JPH0412230A - Semiconductor flow meter and micropump using this meter - Google Patents

Semiconductor flow meter and micropump using this meter

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JPH0412230A
JPH0412230A JP2114279A JP11427990A JPH0412230A JP H0412230 A JPH0412230 A JP H0412230A JP 2114279 A JP2114279 A JP 2114279A JP 11427990 A JP11427990 A JP 11427990A JP H0412230 A JPH0412230 A JP H0412230A
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JP
Japan
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flow rate
semiconductor
flowmeter
flow path
diaphragm
Prior art date
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Pending
Application number
JP2114279A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaki Esashi
正喜 江刺
Masaru Kawabata
賢 川畑
Susumu Sugiyama
進 杉山
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Japan Science and Technology Agency
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Research Development Corp of Japan
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
Application filed by Research Development Corp of Japan, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Research Development Corp of Japan
Priority to JP2114279A priority Critical patent/JPH0412230A/en
Publication of JPH0412230A publication Critical patent/JPH0412230A/en
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  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

PURPOSE:To measure a very small flow rate with high accuracy by providing a check valve whose passage resistance is large in a low flow rate area, and whose passage resistance becomes small in a high flow rate area, and measuring a flow rate of a fluid, based on a detection output of a strain gage. CONSTITUTION:On the lower face of a silicon substrate 40, a diaphragm 42 for generating a stress corresponding to differential pressure of both faces of the substrate 40 is formed, and in the vicinity of the center of the diaphragm 42, a minute hole 44 tapered from the upstream side to the downstream side is formed. There diaphragm 42 and minute hole 44 can be formed with high accuracy by a unit of micron order by performing a crystal anisotropic etching treatment by using an alkali etching liquid to the substrate 40. Also, on the substrate 40, a check valve 60 is provided on the downstream side of the minute hole 44, and the valve 60 is formed so that the passage resistance becomes large in a low rate area, and the passage resistance becomes small in a high flow rate area. In such a state, by measuring a flow rate of a fluid, based on a detection output of a strain gauge 46, a very small flow rate can be measured with this accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は微少流量の測定に適した半導体流量計およびこ
れを用いたマイクロポンプに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor flowmeter suitable for measuring minute flow rates and a micropump using the same.

[従来の技術] フローインジェクション化学分析(FIA)システムの
小型化を実現するため、微少流量(数μ!/1n〜数m
 17m1n)を制御するマイクロポンプ、サンプルイ
ンジェクタが既に提案されている(庄子他“医用集積化
フローインジェクション化学分析システムに関する研究
”第28回日本ME学会大会Japan See肝& 
BE (May、1989))。
[Conventional technology] In order to realize the miniaturization of flow injection chemical analysis (FIA) systems, micro flow rates (several μ!/1 nm to several meters) have been developed.
A micropump and a sample injector have already been proposed to control the flow rate (17m1n) (Shōko et al. "Research on Medical Integrated Flow Injection Chemical Analysis System" 28th Japan ME Society Conference Japan See Liver &
BE (May, 1989)).

前記FIAの精度を高くするためには、流体の流量を精
度良く制御することが重要であり、このため流路を流れ
る流体の流量を微少流量域から高流量域まで広範囲に、
しかも高精度で測定できる流量計の開発が必要となる。
In order to improve the accuracy of the FIA, it is important to control the flow rate of the fluid with high precision, and for this reason, the flow rate of the fluid flowing through the flow path can be controlled over a wide range from a minute flow rate range to a high flow rate range.
Moreover, it is necessary to develop a flow meter that can measure with high precision.

このような流量計の1゜つとして、従来より絞り流量計
が知られている。第6図には、この絞り流量計の原理図
が示されており、流体100が流れる流路10に絞り]
2を設けることにより、流路断面積を一部小さくし、そ
の前後で圧力差を生じせしめている。この差圧は、流量
と所定の対応関係を有するため、この差圧を測定するこ
とにより流体100の流量を求めることができる。この
ような絞り流量計で実用されているものの1つに、例え
ばオリフィス(日本機械学会著、流体計測法、p174
)がある。従来の流量計を、このオリフィスを例にとり
第7図に基づいて説明する。
As one of such flowmeters, a throttle flowmeter has been conventionally known. FIG. 6 shows a diagram of the principle of this throttle flowmeter, which restricts the flow path 10 through which fluid 100 flows]
2, the cross-sectional area of the flow path is partially reduced and a pressure difference is created before and after the cross-sectional area. Since this differential pressure has a predetermined correspondence relationship with the flow rate, the flow rate of the fluid 100 can be determined by measuring this differential pressure. One of the devices that are used in such throttle flowmeters is, for example, an orifice (Japan Society of Mechanical Engineers, Fluid Measurement Method, p. 174).
). A conventional flowmeter will be explained based on FIG. 7, taking this orifice as an example.

この流量計は、SUSまたは測定される流体により腐蝕
されない材質よりなるオリフィス24を有し、このオリ
フィス24はフランジ22により挾まれ、管20に接続
されている。管20内には、流体100が流れる流路1
0が形成されており、オリフィス24の前後では、流量
に応じた圧力差が発生している。この差圧を測定するた
め、管20には圧力計26が接続されている。
This flowmeter has an orifice 24 made of SUS or a material that is not corroded by the fluid to be measured, and this orifice 24 is sandwiched between flanges 22 and connected to a pipe 20. Inside the pipe 20, there is a channel 1 through which a fluid 100 flows.
0 is formed, and a pressure difference occurs before and after the orifice 24 depending on the flow rate. A pressure gauge 26 is connected to the pipe 20 to measure this differential pressure.

