JPH1183580A

JPH1183580A - 熱式空気流量センサ

Info

Publication number: JPH1183580A
Application number: JP9246475A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Yamada; 雅通山田; Kaoru Uchiyama; 内山　　薫; Izumi Watanabe; 渡辺　　泉; Keiichi Nakada; 圭一中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】空気温度依存及び機械強度を改善した熱式空気
流量センサを低コストで提供する。【解決手段】半導体基板上に電気絶縁膜を介して少なく
も発熱抵抗体及び測温抵抗体を形成して、発熱抵抗体及
び測温抵抗体をドープ処理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）
半導体薄膜で構成し、発熱抵抗体の不純物濃度を３×１
０¹⁹（cm^-3）以上で且つ測温抵抗体の不純物濃度より大
きくし、更に、電気絶縁膜下面の空洞上の電気絶縁膜を
半導体基板に所定の深さに不純物をドープ処理され空洞
周辺部から突き出た梁状の支持部により支持補強したこ
とにより、空気温度依存及び機械強度を改善した熱式空
気流量センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量セン
サに係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好
適な熱式空気流量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より自動車などの内燃機関の電子制
御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する空気流
量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知で
きることから主流となってきている。この中で特に、半
導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量
センサが、コストが低減でき且つ低電力で駆動すること
が出来ることから注目されてきた。このような従来の半
導体基板を用いた熱式空気流量センサとしては、例え
ば、特表平3−502966 号公報および特開平8−54269号公
報に開示されている。上記特開平8−54269号公報に記載
の技術では、発熱抵抗体として耐熱性および材料コスト
の利点から多結晶ケイ素（ポリシリコン）が使用されて
いるが、吸入空気量の測定に際して、空気温度の温度依
存に関して考慮されておらず流量計測精度が十分でない
こと、また、発熱抵抗体を支持する電気絶縁膜の機械強
度等に問題があった。また、特表平3−502966 号公報に
記載の技術では、発熱抵抗体の他に空気温度計測抵抗体
を設け空気温度の温度依存に考慮しているが、発熱抵抗
体を支持する電気絶縁膜の機械強度が十分でないという
問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術には次のよう
な課題がある。上記特開平8−54269号公報においては、
半導体基板上に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体として多
結晶ケイ素（ポリシリコン）が使用されているが、空気
温度を検出する為の空気温度測温抵抗体が形成されてい
ない為に空気温度が変化した場合に被測定空気の流量に
対応した出力が誤差を持つという問題がある。

【０００４】また、発熱抵抗体が形成された電気絶縁膜
（ダイヤフラム）は、半導体基板との熱絶縁を図り且つ
応答性を高めるために熱容量を小さくするために全厚が
数ミクロンと薄く構成され、且つ半導体基板上に構成さ
れた空洞を架橋されている。このため、発熱抵抗体が加
熱冷却を繰り返した場合また空気流が増大した場合に
は、前記電気絶縁膜に応力が多大に加わり破壊される可
能性がある。

【０００５】一方、特表平3−502966 号公報に記載の従
来技術では、以下の様な問題がある。図１２に、特表平
3−502966 号公報のFig.２に記載の空気流量センサの縦
断面を示す。図１２の２が半導体基板、３は空洞８の周
辺部を囲む半導体基板２に所定の厚みで不純物ドープ処
理して形成したドープ層（リム）で、１５，１２ａ，１
２ｂが電気絶縁膜、４が発熱抵抗体、５ｃ，５ｄ，６
ａ，６ｂが測温抵抗体である。

