JP3971920B2 - Flow characteristic measuring element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体(測定雰囲気)の流速、流量(質量流量)、温度及び流れ方向等を測定することができる流れ特性測定用素子及びその製造方法に関する。更に詳しくは、ヒータパターンのリード部抵抗が低減されて、測定精度が高く、消費電力が低減された流れ特性測定用素子及びその製造方法に関する。
本発明の流れ特性測定用素子は、あらゆる流体の上記のような特性の測定に利用することができる。中でも、気体の流速及び/又は質量流量の測定に好適であり、例えば、内燃機関の吸入空気量の測定等に利用することができる。
【0002】
【従来の技術】
従来より、マイクロマシニング技術を用い、基板上に形成された絶縁膜の一部をこの基板と熱的に隔離し(この熱的に隔離された部分を以下、単に「絶縁膜隔離部」という)、この絶縁膜隔離部上にヒータパターンを配した流れ特性測定用素子(1)が知られている。例えば、特開昭58−72059号公報、特開昭60−142268号公報、特開平6−50783号公報及び特開平11−201792号公報等に開示されている。このような流れ特性測定用素子(以下、単に「素子」ともいう)は、発熱させた発熱体が、測定雰囲気の流動により冷却される時に、温度を一定に保とうとするのに要する電圧及び電力等から流れ特性(流速等)を算出するものである。
【0003】
上記(1)のような素子では、発熱体の中でも実際に昇温する部位であるヒータパターンの昇温部と基板とが熱的に隔離されていることにより、昇温部の熱が基板に奪われ難く、所定の温度まで昇温させるために必要となる電力が少なくてすむ(従来の薄膜式流速センサ又は熱線式流速センサに比べて消費電力は1〜2桁程小さい)。また、昇温部の熱が基板へ奪われ難いため、基板自体の温度上昇も抑えられ、基板の温度は測定雰囲気の温度と同じ温度であると見なすことができる。このため、昇温部の温度を、測定雰囲気の温度とみなした基板の温度に対して一定値に保つことが可能となり、正確な流れ特性の測定が可能となる。
【0004】
また、上記の内、特開平6−50783号公報に開示される素子は、測定雰囲気の流路内には実質測定に関わる部位のみを露出させ、他部は流路外に配置させた素子(2)である。このため、従来のように素子全体が測定雰囲気に曝されているものと異なり、飛来する異物によるボンディングワイヤの断線や、導電性の異物による回路(例えば、ボンディングパッド間等)の短絡等を防止できるというものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、(1)のような素子では、実際には、ヒータパターンの昇温部の熱は絶縁膜を通して基板へ僅かに伝導されており、また、ヒータパターンのうち昇温部へ電圧を印加するための部分であるリード部も発熱する。このため、基板の温度は測定雰囲気の温度よりも僅かに高くなっている。従って、基板の温度を測定雰囲気の温度とみなして測定を行う場合、昇温部の温度を測定雰囲気の温度に対して一定値に保つことは厳密には困難である。
【0006】
また、(2)のような素子は、必然的に素子が長くなる。これに伴って、リード部の長さも長くなり、リード部の抵抗値が増大し、リード部自体の発熱量が無視できなくなる場合がある。また、リード部の抵抗値が増えることで消費電力も大きくなり好ましくない。このため、これまではリード部のパターンを素子上で可能な限り太く形成することで、この問題を解決しようとしていた。しかし、素子の大きさにより、リード部のパターンの太さは制限され、例えば、2本以上のヒータを備える素子においては、リード部の配線幅をほとんど拡張することができない場合も生じる。
【0007】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ヒータパターンのリード部抵抗が低減されることで、ヒータパターンのリード部抵抗に起因する測定誤差が従来に比べて少なく、より高い精度で測定を行うことができ、更には、消費電力が低減された流れ特性測定用素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の流れ特性測定用素子は、空洞、切欠き及び凹部のうちの少なくともいずれかからなる空間部を有する基板と、少なくとも該空間部を覆って該基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成されたヒータパターンとを備え、且つ、該ヒータパターンは、下方に該空間部が位置する昇温部と、外部と該昇温部との電気的接続を行うためのリード部とを備える流れ特性測定用素子において、
(1)ヒータパターン非通電時であって、外部と上記リード部とを導通するボンディングワイヤが該リード部上に接続されるボンディングワイヤ接続位置よりも上記昇温部側に位置する該リード部の抵抗値の、該ヒータパターン全体の抵抗値に対する割合をαとし、(2)測定雰囲気が流動しない状態で所定電圧を印加したヒータパターンの該ボンディングワイヤ接続位置間で測定される該ヒータパターンの抵抗値から算出されるヒータパターン平均温度と、測定雰囲気温度との差をΔTaとし、且つ、(3)測定雰囲気が流動しない状態で所定電圧をヒータパターンに印加した時の基板平均温度と、測定雰囲気温度との差をΔTbとした場合に、下記式[1]で表される値Xが0.01以下となることを特徴とする。
X={α/(1−α)}×(ΔTb/ΔTa) ・・・ [1]
【0009】
また、本発明の流れ特性測定用素子では、上記リード部は、上記ボンディングワイヤ接続位置から上記昇温部の方向へ、少なくとも1mm以上にわたって複層化されたものとすることができる。更に、上記リード部は、上記ボンディングワイヤを該リード部に接続するための領域を除いて、絶縁性保護膜により覆われているものとすることができる。また、測定雰囲気と非測定雰囲気とを隔てる隔壁の該測定雰囲気側に上記昇温部が配置され、該非測定雰囲気側に上記ボンディングワイヤ接続位置が配置され、且つ、該隔壁の非測定雰囲気側表面から該ボンディングワイヤ接続位置までの距離が0.2mm以下となるように配置されるものとすることができる。
【0010】
本発明の流れ特性測定用素子の製造方法は、表裏面に絶縁膜が形成された上記基板上に、上記リード部となる導電層を複層化する複層化工程を備え、且つ、該複層化工程においては該導電層の層間に加熱により該リード部の最表面に析出膜を生じることとなる層間層を形成する層間層形成工程を備える場合に、該析出膜を除去する析出膜除去工程を備えることを特徴とする。
【0011】
【発明の効果】
本発明の流れ特性測定用素子によると、流れに関する諸特性の測定において、従来に比べてより正確な測定を行うことができ、更には、ヒータパターンにおける消費電力を低減することができる。また、リード部のボンディングワイヤ接続位置から昇温部の方向へ複層化されたものとすることで、ヒータパターン全体に対するリード部(ボンディングワイヤ接続位置から昇温部までの間)の抵抗値の割合(以下、単に「抵抗寄与率」ともいう)を低下させることができ、従来に比べてより正確な測定を行うことができ、更には、ヒータパターンにおける消費電力を低減することができる。更に、リード部が、ボンディングワイヤ接続位置付近以外の領域が絶縁性保護膜により覆われていることにより、ヒータパターン等の短絡及び断線等を効果的に防止することができる。また、隔壁の非測定対象雰囲気側表面からボンディングワイヤ接続位置までを0.2mm以下とすることにより、結果的にリード部の抵抗寄与率を低下させることができ、従来に比べてより正確な測定を行うことができ、更には、ヒータパターンにおける消費電力を低減することができる。
また、本発明の流れ特性測定用素子の製造方法によると、上記のような流れ特性測定用素子を確実に得ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の流れ特性測定用素子について詳しく説明する。
上記「空洞」は基板の表裏両面に開口された基板の欠損であり、例えば、貫通孔及び連通孔等の孔である。上記「切欠き」は基板の表裏面の少なくとも一方に開放され且つ基板の側面のいずれかの一面に開放された基板の欠損である。上記「凹部」は基板の表裏面の一方に開口された基板の欠損である。
【0013】
また、上記「空間部」は、これら空洞、切欠き及び凹部のうちの少なくともいずれかからなる基板の一部が欠損した部分であり、その開口形状(開放形状を含む)及び内部形状等は特に限定されない。但し、通常、開口形状は単純な形状であり、例えば、矩形、円形等である。また、この空間部の大きさも特に限定されないが、通常、1つの空間部を有する基板に対して表裏方向の一面側に開口する開口面積(切欠きにおいては表裏方向の一面側に開放する開放面積)は0.25〜4mm2程度(特に□0.5〜□2mmが好ましい)である。空間部は基板上に幾つ備えてもよく、その数は特に限定されない。