これにおいて、オリフィス22の前後に発生する差圧Δ
pと単位当りの流量qとの間には、次式に示す関係が成
立する。
In this case, the differential pressure Δ generated before and after the orifice 22
The following relationship holds true between p and the flow rate q per unit.

Δf)−Kq2     ・・・(1)ただし、Kは流
体100の密度、オリフィス24、管20の形状等に依
存する値であり、流体100、測定系を定めれば定数と
なる。
Δf)-Kq2 (1) However, K is a value that depends on the density of the fluid 100, the shape of the orifice 24, the pipe 20, etc., and becomes a constant once the fluid 100 and the measurement system are determined.

流体100の流量を高精度に測定するために、前記圧力
計26は微少な差圧(数mmHg)を検出する必要があ
り、このため、例えばダイヤフラム型圧力センサが用い
られることが多い。
In order to measure the flow rate of the fluid 100 with high precision, the pressure gauge 26 needs to detect a minute differential pressure (several mmHg), and for this reason, for example, a diaphragm type pressure sensor is often used.

第8図には、従来の流量計の特性図が示されている。従
来の流量計では、オリフィス24.管20等の形状が一
定であるため、前記(1)式で示すKの値も一定となる
。このため、差圧Δpは流量qの2乗に比例する値にな
り、差圧変化率は低流量域で小さく、高流量域で大きい
特性を示すことになる。
FIG. 8 shows a characteristic diagram of a conventional flowmeter. In conventional flowmeters, the orifice 24. Since the shape of the tube 20 and the like is constant, the value of K shown in the above equation (1) is also constant. Therefore, the differential pressure Δp becomes a value proportional to the square of the flow rate q, and the rate of change in the differential pressure exhibits characteristics that are small in the low flow rate region and large in the high flow rate region.

[発明が解決しようとする課題] このため、従来の流量計では、低流量域での感度が小さ
く、高流量域の測定精度に比べ低流量域、特に微少流量
域での測定精度が極めて悪いという問題があった。
[Problem to be solved by the invention] For this reason, conventional flowmeters have low sensitivity in low flow areas, and measurement accuracy in low flow areas, especially in minute flow areas, is extremely poor compared to measurement accuracy in high flow areas. There was a problem.

また、前記圧力計26は、内部に流体が溜る構造となっ
ているため、パージが不可能もしくはパージに長時間必
要とするという問題もあった。
Further, since the pressure gauge 26 has a structure in which fluid accumulates inside, there is also a problem that purging is impossible or requires a long time for purging.

さらに、前記圧力計26は、電子回路等の構成部品とは
全く異なる部材で形成されているため、各種流体制御素
子や電子回路と共に集積化することができないという問
題もあった。
Furthermore, since the pressure gauge 26 is formed of a material completely different from components such as electronic circuits, there is a problem in that it cannot be integrated with various fluid control elements and electronic circuits.

[発明の目的] 本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、低流量域、特に微少流量域におい
ても流体流量の高精度測定ができ、しかもその内部に流
体が溜るようなことがなく、さらに必要に応じて各種流
体制御素子、電子回路と共に集積化し、超小型流体制御
システムに適応可能な半導体流量計を提供することにあ
る。
[Object of the Invention] The present invention has been made in view of such conventional problems, and its purpose is to enable high-accuracy measurement of fluid flow rate even in a low flow rate region, especially in a minute flow rate region, and to enable the internal It is an object of the present invention to provide a semiconductor flowmeter that does not cause fluid to accumulate in the flowmeter, and can be integrated with various fluid control elements and electronic circuits as required, and can be applied to a microfluid control system.

本発明の他の目的は、前記半導体流量計を用い、微少流
量をも正確に制御可能なマイクロポンプを提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide a micropump that can accurately control even minute flow rates using the semiconductor flowmeter.

[課題を解決するための手段] 前記目的を達成するため、本発明は、 流路に流れる流体の流量を測定する半導体流量計であっ
て、 一方の面が前記流路の上流側、他方の面が前記流路の下
流側に面するよう設置された半導体基板と、 前記半導体基板の一部に形成され、基板両面の差圧によ
り応力を発生するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに
設けられ、ダイヤフラムに発生する応力を検出する歪み
ゲージと、前記ダイヤフラムに形成された流体通過用の
微細孔と、 前記微細孔の下流側に設けられ、低流量域では流路抵抗
が大きく高流量域では流路抵抗が小さくなる逆止弁と、 を含み、前記歪みゲージの検出出力に基き流体の流量を
測定することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor flowmeter for measuring the flow rate of fluid flowing in a flow path, wherein one side is on the upstream side of the flow path and the other side is on the upstream side of the flow path. a semiconductor substrate installed so that its surface faces the downstream side of the flow path; a diaphragm formed on a part of the semiconductor substrate to generate stress due to a pressure difference between both sides of the substrate; A strain gauge that detects the generated stress, a microscopic hole formed in the diaphragm for fluid passage, and a flow path resistance provided downstream of the microscopic hole. and a check valve in which the strain gauge becomes small, and is characterized in that the flow rate of the fluid is measured based on the detection output of the strain gauge.

