JP2005515081A - 多孔質シリコンで封止するエアキャビティ技術またはマイクロチャネル技術を用いた低電力シリコン熱センサ及びマイクロ流体デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の目的はまた、加熱抵抗をヒータ及び温度検知素子の両方として使用することにある。
本発明の目的はまた、ガス検知を行なう熱センサデバイスを、シリコン上での局所的な熱絶縁を行なう多孔質シリコン/空洞技術の使用に基づいて提供することにある。
本発明の目的はまた、熱起電力を生成するシリコン熱デバイスを、シリコン上での局所的な熱絶縁を行なう多孔質シリコン/空洞技術の使用に基づいて提供することにある。
に空洞を形成する。上述の構造を基本とするシリコン熱センサデバイスは、懸架膜により実現する良好な絶縁特性を剛性構造を有する利点と組み合わせている。特許文献1(ギリシャ特許番号OBI 1003010)では、剛性かつ機械的に安定な構造も提案されており、この構造は局所熱絶縁を実現するためにバルクシリコンに局所的に形成される多孔質シリコンを基本としている。本願による手法はその構造の改良である。何故ならこの手法は、平面構造による機械的安定性及び多孔質層下の空洞による良好な熱絶縁の両方を実現するからである。電気研磨の電流密度臨界値(Jps)は使用する電気化学溶液、及びシリコン基板の抵抗率及び導電型に依存する。多孔質層の厚さ及び空洞の深さは、使用する特定の溶液に関する電流密度及び陽極酸化時間を調整することにより調整する。空洞の底面及び側壁の平滑性も使用する電気化学溶液に依存する。上述の構造の模式図を図1に示し、この図では(1)はシリコン基板であり、(2)は空洞(3)の最上部の多孔質シリコン層である。
ータの温度に与える影響を示しており、この場合の条件としては空洞の深さが20μmであり、8.57×106W/m2の熱流束が長さ530μm、幅20μm、厚さ0.5μmの多結晶シリコンヒータに印加される。これは71mWの印加電力に相当する。比較のために、空洞が無い代わりに40μm厚さの多孔質層を設けたコンパクト構造を用いた場合の結果を同図の星印で示す。図4は、5μm厚さの多孔質膜及び種々の厚さの空洞をその下に配する場合のヒータの温度を示している。40μmのコンパクトな多孔質シリコン構造及び20μmの多孔質シリコン膜を20μmの空洞の上に設けた構造により実現する絶縁性についての比較を図5に示す。ヒータは膜の中央に配置する。
図2はシリコンからなる熱ガスフローセンサの模式図である。ベースとなる材料はp型シリコン(1)であり、このp型シリコンには、空洞(3)を下に配する多孔質シリコン膜(2)が形成される。
図4は、多孔質シリコン層の下の種々の深さの空洞により熱絶縁が行なわれるヒータの温度を示す。
図6は、多孔質シリコン/空洞技術の使用を基本とするマイクロ流体フローセンサを示
す。図6(a)に上面図を、そして図6(b)に断面図を示し、これらの図において、(15)はシリコン基板、(17)は多孔質シリコン層、(16)はマイクロ流体チャネル、(18,19)はマイクロ流体チャネルの注入口及び排出口、(20)はヒータとして使用する多結晶シリコン抵抗体、(21,22)は温度検知素子として使用する多結晶シリコン抵抗体、(24)はアルミニウム配線、そして(23)はアルミニウムコンタクトパッドである。
Claims (10)
- 封止される形の、または開いた形のマイクロ流体チャネル(3)(16)をシリコン基板(1)(15)の上に形成するために使用する方法であって、多孔質シリコンキャップ層を前記シリコン基板と同一平面を有するように設け、使用する前記方法は、臨界値よりも小さい(多孔質シリコンを形成する場合)、または大きい(電気研磨を行なう場合)電流密度を使用して行なうシリコンの電気化学溶解及び電気研磨の組み合わせであり、この形成方法は次の工程を備え、これらの工程において、多孔質シリコン層(2)(17)をシリコンに局所的に形成するために、まずオーミックコンタクト(26)を前記シリコン基板(1)(15)の裏面の上に形成してシリコンの電気化学溶解の陽極として使用し、次に局所的に多孔質シリコンを形成するためのマスク層を前記シリコン基板の表面側に成膜して、パターニングし、前記マイクロチャネル(3)(16)のキャップとして使用する多孔質シリコン層(2)(17)及び前記マイクロチャネルを一の電気化学工程において形成する操作を、まず、電気研磨が始まる前記臨界値よりも小さい電流密度を使用して多孔質シリコンを形成し、そして次に電流密度を電気研磨が始まる前記臨界値よりも大きくしてシリコンを溶解させてマイクロチャネルを形成することにより行なう、方法。
- 請求項1に記載の方法に基づく熱フローセンサの形成方法であって、(a)オーミックコンタクト(13)を前記シリコン基板(1)の裏面側に形成する工程と、(b)前記シリコン基板の表面側に多孔質シリコンを形成するためのマスク層を成膜してパターニングする工程と、(c)バルクシリコンの電気化学溶解を利用して、多孔質シリコン(2)を前記シリコン基板に局所的に形成する工程と、を備え、電気化学方法に使用する前記電流密度は電気研磨局面では前記電流密度の前記臨界値よりも小さく、(d)電気研磨条件、すなわち臨界値よりも大きい電流密度を使用して前記多孔質シリコン層下のシリコンの電気化学溶解を行なって空洞(3)を懸架多孔質シリコン膜(2)の下方に形成する工程と、(e)薄膜誘電体層(14)を成膜して電気絶縁を行なう工程と、(f)多結晶シリコンを成膜及びパターニングし、次にこの多結晶シリコンにp型不純物を添加して前記多孔質シリコン膜の上に位置するヒータ(4)及び熱電対(8)の一の分岐を形成する工程と、(g)アルミニウムまたはn型不純物添加の多結晶シリコンを成膜し、パターニングして熱電対(9)の第2の分岐を形成する工程と、を備え、熱電対の前記第2の分岐がアルミニウムから形成される場合、工程(g)において配線(11)及び金属パッド(12)も形成し、熱電対の前記第2の分岐がn型多結晶シリコンから形成される場合、アルミニウム成膜及びパターニングの工程を追加して金属パッド及び金属配線を形成し、(h)前記ガスフローセンサの最上部の上に、酸化シリコンまたは窒化シリコンまたはポリイミドまたは他の絶縁物のいずれかから構成される絶縁層から成る保護層を成膜する工程と、を備える方法。
- 請求項1に記載の方法に基づく熱マイクロ流体センサの形成方法であって、(a)多孔質シリコン層(17)で封止されるマイクロ流体チャネル(16)を前記シリコン基板(15)の上に形成する工程と、(b)薄膜二酸化シリコン層(25)を前記シリコン基板全体の最上部の上に成膜して電気絶縁を行なう工程と、(c)多結晶シリコンを成膜し、パターニングしてヒータ抵抗体(20)及び2つの他の抵抗体(21,22)をヒータ抵抗体の左側及び右側に形成する工程と、(e)アルミニウムを成膜し、パターニングして電気配線(24)及び金属パッド(23)を形成する工程と、そして(f)前記マイクロチャネル(16)の注入口(18)及び排出口(19)を、最上層の二酸化シリコン層(25)及びその下のシリコン層(15)の局所エッチングを選択的に行なうことによって開口する工程と、を備え、前記フローセンサの最上部の上に酸化シリコンまたは窒化シリコンまたはポリイミドのいずれかから成る保護層を成膜する方法。
- 請求項2に記載の方法により形成する熱フローセンサであって、シリコン基板(1)を
