JPH11506835A - 蒸気圧力センサ及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸気圧力センサ１１は、第一及び第二の平面且つ平行な面３３、３２を有する本体３１を有するサブストレートを含んでいる。穴４６は、該第一面３３と該第二面３２との間にあり該本体の第一面３３からそれを貫通して該本体内３１に延びて形成されている。片持ち梁５１は、前記本体３１の穴４６内に配置され、該本体３１に一体的に形成され、該本体３１とに連結部を形成し、該本体３１の穴４６の片持ち梁として形成される、片持ち梁５１は、面を有する。蒸気吸収コーテイング４８は、前記梁の前記面に支持されており、コーテイング４８は、厚さが実質的に均一である。それは該梁の面に付着し且つ該梁によって完全にせん断抑制されている。歪測定装置３６は、前記サブストレートに支持され、前記本体３１と前記梁５１との連結部に配置され、前記蒸気吸収コーテイングによって該梁に引き起こされたせん断力を測定する。前記蒸気吸収コーテイング４８は、それが蒸気を吸収し及び蒸気を放出する時、前記梁５１の表面に平行な方向に伸張及び収縮する。

Description

【発明の詳細な説明】 蒸気圧力センサ及びその方法 発明の分野 本発明は、蒸気圧力センサ及び方法に関するものである。特にその中でも、蒸 気圧力を検知する多孔質有機及び無機物質の伸張特性を利用し、それらの伸張特 性を歪ゲージに連結して、例えば、湿度を相対蒸気圧力として測定するセンサ及 びその方法である。 関連技術の説明 湿度を計測するセンサは、これまで、酸化した多孔質シリコンをコンデンサの 二電極間に設置する湿気吸収誘電体として使用しており、これにより湿度を計測 していた。電極間の多孔質物質に浸透する蒸気が誘電率の純変化を示し、その変 化をモニタすることにより、装置の静電容量を測定し、湿度変化の測定を提供す る。その欠点は、アウトプットが線形的に表わせないことであった。加えて、そ の装置は湿気の質量（ｍａｓｓ）を測定し且つ質量は任意の点で停止できるパラ メータとなることはできないから、１００％相対湿度でも測定は停止せず、多孔 質シリコンの湿気含有量が増加し続けるに従って増加し続ける。湿度計は、これ まで、蒸気の存在の下で膨張するポリマーを利用してつくられてきた。天然及び 合成ポリマーが使用されてきた。抑制されていない、あるいは部分的に抑制され ている天然及び合成ポリマーの膨張は、吸収及び放出間に実質的なヒステリシス が存在するため非線形の吸収パターンを示していた。天然及び合成ポリマーによ る湿気の吸収質量並びに静電容量変化の検知は、水の吸収質量が蒸気から液体へ の相変化によって制限されないことにより、そのような質量検知システムにおけ る相対湿度１００％、すなわち、水への変位点における湿度検知は決定力のない ものであるため、不利であった。 そのようなセンサは、また、再現可能性上のエラーもあった。このタイプのセ ンサの湿度検知要素は、一般的に、大きく、複雑で且つ製造するに高価であった 。故に、これらの不利益を克服する、新しく改良された蒸気センサ及び蒸気圧力 の測定方法が必要とされた。 発明の概要 一般的に、本発明の目的は、蒸気圧力を検知するため使用される多孔質の有機 及び無機物質の伸長特性による蒸気圧力センサを提示することである。 本発明の他の目的は、歪ゲージにより伸長特性を検知し、蒸気吸収及び放出の 測定を提供する、上記の特徴を持つセンサ及びその方法を提示することである。 本発明の他の目的は、実質的に線形な結果がヒステリシスなしに繰り返し達成 される、上記の特徴を持つセンサ及びその方法を提示することである。 本発明の他の目的は、あるサブストレート（層）に任意ガスを選択的に吸収さ せ、完全にせん断抑制されたアドネート（ａｄｎａｔｅ）要素内に誘発させ得る 歪みを生じさせて、該任意ガスの相対蒸気圧力を測定するのに使用することがで きる上記特徴を持つセンサ及びその方法を提示することである。 本発明の他の目的は、小型化の可能な上記の特徴を持つセンサ及びその方法を 提示することである。 本発明の他の目的は、安価で大量生産できる上記の特徴を持つセンサ及びその 方法を提示することである。 図面の簡単な説明 本発明のさらなる目的及び特色は、以下の添付図に関連して詳細に述べられた 好ましい実施例の以下の説明から明らかにされるであろう。 図１は、本発明を具体化する蒸気圧力センサの平面図である。 