビティと、上記基材の裏面側から該基材の裏面および上記キャビティの壁面を覆い、該基材の表面側の上記キャビティの開口を塞口し、かつ該基材の表面と同一面位置となるように形成された絶縁膜と、上記キャビティの開口位置に形成された上記絶縁膜の部位に、上記基材の裏面側から形成された感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部と、上記発熱抵抗部から上記絶縁膜上を上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するように形成されたリードパターンと、を有するものである。
【００１０】
また、この発明による感熱式流量検出素子の製造方法は、平板状の基材の表面に保護膜を形成する工程と、上記基材の裏面側から上記保護膜に至るように該基材を除去してキャビティを形成する工程と、上記基材の裏面、上記キャビティの壁面および該キャビティ内に露出する上記保護膜の露出面に絶縁膜を形成する工程と、上記保護膜の露出面に形成された上記絶縁膜の部位に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成する工程とを有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す下面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す上面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。なお、図１では、裏面保護膜が省略されている。そして、図１乃至図３では、構成をわかりやすくするために、実際の寸法比で描かれていない。これは、以下の各図においても同様である。また、図２中、矢印２４は流量検出素子に対する計測流体の流れ方向を示している。
【００１３】
図１乃至図３において、基材１は、例えば矩形平板状に形成されたシリコン基板である。そして、熱酸化膜等からなる保護膜２ａが基材１の表面１ａの全面に形成されている。また、熱酸化膜等からなる保護膜２ｂが２つの矩形状の開口部を有するように基材１の裏面１ｂの全面に形成されている。そして、キャビティ９ａ、９ｂが保護膜２ｂの各開口部から保護膜２ａに至るように基材１を除去して形成されている。これらのキャビティ９ａ、９ｂは、基材１の長手方向に離間して設けられ、それぞれ基材１の表面１ａに直交する断面形状を台形形状に形成されている。さらに、窒化シリコン等からなる絶縁膜３が、基材１の裏面１ｂ側から、保護膜２ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および保護膜２ａの露出面を覆うように形成されている。
【００１４】
感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部４がキャビティ９ａ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成され、感熱抵抗膜からなる流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ｂ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成されている。そして、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の端部から、キャビティ９ａ、９ｂの壁面を通り、基材１の裏面１ｂに至るように絶縁膜３上に形成されている。さらに、窒化シリコン等で作製された絶縁性の裏面保護膜８が発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを覆うように絶縁膜３上に形成されている。
【００１５】
ここで、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを構成する感熱抵抗膜は、抵抗値が温度依存性を有する材料で作製された抵抗膜であり、例えば白金で作製された抵抗膜である。また、保護膜２ａ、絶縁膜３、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ａ上に構成されている。同様に、保護膜２ａ、絶縁膜３、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ｂ上に構成されている。
【００１６】
さらに、電極７ａ〜７ｄが、リードパターン６ａ〜６ｄの端部を露出させるように裏面保護膜８の一部を除去して形成されている。そして、電極７ａ〜７ｄと外部機器とがフリップチップボンディングやワイヤボンディング等の周知の技術により接続される。これにより、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５がリードパターン６ａ〜６ｄを介して外部機器と接続される。
【００１７】
つぎに、このように構成された流量検出素子１３の製造方法について図４および図５を参照しつつ説明する。
まず、図４の（ａ）に示されるように、（１００）結晶方位を有する矩形平板状のシリコン基板からなる基材１が用意され、基材１の表面１ａおよび裏面１ｂの全面に熱酸化膜が形成されている。ここで、基材１の厚さは例えば４００μｍであり、熱酸化膜の厚さは例えば０．５μｍである。そして、基材１の表面１ａに形成された熱酸化膜が保護膜２ａを構成し、裏面１ｂに形成された熱酸化膜が保護膜２ｂを構成している。
【００１８】
ついで、基材１の裏面１ｂに形成された保護膜２ｂの全面にレジストを塗布し、写真製版技術等を用いてレジストをパターニングし、レジストに矩形状の開口を形成する。そして、エッチングにより開口部から露出する保護膜２ｂを除去し、図４の（ｂ）に示されるように、矩形状のエッチングホール１２ａ、１２ｂを形成する。
【００１９】
ついで、例えばアルカリエッチングを施し、エッチングホール１２ａ、１２ｂから保護膜２ａに至るように基材１を除去する。これにより、図４の（ｃ）に示されるように、キャビティ９ａ、９ｂが形成される。ここで、エッチャントとしては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）、ＮａＯＨ等が用いられる。
【００２０】
ついで、レジストを除去し、基材１の裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、図４の（ｄ）に示されるように、絶縁膜３を形成する。
さらに、図５の（ａ）に示されるように、基材１の裏面側から絶縁膜３の全面に、蒸着或いはスパッタ等の方法を用いて白金を例えば０．２μｍの厚さに成膜する。
【００２１】
ついで、スプレーコート等によりレジストを基材１の裏面側の白金膜の全面に塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングする。これにより、図５の（ｂ）に示されるように、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成される。
そして、レジストを除去し、基材１の裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、図５の（ｃ）に示されるように、裏面保護膜８を形成する。
ついで、裏面保護膜８の全面にレジストを塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、裏面保護膜８の一部を除去する。これにより、図５の（ｄ）に示されるように、基材１の裏面１ｂ上に位置するリードパターン６ａ〜６ｄの端部が露出し、電極７ａ〜７ｄが形成される。