備え、前記シリコン基板は、空洞(3)の最上部に在って、前記基板の上に局所的に形成される多孔質シリコン膜(2)を有し、前記膜の最上部の上に、ヒータとして使用する多結晶シリコン抵抗体(4)、及び2つの一連の熱電対列(6,7)のいわゆる熱コンタクト(5)を集積化し、前記2つの一連の熱電対列の各々は、p型多結晶シリコンライン(8)及びアルミニウム金属ライン(9)、またはp型/n型多結晶シリコンラインから成り、冷コンタクト(10)と呼ばれる各熱電対の第2コンタクトは、前記多孔質シリコン膜領域(2)の外側の、前記シリコン基板(1)のバルク結晶シリコンの上に位置し、さらに金属配線(11)及びアルミニウムパッド(12)を前記多孔質シリコン膜領域(2)の外側の、前記シリコン基板(1)の上に備え、前記シリコン基板(1)の裏面側にオーミックコンタクト(13)を備え、絶縁層、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンまたはポリイミドから成る保護層も前記熱フローセンサの最上部の上に成膜することができ、電気絶縁層(14)を前記シリコン基板(1)の最上部の上に成膜して前記センサ素子と前記基板との間の電気絶縁を保証し、前記熱フローセンサを異なる検知システム、例えばガスフロー検知、液体検知、フロースイッチなどの能動素子として使用する、熱フローセンサ。 - 請求項3に記載の方法により形成する熱マイクロ流体センサであって、シリコン基板(1)を備え、このシリコン基板上には、多孔質シリコン層(17)で封止されるマイクロ流体チャネル(16)が形成され、前記マイクロ流体チャネルは2つの開口を有し、これらの開口は流体の注入口(18)及び排出口(19)として機能し、前記封止マイクロ流体チャネルの最上部の上には、多結晶シリコンヒータ(20)及び2つの多結晶シリコン抵抗体(21,22)を前記ヒータの各側に備え、前記ヒータ及び抵抗体はアルミニウムパッド(23)にアルミニウム配線(24)を通して接続され、ガスフローセンサの最上部の上には酸化シリコンまたは窒化シリコンまたはポリイミドから成る保護層が成膜され、熱フロー装置を使用してマイクロチャネルに流れ込むマイクロフローを測定し、このようなマイクロ流体熱センサの動作を以下のように記載することができ、すなわち、前記ヒータを所定の温度に設定し、所定の流体のフローが在るときに、前記ヒータ(20)の左側及び右側に位置する前記2つの多結晶シリコン抵抗体(21,22)の間に、すなわち前記フローの上流と下流との間に温度差が生じ、この差が求める前記フローに比例する、熱マイクロ流体センサ。
- 請求項4に記載のシリコン熱フローセンサをガス検知に使用し、異なる熱伝導率を有するガスが前記シリコン熱フローセンサと熱交換するとき、異なる信号が各熱電対列の出力に生じ、この効果を利用して前記ガスフローの中の異なるガスを区別する、請求項4に記載の熱フローセンサ。
- 請求項4に記載のシリコン熱フローセンサを使用して熱変換器に適用し、前記センサはAC信号の真の実効値(r.m.s値)をその信号の波形に関係なく測定し、この測定は、前記AC信号を、前記多孔質シリコン膜の上に位置する前記ヒータに供給されるときに前記AC信号と同じ熱効果を生じさせる基準DC信号と比較することにより行なわれる、請求項4に記載の熱フローセンサ。
- 請求項4に記載のシリコン熱フローセンサを赤外線(IR)放射の検出器として使用し、前記IR放射によって前記センサが局所的に温度上昇し、この温度上昇を前記熱電対の出力に現われる電圧差として測定し、この出力電圧は前記IR放射の強度に依存する、請求項4に記載の熱フローセンサ。
- 請求項4に記載のシリコン熱フローセンサを熱電式発電機として使用し、人の皮膚を前記センサに接触させることによって熱電力を供給して皮膚から前記センサに向かう熱フローを発生させ、請求するところの前記熱電式発電機の動作を次に記載する工程によって行
ない、これらの工程において、前記発電機に外部から熱が加えられると、各熱電対の出力に温度差が生じ、そして前記熱電対が直列に接続されるので、これらの信号の合計によって前記熱電式発電機の出力電圧が生成される、請求項4に記載の熱フローセンサ。 - 請求項4に記載のシリコン熱フローセンサを熱電式IR発電機として使用し、IR放射によって前記センサの温度を局所的に上昇させ、この温度上昇が前記センサの出力で電力に変換され、この出力電力が入力IR放射の強度の関数となる、請求項4に記載の熱フローセンサ。
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