JP2004191343A - Gas type rate sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を電気的に検出するガス式レートセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ガス式レートセンサにあっては、ポンプによって、センサ本体におけるノズル孔からガス通路内の左右に設けられた感熱抵抗素子からなるヒートセンサに向けてガスを噴出させておき、外部からセンサ本体に角速度運動が加わってガス通路内を流れるガス流が左右方向に偏向したときに、ヒートセンサに生じた抵抗値の変化状態に応じた電気信号をとり出して、そのときセンサ本体に作用している角速度の向きおよび大きさを検出するようにしている。
【0003】
この種のガス式レートセンサとして、ノズル孔、ガス通路およびそのガス通路内に設けられるヒートセンサからなるセンサ本体が、IC製造技術を利用した半導体基板のマイクロマシニング加工によって形成された超小形のものが開発されている(特開平5−2027号公報参照)。
【0004】
そのガス式レートセンサにおけるセンサ本体としては、図1ないし図3に示すように、ノズル孔用の小溝40、ガス通路用の半溝51およびガス通路にかかるセンサブリッジ6が半導体基板をエッチングすることによって形成された下側基板1と、ガス通路用の半溝52が、上面にノズル孔用の小溝40につながるガス供給口7が、ガス通路用の半溝52の後部にガス排出口8がそれぞれ形成された上側基板2とを重ね合せて、両者を接着することにより、ノズル孔4およびガス通路5が形成されるようになっている。
【0005】
センサブリッジ6の上面には、左、右一対の白金などの感熱抵抗材料からなるヒートセンサ91,92がパターン形成されている。図中、10はヒートセンサ91,92の各電極である。
【0006】
そして、図4に示すように、別途に金属加工によって製造した圧電式のポンプ12を用いて、センサ本体11のガス供給口7からガスを送り込んで、ノズル孔4からガス通路5内にガス流を生じさせるようにしている。
【0007】
しかして、センサ本体11がマイクロマシニング加工による微細なものでは、ポンプ12によってノズル孔4からガス通路5内に噴出されるガス流がセンサ本体11における角速度の検出精度につながるものとなっている。
【0008】
その際、センサ本体11のガス供給口7とポンプ12の吐出口13とが直接連結するようにセンサ本体11にポンプ12を組み付けるのでは、両者の材料の違いからくる温度による熱膨張係数の差によって位置ずれを生ずるなど、両者の接合精度を保持することが困難となり、両者の接合位置がずれるとセンサ本体11にガス流の乱れを生じてしまうことになる。
【0009】
そのため、従来では、図4に示すように、センサ本体11とポンプ12とをステー(図示せず)にそれぞれ固定したうえで、センサ本体11のガス供給口7にノズル14を装着して、ポンプ12の吐出口13とノズル14との間をチューブ15によって連結するようにしている。
【0010】
しかし、このようなセンサ本体11とポンプ12との連結手段をとるのでは、部品点数が多くなるとともに組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまう。また、それによってもセンサ本体11とポンプ12との接合位置のずれを完全になくすことができない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体に別途金属加工によって製造されたポンプを組み付けるに際して、両者を直接連結させるのでは結合精度を保持することが困難となり、またジョイント用のチュープなどの連結部材を用いるのでは組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまうことである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体に、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプを一体的に組み付けて両者の結合精度を保持して、センサ本体に常に安定したガス流を生じさせることができるようにするべく、センサ本体上に重ねて接合され、上面に圧電素子によって振動し、一方側に通気孔があけられた振動板が形成され、通気孔と反対側に吸入口が設けられたポンプ吸排気室を形成する第1の基板と、その第1の基板上に重ねて接合され、ポンプ背圧室を形成する第2の基板とによってポンプを構成するようにしている。
【0013】
【実施例】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、図5に示すように、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体11上に、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプ16を一体的に組み付けるようにしている。
【0014】
センサ本体11としては、従来と同様に、下側基板1と上側基板2とを接合することによって、ノズル孔4、ガス通路5、上面にヒートセンサ91,92がパターン形成されたセンサブリッジ6、ガス供給口7およびガス排出口8が形成されている。
【0015】
そして、ポンプ16としては、センサ本体11の上側基板2上に重ねて接合され、上面に一方側に通気孔17があけられた振動板18が一体に形成され、通気孔17と反対側に吸入口19が設けられたポンプ吸排気室PAを形成する第1の基板21と、その第1の基板21上に重ねて接合され、ポンプ背圧室PBを形成する第2の基板22とからなっている。振動板18には圧電素子20が接着または成膜形成されている。
【0016】
このように構成されたものにあっては、ポンプ動作が以下のようにして行われることになる。
【0017】
