JP4882732B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を検出する半導体装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、流体の流量を検出する半導体装置が知られている。

この種の半導体装置は、半導体基板上に発熱体（発熱抵抗体）と該発熱体近傍の温度を感知する感温体（側温抵抗体）とが形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成されている。
特許第３４６８７３１号

ところで、流体（例えば空気）中には水分が含まれる。したがって、上述した半導体装置によって流体の流量を検出した場合、水分量の分だけ誤差が生じてしまう。このような誤差は、特に車両内燃機関の燃料噴射制御のように、高精度の流量（空気量）を必要とする用途においては、好ましくないものである。

本発明は上記問題点に鑑み、流量の検出精度を向上することのできる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、湿度検出部は、流量検出部の少なくとも発熱体よりも、流体の流れ方向において上流側に形成されており、半導体基板上に、通電により発熱して、湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、湿度用ヒータと発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、半導体基板には、流量検出部形成領域のうち、発熱体に対応する直下領域と、湿度検出部の形成領域の直下領域に、半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、半導体基板の厚さ方向において、発熱体に対応する低熱伝導領域と湿度検出部に対応する低熱伝導領域とで、深さが異なることを特徴とする。

このように本発明によれば、湿度検出部を備えるので、流体中に含まれる水分量を補正しない構成に比べて、流量の検出精度を向上することができる。また、湿度検出部が、同一の半導体基板であって流量検出部形成領域の近傍に形成されているので、流量検出部とは別の基板に構成された湿度センサを備える構成に比べて、流量検出部により近い位置の流体の湿度を検出することができる。すなわち、流量の検出精度を向上することができる。また、湿度検出部が、流量検出部を構成する発熱体の熱の影響を受けるのを、抑制することができる。したがって、湿度検出部が精度良く湿度を検出することができるので、結果として流量の検出精度をより向上することができる。また、流量検出部と湿度検出部が同一の半導体基板に構成されているので、流量検出部とは別の基板に構成された湿度センサを備える構成に比べて、体格の小型化を図ることができる。

また、感湿膜の劣化によって感湿膜中から抜けにくくなった水分を湿度用ヒータによって飛ばして、感湿膜を回復させることができる。また、湿度用ヒータと発熱体とを１つの配線部として構成しているので、構成を簡素化し、体格を小型化することができる。また、製造工程も簡素化することができる。さらには、半導体基板側への伝熱量を、発熱体と湿度用ヒータとで異なる状態とすることができる。すなわち、流量検出部と湿度検出部とを、それぞれ適した温度とすることができる。

次に、請求項２に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、湿度検出部は、流体の流れに沿う方向において流量検出部の上流部位及び下流部位を除く流量検出部の近傍部位に形成されており、半導体基板上に、通電により発熱して、湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、湿度用ヒータと発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、半導体基板には、流量検出部形成領域のうち、発熱体に対応する直下領域と、湿度検出部の形成領域の直下領域に、半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、半導体基板の厚さ方向において、発熱体に対応する低熱伝導領域と湿度検出部に対応する低熱伝導領域とで、深さが異なることを特徴とする。このような構成としても、請求項１に記載の発明と同様な効果を期待することができる。

具体的には、請求項３に記載のように、それぞれの低熱伝導領域を空洞部としても良いし、請求項４に記載のようにそれぞれの低熱伝導領域を多孔質シリコンが配置された領域としても良い。

次に、請求項５に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、湿度検出部は、流量検出部の少なくとも発熱体よりも、流体の流れ方向において上流側に形成されており、半導体基板上に、通電により発熱して、湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、湿度用ヒータと発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、半導体基板には、流量検出部形成領域のうち、発熱体に対応する直下領域と、湿度検出部の形成領域の直下領域に、半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、発熱体に対応する低熱伝導領域と湿度検出部に対応する低熱伝導領域の一方が空洞部であり、他方が多孔質シリコンが配置された領域であることを特徴とする。このような構成としても、空洞部と多孔質シリコンとの熱伝導率の違いによって、半導体基板側への伝熱量を、発熱体と湿度用ヒータとで異なる状態とすることができる。すなわち、請求項１に記載の発明と同様な効果を期待することができる。

次に、請求項６に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、湿度検出部は、流体の流れに沿う方向において流量検出部の上流部位及び下流部位を除く流量検出部の近傍部位に形成されており、半導体基板上に、通電により発熱して、湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、湿度用ヒータと発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、半導体基板には、流量検出部形成領域のうち、発熱体に対応する直下領域と、湿度検出部の形成領域の直下領域に、半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、発熱体に対応する低熱伝導領域と湿度検出部に対応する低熱伝導領域の一方が空洞部であり、他方が多孔質シリコンが配置された領域であることを特徴とする。このような構成としても、空洞部と多孔質シリコンとの熱伝導率の違いによって、半導体基板側への伝熱量を、発熱体と湿度用ヒータとで異なる状態とすることができる。すなわち、請求項２に記載の発明と同様な効果を期待することができる。

また、請求項７に記載のように、湿度用ヒータと発熱体とで、配線部の幅が異なる構成としても良い。このような構成としても、流量検出部と湿度検出部とを、それぞれ適した温度とすることができる。

請求項１又は請求項５において、半導体基板における流量検出部と湿度検出部の配置としては、請求項８に記載のように、湿度検出部が、流体の流れ方向に沿って流量検出部に隣接形成された構成とすることができる。また、請求項９に記載のように、湿度検出部が、流体の流れ方向に沿って流量検出部と並列に配置するように形成された構成とすることができる。

