JP2023041549A - MEMS foreign matter detection element - Google Patents

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JP2023041549A JP2021148983A JP2021148983A JP2023041549A JP 2023041549 A JP2023041549 A JP 2023041549A JP 2021148983 A JP2021148983 A JP 2021148983A JP 2021148983 A JP2021148983 A JP 2021148983A JP 2023041549 A JP2023041549 A JP 2023041549A
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comb
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隆 笠井
Takashi Kasai
拓馬 吉田
Takuma Yoshida
幸志 桃谷
Koji Momotani
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Abstract

To provide a technology which is applicable to microscopic measurement devices such as MEMS flowrate measurement devices, and with which it is possible to detect a foreign matter included in fluid and thereby eliminate effects of the foreign matter in measurement, making higher accuracy measurement possible.SOLUTION: The present invention comprises: electrode parts (1a, 1b) for detection that include two comb-shaped electrode patterns (3, 4); electrode parts (11a, 11b) for reference that include two comb-shaped electrode patterns (3, 4); and a detection circuit (25) constructed by connecting the two electrode parts (1a, 1b) for detection and the two electrode parts (11a, 11b) for reference. The respective teeth (3a, 4a) in the two comb-shaped electrode patterns (3, 4) are arranged so as to be aligned in parallel to each other at a prescribed interval, and a dielectric layer (9) is interposed between the respective teeth (3a, 4a) in the two comb-shaped electrode patterns (3, 4) of the electrode parts (11a, 11b) for reference.SELECTED DRAWING: Figure 10

Description

本発明は、半導体製造工程で製造され、異物の検出が可能なMEMS異物検出素子に関する。 The present invention relates to a MEMS foreign matter detection element manufactured in a semiconductor manufacturing process and capable of detecting foreign matter.

従来より、流体の流速又は流量を算出する流量測定装置が知られている。この流量測定装置としては、例えば、ヒータおよび温度センサを備え、流体の流れによって変化する温度分布を温度センサが検出することにより、流体の流速又は流量を算出する熱式の流量測定装置が提案されていた(例えば、特許文献1を参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a flow rate measuring device that calculates the flow velocity or flow rate of a fluid. As such a flow rate measuring device, for example, a thermal type flow rate measuring device has been proposed, which is provided with a heater and a temperature sensor, and the temperature sensor detects the temperature distribution that changes with the flow of the fluid, thereby calculating the velocity or flow rate of the fluid. (See Patent Document 1, for example).

上述のような熱式の流量測定装置では、時間の経過とともに、温度センサ表面に塵埃等の異物が付着し、温度センサにより検出される温度分布が影響を受けることで、流量測定の特性が変化してしまう場合があった。そのため、流量測定装置の精度が低下したり、流量測定装置自体の使用環境が清浄気体の計測等に制限される場合があった。また、ヒータおよび温度センサがメンブレン(薄膜)に設けられたような場合には、異物がメンブレンに付着することで、その熱伝導率や熱容量が変化してしまうため、異物が装置の故障の原因となる。このため、流量測定装置においては、異物に対する耐性を有していること、もしくは異物による故障を検出する機能が求められている。 In the thermal flow rate measuring device described above, foreign matter such as dust adheres to the surface of the temperature sensor over time, affecting the temperature distribution detected by the temperature sensor, resulting in changes in flow rate measurement characteristics. There was a case. As a result, the accuracy of the flow rate measuring device may be degraded, and the usage environment of the flow rate measuring device itself may be limited to the measurement of clean gas. In addition, in the case where the heater and temperature sensor are provided on a membrane (thin film), the adhesion of foreign matter to the membrane changes the thermal conductivity and heat capacity of the membrane. becomes. For this reason, the flow rate measuring device is required to have resistance to foreign matter, or to have a function of detecting failure due to foreign matter.

この異物の存在を検出する異物検出素子に関しては、例えば、静電容量型の検出電極部と、この検出電極部と接続された処理回路を備えたセンサ装置であり、検出電極部は、複数の電極指が所定の間隔で略平行に対峙して静電容量を形成する櫛歯状の分岐部を有しており、この分岐部は、電極指の電極幅が第1の電極幅からなる第1の分岐部と、第1の電極幅より広い第2の電極幅からなる第2の分岐部を有する構成としたものが公知である。(例えば、特許文献1を参照。) The foreign matter detection element for detecting the presence of foreign matter is, for example, a sensor device having a capacitance-type detection electrode section and a processing circuit connected to the detection electrode section. The electrode fingers have a comb-like branching portion in which the electrode fingers face each other substantially in parallel at a predetermined interval to form a capacitance. A structure having one branched portion and a second branched portion having a second electrode width wider than the first electrode width is known. (For example, see Patent Document 1.)

特許文献1に記載の技術は、例えば、コピー機の現像剤容器等に適用されるものであり、容器の形状にかかわらず適用可能で、粉体量の測定精度と耐ノイズ性を向上できるという効果を有する。しかしながら、当該技術は、特に、現像剤容器等に収納された現像剤の量等の容器内に充填される粉体の量を検出する装置に関するものであり、気体等の流体に含まれる異物を検出することは困難であった。 The technology described in Patent Document 1 is applied, for example, to a developer container of a copier, etc., and is applicable regardless of the shape of the container, and is said to improve the powder amount measurement accuracy and noise resistance. have an effect. However, this technology particularly relates to a device for detecting the amount of powder filled in a developer container, such as the amount of developer contained in the developer container, etc., and detects foreign matter contained in fluid such as gas. It was difficult to detect.

また、粒子状物質検出装置であって、検出用の電極の形状を櫛歯状にし、櫛歯状の電極の櫛骨部を誘電体によって被覆することにより、櫛歯部分の一端を連結する部分(櫛骨部)と、これに対向する櫛歯部分との間隔までを均一にし、装置の測定精度向上を可能とする技術が公知である。(例えば、特許文献2を参照。)しかしながら、特許文献2に記載の技術は、自動車の排ガスの粒子状物質の検出を主たる目的としており、装置が大型で、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)フローセンサ等の小型の装置に対して適用することは困難であった。 Further, in the particulate matter detection device, the detection electrode is shaped like a comb tooth, and the comb rib portion of the comb tooth-shaped electrode is covered with a dielectric, thereby connecting one end of the comb tooth portion. A technique is known in which the distance between (comb rib portion) and the comb tooth portion facing it is made uniform to improve the measurement accuracy of the device. (See, for example, Patent Document 2.) However, the technology described in Patent Document 2 is mainly aimed at detecting particulate matter in the exhaust gas of automobiles, and requires a large-sized device such as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) flow. It was difficult to apply to small devices such as sensors.

特開2017-129470号公報JP 2017-129470 A 特開2013-50577号公報JP 2013-50577 A 特許第5542006号公報Japanese Patent No. 5542006

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、MEMS流量測定装置等の微小測定装置にも適用可能であり、流体に含まれる異物を検出することで、測定における異物の影響を排除し、より高精度な測定が可能な技術を提供することを目的とする。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has been made in view of the above problems, and can be applied to a micro-measurement device such as a MEMS flow rate measuring device. The purpose is to provide a technology that eliminates the

上記の課題を解決するための本発明は、流体に含まれる異物を検出するMEMS異物検出素子であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせを含む検出用電極部と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせを含む参照用電極部と、
第1の検出用電極部及び第2の検出用電極部の二つの前記検出用電極部と、第1の参照用電極部及び第2の参照用電極部の二つの前記参照用電極部と、を前記第1の絶縁膜上に形成された配線パターンで接続して構築される検出回路と、
を備え、
前記検出回路は、
入力端とGNDが、該入力端側から前記第1の検出用電極部と前記第1の参照用電極部とが直列に接続された第1のラインで接続され、
前記入力端と前記GNDが、該入力端側から前記第2の参照用電極部と前記第2の検出用電極部とが直列に接続された第2のラインによって、前記第1のラインと並列に接続され、
前記第1のラインにおける前記第1の検出用電極部と前記第1の参照用電極部との間を第1の出力端とし、
前記第2のラインにおける前記第2の検出用電極部と前記第2の参照用電極部との間を第2の出力端とする、回路であり、
前記二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせにおいては、該二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が所定間隔で交互に平行に並ぶように配置され、
前記参照用電極部は、前記検出用電極部と比較して、前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に異物が付着しづらくなる、異物抑制構造を有することを特徴とする、MEMS異物検出素子である。
The present invention for solving the above problems is a MEMS foreign matter detection element for detecting foreign matter contained in fluid,
a silicon substrate;
a first insulating film formed on the silicon substrate;
a detection electrode section formed on the first insulating film and including a combination of two comb-shaped electrode patterns;
a reference electrode portion formed on the first insulating film and including a combination of two comb-shaped electrode patterns;
the two detection electrode portions, a first detection electrode portion and a second detection electrode portion, and the two reference electrode portions, a first reference electrode portion and a second reference electrode portion; a detection circuit constructed by connecting with a wiring pattern formed on the first insulating film;
with
The detection circuit is
an input terminal and a GND are connected by a first line in which the first detection electrode section and the first reference electrode section are connected in series from the input terminal side;
The input terminal and the GND are connected in parallel with the first line by a second line in which the second reference electrode section and the second detection electrode section are connected in series from the input terminal side. connected to
a first output end between the first detection electrode portion and the first reference electrode portion on the first line;
A circuit having a second output end between the second detection electrode portion and the second reference electrode portion on the second line,
In the combination of the two comb-teeth-shaped electrode patterns, the teeth of the two comb-teeth-shaped electrode patterns are arranged alternately in parallel at a predetermined interval,
The reference electrode section has a foreign matter suppression structure in which foreign matter is less likely to adhere between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns, compared to the detection electrode section. , are MEMS foreign matter detection elements.