【０００６】この様に構成された従来の空気流量センサ
は、空気温度を６ａ，６ｂの測温抵抗体により計測し、
計測された空気温度より発熱抵抗体４および発熱抵抗体
の温度を計測する測温抵抗体５ｄが一定温度高くなるよ
うに発熱抵抗体に加熱電流が供給される。測温抵抗体５
ｃは、空気温度となる測温抵抗体６ａと空気温度より一
定温度高く設定された発熱抵抗体４の中間に位置し、空
気温度と発熱抵抗体４の加熱温度間の温度勾配の一点の
温度を検知するように配置される。空気流は図１２の１
１に示す様に左から右に流れ、空気流量が増大すると測
温抵抗体５ｃが位置する部分の温度勾配が変化し、測温
抵抗体５ｃが空気流により冷却され温度が低下する。こ
の測温抵抗体５ｃの温度変化を空気温度と比較（温度
差）して空気流量を検出する。空気流量は測温抵抗体５
ｃの温度と空気温度を示す測温抵抗体６ａの温度差から
検出されるので空気温度が変化した場合の影響を低減す
ることが出来る。

【０００７】しかし、抵抗体４，５ｃ，５ｄが形成され
た電気絶縁膜１２ａ，１２ｂは、半導体基板２との熱絶
縁を図り且つ応答性を高めるために熱容量を小さくする
ために全厚が数ミクロンと薄く構成され、且つ空洞８を
架橋されている。空洞８の周辺部が半導体基板２に所定
の厚みで不純物ドープ処理して形成したドープ層（リ
ム）により囲まれてはいるが、空洞８上の電気絶縁膜１
２ａ，１２ｂは薄く構成されたままであり、発熱抵抗体
が加熱冷却を繰り返した場合また空気流が増大した場合
には、前記電気絶縁膜に応力が多大に加わり破壊される
可能性がある。

【０００８】従って、本発明の目的は、従来技術の課題
を解決した空気温度依存及び機械強度を改善した熱式空
気流量センサを低コストで提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、半導体基
板上に電気絶縁膜を介して少なくとも発熱抵抗体及び測
温抵抗体を形成して空気流量を計測する熱式空気流量セ
ンサにおいて、前記発熱抵抗体及び測温抵抗体をドープ
処理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜で構成し、
前記発熱抵抗体の不純物濃度を３×１０¹⁹（cm^-3）以上
とし、且つ、前記測温抵抗体の不純物濃度より大きく
し、更に、前記半導体基板は前記電気絶縁膜境界面より
下面に至る空洞を有し、前記空洞上の電気絶縁膜を前記
半導体基板に所定の深さに不純物をドープ処理され空洞
周辺部から突き出た梁状の支持部により支持補強したこ
とにより、空気温度依存及び機械強度を改善した熱式空
気流量センサを低コストで提供できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照して説明する。

【００１１】図１は、本発明の第一の実施例の熱式空気
流量センサ素子１を示す平面図、図２は、図１の測定素
子１のＡ−Ａ′断面図である。

【００１２】図１，図２において、素子１は、シリコン
等の半導体基板２，電気絶縁膜１２（１２ａ，１２ｂ）
の下面の半導体基板２を不純物ドープ処理したドープ層
３，ドープ層３と同じ構成材からなり空洞８上の電気絶
縁膜７を支持補強するために十字形の梁状の支持部３
ａ，３ｂ、電気絶縁膜１２ａ上に形成された上流側発熱
抵抗体４ａと下流側発熱抵抗体４ｂ，発熱抵抗体の温度
を検知するための測温抵抗体５，基板２の先端部に形成
された空気温度を計測する為の空気温度測温抵抗体６，
素子１の信号を外部回路と接続するための端子電極１０
（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，
１０ｇ）、各抵抗体と端子電極１０を接続するための配
線接続部９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９
ｇ）、各抵抗体を保護するための電気絶縁膜１２ｂより
なる。ここで、各抵抗体４ａ，４ｂ，５，６は不純物ド
ープ処理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜よりな
り、発熱抵抗体４ａ，４ｂは測温抵抗体５，６に対して
不純物濃度が大きく、且つ、不純物濃度が３×１０
¹⁹（cm^-3）以上となるように形成されている。