まず、図6に示すように、圧電素子20に+側の電圧が印加されて振動板18が上側にたわむと、ポンプ背圧室PBが陽圧となってその室内のガスが通気孔17を通して吐出して、センサ本体11のガス供給口7に送り込まれる。そのとき、ポンプ吸排気室PAが陰圧となって吸入口19からガスを吸い込む。図中、矢印はガスの流れを示している。
【0018】
次に、図7に示すように、圧電素子20に−側の電圧が印加されて振動板18が下側にたわむと、ポンプ吸排気室PAが陽圧となり、ポンプ背圧室PBが陰圧となって、ポンプ吸排気室PA内のガスが通気孔17を通してポンプ背圧室PBの内部に送り込まれる。
【0019】
その際、ポンプ動作による吐出ガスがセンサ本体11のガス供給口7に充分にとり込まれてノズル孔4からガス通路5内に安定したガス流を生じさせることができるように、ガス供給口7の真上に同心状に振動板18の通気孔17がくるように相対的な位置決めがなされているとともに、ガス供給口7の大きさ、形状が最適設定されている。
【0020】
図8は、本発明によるガス式レートセンサの他の実施例を示している。
【0021】
ここでは、センサ本体11′として、ノズル孔4の前にバッファ室3を形成し、そのバッファ室3の上部にガス供給口7を設けるようにして、ポンプ16から供給されるガスをバッファ室3内において緩衝させたうえで、ノズル孔4からガス通路5にガスを噴出させことにより、より安定したガス流を生じさせるようにしている。
【0022】
図9および図10は、センサ本体11′における下側基板1′および上側基板2′を示している。この場合、特に、下側基板1′にはバッファ室用の半溝31が、上側基板1′にはバッファ室用の半溝32がそれぞれ形成されている。
【0023】
本発明によるガス式レートセンサを量産するに際して、図11に示すように、予め下側基板1が複数配設されたシリコンウエハと上側基板2が複数配設されたシリコンウエハとを貼り合せることによって複数のセンサ本体11が配設されたウエハ重合体Aを作製しておく。また、図12に示すように、予め第1の基板21が複数配設されたシリコンウエハと第2の基板22が複数配設されたシリコンウエハとを貼り合せることによって複数のポンプ16が配設されたウエハ重合体Bを作製しておく。そして、ウエハ重合体A,Bを所定に貼り合せたうえで、各構成要素をダイシングすることによって、図5に示すように、センサ本体11上にポンプ16が一体的に組み付けられたガス式レートセンサが複数得られる。
【0024】
ウエハ重合体A,Bを貼り合せる場合、図13に示すように、ウエハ重合体Aの両端に位置合せ用の十字マークM1が触刻されるとともに、ウエハ重合体Bの両端に位置合せ用のアライメントマークM2が触刻されている。そして、図14に示すように、十字マークM1とアライメントマークM2とが合致するようにウエハ重合体Aとウエハ重合体Bとを貼り合せることによって、ガス供給口7の真上に振動板18の通気孔17がくるように相対的な位置決めを容易に精度良く行わせることができる。
【0025】
【発明の効果】
以上、本発明によるガス式レートセンサにあっては、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体に、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプを一体的に組み付けることにより、温度変化や外部から加えられる振動などの影響を受けることなく、両者の結合精度を保持して、センサ本体に常に安定したガス流を生じさせることができるという利点を有している。
【0026】
そして、本発明によれば、加工性に優れ、精度の良いガス式レートセンサを容易に得ることができ、量産に最適となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体の下側半導体基板を示す上面図である。
【図2】そのガス式レートセンサにおけるセンサ本体の上側半導体基板を示す下面図である。
【図3】そのガス式レートセンサにおけるセンサ本体のノズル孔部分の側断面図である。
【図4】従来のセンサ本体とポンプとの連結状態を示す正面図である。
【図5】本発明によるガス式レートセンサの一実施例を示す正断面図である。
【図6】その一実施例におけるポンプの一動作状態を示す正断面図である。
【図7】その一実施例におけるポンプの他の動作状態を示す正断面図である。
【図8】本発明によるガス式レートセンサの他の実施例を示す正断面図である。
【図9】その他の実施例におけるセンサ本体の下側基板を示す上面図である。
【図10】その他の実施例におけるセンサ本体の上側基板を示す下面図である。
【図11】下側基板が複数配設されたシリコンウエハと上側基板が複数配設されたシリコンウエハとを貼り合せることによって複数のセンサ本体が配設されたウエハ重合体を示す平面図である。
【図12】第1の基板が複数配設されたシリコンウエハと第2の基板が複数配設されたシリコンウエハとを貼り合せることによって複数のポンプが配設されたウエハ重合体を示す平面図である。
【図13】センサ本体側のウエハ重合体とポンプ側のウエハ重合体とを貼り合せるときの両ウエハ重合体にそれぞれ触刻された位置合せ用のマークを示す平面図である。
【図14】センサ本体側のウエハ重合体とポンプ側のウエハ重合体とが貼り合せられたときのセンサ本体におけるガス供給口とポンプにおける振動板の通気孔との合致状態を示す図である。
【符号の説明】
1 下側基板
2 上側基板
3 バッファ室
4 ノズル孔
5 ガス通路
6 センサブリッジ
7 ガス供給口
8 ガス排出口
11 センサ本体
12 ポンプ
16 ポンプ
17 通気孔
18 振動板
19 吸入口
20 圧電素子
21 第1の基板
22 第2の基板
PA ポンプ吸排気室
PB ポンプ背圧室[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a gas type rate sensor that electrically detects a deflection state of a gas flow according to an angular velocity acting on a sensor main body.