これによれば、半導体製造工程(MEMS製造プロセス)において形成された、微小なサイズの櫛歯状の電極パターンからなる検出用電極部によって、異物検出を行うことができる。そうすると、通常の大気などに含まれる、特に微小な異物に対しても、高感度な検出を行うことが可能となる。なお、ここにおける流体には空気、水等の自然界に存在する流体の他、特定成分の濃度を意図的に高めた気体及び液体を含む。 According to this, the foreign matter can be detected by the detection electrode portion which is formed in the semiconductor manufacturing process (MEMS manufacturing process) and which has a micro-sized comb-like electrode pattern. Then, it becomes possible to perform highly sensitive detection even for a particularly minute foreign matter contained in the normal atmosphere or the like. The fluid here includes fluids existing in nature such as air and water, as well as gases and liquids in which the concentration of specific components is intentionally increased.

また、検出回路における第1の出力端と第2の出力端の間の位相差または電圧差を検出することで、第1及び第2の検出用電極部における静電容量の変化を検出することができ、より容易または精度よく、異物の付着を検出することが可能である。 Further, by detecting a phase difference or a voltage difference between the first output end and the second output end of the detection circuit, a change in capacitance at the first and second detection electrode portions is detected. Therefore, it is possible to detect adhesion of foreign matter more easily or accurately.

また、本発明においては、参照用電極部は、検出用電極部と比較して、二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に異物が付着しづらくなる、異物抑制構造を有するので、異物抑制構造を有する参照用電極部の静電容量をレファレンスとすることで、二つの検出用電極部により生じる静電容量の変化を精度よく測定することができる。その結果、より精度よく、異物の検出を行うことが可能となる。 In addition, in the present invention, the reference electrode section has a foreign matter suppression structure in which foreign matter is less likely to adhere between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns compared to the detection electrode section. By using the capacitance of the reference electrode portion having the foreign matter suppression structure as a reference, it is possible to accurately measure the change in capacitance caused by the two detection electrode portions. As a result, foreign matter can be detected more accurately.

また、本発明においては、前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に誘電体層を介在させる構造であってもよい。 Further, in the present invention, the foreign matter suppression structure may be a structure in which a dielectric layer is interposed between each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section.

これによれば、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に、異物が付着することをより確実に抑制できる。そうすると、二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に誘電体層が設けられた参照用電極部の静電容量をレファレンスとすることで、より精度よく、異物の検出を行うことが可能となる。 According to this, it is possible to more reliably prevent foreign matter from adhering between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section. Then, by using the capacitance of the reference electrode portion provided with the dielectric layer between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns as a reference, foreign matter can be detected with higher accuracy. Become.

また、本発明においては、前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が前記誘電体層で覆われ、該誘電体層の表面の表面凹凸が0.1μm以下としてもよい。 Further, in the present invention, the foreign substance suppressing structure is such that each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is covered with the dielectric layer, and the dielectric layer has surface irregularities. may be 0.1 μm or less.

ここで、参照用電極部における二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に誘電体層を介在させた場合であって、例えば、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯を誘電体層で覆った場合には、誘電体層の表面に、櫛歯状の電極パターンにおける歯に対応する凹凸が生じる場合がある。このような場合には、当該凹凸に異物が付着し易く、参照用電極部における静電容量がこの異物により変化してしまう虞がある。 Here, in the case where the dielectric layer is interposed between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns in the reference electrode section, for example, each of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section When the teeth of the dielectric layer are covered with the dielectric layer, the surface of the dielectric layer may have unevenness corresponding to the teeth of the comb-shaped electrode pattern. In such a case, foreign matter is likely to adhere to the irregularities, and there is a possibility that the electrostatic capacitance of the reference electrode portion may change due to the foreign matter.

これに対し、本発明においては、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が誘電体層で覆われ、誘電体層の表面の表面凹凸が0.1μm以下とした。これにより、誘電体層への異物の付着をさらに抑制でき、参照用電極部による静電容量が変化してしまうことをさらに確実に抑制できる。 In contrast, in the present invention, each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode portion is covered with a dielectric layer, and the surface unevenness of the dielectric layer is set to 0.1 μm or less. As a result, it is possible to further suppress the adhesion of foreign matter to the dielectric layer, and it is possible to more reliably suppress the change in the capacitance due to the reference electrode portion.

また、本発明においては、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、前記流体の流れ方向に垂直になるように配置されて使用され、
前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向と垂直に配置される構造であることとしてもよい。
Further, in the present invention, the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode unit are arranged so that the direction in which each tooth extends is perpendicular to the flow direction of the fluid,
In the foreign matter suppression structure, the directions in which the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section extend are the same as the directions of the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. The structure may be arranged perpendicular to the extending direction.

これによれば、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、前記流体の流れ方向に平行になるように配置することが可能である。このことによっても、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に、異物が付着することをより確実に抑制できる。その結果、二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に誘電体層が設けられた参照用電極部の静電容量をレファレンスとすることで、より精度よく、異物の検出を行うことが可能となる。 According to this, it is possible to arrange so that the direction in which each tooth in the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section extends is parallel to the flow direction of the fluid. This also more reliably prevents foreign matter from adhering between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode portion. As a result, by using the capacitance of the reference electrode portion, in which the dielectric layer is provided between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns, as a reference, foreign matter can be detected with higher accuracy. becomes.

また、本発明においては、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数は、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数より少ないこととしてもよい。 In the present invention, the number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is smaller than the number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. may be

ここで、例えば、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に誘電体層を介在させたり、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯を誘電体層で覆った場合には、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンの間の静電容量が大きくなる。 Here, for example, a dielectric layer may be interposed between each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section, or a dielectric layer may be interposed between each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section. is covered with a dielectric layer, the electrostatic capacitance between the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section increases.

これに対し、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量は、検出用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量と同程度の値であれば、初期状態において検出回路で検出されるオフセット電圧を小さくすることができ、異物付着時における検出性を向上させることができる。これに対し、本発明においては、参照用電極部の
二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数を、検出用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数より少なくした。これにより、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に誘電体層を介在させたような場合でも、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量を、検出用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量と同程度の値とすることができる。その結果、初期状態において検出回路で検出されるオフセット電圧を小さくすることができ、異物付着時における検出性を向上させることができる。
On the other hand, if the capacitance of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is approximately the same as the capacitance of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section, the initial It is possible to reduce the offset voltage detected by the detection circuit in this state, and to improve the detectability when a foreign object adheres. In contrast, in the present invention, the number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is made smaller than the number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. As a result, even when a dielectric layer is interposed between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section, the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section can be statically controlled. The capacitance can be set to a value approximately equal to the capacitance of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode portion. As a result, it is possible to reduce the offset voltage detected by the detection circuit in the initial state, and to improve the detectability when a foreign object adheres.

また、本発明においては、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間隔は、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間隔より広いこととしてもよい。このことによっても、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に誘電体層を介在させたような場合でも、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量を、検出用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける静電容量と同程度の値とすることができる。その結果、初期状態において検出回路で検出されるオフセット電圧を小さくすることができ、異物付着時における検出性を向上させることができる。 Further, in the present invention, the interval between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is wider than the interval of the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. may be As a result, even when a dielectric layer is interposed between each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section, the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section can be set to a value approximately equal to the capacitance of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode portion. As a result, it is possible to reduce the offset voltage detected by the detection circuit in the initial state, and to improve the detectability when a foreign object adheres.

また、本発明においては、前記二つの検出用電極部と前記二つの参照用電極部とが、互いに対角に位置するように、前記第1の絶縁膜上に、二段二列に並べて配置されることとしてもよい。これによれば、MEMS異物検出素子が流体の流れと交わる長さを短くすることができるので、特に、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、流体の流れ方向に平行になるように配置した場合に、参照用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間に異物が付着することをより確実に抑制することが可能となる。その結果、より精度よく、異物の検出を行うことが可能となる。 Further, in the present invention, the two detection electrode portions and the two reference electrode portions are arranged in two rows and two rows on the first insulating film so as to be positioned diagonally to each other. It may be assumed that According to this, it is possible to shorten the length of the MEMS foreign matter detection element that intersects the flow of the fluid. In the case of arranging so as to be parallel to the flow direction of the reference electrode portion, it is possible to more reliably prevent foreign matter from adhering between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode portion. As a result, foreign matter can be detected more accurately.

また、本発明においては、前記二つの検出用電極部と前記二つの参照用電極部とが、前記第1の絶縁膜上に、一列に並べて配置されることとしてもよい。 Further, in the present invention, the two detection electrode portions and the two reference electrode portions may be arranged in a line on the first insulating film.

これによれば、MEMS異物検出素子の形状を細長形状とすることができ、流体の流路への組み込みを容易にすることが可能である。 According to this, the shape of the MEMS foreign object detection element can be made into an elongated shape, and it is possible to facilitate incorporation into the flow path of the fluid.