【００１３】本発明の実施例である熱式空気流量センサ
は、以下の様な動作を行う。

【００１４】一対の上下流側発熱抵抗体４ａ，４ｂは、
電気的に直列接続されており、接続点（中間タップ）Ｄ
は配線接続部９ｆにより端子電極１０ｆに接続されてい
る。空洞８により熱絶縁された電気絶縁膜１２ａ上に形
成された前記一対の発熱抵抗体４ａ，４ｂには、発熱抵
抗体４ａ，４ｂの温度を検出する測温抵抗体５の温度が
空気流１１の温度を示す空気温度測温抵抗体６の温度よ
り一定温度高くなるように、加熱（傍熱）電気が流され
ている。

【００１５】空気流１１の方向は、測温抵抗体５に対し
て対称に形成された発熱抵抗体４ａおよび４ｂの温度
（抵抗値）を比較することにより検知される。つまり、
発熱抵抗体４ａ，４ｂは、空気流が零のときは測温抵抗
体５の温度とほぼ同じ温度を示し、温度差が生じない。
一方、図１の空気流１１の方向（順流）ではおもに上流
側に配置された発熱抵抗体４ａの方が下流側に配置され
た発熱抵抗体４ｂより空気流１１による冷却効果が大き
いこと、また、発熱抵抗体４ａ，４ｂは直列接続であり
同じ加熱電流が流れていることから発熱量はほぼ一定で
あることから、上流側の発熱抵抗体４ａの温度が発熱抵
抗体４ｂの温度より低い値となる。また、空気流１１が
図１の方向と反対（逆流）のときには、今度は下流側の
発熱抵抗体４ｂの温度の方が上流側の発熱抵抗体４ａの
温度より低くなる。このように、発熱抵抗体４ａ，４ｂ
の温度（抵抗値）を比較することにより空気流１１の方
向が検知できる。

【００１６】一方、空気流量の計測は、測温抵抗体５の
空気温度測温抵抗体６より一定温度高く制御するため
に、発熱抵抗体４ａ，４ｂに流す加熱（傍熱）電流値よ
り計測する。この様に、本実施例では空気流の方向と流
量の検出が可能となっている。図３は、図１の素子１を
実装した熱式空気流量センサの実施例を示す断面図であ
る。例えば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装した
熱式空気流量センサの実施例を示す断面図である。熱式
空気流量センサは、図のように、素子１と支持体１９と
外部回路２０とを含み構成される。そして吸気主通路１
７の内部にある副通路１８に素子１が配置される。外部
回路２０は支持体１９を介して素子１の端子電極１０に
電気的に接続されている。ここで、通常では吸入空気は
１１で示された方向に流れており、ある内燃機関の条件
によって１１とは逆の方向(逆流)に吸入空気が流れる。

【００１７】図４は、図３の素子１および支持体１９の
拡大図である。図４に見るように、素子１は、支持体１
９上に固定され、更に、アルミナ等の電気絶縁基板上に
端子電極２１および信号処理回路が形成された外部回路
２０が、同じく支持体１９上に固定される。この素子１
と外部回路２０は、端子電極１０および２１間を金線２
２等でワイヤボンディングにより電気的に接続された
後、前記の金線２２，電極端子１０，２１や外部回路２
０を保護するために上側から支持体１９（図示せず）に
より密封保護される。

【００１８】次に、図５を参照し、本発明の実施例の回
路動作について説明する。図５は、図１の素子１の抵抗
体４ａ，４ｂ，５，６と信号処理のための外部回路２０
を示したものである。図中、２３は電源、２４は発熱抵
抗体４ａ，４ｂに加熱(傍熱)電流を流すためのトランジ
スタ、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは抵抗、２６はＡ／Ｄ変
換器等を含む入力回路とＤ／Ａ変換器等を含む出力回路
と演算処理等を行うＣＰＵからなる制御回路、２７はメ
モリ回路である。