次に、湿度検出部が、半導体基板上に形成された導電材料からなる一対の電極と、半導体基板上であって少なくとも電極間に配置され、湿度変化に応じて比誘電率又はインピーダンスが変化する感湿膜とを有し、半導体基板上には、流量検出部及び湿度検出部の検出信号に基づく信号を外部に出力するパッドが形成され、パッドと外部接続端子としてのリードとの接続部位を含み、流量検出部及び湿度検出部の形成領域を除く半導体基板の一部が、封止樹脂によって被覆され、半導体基板の、封止樹脂による被覆部位の少なくとも一部と封止樹脂との間には、半導体基板と封止樹脂との密着力を高める高分子膜が配置される構成においては、請求項１０に記載のように、高分子膜が感湿膜と同一材料を用いて形成されても良い。このように、高分子膜と感湿膜との構成材料を同一とすると、構成を簡素化することができる。また、製造工程も簡素化することができる。

なお、請求項１１に記載のように、感湿膜と高分子膜の少なくとも一部とが一体的に形成された構成としても良いし、請求項１２に記載のように、感湿膜と高分子膜とが、互いに分離形成された構成としても良い。請求項１１に記載の構成とすると、体格をより小型化することも可能である。また、請求項１２に記載の構成において、請求項１３に記載のように、高分子膜が封止樹脂によって完全に被覆された構成とすると、パッドとリードとの接続部位の水分によって腐食する場合には、腐食を抑制することができる。

請求項１４に記載のように、湿度検出部を構成する感湿膜としてポリイミドを採用すると良い。ポリイミドは、水分の吸着量によって比誘電率が変化するので、湿度検出部が容量式の湿度センサとして機能する。また、ポリイミドは、シリコンからなる半導体基板とエポキシ樹脂等の封止樹脂との密着力を高めることができる。

なかでも、請求項１５に記載のように、感湿膜として、基本となる分子鎖の末端同士が連結され、網目構造を形成したポリイミドを採用することが好ましい。このようなポリイミドは、高温高湿下において吸着水が凝集するときに生じる感湿膜の膨潤を抑制することができる。換言すれば、ポリイミド分子間に水分が侵入しがたいので、高分子膜が直接的又は感湿膜を介して間接的に封止樹脂外に露出する構成であって、パッドとリードとの接続部位の水分によって腐食する場合に、腐食を抑制することができる。

次に、半導体基板の同一面側に流量検出部と湿度検出部とが形成される構成においては、請求項１６に記載のように、流量検出部形成領域のうち、少なくとも発熱体の形成領域と、湿度検出部の形成領域との間に、一面から所定深さを有する溝部が形成されると良い。

このような構成とすると、流量検出部と湿度検出部が同一の半導体基板に構成されながらも、溝部の形成されない構成に比べて、流量検出部と湿度検出部との間における伝熱を抑制することができる。すなわち、流量の検出精度をより向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的な断面図である。図３は、流量検出部周辺の拡大平面図である。図４は、湿度検出部周辺の拡大平面図である。図５は、半導体基板における感湿膜と高分子膜と位置関係を示す模式的な平面図である。図２においては、便宜上、流量検出部や回路部を省略して図示している。また、図３及び図４においては、便宜上、保護膜等の絶縁膜を省略して図示している。なお、以下に示す図において、白抜き矢印は通常時の流体の流れ方向を示している。

図１及び図２に示すように、半導体基板１１０には、半導体装置１００の要部として、流体の流量を検出する流量検出部１２０と、流体の湿度を検出する湿度検出部１３０とが形成されている。すなわち、１つのチップに流量検出部１２０と湿度検出部１３０が集積されている。

流量検出部１２０は、所謂熱式の流量センサとして構成されている。具体的には、図２及び図３に示すように、半導体基板１１０としてのシリコン基板における流量検出部形成領域の一部に、低熱伝導領域としての流量用空洞部１１１が形成されて、流量用空洞部１１１上に絶縁膜からなる薄肉部１１２（メンブレン）が構成されている。より詳しくは、流量検出部形成面の裏面側から半導体基板１１０が異方性エッチングされて、薄肉部１１２が構成されている。なお、図３においては、破線で囲まれた２つの矩形領域のうち、小さい領域内が薄肉部１１２であり、大きい領域が流量用空洞部１１１の開口面１１３を示している。薄肉部１１２は、薄肉部１１２以外の半導体基板１１０の他部位と比べて非常に薄く形成されているため熱容量が低く抑えられ、他部位との熱的な絶縁が確保されている。

薄肉部１１２上には、図３に示すように発熱体１２１，１２２が形成されている。発熱体１２１は、流体の流れ方向に対して上流側に配置された上流側発熱体であり、発熱体１２２は流体の流れ方向に対して下流側に配置された下流側発熱体である。また、一対の発熱体１２１，１２２を挟むようにして、測温抵抗体からなる一対の感温体１２３，１２４が、薄肉部１１２よりも厚い薄肉部１１２の周辺領域であって流体の上流側と下流側にそれぞれ形成されている。なお、発熱体１２２，１２２、及び、感温体１２３，１２４は、図３に示すように、配線部１２５の一部としてそれぞれ形成されており、配線部１２５は後述する回路部１４０との繋ぎ配線としての機能も果たしている。なお、配線部１２５の構成材料としては、例えば不純物が適宜添加された多結晶シリコンや、Ｐｔなどの金属といった公知の配線材料を採用することができる。

