JP2000504412A - 微細加工製作シリコン羽根型マイクロ流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微細加工により製作されたモノリシック、シリコン羽根型マイクロ流量計（２０）は、内側に蝶番が内側に突き出た羽根（２８）を備える。蝶番には捩りバー（２４）が設けられる。蝶番は、捩りバー（２４）の周りに回転される羽根（２８）を支持する。捩れ感知手段は、捩りバー（２４）の少なくとも一つに組み込まれた捩れセンサ（４２）から成り、衝突する流体に応答して捩れる羽根（２８）の捩れを検出する。枠（２２）、捩りバー（２４）及び捩れセンサ（４２）は全て、基体の半導体単結晶シリコン層に一体に加工製作される。

Description

【発明の詳細な説明】 微細加工製作シリコン羽根型マイクロ流量計 発明の分野 本発明は流体流測定の分野、特に、数十〜数百マイクロリットル／分（μｌ／ ｍｉｎ）の流量を測定できる小型流量計に関する。 背景技術 多くの分野において、少ない流体流の測定は極めて重要である。特に生物、医 療科学、分析計測、医薬物質の送出の分野では、線量分析又は滴定される液体又 は気体の何れかを問わず微少量の流体の測定は共通の問題である。測定されるべ き流体量は、しばしば殆どナノリットルの範囲である。特に医療検査では、汚染 を避けるため流量計は使い捨て自在で、従って廉価であることがしばしば望まし い。絶対精度測定は必ずしも必要ではないが、正確で反復可能な測定が必要であ る。これ等の用途の多くでは、より小さく小型化した通常の流量計は実現不可能 である。例えば、圧力測定原理を用いる流量計は具現化が極めて困難になる。 １９９３年、フロリダ州フォート・ローダーデールで開催されたIEEEマイクロ 電子機械システム会議の会報に掲載のGass，V.，van der Schoot，B．H．及びde Rooij，N．F．による「抵抗力測定に基づくマイクロ流センサによるナノ流体の 処理」と題する、IEEEカタログＮｏ．９３ＣＨ３２６５−６と指定の論文（以下 Gass論文）には、５〜５００マイクロリットル／分(ml/min)の流量範囲で動作す るマイクロ流センサが記載されている。Gass論文に記載されているマイクロ流セ ンサは、ホイートストーンブリッジを形成するように配置されたピエゾ抵抗を運 ぶ片持ち梁を用いるものである。層流状態ではレイノルズ数が低いと、片持ち梁 の両側の液体の圧力差は無視できる。しかしながら、片持ち梁の自由端を流れる 液体は、液体中の粘性剪断により梁の端部に流れ随伴抵抗を生じ、梁を曲げ、ホ イートストーンブリッジを形成するピエゾ抵抗に応力を加える。 発明の開示 本発明の目的は、微少流体流を測定する流量計を提供することにある。 本発明の他の目的は、微少流体流を測定する廉価な流量計を提供することにあ る。 本発明の他の目的は、微少流体流を測定する、製造が簡単な流量計を提供する ことにある。 本発明の他の目的は、微少流体流を測定する、製造が経済的である流量計を提 供することにある。 本発明の他の目的は、微少流体流を測定する簡単な流量計を提供することにあ る。 本発明の他の目的は、微少流体流を測定する、信頼性のある流量計を提供する ことにある。 本発明は、極少流を測定する、微細加工により製作されたモノリシック （一体）シリコン羽根型マイクロ流量計である。この流量計は、蝶番が内側に突 き出た外枠（フレーム）を備える。蝶番により枠に接合され、枠から支持される 羽根（ベーン）は、外力が加わらなければ静止位置にあるように配置される。こ の蝶番は、流量計を流れる流体等の羽根に加えられるトルクにより羽根が静止位 置から撓むのを許容する。流量計はまた、羽根の静止位置からの撓みを感知する 撓み感知手段を備える。枠、蝶番、羽根及び撓み感知手段は全て、基体の半導体 単結晶シリコン層に一体に集積して加工製作される。 この流量計の好ましい実施例においては、共通軸に沿って整列され、一直線と なって羽根を枠内に支持する、対向する捩りバーにより蝶番が形成される。捩り バーは羽根を枠内に支持し、捩りバーの共通軸の周りに回転せしめる。この実施 例において、撓み感知手段は捩りバーの少なくとも一つに一体化・集積され、羽 根の静止位置からの撓みを表す捩れ信号を発生する。捩りバーに一体化・集積さ れたセンサは、廉価で、極めて高感度である。