【0014】
このような空間部の形成方法は特に限定されないが、後述する基板の一部をエッチングにより除去することで形成することができる。この際に用いるエッチングの方法は特に限定されず、ウェットエッチング法及びドライエッチング法(各々、異方性エッチング及び等方性エッチングを含む)等いずれを用いてもよい。なかでも、空洞の形成には、異方性エッチング液を用いたウェットエッチング法が一般的に用いられる。
【0015】
上記「基板」は、本発明の素子の基体となる部分である。この基体を構成する材料は特に限定されないが、通常、半導体材料が用いられる。中でも、シリコン基板が多用される。この基板の形状は特に限定されないが、例えば、矩形又は円形等とすることができる。また、その大きさも限定はされない。
【0016】
上記「絶縁膜」は、少なくとも空間部を覆って基板上に形成されている薄膜である。この絶縁膜は、後述するヒータパターンと基板とを電気的及び熱的に絶縁する機能を有する。
この絶縁膜の形成方法は特に限定されないが、例えば、熱酸化法等により基板の表面を改質して得ることができる。また、基板の表面に絶縁膜となる成分を付着堆積(蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、気相成長法等により行うことができる)させて得ることができる。その他、基板の表面に予め形成した絶縁膜を張り付けて得ることも可能である。
【0017】
この絶縁膜は、どのような材料から構成されてもよく特に限定はされないが、例えば、SiO2、Si3N4及びSiOxNy等のケイ素化合物等から構成できる。また、絶縁膜の形状、大きさ及び厚さ等は特に限定されず、単層膜であっても複層膜であってもよい。但し、この絶縁膜のうちの空間部上に位置する絶縁膜隔離部(図11参照、図11においては131が絶縁膜隔離部)は、通常、面積が0.25〜4mm2程度(特に□0.5〜□2mmが好ましい)であり、厚さは0.5〜2μm程度である。
【0018】
上記「ヒータパターン」は、電圧を印加した場合に発熱し、実際に昇温する昇温部と、外部からこの昇温部までの導通を図るリード部とを備える(図1及び図2参照、図1及び図2においては1411が昇温部、1412がリード部となる)。
このヒータパターンの形成方法は特に限定されないが、所定の材料を絶縁膜上に付着堆積(蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、気相成長法等により行うことができる)させ、その後、前述の空間部の形成方法にて例示したものと同様な各種のエッチング方法により、不必要な部位を除去して得ることができる。ヒータパターンを構成する材料は導電性を有すれば特に限定されないが、例えば、白金単体、白金合金、ニッケル合金、クロム合金等を用いることができる。中でも、抵抗温度係数が大きく、長期の繰り返し使用においても抵抗値及び抵抗温度係数が変化し難いことから白金単体及びニッケルクロム合金を用いることが好ましい。
【0019】
上記「昇温部」は、その下方に空間部が位置するヒータパターンの一部であり、ヒータパターンのパターン形状に関係なく、また、電圧の印加により発熱しているか否かにも関係なく、電圧の印加により実際に昇温し得る部位である{ヒータパターンのパターン形状としては発熱し難い形状(例えば、線幅が幅広である等)であっても、絶縁膜隔離部上に位置するために基板への熱伝導がほとんど無く、実際に昇温し得る部位は昇温部である}。
【0020】
上記「リード部」は、その下方に空間部が位置せず、且つ、外部(素子外部)と昇温部とを導通するヒータパターンの一部である(但し、後述するボンディングワイヤが外部とリード部との間に介在する)。このリード部はヒータパターンのパターン形状に関係なく(例えば、リード部の一部が細幅化される等して発熱に適した形状となっていても、絶縁膜隔離部上に無いため基板への熱伝導により昇温し難い又は昇温しない部位はリード部に含まれる)、また、電圧の印加により発熱しているか否かにも関係ない(発熱していても、絶縁膜隔離部上に無い部分は基板への熱伝導により実質的に昇温しないため)。尚、以下では、リード部のうち、ボンディングワイヤ接続位置から昇温部までの実際に導通に関与している部分を「実導通リード部」という。
【0021】
この実導通リード部の抵抗寄与率はできるだけ小さい方が、精度の高い測定を行うことができる。このため、リード部の配線幅はできるかぎり広くすることが好ましい。しかし、基板上で平面方向へ配線幅を広くするには限度がある。このため、リード部(実導通リード部のみであってもよい)は、単層であってもよいが、複層化することによっても抵抗寄与率を低下させることができる。特に、配線幅を最大限に広く形成し、且つ、複層化することが更に好ましい。
【0022】
複層化は、実導通リード部のどの位置が複層化されていてもよい{図1及び図2参照}。また、何層に複層化されていてもよく、特に限定されない。また、複層化される長さも特に限定はされないが、特に、ボンディングワイヤの接続位置から昇温部方向へ少なくとも1mm以上(より好ましくは2mm以上、更には全体)が複層化されていることが好ましい。1mm未満では複層化による効果が十分に発揮され難い。また、複層化された各層は同一の材料からなっていてもよいが、各々異なる材料からなる層であってもよい。特に、実導通リード部の上層となる層はその一部が昇温部のように発熱する必要がないため、上記ヒータパターンとして例示した金属を用いる必要がなく、むしろ、導電性の高い金、金合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、銅、銅合金等から構成されることが好ましい。これにより、実導通リード部の抵抗値を効果的に低減することができる。
【0023】
また、このリード部は、測定雰囲気内に位置する領域は保護層により覆われていることが好ましく{図1及び図2参照}、更には、ボンディングワイヤを接続するための領域を除いて保護層により覆われていることが好ましい{図1参照}。これにより、測定雰囲気中から飛来する異物によるリード部の断線や、飛来する導電性の異物によるリード部同士の短絡を防止することができる。
【0024】
上記「保護層」は、絶縁性を有する層である。この保護層を構成する成分は特に限定されないが、例えば、SiO2、Si3N4、SiOxNy、Al2O3及びTa2O5等を挙げることができる。また、保護層の厚さ、形状等は特に限定されない。更に、この保護層の形成方法も特に限定されないが、例えば、ヒータパターンの形成と同様に付着堆積後、前述の空間部の形成方法にて例示したものと同様な各種のエッチング方法により、不必要な部位を除去して得ることができる。また、絶縁膜となる成分を塗布後、焼き付けることにより得ることもできる。
【0025】
上記「ボンディングワイヤ」は、本発明の素子を流れ特性の測定に実際に使用する場合に、リード部と外部との間の導通を図るための細線{図1及び図2における2}である(但し、素子の構成要素ではない)。このボンディングワイヤの長さ、太さ、形状及び材質などは特に限定されない(材質としては、通常、金又はアルミニウムが用いられる)。
上記「接続するための領域」は、ボンディングワイヤをリード部にボンディングするのに必要な領域である。その領域の面積及び形状は特に限定されないが、通常、接続されるボンディングワイヤの断面に相似で、断面積がボンディングワイヤ断面の4倍である形状が収まる領域である。
【0026】
尚、本発明の素子のヒータパターンにおいて、例えば、絶縁膜隔離部でない部分から絶縁膜隔離部を跨いで絶縁膜隔離部でない部分まで、ヒータパターンがU字系形状に形成されている場合、絶縁膜隔離部上に位置する部位は昇温部であり、U字系形状の2端からこの昇温部まで伸びる部分はリード部である。また、絶縁膜隔離部を跨ぐことによって生じる絶縁膜隔離部上に位置しないU字底部にあたる部分はリード部に帰属される。
【0027】
上記「α」は、ヒータパターン非通電時のヒータパターン全体の抵抗値に対する、実導通リード部の抵抗値の割合である。このαは小さいことが好ましいが、その値は特に限定されず、上記式[1]で与えられるXが0.01以下であればよい。
上記「ヒータパターン平均温度」は、測定雰囲気が流動しない状態でヒータパターンに所定電圧を印加して、ボンディングワイヤ接続位置間の抵抗値を測定し、得られた抵抗値R1と、0℃におけるボンディングワイヤ接続位置間の抵抗値R0と、ヒータパターンの抵抗温度係数であるcとを用いて、下記式[2]により算出される計算値である。
T=(R1/R0−1)/c ・・・・ [2]
【0028】