このように構成される流量検出部１２０においては、本実施形態に係る発熱体１２１，１２２が、電流の供給量によって発熱する機能に加えて、それ自身の抵抗値の変化に基づいて、自身の温度を感知する機能も有している。そして、上流側と下流側の各発熱体１２１，１２２で生じる熱のうち、流体によって奪われる熱に基づき、流体の流量が検出される。また、上流側の発熱体１２１と下流側の発熱体１２２とのそれぞれに生じる熱のうち、流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向が検出される。さらに、上流側の発熱体１２１と上流側の感温体１２３との温度差、及び、下流側の発熱体１２２と下流側の感温体１２４との温度差に基づき、各発熱体１２１，１２２に供給される電流量が制御される。なお、上述した流量検出部１２０の詳細については、本出願人による例えば特開２００４−２０５４９８号公報を参照されたい。

湿度検出部１３０は、所謂容量式の湿度センサとして構成されている。具体的には、図４に示すように、半導体基板１１０としてのシリコン基板の、流量検出部形成面と同一面上に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁膜（図示略）を介して、一対の検出電極１３１，１３２が互いに離間しつつ対向するように形成されている。より詳しくは、検出電極１３１，１３２の形状として、櫛歯形状を採用している。また、検出電極１３１，１３２に隣接して、一対の参照電極１３４，１３５が、検出電極形成面と同一平面において、互いに離間しつつ対向するように形成されている。本実施形態においては、参照電極１３４，１３５が、検出電極１３１，１３２と同一の材料を用いて、同一パターンに形成されている。より詳しくは、検出電極１３１，１３２及び参照電極１３４，１３５が、ともに櫛歯状に形成されている。なお、検出電極１３１，１３２及び参照電極１３４，１３５の構成材料としては、例えば不純物が適宜添加された多結晶シリコンや、Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕなどの金属といった公知の配線材料を採用することができる。

そして、検出電極１３１，１３２及び参照電極１３４，１３５を覆うように、半導体基板１１０上にシリコン窒化膜などの保護膜（図示略）が形成され、この保護膜上に、検出電極１３１，１３２及び検出電極１３１，１３２間を覆うように、例えばポリイミドなどの感湿材料からなる感湿膜１３３が形成されている。なお、検出電極１３１，１３２及び参照電極１３４，１３４に水分に対する耐食性がある場合には、保護膜を形成しなくとも良い。

このように構成される湿度検出部１３０においては、感湿膜１３３中に水分が浸透すると、水分の比誘電率が大きいため、浸透した水分量に応じて感湿膜１３３の比誘電率が変化する。その結果、感湿膜１３３を誘電体の一部として検出電極１３１，１３２によって構成されるコンデンサの静電容量が変化する。それに対し、参照電極１３４，１３５側には感湿膜１３３が設けられていないため、参照電極１３４，１３５によって構成されるコンデンサの静電容量は、変化しないか、変化しても僅かである。感湿膜１３３内に含まれる水分量は、湿度検出部１３０の周囲の湿度に対応するため、検出電極１３１，１３２間の静電容量と参照電極１３４，１３５間の静電容量との容量差から湿度を検出することができる。

なお、半導体基板１１０には、図１に示すように、上述した流量検出部１２０及び湿度検出部１３０以外にも、回路部１４０が形成されている。この回路部１４０は、ＭＯＳトランジスタやダイオードなどの素子や配線から構成され、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０と電気的に接続されている。そして、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０から出力された信号を処理する信号処理回路や検出時において各流量検出部１２０，湿度検出部１３０に印加される信号を生成する回路などを含んでいる。図１においては、便宜上、半導体基板１１０のうち、流量検出部１２０と湿度検出部１３０の形成領域を除く領域に回路部１４０を示している（図１中の破線）が、回路部１４０の形成領域は流量用空洞部１１１を除く部位であれば特に限定されるものではない。

半導体基板１１０に構成された回路部１４０の端部には、電極としてのパッド１５０が形成されており、このパッド１５０は、外部出力端子としてのリード１６０とワイヤ１７０を介して接続されている。したがって、回路部１４０と外部（例えば外部ＥＣＵ）とが、リード１６０を介して電気的に信号を授受することができる。また、半導体基板１１０は、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０の形成面の裏面を搭載面として、支持部材１８０に例えば接着によって固定されている。本実施形態においては、支持部材１８０が、リード１６０とともにリードフレームの一部として構成されており、支持部材１８０における流量用空洞部１１１に対応する部位に、流量用空洞部１１１と外部との間において流体を流通可能とする流通部１８１としての貫通孔が形成されている。そして、パッド１５０を含み、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０の形成領域を除く半導体基板１１０の一部、この半導体基板１１０の一部に対応する支持部材１８０の一部、ワイヤ１７０、及びリード１６０の一部が、エポキシ樹脂などの封止樹脂１９０によって一体的に被覆（モールド）されている。なお、上述したリードフレームは、封止樹脂１９０が硬化された状態で、不要部分が除去され、図１及び図２に示すように、リード１６０と支持部材１８０が分離されている。

このように本実施形態に係る半導体装置１００によれば、流量検出部１２０だけでなく湿度検出部１３０を備えるので、流体中に含まれる水分量を補正しない構成に比べて、流量の検出精度を向上することができる。