【００１９】ここで、測温抵抗体５，空気温度測温抵抗
体６，抵抗２５ｂ，２５ｃよりなるブリッジ回路の端子
Ｆ，Ｇの電圧が制御回路２６に入力され、発熱抵抗体４
ａ，４ｂにより傍熱された測温抵抗体５の温度（Ｔｈ）
が空気温度に対応する空気温度測温抵抗体６の温度（Ｔ
ａ）よりある一定値（例えばΔＴｈ＝１５０℃）高くな
るよう各抵抗値が設定され制御回路２６により制御され
る。測温抵抗体５の温度が設定値より低い場合には、制
御回路２６の出力によりトランジスタ２４がオンし発熱
抵抗体４ａ，４ｂに加熱電流が流れ、設定温度より高く
なるとトランジスタ２４がオフするように制御し設定値
に一定になるよう制御される。このときの発熱抵抗体４
ａ，４ｂに流す加熱電流値（抵抗２５ａの電位Ｅに対
応）が空気流量（Ｑ）となる。

【００２０】一方、空気流の方向は、発熱抵抗体４ａ，
４ｂの温度差より検出する。前記したように測温抵抗体
５はある一定の基準温度（Ｔｈ＝Ｔａ＋ΔＴｈ）に設定
されている。発熱抵抗体４ａ，４ｂは直列接続されてお
り同じ加熱電流が流れる構成であることから、空気流が
順流の場合には、上流側の発熱抵抗体４ａがより空気流
により熱を奪われることから温度が低くなる。一方、空
気流が逆流の場合には、今度は逆に発熱抵抗体４ｂの温
度が低くなる。つまり、発熱抵抗体４ａ，４ｂの温度
（抵抗値）を比較することにより、空気流の方向が検知
できる。

【００２１】図５の回路では、発熱抵抗体４ａ，４ｂの
温度（抵抗値）の比較を、直列接続された各抵抗体の両
端の電位により行う。上流側の発熱抵抗体４ａの温度に
対応するのは図５のＣ，Ｄ点間の電位差であり、下流側
の発熱抵抗体４ｂの温度に対応するのはＤ，Ｅ間の電位
差である。従って、前記のＣ，Ｄ，Ｅ点の電位を制御回
路２６に入力することにより各発熱抵抗体に対応する電
位差から空気流の方向が検知される。

【００２２】上記のように空気温度測温抵抗体６および
測温抵抗体５を追加して構成することにより、従来例の
熱式空気流量センサでは発熱抵抗体のみで構成されてい
たのに対して空気温度が変化したとしても影響を受けず
空気流の方向をも検知する高精度の流量検出が可能とな
る。

【００２３】次に、本実施例の熱式空気流量センサ素子
の製造工程の具体例について、図６を参照して説明す
る。

【００２４】図６（ａ）にて、シリコン半導体基板２の
上下面に熱酸化処理により二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層
１３，１４を約０.３ミクロン厚に形成する。

【００２５】次に（ｂ）にて、上面の二酸化ケイ素層１
３を公知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定
の形状に形成した後反応性イオンエッチング等の方法に
よりエッチングした後、二酸化ケイ素層１３をマスクと
してシリコン半導体基板２の表面に約５ミクロンの深さ
迄Ｐ（燐）あるいはＢ（ボロン）等の不純物を熱拡散あ
るいはイオン打ち込み等の方法によりドープ処理しドー
プ層３，３ａを形成する。

【００２６】（ｃ）では、二酸化ケイ素層１３，１４を
エッチングにより取り除いた後、再度、シリコン半導体
基板２の上下面に二酸化ケイ素層よりなる電気絶縁膜１
２ａ，１５を約０.５ミクロン厚形成する。ここで、シ
リコン半導体基板２の上面形成した電気絶縁膜１２ａと
しては、前記の二酸化ケイ素以外の構成材でも可能であ
る。例えば、機械強度が高く熱膨張係数がシリコン半導
体基板２より若干大きい窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を用い
ても、或いは熱膨張係数がシリコン半導体基板２の１／
１０である二酸化ケイ素と熱膨張係数がシリコン半導体
基板２より若干大きい窒化ケイ素の多層構成とし熱膨張
係数のマッチングを図った構成とすることにより、温度
変化によるシリコン半導体基板２と電気絶縁膜１２ａ間
の熱応力が低減でき強度向上が図られる。