上記「測定雰囲気温度」は、測定対象である雰囲気の温度である。この測定雰囲気温度の測定方法は特に限定されず、例えば、放射(赤外線)温度計等を用いて測定することができる。通常は、素子自体に温度測定用の抵抗体パターン(雰囲気温度測定用パターン、基板平均温度測定兼用の温度補償用パターン等)が備えられているため、ヒータパターンには電圧を印加しない状態で、この抵抗体パターンの抵抗値を測定し、この抵抗値から測定雰囲気温度を算出することができる。
【0029】
また、上記「基板平均温度」は、ヒータパターンに通電している状態における基板の平均温度である。この基板平均温度の測定方法は特に限定されず、例えば、放射(赤外線)温度計等を用いて測定することができる。通常は、素子自体に備えられている温度測定用の抵抗体パターン(基板平均温度測定用パターン、雰囲気温度測定兼用の温度補償用パターン等)の抵抗値から基板平均温度を算出することができる。
【0030】
上記「X」は、0.01以下であれば特に限定されない。Xが0.01を超えると、実導通リード部が発熱したために生じる測定誤差が大きくなるため好ましくない。即ち、例えば、測定雰囲気温度が25℃であり、ヒータパターン平均温度を200℃に保持しようとするブリッジ回路を用いて素子を制御した場合に、測定雰囲気を流動させない状態におけるヒータパターン平均温度と測定雰囲気温度との差をΔTh0とし、測定雰囲気を流動させ且つ上記ブリッジ回路で制御した状態におけるヒータパターン平均温度と測定雰囲気温度との差をΔTh1とした場合に、Th0に対するTh1の誤差率である{(Th1−Th0)/Th0}×100で表される割合が1%を超えることとなり、好ましくない(実施例参照)。
【0031】
本発明の素子を用いて流れ特性を測定する場合、上記のように、測定雰囲気側に昇温部が配置され、非測定雰囲気側にボンディングワイヤ接続位置が配置されるように配置され、且つ、隔壁の非測定雰囲気側表面からボンディングワイヤ接続位置までの距離が0.2mm以下(より好ましくは0.1mm以下、更に好ましくは0.05mm以下)となるように配置されることが好ましい。これにより、リード部の長さが短くなり、リード部の抵抗寄与率を低下させることができる。
【0032】
尚、本発明の素子には、上記のヒータパターンの他にも、測温パターン{雰囲気温度測定用、基板平均温度測定用、ヒータパターン上流側温度測定用、ヒータパターン下流側温度測定用、温度補償抵抗用(雰囲気温度及び基板平均温度測定用兼用)}等の抵抗体パターンを各々1つ又は2つ以上備えることができる。これらのパターンの形成方法は特に限定されないが、前記ヒータパターンと同様な方法で得ることができる。また、これらのパターンを構成する材料も特に限定されないが、前記ヒータパターンにおいて例示したものと同じものを適用することができる。これらの各パターンはヒータパターンが形成されている層と同じ層上に、ヒータパターンの形成と同時に形成できる。
【0033】
また、このような流れ特性測定用素子の製造において、その方法は特に限定はされないが、これまでに述べたように各構成部を形成することができる。但し、少なくとも実導通リード部を複層化するために、リード部である導電層の層間に加熱によりリード部最表面に析出膜を生じることとなる層間層を形成する層間層形成工程を備える場合は、後工程でこの析出膜を除去する析出膜除去工程を備えることができる。
【0034】
上記「層間層」は、その一部又は全部が、加熱によりリード部最表面に析出する特性を有する層であり、導電性を有する。このような層の形成目的は特に限定はされない。例えば、導電層を形成することとなる基板最表面の少なくとも一部と導電層との密着強度が十分に得られ難い場合に、導電層の密着強度を向上させるため等である。しかし、リード部の最表面のいずれかの位置には、外部との導通を図るためのボンディングワイヤが接続される。このため、析出膜を生じているとボンディングが正常に行えない場合がある。従って、この析出膜を除去する工程を備えることが好ましい。
【0035】
この層間層となる成分は特に限定されないが、リード部を構成する層の層間に形成するため、各層同士の密着性を十分に向上させることができ、更には、十分な導電性を有することが好ましい。即ち、例えば、Cr、Ti、Mo、W、Ta及びNb等を挙げることができる。これらは、1種で用いても、2種以上を同時に用いてもよい。これら層間層となる成分としては、下層として白金を用い、上層として金を用いる場合にはCr、Ti及びMoのうちの少なくとも1種を用いることが好ましく、更には、絶縁膜と導電層とのエッチング時のエッチングレートの比(選択比)が好ましい範囲となること及び化学的耐久性に優れること等からCrが特に好ましい。また、この層間層を形成する方法は特に限定されないが、例えば、前述のヒータパターンを形成する場合と同様に、所望の成分を付着堆積させることで形成することができる。また、同様に、必要で有ればエッチングにより不必要な部分を除去することができる。
【0036】
上記「加熱」は、これを行う目的は特に限定されないが、例えば、前述したリード部を飛来する異物などから保護するための保護層を形成する際に基板全体を加熱する場合がある。また、加熱温度及び加熱時間等は特に限定されないが、層間層として、例えば、前記Cr、Ti、Mo、W、Ta及びNb等を付着堆積させた場合には、250〜300℃程度で析出することがある。
【0037】
上記「析出膜」の組成等は限定されないが、例えば、層間層として用いた成分の一部又は全部である。従って、層間層として、前述のようにCr、Ti、Mo、W、Ta及びNb等を用いた場合は、これらの成分(他成分との反応の有無等をとわない)が析出することとなる。
また、この析出膜の除去方法は、特に限定されないが、前述の空間部の形成方法にて例示したものと同様な各種のエッチング方法により除去することができる。
【0038】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
1.流れ特性測定用素子の作製
▲1▼ 絶縁膜の形成
洗浄したシリコン基板11(厚さ400μm)の表裏面に絶縁薄膜13を形成した(図3参照)。この絶縁膜は、裏面側は、熱酸化法による厚さ0.1μmの酸化膜とLP(Low Pressure)CVD法による厚さ0.1μmの窒化珪素膜とからなる。一方、表面側は熱酸化法による厚さ0.1μmの酸化膜とLPCVD法による厚さ0.1μmの窒化珪素膜とプラズマCVD法による厚さ0.4μmの窒化珪素膜とからなる。尚、熱酸化法による酸化膜及びLPCVD法による窒化珪素膜は、表裏面同時に形成した。
【0039】
▲2▼ 第1層間層、ヒータパターン、ヒータパターン上流側温度測定用パターン、ヒータパターン下流側温度測定用パターン、及び、雰囲気温度測定用パターンの形成
▲1▼で得られた絶縁膜13上全面に、スパッタ法により厚さ20nmのタンタル層を形成した。その後、このタンタル層上に、更にスパッタ法により厚さ0.1μmの白金層を形成した。次いで、この白金層上にフォトレジストを塗布した後、必要部分を感光・硬化させ、その後、不必要部分を除去してレジストパターンを形成した。次いで、ウェットエッチング法により白金層のエッチング(王水を使用)を行い図11に示す形状のヒータパターン141、ヒータパターン上流温度測定用パターン142及びヒータパターン下流温度測定用143、並びに、温度補償用パターン144を形成した。更に、ドライエッチング法によりタンタル層をエッチングし、第1層間層161を形成した。その後、レンジストパターンを硫酸過水により除去した(図4及び図11参照)。
【0040】
▲3▼ 第2層間層及びリード部上層の形成
基板の絶縁膜及び各パターンが形成された面の全面に、スパッタ法により、厚さ50nmのクロム層を形成した。その後、このクロム層上に、更にスパッタ法により厚さ1μmの金層を形成した。次いで、この金層上にフォトレジストを塗布した後、必要部分を感光・硬化させ、その後、不必要部分を除去してレジストパターンを形成した。次いで、ウェットエッチング法により金層のエッチング(王水を使用)を行いリード部上層141’(ボンディングワイヤ接続位置から昇温部方向へ3.5〜4mm)を形成した。更に、ウェットエッチング法によりクロム層のエッチング(硝酸第2セリウムアンモニウム系エッチング液を使用)を行い第2層間層162(リード部上層の層下全面に形成)を形成した。その後、レンジストパターンを硫酸過水により除去した(図5参照)。
【0041】
▲4▼ 保護層の形成
基板の各パターンを備える面の全面にプラズマCVD法により、厚さ1μmの窒化珪素からなる保護層17を形成した(その際、プラズマCVD法を行うことにより温度300℃程度に基板が加熱され、少なくとも第2層間層を構成するクロムが保護層17の層下にリード部上層141’の層下から析出する。図6参照)。その後、ボンディングに必要な部位(各パターンのリード部末端付近)のみをRIE(Reactive Ion Etching)を用いたエッチング法により除去し、保護層にボンディングを行うための穴を開けた(図7参照)。