また、本発明においては、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が接続する第1の歯元部と、
前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が接続する第2の歯元部とが共通に形成されることとしてもよい。これによれば、MEMS異物検出素子の小型化を図ることが可能である。
Further, in the present invention, a first tooth root portion to which each tooth of the two comb tooth-shaped electrode patterns of the detection electrode portion is connected;
A second root portion to which the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode portion are connected may be formed in common. According to this, it is possible to reduce the size of the MEMS foreign object detection element.

また、本発明においては前記入力端、前記GND、前記第1の出力端及び前記第2の出力端と外部と接続するための複数の端子部をさらに備え、
前記複数の端子部の少なくともいずれかは、該MEMS異物検出素子において、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向の端部に配置されるようにしてもよい。
Further, in the present invention, a plurality of terminal portions for connecting the input terminal, the GND, the first output terminal and the second output terminal to the outside are further provided,
At least one of the plurality of terminal portions is arranged at an end portion in the extending direction of each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode portion in the MEMS foreign matter detection element. good too.

これによれば、端子部を、MEMS異物検出素子において、検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向の端部に配置することで、仮に端子部に電気線を接続させた場合でも、櫛歯における歯の近傍の流体の流れを乱すことを防止でき、より高感度に異物検出を行うことが可能となる。 According to this, by arranging the terminal portion at the end portion in the direction in which each tooth of the two comb tooth-shaped electrode patterns of the detection electrode portion extends in the MEMS foreign matter detection element, the terminal portion can be electrically connected to the terminal portion. Even when the wires are connected, it is possible to prevent disturbance of the flow of fluid in the vicinity of the teeth of the comb teeth, and it is possible to detect foreign substances with higher sensitivity.

また、本発明においては、前記検出回路において、
前記入力端にパルス状の電圧を入力し、前記第1の出力端と前記第2の出力端の間の電
位差を検出することで、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンの間の静電容量または、該静電容量の変化を検出することとしてもよい。これによれば、動的な信号を検出することで、検出用電極部の二つの櫛歯状の電極パターンの各々の歯の間への異物の付着を検出することができ、よりノイズの影響を受けづらい検出を行うことが可能である。
Further, in the present invention, in the detection circuit,
By inputting a pulse-like voltage to the input terminal and detecting a potential difference between the first output terminal and the second output terminal, the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section are detected. It is also possible to detect the capacitance between or the change in the capacitance. According to this, by detecting a dynamic signal, it is possible to detect the adhesion of foreign matter between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode unit, thereby further reducing the influence of noise. It is possible to perform detection that is difficult to receive.

なお、本発明においては、可能な限り、上記した課題を解決するための手段を組み合わせて使用することが可能である。 In addition, in the present invention, it is possible to use the means for solving the above-described problems in combination as much as possible.

本発明によれば、MEMS流量測定装置等の微小測定装置にも適用可能であり、流体に含まれる異物を検出することで、測定における異物の影響を排除し、より高精度な測定を行うことが可能となる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it can be applied to a micro-measurement device such as a MEMS flow measurement device, and by detecting foreign matter contained in a fluid, it is possible to eliminate the influence of the foreign matter on the measurement and perform more accurate measurement. becomes possible.

本発明の実施例1に係る異物検出素子の基本原理について説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the basic principle of the foreign matter detection element according to Example 1 of the present invention; 本発明の実施例1における異物検出素子の基本構造を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of the foreign material detection element in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における櫛歯構造を有する2つの電極間の静電容量の、粉塵試験前後における変化の例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of changes in capacitance between two electrodes having a comb tooth structure in Example 1 of the present invention before and after a dust test. 本発明の実施例1における異物検出素子の断面図と、電極の歯の拡大断面図である。1A and 1B are a cross-sectional view of a foreign object detection element and an enlarged cross-sectional view of teeth of an electrode in Example 1 of the present invention; 本発明の実施例1における異物検出素子の使用状態の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the usage state of the foreign material detection element in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における異物検出素子の製造工程を示す第1の図である。FIG. 4A is a first diagram showing a manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 1 of the present invention; 本発明の実施例1における異物検出素子の製造工程を示す第2の図である。FIG. 2B is a second view showing the manufacturing process of the foreign object detection element in Example 1 of the present invention; 本発明の実施例2における参照電極の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における参照電極の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極とを用いたブリッジ回路について示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a bridge circuit using a foreign object detection element and a reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2におけるブリッジ回路25における異物検出の動作を確認した結果のグラフである。10 is a graph showing the result of confirming the foreign matter detection operation in the bridge circuit 25 in Example 2 of the present invention. 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極の第1の配置態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a first arrangement mode of a foreign object detection element and a reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極の第2の配置態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a second arrangement mode of the foreign object detection element and the reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極の第3の配置態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a third arrangement mode of the foreign object detection element and the reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極の第4の配置態様を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a fourth arrangement mode of the foreign object detection element and the reference electrode in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子と参照電極とが並べて配置されている場合の異物検出チップ10の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the foreign matter detection chip 10 in which the foreign matter detection element and the reference electrode are arranged side by side according to the second embodiment of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子の製造工程を示す第1の図である。FIG. 10 is a first diagram showing a manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子の製造工程を示す第2の図である。FIG. 10 is a second diagram showing a manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例2における異物検出素子の製造工程を示す第3の図である。FIG. 10 is a third diagram showing a manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 2 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出チップの第1の概略図である。FIG. 10 is a first schematic diagram of a foreign object detection chip in Example 3 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出チップの第2の概略図である。FIG. 10 is a second schematic diagram of the foreign matter detection chip in Example 3 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出素子と流量測定素子とが並べて配置されている場合の異物検出チップの断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of a foreign object detection chip in which a foreign object detection element and a flow rate measuring element are arranged side by side in Example 3 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出素子の製造工程を示す第1の図である。FIG. 11 is a first diagram showing a manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 3 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出素子の製造工程を示す第2の図である。FIG. 10 is a second diagram showing the manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 3 of the present invention; 本発明の実施例3における異物検出素子の製造工程を示す第3の図である。FIG. 10 is a third diagram showing the manufacturing process of the foreign matter detection element in Example 3 of the present invention;

<適用例>
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。
<Application example>
Hereinafter, application examples of the present invention will be described with reference to the drawings.

本適用例に係る異物検出素子は、図1に示すように、電位の異なる2つの電極201、202の周囲を流れる流体に異物Pが含まれていた場合、電極201、202の間に異物が付着し堆積することにより、電極201、202によって生じる静電容量が変化することを利用する素子であり、静電容量の変化の度合いを検出することで、異物の存在を検出する。 As shown in FIG. 1, the foreign matter detection element according to this application example has a configuration in which when a foreign matter P is contained in fluid flowing around two electrodes 201 and 202 having different electric potentials, the foreign matter is detected between the electrodes 201 and 202. It is an element that utilizes the fact that the electrostatic capacitance generated by the electrodes 201 and 202 changes due to adhesion and deposition, and detects the presence of foreign matter by detecting the degree of change in the electrostatic capacitance.

MEMS異物検出素子1(以下、単に異物検出素子ともいう。)は、図2に示すように、半導体製造工程(MEMSプロセス)によって、シリコン基板2上に、電極3、4を形成することで作製されている。この電極3、4は、櫛歯状の構造を有し、電極3、4における櫛歯構造の歯3a、4aは、その並び方向について、互いに平行に交互に並ぶように配置される。そして、櫛歯の歯が延びる方向に垂直な方向(櫛歯の並び方向)に流れる流体に異物が含まれており、異物検出素子1がこの流体に曝された場合には、電極3、4の歯3a、4aにおける段差部分に異物が付着し堆積する。異物検出素子1では、電極3、4間の静電容量の変化を測定する。 A MEMS foreign matter detection element 1 (hereinafter also simply referred to as a foreign matter detection element) is manufactured by forming electrodes 3 and 4 on a silicon substrate 2 by a semiconductor manufacturing process (MEMS process), as shown in FIG. It is The electrodes 3 and 4 have a comb-teeth structure, and the teeth 3a and 4a of the comb-teeth structure of the electrodes 3 and 4 are arranged so as to be alternately arranged parallel to each other. When foreign matter is contained in the fluid flowing in the direction perpendicular to the direction in which the comb teeth extend (in the direction in which the comb teeth are arranged), and the foreign matter detection element 1 is exposed to this fluid, the electrodes 3 and 4 Foreign matter adheres and accumulates on the stepped portions of the teeth 3a and 4a. Foreign matter detection element 1 measures the change in capacitance between electrodes 3 and 4 .

本適用例において、歯3a、4aの表面は、図4に示すように、非導電体から形成される保護膜6で覆われる。これにより、異物に導電体が含まれていた場合の、歯3a、4aの間(静電電極間)の電気的リークを防止することができる。その際、保護膜6をSiOやSiN膜のようなシリコン系誘電体膜とすることで、半導体プロセスで薄膜を形成し易くなる。 In this application example, the surfaces of the teeth 3a, 4a are covered with a protective film 6 made of a non-conductive material, as shown in FIG. This can prevent electrical leakage between the teeth 3a and 4a (between the electrostatic electrodes) when the foreign matter contains a conductor. In this case, by using a silicon-based dielectric film such as SiO 2 or SiN film as the protective film 6, it becomes easier to form a thin film in a semiconductor process.