この流量計の他の実施例は撓み体 （撓み）蝶番を用い、その撓みはピエゾ抵抗ブリッジにより感知される。何れの 実施例においても、羽根に衝突する流体、即ち羽根に対する動的又は流れ圧力が 、羽根を捩りバーの共通軸の周りに強制回転させるか、撓み蝶番を屈撓させる。 これ等及び他の特徴、目的及び利点は、添付する図面を参照して記述される以 下の好ましい実施例の詳細な記載から、当業者に理解され、明らかになろう。 図面の簡単な説明 図１ａは、羽根を枠内に支持し、センサを捩りバーに一体化・集積せしめる捩 りバー蝶番を用いる微細加工製作羽根型流量計の好ましい実施例を例示する平面 図である。 図１ｂは、図１ａの線１ｂ−１ｂに沿って取られた、捩りバーに一体化・集積 された捩りバー蝶番及びセンサを用いる流量計の好ましい実施例を示す高さ断面 図である。 図２ａは、入り口と出口が対称形状に設けられた微細加工製作流量計の代替的 実施例を示す平面図である。 図２ｂは、図２ａの線２ｂ−２ｂに沿って取られた、流量計の同代替的実施例 を示す高さ断面図である。 図３は、図１ａの線３−３に沿って取られた、捩りバーに一体化・集積された ４端子捩れセンサを示す平面図である。 図４ａは、エッチングの幾何学的配置により適合する、流量計捩りバー蝶番及 び羽根の代替的実施例を示す平面図である。 図４ｂは、図４ａの線４ｂ−４ｂに沿って取られた、流量計捩りバー蝶番及び 羽根の同代替的実施例を示す高さ断面図である。 図５ａは、ピエゾ抵抗ブリッジ装置を組み込んだ中央撓み体（撓み）蝶番が羽 根を支持し、その撓みを感知する流量計の実施例を示す平面図である。 図５ｂは、図５ａの線５ｂ−５ｂに沿って取られた、中央撓み蝶番にピエゾ抵 抗ブリッジを組み込む流量計の同実施例を示す高さ断面図である。 図５ｃは、図５ａの線５ｃ−５ｃに沿って取られた、中央撓み蝶番にピエゾ抵 抗ブリッジを組み込む流量計の同実施例を示す高さ断面図である。 図６ａは、撓み蝶番の少なくとも一つに曲げ測定のピエゾ抵抗ブリッジ装置を 組み込んだ、離間する一対の撓み蝶番を有する流量計の代替的実施例を示す平面 図である。 図６ｂは、図６ａの線６ｂ−６ｂに沿って取られた、ピエゾ抵抗ブリッジ装置 を組み込む、離間した一対の撓み蝶番をもつ流量計の同実施例を示す高さ断面図 である。 図６ｃは、図６ａの線６ｃ−６ｃに沿って取られた、ピエゾ抵抗ブリッジ装置 を組み込む、離間した一対の撓み蝶番をもつ流量計の同実施例を示す高さ断面図 である。 図７は、流量計がその中央に支持される大径管を用い、それにより力帰還技術 を用い大容積流の流量を測定できるようにした流量計の該大径管の断面図である 。 図８は、図７に示された大容積流流量計に用いられる力帰還技術により流量を 直接測定できる、図５ａに図示の中央撓み蝶番流量計の代替的実施例を示す平面 図である。 図９は、図１ａ、１ｂ；４ａ、４ｂ；５ａ、５ｂ、５ｃ：６ｂ及び６ｃにそれ ぞれ示された流量計の何れをも組み込める「渦流発生型」流量計の断面図である 。 図１０ａは、羽根が中央取付柱を囲む代替的実施例羽根型流量計の平面図であ る。 図９ｂは、図１０ａの線１０ｂ−１０ｂに沿って取られた、羽根が中央取付柱 を囲む同代替的実施例羽根型流量計の断面図である。 図１１は、羽根が中央取付柱を囲み大容積流の流量を感知できるようにした同 代替的実施例の断面図である。 好ましい実施例の詳細な記載 図１ａ及び１ｂは、一般参照符号２０により参照された微細加工製作流量計の 好ましい実施例を例示する。流量計２０は外枠（フレーム）２２を備え、それか ら内側に一対の対向する捩りバー２４が突出する。捩りバー２４は共通軸２６に 沿って一直線となって整列し、羽根２８を図１ｂに示された静止位置に支持する 。間隙３２は羽根２８を、捩りバー２４が羽根２８を枠２２に接合するところを 除いて、囲繞する枠２２から隔てる。羽根２８は、捩りバー２４の共通軸２６に 関して対称形状になっている。しかしながら、原理的には捩りバー２４は図１ａ に示されたように羽根２８の一縁に位置付けられる必要はなく、より対称的に位 置付けられてもよい。一般に、羽根２８と枠２２の間の間隙３２はできるだけ小 さくされ、流量計の感度の遺漏及び喪失を回避する。数ミクロン程度まで狭い間 隙３２は、微細加工を用いて容易に加工製作される。蝶番として作用する捩りバ ー２４は羽根２８を枠２２内に支持し、枠２２に対して捩りバー２４の共通軸２ ６の周りに回転せしめる。 