JPH0324464A - 流れ感知装置およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の流れを測定するための装置およびその装
置を動作させるための回路に関する。

本出願人のヨーロッパ特許出願には、精密機械加工され
たカンチレバービームで作成された半導体材料の基板の
形態の流れ感知装置が記載されている。その装置はビー
ムに対する流体の流れを表わすそのビームの特性を感知
するための手段を具備している。この装置は測定されう
る流量の範囲が限定されており、広範囲の流量をカバー
するためには、同じシリコンチップ上にディメンション
の異なるこのような装置を幾つか組込まなければならな
い。さらに、低い流量を測定し得るためには、カンチレ
バービームが薄くなければならず、これがために、応力
によってビームが屈ｌＩＩＩするという問題が生ずる。

上記ヨーロッパ特許出願の発明における他の問題点は、
流体流れに対するカンチレバービームの応答を決定する
ために好ましい容量変化測定が用いられる場合には、流
体密度を一定であると仮定する必要がある。これでもっ
て、カンチレバービームの撓みが流体速度に依存し、流
体密度とは関係がないと考えることができる。

実際には、流体の密度は一定ではないので、流体の誘電
体定数の変化・を補償するための手段が必要とされる。

従って、本発明はミクロ機械加工として一般に知られた
集積回路技術によりその技術の分野で良く知られた利点
をもって作製されるのに適しており、先行技術の難点の
うちの幾つかを少なくとも軽減する流体流れ感知装置を
提供することである。

ミクロ機械加工された装置は同じ装置のある他の部分か
ら構戊されかつそれの一部分を形或Ｓるものである。

本発明によれば、半導体材料の基体と、ミクロ機械加工
されたビームを具備し、かつ第１および第２の表面を有
し、その第１の表面がピボットを画成しており、ビーム
が流体流れの作用でそのピボットのまわりでツイストし
うるようになされた流れ感知装置が提供される。

従って、ビームの一部分を装置材料で構戊することによ
って装置の製作が従来の装置より容易になされる。

この装置は、基板全体にわたって延長するビームの１つ
の半体の下方にチャンネルが存在し、ビームの他の半体
の下方には空洞が存在するようにし、かつ動作時に、上
記チャンネルに流体が流れてビームの１つの半体に力を
加え、上記空洞に流体が充満してビームを横切る方向に
差動力を発生するように構成されることが好ましい。従
って、ビームに対する流体流れの作用によって生ずる差
動力を補償するために力が印加され、その補償力が流体
の流量を表わすから、この装置は「零位」原理（　”Ｈ
ｕｌｌ″ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）で動作する。

本発明の他の実施例では、本発明の装置は完全に平板状
に作製され、従って、多くの従来装置と異なり、最初の
基板に第２の基板を付加してそれら２枚の基板の間に感
知ビームをサンドイッチ状に配置する必要がない。

さらに他の実施例では、このような装置を動作させるの
に適した回路が提供される。

さらに他の実施例では、このような流れ感知装置を作製
するための方法が提供される。

以下図面を参照して本発明の実施例について説明しよう
。

第ｌ図は本発明による流れセンサを示しており、このセ
ンサは、通常０．５ミクロンの厚さの薄い絶縁フィルム
２で作製されたビーム１を具備しており、そのフィルム
２は通常には３ミクロンの厚さの金属３を被覆されてい
る。この金属３はビーム１が堅固でかつ平坦であるよう
にする。この実施例では、ビーム１は、それと同じ絶縁
層で構成されかつそれと一体の支持体またはピボット４
によってそれの中点の周りで枢動される。ビームは軸線
Ｘ−Ｘの周りで枢動することができ、かっ枢動支持体４
は通常０．５ミクロンのように薄いので、低い流量での
装置の感度には影響しない。ビームは半導体基板３１の
上方に支持されている。

ビームの自由端部には電気的接点１１Ａ１１１Ｂが形成
されており、それらはコンデンサの１つの電極として作
用する。他のコンデンサ電極はそれらの下方に形成され
る。

ビームの１つの半体の下方には、チャンネル７が形成さ
れており、このチャンネル７は、ビーム１がその上に作
成された基板９の第１の主表面からその基板の反対側の
主表面１０まで、半導体基板中を延長している。従って
、流れを測定される流体は基板３１中を完全に通過する
ことができる。

ビーム１の他の半体の下方には空洞８が形成されている
。この空洞は基板３１中を一部分しか延長していないの
で、流体はそれを通過することはできない。これがため
、この装置は「零位」原理で動作することができる。こ
のことは、装置が流動する流体の通路内に配置されたと
きに、「貫通」（”ｔｈｒｏｕｇｈ”）チャンネルは１
つしか存在していないから、ビームを横切る方向に差動
力が生じ、この「貫通」チャンネルの上方のビームの側
部だけがこの力を受ける。