【００２７】（ｄ）では、電気絶縁膜１２ａ上に発熱抵
抗体４ａ，４ｂと測温抵抗体５，６として多結晶ケイ素
（Ｓｉ）半導体薄膜を約１ミクロンの厚さでＣＶＤ等の
方法で形成後、公知のホトリソグラフィ技術によりレジ
ストを所定の形状に形成した後反応性イオンエッチング
等の方法により半導体薄膜をパターニングする。ここ
で、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜は、プラズマを用
いたＬＰＣＶＤあるいは電子サイクロトロン共鳴を用い
たＥＣＲ−ＰＣＶＤ，マイクロ波を用いたＣＶＤ等の方
法にて形成する。原料ガスは、モノシラン(ＳｉＨ₄)，
ホスフィン(ＰＨ₃)，水素（Ｈ₂）を用い、不純物ドープ
材としての燐(Ｐ)の量はホスフィン(ＰＨ₃)ガスの流量
により制御でき、不純物濃度としては３×１０¹⁹（c
m^-3）以下になるように制御する。ここで、不純物ドー
プ処理は上記以外の方法でも可能であり、未ボープ処理
の多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を形成した後、熱拡
散あるいはイオン打ち込み等の方法により不純物のドー
プ処理を行っても良い。

【００２８】次に（ｅ）では、発熱抵抗体４ａ，４ｂの
不純物濃度を３×１０¹⁹（cm^-3）以上に高めるために更
に不純物ドープ処理を加える。発熱抵抗体４ａ，４ｂ以
外の測温抵抗体５，６は、二酸化ケイ素等のマスク材１
６により被覆された後、発熱抵抗体４ａ，４ｂに対して
熱拡散あるいはイオン打ち込み等の方法により更にＰ
（燐）等の不純物ドープ処理がなされ不純物濃度を３×
１０¹⁹(cm^-3)以上の高濃度にドープ処理された発熱抵抗
体４ａ，４ｂが得られる。その後、図示していないが端
子電極１０(１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０
ｅ，１０ｆ，１０ｇ)、各抵抗体と端子電極１０を接続
するための配線接続部９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９
ｅ，９ｆ，９ｇ）が、アルミニウム，金等で形成され
る。

【００２９】（ｆ）では、端子電極１０以外の部分を保
護する為に電気絶縁膜１２ｂを先の電気絶縁膜１２ａと
同様に約０.５ミクロンの厚さに形成する。次に、シリ
コン半導体基板２に空洞８を形成する為に、エッチング
のマスク材１５の所定の形状にパターニングし半導体基
板２のエッチング部のみを露出させる。マスク材として
は二酸化ケイ素あるいはよりエッチング選択比の高い窒
化ケイ素等が用いられる。

【００３０】（ｇ）では、最後に、シリコン半導体基板
２の裏面より二酸化ケイ素あるいは窒化ケイ素等をマス
ク材１６として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチ
ング液を用いて異方性エッチングすることにより空洞８
を形成する。ここで、シリコンよりなる半導体基板２の
エッチング速度は不純物濃度に依存しており、不純物濃
度が高くなるとエッチング速度が遅くなることから、不
純物ドープ処理されたドープ層３および空洞８上の電気
絶縁膜７を支持補強するために十字形の梁状の支持部３
ａ，３ｂを残して空洞８領域のシリコン半導体基板２だ
けがエッチングされる。前記の不純物ドープ処理された
十字形の梁状の支持部３ａ，３ｂは、幅が約５〜３０ミ
クロンで厚みが約２〜５ミクロンであり機械強度が十分
保てるよう選択される。