[0002]
[Prior art]
In general, in a gas type rate sensor, a gas is ejected from a nozzle hole in a sensor body toward a heat sensor composed of thermosensitive resistance elements provided on the left and right sides in a gas passage by a pump, and the sensor body is externally supplied. When the gas flow flowing in the gas passage is deflected to the left and right due to the angular velocity motion applied to the heat sensor, it takes out an electric signal according to the change in the resistance value generated in the heat sensor and acts on the sensor body at that time The direction and magnitude of the present angular velocity are detected.
[0003]
As this type of gas type rate sensor, a sensor body composed of a nozzle hole, a gas passage, and a heat sensor provided in the gas passage is an ultra-small type formed by micromachining a semiconductor substrate using IC manufacturing technology. Has been developed (see JP-A-5-2027).
[0004]
As shown in FIGS. 1 to 3, the sensor body of the gas type rate sensor is such that a
[0005]
On the upper surface of the
[0006]
Then, as shown in FIG. 4, the gas is sent from the
[0007]
However, when the sensor
[0008]
At this time, if the
[0009]
For this reason, conventionally, as shown in FIG. 4, the
[0010]
However, if such a connecting means between the sensor
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved is that, when assembling a pump manufactured by metal processing separately to a sensor body manufactured by micro-machining processing of a semiconductor substrate, it is difficult to maintain the coupling accuracy by directly connecting the two, and If a connecting member such as a tube for a joint is used, the workability of assembling is deteriorated, and the whole apparatus is enlarged.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the gas type rate sensor according to the present invention, the pump manufactured by the micromachining of the semiconductor substrate is also integrally attached to the sensor body manufactured by the micromachining of the semiconductor substrate, and the coupling accuracy of the two is maintained. In order to always generate a stable gas flow in the sensor main body, a vibration plate is formed, which is overlapped and joined on the sensor main body, vibrated by the piezoelectric element on the upper surface, and has a vent hole on one side. A first substrate forming a pump suction / exhaust chamber provided with a suction port on a side opposite to the ventilation hole, and a second substrate forming a pump back pressure chamber by being overlapped and joined on the first substrate Thus, the pump is constituted by the above.