【００２２】
このようにして、保護膜２ａ、絶縁膜３、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ａ上に構成され、保護膜２ａ、絶縁膜３、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ｂ上に構成される。そして、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂは例えば１．５ｍｍ×２．０ｍｍの大きさに形成され、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５はダイヤフラム１０ａ、１０ｂの中央部に、例えば０．８ｍｍ×１．０ｍｍの大きさに形成されている。
【００２３】
つぎに、このように作製された流量検出素子１３を用いた流量センサ１００の構成について、図６および図７を参照しつつ説明する。図６はこの発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサを示す正面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。なお、図７中、矢印２４は流量検出素子に対する計測流体の流れ方向を示している。
図６および図７において、流量センサ１００は、計測流体の通路となる主通路２０と、主通路２０と同軸的に配設された検出管路２１と、制御回路基板３０が収容されたケース２２と、流量センサ１００に電力を供給し且つ出力を取り出すためのコネクタ２３と、検出管路２１内に配設された流量検出素子１３とから構成されている。そして、流量検出素子１３のリードパターン６ａ〜６ｄと制御回路基板３０とがリード線３１により電気的に接続されている。
【００２４】
流量検出素子１３は、その基材１の表面が計測流体の流れ方向２４と平行となるように且つ基材１の表面が計測流体に曝されるように検出管路２１内に配設されている。
【００２５】
この流量センサ１００における制御回路４０は、図８に示されるように、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５を含むブリッジ回路４１となっている。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は固定抵抗、ＯＰ１は演算増幅器、ＴＲ１はトランジスタ、ＢＡＴＴは電源である。なお、流体温度測温抵抗部５と発熱抵抗部４とを除く制御回路は、制御回路基板３０上に実装されている。
【００２６】
そして、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５はそれぞれダイヤフラム１０ａ、１０ｂに構成されているので、発熱抵抗部４で発生した熱は、流体温度測温抵抗部５まで伝達されない。また、流体温度測温抵抗部５は発熱抵抗部４の下流側に位置していないので、流体温度測温抵抗部５は発熱抵抗部４からの熱伝達により暖められた計測流体に曝されない。そこで、流体温度測温抵抗部５で検出される温度は、計測流体の温度とほぼ等しくなっている。
制御回路４０は、図８中のＰ１点とＰ２点との電位を略等しくするように働き、発熱抵抗部４の加熱電流ＩＨを制御する。そして、計測流体の流速が速くなると、発熱抵抗部４から計測流体への熱伝達が多くなるため、発熱抵抗部４の温度が低下する。そこで、発熱抵抗部４の平均温度が所定の値を保つように、即ち平均温度が計測流体の温度より所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い値を保つように加熱電流ＩＨが増加される。この加熱電流ＩＨを抵抗Ｒ２の両端で電圧Ｖｏｕｔとして検出すると、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路を流れる流量が検出できる。
【００２７】
ここで、発熱抵抗部４の抵抗値をＲＨ、発熱抵抗部４の平均温度をＴＨ、計測流体温度をＴＡ、所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量Ｑとすると、式（１）が成り立つ。
ＩＨ２×ＲＨ＝（ａ＋ｂ×Ｑｎ）×（ＴＨ−ＴＡ） ・・・（１）
但し、ａ、ｂ、ｎは流量検出素子の形態によって決まる定数である。
ａは流量に依存しない熱量に相当する係数であり、その大部分は発熱抵抗部４から基材１へ伝わる熱伝導損失である。一方、ｂは強制対流熱伝達に相当する係数である。ｎは発熱抵抗部４近傍の流れの様相によって決まる値であり、その値は０．５程度となる。式（１）より明らかなように、ａの係数に相当する熱量は流量検出に寄与しない。
そこで、（ＴＨ−ＴＡ）／ＲＨをＴＡに拘わらず一定とすることにより、ＩＨはＱの関数となる。そして、ＩＨに相当する出力が流量センサの検出流量出力となる。
【００２８】
この実施の形態１によれば、保護膜２ａが基材１の表面１ａの全面に形成されており、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５が、キャビティ９ａ、９ｂ内に露出する保護膜２ａの露出面上に被覆されている絶縁膜３の部位に形成されているので、計測流体の流れに曝される基材１の表面に凹凸がなくなり、計測流体の流れの乱れや、基材１の表面へのダストの堆積が生じず、流量特性を安定化させることができる。
【００２９】
また、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５からキャビティ９ａ、９ｂの壁面を通って基材１の裏面１ｂ上に延出するように形成されているので、従来技術で設けられていた電極取り出し用の貫通孔が不要となり、流量検出素子の小型化が実現できる。さらに、貫通孔を設けることに起因する流量検出素子の機械的強度の低下がないので、ワイヤボンディング等の接続工程でのストレスや流量検出素子の落下に起因する基材の損傷の発生を低下させることができる。さらにまた、リードパターン６ａ〜６ｄが基材１の表面側に露出していないので、リードパターン６ａ〜６ｄは基材１により計測流体に対して保護されており、リードパターン６ａ〜６ｄの異物等によるカバレッジの欠陥がなく、信頼性を向上させることができる。
【００３０】
また、発熱抵抗部４とリードパターン６ａ、６ｂとが同一の感熱抵抗膜で一体に形成され、流体温度測温抵抗部５とリードパターン６ｃ、６ｄとが同一の感熱抵抗膜で一体に形成されているので、従来技術で発生していた導体部と導体との接合部における密着力低下や抵抗変化の問題はなく、高い信頼性が得られる。
また、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂが保護膜２ａを有しているので、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂの機械的強度が大きくなり、耐久性が向上される。
【００３１】