これにおいて、前記半導体基板は、シリコン結晶からな
る基板として形成され、 前記歪みゲージは、シリコン拡散抵抗として形成され、 前記逆止弁は、多結晶シリコンからなり、その一部が前
記半導体基板に固定されることが好ましい。
In this, the semiconductor substrate is formed as a substrate made of silicon crystal, the strain gauge is formed as a silicon diffused resistor, and the check valve is made of polycrystalline silicon, a part of which is fixed to the semiconductor substrate. It is preferable that

前記本発明の半導体流量計は、その構造を特に小さく形
成することが、微少流量の計測のために必要とされる。
The semiconductor flowmeter of the present invention requires a particularly small structure in order to measure minute flow rates.

これは、シリコンのマイクロマシニングを用いることに
より実現できる。すなわち、シリコンの結晶異方性エツ
チング、薄膜のCVD等により、ミクロンオーダの構造
体を高精度でかつ再現性よく形成することが可能である
。従って、このようなマイクロマシニングを用いること
により、前述した半導体流量計を精度良く形成すること
が可能になる。
This can be achieved using silicon micromachining. That is, by using silicon crystal anisotropic etching, thin film CVD, etc., it is possible to form micron-order structures with high precision and good reproducibility. Therefore, by using such micromachining, it becomes possible to form the semiconductor flowmeter described above with high precision.

また、本発明の半導体流量計は、流路を形成するガラス
部材と、前記シリコン半導体基板とを陽極接合すること
が好ましい。
Further, in the semiconductor flowmeter of the present invention, it is preferable that the glass member forming the flow path and the silicon semiconductor substrate are anodically bonded.

これにより、本発明の半導体流量計を、微細な流路を構
成する構造体と高精度で、しかも高い密封性を保ち接続
することが可能となる。
Thereby, it becomes possible to connect the semiconductor flowmeter of the present invention to a structure forming a fine flow path with high precision and with high sealing performance maintained.

また、前記能の目的を達成するため、本発明のマイクロ
ポンプは、 シリコン結晶からなる半導体基板と、 この半導体基板の両面に陽極接合され、半導体基板との
間に流路を形成する第1のガラス部材及び第2のガラス
部材と、 多結晶シリコンからなり、前記流路に位置して前記半導
体基板上にその一部が固定された逆止弁と、 前記流路に位置して前記半導体基板上に設けられた請求
項(1)の半導体流量計と、 前記半導体流量計及び逆止弁により挟まれた流路に面し
て、前記第1または第2のガラス部材に設けられたダイ
ヤフラムと、 前記ダイヤフラムを往復駆動するアクチュエタと、 を含み、 前記半導体流量計は、 その歪みゲージが、シリコン拡散抵抗として形成され、 その逆止弁が、多結晶シリコンからなり、その一部が前
記半導体基板に固定される構造に形成され、この半導体
流量計で検出した流量に基き前記アクチュエータを駆動
することを特徴とする。
In addition, in order to achieve the above-mentioned objective, the micropump of the present invention includes a semiconductor substrate made of silicon crystal, and a first structure that is anodically bonded to both surfaces of the semiconductor substrate and forms a flow path between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate. a glass member and a second glass member; a check valve made of polycrystalline silicon and located in the flow path and having a portion thereof fixed on the semiconductor substrate; and a check valve located in the flow path and having a portion fixed on the semiconductor substrate. A semiconductor flowmeter according to claim (1) provided above, and a diaphragm provided on the first or second glass member facing the flow path sandwiched between the semiconductor flowmeter and the check valve. , an actuator that reciprocates the diaphragm, the semiconductor flowmeter includes: the strain gauge is formed as a silicon diffusion resistor; the check valve is made of polycrystalline silicon, a portion of which is made of polycrystalline silicon; The actuator is driven based on the flow rate detected by the semiconductor flowmeter.

このように形成されたマイクロポンプでは、半導体流量
計の出力信号を流路内部から外部に取出す必要があり、
この際、ポンプの密封性を損ってはいけない。これを解
決するためには、半導体基板上に拡散リードを形成し、
前記信号の入出力を行えばよい。
In a micropump formed in this way, it is necessary to extract the output signal of the semiconductor flowmeter from inside the flow path to the outside.
At this time, the sealing performance of the pump must not be compromised. To solve this problem, we need to form diffusion leads on the semiconductor substrate.
It is only necessary to input and output the above-mentioned signals.

発明の原理 次に本発明の原理を簡単に説明する。principle of invention Next, the principle of the present invention will be briefly explained.

従来の絞り流量計では、絞り部分の形状が変化しないた
めに前記(1)式のKの値が一定となり、低流量域での
感度が低下した。本発明では、絞り部分の流路抵抗を流
量に応じ変化させることにより、この問題を解決するこ
とができる。
In the conventional throttle flowmeter, since the shape of the throttle part does not change, the value of K in the above equation (1) remains constant, resulting in a decrease in sensitivity in the low flow rate range. In the present invention, this problem can be solved by changing the flow path resistance of the constricted portion according to the flow rate.

]0 すなわち、低流量域では流路抵抗が大きく、高流量域で
は流路抵抗を小さくすることにより、前記(1)式のK
を、流量の減少と共に大きくなる変数とすることができ
、低流量域、特に微少流量域での感度を大きくすること
が可能となる。
]0 In other words, by increasing the flow path resistance in the low flow rate region and decreasing the flow path resistance in the high flow rate region, K in the above equation (1) can be reduced.
can be made a variable that increases as the flow rate decreases, making it possible to increase the sensitivity in the low flow rate region, especially in the minute flow rate region.