枠２２、捩りバー２４及び羽根２８は全て、基体ウェーハの半導体単結晶シリ コン層から一体に加工製作される。共通[100] 配向シリコンウェーハを用いると き、捩りバー２４は好ましくは [100]結晶方向又は [110]結晶方向に配向される （向き付けられる）。羽根２８に対する捩りバー２４の物理的特性は、「微細加 工製作捩りスキャナー」と題し１９９３年１０月１８日に出願された米国特許出 願第０８／１３９，３９７号に記載されている。これにより、羽根２８はトルク が加えられると共通軸２６の周りに確実に回転する。流量計２０は一般に、上記 特許出願に記載されたようなSimox 又は接着ウェーハ等のＳＩＯ（絶縁体上シリ コン）型シリコンウェーハを用いて加工製作される。かかる基体により、流量計 の加工プロセスにおける自然エッチ停止、羽根２８の良好な画成度、及び流量計 ２０の機能化に必須な応力の無い単結晶捩りバー２４が得られる。反応性イオン エッチング又は湿式エッチングを用い、羽根２８を画成することができる。捩り バー２４と羽根２８の中央部３４は、上記特許出願に記載されてスキャナー加工 製作と同様、ＳＯＩ上上部シリコンウェーハから成る。羽根２８は基体の全厚み から成形することができる。即ち、異方性エッチングにより基体の裏側からこの シリコン本体を除去し、羽根２８の中央部３４の周囲を取りまくピラミッド形状 の箱状強化枠３６を残すようにする。 捩りバー２４の少なくとも一つは捩りセンサ４２を運び、その４端子形式のも のが図３に詳細に示されている。捩りバー４２は、何れも本出願の発明者により 出願された、上記特許出願と１９９６年２月６日付けで交付の「一体化センサを 備えたモノリシックシリコンレートジャイロ」と題する米国特許第５，４８８， ８６２号に記載されている。これ等の特許出願と交付特許の両者を、茲に引用に より挿入する。 上記出願と特許に記載されているように、捩りバー２４の配向（向き付け）は 、センサの活性材料がｐ型シリコンであれば [100]方向に沿い、活性捩れセンサ 材料がｎ型であれば [110]方向に沿う。捩れセンサ４２は、捩りバー２４内の拡 散又は植え込み領域４４に位置付けられる。捩りセンサ４２は好ましくは、植え 込み領域４４とオーム接触し且つそれ以外のところでは捩りバ−２４及び枠２２ から絶縁された二対の金属センサリード４６ａ及び４６ｂを有する。センサリー ド４６ａ及び４６ｂは、図示されない個々の捩りセンサパッド内の枠２２上で終 端する。捩りセンサパッドを用いることにより、センサリード４６ａ及び４６ｂ を 図示しない外部リードに曲げ加工又は半田付けすることができる。電流を一対の リード４６ａを通して捩りセンサ４２に流し、センサ電圧を一対のリード４６ｂ 間で測定する。植え込み領域４４は、電流が捩りバー２４の捩れを最適に感知す るのに用いられるように、捩れバー２４の最上面への電流を制限する。リード４ ６ｂに跨って現れるセンサ出力電圧はリード４６ａ間を流れる電流に比例し、枠 ２２に対して捩りバー２４の共通軸２６の周りに回る羽根２８の回転位置に比例 する。捩りセンサ４２は、マイクロラジアン程度の極小回転を解像（感度限界内 で感知）でき、周知のように熱的に補償される。 捩りバー２４は、その表面層を炭化珪素又は窒化珪素に転化することにより硬 化してもよい。捩れセンサ４２はまた、要すれば、酸化物又は窒化物或いはポリ マーで被覆し流体から電気的に絶縁されるようにしてもよい。捩れセンサ４２が 下敷きシリコン支持体で部分的に重ねられると、酸化物が捩れセンサ４２の下か ら横に優先的に溶け出し捩りバー２４を自由回転させる。液体と共に用いるとき は、流量計２０はガス閉じ込みを避けるため湿潤剤で被覆するとよい。流量計２ ０はまた、蝶番を下にして垂直方向に動作されるようにしてもよい。流量計２０ を斯く向き付けると、気体泡の閉じ込みがある場合その除去を助ける。 再度図１ａ及び１ｂに関し、流量計２０は、シリコン又はガラスから成ってよ い支持ベース５２に結合、接着又は他の手段で取り付けることができる。支持ベ ース５２は、流量計２０を流れる流体が加える圧力により羽根２８が撓むとき羽 根２８を収容するのに充分大きい空洞５４を備える。その一つを図１ｂに示す、 一つ又は二つ以上のポート５６は流体を流量計２０から排出する。捩れセンサ４ ２のセンサリード４６ａ及び４６ｂは、枠２２と対向する支持ベース５２の間を 通るようにしてよい。