また、本適用例では、歯3a、4aと基板2との間には絶縁層からなる土台膜5が形成されており、この土台膜5の幅が歯3a、4aの幅より狭い庇構造となっている。このことで、庇により窪んだ部分に異物が挟まって付着し易くすることができ、異物の検出感度を向上させることができる。なお、このことにより、基板2と電極3、4の歯3a、4aの間の距離を大きくし、寄生容量の影響を小さくできるという副次的な効果もある。本適用例において、土台膜5の高さは0.1μm~5μmがより好適である。また、歯間距離は、0.2~20μmがより好適である。。 In this application example, a base film 5 made of an insulating layer is formed between the teeth 3a, 4a and the substrate 2, and the width of the base film 5 is narrower than the width of the teeth 3a, 4a. It's becoming As a result, foreign matter can be easily caught and adhered to the recessed portion of the eaves, and the foreign matter detection sensitivity can be improved. As a result, the distance between the substrate 2 and the teeth 3a, 4a of the electrodes 3, 4 can be increased to reduce the effect of parasitic capacitance. In this application example, the height of the base film 5 is more preferably 0.1 μm to 5 μm. Further, the inter-tooth distance is more preferably 0.2 to 20 μm. .

図5は、異物検出素子1の使用状態の例を示す図である。この場合、プリント基板30にチップコンデンサなどを形成することで、異物の検出回路を容易に形成することが可能である。その際、図5に示すように、異物検出素子1の電極端子7と、プリント基板30とを接続するワイヤ7a、7bは、流体の流れを阻害しないように、流体の進行方向に対して垂直方向の端部に設けられた電極端子7から、同方向に延びるように配置されている。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a usage state of the foreign object detection element 1. FIG. In this case, by forming a chip capacitor or the like on the printed circuit board 30, it is possible to easily form a foreign matter detection circuit. At this time, as shown in FIG. 5, the wires 7a and 7b connecting the electrode terminals 7 of the foreign object detection element 1 and the printed circuit board 30 are arranged perpendicular to the direction of movement of the fluid so as not to hinder the flow of the fluid. They are arranged so as to extend in the same direction from the electrode terminal 7 provided at the end of the direction.

本適用例では、半導体製造工程により異物検出素子1を作製するため、異物検出素子1の作製(寸法)バラツキを小さくし易い。すなわち、微細な電子回路を形成する加工技術
であるため、寸法バラツキをミクロンオーダー以下に抑えることができ、加工精度を向上させることが可能である。また、本実施例における異物検出素子1によれば、自然下の大気における微小粒子等を高感度で検出することができ、また、装置も大幅に小型化することができる。さらに製造工程を自動化することができ、コスト低減が可能となる。
In this application example, since the foreign matter detection element 1 is manufactured by the semiconductor manufacturing process, it is easy to reduce variations in manufacturing (dimensions) of the foreign matter detection element 1 . That is, since it is a processing technology for forming fine electronic circuits, it is possible to suppress dimensional variations to micron order or less, and to improve processing accuracy. Further, according to the foreign matter detection element 1 of this embodiment, fine particles and the like in the natural atmosphere can be detected with high sensitivity, and the size of the device can be greatly reduced. Furthermore, the manufacturing process can be automated, and the cost can be reduced.

なお、図8に示すように、異物検出素子1と同等の構造を有する素子の表面を、誘電体膜9で覆った構造を有する参照電極11を用いることで、測定精度を向上させることが可能である。この参照電極11は、異物検出素子1を誘電体膜9で覆うことで、参照電極11における電極3、4の歯3a、4aの間に異物が付着し難くしたものである。すなわち、異物検出素子1における静電容量の変化を、異物が付着しづらい参照電極11における静電容量変化と比較することで、より精度よく、異物の付着を検出することができる。 As shown in FIG. 8, the measurement accuracy can be improved by using a reference electrode 11 having a structure in which the surface of an element having the same structure as that of the foreign matter detection element 1 is covered with a dielectric film 9. is. The reference electrode 11 is formed by covering the foreign matter detecting element 1 with a dielectric film 9, thereby making it difficult for foreign matter to adhere between the teeth 3a and 4a of the electrodes 3 and 4 of the reference electrode 11. FIG. That is, by comparing the change in the capacitance of the foreign object detection element 1 with the change in the capacitance of the reference electrode 11 to which foreign objects are less likely to adhere, it is possible to more accurately detect the adhesion of foreign objects.

図9(a)に示すように、参照電極11においては、誘電体膜9の表面には異物検出素子1の電極3、4及び、櫛歯構造の歯3a、3bに対応する部分に段差9aが生じる場合があるが、電極の歯3aと4aの間は、誘電体膜9で覆われているため異物による静電容量の変化は大幅に低減する。さらに、図9(b)に示すように、誘電体膜9の成膜後に、CMP法(化学機械研磨)などにより誘電体膜9の平坦化処理を行うことで、誘電体膜9の表面にさらに異物が付着しづらくすることができ、参照電極11における静電容量の変化をさらに低減することが可能である。 As shown in FIG. 9A, in the reference electrode 11, the surface of the dielectric film 9 has steps 9a at portions corresponding to the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detecting element 1 and the teeth 3a and 3b of the comb structure. However, since the space between the electrode teeth 3a and 4a is covered with the dielectric film 9, the change in capacitance due to foreign matter is greatly reduced. Further, as shown in FIG. 9B, after forming the dielectric film 9, the surface of the dielectric film 9 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like. Furthermore, it is possible to make it difficult for foreign matter to adhere, and to further reduce the change in the capacitance of the reference electrode 11 .

<実施例1>
以下では、本発明の実施例に係る異物検出素子について、図面を用いて、より詳細に説明する。
<Example 1>
In the following, foreign matter detection elements according to embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

〔基本原理〕
図1を用いて、本実施例に係る異物検出素子の基本原理について説明する。図1(a)、(b)は、基板200上に互いに電位差を有する電極201及び202が配置された場合の断面図を示す。この電極201、202は、図1の紙面に垂直方向に延びる棒状の構造を有するとする。この場合、図1(a)に示すように、電位の異なる2つの電極201、202の間には電界が生じ、この2つの電極によって静電容量が生じる。
〔Basic principle〕
The basic principle of the foreign matter detection element according to this embodiment will be described with reference to FIG. 1(a) and 1(b) show cross-sectional views when electrodes 201 and 202 having a potential difference are arranged on a substrate 200. FIG. It is assumed that the electrodes 201 and 202 have a rod-like structure extending in the direction perpendicular to the plane of FIG. In this case, as shown in FIG. 1A, an electric field is generated between two electrodes 201 and 202 having different potentials, and the two electrodes generate capacitance.

そして、図1(b)に示すように、この電極201、202の周囲を流れる空気等の流体に異物Pが含まれていた場合、電極201、202の段差部分に異物が付着し易い。そして、電極201、202の間に異物が付着し堆積することにより、電極201、202で生じる静電容量は変化する。この変化の度合いを検出することで、異物の存在を検出することが可能である。 As shown in FIG. 1(b), if foreign matter P is contained in the fluid such as air flowing around the electrodes 201 and 202, the foreign matter easily adheres to the stepped portions of the electrodes 201 and 202. FIG. As foreign matter adheres and accumulates between the electrodes 201 and 202, the capacitance generated at the electrodes 201 and 202 changes. By detecting the degree of this change, it is possible to detect the presence of a foreign object.

図2には、本実施例における異物検出素子1の基本構造を示す。図2(a)は異物付着前の状態、図2(b)は異物付着後の状態を示す。図2(a)、(b)において、上段の図は素子全体の斜視図、下段の図は白矢印方向から見た断面図である。異物検出素子1は、半導体製造工程(後述)によって、シリコン基板2(以下、単純に基板2ともいう)上に、電極3、4を形成することで作製されている。この電極3、4は、櫛歯状の構造を有し、電極3、4における櫛歯構造の歯3a、4aは、図2(a)に示すように、その並び方向について、互いに平行に交互に並ぶように配置される。ここで、歯3a、4aの間の距離(以下、歯間距離ともいう。)は、本実施例において「所定間隔」に相当する。 FIG. 2 shows the basic structure of the foreign matter detection element 1 in this embodiment. FIG. 2(a) shows the state before adhesion of foreign matter, and FIG. 2(b) shows the state after adhesion of foreign matter. In FIGS. 2(a) and 2(b), the upper figure is a perspective view of the entire device, and the lower figure is a sectional view seen from the direction of the white arrow. The foreign matter detection element 1 is manufactured by forming electrodes 3 and 4 on a silicon substrate 2 (hereinafter simply referred to as substrate 2) by a semiconductor manufacturing process (described later). The electrodes 3 and 4 have a comb-teeth structure, and the teeth 3a and 4a of the comb-teeth structure in the electrodes 3 and 4 are alternately arranged parallel to each other in the direction of arrangement, as shown in FIG. 2(a). are arranged side by side. Here, the distance between the teeth 3a and 4a (hereinafter also referred to as the inter-tooth distance) corresponds to the "predetermined distance" in this embodiment.