[作 用] 次に本発明の詳細な説明する。[Work] Next, the present invention will be explained in detail.

本発明の半導体流量計は、流量に応じて逆止弁の開く度
合が変化し、低流量域では流路抵抗が大きく、高流量域
では流路抵抗が小さくなる。このため、前記(1)に示
す値には、流量の減少と共に大きくなり、逆止弁の両側
で発生する差圧も大きくなる。
In the semiconductor flowmeter of the present invention, the degree of opening of the check valve changes depending on the flow rate, and the flow path resistance is large in the low flow rate region and small in the high flow rate region. Therefore, the value shown in (1) increases as the flow rate decreases, and the differential pressure generated on both sides of the check valve also increases.

このように、本発明の半導体流量計では、低流量域、特
に微少流量域においても十分大きな感度を得ることがで
き、これにより微少流量域から高流量域にわたり流体の
流量を高精度で、しかも応答性よく測定することが可能
となる。
As described above, the semiconductor flowmeter of the present invention can obtain sufficiently high sensitivity even in the low flow rate region, especially in the minute flow rate region, and as a result, it is possible to measure the fluid flow rate with high accuracy from the minute flow rate region to the high flow rate region. It becomes possible to measure with good responsiveness.

また、本発明の半導体基板上において、前記半導体基板
を、シリコン結晶からなる基板として形]1− 成し、前記歪みゲージを、シリコン拡散抵抗として形成
し、前記逆止弁を、多結晶シリコンとして形成し、その
一部を前記半導体基板に固定する構成とすることが好ま
しい。これにより、本発明の半導体流量計は、シリコン
のマイクロマシーニング等を用いて、ミクロンオーダの
単位で高精度に、かつ、再現性良く形成することができ
、流体の微少流量測定をより精度よく行うことが可能と
なる。
Further, in the semiconductor substrate of the present invention, the semiconductor substrate is formed as a substrate made of silicon crystal], the strain gauge is formed as a silicon diffused resistor, and the check valve is formed as a polycrystalline silicon. It is preferable that a portion of the semiconductor substrate be fixed to the semiconductor substrate. As a result, the semiconductor flowmeter of the present invention can be formed with high precision and good reproducibility in units of microns using silicon micromachining, etc., and can more accurately measure minute flow rates of fluids. It becomes possible to do so.

特に、本発明においては半導体基板を用いているため、
半導体基板上に半導体流量計とその出力信号等の処理回
路等を搭載する集積化が可能となり、超小型流体制御シ
ステムに極めて好適なものとなる。
In particular, since a semiconductor substrate is used in the present invention,
It becomes possible to integrate a semiconductor flow meter and processing circuits for its output signals, etc. on a semiconductor substrate, making it extremely suitable for microfluid control systems.

また、本発明の半導体流量計は、流路を形成するガラス
部材と、前記シリコン半導体基板とを陽極接合した構成
とすることが好ましい。これにより、半導体基板とガラ
スの陽極接合により、微細な流路を構成する構造体と、
半導体流量計自体とを高精度に、かつ高密封性を保った
まま接続することが可能となる。
Further, the semiconductor flowmeter of the present invention preferably has a structure in which a glass member forming a flow path and the silicon semiconductor substrate are anodically bonded. As a result, by anodic bonding of the semiconductor substrate and glass, a structure that constitutes a minute flow path,
It becomes possible to connect to the semiconductor flowmeter itself with high accuracy and while maintaining high sealing performance.

また、本発明の半導体流量計において、逆止弁は本来の
機能である逆流防止の働きもするため、請求項(2)に
記載のように、マイクロポンプ等と一体化することが好
適となり、これによりその構成が単純でしかも高精度の
流量制御可能なマイクロポンプを得ることが可能となる
。
In addition, in the semiconductor flowmeter of the present invention, since the check valve also functions to prevent backflow, which is its original function, it is preferable to integrate it with a micro pump or the like as described in claim (2). This makes it possible to obtain a micropump whose configuration is simple and whose flow rate can be controlled with high accuracy.

特に、前記マイクロポンプを、半導体基板とガラス部材
との陽極接合により形成することにより、高密封性を実
現し、シリコンマイクロマシーニングによる微細な流路
網、流体制御素子の搭載が可能となり、流体制御システ
ムそのものを集積化する」二で極めて好適なものとなる
。
In particular, by forming the micropump by anodic bonding between a semiconductor substrate and a glass member, it is possible to achieve high sealing performance, and it is possible to mount a fine flow channel network and fluid control element by silicon micromachining, and to It is extremely suitable to integrate the control system itself.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、微少流量を高感
度で測定することができる半導体流量計を得ることがで
きるという効果がある。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor flowmeter that can measure minute flow rates with high sensitivity.

また、本発明の半導体流量計は、半導体基板を用いて形
成されるため、流量計全体を小型化することができ、ま
たは製造のバラツキも小さく、量産製に優れ、他の流体
制御素子との高密度集積化]3 も可能となる。
Furthermore, since the semiconductor flowmeter of the present invention is formed using a semiconductor substrate, the entire flowmeter can be miniaturized, manufacturing variations are small, it is suitable for mass production, and it is compatible with other fluid control elements. High-density integration] 3 is also possible.