原理的に、支持ベース５２はプラスチック材料等、枠２２ への取付に適したどんな材料から構成してもよい。このように、支持ベース５２ はシリコンから成る必要はない。 流量計２０の動作は、原理的に、巨視的（通常の大きさの）羽根型流量計と同 一である。流体の流れが無いとき、羽根２８は撓まず、捩れセンサ４２からの出 力電圧は零である。図１ｂに矢印５８で表された流体流が流量計２０を通るとき 、羽根２８は空洞５４内に下向きに撓み、それにより捩りバー２４の共通軸２６ の 周りに回転する。その結果、捩れセンサ４２はリード４６ｂ上に、流体が流量計 ２０を流れる速さに関係する出力電圧を発生する。捩れセンサ４２が発生する出 力信号は必ずしも流量に線形に関係しない。その関係は独特である。捩りバー２ ４内の捩れセンサ４２は極めて感動が高いので、極めて良好な感度限界と反復性 が得られる。リード４６ｂ上の捩れセンサ４２からの出力信号は、双極である。 即ち、捩れセンサ４２の出力信号は、羽根２８が空洞５４内へ撓むのではなく空 洞５４から離れるように撓むとき、反転する。交流（ＡＣ）電流をリード４６ａ に跨って流し、捩れセンサ４２がリード４６ｂ上に発生する電気信号が加えられ るＡＣの変調包絡線となり、それによりどんな直流（ＤＣ）オフセットをも除く ようにすることができる。ＡＣが捩れセンサに加えられると、リード４６ｂにあ る変調ＡＣ信号は、羽根２８が空洞５４に向かってではなく空洞５４から離れる 向きに撓むとき、位相を反転する。捩れセンサ４２に直流（ＤＣ）又は交流（Ａ Ｃ）の何れが加えられるかによらず、羽根２８が両方向に撓む場合の流体流量と 捩れセンサ４２が発生する出力信号との間の関係は必ずしも同一ではない。 図２ａ及び２ｂはそれぞれ、流量計２０の若干異なる実施例の平面図と高さ断 面図を示す。図２ａ及び２ｂ中、図１ａ及び１ｂに図示の流量計２０と共通する 要素は、プライム記号「’」で区別された同一参照番号で表されている。図２ａ 及び２ｂに示された実施例は、異方性エッチングによりシリコンから容易に加工 製作される。ここでも、枠２２’を標準的なシリコン接合技術により支持ベース ５２’に取り付けても、或いは両者を単に接着して取り付けてもよい。 羽根２８と捩りバー２４の代替的構成が図４ａ及び４ｂに、流量計２０の代替 的実施例に対して示されている。図４ａ及び４ｂ中、図１ａ及び１ｂに図示の流 量計２０と共通する要素は、二重プライム記号「”」で区別された同一参照番号 で表されている。図４ａ及び４ｂに示された捩りバー２４”は、捩りバー２４” の両方が羽根２８”の一縁に沿って或程度の距離だけ延びていると云う意味で、 リエントラントである。羽根２８”と捩れセンサ４２”を含む捩りバー２４”の この形状がここでは、枠２２”内の単純矩形領域にはまっている。羽根２８”及 び捩りバー２４”のこの構成は、支持ベース５２に用いることができる異方性エ ッチングの幾何学的配置により適合する。前記のものと同様、極めて良好で高感 度の動作に対しては、枠２２”と羽根２８”の間の間隙３２”を実現可能な程度 まで狭くする。羽根２８”は、羽根２８”の中央部３４”の周囲を囲むピラミッ ド形状強化枠３６”を備えても、備えなくてもよく、或いは羽根２８”は図示し ないウェーハ基体の全厚みに等しくしてもよい。 図５、５ｂ及び５ｃは流量計２０の他の代替的実施例を示す。図５ａ、５ｂ及 び５ｃ中、図１ａ及び１ｂに図示の流量計２０と共通する要素は、三重プライム 記号「”’」で区別された同一参照番号で表されている。図５ａ、５ｂ及び５ｃ に示された実施例では、羽根２８”’は撓み体（撓み）蝶番７２により枠２２” ’に取り付けられている。撓み蝶番７２は、捩りバー２４のように捩れると云う よりは単に曲がる。曲がりにより生ずる撓み蝶番７２内の応力は、図５ａ、５ｂ 及び５ｃに示された流量計２０”’では、周知の４端子ピエゾ抵抗ホイートスト ーンブリッジにより感知される。従って、流量計２０”’は、撓み蝶番７２上に 位置付けられた少なくとも一つのピエゾ抵抗７４ａと流量計２０”’上の他のと ころに位置付けられた三つの補償ピエゾ抵抗７４ｂ、７４ｃ及び７４ｄを備える 。ピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄは枠２２”’上で相互接続され、ホイートストーン ブリッジを形成する。撓み蝶番７２の曲がりによるピエゾ抵抗７４ａの伸縮がホ イートストーンブリッジの不平衡をもたらす。