【0042】
▲5▼ 空間部の形成
▲4▼までに得られた基板の各パターンが形成されていない側の絶縁膜13の表面の所定領域を、RIEを用いたエッチング法により除去した(図8参照)。次いで、エッチングにより表面に現れたシリコン基板11を、基板の各パターンが形成されている表面側の絶縁膜の表面までを、異方性エッチング液を用いたエッチング法により除去し、空間部12を形成した(図9参照)。
【0043】
▲6▼ 析出膜の除去
▲4▼で開けられたボンディング用の穴の底部表面(リード部最表面)に析出膜18が形成されていたため、▲3▼で第2層間層のエッチングに用いた硝酸第2セリウムアンモニウム系エッチング液を用いて、ボンディング用の穴から表出した部分の析出膜を除去し(図10参照)、実験例1の素子1を得た。
▲7▼ 素子のαの算出
得られた実験例1の素子のαを算出したところα=0.01であった。
【0044】
2.αの異なる素子の作製
(i) α=0.12の素子(実験例2)の作製(図2参照)
▲1▼ 絶縁膜、第1層間層及びヒータパターン等の形成
上記1.▲1▼〜上記1.▲2▼までと同様にしてシリコン基板上に絶縁膜を形成した後、絶縁膜上に第1層間層を形成し、更に、第1層間層上にヒータパターン、ヒータパターン上流側温度測定用パターン、ヒータパターン下流側温度測定用パターン、及び、温度補償用パターンを形成した。
その後、上記1.▲3▼と同様にして、スパッタ法によりクロム層及びこのクロム層上に金層を形成した。その後、レジストパターンを形成し、上記1.▲3▼と同様にウェットエッチング法により金層をエッチングし、リード部上層141’を形成した。但し、このリード部上層は、ボンディングワイヤ接続位置から昇温部方向へ1〜2mmまでに形成し、上記1.で得られた実験例1の素子が備えるリード部上層141’に比べて短いものである。その後、上記1.▲3▼と同様にクロム層のエッチングを行って第2層間層162を形成し、更に、レンジストパターンを除去した。
【0045】
▲2▼ 保護層の形成
上記▲1▼で形成した各パターンを備える面の全面にプラズマCVD法により、厚さ1μmの窒化珪素からなる保護層を形成した。その後、上記▲1▼で形成されたリード部上層141’の全面が表出されるように、RIEを用いてエッチングを行った。
【0046】
▲3▼ 空間部の形成
上記▲2▼までに得られた基板の各パターンが形成されていない側の絶縁膜の表面の所定領域を、上記1.▲5▼と同様な方法によりエッチングして空間部を形成した。次いで、上記1.▲6▼と同様にして、析出膜を除去して実験例2の素子を得た。▲4▼ 素子のαの算出
得られた実験例2の素子のαを算出したところα=0.12であった。
【0047】
(ii) α=0.15の素子(実験例3)の作製(図13参照)
上記2.(i)▲1▼において、金層のエッチングを行った際にボンディングワイヤ接続位置から昇温部方向へ0.2mmにしか複層化されていないボンディングパッド3を形成した以外は、上記2.(i)と同様にして実験例3の素子を得た。得られた実験例3の素子のαはα=0.15であった。
【0048】
3.素子を用いた評価
▲1▼ 流れ特性測定計の製造
上記1.及び上記2.で得られた実験例1〜3の各々素子を、測定雰囲気を分流する分流管の所定位置に、素子の昇温部が分流路内(測定雰囲気側)に突出し、且つ、上記1.において保護層及び析出膜が除去された部位は分流路外(非測定雰囲気側)に突出するように隔壁に嵌挿し、固定した。次いで、保護層及び析出膜が除去された部位に表出するリード部にボンディングワイヤをボンディング接合し、更に、図12に示す回路構成となるように外部回路を接続して流れ特性測定計3種を得た。
【0049】
▲2▼ Xの測定
上記3.▲1▼で得られた各流れ特性測定計を用い、温度が25℃である測定雰囲気が流動しない状態において、ヒータパターン平均温度が175℃となるように外部回路より電圧を印加した。また、温度が25℃である測定雰囲気が流動しない状態において、基板平均温度を測定したところ各々表1のような温度であった。これらからXを算出した結果を表1に併記する。
【0050】
▲3▼ ヒータパターン平均温度の誤差率の測定
上記の各流れ特性測定計の分流路内に基板平均温度が25℃となるように、25℃の測定雰囲気を流動させた。この時、図12に表される回路により測定雰囲気温度とヒータパターン平均温度との差が175℃となるように制御した。また、ヒータパターンに印加されている電圧を元に、ヒータパターン平均温度を算出した。更に、測定雰囲気を流動させない状態におけるヒータパターン平均温度と測定雰囲気温度との差ΔTh0と、測定雰囲気を流動させ且つ上記外部回路で制御した状態におけるヒータパターン平均温度と測定雰囲気温度との差ΔTh1と、これらΔTh0とΔTh1との差(ΔTh1−ΔTh0)とを表2に示した。また、「Th0」に対する「Th1」の誤差率{(Th1−Th0)/Th0}×100を算出し、表2に併記した。
【0051】
【表1】
表中「*」は本発明の範囲外であることを示す。
【0052】
【表2】
表中「*」は本発明の範囲外であることを示す。
【0053】
表1及び表2の結果より、Xの値が0.01を超える実験例3の素子においては、表2における誤差率が1.1%となり、誤差率を1.0%以下に抑えることができないことが分かる。これに対して、実験例1及び実験例2のように、Xの値が0.01以下となる素子においては、表2における誤差率を1.0%以下に抑えることができることが分かる。即ち、誤差率が1.0%以下のより正確な流れ特性を測定することができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流れ特性測定用素子の一例の模式的な断面図である。
【図2】本発明の流れ特性測定用素子の他例の模式的な断面図である。
【図3】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図4】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図5】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図6】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図7】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図8】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図9】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図10】実施例における本発明の流れ特性測定用素子の作製過程を表す説明図である。
【図11】実験例1として作製した本発明の流れ特性測定用素子の各種パターンの形状を模式的に表す説明図である。
【図12】実験例1として作製した本発明の流れ特性測定用素子とこれに接続された外部回路とを併せた回路図である。
【図13】従来の流れ特性測定用素子の一例の模式的な断面図である。
【符号の説明】
1;流れ特性測定用素子、11;基板、12;空間部、13;絶縁膜、131;絶縁膜隔離部、141;ヒータパターン、1411;昇温部、1412;リード部、141’;リード部上層、142;ヒータパターン上流温度測定用パターン、143;ヒータパターン下流温度測定用パターン、144;温度補償用パターン、15;ボンディングワイヤ接続位置、16;層間層、17;保護層、18;析出膜、2;ボンディングワイヤ、3;ボンディングパッド、4;隔壁。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow characteristic measuring element capable of measuring a flow rate, a flow rate (mass flow rate), a temperature, a flow direction, and the like of a fluid (measurement atmosphere) and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to an element for measuring flow characteristics in which the resistance of a lead portion of a heater pattern is reduced, measurement accuracy is high, and power consumption is reduced, and a manufacturing method thereof.