そして、例えば、櫛歯の歯が延びる方向に垂直な方向(櫛歯の並び方向)に流れる流体に異物が含まれており、異物検出素子1がこの流体に曝された場合には、電極3、4の歯3a、4aにおける段差部分に異物が付着し堆積する。そして、この異物の存在により、電極3、4によって生じる静電容量が変化する。この変化を測定することで、異物の存在
または量を検出することが可能である。本実施例において電極3、4は検出用電極部に相当する。
For example, if foreign matter is contained in fluid flowing in a direction perpendicular to the direction in which the comb teeth extend (the direction in which the comb teeth are arranged), and the foreign matter detection element 1 is exposed to this fluid, the electrodes 3 , 4, foreign matter adheres and accumulates on the stepped portions of the teeth 3a, 4a. Due to the presence of this foreign matter, the capacitance generated by the electrodes 3 and 4 changes. By measuring this change, it is possible to detect the presence or amount of foreign matter. In this embodiment, the electrodes 3 and 4 correspond to the detection electrode section.

図3には、櫛歯構造を有する2つの電極間の静電容量の、粉塵試験前後における変化の例を示す。図に示す例では、粉塵試験前後で静電容量が20%以上増加することが確認されている。 FIG. 3 shows an example of changes in capacitance between two electrodes having a comb structure before and after the dust test. In the example shown in the figure, it was confirmed that the capacitance increased by 20% or more before and after the dust test.

電極3、4の櫛歯構造の歯のサイズは、厚さ0.1~10μm、幅0.1μm~10μm、歯間距離0.1~100μmとしてもよい。また、歯の長さは10μm~1mmとしてもよい。歯数は各々5~500本であってもよい。例えば、厚さ2μm、幅2μm、歯間距離2μm、対向する歯の長さ400μmで、歯数が各々50本とした場合に、400μm×400μmのエリアにおいて、1pFの静電容量を得ることができる。そして、この場合には、例えば500μm×600μm×400μm(厚み)という程度の、非常に小型の素子サイズを実現することが可能である。 The comb tooth structure of the electrodes 3 and 4 may have a thickness of 0.1 to 10 μm, a width of 0.1 to 10 μm, and an inter-tooth distance of 0.1 to 100 μm. Also, the tooth length may be 10 μm to 1 mm. Each may have 5 to 500 teeth. For example, if the thickness is 2 μm, the width is 2 μm, the distance between the teeth is 2 μm, the length of the opposing teeth is 400 μm, and the number of teeth is 50, a capacitance of 1 pF can be obtained in an area of 400 μm × 400 μm. can. In this case, it is possible to realize a very small element size of, for example, 500 μm×600 μm×400 μm (thickness).

なお、本実施例における異物検出素子1では、歯間距離によって、検出感度やサイズが変化する。歯間距離は、0.2~20μmがより好適である。歯間距離を小さくすれば、静電容量が大きくなるため異物が付着したときの容量変化が大きくなり検出感度が向上する。また、電極自体を小型化することができる。しかしながら、歯間距離が過度に小さい場合には、大きな異物を捕捉することができなくなる。また、加工寸法のバラツキの影響を受け易くなる。これらより、0.2μm以上の電極間距離が望ましい。0.2μmより小さい異物については素子への影響があまりないと考えらえる。一方、歯間距離が大きいと、より大きなサイズの異物を検出することができる。比較的異物が多く含まれるようなケースで、異物の許容度が大きい場合には歯間距離が大きい方が有利と言える。しかしながら、電極自体が大きくなってしまう。これらより、20μm以下の歯間距離が望ましい。歯間距離が20μmより大きい場合には、半導体プロセスで作製すると素子が大型になったり、異物付着時の容量変化が十分に得られないことも有り得る。 It should be noted that the detection sensitivity and size of the foreign object detection element 1 of this embodiment vary depending on the inter-tooth distance. The inter-tooth distance is more preferably 0.2 to 20 μm. If the inter-tooth distance is reduced, the electrostatic capacity is increased, so that the capacitance change increases when a foreign object adheres, and the detection sensitivity is improved. Also, the electrodes themselves can be miniaturized. However, if the inter-tooth distance is too small, it will not be possible to trap large foreign objects. In addition, it is more likely to be affected by variations in processing dimensions. For these reasons, the inter-electrode distance of 0.2 μm or more is desirable. Contaminants smaller than 0.2 μm are considered to have little effect on the device. On the other hand, if the tooth-to-tooth distance is large, foreign matter of a larger size can be detected. In a case where a relatively large amount of foreign matter is contained, it can be said that a large inter-tooth distance is advantageous when the allowance for foreign matter is large. However, the electrodes themselves become large. From these, the inter-tooth distance of 20 μm or less is desirable. If the tooth-to-tooth distance is greater than 20 μm, the size of the device may increase if it is manufactured by a semiconductor process, and a sufficient change in capacitance may not be obtained when foreign matter adheres.

〔異物検出素子の断面図の詳細〕
図4には、異物検出素子1の断面図の一例と、特に電極3、4の歯3a、4aの拡大断面図を示す。歯3a、4aの表面は、図4に示すように、非導電体から形成される保護膜6で覆われるようにしてもよい。これによれば、異物に導電体が含まれていた場合の、歯3a、4aの間(静電電極間)の電気的リークを防止することができ、回路の保護を強化することができる。その際、保護膜6をSiOやSiN膜のようなシリコン系誘電体膜とすることで、半導体プロセスで薄膜を形成し易くなる。この保護膜6は、本実施例において第2の絶縁膜に相当する。
[Details of the cross-sectional view of the foreign object detection element]
FIG. 4 shows an example of a cross-sectional view of the foreign object detection element 1 and an enlarged cross-sectional view of the teeth 3a and 4a of the electrodes 3 and 4 in particular. The surfaces of the teeth 3a, 4a may be covered with a protective film 6 made of a non-conductive material, as shown in FIG. According to this, it is possible to prevent electrical leakage between the teeth 3a and 4a (between the electrostatic electrodes) when the foreign matter contains a conductor, and the protection of the circuit can be enhanced. In this case, by using a silicon-based dielectric film such as SiO 2 or SiN film as the protective film 6, it becomes easier to form a thin film in a semiconductor process. This protective film 6 corresponds to the second insulating film in this embodiment.

また、各電極3、4の歯3a、4aの断面において、歯3a、4aと基板2との間には絶縁層からなる土台膜5が形成されており、この土台膜5の幅が歯3a、4aの幅より狭い庇構造としてもよい。このようにすることで、庇により窪んだ部分に異物が挟まって付着し易くすることができ、異物の検出感度を向上させることができる。 In the cross section of the teeth 3a, 4a of the electrodes 3, 4, a base film 5 made of an insulating layer is formed between the teeth 3a, 4a and the substrate 2, and the width of the base film 5 is the width of the tooth 3a. , 4a. By doing so, it is possible to make it easier for foreign matter to be caught and attached to the portion recessed by the eaves, and it is possible to improve the detection sensitivity of foreign matter.

なお、この場合、各電極3、4における歯3a、4aの間には、シリコン基板を介した寄生容量が生じており、この寄生容量は、異物が付着しても変動しないことから、電気的な感度を低下させる要因となる。これに対し、電極の歯3a、4aと基板2との間に、土台膜5を形成することで基板2と電極3、4の歯3a、4aの間の距離を大きくし、寄生容量の影響を小さくすることが可能である。 In this case, a parasitic capacitance occurs between the teeth 3a and 4a of the electrodes 3 and 4 via the silicon substrate. It is a factor that lowers the sensitivity. On the other hand, by forming the base film 5 between the electrode teeth 3a, 4a and the substrate 2, the distance between the substrate 2 and the teeth 3a, 4a of the electrodes 3, 4 is increased, and the effect of the parasitic capacitance is reduced. can be reduced.

また、庇構造の下層の土台膜5の高さによって、検出感度や生産性が変化する。土台膜5の高さは0.1μm~5μmがより好適である。土台膜5の高さが低いと、作製プロセ
スが容易である。成膜やエッチングの時間が短くなる。また、半導体製造工程で庇構造を作製する際に、アンダーカット量(横方向のエッチングの進む距離)を制御し易い。一方、土台膜5の高さが低いと、基板2の寄生容量が大きくなってしまい、電気的に感度が低くなる。また、土台膜5+歯3a、4aの合計高さが低くなるため、異物の捕捉性が悪くなる。これらの理由により、土台膜5の高さは0.1μm以上が望ましい。
Moreover, the detection sensitivity and productivity change depending on the height of the base film 5 that is the lower layer of the eaves structure. The height of the base film 5 is more preferably 0.1 μm to 5 μm. The low height of the base film 5 facilitates the manufacturing process. Time for film formation and etching is shortened. In addition, it is easy to control the amount of undercut (the distance in which etching progresses in the lateral direction) when fabricating the eaves structure in the semiconductor manufacturing process. On the other hand, if the height of the base film 5 is low, the parasitic capacitance of the substrate 2 becomes large, resulting in low electrical sensitivity. Moreover, since the total height of the base film 5 and the teeth 3a and 4a is low, the ability to trap foreign matter is deteriorated. For these reasons, the height of the base film 5 is preferably 0.1 μm or more.

一方、土台膜5の高さが高いと、感度の点で有利である。段差が大きくなるため、異物を捕捉し易くなる。また、基板2の寄生容量を低減することができ、電気的な感度を得やすい。一方、土台膜5が厚いと製造工程において長時間の成膜やエッチングが必要となったり、庇構造の形状安定性が確保し難くなる。これらより、5μm以下の高さが望ましい。 On the other hand, if the height of the base film 5 is high, it is advantageous in terms of sensitivity. Since the step is increased, it becomes easier to catch foreign matter. Moreover, the parasitic capacitance of the substrate 2 can be reduced, and electrical sensitivity can be easily obtained. On the other hand, if the base film 5 is thick, film formation and etching for a long time are required in the manufacturing process, and it becomes difficult to secure the shape stability of the eaves structure. From these, a height of 5 μm or less is desirable.