また、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ａ、９ｂ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成されている。そして、基材１が除去されて露出した保護膜２ａの面には異物の付着もないので、保護膜２ａの露出面に形成される絶縁膜３には凹凸が形成されにくい。そこで、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５は凹凸のない絶縁膜３上に形成されることになり、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の凹凸に起因する抵抗値ばらつきが低減され、検出精度が高められる。一方、基材１の表面１ａに形成された保護膜２ａの表面に発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５を形成する場合、基材１の表面１ａに異物が付着しやすく、表面１ａ上に形成される保護膜には異物による凹凸が形成されてしまう。その結果、保護膜の表面に形成される発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５にも凹凸が形成されてしまい、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の凹凸に起因する抵抗値ばらつきが生じ、検出精度の低下をもたらすことになる。
【００３２】
また、基材１の裏面側から保護膜２ａに至るようにキャビティ９ａ、９ｂを形成し、基材１の裏面１ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および保護膜２ａの露出面に絶縁膜３を被覆形成し、ついで、感熱抵抗膜を絶縁膜３上に被覆形成した後、感熱抵抗膜をパターニングして、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを形成しているので、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成でき、貫通孔を形成する工程や貫通孔内に導体を形成する工程が必要なくなり、流量検出素子１３を容易に安価に製造することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態１では、基材１の両面（表面１ａおよび裏面１ｂ）に保護膜２ａ、２ｂを形成した流量検出素子１３について説明しているが、保護膜２ａ、２ｂは、キャビティ９ａ、９ｂを形成するためのマスクとして機能すればよく、材料や成膜方法は上記実施の形態で実施したものに限定されない。例えば、保護膜２ａ、２ｂとして、エッチャントに耐える材料のテープを貼り付けもよい。
【００３４】
また、保護膜２ａ、２ｂが、物性的に流量検出性能を悪化させるような材料や、応力が高くダスト強度を低下させるような材料である場合には、保護膜２ａ、２ｂを除去してもよい。例えば、保護膜２ａ、２ｂが熱酸化膜の場合、保護膜２ｂは、図４（ｃ）の工程後、保護膜２ａは、図４の（ｄ）の工程の後、バッファード弗酸を用いたエッチングにより除去することができる。ここで、保護膜２ａを除去した場合においても、絶縁膜３は基材１の表面１ａと同一面位置となってキャビティ９ａ、９ｂの表面側の開口を塞口しているので、計測流体の流れに曝される基材１の表面に凹凸がなくなり、流量特性を安定化させることができる。
【００３５】
また、上記実施の形態１では、基材１としてシリコン基板を用いるものとして説明しているが、基材１の材料は特に限定されるものではなく、例えばアルミナ基板やガラス基板を用いてもよい。
【００３６】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
図９において、基材１Ａは、例えば矩形平板状に形成されたアルミナ基板である。そして、窒化シリコン膜等からなる絶縁膜３ａが基材１Ａの表面１ａの全面に形成されている。また、窒化シリコン膜等からなる保護膜３ｂが２つの矩形状の開口部を有するように基材１Ａの裏面１ｂの全面に形成されている。そして、キャビティ９ａ、９ｂが保護膜３ｂの各開口部から絶縁膜３ａに至るように基材１Ａを除去して形成されている。
【００３７】
白金等の感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部４がキャビティ９ａ内の絶縁膜３ａの露出面上に形成され、白金等の感熱抵抗膜からなる流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ｂ内の絶縁膜３ａの露出面上に形成されている。そして、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の端部から、キャビティ９ａ、９ｂの壁面を通り、基材１Ａの裏面１ｂに至るように形成されている。さらに、窒化シリコン等で作製された絶縁性の裏面保護膜８が発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを覆うように形成されている。
さらに、電極７ａ〜７ｄが、リードパターン６ａ〜６ｄの端部を露出させるように裏面保護膜８の一部を除去して形成されている。
【００３８】
ここで、絶縁膜３ａ、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１Ａに支持されてキャビティ９ａ上に構成されている。同様に、絶縁膜３ａ、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１Ａに支持されてキャビティ９ｂ上に構成されている。
【００３９】
つぎに、このように構成された流量検出素子１３Ａの製造方法について説明する。
まず、矩形平板状のアルミナ基板からなる基材１Ａが用意され、基材１Ａの表面１ａおよび裏面１ｂの全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜する。そして、基材１Ａの表面１ａに形成された窒化シリコン膜が絶縁膜３ａを構成し、裏面１ｂに形成された窒化シリコン膜が保護膜３ｂを構成している。
【００４０】
ついで、基材１Ａの裏面１ｂに形成された保護膜３ｂの全面にレジストを塗布し、写真製版技術等を用いてレジストをパターニングし、レジストに矩形状の開口を形成する。そして、エッチングにより開口部から露出する保護膜３ｂを除去し、矩形状のエッチングホールを形成する。
ついで、エッチングにより、エッチングホールから絶縁膜３ａに至るように基材１Ａを除去し、キャビティ９ａ、９ｂを形成する。
【００４１】
ついで、レジストを除去し、基材１Ａの裏面側から基材１Ａの裏面１ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および絶縁膜３ａの露出面に、蒸着或いはスパッタ等の方法を用いて白金を例えば０．２μｍの厚さに成膜する。
ついで、スプレーコート等によりレジストを基材１Ａの裏面側の白金膜の全面に塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングする。これにより、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成される。
そして、レジストを除去し、基材１Ａの裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、裏面保護膜８を形成する。
さらに、裏面保護膜８の全面にレジストを塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、裏面保護膜８の一部を除去する。これにより、基材１Ａの裏面１ｂ上に位置するリードパターン６ａ〜６ｄの端部が露出し、電極７ａ〜７ｄが形成される。
【００４２】