The element for measuring flow characteristics of the present invention can be used for measuring the above-described characteristics of any fluid. Especially, it is suitable for the measurement of the flow velocity and / or mass flow rate of the gas, and can be used for the measurement of the intake air amount of the internal combustion engine, for example.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a part of an insulating film formed on a substrate is thermally isolated from the substrate by using a micromachining technique (this thermally isolated portion is simply referred to as an “insulating film isolating portion” hereinafter). There is known a flow characteristic measuring element (1) in which a heater pattern is arranged on the insulating film isolation part. For example, it is disclosed in JP-A-58-72059, JP-A-60-142268, JP-A-6-50783, JP-A-11-201792, and the like. Such a flow characteristic measuring element (hereinafter also simply referred to as “element”) has a voltage and electric power required to keep the temperature constant when the heat-generating element that has generated heat is cooled by the flow of the measurement atmosphere. The flow characteristics (flow velocity, etc.) are calculated from the above.
[0003]
In the element as described in the above (1), the temperature rising portion of the heater pattern, which is the part of the heating element that actually increases the temperature, and the substrate are thermally isolated, so that the heat of the temperature rising portion is applied to the substrate. Less power is consumed, and less power is required to raise the temperature to a predetermined temperature (power consumption is one to two orders of magnitude smaller than conventional thin film type flow rate sensors or hot wire type flow rate sensors). Further, since the heat of the temperature raising portion is not easily taken away by the substrate, the temperature rise of the substrate itself can be suppressed, and the temperature of the substrate can be regarded as the same as the temperature of the measurement atmosphere. For this reason, it becomes possible to keep the temperature of the temperature raising part at a constant value with respect to the temperature of the substrate regarded as the temperature of the measurement atmosphere, and it is possible to accurately measure the flow characteristics.
[0004]
Among the elements described above, the element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-50783 is an element in which only a portion related to substantial measurement is exposed in the flow path of the measurement atmosphere and the other part is disposed outside the flow path ( 2). For this reason, unlike conventional devices where the entire device is exposed to the measurement atmosphere, disconnection of bonding wires due to flying foreign matter, and short-circuiting of circuits (for example, between bonding pads) due to conductive foreign matter are prevented. It can be done.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the element as in (1), the heat of the temperature rising portion of the heater pattern is actually conducted slightly through the insulating film to the substrate, and a voltage is applied to the temperature rising portion of the heater pattern. The lead part, which is a part for this purpose, also generates heat. For this reason, the temperature of the substrate is slightly higher than the temperature of the measurement atmosphere. Therefore, when the measurement is performed by regarding the temperature of the substrate as the temperature of the measurement atmosphere, it is strictly difficult to keep the temperature of the temperature rising portion at a constant value with respect to the temperature of the measurement atmosphere.
[0006]
Further, the element as in (2) inevitably becomes longer. Along with this, the length of the lead portion becomes longer, the resistance value of the lead portion increases, and the amount of heat generated in the lead portion itself may not be negligible. In addition, an increase in the resistance value of the lead portion increases the power consumption, which is not preferable. For this reason, until now, attempts have been made to solve this problem by forming the lead pattern as thick as possible on the device. However, the thickness of the pattern of the lead part is limited depending on the size of the element. For example, in an element provided with two or more heaters, the wiring width of the lead part may be hardly expanded.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and by reducing the resistance of the lead portion of the heater pattern, measurement errors due to the resistance of the lead portion of the heater pattern are smaller than before, and measurement is performed with higher accuracy. It is another object of the present invention to provide a flow characteristic measuring element with reduced power consumption and a method for manufacturing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An element for measuring flow characteristics according to the present invention includes a substrate having a space formed of at least one of a cavity, a notch, and a recess, an insulating film formed on the substrate so as to cover at least the space, and A heater pattern formed on the insulating film, and the heater pattern includes a heating portion where the space portion is located below, and a lead portion for electrical connection between the outside and the heating portion In a flow characteristic measuring element comprising:
(1) When the heater pattern is not energized, the bonding wire that connects the outside and the lead portion is connected to the lead wire portion at a position higher than the bonding wire connecting position where the bonding wire is connected to the lead portion. The ratio of the resistance value to the resistance value of the entire heater pattern is α, and (2) the resistance of the heater pattern measured between the bonding wire connection positions of the heater pattern to which a predetermined voltage is applied in a state where the measurement atmosphere does not flow. The difference between the heater pattern average temperature calculated from the value and the measured atmosphere temperature is ΔTa, and (3) the substrate average temperature when the predetermined voltage is applied to the heater pattern in a state where the measured atmosphere does not flow, and the measured atmosphere When the difference from the temperature is ΔTb, the value X represented by the following formula [1] is 0.01 or less.
X = {α / (1-α)} × (ΔTb / ΔTa) [1]
[0009]
In the element for measuring flow characteristics of the present invention, the lead portion may be multi-layered over at least 1 mm from the bonding wire connecting position toward the temperature raising portion. Furthermore, the lead portion may be covered with an insulating protective film except for a region for connecting the bonding wire to the lead portion. The temperature raising portion is disposed on the measurement atmosphere side of the partition wall separating the measurement atmosphere and the non-measurement atmosphere, the bonding wire connection position is disposed on the non-measurement atmosphere side, and the surface of the partition wall on the non-measurement atmosphere side It can be arranged so that the distance from the bonding wire connection position to 0.2 mm or less.
[0010]
The flow characteristic measuring element manufacturing method of the present invention includes a multi-layering step of multi-layering a conductive layer serving as the lead portion on the substrate having insulating films formed on the front and back surfaces, and In the layering step, when the method includes an interlayer layer forming step for forming an interlayer layer that forms a deposited film on the outermost surface of the lead portion by heating between the layers of the conductive layer, the deposited film removal for removing the deposited film A process is provided.
[0011]
【The invention's effect】
According to the element for measuring flow characteristics of the present invention, it is possible to perform more accurate measurement in the measurement of various characteristics related to the flow, and further, it is possible to reduce power consumption in the heater pattern. In addition, by forming a multilayer in the direction from the bonding wire connection position of the lead portion to the temperature rising portion, the resistance value of the lead portion (between the bonding wire connection position and the temperature rising portion) with respect to the entire heater pattern is reduced. The ratio (hereinafter, also simply referred to as “resistance contribution ratio”) can be reduced, more accurate measurement can be performed as compared with the prior art, and power consumption in the heater pattern can be reduced. Furthermore, since the lead portion is covered with the insulating protective film except for the vicinity of the bonding wire connection position, it is possible to effectively prevent a short circuit and disconnection of the heater pattern and the like. Also, by setting the distance from the non-measurement target atmosphere side surface of the partition wall to the bonding wire connection position to be 0.2 mm or less, the resistance contribution ratio of the lead portion can be reduced as a result, and the measurement is more accurate than before. Further, power consumption in the heater pattern can be reduced.