図２は、図１に示された蒸気圧力センサの側面図である。 図３は、図１に示された蒸気圧力センサの断面図である。 図４は、図１に示されたセンサの保護網を除去して示した拡大平面図である。 図５は、図１から４に示されたセンサに使用されるダイの等角図である。 図６は、図５の線６ー６に沿った断面図である。 図７は、本発明の蒸気圧力センサの完全梁配置の等大図である。 発明の実施の形態 概略的に、本発明を具体化する蒸気圧力センサは、ダイがその内部に装着され たハウジングすなわちケースで構成されている。ダイは、第一と第二の面を持つ シリコン本体で形成されており、当該本体は第二面から第一面にかけて穴が空い ている。当該本体はそこに一体的に形成された片持ち体を有し、その穴上に片持 ち梁状に張り出すように、片持ち体は穴上に伸び出ている。当該片持ち体は本体 厚さよりも実質的に薄く、縦の長さも横幅より実質的に短い。当該片持ち体の表 面には、薄い蒸気吸収コーテイングが塗られている。当該蒸気吸収コーテイング は、前記の第一面に確実に付着しており、当該片持ち体によって完全せん断抑制 されている。コーテイングは第一面と平行の方向に膨張することによって周囲の 相対蒸気圧力の変化に反応する。コーテイングの膨張は、当該片持ち体の応力変 形を引き起こす。相対蒸気圧力を測定するための片持ち体の当該圧力変形を測定 する手段は、ハウジングに支持され、ダイに固定されている。 図１から６にさらに詳しく示されている通り、本発明を具体化する蒸気圧力セ ンサ１１は、上面１３及び底面１４を持ち、モールド成型されたプラスチックな どの適切な素材でつくられたハウジングあるいはディスク形のケース１２で構成 されている。それは、上面１３に向かって開いているほぼ円筒状の凹所１６を持 つ。円形網１７は上面１３に嵌め込まれており、図３に特に示される通り凹所１ ６を覆っているが、センサ１１が置かれている環境に凹所１６が晒されるように している。もし凹所１６がさらに確実に環境に晒されることが望まれる場合は、 底面から凹所１６に通じる追加穴１８を設置することもできる。穴１８は、集め られたいかなる湿気も排出し、溜まり部の形成の防止を確かなものとする。 半導体装置すなわちダイ２１は、凹所１６内に配置され、凹所１６の底壁２３ にシリコンＲＴＶダイ接着素材２２を使用して、適切な状態に嵌め込まれている 。ダイ２１は、ダイ２１及びケースすなわちハウジング１２内にモールドされた リード枠２７にワイヤ接続されている複数のリードによって固定されている。リ ード枠２７は、平面に横たわり且つケースすなわちハウジング１２の外側一方向 に伸びている、間隔を開けて配置された複数のリード２８を含んでいる。 センサ装置すなわちダイ２１は平面で平行な上面３２及び底面３３を有し、固 いサブストレート（層）として働く本体３１から構成されている。当該本体は、 例えば、結晶写真の表面配向が（１００度）で且つ側面配向が（１１０度）とい った望ましい配向角度を持つＮ−タイプの結晶質シリコンのような適切な素材に よって形成されている。図５及び６に特に示される通り、本体３１は、後述する 目的により、上面３２の予め決められた位置に拡散している歪ゲージ３６を有し ている。このような拡散した歪ゲージ３６は適切な写真・拡散技術によって従来 方法により形成し得るものである。同じく、低抵抗相互接続体３８は上面３２に 拡散しており、歪ゲージ３６に接続し、且つ金属パッド３９にも接続している。 当該金属パッド３９はアルミニウムのような適切な素材でつくられており、上面 ３２上に配列され、二酸化ケイ素のような適切な素材でつくられた絶縁層４１に より上面３２から絶縁されている。二つのパッド３９はリード枠２７と接続して いるとして説明された上述の金リード２６との相互接続域を提供している。 凹所すなわち穴４６は、第二のあるいは下面３３から、本体３１の外縁境界内 に、マイクロ機械切削あるいは化学エッチングといった適切な手段により、本体 ３１内に形成されている。凹所４６は、例えば、５から１００ミクロンの範囲、 望ましくは１０から５０ミクロンの範囲の適切な厚さをもつ本体３１に一体的に 形成されている薄いダイアフラムが残るよう、ある深さまで形成される。もし凹 所４６がアニソトロピックエッチングのような化学エッチングによって形成され るならば、図５及び６に示される通りシリコン本体３１の結晶質素材によって限 定される傾斜した側壁を有するであろう。