さらに、本発明の半導体流量計は、半導体基板と流路を
構成するガラス部材とを陽極接合することにより、高密
封封止による高信頼性が実現でき、その他の流体制御素
子との高密度集積化も可能となる。
Furthermore, the semiconductor flowmeter of the present invention achieves high reliability due to highly hermetic sealing by anodic bonding the semiconductor substrate and the glass member constituting the flow path, and allows for high-density integration with other fluid control elements. It is also possible to

さらに、前記半導体流量計を用いることにより、その構
成が簡単で、しかも微細流量を高精度で制御することが
できるマイクロポンプを得ることができるという効果も
ある。
Furthermore, by using the semiconductor flowmeter, it is possible to obtain a micropump that has a simple configuration and can control minute flow rates with high precision.

[実施例コ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。
[Embodiment] Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1実施例 第1図および第2図には、本発明にかかる半導体流量計
の好適な実施例が示されており、第1−図はその平面的
な構成を示す説明図、第2図は第1図の■−■断面概略
図である。
First Embodiment FIGS. 1 and 2 show a preferred embodiment of the semiconductor flowmeter according to the present invention, and FIG. 1-1 is an explanatory diagram showing its planar configuration, and FIG. 1 is a schematic cross-sectional view taken along the line ■-■ in FIG.

実施例の半導体流量計は、管30を用いて形成された流
路32内を図中矢印で示す方向に沿って]4 流れる流体100の流量を測定するよう形成されている
。これにおいて、前記管30はガラスを用いて形成され
ている。
The semiconductor flow meter of the embodiment is configured to measure the flow rate of a fluid 100 flowing in a flow path 32 formed using a pipe 30 along the direction indicated by an arrow in the figure. In this case, the tube 30 is made of glass.

実施例の半導体圧力計は、管30を分断し流路32を遮
るように設置されたn型(100)面シリコン基板40
を有し、このシリコン基板40は、ガラスを用いて形成
された管と陽極接合され、これにより両者の間は気密封
止される。
The semiconductor pressure gauge of the embodiment includes an n-type (100) silicon substrate 40 installed so as to divide the tube 30 and block the flow path 32.
This silicon substrate 40 is anodically bonded to a tube formed using glass, thereby creating an airtight seal between the two.

前記シリコン基板40の下面の一部には、シリコン基板
40の両面の差圧に応じた応力を発生ずるダイヤフラム
42が形成されている。このダイヤフラム42の中心付
近には、厚板部分が残され、その中央に上流側から下流
側に向はテーパーを付けた微細孔44が形成されている
。これらダイヤフラム42.微細孔44は、シリコン基
板40に対し、例えばアルカリエツチング液等を用いて
結晶異方性エツチング処理を施すことにより、ミクロン
オーダの単位で簡単かつ高精度に形成することができる
。
A diaphragm 42 is formed on a portion of the lower surface of the silicon substrate 40 to generate stress according to the differential pressure between both sides of the silicon substrate 40. A thick plate portion is left near the center of this diaphragm 42, and a fine hole 44 tapered from the upstream side to the downstream side is formed in the center of the thick plate portion. These diaphragms 42. The micropores 44 can be formed easily and with high accuracy on the order of microns by subjecting the silicon substrate 40 to crystal anisotropic etching using, for example, an alkaline etching solution.

前記ダイヤフラム42の板厚の薄い部分には、フルブリ
ッジ回路を構成するよう4個の歪みゲージ46が形成さ
れ、シリコン基板40の両面に生じる差圧を電圧信号に
変換出力している。前記6歪みゲージ46は、ダイヤフ
ラム42の表面から選択的に不純物としてボロンを部分
的に添加し拡散してP型半導体を形成することにより、
形成される。
Four strain gauges 46 are formed in a thin portion of the diaphragm 42 to form a full bridge circuit, and convert the differential pressure generated on both sides of the silicon substrate 40 into a voltage signal and output it. The six strain gauges 46 are formed by selectively doping boron as an impurity from the surface of the diaphragm 42 and diffusing it to form a P-type semiconductor.
It is formed.

さらに、このシリコン基板40上には、同様な手法によ
りボロンを拡散することによりリード48として機能す
る拡散層が形成され、このリド48は、歪みゲージ46
と、流路32の外部に設けられたAI電極50との接続
を行っている。
Further, on this silicon substrate 40, a diffusion layer functioning as a lead 48 is formed by diffusing boron using a similar method, and this lead 48 is connected to the strain gauge 46.
and an AI electrode 50 provided outside the flow path 32.

また、前記歪みゲージ46.リード48を保護するため
、シリコン基板40の全表面上には、絶縁層52が被覆
形成されてる。この絶縁層52は、例えば減圧CVD等
を用い、窒化シリコンを被覆することとにより形成され
る。
Further, the strain gauge 46. In order to protect the leads 48, an insulating layer 52 is formed over the entire surface of the silicon substrate 40. This insulating layer 52 is formed by coating silicon nitride using, for example, low pressure CVD.

本発明の特徴は、このように形成されたシリコン基板4
0」二に、前記微少孔44の下流側に位置して逆止弁6
0を設け、この逆止弁60を、低流]−6 置載では流路抵抗が大きく、高流量域では流路抵抗が小
さくなるよう形成したことにある。
The feature of the present invention is that the silicon substrate 4 formed in this way
0'' Second, a check valve 6 is located downstream of the microhole 44.
0 is provided, and the check valve 60 is formed so that the flow path resistance is large in the low flow range]-6 and small in the high flow range.