Moreover, according to the manufacturing method of the element for measuring flow characteristics of the present invention, the element for measuring flow characteristics as described above can be obtained with certainty.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the flow characteristic measuring element of the present invention will be described in detail.
The “cavity” is a defect of the substrate opened on both the front and back surfaces of the substrate, for example, a hole such as a through hole and a communication hole. The “notch” is a defect of the substrate opened to at least one of the front and back surfaces of the substrate and opened to any one of the side surfaces of the substrate. The “recess” is a defect of the substrate opened on one of the front and back surfaces of the substrate.
[0013]
The “space part” is a part in which a part of the substrate consisting of at least one of these cavities, notches and recesses is missing, and the opening shape (including the open shape) and the internal shape are particularly It is not limited. However, the opening shape is usually a simple shape, such as a rectangle or a circle. Also, the size of the space is not particularly limited, but normally, an opening area that opens to one side of the front and back direction with respect to the substrate having one space (open area that opens to one side of the front and back in the notch) ) Is 0.25-4mm 2 Degree (especially, □ 0.5 to □ 2 mm is preferable). Any number of spaces may be provided on the substrate, and the number is not particularly limited.
[0014]
A method for forming such a space is not particularly limited, but the space can be formed by removing a part of a substrate described later by etching. The etching method used at this time is not particularly limited, and any of a wet etching method and a dry etching method (including anisotropic etching and isotropic etching, respectively) may be used. In particular, a wet etching method using an anisotropic etching solution is generally used for forming the cavity.
[0015]
The “substrate” is a portion that becomes a base of the element of the present invention. Although the material which comprises this base | substrate is not specifically limited, Usually, a semiconductor material is used. Of these, silicon substrates are frequently used. Although the shape of this board | substrate is not specifically limited, For example, it can be set as a rectangle or a circle. Moreover, the size is not limited.
[0016]
The “insulating film” is a thin film formed on the substrate so as to cover at least the space. This insulating film has a function of electrically and thermally insulating a heater pattern, which will be described later, and the substrate.
The method for forming the insulating film is not particularly limited, and can be obtained by modifying the surface of the substrate by, for example, a thermal oxidation method. Alternatively, a component that becomes an insulating film can be deposited and deposited on the surface of the substrate (can be formed by vapor deposition, sputtering, ion plating, vapor deposition, or the like). In addition, an insulating film formed in advance on the surface of the substrate can be attached.
[0017]
This insulating film may be made of any material and is not particularly limited. 2 , Si Three N Four And SiO x N y It can comprise from silicon compounds etc., such as. Further, the shape, size, thickness, and the like of the insulating film are not particularly limited, and may be a single layer film or a multilayer film. However, the insulating film isolating portion (see FIG. 11, 131 is the insulating film isolating portion in FIG. 11) located on the space portion of the insulating film usually has an area of 0.25 to 4 mm. 2 (In particular, □ 0.5 to □ 2 mm is preferable), and the thickness is about 0.5 to 2 μm.
[0018]
The “heater pattern” includes a temperature raising portion that generates heat when a voltage is applied and actually raises the temperature, and a lead portion that conducts from the outside to the temperature raising portion (see FIGS. 1 and 2). In FIG. 1 and FIG. 2, 1411 is a temperature raising portion and 1412 is a lead portion).
The method for forming the heater pattern is not particularly limited, but a predetermined material is deposited on the insulating film (can be deposited by vapor deposition, sputtering, ion plating, vapor deposition, etc.), and then It can be obtained by removing unnecessary portions by various etching methods similar to those exemplified in the method for forming the space. Although the material which comprises a heater pattern will not be specifically limited if it has electroconductivity, For example, a platinum single-piece | unit, a platinum alloy, a nickel alloy, a chromium alloy etc. can be used. Among them, it is preferable to use platinum alone or a nickel-chromium alloy because the resistance temperature coefficient is large and the resistance value and the resistance temperature coefficient hardly change even after repeated use over a long period of time.
[0019]
The “temperature raising part” is a part of the heater pattern in which the space part is located below, regardless of the pattern shape of the heater pattern, and regardless of whether heat is generated by applying a voltage, It is a part where the temperature can be actually increased by applying voltage {even if the pattern of the heater pattern is difficult to generate heat (for example, the line width is wide, etc.) because it is located on the insulating film isolation part The portion where there is almost no heat conduction to the substrate and the temperature can actually be raised is the temperature raising portion}.
[0020]
The “lead part” is a part of a heater pattern in which no space part is positioned below and the outside (outside the element) and the temperature raising part are electrically connected to each other (however, a bonding wire described later leads to the outside). Between the part). Regardless of the pattern shape of the heater pattern (for example, even if the lead portion has a shape suitable for heat generation, for example, part of the lead portion is narrowed) The part that is difficult to increase due to heat conduction or does not increase in temperature is included in the lead part), and is not related to whether or not heat is generated due to the application of voltage (even if it generates heat, on the insulating film isolation part) (There is no temperature rise due to heat conduction to the substrate.) In the following description, the portion of the lead portion that is actually involved in conduction from the bonding wire connecting position to the temperature raising portion is referred to as “real conduction lead portion”.
[0021]
As the resistance contribution ratio of the actual conductive lead portion is as small as possible, a highly accurate measurement can be performed. For this reason, it is preferable to make the wiring width of the lead portion as wide as possible. However, there is a limit to increasing the wiring width in the plane direction on the substrate. For this reason, the lead portion (which may be only the actual conductive lead portion) may be a single layer, but the resistance contribution ratio can also be reduced by making it into multiple layers. In particular, it is more preferable to form the wiring width as wide as possible and to form a multilayer.
[0022]
Multiple layers may be formed at any position of the actual conductive lead portion {see FIGS. 1 and 2}. Moreover, it may be multi-layered in any number of layers, and is not particularly limited. In addition, the length to be multilayered is not particularly limited, but in particular, at least 1 mm or more (more preferably 2 mm or more, or even the whole) is multilayered from the bonding wire connection position toward the temperature rising portion. Is preferred. If the thickness is less than 1 mm, it is difficult to sufficiently exert the effect of the multilayering. In addition, each of the multilayered layers may be made of the same material, but may be a layer made of a different material. In particular, it is not necessary to use the metal exemplified as the heater pattern because a part of the layer that is the upper layer of the actual conductive lead portion does not need to generate heat as in the temperature rising portion, rather, highly conductive gold, It is preferably composed of gold alloy, aluminum, aluminum alloy, silver, silver alloy, copper, copper alloy or the like. Thereby, the resistance value of the actual conduction lead portion can be effectively reduced.
[0023]
In addition, it is preferable that the lead portion is covered with a protective layer in a region located in the measurement atmosphere {see FIG. 1 and FIG. 2], and further, the protective layer is excluded except for a region for connecting a bonding wire. Is preferably covered by {see FIG. 1}. Thereby, disconnection of the lead part by the foreign material which flies from measurement atmosphere, and the short circuit of the lead parts by the conductive foreign material which flies can be prevented.
[0024]
The “protective layer” is an insulating layer. The components constituting this protective layer are not particularly limited, but for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , SiO x N y , Al 2 O 3 And Ta 2 O 5 Etc. Moreover, the thickness, shape, etc. of a protective layer are not specifically limited. Further, the method for forming this protective layer is not particularly limited, but it is unnecessary, for example, by various etching methods similar to those exemplified in the above-described method for forming the space after depositing and depositing similarly to the formation of the heater pattern. It can be obtained by removing the various parts. It can also be obtained by baking after applying a component to be an insulating film.
[0025]
The “bonding wire” is a thin line {2 in FIGS. 1 and 2] for conducting between the lead portion and the outside when the element of the present invention is actually used for measurement of flow characteristics. However, it is not a component of the element). The length, thickness, shape and material of the bonding wire are not particularly limited (usually gold or aluminum is used as the material).