【００３１】上記実施例の不純物はＰ（燐）としたが、
同じくｎ形の不純物としてはＮ（窒素），Ｓｂ（アンチ
モン），Ａｓ（ヒ素）あるいはｐ形の不純物としてはＡ
ｌ（アルミニウム），Ｂ（ボロン）等を用いても良い。

【００３２】上記の様に構成したことにより、発熱抵抗
体４ａ，４ｂおよび測温抵抗体５が形成された空洞８上
の電気絶縁膜７は、半導体基板２との熱絶縁を図り且つ
応答性を高めるために熱容量を小さくするために全厚が
約１ミクロンと薄く構成された場合においても、電気絶
縁膜７を支持補強するために形成された不純物ドープ処
理された十字形の梁状の支持部３ａ，３ｂにより半導体
基板２と一体化されたことにより、発熱抵抗体が加熱冷
却を繰り返した場合また空気流が増大した場合における
応力が多大に加わった場合においても機械強度が十分保
てる。

【００３３】また、発熱抵抗体４ａ，４ｂ及び測温抵抗
体５，６をドープ処理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導
体薄膜で構成し、発熱抵抗体４ａ，４ｂの不純物濃度を
３×１０¹⁹（cm^-3）以上とし、且つ、前記測温抵抗体
５，６の不純物濃度より大きく構成したことにより、発
熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗率（ρ）を比較的小さく出来
ることから発熱抵抗体の抵抗値の設計自由度が向上する
とともに、測温抵抗体５，６の抵抗温度係数(α)を比較
的大きく保つことが出来、測温感度の向上が図られる。
更に、上記の発熱抵抗体４ａ，４ｂと測温抵抗体５，６
を、各々不純物濃度を変えた多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導
体薄膜で構成したことにより、高価な白金等の様に別個
の材料で構成する必要がなく、一括して同時に多結晶ケ
イ素(Ｓｉ)半導体薄膜を形成できるので低コストな熱式
空気流量センサが提供できる。

【００３４】図７は、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜
の抵抗率（ρ）と不純物濃度の関係を示したものであ
る。また、図８は、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の
抵抗温度係数（α）と抵抗率（ρ）の関係を示したもの
である。図７，図８を見て分かるように、不純物濃度が
高くなるに従い多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗
率（ρ）および抵抗温度係数（α）ともは小さくなる。

【００３５】多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体膜は一般的に
サーミスタ的な抵抗−温度特性を示すが、温度範囲が比
較的狭く且つ不純物ドープ処理された場合には金属的な
抵抗−温度特性（１）式を示す。

【００３６】Ｒ＝Ｒ０（１＋α（Ｔ＋Ｔ０)) …（１）ここで、Ｒは温度（Ｔ）における半導体膜の抵抗値、Ｒ
０は温度（Ｔ０）における半導体膜の抵抗膜、αは抵抗
温度係数である。抵抗温度係数（α）が大きいほうが温
度に対しての抵抗値の変化が大きくとれることから、測
温抵抗体５，６としては抵抗温度係数（α）が大きいほ
うが検出感度が上がり空気流量の測定精度が向上するこ
とから望まれる。測温抵抗体５，６としては、図８で示
される領域３０の抵抗温度係数（α）が１０００（×１
０^-6／℃）以上で、図７で見れば不純物濃度を３×１０
¹⁹（cm^-3）以下の３０の領域が選択される。