当該ダイアフラムは、その表面が（１ ００度）面内に横たわり、且つその端部が（１１１）面に境界付けられて形成さ れるであろう。 蒸気吸収コーテイング４８は本体３１の上面３２上に拡がって支持されている 。当該コーテイング４８は均一の厚さを持っていなくてはならない。また、それ は上面３２にしっかりと付着し、そこで完全にせん断抑制されていなければなら ない。当該コーテイング４８は以下のようにいかなるガスにも反応する素材でつ くられていなければならない。このガスにおいては、相対蒸気圧力が０から１０ ０まで変化し、吸収及び放出されるものであり、上面３２の平面と平行ないかな る方向からも放射状に膨張及び収縮し湿気応力を生じさせる。結果として生じる 力は、表面を歪むませ、あるいは、変形して、反応可能なスブストレートを薄く （抵抗を増加させる）あるいは厚く（抵抗を減少させる）する。本発明の帰結す るところは、湿気応力により誘発される歪変形を最大限にすることにある。埋め 込まれた歪測定ゲージ３６の薄化及び厚化は、湿気応力を測定可能な湿気歪に変 換することとなる。従って、コーテイング４８は、相対蒸気圧力をせん断圧力に 変換し、次いで、線形でヒステリシスの無い再現性のある０から１００％までの 測定値を与えるように測定される歪に変換するために使用される。 数々の物質が、上記に定められたパラメータ内で満足のいく特性を示すものと して確認されており、硫黄、ポリイミド、セルロース系物質、チタン、ポリ（ア ミド）−イミド等を含む天然及び合成有機物質もその中に含むことができる。無 機ガラス又はシリコンの多孔質コーテイングは、蒸気圧力応答を提供する。この 効果は、蒸気の分子量により選択可能なゼオライトタイプの素材により高めるこ とができる。とりわけ効果的な素材として、ＳＲＤＬ／ＰＡＬ５５５２ポリイミ ドが挙げられる。他の素材としてはＥＰＯ−ＴＥＫ６００／６７０がある。ポリ イミドは、これより適当な方法によりダイが作られるウエハに、液体の状態で塗 られる。この適当な方法は、例えば、回転塗布機を６０秒間で３０００ｒｐｍの 速度で回転して、１から１０ミクロンの範囲、望ましくは２から５ミクロンの範 囲の厚さのコーテイングとし、しかる後、コーテイングを部分的に養生するため に２０分間１２０℃で養生するという方法である。コーテイングはウエハの全面 を覆うので、コーテイングを施したくない表面の部分のコーテイングを除去する 必要がある。それは、フォットレジストを回転コーテイングし、マスクを通して 露光させ、続いて現像し。不必要なポリイミドをエッチングするという処理によ り達成される。ポリイミドは、その後、１３０℃の高温で１５分間養生され、次 に、２００℃で３０分間、４００℃で３０分間同様にすることでコーテイングが 完全に養生される。 以上のようにして塗装されたポリイミドコーテイングは、厚さが非常に均一で 、一貫して良好な接着性を有している。上面３２のコーテイングの接着性をさら に高めるため、上面３２にＤｕＰｏｎｔ ＶＭ６５１接着促進剤のような適切な 接着剤を塗り、その後乾燥させ、しかる後、前述のポリイミドコーテイングを前 述のようにして施すことができる。 当該コーテイング４８が施された後すぐに、化学エッチングあるいはマイクロ 機械切削といった適切な手段により、ダイアフラムを形成している物質部分は除 去され、上面３２及び底面３３間にまたがる凹所４６に隣接する穴を形成し、片 持ち梁５１を形成するダイアフラム部分がつくられる。図５及び６に示される通 り、凹所４６は片持ち梁５１と同様、長方形の形状とすることもできる。片持ち 梁５１はどことも接しない３辺を有し、故に梁は１辺でのみ本体３１に接してお り、本体３１に一体的に形成されている。本発明によると、横幅よりも実質的に 短い縦の長さを持つ片持ち梁を配置することが望ましいと分かった。横幅は、片 持ち梁５１の縦の長さの５から１０倍としなければならない。片持ち梁５１の寸 法を前記のようにすることには、数々の利点がある。それは、梁５１に対する圧 力及び加速の影響を減少させる。それはまた、共鳴周波数を増加させるので、振 動や衝撃に対して敏感でなくなるであろう。 片持ち梁５１が伸び出している本体３１の凹所４６は、片持ち梁５１と凹所４ ６を形成する本体３１の側壁との間の連結点、すなわち、高応力点が、片持ち梁 に支持された拡散した歪ゲージ３６の一端の直下にあるように、形成される。