図5は、異物検出素子1の使用状態の例を示す図である。図5(a)は、異物検出素子1の使用状態を上面から見た図である。図5(b)は、プリント基板30に搭載された異物検出素子1の使用状態の斜視図である。異物検出素子1は櫛歯状の電極3、4を一組有する素子としている。この場合、プリント基板30にチップコンデンサなどを形成することで、検出回路を形成することが可能である。その際、図5(b)に示すように、異物検出素子1の電極端子7と、プリント基板30とを接続するワイヤ7a、7bは、流体の流れを阻害しないように、流体の進行方向に対して垂直方向の端部に設けられた電極端子7から、同方向に延びるように配置されている。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a usage state of the foreign object detection element 1. FIG. FIG. 5(a) is a top view of the foreign matter detection element 1 in use. FIG. 5B is a perspective view of the foreign matter detection element 1 mounted on the printed circuit board 30 in use. The foreign object detection element 1 is an element having a pair of comb-like electrodes 3 and 4 . In this case, it is possible to form a detection circuit by forming a chip capacitor or the like on the printed circuit board 30 . At this time, as shown in FIG. 5B, the wires 7a and 7b connecting the electrode terminals 7 of the foreign object detection element 1 and the printed circuit board 30 are arranged in the direction in which the fluid advances so as not to hinder the flow of the fluid. It is arranged so as to extend in the same direction from the electrode terminal 7 provided at the end in the vertical direction.

〔異物検出素子の作製プロセス〕
以下、図6及び図7を用いて、異物検出素子1の半導体製造工程による作成プロセスについて説明する。
[Manufacturing Process of Foreign Matter Detection Element]
6 and 7, the manufacturing process of the foreign matter detection element 1 by the semiconductor manufacturing process will be described below.

(1)工程1
図6(a)に示すように、基板2となるべき単結晶シリコン基板12に、土台膜5となる誘電体膜(SiO)15を厚さ1μmで成膜する。同様に、単結晶シリコン基板12の底面にも絶縁層としての誘電体膜(SiO)15を成膜する。この誘電体膜は、本発明における第1の絶縁膜に相当する。また、工程1は、本実施例において第1絶縁膜形成工程に相当する。
(1) Process 1
As shown in FIG. 6A, a dielectric film (SiO 2 ) 15 to be a base film 5 is formed with a thickness of 1 μm on a single crystal silicon substrate 12 to be a substrate 2 . Similarly, a dielectric film (SiO 2 ) 15 is formed as an insulating layer on the bottom surface of the single crystal silicon substrate 12 . This dielectric film corresponds to the first insulating film in the present invention. Further, step 1 corresponds to the first insulating film forming step in this embodiment.

(2)工程2
図6(b)に示すように、電極3、4及び、電極端子7となる導電膜13を形成する。例えば、多結晶シリコン(Poly-Si)膜を厚さ2μmで成膜する。この工程は、本実施例において導電体膜形成工程に相当する。そして、成膜後に適宜、不純物を導入し抵抗値を低減する。成膜後、パターニング工程(フォトマスクによるフォトリソグラフィー、エッチング)によって、電極3、4(歯3a、4a)のパターンを形成する。その際、例えば上述のように、歯幅が2μmで、歯間距離が2μmとする。各々の歯の長さ400μmとしてもよい。この工程は、本実施例において電極形成工程に相当する。なお、導電膜13は、多結晶シリコンの他、単結晶シリコンやアモルファスシリコンによって形成しても構わない。
(2) Process 2
As shown in FIG. 6B, the electrodes 3 and 4 and the conductive film 13 that will become the electrode terminals 7 are formed. For example, a polycrystalline silicon (Poly-Si) film is formed with a thickness of 2 μm. This step corresponds to the conductive film forming step in this embodiment. After the film is formed, impurities are appropriately introduced to reduce the resistance value. After film formation, a pattern of electrodes 3 and 4 (teeth 3a and 4a) is formed by a patterning process (photolithography using a photomask, etching). In this case, for example, as described above, the tooth width is 2 μm and the inter-tooth distance is 2 μm. Each tooth may be 400 μm long. This step corresponds to the electrode forming step in this embodiment. Incidentally, the conductive film 13 may be formed of single crystal silicon or amorphous silicon in addition to polycrystalline silicon.

(3)工程3
図7(a)に示すように、パターニング工程にて、各電極3、4及び電極端子7の周囲の誘電体膜15を除去する。その際、Poly-Siの導電膜13のうち、電極3、4となる部分にマスクしてSiOの誘電体膜15を等方性エッチングすると、図7(a)に示すような庇構造とすることができる。例えば、1μm厚の誘電体膜15を等方性エッチングすることで、土台膜5に片側1μmのアンダーカットを生成することができる。工程3は、本実施例において第1のエッチング工程に相当する。
(3) Process 3
As shown in FIG. 7A, the dielectric film 15 around the electrodes 3 and 4 and the electrode terminals 7 is removed in a patterning process. At that time, when the dielectric film 15 of SiO 2 is isotropically etched while masking the portions of the conductive film 13 of Poly-Si which will become the electrodes 3 and 4, an eaves structure as shown in FIG. 7A is formed. can do. For example, by isotropically etching the dielectric film 15 with a thickness of 1 μm, an undercut of 1 μm on one side can be generated in the base film 5 . Process 3 corresponds to the first etching process in this embodiment.

(4)工程4
図7(b)に示すように、電極3、4の保護膜6とすべく、全体にSiN膜16を0.1μmの厚さで成膜する。同様に、単結晶シリコン基板12の底面にも保護膜6としてのSiN膜16を成膜する。その際、成膜にLPCVD法を用いることで、庇構造を良好に被膜することができる。その後、電極3、4の周囲及び、電極端子7の表面におけるSiN膜16、電極端子7のSiN膜16を除去する。工程4は、本実施例において第2絶縁膜形成工程に相当する。
(4) Step 4
As shown in FIG. 7(b), a SiN film 16 having a thickness of 0.1 μm is formed over the entire surface to serve as the protective film 6 for the electrodes 3 and 4. Then, as shown in FIG. Similarly, a SiN film 16 is formed as a protective film 6 on the bottom surface of the single crystal silicon substrate 12 as well. At that time, by using the LPCVD method for film formation, the eaves structure can be coated satisfactorily. After that, the SiN film 16 around the electrodes 3 and 4 and the surface of the electrode terminal 7 and the SiN film 16 of the electrode terminal 7 are removed. Process 4 corresponds to the second insulating film forming process in this embodiment.

(5)工程5
図7(c)に示すように、電極端子7の表面に金属膜8となるAu/Ti膜18を0.5μm/0.1μm厚で成膜し、パターニングを行う。
(5) Step 5
As shown in FIG. 7(c), an Au/Ti film 18 to be a metal film 8 is formed on the surface of the electrode terminal 7 with a thickness of 0.5 μm/0.1 μm and patterned.

ここで、先述の従来技術においても、櫛歯電極を用いる例があったが、櫛歯電極でコンデンサ電極を形成する場合には、静電容量のバラツキが問題になり易い。それは、電極作製プロセスにおいて、電極間の距離や厚みの出来上がり寸法にバラツキが生じるためである。特にセンサを小型化しようとすると、寸法バラツキの影響が大きくなり易く、小型化の妨げになっていた。 Here, in the conventional technology described above, there was an example of using comb-teeth electrodes, but when capacitor electrodes are formed from comb-teeth electrodes, variations in capacitance tend to become a problem. This is because the distance between the electrodes and the thickness of the finished electrodes vary in the electrode manufacturing process. In particular, when attempting to miniaturize the sensor, the influence of dimensional variations tends to increase, which hinders miniaturization.

そのような問題に対し、本発明では、半導体製造工程(半導体プロセス)により異物検出素子1を作製するため、作製(寸法)バラツキを小さくし易い。すなわち、微細な電子回路を形成する加工技術であるため、寸法バラツキをミクロンオーダー以下に抑えることができ、加工精度を向上させることが可能である。 In order to solve such a problem, according to the present invention, since the foreign matter detection element 1 is manufactured by a semiconductor manufacturing process (semiconductor process), manufacturing (dimension) variations can be easily reduced. That is, since it is a processing technology for forming fine electronic circuits, it is possible to suppress dimensional variations to micron order or less, and to improve processing accuracy.

また、先述の従来技術においては、櫛歯部の厚みが5~30μm、幅は30~400μm、歯間距離が30~400μmとされており、本実施例と比較して大型であるところ、本実施例における異物検出素子1によれば、自動車の排気ガス等ではない自然下の大気における微小粒子等を高感度で検出することができ、また、装置も大幅に小型化することができる。さらに製造工程を自動化することができ、コスト低減が可能となる。 Further, in the prior art described above, the thickness of the comb teeth is 5 to 30 μm, the width is 30 to 400 μm, and the distance between the teeth is 30 to 400 μm. According to the foreign matter detection element 1 of the embodiment, fine particles in the natural atmosphere, which are not the exhaust gas of automobiles, etc., can be detected with high sensitivity, and the size of the apparatus can be greatly reduced. Furthermore, the manufacturing process can be automated, and the cost can be reduced.