また、湿度検出部１３０が、同一の半導体基板１１０であって流量検出部１２０の形成領域近傍に形成されているので、流量検出部１２０とは別の基板に構成された湿度センサを備える構成に比べて、流量検出部１２０により近い位置の流体の湿度を検出することができる。すなわち、流量の検出精度をより向上することができる。

また、流量検出部１２０と湿度検出部１３０が同一の半導体基板１１０に構成されているので、流量検出部１２０とは別の基板に構成された湿度センサを備える構成に比べて、体格の小型化を図ることができる。

次に、半導体装置１００の、流量検出部１２０と湿度検出部１３０が１チップに集積化された点以外の特徴点について、図１及び図５を用いて説明する。

先ず、流量検出部１２０と湿度検出部１３０との配置に特徴を持たせている。例えば湿度検出部１３０を流量検出部１２０よりも下流側とすると、流量検出部１２０を構成する発熱体１２１，１２２の熱の奪った流体が、発熱体１２１，１２２よりも下流側に位置する湿度検出部１３０に対して熱を与える恐れがある。すなわち、湿度検出部１３０の湿度検出精度が低下する恐れがある。特に半導体基板１１０の同一面側に流量検出部１２０と湿度検出部１３０が構成される場合にはこの問題が生じやすい。

これに対し、本実施形態においては、図１に示すように、半導体基板１１０の同一面側において、流体の流れ方向に沿って流量検出部１２０と湿度検出部１３０が並んで形成され、且つ、湿度検出部１３０を流量検出部１２０よりも上流側としている。したがって、流体が通常の流れ方向であれば、流体を介した伝熱を抑制することができるので、湿度検出部１３０を流量検出部１２０よりも下流側とする構成に比べて、湿度検出部１３０が受ける発熱体１２１，１２２の熱の影響を低減することができる。すなわち、湿度検出部１３０が精度良く湿度を検出することができるので、流量検出部１２０と湿度検出部１３０の検出結果から、流体に含まれる水分量を除いた流量（真の流量）を求めるに当たり、流量の検出精度をより向上することができる。したがって、半導体装置１００は、車両内燃機関の燃料噴射制御のように、高精度の流量（空気量）を必要とする用途に好適である。

次に、湿度検出部１３０を構成する感湿膜１３３に特徴を持たせている。ここで、封止樹脂によって半導体基板の少なくとも一部が被覆される構成においては、封止樹脂と半導体基板との密着力を高めるために、半導体基板上にポリイミドなどの高分子膜を形成することが好ましい。そこで、本実施形態においては、ポリイミドからなる感湿膜１３３を採用し、図５に示すように、同一材料からなる感湿膜１３３と高分子膜２００とを一体的に形成している。したがって、感湿膜１３３と高分子膜２００とが別材料からなる構成に比べて、構成及び製造工程を簡素化することができる。また、感湿膜１３３が高分子膜２００と一体化されているので、感湿膜１３３の保持力が高まり、流体に晒される感湿膜１３３の剥離等を抑制することができる。さらには、一体化によって半導体装置１００の体格を小型化することも可能である。

また、本実施形態においては、封止樹脂１９０から露出する半導体基板１１０の部位において、高分子膜２００と一体化された感湿膜１３３の形成領域の無駄をなくすため、流体の流れ方向に沿って流量検出部１２０と湿度検出部１３０を並んで形成し、湿度検出部１３０を構成する検出電極１３１，１３２を封止樹脂１９０による被覆部位側としている。しかしながら、感湿膜１３３は、薄肉部１１２を除く部位であれば形成することができる。検出電極１３１，１３２上だけでなくそれ以外（例えば流量検出部１２０の一部）上に形成する場合、形成領域が大きくなるのでコストは増加するものの製造しやすくなる。

なお、感湿膜１３３と高分子膜２００が一体的に形成された構成においては、感湿膜１３３を介して高分子膜２００へ水分が浸入し、パッド１５０とリード１６０との接続部位が腐食する恐れがないとはいえない。そこで、本実施形態においては、感湿膜１３３及び高分子膜２００として、基本となる分子鎖の末端同士が連結され、網目構造を形成したポリイミドを採用している。このようなポリイミドとしては、例えば末端アセチレンで終端したポリアミド酸を熱処理することにより、硬化時に末端部のアセチレン同士が反応してベンゼン環が形成されて網目構造を形成したポリイミドや、基本となる分子鎖の末端同士が連結された網目構造のポリアミド酸を脱水閉環させて得られるポリイミドがある。これらポリイミドの詳細は、本出願人による特開２００３−２３２７６５号公報，特開２００６−７１６４７号公報に示されているので参照されたい。このような、網目構造をなすポリイミドを採用すると、高温高湿下において吸着水が凝集するときに生じる感湿膜１３３の膨潤を抑制することができる。換言すれば、ポリイミド分子間に水分が侵入しがたいので、高分子膜２００が直接的及び／又は感湿膜１３３を介して間接的に封止樹脂１９０外に露出し、且つ、パッド１５０とリードとの接続部位が水分によって腐食する構成においても、腐食を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、流量検出部形成面の裏面側から半導体基板１１０が異方性エッチングされて、流量用空洞部１１１が形成された例を示した。すなわち、流量用空洞部１１１の開口面１１３が、半導体基板１１０の流量検出部形成面の裏面側となる例を示した。しかしながら、流量用空洞部１１１の構成は上記例に限定されるものではない。薄肉部１１２を構成できれば良い。例えば図６に示すように、流量検出部形成面側から半導体基板１１０をエッチングすることで形成された流量用空洞部１１１を採用することもできる。この場合、流量用空洞部１１１は流量検出部形成面側に開口（図示略）しているので、支持部材１８０に流通部１８１を設けなくとも良い。図６は、変形例を示す断面図であり、図２に対応している。