このように、この実施の形態２においても、基材１Ａの表面１ａの全面に絶縁膜３ａが形成され、計測流体に曝される基材１Ａの表面に凹凸がなく、またリードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５からキャビティ９ａ、９ｂの壁面を通って基材１Ａの裏面１ｂ上に延出するように形成されているので、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
また、この実施の形態２によれば、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５が基材１Ａの表面１ａに形成された絶縁膜３ａのキャビティ９ａ、９ｂ内の露出面に直接形成されているので、上記実施の形態１に比べて、製造工程の簡素化が図られる。
【００４４】
なお、上記各実施の形態では、直接加熱制御方式について説明しているが、ここでは図示しないが、ダイヤフラム構造を有する感熱式流量検出素子、例えば発熱抵抗部の上下流に測温抵抗部を配置する温度差検出方式や２つの発熱抵抗部を有するダブルヒーター方式についても同じである。
【００４５】
また、上記各実施の形態では、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを構成する感熱抵抗膜を覆うように裏面保護膜８を形成して、水が基材１の裏面１ｂ側に浸入した際に、感熱抵抗膜における電気分解の発生を防止している。しかし、基材１の裏面１ｂ側が計測流体に曝されず、防水構造を持つ流量センサに感熱流量検出素子を用いる場合には、必ずしも裏面保護膜８を形成する必要はない。
【００４６】
また、上記各実施の形態では、絶縁膜３、３ａとして窒化シリコン膜を用いるものとして説明しているが、絶縁膜３、３ａは窒化シリコン膜に限定されるものではなく、例えばＰＳＧ膜（Phosphorous Silicate Glass）等のシリコン酸化膜やアルミナ膜を用いることができる。
また、上記各実施の形態では、感熱抵抗膜として白金を用いるものとしているが、感熱抵抗膜は白金に限定されるものではなく、例えはニッケル、パーマロイを用いることができる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明によれば、平板状の基材と、上記基材の裏面から表面に貫通するように形成されたキャビティと、上記基材の裏面側から該基材の裏面および上記キャビティの壁面を覆い、該基材の表面側の上記キャビティの開口を塞口し、かつ該基材の表面と同一面位置となるように形成された絶縁膜と、上記キャビティの開口位置に形成された上記絶縁膜の部位に、上記基材の裏面側から形成された感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部と、上記発熱抵抗部から上記絶縁膜上を上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するように形成されたリードパターンと、を有するので、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性を有する感熱式流量検出素子が得られる。
【００４９】
また、この発明によれば、平板状の基材の表面に保護膜を形成する工程と、上記基材の裏面側から上記保護膜に至るように該基材を除去してキャビティを形成する工程と、上記基材の裏面、上記キャビティの壁面および該キャビティ内に露出する上記保護膜の露出面に絶縁膜を形成する工程と、上記保護膜の露出面に形成された上記絶縁膜の部位に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成する工程とを有するので、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性を有する感熱式流量検出素子の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す下面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す上面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサを示す正面図である。
【図７】 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサにおける制御回路を示す回路図である。
【図９】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ 基材、２ａ 保護膜、３、３ａ 絶縁膜、４ 発熱抵抗部、６ａ、６ｂ リードパターン、９ａ、９ｂ キャビティ、１０ａ ダイヤフラム、１３、１３Ａ 流量検出素子。
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する流量検出素子およびその製造方法に関し、特に発熱体を備え、該発熱体あるいは発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて該流体の流速ないしは流量を計測する流量センサに適用される感熱式流量検出素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量検出素子では、導体膜と絶縁膜とからなる薄膜層が基板の表面に形成され、空洞部が基板裏面側から薄膜層を残すように形成されて、薄膜層からなる薄膜部（検出部）が空洞部上に形成されている。そして、貫通孔が空洞部の形成されていない領域の基板裏面側から導体膜まで達するように形成され、導体が貫通孔の壁面に形成され、基板導体部が導体を介して導体膜に電気的に接続するように基板裏面に形成されている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３５７４６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の流量検出素子においては、検出部としての薄膜部が基板の表面に形成されているので、計測流体に曝される基板表面に凹凸が生じてしまう。これにより、薄膜部の表面における計測流体の流れに乱れが生じて、流量特性がばらついたり、長期の使用において、ダストが凹凸部に堆積して、薄膜部の表面を流れる計測流体の様相が変化したりして、流量検出特性が変動してしまうという課題があった。
【０００５】
また、貫通孔が基板裏面側から基板および絶縁膜を除去して導体膜まで達するように形成された後、導体を貫通孔の壁面および導体膜の露出面に形成しているので、導体と導体膜との接合部での密着力が低下したり、熱や電流により接合界面で反応が起こり、接合部の抵抗変化が生じてしまい、高い信頼性が得られないという課題があった。
また、基板表面側の導体膜から基板裏面側の基板導体部に至るように配線するために、貫通孔を基板裏面側から導体膜に至るように形成し、さらに導体を貫通孔の壁面および導体膜の露出面に形成する必要があり、製造工程が煩雑となるという課題もあった。
【０００６】
また、電極取り出し用の貫通孔を空洞部の形成領域を避けて基板に形成する必要があるので、貫通孔を形成するための領域が必要となり、流量検出素子の小型化が図れないという課題もあった。