これにより、前記(1)式の定数Kを、流量の減少と共
に大きくなる変数とすることができ、低流量域での感度
を大きくすることが可能となる。
As a result, the constant K in equation (1) can be made a variable that increases as the flow rate decreases, making it possible to increase the sensitivity in the low flow rate range.

実施例において、前記逆止弁60は多結晶シリコンによ
り形成されている。そしてこの逆止弁60は、シリコン
基板40に固定されるリング状の固定部62と、微少孔
44の開閉を行う弁座部64と、前記固定部62と弁座
部64とを連結し面の開口度を決める複数の梁66とか
ら構成される。
In the embodiment, the check valve 60 is made of polycrystalline silicon. The check valve 60 includes a ring-shaped fixing part 62 fixed to the silicon substrate 40, a valve seat part 64 that opens and closes the microhole 44, and a surface connecting the fixing part 62 and the valve seat part 64. It is made up of a plurality of beams 66 that determine the degree of opening.

前記梁66は、流量が大きいときには大きく変形し開口
度が大きくなるため、逆止弁自体の流路抵抗が小さくな
る。逆に流量が少ないときには、梁66の変形が小さい
ため開口度も小さく、この結果、逆止弁の流路抵抗は大
きくなる。
When the flow rate is large, the beam 66 deforms greatly and the degree of opening becomes large, so that the flow path resistance of the check valve itself becomes small. Conversely, when the flow rate is low, the deformation of the beam 66 is small, so the opening degree is also small, and as a result, the flow path resistance of the check valve becomes large.

第3図には、本実施例の流量計の実験データが示されて
いる。実験によれば、微細孔44の一辺長100μm、
弁座部64の直径1−50μm、梁66の板厚2μm8
幅200μmとし、梁66の長さを150μm、300
μm、600μmと変えた3種類の流量計を作製し、流
量に対する歪みゲージ46の出力を測定した。
FIG. 3 shows experimental data for the flowmeter of this example. According to experiments, the length of one side of the micropore 44 is 100 μm,
The diameter of the valve seat part 64 is 1-50 μm, and the plate thickness of the beam 66 is 2 μm8.
The width is 200 μm, the length of the beam 66 is 150 μm, and the width is 300 μm.
Three types of flowmeters with different flow rates (μm and 600 μm) were manufactured, and the output of the strain gauge 46 with respect to the flow rate was measured.

この測定データからも明らかなように、本実施例の半導
体流量計では、低流量側での出力変化率が大きく、測定
分解能が大きいことか理解されよう。特に、梁66の長
さが150μmの試料では、低流量側で約2 (g/c
/) / (、cz i! 7m1n)の感度が得られ
、電圧出力では約20μV/(μi’ 7m1n)であ
った。
As is clear from this measurement data, it can be understood that the semiconductor flowmeter of this example has a large output change rate on the low flow rate side and has a large measurement resolution. In particular, for a sample in which the length of the beam 66 is 150 μm, approximately 2 (g/c
A sensitivity of /) / (, cz i! 7m1n) was obtained, and the voltage output was about 20 μV/(μi' 7m1n).

また、第4図には、逆止弁60の逆流防止機能に対する
実測データが示されている。逆方向の圧力印加に対し、
前記逆止弁60は、その弁座部64が微少孔44を閉塞
し、逆流を防止するように作用する。実験では、前述し
た3種類の試料を用い、流路32の逆方向に圧力を印加
した。この結果、梁66の長さが150μm、300μ
mの試料については、逆止弁60は完全に流を止め逆流
を防止していることが確認された。
Further, FIG. 4 shows actual measurement data regarding the backflow prevention function of the check valve 60. For pressure application in the opposite direction,
The check valve 60 functions so that its valve seat portion 64 closes the microhole 44 and prevents backflow. In the experiment, pressure was applied in the opposite direction of the flow path 32 using the three types of samples described above. As a result, the length of the beam 66 is 150 μm and 300 μm.
For sample No. m, it was confirmed that the check valve 60 completely stopped the flow and prevented backflow.

なお、本発明の半導体流量計において、微細孔44.逆
止弁60の形状パラメータは、前述したように感度等に
密接な関係があるため、測定レンジに応じた設計を行う
ことが必要である。
Note that in the semiconductor flowmeter of the present invention, the fine holes 44. Since the shape parameters of the check valve 60 are closely related to the sensitivity and the like as described above, it is necessary to design the check valve 60 according to the measurement range.

第2実施例 第5図には、前述した半導体圧力センサを用いて形成さ
れたマイクロポンプの好適な実施例が示されている。
Second Embodiment FIG. 5 shows a preferred embodiment of a micropump formed using the semiconductor pressure sensor described above.

実施例のマイクロポンプは、微細な流路網を形成するよ
うに、シリコン基板40の両面に第1のガラス基板72
および第2のガラス基板74を陽極接合により気密接合
している。
The micropump of the embodiment has first glass substrates 72 on both sides of the silicon substrate 40 to form a fine channel network.
and a second glass substrate 74 are hermetically bonded together by anodic bonding.

前記第1のガラス基板72には、流路32の両端につな
がるインレット76およびアウトレット78が形成され
ている。
An inlet 76 and an outlet 78 connected to both ends of the flow path 32 are formed in the first glass substrate 72 .

実施例では、流路32の上流側に逆止弁60を設置する
と共に、その下流側に半導体流量計110を設置した。
In the embodiment, a check valve 60 was installed on the upstream side of the flow path 32, and a semiconductor flowmeter 110 was installed on the downstream side thereof.