また、本実施形態においては、半導体基板１１０の同一面側において、流体の流れ方向に沿って流量検出部１２０と湿度検出部１３０が並んで形成され、且つ、湿度検出部１３０が流量検出部１２０よりも上流側とされた例を示した。しかしながら、流量検出部１２０と湿度検出部１３０の並び方向が流体の流れ方向に沿わなくとも、流体の流れ方向において湿度検出部１３０が流量検出部１２０よりも上流側であれば、流体を介した伝熱を抑制することができる。また、流体を介した伝熱は、流量検出部１２０を構成する発熱体１２１，１２２からの熱が主であるので、少なくとも発熱体１２１，１２２を湿度検出部１３０よりも下流側とすれば良い。例えば図７に示すように、流量検出部１２０を構成する配線部１２５のうち、上流側の感温体１２３を湿度検出部１３０よりも上流側とし、残りの発熱体１２１，１２１と感温体１２４を下流側としても良い。図７は、変形例を示す平面図であり、図１に対応している。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、第２実施形態に係る半導体装置において、半導体基板における感湿膜と高分子膜と位置関係を示す模式的な平面図である。図９は、半導体装置の模式的な断面図である。図９は、第１実施形態で示した図２に対応しており、図２同様便宜上、流量検出部や回路部を省略して図示している。

第２実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、感湿膜１３３と高分子膜２００が一体化された例を示した。これに対し、本実施形態においては、感湿膜１３３と高分子膜２００とが同一材料である例えばポリイミドからなるものの、図８及び図９に示すように、互いに分離形成され、高分子膜２００が封止樹脂１９０によって完全に被覆されている点を特徴とする。感湿膜１３３と高分子膜２００とが分離形成された点以外は、第１実施形態に示した構成と同じであり、その効果も同様である。

このように、本実施形態に係る半導体装置１００においては、高分子膜２００が直接的に封止樹脂１９０の外部に露出されておらず、感湿膜１３３を介して間接的にも露出されていないので、パッド１５０とリード１６０との接続部位が水分によって腐食する構成であっても、その腐食を抑制することができる。

また、このような分離形成された構成であっても、感湿膜１３３と高分子膜２００とが同一材料からなるので、別材料からなる構成に比べて構成及び製造工程を簡素化することができる。

なお、本実施形態に示した感湿膜１３３と高分子膜２００の構成を、第１実施形態に示した変形構成（図６，図７）に対して適用することもできる。

また、本実施形態においては、感湿膜１３３と分離形成された高分子膜２００が、封止樹脂１９０によって完全に被覆された例を示した。しかしながら、感湿膜１３３と分離形成された高分子膜２００の一部が、封止樹脂１９０から外部に露出された構成としても良い。このような構成とすると、封止樹脂１９０の端部まで高分子膜２００が配置されているので、半導体基板１１０に対する封止樹脂１９０の剥離を生じにくくすることができる。ただし、高分子膜２００が直接的に外部に露出されるので、第１実施形態で示したように、網目構造をなすポリイミドを採用することが好ましい。

また、感湿膜１３３と高分子膜２００とが分離形成された構成においては、一体化された構成よりも半導体基板１１０に対する感湿膜１３３の保持力が低下することが考えられる。そこで、例えばシランカップリング材を用いることで、半導体基板１１０に対する感湿膜１３３の保持力低下を抑制するようにしても良い。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、第１実施形態で示した図１に対応している。

第３実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、半導体基板１１０の同一面側において、流体の流れ方向に沿って流量検出部１２０と湿度検出部１３０が並んで形成され、且つ、湿度検出部１３０が流量検出部１２０よりも上流側とされた例を示した。これに対し、本実施形態においては、図１０に示すように、湿度検出部１３０が、流体の流れに沿う方向において流量検出部１２０の上流部位及び下流部位を除く流量検出部１２０の近傍部位に形成されている点を特徴とする。例えば本実施形態においては、流体の流れ方向に対して、流量検出部１２０と湿度検出部１３０が平行に形成されている。なお、半導体基板１１０における流量検出部１２０と湿度検出部１３０の配置以外は、第１実施形態に示した構成と同じであり、その効果も同様である。

このように、本実施形態に係る半導体装置１００においては、流体の流れ方向に対して、流量検出部１２０と湿度検出部１３０が平行に形成されているので、流体を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制することができる。したがって、湿度検出部１３０が精度良く湿度を検出することができ、ひいては、流量の検出精度をより向上することができる。

また、本実施形態に示す構成によれば、流体が通常とは逆（図１０に示す白抜き矢印方向とは逆）に流れても、流量検出部１２０からの流体を介した湿度検出部１３０への伝熱を抑制することができる。

なお、本実施形態に示した流量検出部１２０と湿度検出部１３０の配置を、第１実施形態に示した変形構成（図６，図７）や第２実施形態に示した構成に対して適用することもできる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１は、第４実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図であり、第１実施形態で示した図１に対応している。図１２は、半導体基板を介した流量検出部から湿度検出部への伝熱抑制を示す模式的な断面図である。なお、図１２においては、便宜上、流量検出部と湿度検出部の構成は省略し、位置のみを示している。