The “region for connection” is a region necessary for bonding the bonding wire to the lead portion. The area and shape of the region are not particularly limited, but are usually regions that are similar to the cross-section of the bonding wire to be connected and that have a cross-sectional area that is four times the cross-section of the bonding wire.
[0026]
In addition, in the heater pattern of the element of the present invention, for example, when the heater pattern is formed in a U-shape from a portion that is not the insulating film isolation portion to a portion that straddles the insulating film isolation portion and is not the insulating film isolation portion, The part located on the membrane isolation part is the temperature raising part, and the part extending from the two ends of the U-shaped system to this temperature raising part is the lead part. Further, the portion corresponding to the U-shaped bottom portion that is not located on the insulating film isolation portion generated by straddling the insulating film isolation portion is attributed to the lead portion.
[0027]
The “α” is the ratio of the resistance value of the actual conduction lead portion to the resistance value of the entire heater pattern when the heater pattern is not energized. This α is preferably small, but the value is not particularly limited, and X given by the above formula [1] may be 0.01 or less.
The “heater pattern average temperature” is obtained by applying a predetermined voltage to the heater pattern in a state where the measurement atmosphere does not flow, measuring the resistance value between the bonding wire connection positions, and obtaining the resistance value R 1 And resistance value R between bonding wire connection positions at 0 ° C. 0 , And c, which is the resistance temperature coefficient of the heater pattern, is a calculated value calculated by the following equation [2].
T = (R 1 / R 0 -1) / c [2]
[0028]
The “measurement atmosphere temperature” is the temperature of the atmosphere to be measured. The measurement method of this measurement atmosphere temperature is not specifically limited, For example, it can measure using a radiation (infrared ray) thermometer etc. Usually, the element itself is provided with a resistor pattern for temperature measurement (pattern for atmospheric temperature measurement, temperature compensation pattern for substrate average temperature measurement, etc.), so that no voltage is applied to the heater pattern. The resistance value of this resistor pattern is measured, and the measured ambient temperature can be calculated from this resistance value.
[0029]
The “substrate average temperature” is an average temperature of the substrate in a state where the heater pattern is energized. The measurement method of this board | substrate average temperature is not specifically limited, For example, it can measure using a radiation | emission (infrared ray) thermometer etc. Usually, the substrate average temperature can be calculated from the resistance value of a temperature measurement resistor pattern (a substrate average temperature measurement pattern, a temperature compensation pattern also used for atmospheric temperature measurement, etc.) provided in the element itself.
[0030]
The “X” is not particularly limited as long as it is 0.01 or less. If X exceeds 0.01, it is not preferable because a measurement error caused by the heat generated in the actual conductive lead portion increases. That is, for example, when the measurement atmosphere temperature is 25 ° C. and the element is controlled using a bridge circuit that attempts to maintain the heater pattern average temperature at 200 ° C., the heater pattern average temperature and measurement in a state where the measurement atmosphere does not flow ΔT is the difference from the ambient temperature h0 The difference between the average temperature of the heater pattern and the measured ambient temperature in a state where the measured atmosphere is flowed and controlled by the bridge circuit is ΔT h1 T h0 T against h1 Is the error rate of {(T h1 -T h0 ) / T h0 } The ratio represented by × 100 exceeds 1%, which is not preferable (see Examples).
[0031]
When measuring the flow characteristics using the element of the present invention, as described above, the temperature raising portion is disposed on the measurement atmosphere side, the bonding wire connection position is disposed on the non-measurement atmosphere side, and It is preferable that the distance from the surface on the non-measurement atmosphere side of the partition wall to the bonding wire connection position is 0.2 mm or less (more preferably 0.1 mm or less, still more preferably 0.05 mm or less). Thereby, the length of a lead part becomes short and the resistance contribution rate of a lead part can be reduced.
[0032]
In addition to the heater pattern described above, the element of the present invention includes a temperature measurement pattern {for atmospheric temperature measurement, substrate average temperature measurement, heater pattern upstream temperature measurement, heater pattern downstream temperature measurement, temperature One or more resistor patterns such as for compensation resistance (used for measuring atmospheric temperature and average substrate temperature)} can be provided. Although the formation method of these patterns is not specifically limited, It can obtain by the method similar to the said heater pattern. Moreover, the material which comprises these patterns is not specifically limited, The same thing as what was illustrated in the said heater pattern is applicable. Each of these patterns can be formed simultaneously with the formation of the heater pattern on the same layer as the layer on which the heater pattern is formed.
[0033]
In the production of such a flow characteristic measuring element, the method is not particularly limited, but each component can be formed as described above. However, in order to at least make the actual conductive lead part multi-layered, the case where an interlayer layer forming step for forming an interlayer layer that forms a deposited film on the outermost surface of the lead part by heating between the layers of the conductive layer as the lead part is provided. Can be provided with a deposited film removing step of removing the deposited film in a subsequent step.
[0034]
The “interlayer” is a layer having a property that part or all of it is deposited on the outermost surface of the lead portion by heating, and has conductivity. The purpose of forming such a layer is not particularly limited. For example, in order to improve the adhesion strength of the conductive layer when it is difficult to obtain a sufficient adhesion strength between the conductive layer and at least a part of the outermost surface of the substrate on which the conductive layer is to be formed. However, a bonding wire for connection with the outside is connected to any position on the outermost surface of the lead portion. For this reason, if a deposited film is formed, bonding may not be performed normally. Therefore, it is preferable to provide a step of removing the deposited film.
[0035]
There are no particular restrictions on the component that forms the interlayer layer, but since it is formed between the layers of the layers constituting the lead portion, the adhesion between the layers can be sufficiently improved, and furthermore, it has sufficient conductivity. preferable. That is, for example, Cr, Ti, Mo, W, Ta, Nb, etc. can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. As a component for these interlayer layers, when platinum is used for the lower layer and gold is used for the upper layer, it is preferable to use at least one of Cr, Ti, and Mo, and further, an insulating film and a conductive layer. Cr is particularly preferable because the etching rate ratio (selection ratio) at the time of etching falls within a preferable range and is excellent in chemical durability. The method for forming this interlayer layer is not particularly limited, but for example, it can be formed by depositing and depositing a desired component, as in the case of forming the heater pattern described above. Similarly, if necessary, unnecessary portions can be removed by etching.
[0036]
The purpose of performing the “heating” is not particularly limited, but for example, the entire substrate may be heated when a protective layer for protecting the lead portion from flying foreign matter or the like is formed. Further, the heating temperature and the heating time are not particularly limited. For example, when the above-described Cr, Ti, Mo, W, Ta, Nb, or the like is deposited as an interlayer, it is deposited at about 250 to 300 ° C. Sometimes.
[0037]
The composition or the like of the “deposited film” is not limited, but is, for example, a part or all of the components used as the interlayer. Therefore, when Cr, Ti, Mo, W, Ta, Nb or the like is used as an interlayer as described above, these components (regardless of the presence or absence of reaction with other components) are precipitated. Become.
The method for removing the deposited film is not particularly limited, but can be removed by various etching methods similar to those exemplified in the method for forming the space portion.
[0038]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
1. Fabrication of flow characteristics measuring element
(1) Formation of insulating film
An insulating
[0039]
(2) Formation of first interlayer layer, heater pattern, heater pattern upstream temperature measurement pattern, heater pattern downstream temperature measurement pattern, and ambient temperature measurement pattern
A tantalum layer having a thickness of 20 nm was formed on the entire surface of the insulating
[0040]
(3) Formation of second interlayer and upper layer of lead part
A chromium layer having a thickness of 50 nm was formed by sputtering on the entire surface of the substrate on which the insulating film and each pattern were formed. Thereafter, a gold layer having a thickness of 1 μm was further formed on the chromium layer by sputtering. Next, after applying a photoresist on the gold layer, necessary portions were exposed and cured, and then unnecessary portions were removed to form a resist pattern. Next, etching of the gold layer (using aqua regia) was performed by a wet etching method to form a lead portion
[0041]
(4) Formation of protective layer
A
[0042]
(5) Formation of space
A predetermined region on the surface of the insulating
[0043]
(6) Removal of deposited film
Since the deposited
▲ 7 ▼ Calculation of element α
Α of the obtained element of Experimental Example 1 was calculated to be α = 0.01.