<実施例2>
次に、本発明の実施例2について説明する。実施例2においては、実施例1で説明した異物検出素子1に加えて、異物検出素子1の電極3、4間の静電容量の変化を検出しやすくするために、参照(リファレンス)電極を追加する例について説明する。
<Example 2>
Next, Example 2 of the present invention will be described. In the second embodiment, in addition to the foreign matter detecting element 1 described in the first embodiment, a reference electrode is provided in order to facilitate detection of changes in capacitance between the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detecting element 1. An example to add will be described.

本実施例における参照電極11は、異物が付着しづらい構造で形成された固定コンデンサとして機能する。図8には、本実施例における参照電極11の概略図を示す。図8に示すように、参照電極11は、異物検出素子1と同等の構造を有する素子の表面を、誘電体膜9で覆った構造を有する。異物検出素子1を誘電体膜9で覆うことで、参照電極11における電極3、4の歯3a、4aの間には誘電体層が介在することで異物が付着し難く、また異物が付着しても静電容量の変化が生じ難くすることが可能である。本実施例において、電極3、4の各々は参照用電極部に相当する。 The reference electrode 11 in this embodiment functions as a fixed capacitor formed with a structure to which foreign matter is less likely to adhere. FIG. 8 shows a schematic diagram of the reference electrode 11 in this embodiment. As shown in FIG. 8, the reference electrode 11 has a structure in which the surface of an element having a structure equivalent to that of the foreign matter detection element 1 is covered with a dielectric film 9 . By covering the foreign matter detecting element 1 with the dielectric film 9, the dielectric layer intervenes between the teeth 3a and 4a of the electrodes 3 and 4 in the reference electrode 11, making it difficult for foreign matter to adhere and preventing foreign matter from adhering. It is possible to make it difficult for the change in capacitance to occur. In this embodiment, each of the electrodes 3 and 4 corresponds to a reference electrode section.

図9には、参照電極11の、図8の白矢印方向から見た断面図を示す。図9(a)は、単純に異物検出素子1の表面に誘電体膜9を形成した例を示す。この場合は、誘電体膜9の表面には異物検出素子1の電極3、4及び、櫛歯構造の歯3a、3bに対応する部分に段差9aが生じる。従って、この段差9aの部分に異物が付着、堆積する可能性があるが、電極の歯3aと4aの間は、誘電体膜9で覆われているため異物による静電容量の変化は大幅に低減し、参照電極11において検出される静電容量を静電容量変化の基準値として用いることが可能である。 FIG. 9 shows a cross-sectional view of the reference electrode 11 viewed in the direction of the white arrow in FIG. FIG. 9A shows an example in which a dielectric film 9 is simply formed on the surface of the foreign matter detection element 1. FIG. In this case, steps 9a are formed on the surface of the dielectric film 9 at portions corresponding to the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detecting element 1 and the teeth 3a and 3b of the comb-tooth structure. Therefore, there is a possibility that foreign matter may adhere and accumulate on this step 9a. can be reduced and the capacitance detected at the reference electrode 11 can be used as a reference value for capacitance change.

図9(b)は、誘電体膜9の成膜後に、CMP法(化学機械研磨)などにより平坦化処理を行った例である。このように、誘電体膜9に平坦化処理を行うことで、誘電体膜9の表面に異物が付着しづらくすることができ、参照電極11における静電容量の変化をさらに低減することが可能である。 FIG. 9B shows an example in which planarization is performed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like after forming the dielectric film 9 . By planarizing the dielectric film 9 in this way, it is possible to make it difficult for foreign matter to adhere to the surface of the dielectric film 9, and to further reduce the change in the capacitance of the reference electrode 11. is.

参照電極11を用いることのメリットとしては、(1)異物検出素子1による出力と、参照電極11による出力とを比較することで異物検出素子1における静電容量の変化を検出するので、静電容量のバラツキをキャンセルし易い。(2)様々な検出回路と組み合わせることが可能となり、感度を得易い。等を挙げることができる。 Advantages of using the reference electrode 11 are as follows: (1) By comparing the output from the foreign object detection element 1 and the output from the reference electrode 11, changes in capacitance in the foreign object detection element 1 are detected. It is easy to cancel variations in capacity. (2) It becomes possible to combine with various detection circuits, and it is easy to obtain sensitivity. etc. can be mentioned.

なお、櫛歯構造の電極3、4によってコンデンサを形成する場合、静電容量のバラツキが問題になり易い。電極3、4の作製プロセスで、歯間距離や厚みの出来上がり寸法にバラツキが生じるためである。特にセンサを小型化しようとすると、寸法バラツキの影響が大きくなり易く、小型化の妨げになっていた。 In the case of forming a capacitor with the comb-shaped electrodes 3 and 4, variations in capacitance tend to become a problem. This is because in the manufacturing process of the electrodes 3 and 4, the finished dimensions such as the inter-tooth distance and the thickness vary. In particular, when attempting to miniaturize the sensor, the influence of dimensional variations tends to increase, which hinders miniaturization.

本実施例においては、参照電極11として、異物検出素子1と同一構成の素子に誘電体膜9を形成した素子を用いるので、製造バラツキを軽減することができる。さらに、それらを同一チップ上に作製する場合には、製造バラツキを大幅に軽減することができる。半導体製造工程における主な製造バラツキの要因が、膜厚のバラツキや、パターニング(露光、エッチング)のバラツキであり、これらは同一チップ内であれば、バラツキが小さいからである。そして、外付けのチップコンデンサを参照電極として利用する場合に比べて、参照電極11を小さくでき、全体の構成を小型にできる。また、部品コストも抑えることが可能である。 In this embodiment, as the reference electrode 11, an element having the same structure as the foreign matter detection element 1 and the dielectric film 9 is formed thereon is used, so that manufacturing variations can be reduced. Furthermore, when they are manufactured on the same chip, manufacturing variations can be greatly reduced. This is because the major causes of manufacturing variations in the semiconductor manufacturing process are variations in film thickness and variations in patterning (exposure, etching), and these variations are small within the same chip. Moreover, the reference electrode 11 can be made smaller than when an external chip capacitor is used as the reference electrode, and the overall configuration can be made smaller. Also, it is possible to reduce the cost of parts.

静電容量の変化の検出回路の例としては、例えば、LC発振回路等を挙げることができる。外付けのL(コイル)と直列に接続し、交流信号を加えると、共振周波数で発振される。異物が付着し静電容量Cの値が変化すると、共振周波数が変化する。参照電極11によるLC発振回路の共振周波数と、異物検出素子1によるLC発振回路の周波数の違いを検出することで異物の付着を検出することができる。 An LC oscillation circuit, for example, can be given as an example of a detection circuit for detecting changes in capacitance. When it is connected in series with an external L (coil) and an AC signal is applied, it oscillates at the resonance frequency. When a foreign object adheres and the value of the capacitance C changes, the resonance frequency changes. By detecting the difference between the resonance frequency of the LC oscillation circuit by the reference electrode 11 and the frequency of the LC oscillation circuit by the foreign matter detection element 1, adhesion of foreign matter can be detected.

図10には、異物検出素子1と参照電極11とを用いたブリッジ回路25について示す。図10に示す例では、2つの異物検出素子1と、2つの参照電極11とによってブリッジ回路25を構成し、入力信号を供給することで、静電容量の変化を検出する。例えば、ブリッジ回路25におけるINPUTとGNDの間にパルス状の電圧を入力する。異物が付着すると異物検出素子1で構成されるC1とC3の静電容量が大きくなるため、OUT1とOUT2における出力電力に差が生じる。OUT1とOUT2の出力との間における位相差もしくは電圧差を検出することで、静電容量の変化、すなわち異物の付着を検出することができる。なお、図10に示すブリッジ回路25は一例であり、図10においてINPUTとGNDは逆にしても構わない。 FIG. 10 shows a bridge circuit 25 using the foreign object detection element 1 and the reference electrode 11. As shown in FIG. In the example shown in FIG. 10, two foreign object detection elements 1 and two reference electrodes 11 constitute a bridge circuit 25, and supply an input signal to detect a change in capacitance. For example, a pulse voltage is input between INPUT and GND in the bridge circuit 25 . When a foreign object adheres, the electrostatic capacitances of C1 and C3 formed by the foreign object detection element 1 are increased, resulting in a difference in output power between OUT1 and OUT2. By detecting the phase difference or voltage difference between the outputs of OUT1 and OUT2, it is possible to detect a change in capacitance, that is, adhesion of foreign matter. The bridge circuit 25 shown in FIG. 10 is an example, and INPUT and GND may be reversed in FIG.

<ブリッジ回路の特徴>
上記のように、異物検出素子1と参照電極11とを用いてブリッジ回路25を構成することで、検出感度が大幅に向上する。一方、4つの素子が必要であるという点がデメリットであった。これに対し、本実施例では、2つの異物検出素子1と参照電極11とを、半導体製造工程で1つのチップに形成することができるため、素子数が増えても作製工数は変化しない。素子1つあたりの面積を小さくすることができ、ブリッジ回路25全体を小型化することができる。4つの素子の製造バラツキを小さくできる。等のメリットがあり、測定精度の向上と、生産効率の向上を両立することが可能である。
<Features of the bridge circuit>
By configuring the bridge circuit 25 using the foreign object detection element 1 and the reference electrode 11 as described above, the detection sensitivity is greatly improved. On the other hand, the point that four elements were required was a demerit. In contrast, in this embodiment, the two foreign matter detection elements 1 and the reference electrode 11 can be formed on one chip in the semiconductor manufacturing process, so the number of manufacturing steps does not change even if the number of elements increases. The area per element can be reduced, and the entire bridge circuit 25 can be miniaturized. Manufacturing variations of the four elements can be reduced. It is possible to achieve both improvement in measurement accuracy and improvement in production efficiency.