第４実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、半導体基板１１０の同一面側において、流体の流れ方向に沿って流量検出部１２０と湿度検出部１３０とを並んで形成し、且つ、湿度検出部１３０を流量検出部１２０よりも上流側とすることで、流体を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制する例をしめした。これに対し、本実施形態においては、流体を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制するだけでなく、半導体基板１１０を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制するように構成されている点を特徴とする。

具体的には、図１１に示すように、流量検出部１２０の形成領域と湿度検出部１３０の形成領域との間であって両者の対向部分に、半導体基板１１０の流量検出部形成面から所定深さを有する溝部としてのトレンチ１１４が形成されている。なお、トレンチ１１４が形成された点以外は、第１実施形態に示した構成と同じであり、その効果も同様である。トレンチ１１４は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチングによって形成することができる。

このように、本実施形態に係る半導体装置１００においては、図１２に示すように、流量検出部１２０の形成領域と湿度検出部１３０の形成領域との間にトレンチ１１４が形成されており、半導体基板１１０を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱経路が、トレンチ１１４の形成されない構成に対して長くなっている。すなわち、半導体基板１１０を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制することができる。したがって、湿度検出部１３０が精度良く湿度を検出することができ、ひいては、流量の検出精度をより向上することができる。

なお、本実施形態においては、流量検出部１２０の形成領域と湿度検出部１３０の形成領域との間であって両者の対向部分にトレンチ１１４が形成された例を示した。しかしながら、トレンチ１１４は、少なくとも発熱体１２１，１２２の形成領域と、当該形成領域に対向する湿度検出部１３０の形成領域との間に形成されれば良い。

また、本実施形態においては、第１実施形態に示した構成に対して、トレンチ１１４が形成された例を示した。しかしながら、流量検出部１２０と湿度検出部１３０との位置関係に関わらず、トレンチ１１４を設けることで半導体基板１１０を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制することができる。したがって、トレンチ１１４を、第１実施形態に示した変形構成（図６，図７）や第２実施形態に示した構成に対して適用することもできる。

また、本実施形態においては、トレンチ１１４が空洞部とされた例を示した。しかしながら、トレンチ１１４内を、半導体基板１１０よりも熱伝導率の低い材料で埋めた構成としても良い。このような構成としても、半導体基板１１０を介した流量検出部１２０から湿度検出部１３０への伝熱を抑制することができる。なお、多孔体（例えばポーラスシリコンやポーラス絶縁膜）で埋めると、トレンチ１１４内を埋める構成において、伝熱の抑制により効果的である。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を、図１３及び図１４に基づいて説明する。図１３は、第５実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図１４は、配線部における発熱体と湿度用ヒータの配線幅を示す模式的な平面図である。

第５実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

本実施形態においては、図１３に示すように、半導体基板１１０上に通電により発熱して湿度検出部１３０を加熱する湿度用ヒータ１３６が形成されている。この湿度用ヒータ１３６は、感湿膜１３３の劣化によって感湿膜１３３中から抜けにくくなった水分を飛ばして、感湿膜１３３を回復させるためのものである。そして、湿度用ヒータ１３６と流量検出部１２０を構成する発熱体１２１，１２２（図１３及び図１４において発熱体１２１のみを図示）とが、図１３及び図１４に示すように、同一材料からなる配線部１２５として一体的に形成されている点を第１の特徴とする。また、湿度検出部１３０に対応する半導体基板１１０の部位にも、低熱伝導領域としての湿度用空洞部１１８が形成されている点を第２の特徴とする。

具体的には、図１３に示すように、半導体基板１１０上に絶縁膜１１５（例えばシリコン窒化膜とシリコン酸化膜）を介して発熱体１２１，１２２及び湿度用ヒータ１３６を含む配線部１２５が形成されている。図１３には示されないが、この配線部１２５は、第１実施形態で示したように、感温体１２３，１２４も含んでいる。配線部１２５上には、層間絶縁膜１１６（例えばシリコン酸化膜）を介して湿度検出部１３０を構成する検出電極１３１，１３２が形成されている。図１３には示されないが、参照電極１３４，１３５も検出電極１３１，１３２と同一平面に形成されている。そして、検出電極１３１，１３２上には、保護膜１１７（例えばシリコン窒化膜）を介して感湿膜１３３が形成されている。

半導体基板１１０には、流量検出部１２０と湿度検出部１３０に対応して、流量用空洞部１１１と湿度用空洞部１１８がそれぞれ形成されている。なお、湿度用空洞部１１８は、半導体基板１００の平面方向において感湿膜１３３を含むように形成されている。この流量用空洞部１１１と湿度用空洞部１１８は、ともに絶縁膜１１５を底面として形成されており、流量用空洞部１１１上と湿度用空洞部１１８上に、絶縁膜からなる薄肉部１１２，１１９がそれぞれ構成されている。また、例えば不純物が添加された多結晶シリコンからなる配線部１２５は、図１４に示すように、より高温とする発熱体１２１のほうが湿度用ヒータ１３６よりも幅が狭くされている。

このように本実施形態に係る半導体装置１００においては、感湿膜１３３の劣化によって感湿膜１３３中から抜けにくくなった水分を、湿度用ヒータ１３６によって飛ばして、感湿膜１３３を回復させることができる。

また、湿度用ヒータ１３６と発熱体１２１，１２２とを１つの配線部１２５として構成しているので、構成を簡素化し、体格を小型化することができる。また、製造工程も簡素化することができる。