この半導体流量計11.0は、前記第1実施例と示した
ものと同様なものであるが、シリコン基板40を第2図
に示すシリコン基1つ 板40として用い、しかも微細孔44の周辺の厚板部を
なくし液溜りを防止した点でその構成が若干界なる。
This semiconductor flowmeter 11.0 is similar to that shown in the first embodiment, but uses a silicon substrate 40 as the single silicon substrate 40 shown in FIG. The structure is slightly different in that it eliminates the thick plate part and prevents liquid pooling.

前記第1のガラス基板72には、前述した逆止弁60お
よび半導体流量計110で挾まれた流路部分に面にして
ダイヤフラム80が形成され、このダイヤフラム80の
中央部は、第1のガラス基板72に支点82を用いて支
持されたピエゾアクチュエータ84に固定されている。
A diaphragm 80 is formed on the first glass substrate 72 so as to face the flow path portion sandwiched between the check valve 60 and the semiconductor flowmeter 110, and the center portion of the diaphragm 80 is formed on the first glass substrate 72. It is fixed to a piezo actuator 84 supported on the substrate 72 using a fulcrum 82 .

従って、ピエゾアクチュエータ84へ交流電圧を印加す
ることにより、ピエゾアクチュエータ84は上下に伸縮
し、ガラスダイヤフラム80を振動させる。こめとき、
逆止弁60および半導体流量計110の逆止弁60の働
きにより、流体100は図中破線矢印の方向へ移動する
。
Therefore, by applying an alternating current voltage to the piezo actuator 84, the piezo actuator 84 expands and contracts up and down, causing the glass diaphragm 80 to vibrate. When it comes time,
Due to the functions of the check valve 60 and the check valve 60 of the semiconductor flowmeter 110, the fluid 100 moves in the direction of the broken line arrow in the figure.

このときの流量は、ピエゾアクチュエータ84への印加
電圧の最大振幅値1周波数の関数になる。
The flow rate at this time becomes a function of the maximum amplitude value of the voltage applied to the piezo actuator 84 and one frequency.

本発明では、半導体流量計110で測定した流量に基づ
き、ピエゾアクチュエータ84への印加電圧の最大振幅
値1周波数を制御することにより、微細流量域から高流
量域まで供給流量を極めて高い精度で制御できるマイク
ロポンプを実現することが可能となる。
In the present invention, by controlling the maximum amplitude value 1 frequency of the voltage applied to the piezo actuator 84 based on the flow rate measured by the semiconductor flowmeter 110, the supply flow rate can be controlled with extremely high accuracy from a minute flow rate range to a high flow rate range. It becomes possible to realize a micropump that can

実験によれば、最大振幅値を100Vに固定した状態で
、周波数を制御することにより、20μm 7m1n以
下の流量制御が可能になることが確認された。この上限
は、マイクロポンプの能力からくる制約であり流量計は
何等制約を与えるものではない。
According to experiments, it has been confirmed that by controlling the frequency with the maximum amplitude value fixed at 100V, it is possible to control the flow rate below 20 μm 7 m1n. This upper limit is a restriction caused by the ability of the micropump, and the flowmeter does not impose any restrictions.

このようにして本実施例によれば、半導体流量計110
が逆止弁60を有し、しかも微細流量を正確に測定する
ことができるという特徴を利用し、その構成が単純で、
しかも微細流量から高流量域まで流量制御を高精度に行
うことができるマイクロポンプを得ることができる。
In this way, according to this embodiment, the semiconductor flowmeter 110
Utilizing the feature that it has a check valve 60 and can accurately measure minute flow rates, its configuration is simple,
Furthermore, it is possible to obtain a micropump that can control the flow rate with high accuracy from a minute flow rate to a high flow rate range.

また、本実施例によれば、シリコン基板40と、第1お
よび第2のガラス基板72.74とを陽極接合すること
により高密封性を実現し、しかもシリコンマイクロマシ
ーニングによる微細な流路制流体制御素子を搭載するこ
とができるため、流体制御システムの集積化を図る上で
極めて効果的なものであることが理解されよう。
Further, according to this embodiment, high sealing performance is achieved by anodic bonding the silicon substrate 40 and the first and second glass substrates 72 and 74, and fine flow path control is achieved by silicon micromachining. It will be understood that since a fluid control element can be mounted, it is extremely effective in integrating a fluid control system.

また、実施例の半導体流量計およびマイクロポンプのよ
うにシリコン基板40を用いることにより、半導体流量
計110からの出力信号からの処理回路をシリコン基板
40上に搭載することも可能となり、この面からも回路
全体およびシステムの高集積化を図ることも可能となる
。
Furthermore, by using the silicon substrate 40 as in the semiconductor flowmeter and micropump of the embodiment, it is possible to mount a processing circuit from the output signal from the semiconductor flowmeter 110 on the silicon substrate 40. It also becomes possible to achieve high integration of the entire circuit and system.

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments,
Various modifications are possible within the scope of the invention.

例えば、本発明に用いられる逆止弁60の構造としては
、流体流量に合せて開口度が調整できるものであれば、
必要に応じて任意の構造のものを用いることができる。
For example, the structure of the check valve 60 used in the present invention may be such that the opening degree can be adjusted according to the fluid flow rate.
Any structure can be used as needed.