[0013]
【Example】
In the gas type rate sensor according to the present invention, as shown in FIG. 5, a
[0014]
As in the conventional case, the
[0015]
As the
[0016]
In such a configuration, the pump operation is performed as follows.
[0017]
First, as shown in FIG. 6, when a positive voltage is applied to the
[0018]
Next, as shown in FIG. 7, when a negative voltage is applied to the
[0019]
At this time, the gas supplied from the
[0020]
FIG. 8 shows another embodiment of the gas rate sensor according to the present invention.
[0021]
Here, the
[0022]
FIGS. 9 and 10 show the lower substrate 1 'and the upper substrate 2' in the sensor main body 11 '. In this case, in particular, a
[0023]
When mass-producing the gas type rate sensor according to the present invention, as shown in FIG. 11, a silicon wafer provided with a plurality of
[0024]
When bonding the wafer polymers A and B, as shown in FIG. 13, alignment cross marks M1 are stamped at both ends of the wafer polymer A, and alignment marks are provided at both ends of the wafer polymer B. The alignment mark M2 is engraved. Then, as shown in FIG. 14, the wafer polymer A and the wafer polymer B are bonded together so that the cross mark M1 and the alignment mark M2 coincide with each other. Relative positioning can be easily and accurately performed such that the ventilation holes 17 come.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, in the gas type rate sensor according to the present invention, the temperature change and the external change can be caused by integrally assembling the pump, which is also manufactured by micromachining the semiconductor substrate, with the sensor body manufactured by micromachining the semiconductor substrate. There is an advantage that a stable gas flow can always be generated in the sensor main body while maintaining the coupling accuracy of the two without being affected by vibrations applied from the sensor.
[0026]
According to the present invention, a gas type rate sensor having excellent workability and high accuracy can be easily obtained, which is most suitable for mass production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view showing a lower semiconductor substrate of a sensor main body in a general gas rate sensor.
FIG. 2 is a bottom view showing an upper semiconductor substrate of a sensor main body in the gas rate sensor.
FIG. 3 is a side sectional view of a nozzle hole portion of a sensor main body in the gas rate sensor.
FIG. 4 is a front view showing a connection state between a conventional sensor main body and a pump.
FIG. 5 is a front sectional view showing one embodiment of a gas type rate sensor according to the present invention.
FIG. 6 is a front sectional view showing one operation state of the pump in the embodiment.
FIG. 7 is a front sectional view showing another operation state of the pump in the embodiment.
FIG. 8 is a front sectional view showing another embodiment of the gas type rate sensor according to the present invention.
FIG. 9 is a top view showing a lower substrate of a sensor main body in another embodiment.
FIG. 10 is a bottom view showing an upper substrate of a sensor main body in another embodiment.
FIG. 11 is a plan view showing a wafer polymer in which a plurality of sensor bodies are provided by bonding a silicon wafer provided with a plurality of lower substrates and a silicon wafer provided with a plurality of upper substrates. .
FIG. 12 is a plan view showing a wafer polymer provided with a plurality of pumps by bonding a silicon wafer provided with a plurality of first substrates and a silicon wafer provided with a plurality of second substrates. It is.
FIG. 13 is a plan view showing alignment marks respectively stamped on both wafer polymers when the wafer polymer on the sensor body side and the wafer polymer on the pump side are bonded together.
FIG. 14 is a view showing a matching state between a gas supply port in the sensor main body and a vent of the diaphragm in the pump when the wafer polymer on the sensor main body side and the wafer polymer on the pump side are bonded together.
[Explanation of symbols]
Claims (3)
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JP2002383097A JP3882127B2 (en) | 2002-12-09 | 2002-12-09 | Gas rate sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004191343A true JP2004191343A (en) | 2004-07-08 |
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---|---|---|---|---|
KR101234990B1 (en) | 2010-06-18 | 2013-02-20 | 지이센싱코리아(주) | Multi-functional sensor for temperature and humidity detection and manufacturing method therefor |
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- 2002-12-09 JP JP2002383097A patent/JP3882127B2/en not_active Expired - Fee Related
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