尚、流量計２０”’は補強枠３６ ”’を含んでも、含まなくてのよい。 図６ａ、６ｂ及び６ｃは、図５ａ、５ｂ及び５ｂに示された流量計２０”’の 代替的実施例を示す。図６ａ、６ｂ及び６ｃ中、図５ａ、５ｂ及び５ｃに図示の 流量計２０”’と共通する要素は、四重プライム記号「””」で区別された同一 参照番号で表されている。図６ａ、６ｂ及び６ｃに示された流量計２０””は、 図５ａ、５ｂ及び５ｃに示された実施例の中央撓み蝶番７２を、羽根２８””を 枠２２””に取り付ける、二つの対称位置に置かれた撓み蝶番７２””で置き換 えている。ここでも、撓み蝶番７２””の少なくとも一つがピエゾ抵抗７４ａ” ”を運び、流量計２０””はピエゾ抵抗７４ｂ””、７４ｃ””及び７４ｄ”” を運ぶ。両撓み蝶番７２””はピエゾ抵抗７４ａ””を含んでもよく、ピエゾ抵 抗７４ａの対を組み合わせると寄生効果が相殺される。流量計２０””がピエゾ 抵抗を一つ又は二つの何れを備えるかによらず、ピエゾ抵抗７４ａ””は撓み蝶 番７２””の曲がりにより撓み蝶番７２””に発生される応力に応答して電気信 号を発生する。図５ａ、５ｂ及び５ｃに示された流量計２０”’の実施例と同様 、ピエゾ抵抗７４ａ””〜７４ｄ””は相互接続されてホイートストーンブリッ ジを形成し、羽根２８””は補強枠３６を含んでも、省略してもよい。 図７は、流量計２０を大径外部管８２の中央に支持し、それにより流量計２０ が大容積流を測定できるようにしたものを示す。外部管８２を流れる流体の殆ど は流量計２０を側路し、流量計２０に跨る圧力が撓み力を羽根２８に加える。図 ７に示された流量計２０が用いられる場合、羽根２８は好ましくは不平衡静止位 置に維持される。これは例えば、枠２２に永久磁石８６を取り付け、コイル８４ を羽根２８上に形成して永久磁石８６が発生する磁場内におき、電流をコイルに 供給することにより行うことができる。図７に示された捩れセンサ４２の（又は 撓み蝶番７２のピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄにより形成されるホイートストーンブ リッジの）出力信号は、流量計２０の外部に設けた帰還回路に供給され、流量計 ２０の力帰還動作モードを設定する。力帰還動作モードは、羽根２８をその非撓 み静止位置に維持する。かかる力帰還モードで動作すると、コイル８４を流れる 電流により流量計２０を流れる流体の流量が測定される。 図８は、外部管８２を省き、微小流量を測定するのに力帰還原理を用いるよう にした、図５ａ、５ｂ及び５ｃに示された流量計２０”’の代替的実施例を示す 。図８中、図５ａ、５ｂ及び５ｃに図示の流量計２０”’と共通する要素は、五 重プライム記号「””’」で区別された同一参照番号で表されている。図８に示 されたこの流量計の代替的実施例２０””’では、羽根２８””’と枠２２”” ’の間の間隙３２””’は意図的に拡大され、流量計２０””’を流れる流体の 通路を提供する。図７に示された流量計２０と同様、羽根２８””’は、永久磁 石８６””’が発生する磁場とコイル８４””’を流れる電流の結果生ずる力に より、流動流体の静圧に抗して、その非撓み静止位置に維持される。ピエゾ抵抗 ７４ａ〜７４ｄからの信号は、コイル８４””’に電流を供給して羽根２８”” ’をその非撓み静止位置に維持する外部帰還回路に供給される。図８に示された 流量計２０””’は、撓み蝶番７２””’を用いるが、勿論、捩りバー２４も一 緒に加工製作されるようしてもよい。流量計２０””’を通って間隙３２””’ を 流れる流体によりかなりの力が羽根２８””’に加えられる場合、永久磁石を羽 根２８””’に設け、流量計２０””’の外部に設けた電磁石が発生する磁場を 用い羽根２８””’をその非撓み静止位置に維持するようにする。羽根２８”” ’の大きさを間隙３２””’に対して調整し、流量計２０””’を流れる流体に より羽根２８””’に加えられる力を永久磁石と電磁石が羽根２８””’に加え る力と釣り合わせる。 以上、二つの異なる種の微細加工製作羽根型流量計、即ち可動羽根２８を支持 する捩りバー２４を用いるものと、可動羽根２８を支持する撓み蝶番７２を用い るものが記載された。両種の流量計に関し、移動羽根２８は流量計２０を流れる 流体を妨げるように向き付けられるものとして記載された。