また、前記実施例のマイクロポンプでは、第1のガラス
基板72にダイヤフラム80を形成した例をとり説明し
たが、本発明はこれに限らず必要に応じて第2のガラス
基板74にダイヤフラム80を設けてもよく、また両ガ
ラス基板72゜74にダイヤフラム80を形成してもよ
い。
Further, in the micro pump of the above embodiment, the diaphragm 80 is formed on the first glass substrate 72, but the present invention is not limited to this, and the diaphragm 80 is formed on the second glass substrate 74 as necessary. Alternatively, a diaphragm 80 may be formed on both glass substrates 72 and 74.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明にかかる半導体流量計の好適な実施例
を示す平面説明図、 第2図は、第12図の■−■断面概略説明図、第3図は
、本実施例の流量に対する差圧変化を示す特性図、 第4図は、本実施例に用いられる逆止弁の逆止特性を示
す特性図、 第5図は、本発明のマイクロポンプの好適な一例を示す
断面概略説明図、 第6図は、絞り流量計の一般的な原理を示す説明図、 第7図は、従来のオリフィスを用いた絞り流量計の断面
説明図、 第8図は、前記従来例の流量に対する差圧変化44・・
・微細孔、  46・・・歪みゲージ、60・・・逆止
弁、  62・・・固定部、64・・・弁座部、  6
6・・・梁、72・・・第1のガラス基板、 74・・・第2のガラス基板、 80・・・ダイヤフラム、 84・・・ピエゾアクチュエータ、 100・・・流体、1]0・・・流量計。
FIG. 1 is a plan view showing a preferred embodiment of the semiconductor flowmeter according to the present invention, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line ■-■ in FIG. 12, and FIG. 3 is a flow rate diagram of the present embodiment. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the check characteristics of the check valve used in this example. FIG. 5 is a cross-sectional schematic diagram showing a preferred example of the micropump of the present invention. 6 is an explanatory diagram showing the general principle of a throttle flowmeter. FIG. 7 is a cross-sectional diagram of a conventional throttle flowmeter using an orifice. FIG. 8 is a diagram showing the flow rate of the conventional example. Differential pressure change 44...
- Microhole, 46... Strain gauge, 60... Check valve, 62... Fixed part, 64... Valve seat part, 6
6... Beam, 72... First glass substrate, 74... Second glass substrate, 80... Diaphragm, 84... Piezo actuator, 100... Fluid, 1]0... ·Flowmeter.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)流路に流れる流体の流量を測定する半導体流量計
であって、 一方の面が前記流路の上流側、他方の面が前記流路の下
流側に面するよう設置された半導体基板と、 前記半導体基板の一部に形成され、基板両面の差圧によ
り応力を発生するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに
設けられ、ダイヤフラムに発生する応力を検出する歪み
ゲージと、 前記ダイヤフラムに形成された流体通過用の微細孔と、 前記微細孔の下流側に設けられ、低流量域では流路抵抗
が大きく高流量域では流路抵抗が小さくなる逆止弁と、 を含み、前記歪みゲージの検出出力に基き流体の流量を
測定することを特徴とする半導体流量計。
(1) A semiconductor flowmeter that measures the flow rate of fluid flowing in a flow path, the semiconductor substrate being installed so that one surface faces the upstream side of the flow path and the other surface faces the downstream side of the flow path. a diaphragm formed on a part of the semiconductor substrate to generate stress due to a pressure difference between both sides of the substrate; a strain gauge provided on the diaphragm to detect stress generated in the diaphragm; and a fluid formed in the diaphragm. a fine hole for passage; and a check valve that is provided on the downstream side of the fine hole and has a large flow path resistance in a low flow rate region and a small flow path resistance in a high flow rate region, and a detection output of the strain gauge. A semiconductor flowmeter characterized by measuring the flow rate of a fluid based on.
(2)シリコン結晶からなる半導体基板と、この半導体
基板の両面に陽極接合され、半導体基板との間に流路を
形成する第1のガラス部材及び第2のガラス部材と、 多結晶シリコンからなり、前記流路に位置して前記半導
体基板上にその一部が固定された逆止弁と、 前記流路に位置して前記半導体基板上に設けられた請求
項(1)の半導体流量計と、 前記半導体流量計及び逆止弁により挟まれた流路に面し
て、前記第1または第2のガラス部材に設けられたダイ
ヤフラムと、 前記ダイヤフラムを往復駆動するアクチュエータと、 を含み、 前記半導体流量計は、 その歪みゲージが、シリコン拡散抵抗として形成され、 その逆止弁が、多結晶シリコンからなり、その一部が前
記半導体基板に固定される構造に形成され、この半導体
流量計で検出した流量に基き前記アクチュエータを駆動
することを特徴とするマイクロポンプ。
(2) A semiconductor substrate made of silicon crystal, a first glass member and a second glass member that are anodically bonded to both sides of the semiconductor substrate and form a flow path between them and the semiconductor substrate, and made of polycrystalline silicon. , a check valve located in the flow path and partially fixed on the semiconductor substrate; and a semiconductor flowmeter according to claim 1, located in the flow path and provided on the semiconductor substrate. , a diaphragm provided on the first or second glass member facing the flow path sandwiched by the semiconductor flowmeter and the check valve; and an actuator that reciprocates the diaphragm, The flowmeter has a strain gauge formed as a silicon diffused resistor, a check valve made of polycrystalline silicon, and a part of which is fixed to the semiconductor substrate, and the semiconductor flowmeter detects The micropump is characterized in that the actuator is driven based on the flow rate.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998048330A1 (en) * 1997-04-22 1998-10-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Proportioner
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