【００３７】一方、発熱抵抗体４ａ，４ｂとしては、前
記の測温抵抗体５，６と同じ不純物濃度領域３０では抵
抗率（ρ）が大きくなり過ぎる。所望の温度（例えば２
００℃）に発熱抵抗体４ａ，４ｂを加熱しようとする
と、発熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗値が大きくなり高い駆
動電圧が必要となり十分に加熱出来ないという問題が生
ずる。発熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗値を下げるために
は、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体膜の膜厚を厚くする対
応が考えられるが、膜厚を厚くすると所望のパターンに
精度良くエッチングすることが難しくなり材料コストの
面からも好ましくない。エッチングが精度良く実現出来
る多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体膜の膜厚は約１ミクロン
が限界であり、この厚さで１０ボルト以下の駆動電圧で
駆動出来る発熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗値は１ｋΩ以下
であり、図７の領域２９で示した不純物濃度が３×１０
¹⁹（cm^-3）以上で抵抗率（ρ）が３０（×１０^-4Ω−c
m）以下の領域が選択される。

【００３８】この様に、発熱抵抗体４ａ，４ｂの不純物
濃度を３×１０¹⁹（cm^-3）以上とし、且つ、前記測温抵
抗体５，６の不純物濃度より大きく構成したことによ
り、発熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗率（ρ）を比較的小さ
く出来ることから発熱抵抗体の抵抗値の設計自由度が向
上するとともに、測温抵抗体５，６の抵抗温度係数(α)
を比較的大きく保つことが出来、測温感度の向上が図ら
れる。

【００３９】本実施例の発熱抵抗体４ａ，４ｂの抵抗値
としては、電源電圧および発熱量の関係から５０〜９０
０Ω、測温抵抗体５，６の抵抗値としては１〜５ｋΩを
選択した。

【００４０】次に、本発明の第二，第三の実施例につい
て説明する。図９および図１０は、本発明の第二および
第三の実施例で、空洞８上の電気絶縁膜７まで形成した
熱式空気流量センサの素子１の平面図である。電気絶縁
膜７を支持補強する為に下面に形成された半導体基板２
に所定の深さに不純物ドープ処理され空洞周辺部から突
き出た梁状の支持部３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを破
線で示している。

【００４１】図９では、図１の第一の実施例の十字形の
梁状の支持部３ａ，３ｂに変わり、支持部３ｃ，３ｄ，
３ｅ，３ｆを周辺部（四方）から中心に向かって途中ま
で電気絶縁膜７を支持補強する梁状の支持部で構成して
いる。この様に構成することにより、特に応力が集中す
る電気絶縁膜７と半導体基板２との境界部分を補強する
と共に半導体基板２との熱絶縁を図ることが出来る。図
１０では、図１の第一の実施例と図９の第二の実施例の
中間的な構造となっており、空洞８間を連結する支持部
３ｂと周辺部から中心に向う支持部３ｃ，３ｅにより電
気絶縁膜７を支持補強する構造となっている。この様に
構成することにより、第一の実施例と第二の実施例の中
間的な効果を得ることが出来る。この他にも、電気絶縁
膜７を支持補強する梁状の支持部としては、より多数の
支持部を周辺部から形成しても、周辺部から中心に向か
うに従い支持部断面積が小さくなるように形成しても、
支持部と半導体基板２との接続部を応力集中を防止する
為に丸みを付ける等の構成にすることにより、更に強固
に支持補強することが可能となる。

【００４２】図１１は、本発明の第四の実施例である熱
式空気流量センサの素子１の平面図である。図１の第一
の実施例と異なるのは、発熱抵抗体４の上下流に測温抵
抗体５ａ，５ｂを形成したことである。この様に、発熱
抵抗体４の上下流に測温抵抗体５ａ，５ｂを配置し、上
下流の測温抵抗体５ａ，５ｂの温度差から空気流量を計
測する温度差検知方式の様な場合にも、発熱抵抗体４の
不純物濃度を３×10¹⁹（cm^-3）以上とし、且つ、測温抵
抗体５ａ，５ｂの不純物濃度より大きくし、電気絶縁膜
７を梁状の支持部３ａ，３ｂにより支持補強することに
より、空気温度依存及び機械強度を改善した熱式空気流
量センサを低コストで提供できる。その他いかなる方式
の場合においても、半導体基板２上に発熱抵抗体および
測温抵抗体で構成された熱式空気流量センサに対して前
記した本発明が適用できることは自明である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板上に電気絶
縁膜を介して少なくも発熱抵抗体及び測温抵抗体を形成
して空気流量を計測する熱式空気流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体及び測温抵抗体をドープ処理された多結
晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜で構成し、前記発熱抵抗体
の不純物濃度を３×１０¹⁹（cm^-3）以上とし、且つ、前
記測温抵抗体の不純物濃度より大きくし、更に、前記半
導体基板は前記電気絶縁膜境界面より下面に至る空洞を
有し、前記空洞上の電気絶縁膜を前記半導体基板に所定
の深さに不純物をドープ処理され空洞周辺部から突き出
た梁状の支持部により支持補強したことにより、空気温
度依存及び機械強度を改善した熱式空気流量センサを低
コストで提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の熱式空気流量センサ素
子１の平面を示す図である。