このように流体流の 少なくとも一部を妨げると、羽根２８にそれが捩りバー２４を捩るか、又はそれ が撓み蝶番を曲げるようにする力が加わり、それにより電気信号が捩れセンサ４ ２か、又はピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄに発生する。流量計２０が用いられる特定 の用途により、羽根２８又は間隙３２の特定寸法、即ち最小及び最大流量の予定 範囲に亘って流量を正確に測定する信号を捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ 〜７４ｄが発生するように流量計２０を製作するためかかる特定寸法を選ぶこと が必要になる。また、或種の用途では、流量計２０を流れる流体に応答する羽根 ２８の移動が流体流量に僅かに影響を及ぼし、流量計２０に跨って非線形の流量 対圧力関係を生ずる。 羽根２８が流量計２０を流れる流体を妨げる向き付けに加えて、流量計２０に は、羽根２８が流動流体に実質的に平行に向けられると云う他の向き付けがある 。羽根２８が流動流体に実質的に平行に向けられると、流量計２０は所謂「渦流 発生（渦離脱）型」”(vortex shedding)”流量計として作動できる。図９は、 かかる「渦離脱」型流量計を示す断面略図で、管９２が流路９４を定め、流路９ ４内に渦発生急崖９６が流量計２０の上流に位置付けられているのが分かる。か かる構成において、流量計２０は、流体が渦発生急崖９６の下流にカルマン渦を 形成するのに充分高いレイノルズ数で渦発生急崖を通って流れるとき、この流体 により離脱（発生）される(shed)渦を検出することにより、流体流量を測定する 。かかる流量計では、渦離脱（発生）速度は流体流量に直接比例する。実際問題 とし てこれが意味するところは、流れに浸漬された物体は流量に直接比例する周波数 の振動入力を受けると云うことである。羽根２８の最も感度が高い向き付けは、 共通軸２６を流れる流体に平行な面に置き、羽根の動きが流れる流体と直角にな るようにするものである。このように向き付けられると、捩りセンサ４２又はピ エゾ抵抗７４ａ〜７４ｄにより発生される信号は流体流量に比例する周波数をも つ。かかる向き付けでは、羽根２８は流れる流体内の渦に応答して移動するが、 流体の流れに顕著には影響しない。流量計２０に対するこの向き付けの利点は、 羽根２８を含む流量計２０に流量計２０を通る流体流を妨げさせることが実行不 可能な場合、又は線形性の理由で羽根２８に流体流量により向き付けを変えさせ るのが望ましくない場合に、流量の測定が可能になることである。 周波数の関数として捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄの出力信号 の大きさに大きな変化が生ずるのを回避するため、渦発生型流量計として用いら れる流量計２０は好ましくは、共通軸２６の周りに生ずる発振の共振周波数を通 常の動作で予測される渦周波数より大幅に高くする。補強枠３６の周りの羽根２ ８の回転の共振周波数を越える周波数では、捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ ａ〜７４ｄからの出力信号は周波数の増大とともに急激に低下する一方、この共 振周波数以下では、同出力の振幅は実質的に一定である。しかしながら、流量計 ２０を「渦発生」様式で動作すると、捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ〜７ ４ｄが発生する出力信号に対する流量測定の感度が低下する。渦発生の周波数は 流体流量に比例するので、捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄからの 出力信号の周波数は流量計２０を通る真の流体流量を表す。 捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄ発生出力信号の振幅からのこの 流体流量の独立性は、流量計２０に対する「渦発生」感知向き付けの基本的利点 の一つである。捩りセンサ４２又はピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄからの出力信号の 振幅は、出力信号の周波数、即ち流体流量の感度限界に有害に影響せずに極めて 有意に変化することがある。