また、空洞部に加えて貫通孔を形成しているので、基板の機械的強度が低下してしまい、ワイヤボンディング等による外部と基板導体部との接続工程で生じる基板へのストレスや流量検出素子の落下等により基板の損傷が発生しやすいという課題もあった。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、基材を貫通するように形成されたキャビティの表面側開口を塞口するように絶縁膜を形成し、キャビティ内に露出する絶縁膜の露出面に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成するようにし、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性が得られる感熱式流量検出素子およびその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明による感熱式流量検出素子は、平板状の基材と、上記基材の裏面から表面に貫通するように形成されたキャビティと、上記基材の裏面側から該基材の裏面および上記キャビティの壁面を覆い、該基材の表面側の上記キャビティの開口を塞口し、かつ該基材の表面と同一面位置となるように形成された絶縁膜と、上記キャビティの開口位置に形成された上記絶縁膜の部位に、上記基材の裏面側から形成された感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部と、上記発熱抵抗部から上記絶縁膜上を上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するように形成されたリードパターンと、を有するものである。
【００１０】
また、この発明による感熱式流量検出素子の製造方法は、平板状の基材の表面に保護膜を形成する工程と、上記基材の裏面側から上記保護膜に至るように該基材を除去してキャビティを形成する工程と、上記基材の裏面、上記キャビティの壁面および該キャビティ内に露出する上記保護膜の露出面に絶縁膜を形成する工程と、上記保護膜の露出面に形成された上記絶縁膜の部位に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成する工程とを有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す下面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す上面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。なお、図１では、裏面保護膜が省略されている。そして、図１乃至図３では、構成をわかりやすくするために、実際の寸法比で描かれていない。これは、以下の各図においても同様である。また、図２中、矢印２４は流量検出素子に対する計測流体の流れ方向を示している。
【００１３】
図１乃至図３において、基材１は、例えば矩形平板状に形成されたシリコン基板である。そして、熱酸化膜等からなる保護膜２ａが基材１の表面１ａの全面に形成されている。また、熱酸化膜等からなる保護膜２ｂが２つの矩形状の開口部を有するように基材１の裏面１ｂの全面に形成されている。そして、キャビティ９ａ、９ｂが保護膜２ｂの各開口部から保護膜２ａに至るように基材１を除去して形成されている。これらのキャビティ９ａ、９ｂは、基材１の長手方向に離間して設けられ、それぞれ基材１の表面１ａに直交する断面形状を台形形状に形成されている。さらに、窒化シリコン等からなる絶縁膜３が、基材１の裏面１ｂ側から、保護膜２ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および保護膜２ａの露出面を覆うように形成されている。
【００１４】
感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部４がキャビティ９ａ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成され、感熱抵抗膜からなる流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ｂ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成されている。そして、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の端部から、キャビティ９ａ、９ｂの壁面を通り、基材１の裏面１ｂに至るように絶縁膜３上に形成されている。さらに、窒化シリコン等で作製された絶縁性の裏面保護膜８が発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを覆うように絶縁膜３上に形成されている。
【００１５】
ここで、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを構成する感熱抵抗膜は、抵抗値が温度依存性を有する材料で作製された抵抗膜であり、例えば白金で作製された抵抗膜である。また、保護膜２ａ、絶縁膜３、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ａ上に構成されている。同様に、保護膜２ａ、絶縁膜３、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ｂ上に構成されている。
【００１６】
さらに、電極７ａ〜７ｄが、リードパターン６ａ〜６ｄの端部を露出させるように裏面保護膜８の一部を除去して形成されている。そして、電極７ａ〜７ｄと外部機器とがフリップチップボンディングやワイヤボンディング等の周知の技術により接続される。これにより、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５がリードパターン６ａ〜６ｄを介して外部機器と接続される。
【００１７】
つぎに、このように構成された流量検出素子１３の製造方法について図４および図５を参照しつつ説明する。
まず、図４の（ａ）に示されるように、（１００）結晶方位を有する矩形平板状のシリコン基板からなる基材１が用意され、基材１の表面１ａおよび裏面１ｂの全面に熱酸化膜が形成されている。ここで、基材１の厚さは例えば４００μｍであり、熱酸化膜の厚さは例えば０．５μｍである。そして、基材１の表面１ａに形成された熱酸化膜が保護膜２ａを構成し、裏面１ｂに形成された熱酸化膜が保護膜２ｂを構成している。
【００１８】
ついで、基材１の裏面１ｂに形成された保護膜２ｂの全面にレジストを塗布し、写真製版技術等を用いてレジストをパターニングし、レジストに矩形状の開口を形成する。そして、エッチングにより開口部から露出する保護膜２ｂを除去し、図４の（ｂ）に示されるように、矩形状のエッチングホール１２ａ、１２ｂを形成する。
【００１９】
ついで、例えばアルカリエッチングを施し、エッチングホール１２ａ、１２ｂから保護膜２ａに至るように基材１を除去する。これにより、図４の（ｃ）に示されるように、キャビティ９ａ、９ｂが形成される。ここで、エッチャントとしては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）、ＮａＯＨ等が用いられる。
【００２０】
ついで、レジストを除去し、基材１の裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、図４の（ｄ）に示されるように、絶縁膜３を形成する。
さらに、図５の（ａ）に示されるように、基材１の裏面側から絶縁膜３の全面に、蒸着或いはスパッタ等の方法を用いて白金を例えば０．２μｍの厚さに成膜する。
【００２１】
ついで、スプレーコート等によりレジストを基材１の裏面側の白金膜の全面に塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングする。これにより、図５の（ｂ）に示されるように、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成される。