【図２】図１の素子のＡ−Ａ′断面を示す図である。

【図３】図１の素子を実装した熱式空気流量センサの断
面を示す図である。

【図４】図３の測定素子部を拡大した図である。

【図５】抵抗体４ａ，４ｂ，５，６と外部回路２０の電
気回路を示す図である。

【図６】素子１の製造工程を説明する図である。

【図７】多結晶ケイ素半導体薄膜の抵抗率（ρ）と不純
物濃度の関係を示す図である。

【図８】多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗温度係
数（α）と抵抗率（ρ）の関係を示す図である。

【図９】本発明の第二の実施例で、空洞８上の電気絶縁
膜７まで形成した熱式空気流量センサ素子１の平面を示
す図である。

【図１０】本発明の第三の実施例で、空洞８上の電気絶
縁膜７まで形成した熱式空気流量センサ素子１の平面を
示す図である。

【図１１】本発明の第四の実施例である熱式空気流量セ
ンサ素子１の平面を示す図である。

【図１２】従来例の熱式空気流量センサ素子１の断面を
示す図である。

【符号の説明】

１…素子、２…半導体基板、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３
ｄ，３ｅ，３ｆ…ドープ層（支持部）、４，４ａ，４ｂ
…発熱抵抗体、５，５ａ，５ｂ…測温抵抗体、６,６ａ,
６ｂ…空気温度測温抵抗体、７，１２ａ，１２ｂ，１
３，１４，１５…電気絶縁膜、８…空洞、９，９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ…配線接続部、１
０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０
ｆ，１０ｇ，２１…端子電極、１１…空気流、１６…マ
スク材、１７…吸気主通路、１８…副通路、１９…支持
体、２０…外部回路、２２…金線、２３…電源、２４…
トランジスタ、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…抵抗、２６…
制御回路、２７…メモリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中田圭一茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に電気絶縁膜を介して少なく
も発熱抵抗体及び測温抵抗体を形成して空気流量を計測
する熱式空気流量センサにおいて、前記発熱抵抗体及び
測温抵抗体をドープ処理された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半
導体薄膜で構成し、且つ前記発熱抵抗体の不純物濃度を
前記測温抵抗体の不純物濃度より大きくしたことを特徴
とする熱式空気流量センサ。
【請求項２】請求項１に記載の発熱抵抗体のドープ処理
された多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の不純物濃度が
３×１０¹⁹（cm^-3）以上であることを特徴とする熱式空
気流量センサ。
【請求項３】上面に電気絶縁膜が形成され且つ該電気絶
縁膜境界面より下面に至る空洞を有する半導体基板と、
前記空洞上の電気絶縁膜上に少なくも発熱抵抗体を形成
して空気流量を計測する熱式空気流量センサにおいて、
前記空洞上の電気絶縁膜を前記半導体基板から構成され
た空洞周辺部から突き出た梁状の支持部により支持補強
したことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項４】請求項３において、前記梁状の支持部は、
前記半導体基板の上面に所定の深さに不純物をドープ処
理された層より構成されてなることを特徴とする熱式空
気流量センサ。