動作時には、いずれかの方向におけるビーム１の主表面
に直交する流体流れの戊分がビーム１をそれの枢点のま
わりでツイストさせ、「貫通」チャンネルの上方のビー
ムの半体がそれに作用する流体流れのその成分の方向に
移動する。

ビームを平衡位置に戻す態様で装置接点１１Ａ１１１Ｂ
に静電力が印加される。この平衡位置はゼロ流体流れに
ける接点ギャップ（代２図におけるＹｏ）がビームの両
側で、すなわち１１Ａおよび６とＩＩＢおよび８との間
で等しくなる位置として定義される。

必要とされる静電力の大きさはビームの一端部における
接点１１Ａ，６間の容量とビームの他端部における接点
１１Ｂ，８間の容量を比較することによって決定される
。このようにして、流体の誘電率の変化が流体流れの測
定に影響を及ぼさない。この装置が作用し得る流体の流
量の上限は十分な静電力を印加するために利用できる電
圧の大きさだけで制限される。

このようにしてシステム全体の運動方程式と標準的なフ
ィードバック制御理論を利用して流体の速度が得られる
。実際には、ビームの撓みは小さく、かつヒンジの回復
力も流体の流れによる力に比較して小さい。

第２図および第３図から、次の式が得られる。

ただし、　■＝ビームを平衡状態に戻す静電力一流体の
密度（Ｋｇ／ｍ”） ■＝流体の速度（ｍ／ｓ） ｂ＝ビームの幅（ｍ） ｒ：ヒンジ（＝側における）までのビ ームの長さ ｙ０・ゼロ流体流れにおける接点ギャップ ＝自由空間の誘電率 Ａ＝上部および下部接点のオーバラッ プ面積 このような装置を作動させるのに適した回路の機能ブロ
ック図が第３図に示されている。

接点１１Ａおよび１１Ｂ間に正弦波電圧ｖ０が印加され
る。増幅器１２Ａおよび１２Ｂが、ただし、Ｃｌおよび
Ｃ２はそれぞれビーム１１Ａ１１１Ｂと電極６との間の
容量、ＣＦは増輻器１２Ａおよび１２Ｂのまわりのフィ
ードバック容量である。

増幅器１３Ａおよび１３Ｂによって増怖されモして１４
Ａおよび１４Ｂによって整流されて後に、電圧は差動増
幅器１５で比較される。１３Ｂの利得はゼロ流体速度で
差動増幅器からの出力がゼロとなるように調節される。

差動増幅器からの出力は、容ｆｆｉｃ１またはＣ２のど
ちらが大きいかに応じて正または負の符号を有する。ス
イッチ１７は１６からの増幅された誤差電圧と最小容量
の接点に印加するようになされており、それによって得
られた静電力がビームをそれの平衡位置に戻すようにな
されている。

１８Ａおよび１８Ｂによって行なわれる平方根機能によ
って、システム全体（流れセンサを含む）に対する運動
方程式が線形差動方程式の形をなし、かつ標準的なフィ
ードバック制御理論を用いて容易に解析されるようにす
るので、この平方根機能がこの回路に付加されているこ
とが重要である。

第４Ａ〜４Ｄ図はこの装置を作製するための好ましい方
法を示しており、この方法は下記の工程よりなる。

ａ）通常３５０ミクロンの厚さの単結晶シリコンウェー
ハ２０が主表面を１００面内にして作成される。

ｂ）通常０．５ミクロンの厚さで例えば二酸化シリコン
、シリコンオキシニトリド（ｓｉｌｉｃｏｎｏｘｙｎｉ
ｔｒｉｄｅ）または窒化シ１ノコンのような電気的に絶
縁性の材料よりなる層２１が上面および下面に被着され
る（第４Ａ図）。

Ｃ）この工程およびその後の工程で、関連する電気回路
がウエーハ内に形成される。

ｄ）ビームとそれのピボット４を形成するために層２１
が選択的にエッチングされる（第４Ｂ図）。

ｅ）通常０．１ミクロンの厚さでクロムのような適当な
金属の層が、そしてそれに続いて通常０．３ミクロンの
金が上部絶縁層に被着され、かつフォトリトグラフによ
ってパターン化されて固定した電極６およびビームめっ
き３を形成する（第４Ｃ図）。

ｆ）下方の絶縁体上にフォトレジストが被着され、そし
てその絶縁体がパターン化されかつエッチングされて開
いたチャンネル７を形成する（第４Ｄ図）。

ｇ）通常３ミクロンの厚さのフォトレジストの層が被着
されて上方およ下方の接点間にギャップを形戊し、そし
てそのフォトレジスト層がパターン化されてビームめっ
き領域３を画成する。