そして、レジストを除去し、基材１の裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、図５の（ｃ）に示されるように、裏面保護膜８を形成する。
ついで、裏面保護膜８の全面にレジストを塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、裏面保護膜８の一部を除去する。これにより、図５の（ｄ）に示されるように、基材１の裏面１ｂ上に位置するリードパターン６ａ〜６ｄの端部が露出し、電極７ａ〜７ｄが形成される。
【００２２】
このようにして、保護膜２ａ、絶縁膜３、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ａ上に構成され、保護膜２ａ、絶縁膜３、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１に支持されてキャビティ９ｂ上に構成される。そして、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂは例えば１．５ｍｍ×２．０ｍｍの大きさに形成され、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５はダイヤフラム１０ａ、１０ｂの中央部に、例えば０．８ｍｍ×１．０ｍｍの大きさに形成されている。
【００２３】
つぎに、このように作製された流量検出素子１３を用いた流量センサ１００の構成について、図６および図７を参照しつつ説明する。図６はこの発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサを示す正面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。なお、図７中、矢印２４は流量検出素子に対する計測流体の流れ方向を示している。
図６および図７において、流量センサ１００は、計測流体の通路となる主通路２０と、主通路２０と同軸的に配設された検出管路２１と、制御回路基板３０が収容されたケース２２と、流量センサ１００に電力を供給し且つ出力を取り出すためのコネクタ２３と、検出管路２１内に配設された流量検出素子１３とから構成されている。そして、流量検出素子１３のリードパターン６ａ〜６ｄと制御回路基板３０とがリード線３１により電気的に接続されている。
【００２４】
流量検出素子１３は、その基材１の表面が計測流体の流れ方向２４と平行となるように且つ基材１の表面が計測流体に曝されるように検出管路２１内に配設されている。
【００２５】
この流量センサ１００における制御回路４０は、図８に示されるように、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５を含むブリッジ回路４１となっている。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は固定抵抗、ＯＰ１は演算増幅器、ＴＲ１はトランジスタ、ＢＡＴＴは電源である。なお、流体温度測温抵抗部５と発熱抵抗部４とを除く制御回路は、制御回路基板３０上に実装されている。
【００２６】
そして、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５はそれぞれダイヤフラム１０ａ、１０ｂに構成されているので、発熱抵抗部４で発生した熱は、流体温度測温抵抗部５まで伝達されない。また、流体温度測温抵抗部５は発熱抵抗部４の下流側に位置していないので、流体温度測温抵抗部５は発熱抵抗部４からの熱伝達により暖められた計測流体に曝されない。そこで、流体温度測温抵抗部５で検出される温度は、計測流体の温度とほぼ等しくなっている。
制御回路４０は、図８中のＰ１点とＰ２点との電位を略等しくするように働き、発熱抵抗部４の加熱電流ＩＨを制御する。そして、計測流体の流速が速くなると、発熱抵抗部４から計測流体への熱伝達が多くなるため、発熱抵抗部４の温度が低下する。そこで、発熱抵抗部４の平均温度が所定の値を保つように、即ち平均温度が計測流体の温度より所定温度（例えば、１００ｄｅｇ）だけ高い値を保つように加熱電流ＩＨが増加される。この加熱電流ＩＨを抵抗Ｒ２の両端で電圧Ｖｏｕｔとして検出すると、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路を流れる流量が検出できる。
【００２７】
ここで、発熱抵抗部４の抵抗値をＲＨ、発熱抵抗部４の平均温度をＴＨ、計測流体温度をＴＡ、所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量Ｑとすると、式（１）が成り立つ。
ＩＨ２×ＲＨ＝（ａ＋ｂ×Ｑｎ）×（ＴＨ−ＴＡ） ・・・（１）
但し、ａ、ｂ、ｎは流量検出素子の形態によって決まる定数である。
ａは流量に依存しない熱量に相当する係数であり、その大部分は発熱抵抗部４から基材１へ伝わる熱伝導損失である。一方、ｂは強制対流熱伝達に相当する係数である。ｎは発熱抵抗部４近傍の流れの様相によって決まる値であり、その値は０．５程度となる。式（１）より明らかなように、ａの係数に相当する熱量は流量検出に寄与しない。
そこで、（ＴＨ−ＴＡ）／ＲＨをＴＡに拘わらず一定とすることにより、ＩＨはＱの関数となる。そして、ＩＨに相当する出力が流量センサの検出流量出力となる。
【００２８】
この実施の形態１によれば、保護膜２ａが基材１の表面１ａの全面に形成されており、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５が、キャビティ９ａ、９ｂ内に露出する保護膜２ａの露出面上に被覆されている絶縁膜３の部位に形成されているので、計測流体の流れに曝される基材１の表面に凹凸がなくなり、計測流体の流れの乱れや、基材１の表面へのダストの堆積が生じず、流量特性を安定化させることができる。
【００２９】
また、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５からキャビティ９ａ、９ｂの壁面を通って基材１の裏面１ｂ上に延出するように形成されているので、従来技術で設けられていた電極取り出し用の貫通孔が不要となり、流量検出素子の小型化が実現できる。さらに、貫通孔を設けることに起因する流量検出素子の機械的強度の低下がないので、ワイヤボンディング等の接続工程でのストレスや流量検出素子の落下に起因する基材の損傷の発生を低下させることができる。さらにまた、リードパターン６ａ〜６ｄが基材１の表面側に露出していないので、リードパターン６ａ〜６ｄは基材１により計測流体に対して保護されており、リードパターン６ａ〜６ｄの異物等によるカバレッジの欠陥がなく、信頼性を向上させることができる。
【００３０】
また、発熱抵抗部４とリードパターン６ａ、６ｂとが同一の感熱抵抗膜で一体に形成され、流体温度測温抵抗部５とリードパターン６ｃ、６ｄとが同一の感熱抵抗膜で一体に形成されているので、従来技術で発生していた導体部と導体との接合部における密着力低下や抵抗変化の問題はなく、高い信頼性が得られる。
また、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂが保護膜２ａを有しているので、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂの機械的強度が大きくなり、耐久性が向上される。
【００３１】