なお、配線部１２５の通電時には、発熱体１２１，１２２と湿度用ヒータ１３６がともに発熱する。したがって、例えば第１実施形態に示したように、湿度検出部１３０が流量検出部１２０よりも上流側の場合、湿度用ヒータ１３６をオンさせて感湿膜１３３を回復させたいときには、流体を介した湿度用ヒータ１３６から流量検出部１２０への伝熱の影響が少なからずあるので、湿度用ヒータ１３６のオンタイミングにおける流量検出部１２０から出力される信号を流量検出に用いないようにすることが好ましい。また、第３実施形態に示したように、湿度検出部１３０が流量検出部１２０と流体の流れに沿って平行の場合、上述と同様の処理をしても良いが、流体を介した湿度用ヒータ１３６から流量検出部１２０への伝熱の影響が上述よりも小さいので、湿度用ヒータ１３６のオンタイミングにおける流量検出部１２０から出力される信号を流量検出に用いることも可能である。

また、本実施形態においては、配線部１２５の幅を変えることで、発熱体１２１，１２２側の温度と湿度用ヒータ１３６とを変える例を示した。しかしながら、それ以外にも、例えば図１５に示すように、低熱伝導領域である流量用空洞部１１１と湿度用空洞部１１８の深さをそれぞれ異なる深さ（図１５においては、温度の低い湿度用ヒータ１３６に対応する湿度用空洞部１１８のほうが流量用空洞部１１１よりも浅い）としても良い。このような構成とすると、半導体基板１１０側への伝熱量を、発熱体１２１，１２２と湿度用ヒータ１３６とで異なる状態とすることができ、ひいては、流量検出部１２０と湿度検出部１３０とを、それぞれ適した温度とすることができる。図１５は、変形例を示す断面図である。

また、本実施形態においては、低熱伝導領域として、半導体基板１１０における発熱体１２１，１２２の直下領域に流量用空洞部１１１が形成され、半導体基板１１０における湿度検出部１３０の直下領域に湿度用空洞部１１８が形成された例を示した。しかしながら、低熱伝導領域は空洞に限定されるものではなく、半導体基板１１０よりも熱伝導率であれば良い。例えば、多孔体（例えばポーラスシリコンやポーラス絶縁膜）によって構成されても良い。例えば発熱体１２１，１２２に対応する低熱伝導領域と湿度検出部１３０に対応する低熱伝導領域の一方が空洞部とされ、他方が多孔質シリコンが配置された領域としても良い。その一例として、図１６においては、発熱体１２１，１２２に対応する低熱伝導領域が流量用空洞部１１１として構成され、湿度検出部１３０に対応する低熱伝導領域がポーラスシリコンからなる多孔質シリコン部２１０として構成されている。このような多孔質シリコン部２１０は、例えば局所的な電気化学溶解反応によって形成することができる。このような構成としても、空洞部と多孔質シリコンとの熱伝導率の違いによって、半導体基板１１０側への伝熱量を、発熱体１２１，１２２と湿度用ヒータ１３６とで異なる状態とすることができる。図１６は、変形例を示す断面図である。

なお、本実施形態に示した構成は、上述した各実施形態及びその変形例と組み合わせることが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、半導体基板１１０としてシリコン基板の例を示した。しかしながら、シリコン基板に限定されるものではない。

本実施形態においては、流量検出部１２０が、発熱体１２１，１２２とともに、感温体１２３，１２４を有する例を示した。しかしながら、流量検出部１２０は、流体の流量を検出するために、少なくとも発熱体１２１,１２２を有すれば良いので、感温体１２３，１２４のない構成としても良い。

本実施形態においては、湿度検出部１３０が、参照電極１３４，１３５を有する例を示した。しかしながら、参照電極１３４，１３５のない構成としても良い。

本実施形態においては、回路部１４０が、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０とともに同一の半導体基板１１０に構成された例を示した。すなわち、流量検出部１２０及び湿度検出部１３０とともに回路部１４０が１チップ化された例を示した。しかしながら、回路部１４０を別基板に構成しても良い。その場合、回路部１４０が構成された基板は、封止樹脂１９０によって完全に被覆された状態となる。また、回路部１４０の機能を半導体装置１００とは別（例えば外部ＥＣＵ）にもたせた構成としても良い。

本実施形態においては、半導体基板１１０が支持部材１８０に固定された状態で、半導体基板１１０の一部が封止樹脂１９０によって被覆された例を示した。しかしながら、支持部材１８０のない構成としても良い。ただし、本実施形態に示したように支持部材１８０をリードフレームの一部とすると、封止樹脂１９０による被覆時（例えばトランスファーモールド時）に、半導体基板１１０の位置ずれを抑制することができる。なお、支持部材１８０の形状は、本実施形態に示した例に限定されるものではない。

第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的な断面図である。 流量検出部周辺の拡大平面図である。 湿度検出部周辺の拡大平面図である。 半導体基板における感湿膜と高分子膜と位置関係を示す模式的な平面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る半導体装置において、半導体基板における感湿膜と高分子膜と位置関係を示す模式的な平面図である。 半導体装置の模式的な断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 半導体基板を介した流量検出部から湿度検出部への伝熱抑制を示す模式的な断面図である。 第５実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 配線部における発熱体と湿度用ヒータの配線幅を示す模式的な平面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。

符号の説明

１００・・・半導体装置
１１０・・・半導体基板
１１１・・・流量用空洞部（低熱伝導領域）
１１２・・・薄肉部
１２０・・・流量検出部
１２１，１２２・・・発熱体
１２３，１２４・・・感温体
１２５・・・配線部
１３０・・・湿度検出部
１３１，１３２・・・検出電極（電極）
１３３・・・感湿膜
１３４，１３５・・・参照電極
１９０・・・封止樹脂
２００・・・高分子膜