通常厚さが０２５ミクロンで、金のような任意適当な金
属よりなるめっきベース２３が上部表面全体に被着され
る。

ｉ）通常４〜５ミクロンの厚さのフォトレジスト２４が
上面に被着され、そしてパターン化されて上部接点１１
Ａおよび１１Ｂのエッジを画或する。

ｊ）露呈した金属に金のような適当な金属２５が通常３
ミクロンの厚さにメッキされ、それがビームを補強して
応力の作用を除去するとともに、上部接点１１Ａおよび
ＩＩＢを与える。

ｋ）レジスト２４、露呈しためっきベース２３およびレ
ジスト２２がすべて除去される。

ｌ）チャンネル７と空洞８がさらに異方性エッチングに
よって形成される。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はそれ
に限定されるものではなく、他の構或およびそれくお作
製する方法、ならびに他の適当な回路が等業者には本発
明の範囲ないで明らかとなるであろう。

【図面の簡単な説明】

第ＩＡ，ＩＢ，ＩＣおよび２図はミクロ機械加工された
流れセンサの概略図、第３図はこの装置を動作させるた
めの典型的な回路のブロック図、第４Ａ，４Ｂ，４Ｃお
よび４Ｄ図は本発明の装置の作製方法における種々の工
程を示す概略図である。 １：ビーム ２：絶縁フィルム ３：金属 ４：ピボット ７：チャンネル ８：空洞 ９；基板 １０：主表面 １１Ａ，ＩＩＢ：電気的接点 １２Ａ，１２Ｂ：増輻器 １３Ａ，１３Ｂ：増幅器 １４Ａ，１４Ｂ：整流器 １５：差動増幅器 １７：スイッチ １８Ａ，１８Ｂ：平方根機能手段 ２０：単結晶シリコンウェーハ ２１：層 ２２：レジスト ２３：めっきベース ２４：フォトレジスト ２５：適当な金属 ３１：半導体基板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体材料の基体と、ミクロ機械加工されたビーム
   を具備し、かつ第１および第２の表面を有し、その第１
   の表面がピボットを画成しており、ビームが流体流れの
   作用でそのピボットのまわりでツイストしうるようにな
   された流れ感知装置。 ２、ビームの１つの半体の下方にチャンネルが設けられ
   ており、このチャンネルは第１の主表面から第２の主表
   面まで基体全体にわたって延長しており、ビームの他の
   半体の下方には基体に空洞が形成されており、装置の動
   作時に、流体がそのチャンネルを流れてビームの１つの
   半体に力を加え、かつその空洞に流体が充満してビーム
   を横切る方向に第１の差動力を発生するようになされて
   いる請求項１の流れ感知装置。 ３、ビームに第２の力が印加されて第１の差動力の作用
   を補償し、その第２の力が測定されている流体の流量を
   表すようになされた請求項２の流れ感知装置。 ４、ビームが実質的にそれの中点で枢支されている請求
   項１〜３の装置。 ５、ビームが金属被覆を有する絶縁フィルムを具備し、
   さらにそれの自由端部に電気的接点を設けられている請
   求項４の装置。 ６、流体流れの結果としてビームのツイストを補償する
   回路を具備した請求項５の装置。 ７、回路がフィードバック制御システムを含む請求項６
   の装置。 ８、回路がさらにフィードバックシステム内に平方根機
   能を行なう手段を含んだ請求項７の装置。 ９、流れ感知装置の作製方法であって、 （ａ）シリコンウェーハの主表面に電気的絶縁材料を適
   用し、 （ｂ）その電気的絶縁材料を選択的にエッチングしてビ
   ームとそれのピボットを作成し、 （ｃ）電気的絶縁層上に少なくとも１つの金属層を適用
   し、 （ｄ）少なくとも１つの金属層Ｋをフォトリトグラフに
   よってパターン化してビーム上の電極とそれらに関連し
   た接点を形成し、 （ｅ）第１の主表面から第２の主表面まで延長したチャ
   ンネルを装置中にエッチングにより形成し、 （ｆ）フォトレジストの層を被着して前記電極とそれら
   に関連した接点との間にギャップを画成し、 （ｇ）装置の上面全体に金属めっきベースを被着し、 （ｈ）装置の上面全体にフォトレジストを被着して電極
   のエッジを画成し、 （ｉ）露呈した金属に応力作用を除去するためにビーム
   を補強するのに適した金属を被覆し、（ｊ）露呈しため
   っきベースとフォトレジストを除去することよりなる流
   れ感知装置の作製方法。