また、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ａ、９ｂ内の保護膜２ａの露出面に形成された絶縁膜３上に形成されている。そして、基材１が除去されて露出した保護膜２ａの面には異物の付着もないので、保護膜２ａの露出面に形成される絶縁膜３には凹凸が形成されにくい。そこで、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５は凹凸のない絶縁膜３上に形成されることになり、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の凹凸に起因する抵抗値ばらつきが低減され、検出精度が高められる。一方、基材１の表面１ａに形成された保護膜２ａの表面に発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５を形成する場合、基材１の表面１ａに異物が付着しやすく、表面１ａ上に形成される保護膜には異物による凹凸が形成されてしまう。その結果、保護膜の表面に形成される発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５にも凹凸が形成されてしまい、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の凹凸に起因する抵抗値ばらつきが生じ、検出精度の低下をもたらすことになる。
【００３２】
また、基材１の裏面側から保護膜２ａに至るようにキャビティ９ａ、９ｂを形成し、基材１の裏面１ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および保護膜２ａの露出面に絶縁膜３を被覆形成し、ついで、感熱抵抗膜を絶縁膜３上に被覆形成した後、感熱抵抗膜をパターニングして、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを形成しているので、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成でき、貫通孔を形成する工程や貫通孔内に導体を形成する工程が必要なくなり、流量検出素子１３を容易に安価に製造することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態１では、基材１の両面（表面１ａおよび裏面１ｂ）に保護膜２ａ、２ｂを形成した流量検出素子１３について説明しているが、保護膜２ａ、２ｂは、キャビティ９ａ、９ｂを形成するためのマスクとして機能すればよく、材料や成膜方法は上記実施の形態で実施したものに限定されない。例えば、保護膜２ａ、２ｂとして、エッチャントに耐える材料のテープを貼り付けもよい。
【００３４】
また、保護膜２ａ、２ｂが、物性的に流量検出性能を悪化させるような材料や、応力が高くダスト強度を低下させるような材料である場合には、保護膜２ａ、２ｂを除去してもよい。例えば、保護膜２ａ、２ｂが熱酸化膜の場合、保護膜２ｂは、図４（ｃ）の工程後、保護膜２ａは、図４の（ｄ）の工程の後、バッファード弗酸を用いたエッチングにより除去することができる。ここで、保護膜２ａを除去した場合においても、絶縁膜３は基材１の表面１ａと同一面位置となってキャビティ９ａ、９ｂの表面側の開口を塞口しているので、計測流体の流れに曝される基材１の表面に凹凸がなくなり、流量特性を安定化させることができる。
【００３５】
また、上記実施の形態１では、基材１としてシリコン基板を用いるものとして説明しているが、基材１の材料は特に限定されるものではなく、例えばアルミナ基板やガラス基板を用いてもよい。
【００３６】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
図９において、基材１Ａは、例えば矩形平板状に形成されたアルミナ基板である。そして、窒化シリコン膜等からなる絶縁膜３ａが基材１Ａの表面１ａの全面に形成されている。また、窒化シリコン膜等からなる保護膜３ｂが２つの矩形状の開口部を有するように基材１Ａの裏面１ｂの全面に形成されている。そして、キャビティ９ａ、９ｂが保護膜３ｂの各開口部から絶縁膜３ａに至るように基材１Ａを除去して形成されている。
【００３７】
白金等の感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部４がキャビティ９ａ内の絶縁膜３ａの露出面上に形成され、白金等の感熱抵抗膜からなる流体温度測温抵抗部５がキャビティ９ｂ内の絶縁膜３ａの露出面上に形成されている。そして、リードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５の端部から、キャビティ９ａ、９ｂの壁面を通り、基材１Ａの裏面１ｂに至るように形成されている。さらに、窒化シリコン等で作製された絶縁性の裏面保護膜８が発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを覆うように形成されている。
さらに、電極７ａ〜７ｄが、リードパターン６ａ〜６ｄの端部を露出させるように裏面保護膜８の一部を除去して形成されている。
【００３８】
ここで、絶縁膜３ａ、発熱抵抗部４および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ａが、周囲を基材１Ａに支持されてキャビティ９ａ上に構成されている。同様に、絶縁膜３ａ、流体温度測温抵抗部５および裏面保護膜８を積層してなる薄肉のダイヤフラム１０ｂが、周囲を基材１Ａに支持されてキャビティ９ｂ上に構成されている。
【００３９】
つぎに、このように構成された流量検出素子１３Ａの製造方法について説明する。
まず、矩形平板状のアルミナ基板からなる基材１Ａが用意され、基材１Ａの表面１ａおよび裏面１ｂの全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜する。そして、基材１Ａの表面１ａに形成された窒化シリコン膜が絶縁膜３ａを構成し、裏面１ｂに形成された窒化シリコン膜が保護膜３ｂを構成している。
【００４０】
ついで、基材１Ａの裏面１ｂに形成された保護膜３ｂの全面にレジストを塗布し、写真製版技術等を用いてレジストをパターニングし、レジストに矩形状の開口を形成する。そして、エッチングにより開口部から露出する保護膜３ｂを除去し、矩形状のエッチングホールを形成する。
ついで、エッチングにより、エッチングホールから絶縁膜３ａに至るように基材１Ａを除去し、キャビティ９ａ、９ｂを形成する。
【００４１】
ついで、レジストを除去し、基材１Ａの裏面側から基材１Ａの裏面１ｂ、キャビティ９ａ、９ｂの壁面および絶縁膜３ａの露出面に、蒸着或いはスパッタ等の方法を用いて白金を例えば０．２μｍの厚さに成膜する。
ついで、スプレーコート等によりレジストを基材１Ａの裏面側の白金膜の全面に塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、白金膜をパターニングする。これにより、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄが同時に形成される。
そして、レジストを除去し、基材１Ａの裏面側から全面に、スパッタ或いはＣＶＤ等の方法を用いて窒化シリコンを例えば１．０μｍの厚さに成膜し、裏面保護膜８を形成する。
さらに、裏面保護膜８の全面にレジストを塗布し、写真製版、ウエットエッチング（或いはドライエッチング）等の方法を用いて、裏面保護膜８の一部を除去する。これにより、基材１Ａの裏面１ｂ上に位置するリードパターン６ａ〜６ｄの端部が露出し、電極７ａ〜７ｄが形成される。