従 って、歪ゲージ３６は、片持ち梁５１に加えられた応力を測定するのに、最適位 置に配置されていることとなる。 片持ち梁５１を形成するためには、片持ち梁５１に属さないコーテイング４３ の全部分を除去することが望ましい。これは、光化学エッチング又はレーザカッ ティングといった、いかなる適切な手段をもっても達成できる。望ましくは、コ ーテイング４３はパッド３９を除いた本体３１上にも延在させるべきである。前 述した方法でウエハが処理された後、ウエハは本発明のセンサとして使用される ように、個別のダイに従来の方法にて切断される。 図５及び６に示される通り、本体３１は、水晶あるいはガラスのような最適な 素材でつくられ、平面で平行な第一面６７及び第二面６８を有する支持あるいは 拘束要素６６に固定することができる。当該第一面６７は、本体３１の第二面３ ３に、ガラスフリット（ｆｒｉｔ）シールのような適当な方法で接着される。支 持要素６６には穴７０が形成され、凹所すなわち穴４６における湿気の滞留を防 止する役割を果たしている。 ダイ２１が完成すると、それはケースすなわちハウジング１２内の底壁２３に 、ＲＴＶダイ接着素材２２によって装着される。その後、金リード２６は、パッ ド３７及びモールド成型されたケースすなわちハウジング２７に支持されたリー ド 枠２７に接続される。網１７はその後接着剤のような適切な手段によって定位置 に固定される。ダイ２１は、コーテイング６１が、網１７の穴を通して周囲の環 境に晒されるような位置に装着される。 本発明の方法による蒸気圧力検知のための蒸気圧力センサ１１の操作及び使用 方法は、以下において説明される。蒸気圧力センサ１１が水蒸気を検知するのに 望ましい環境に置かれ、適切な器具に取り付けられていると想定する。センサは 、もしその方がよければ、従来の方法で温度補償することができる。水蒸気に晒 されると、センサは実質的にヒステリシス無しに０から１００％の相対湿度を測 定することができる。測定結果は再現性がある。反応時間は１０から５０秒間と 短く、また、自己−上下限規制機能を持っており、率が乾燥している時に０以下 となったり、相対蒸気圧力が１００％の時に１を超えることはなかった。 センサは飽和状態（１００％相対湿度）で安定的となり、湿気応力は、平衡湿 気すなわち平衡水蒸気飽和状態時での力を表わすダナミック０になる。蒸気から 液体に変化する間は、湿気応力の結果によるさらなる歪は生まれない。このよう な水蒸気の測定は、ポリマー内に水素結合による応力応答を誘発するいかなるコ ンパウンドの相対部分蒸気圧力をも測定可能であることを示すものである。 前記説明と関連して、シリコン本体３１は、歪を測定することのできるサブス トレートを提供する、と見ることができる。シリコンは、その中に拡散した歪ゲ ージを配置可能なので、この目的に特に適した素材である。しかし、必要な歪測 定を行うのに、他のサブストレート素材も使用され得ること、またサブストレー ト上に別の歪ゲージを装着して使用され得ることも認識されるべきである。例え ば、ゲルマニウムはその内部にエピアキシャリ（ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ）配置 にゲージを埋め込むことができる。蒸気圧力検知層は、チタンから多孔質ガラス まで、多種の吸収面のいずれとすることもできる。 蒸気圧力センサの湿気機械的及びピエゾ抵抗パーフォーマンスに影響すること なく、コーテイングとサブストレートとの間に緊密な接着を形成することによっ て、蒸気吸収コーテイング６１をシリコンサブストレートにしっかりと接着する ことは重要である。 本発明を具体化する蒸気圧力センサの他の実施例が、図７に示されている。本 発明の蒸気圧力センサは、半分あるいは完全な梁形状のどちらでも実施すること ができる。図５及び６で示される単一の歪ゲージ３６の代わりに、前述のタイプ の４つの歪ゲージ７１、７２、７３、７４が図７において完全な梁形状として示 されている。歪ゲージ７１から７４は、全て、片持ち梁５１と本体３１との間の 連結部に極めて近接して配置しており、最高のパーフォマンスを達成する。歪ゲ ージの中の２つである７２及び７４は連結部に平行に延びており、他の２つのゲ ージ７１及び７３は連結部に直角に、また片持ち梁の縦軸に平行に延びている。 図７に示されるとおり、歪ゲージ７１から７４は拡散した相互連結体７６により 完全ブリッジとなって接続し、また、前述した方法で４つのリード２６と接続さ れている４つの出力パッド７７にも同様にして接続している。