Claims (16)

1. 半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、
   前記半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、前記流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、前記湿度検出部は、前記流量検出部の少なくとも前記発熱体よりも、前記流体の流れ方向において上流側に形成されており、
   前記半導体基板上に、通電により発熱して、前記湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、
   前記湿度用ヒータと前記発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、
   前記半導体基板には、前記流量検出部形成領域のうち、前記発熱体に対応する直下領域と、前記湿度検出部の形成領域の直下領域に、前記半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、
   前記半導体基板の厚さ方向において、前記発熱体に対応する低熱伝導領域と前記湿度検出部に対応する低熱伝導領域とで、深さが異なることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、
   前記半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、前記流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、前記湿度検出部は、前記流体の流れに沿う方向において前記流量検出部の上流部位及び下流部位を除く前記流量検出部の近傍部位に形成されており、
   前記半導体基板上に、通電により発熱して、前記湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、
   前記湿度用ヒータと前記発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、
   前記半導体基板には、前記流量検出部形成領域のうち、前記発熱体に対応する直下領域と、前記湿度検出部の形成領域の直下領域に、前記半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、
   前記半導体基板の厚さ方向において、前記発熱体に対応する低熱伝導領域と前記湿度検出部に対応する低熱伝導領域とで、深さが異なることを特徴とする半導体装置。
3. それぞれの前記低熱伝導領域は、空洞部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. それぞれの前記低熱伝導領域は、多孔質シリコンが配置された領域であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
5. 半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、
   前記半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、前記流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、前記湿度検出部は、前記流量検出部の少なくとも前記発熱体よりも、前記流体の流れ方向において上流側に形成されており、
   前記半導体基板上に、通電により発熱して、前記湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、
   前記湿度用ヒータと前記発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、
   前記半導体基板には、前記流量検出部形成領域のうち、前記発熱体に対応する直下領域と、前記湿度検出部の形成領域の直下領域に、前記半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、
   前記発熱体に対応する低熱伝導領域と前記湿度検出部に対応する低熱伝導領域の一方が空洞部であり、他方が多孔質シリコンが配置された領域であることを特徴とする半導体装置。
6. 半導体基板上に少なくとも発熱体が形成されて、流体の流量を検出する流量検出部が構成された半導体装置であって、
   前記半導体基板の流量検出部形成領域の近傍に、前記流体の湿度を検出する湿度検出部が形成され、前記湿度検出部は、前記流体の流れに沿う方向において前記流量検出部の上流部位及び下流部位を除く前記流量検出部の近傍部位に形成されており、
   前記半導体基板上に、通電により発熱して、前記湿度検出部を加熱する湿度用ヒータが形成されており、
   前記湿度用ヒータと前記発熱体とが、同一材料からなる配線部として一体的に形成され、
   前記半導体基板には、前記流量検出部形成領域のうち、前記発熱体に対応する直下領域と、前記湿度検出部の形成領域の直下領域に、前記半導体基板の他領域よりも熱伝導率の低い低熱伝導領域が形成され、
   前記発熱体に対応する低熱伝導領域と前記湿度検出部に対応する低熱伝導領域の一方が空洞部であり、他方が多孔質シリコンが配置された領域であることを特徴とする半導体装置。
7. 前記湿度用ヒータと前記発熱体とで、前記配線部の幅が異なることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記湿度検出部は、前記流体の流れ方向に沿って、前記流量検出部に隣接形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の半導体装置。
9. 前記湿度検出部は、前記流体の流れ方向に沿って、前記流量検出部と並列に配置するよう形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項５に記載の半導体装置。
10. 前記湿度検出部は、前記半導体基板上に形成された導電材料からなる一対の電極と、前記半導体基板上であって少なくとも前記電極間に配置され、湿度変化に応じて比誘電率又はインピーダンスが変化する感湿膜とを有し、
    前記半導体基板上には、前記流量検出部及び前記湿度検出部の検出信号に基づく信号を外部に出力するパッドが形成され、
    前記パッドと外部接続端子としてのリードとの接続部位を含み、前記流量検出部及び前記湿度検出部の形成領域を除く前記半導体基板の一部が、封止樹脂によって被覆され、
    前記半導体基板の、前記封止樹脂による被覆部位の少なくとも一部と前記封止樹脂との間には、前記半導体基板と前記封止樹脂との密着力を高める高分子膜が配置され、
    前記高分子膜が、前記感湿膜と同一材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記感湿膜と前記高分子膜の少なくとも一部とが、一体的に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記感湿膜と前記高分子膜とが、互いに分離形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
13. 前記高分子膜が、前記封止樹脂によって完全に被覆されていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
14. 前記湿度検出部は、ポリイミドを前記感湿膜とすることを特徴とする請求項１０〜１３いずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記湿度検出部は、基本となる分子鎖の末端同士が連結され、網目構造を形成したポリイミドを前記感湿膜とすることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
16. 前記半導体基板には、同一面側に前記流量検出部と前記湿度検出部とが形成され、前記流量検出部形成領域のうち、少なくとも前記発熱体の形成領域と、前記湿度検出部の形成領域との間に、前記一面から所定深さを有する溝部が形成されていることを特徴とする請求項１〜１５いずれか１項に記載の半導体装置。

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