【００４２】
このように、この実施の形態２においても、基材１Ａの表面１ａの全面に絶縁膜３ａが形成され、計測流体に曝される基材１Ａの表面に凹凸がなく、またリードパターン６ａ〜６ｄが発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５からキャビティ９ａ、９ｂの壁面を通って基材１Ａの裏面１ｂ上に延出するように形成されているので、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４３】
また、この実施の形態２によれば、発熱抵抗部４および流体温度測温抵抗部５が基材１Ａの表面１ａに形成された絶縁膜３ａのキャビティ９ａ、９ｂ内の露出面に直接形成されているので、上記実施の形態１に比べて、製造工程の簡素化が図られる。
【００４４】
なお、上記各実施の形態では、直接加熱制御方式について説明しているが、ここでは図示しないが、ダイヤフラム構造を有する感熱式流量検出素子、例えば発熱抵抗部の上下流に測温抵抗部を配置する温度差検出方式や２つの発熱抵抗部を有するダブルヒーター方式についても同じである。
【００４５】
また、上記各実施の形態では、発熱抵抗部４、流体温度測温抵抗部５およびリードパターン６ａ〜６ｄを構成する感熱抵抗膜を覆うように裏面保護膜８を形成して、水が基材１の裏面１ｂ側に浸入した際に、感熱抵抗膜における電気分解の発生を防止している。しかし、基材１の裏面１ｂ側が計測流体に曝されず、防水構造を持つ流量センサに感熱流量検出素子を用いる場合には、必ずしも裏面保護膜８を形成する必要はない。
【００４６】
また、上記各実施の形態では、絶縁膜３、３ａとして窒化シリコン膜を用いるものとして説明しているが、絶縁膜３、３ａは窒化シリコン膜に限定されるものではなく、例えばＰＳＧ膜（Phosphorous Silicate Glass）等のシリコン酸化膜やアルミナ膜を用いることができる。
また、上記各実施の形態では、感熱抵抗膜として白金を用いるものとしているが、感熱抵抗膜は白金に限定されるものではなく、例えはニッケル、パーマロイを用いることができる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明によれば、平板状の基材と、上記基材の裏面から表面に貫通するように形成されたキャビティと、上記基材の裏面側から該基材の裏面および上記キャビティの壁面を覆い、該基材の表面側の上記キャビティの開口を塞口し、かつ該基材の表面と同一面位置となるように形成された絶縁膜と、上記キャビティの開口位置に形成された上記絶縁膜の部位に、上記基材の裏面側から形成された感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部と、上記発熱抵抗部から上記絶縁膜上を上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するように形成されたリードパターンと、を有するので、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性を有する感熱式流量検出素子が得られる。
【００４９】
また、この発明によれば、平板状の基材の表面に保護膜を形成する工程と、上記基材の裏面側から上記保護膜に至るように該基材を除去してキャビティを形成する工程と、上記基材の裏面、上記キャビティの壁面および該キャビティ内に露出する上記保護膜の露出面に絶縁膜を形成する工程と、上記保護膜の露出面に形成された上記絶縁膜の部位に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成する工程とを有するので、基材の表面の凹凸に起因する流体の流れの乱れやダストの堆積の発生を抑え、安定した流量検出特性を有する感熱式流量検出素子の製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す下面図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す上面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量検出素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図６】 この発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサを示す正面図である。
【図７】 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態１による流量検出素子を用いた流量センサにおける制御回路を示す回路図である。
【図９】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量検出素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ 基材、２ａ 保護膜、３、３ａ 絶縁膜、４ 発熱抵抗部、６ａ、６ｂ リードパターン、９ａ、９ｂ キャビティ、１０ａ ダイヤフラム、１３、１３Ａ 流量検出素子。
Claims (6)
- 平板状の基材と、
上記基材の裏面から表面に貫通するように形成されたキャビティと、
上記基材の裏面側から該基材の裏面および上記キャビティの壁面を覆い、該基材の表面側の上記キャビティの開口を塞口し、かつ該基材の表面と同一面位置となるように形成された絶縁膜と、
上記キャビティの開口位置に形成された上記絶縁膜の部位に、上記基材の裏面側から形成された感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部と、
上記発熱抵抗部から上記絶縁膜上を上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するように形成されたリードパターンと、を有することを特徴とする感熱式流量検出素子。 - 上記キャビティの開口から上記基材の表面側に露出する上記絶縁膜の露出面および上記基材の表面を覆うように形成された保護膜を備えていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量検出素子。
- 上記リードパターンは上記発熱抵抗部と同一の感熱抵抗膜で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の感熱式流量検出素子。
- 平板状の基材の表面に保護膜を形成する工程と、
上記基材の裏面側から上記保護膜に至るように該基材を除去してキャビティを形成する工程と、
上記基材の裏面、上記キャビティの壁面および該キャビティ内に露出する上記保護膜の露出面に絶縁膜を形成する工程と、
上記保護膜の露出面に形成された上記絶縁膜の部位に感熱抵抗膜からなる発熱抵抗部を形成する工程とを有することを特徴とする感熱式流量検出素子の製造方法。 - 上記絶縁膜を形成する工程の後、上記保護膜を除去する工程を有することを特徴とする請求項４記載の感熱式流量検出素子の製造方法。
- 上記発熱抵抗部を形成する工程において、上記感熱抵抗膜をパターニングして、上記発熱抵抗部とともに、上記発熱抵抗部から上記キャビティの壁面を通って上記基材の裏面上に延出するリードパターンを同時に形成することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の感熱式流量検出素子の製造方法。
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