[0044]
2. Fabrication of elements with different α
(I) Fabrication of device with α = 0.12 (Experimental example 2) (see FIG. 2)
(1) Formation of insulating film, first interlayer layer, heater pattern, etc.
Above 1. (1) to 1 above. After forming an insulating film on the silicon substrate in the same manner as in (2) above, a first interlayer layer is formed on the insulating film, and further a heater pattern and a heater pattern upstream temperature measurement pattern are formed on the first interlayer layer. The heater pattern downstream temperature measurement pattern and the temperature compensation pattern were formed.
Thereafter, the above 1. In the same manner as (3), a chromium layer and a gold layer were formed on the chromium layer by sputtering. Thereafter, a resist pattern is formed, and the above 1. The gold layer was etched by the wet etching method in the same manner as in (3) to form the lead portion
[0045]
(2) Formation of protective layer
A protective layer made of silicon nitride having a thickness of 1 μm was formed on the entire surface provided with each pattern formed in (1) above by plasma CVD. Thereafter, etching was performed using RIE so that the entire surface of the lead portion
[0046]
(3) Formation of space
A predetermined region on the surface of the insulating film on the side where the respective patterns of the substrate obtained up to the above (2) are not formed is defined in the above 1. A space was formed by etching in the same manner as in (5). Next, the above 1. In the same manner as (6), the deposited film was removed to obtain the device of Experimental Example 2. (4) Calculation of element α
Α of the obtained element of Experimental Example 2 was calculated to be α = 0.12.
[0047]
(Ii) Fabrication of element with α = 0.15 (Experimental Example 3) (see FIG. 13)
2. (I) In (1) above, except that the
[0048]
3. Evaluation using elements
(1) Manufacture of flow characteristic measuring instrument
Above 1. And 2. Each element of Experimental Examples 1 to 3 obtained in 1 above is projected to a predetermined position of a diverter pipe for diverting the measurement atmosphere, the temperature rising portion of the element protrudes into the diversion channel (measurement atmosphere side), and 1. The part from which the protective layer and the deposited film were removed was inserted into the partition wall and fixed so as to protrude out of the branch channel (non-measurement atmosphere side). Next, a bonding wire is bonded to the lead portion exposed at the site where the protective layer and the deposited film are removed, and an external circuit is connected so as to obtain the circuit configuration shown in FIG. Got.
[0049]
(2) X measurement
3. above. Using each flow characteristic measuring instrument obtained in (1), a voltage was applied from an external circuit so that the heater pattern average temperature was 175 ° C. in a state where the measurement atmosphere having a temperature of 25 ° C. did not flow. In addition, when the measurement atmosphere having a temperature of 25 ° C. did not flow, the average substrate temperature was measured and found to be as shown in Table 1. The results of calculating X from these are also shown in Table 1.
[0050]
(3) Measurement of error rate of heater pattern average temperature
The measurement atmosphere at 25 ° C. was caused to flow so that the average substrate temperature was 25 ° C. in the branch flow path of each flow characteristic measuring instrument. At this time, the circuit shown in FIG. 12 was controlled so that the difference between the measured ambient temperature and the heater pattern average temperature was 175 ° C. The heater pattern average temperature was calculated based on the voltage applied to the heater pattern. Furthermore, the difference ΔT between the heater pattern average temperature and the measured atmosphere temperature in a state where the measured atmosphere does not flow h0 Difference ΔT between the heater pattern average temperature and the measured ambient temperature in a state where the measured atmosphere is flowed and controlled by the external circuit h1 And these ΔT h0 And ΔT h1 Difference (ΔT h1 -ΔT h0 Are shown in Table 2. Also, “T h0 "T" h1 Error rate of { h1 -T h0 ) / T h0 } × 100 was calculated and shown in Table 2.
[0051]
[Table 1]
“*” In the table indicates that it is outside the scope of the present invention.
[0052]
[Table 2]
“*” In the table indicates that it is outside the scope of the present invention.
[0053]
From the results of Tables 1 and 2, in the element of Experimental Example 3 in which the value of X exceeds 0.01, the error rate in Table 2 is 1.1%, and the error rate can be suppressed to 1.0% or less. I understand that I can't. On the other hand, as shown in Experimental Example 1 and Experimental Example 2, it is understood that the error rate in Table 2 can be suppressed to 1.0% or less in the element where the value of X is 0.01 or less. That is, it can be seen that more accurate flow characteristics with an error rate of 1.0% or less can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a flow characteristic measuring element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another example of the flow characteristic measuring element of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a flow characteristic measuring element of the present invention in an example.
FIG. 4 is an explanatory view showing a process of manufacturing a flow characteristic measuring element of the present invention in an example.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a flow characteristic measuring element of the present invention in an example.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the flow characteristic measuring element of the present invention in Examples.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a flow characteristic measuring element of the present invention in an example.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the element for measuring flow characteristics of the present invention in Examples.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a flow characteristic measuring element of the present invention in an example.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the element for measuring flow characteristics of the present invention in Examples.
11 is an explanatory view schematically showing the shapes of various patterns of the flow characteristic measuring element of the present invention produced as Experimental Example 1. FIG.
12 is a circuit diagram in which a flow characteristic measuring element of the present invention manufactured as Experimental Example 1 and an external circuit connected thereto are combined. FIG.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an example of a conventional flow characteristic measuring element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
(1)ヒータパターン非通電時であって、外部と上記リード部とを導通するボンディングワイヤが該リード部上に接続されるボンディングワイヤ接続位置よりも上記昇温部側に位置する該リード部の抵抗値の、該ヒータパターン全体の抵抗値に対する割合をαとし、(2)測定雰囲気が流動しない状態で所定電圧を印加したヒータパターンの該ボンディングワイヤ接続位置間で測定される該ヒータパターンの抵抗値から算出されるヒータパターン平均温度と、測定雰囲気温度との差をΔTaとし、且つ、(3)測定雰囲気が流動しない状態で所定電圧をヒータパターンに印加した時の基板平均温度と、測定雰囲気温度との差をΔTbとした場合に、下記式[1]で表される値Xが0.01以下となることを特徴とする流れ特性測定用素子。
X={α/(1−α)}×(ΔTb/ΔTa) ・・・ [1]A substrate having a space formed of at least one of a cavity, a notch, and a recess; an insulating film formed on the substrate so as to cover at least the space; and a heater pattern formed on the insulating film; And the heater pattern is a flow characteristic measuring element including a temperature rising portion in which the space portion is located below and a lead portion for electrical connection between the outside and the temperature rising portion.
(1) When the heater pattern is not energized, the bonding wire that connects the outside and the lead portion is connected to the lead wire portion at a position higher than the bonding wire connecting position where the bonding wire is connected to the lead portion. The ratio of the resistance value to the resistance value of the entire heater pattern is α, and (2) the resistance of the heater pattern measured between the bonding wire connection positions of the heater pattern to which a predetermined voltage is applied in a state where the measurement atmosphere does not flow. The difference between the heater pattern average temperature calculated from the value and the measured atmosphere temperature is ΔTa, and (3) the substrate average temperature when the predetermined voltage is applied to the heater pattern in a state where the measured atmosphere does not flow, and the measured atmosphere A flow characteristic measuring element, wherein a value X expressed by the following formula [1] is 0.01 or less when a difference from temperature is ΔTb.
X = {α / (1-α)} × (ΔTb / ΔTa) [1]
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