本発明における完 全ブリッジ配置では、ブリッジ自体内でいくらかの温度影響が削減されるので、 当業者において周知のように温度補償を施すことになる。 これまでの記述を考慮すると、相対湿度を０から１００％まで、ヒステリシス 無しで、且つ再現性を持って検知する蒸気圧力センサ及びその方法が提示された ことが分かるであろう。検知される湿気歪は分子レベルであり、極度に小さいセ ンサの製造が可能である。低インピーダンス抵抗からなる線形出力が供給される 。０から１００％の相対湿度の線形出力は、上下限が自己規制される。センサ装 置は低い温度係数を持っている。センサ装置はサイズがとても小さい。それは汚 濁に強く、容易に洗浄できる。それは相対的に低価格で大量生産技術での製造が 可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 クイン ロバート シー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94549 ラファイエット モスウッド ド ライヴ 3797

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第一及び第二の平面且つ平行な面を有する本体と、該第一面と該第二面との 間にあり該本体の第一面からそれを貫通して該本体内に延びて形成された穴を有 するサブストレート； 前記本体の穴内に配置され、該本体に一体的に形成され、該本体とに連結部 を形成し、該本体の穴の片持ち梁として形成される面を有する片持ち梁； 前記梁の前記面に支持された蒸気吸収コーテイングであって、厚さが実質的 に均一で該梁の面に付着し且つ該梁によって完全にせん断抑制されている蒸気吸 収コーテイング； 前記サブストレートに支持された歪測定装置であって、前記本体と前記梁と の連結部に配置され、前記蒸気吸収コーテイングによって該梁に引き起こされた せん断力を測定する歪測定装置； を含んで構成されてなり、前記蒸気吸収コーテイングは、それが蒸気を吸収 し及び蒸気を放出する時、前記梁の表面に平行な方向に伸張及び収縮するという 特性を持っている蒸気圧力センサ。 ２．前記サブストレートがシリコンで形成されており、且つ前記蒸気吸収コーテ イングがポリイミドである請求項１のセンサ。 ３．凹所を内部に有するケースと、該ケースに支持され且つ該凹所に延び出して いるリード枠とを備えており、 前記サブストレートは、前記ケース内の凹所内に配置されたダイの形態をし ており、リード手段はリード枠を前記せん断測定装置に接続し、前記凹所は前記 コーテイングが周囲の環境に晒され且つ当該環境内に存在する蒸気圧力を測定す ることができるように該環境に開かれているようにされてなる請求項１のセンサ 。 ４．シリコンで作られたサブストレートであって、該サブストレートの一部分は 表面を有すると共に該サブストレートとに連結部を形成する薄い柔軟な片持ち梁 を形成するように除去されてなるサブストレート； 前記梁の前記表面に支持され、該梁によってせん断抑制されるように該梁の 該表面にしっかりと接着された蒸気吸収放出コーテイングであって、該梁の該表 面に平行な縦方向に膨脹して該梁を変形することにより相対蒸気圧力の変化に応 答するし蒸気吸収放出コーテイング； 前記梁の前記連結部における変形を測定する手段； を備えてなる蒸気圧力センサ。 ５．前記梁の変形を測定する手段は、前記変形を電気信号に変換する手段を含む 請求項４のセンサ。 ６．前記歪み測定装置がブリッジの一部を形成する請求項１のセンサ。 ７．蒸気の吸収及び放出により膨張及び収縮する蒸気吸収素材を使用し且つ固い サブストレートを用いることによって蒸気圧力を測定する方法であって、 前記サブストレートに表面を有する片持ち梁を形成すると共に、該サブスト レートを連結部を形成するように隣接させる工程； 層が前記片持ち梁にしっかりと接着し且つ該片持ち梁によってせん断抑制を 受けるように、該片持ち梁の前記表面にほぼ均一な厚さを有する薄い層として蒸 気吸収材料を形成する工程； 前記層が蒸気を吸収及び放出する時、該層から前記連結部に付与される応力 により前記サブストレートの連結部に生じた歪を測定する工程； を備えて構成される蒸気圧力測定方法。 ８．前記サブストレートをシリコンで形成する工程を追加した請求項７の方法。