このことは、流量計２０を種々の用途に適合させる のに大きな柔軟性をもたらす。例えば、ピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄの抵抗は撓み 蝶番７２の曲がりとは無関係に温度と共に変化することがある。多くの用途にお いて、ピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄを温度変化に対して補償する、又は出力信号の 振幅が流体流量を測定する場合に温度を一定に保持することが必要である。「渦 発生」構成では、出力信号の周波数をその振幅とは独立して測定できるので、出 力信号の振幅はさほど重要ではない。従って、「渦発生」構成では温度変化は流 量測定の精度に有意に影響しない。温度補償又は温度調節の必要が少なくなり、 或いは無くなると、ピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄから出力信号を測定するのに用い られるシステムのコストにかなりの差がでてくる。 図１０ａ及び１０ｂは、中央柱１０２が囲繞する羽根を支えるようにした、流 量計２０の好適度がより低い代替的実施例を示す。図１０ａ及び１０ｂ中、図１ ａ及び１ｂに図示の流量計２０と共通する要素は六重プライム記号”””により 区別された同一参照番号で表されている。図１０に示された代替的実施例では、 中央柱１０２から外側に延びる捩りバー２４”””が、中央柱１０２を囲繞し共 通軸２６”””の周りに回転する羽根２８”””を支持している。図１０に示さ れているように、矢印５８”””で表された、支持ベース５２”””を通って流 れる流体は羽根２８”””に当たる。図１０ａ及び１０ｂは代替的実施例流量計 ２０”””が捩りバー２４”””を用いて羽根２８”””を支持するように示し ているが、羽根２８”””を図５ａ、５ｂ及び５ｃ又は図６ａ、６ｂ及び６ｃに それぞれ示されたピエゾ抵抗７４ａ〜７４ｄを備える撓み蝶番７２の一方又は両 方で支持してもよい。 図１１は、中央柱１０２が支持する囲繞羽根を大容積流の流量測定に適するよ うにした、好適度がより低い流量計２０の実施例を示す。図１１中、図１０ａ及 び１０に図示の流量計２０と共通する要素は七重プライム記号”””’により区 別された同一参照番号で表されている。図１１に示された実施例では、支持べー ス５２”””’は、流れの多くが羽根２８”””’の周りを通過するできるよう にした大径管１０４内に流量計２０”””’を支持している。 産業上の適用性 流量計２０は容易に詰まらない。羽根２８の面積は、数十平方ミクロンから一 センチメートル或いはそれ以上の範囲で容易に変更できる。かかる大面積をもつ 羽根２８の厚みは、前記特許及び特許出願に記載されたようなウェーハの厚みで よかろう。捩りバー２４の厚みは上部ＳＯＩ層の厚みにより設定され、捩りバー ２４の幅及び長さは、感知されるべき流量に応じて、数ミクロンから数百ミクロ ンの範囲でよい。流量計２０は図５ｂに二頭矢印で表された厚みｔをもってよく 、それは５０から５００ミクロンの範囲、より普通には１００から５００ミクロ ンの範囲とする。流量計２０の厚みは１．０ｍｍ程度まで薄く、要すれば更に薄 くてのよい。羽根２８の厚みは捩りバー２４（即ちＳＯＩ基体の上部シリコン層 ）の厚さ、全ウェーハ厚みと等しくてよく、或いは補強枠３６として形成されて もよい。これは剛性を与え、しかも羽根２８の質量を少なくする。 以上本発明を現在の処好ましい実施例に付いて述べてきたが、かかる開示は純 粋に例示的であり、限定的に解釈されるべきでないものと理解されるべきである 。従って、発明の精神と範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正及び／又は 代替が疑いもなく、以上の開示を読了した当業者に示唆されるであろう。従って 、以下に記述する請求項は本発明の真の精神及び範囲に入る全ての変更、修正又 は代替を包括するものと解釈されるべきと意図するものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流量計を流れる流体の流量を感知する微細加工製作羽根型流量計であって、 枠と 該枠から内側に突き出る蝶番と 該蝶番により上記枠に接合され、該枠から支持され、外力が加わらないとき静 止位置に置かれ、加えられた力により該静止位置から撓み自在の羽根（ベーン） と 該羽根に当たり且つ羽根の周りを流れる流体により生じた静止位置からの羽根 の撓みを感知する撓み感知手段と を具備し、 上記枠、蝶番、羽根及び撓み感知手段の全ては、微細加工により、基体の半導 体単結晶シリコン層に集積して一体に加工製作される 構成を特徴とする流量計。 ２．前記蝶番は、共通軸に沿って整列された前記枠と前記羽根の間にそれぞれ配 置され該羽根を該枠内に支持する対向捩りバーを備え、該捩りバーは羽根を枠内 に支持し、該羽根が共通軸の周りに回転され、それにより上記バーが捩られるよ うにした 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。 ３．前記撓み感知手段は、前記捩りバーの少なくとも一つに配置され、前記羽根 の静止位置からの撓みを表す捩れ信号を発生する 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 ４．前記撓み感知手段は、 その一対が前記共通軸と実質的に平行な線に沿って配置される少なくとも４個 の電気的オーム接点と 上記オーム接点の第一の対を一緒にする線に対して直角に向いた上記オーム接 点の第二の対から前記捩れ信号が感知される間に上記第一の対のオーム接点に跨 って電流を加える手段と を備える構成を特徴とする請求項３に記載の流量計。 ５．前記オーム接点の対に跨って交流電流（ＡＣ）が加えられ、前記捩れ信号が 該ＡＣの包絡線となる 構成を特徴とする請求項４に記載の流量計。 ６．前記基体は[100] 結晶方向と[110] 結晶方向を有するシリコン材料であり、 前記捩りバーはｎ型シリコン層の[110] 結晶方向に向いている 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 ７．前記基体は[100] 結晶方向と[110] 結晶方向を有するシリコン材料であり、 前記捩りバーはｐ型シリコン層の[100] 結晶方向に向いている 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 ８．前記単結晶シリコン層はSimox ウェーハである 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 ９．前記単結晶シリコン層は絶縁体上にシリコンを形成したウェーハ内にある 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 １０．丸コーナーが前記捩りバーを前記枠に接合する 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 １１．丸コーナーが前記捩りバーを前記羽根に接合する 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 １２．前記捩りバーには炭化珪素又は窒化珪素の層が形成されている 構成を特徴とする請求項２に記載の流量計。 １３．前記蝶番は、前記枠と羽根の間に配置され該羽根を枠内に支持する少なく とも一つの撓み体を備え、羽根の静止位置からの撓みが該撓み体を撓ませる 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。 １４．前記撓み感知手段は、撓み体に配置され該撓み体の応力に応答して電気信 号を発生する少なくとも一つのピエゾ抵抗を備える 構成を特徴とする請求項１３に記載の流量計。 １５．前記撓み感知手段は更に、流量計に配置された少なくとも更に三つのピエ ゾ抵抗を備え、全ピエゾ抵抗の中４個はホイートストーンブリッジを形成するよ うに相互接続される 構成を特徴とする請求項１４に記載の流量計。 １６．前記枠は前記羽根を囲繞する 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。 １７．前記羽根は枠より実質的に薄い 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。 １８．前記羽根の中心の周りの質量はエッチングにより殆どが除かれる 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。 １９．前記羽根の中心の周りの質量はエッチングにより完全に除かれ、羽根が枠 形状となる 構成を特徴とする請求項１に記載の流量計。