図11には、回路シミュレーションにて、ブリッジ回路25における異物検出の動作を確認した結果を示す。C1、C2、C3、C4でブリッジ回路を構成している。初期状態(異物付着なし)では、全て1.0pFとした。異物が付着した状態においては、C1、C3が1.05pFになる前提とした。この状態のブリッジ回路25に電圧のパルス波を印加し、OUT1、OUT2の出力を確認した。図11(a)はパルス入力した場合の、OUT1、OUT2及び、OUT1-OUT2の変化である。図11(b)は、OUT1-OUT2を拡大した図である。C1とC3における静電容量の変化に起因して、OUT1とOUT2に差が生じ、異物の存在を検出可能であることが分かる。 FIG. 11 shows the result of confirming the foreign matter detection operation in the bridge circuit 25 by circuit simulation. A bridge circuit is composed of C1, C2, C3, and C4. In the initial state (no foreign matter adhered), all were set to 1.0 pF. It is assumed that C1 and C3 are 1.05 pF in a state where foreign matter is attached. A voltage pulse wave was applied to the bridge circuit 25 in this state, and the outputs of OUT1 and OUT2 were confirmed. FIG. 11(a) shows changes in OUT1, OUT2, and OUT1-OUT2 when a pulse is input. FIG. 11(b) is an enlarged view of OUT1-OUT2. It can be seen that the difference between OUT1 and OUT2 is generated due to the change in capacitance between C1 and C3, and the presence of a foreign object can be detected.

<異物検出素子と参照電極の配置態様1>
図12には、異物検出チップ10に、2つの異物検出素子1a、1bと、2つの参照電極11a、11bの4つの電極が形成されている例について示す。参照電極11a、11bは、表面が太線の矩形で示す誘電体膜で覆われている。図12の例では、異物検出素子の一極(各々の歯が接続する歯元部)と、参照電極の一極(各々の歯が接続する歯元部)は共有されている。これにより、異物検出チップ10の小型化を図ることができる。この場合は、異物検出チップ10が、異物検出素子1a、1bの機能をも含んだ複合的な異物検出素子に相当する。
<Arrangement Mode 1 of Foreign Matter Detection Element and Reference Electrode>
FIG. 12 shows an example in which a foreign object detection chip 10 has four electrodes, two foreign object detection elements 1a and 1b and two reference electrodes 11a and 11b. The reference electrodes 11a and 11b are covered with a dielectric film whose surface is indicated by a thick rectangle. In the example of FIG. 12, one pole of the foreign object detection element (tooth root portion to which each tooth is connected) and one pole of the reference electrode (tooth root portion to which each tooth is connected) are shared. As a result, the size of the foreign matter detection chip 10 can be reduced. In this case, the foreign matter detection chip 10 corresponds to a composite foreign matter detection element including the functions of the foreign matter detection elements 1a and 1b.

<異物検出素子と参照電極の配置態様2>
図13には、異物検出素子と参照電極の配置態様2について示す。図13に示すように、参照電極11a、11bは、異物検出素子1a、1bと比較して、歯数を少なくする等の方法により、小型化されている。ここで、参照電極11a、11bを覆う誘電体膜は、参照電極11a、11bの静電容量を相対的に増大させる。このため、参照電極11a、11bにおいては異物検出素子1a、1bと比較して小さい静電容量を有するような構成にすることが可能である。
<Arrangement Mode 2 of Foreign Matter Detection Element and Reference Electrode>
FIG. 13 shows arrangement mode 2 of the foreign object detection element and the reference electrode. As shown in FIG. 13, the reference electrodes 11a and 11b are made smaller than the foreign matter detection elements 1a and 1b by, for example, reducing the number of teeth. Here, the dielectric film covering the reference electrodes 11a and 11b relatively increases the capacitance of the reference electrodes 11a and 11b. Therefore, the reference electrodes 11a and 11b can be configured to have a smaller capacitance than the foreign matter detection elements 1a and 1b.

参照電極11a、11bの静電容量を相対的に小さくする構成の例としては、(1)参照電極11a、11bの電極の歯数を減らす、あるいは長さを短くすることが考えられる。この場合には、参照電極11a、11bの面積を低減することができるため、異物検出チップ10全体のサイズを小さくすることができる。また、(2)参照電極11a、11bの櫛歯の歯間距離を大きくすることが考えられる。この場合には、歯間距離が大きいため、異物が電極間に付着したとしても容量変化が生じ難くなる。このため、参照電極として求められる、静電容量の安定性が強化される。 As an example of a configuration for relatively reducing the capacitance of the reference electrodes 11a and 11b, (1) reducing the number of teeth of the reference electrodes 11a and 11b or shortening the length thereof can be considered. In this case, since the areas of the reference electrodes 11a and 11b can be reduced, the overall size of the foreign matter detection chip 10 can be reduced. In addition, (2) increasing the distance between the comb teeth of the reference electrodes 11a and 11b is conceivable. In this case, since the distance between the teeth is large, even if a foreign object adheres between the electrodes, it is difficult for the capacitance to change. Therefore, the stability of capacitance, which is required for the reference electrode, is enhanced.

参照電極11a、11bを含めてブリッジ回路を構成し、1つのチップ上に配置する場合、異物検出素子1a、1bの1つの大きさは400μm×400μm程度、参照電極11a、11bの1つの大きさは200μm×400μm程度程度であり、チップサイズは1000μm×700μm×400μm程度とすることができ、小型化が可能である。 When configuring a bridge circuit including the reference electrodes 11a and 11b and arranging them on one chip, the size of one of the foreign matter detection elements 1a and 1b is about 400 μm×400 μm, and the size of one of the reference electrodes 11a and 11b is about 400 μm×400 μm. is about 200 μm×400 μm, and the chip size can be about 1000 μm×700 μm×400 μm, enabling miniaturization.

<異物検出素子と参照電極の配置態様3>
図14には、異物検出素子と参照電極の配置態様3について示す。図14に示すように、この態様においては、参照電極11a、11bを異物検出素子1a、1bに対して90度回転させて配置している。これにより、異物検出素子1a、1bの櫛歯構造における歯の方向が流体の流れる方向に垂直とした場合に、参照電極11a、11bにおける歯の方向が流体の流れる方向に平行とすることができる。その結果、参照電極11a、11bに異物が付着する可能性をさらに低減させることができる。
<Arrangement Mode 3 of Foreign Matter Detection Element and Reference Electrode>
FIG. 14 shows arrangement mode 3 of the foreign object detection element and the reference electrode. As shown in FIG. 14, in this embodiment, the reference electrodes 11a and 11b are rotated 90 degrees with respect to the foreign matter detection elements 1a and 1b. As a result, when the direction of the teeth of the comb tooth structure of the foreign matter detection elements 1a and 1b is perpendicular to the direction of fluid flow, the direction of the teeth of the reference electrodes 11a and 11b can be parallel to the direction of fluid flow. . As a result, it is possible to further reduce the possibility of foreign matter adhering to the reference electrodes 11a and 11b.

<異物検出素子と参照電極の配置態様4>
図15には、異物検出素子と参照電極の配置態様4について示す。図15に示すように、この態様においては、異物検出素子1a、1bと参照電極11a、11bを1列に並べ
て配置している。図15(a)は、異物検出素子1a、1bと参照電極11a、11bを流体の流れ方向に平行に1列に並べて配置した態様である。図15(b)は、異物検出素子1a、1bと参照電極11a、11bを流体の流れ方向に垂直に1列に並べて配置した態様である。この配置によれば、異物検出チップ10を細長いチップとすることができるので、流路への組み込みやすくなる。図15(b)では、電極端子7は異物検出チップ10における、流体の流れ方向の端部に配置されているが、異物検出素子1a、1b、参照電極11a、11bよりも下流側にあることで異物の検出を阻害しない構成となっている。
<Arrangement Mode 4 of Foreign Matter Detection Element and Reference Electrode>
FIG. 15 shows arrangement mode 4 of the foreign object detection element and the reference electrode. As shown in FIG. 15, in this embodiment, foreign matter detection elements 1a and 1b and reference electrodes 11a and 11b are arranged in a line. FIG. 15(a) shows a mode in which the foreign matter detection elements 1a and 1b and the reference electrodes 11a and 11b are arranged in a line parallel to the flow direction of the fluid. FIG. 15(b) shows a mode in which the foreign matter detection elements 1a and 1b and the reference electrodes 11a and 11b are arranged in a line perpendicular to the flow direction of the fluid. According to this arrangement, the foreign matter detection chip 10 can be made into an elongated chip, so that it can be easily incorporated into the flow path. In FIG. 15(b), the electrode terminal 7 is arranged at the end of the foreign object detection chip 10 in the fluid flow direction, but is located downstream of the foreign object detection elements 1a and 1b and the reference electrodes 11a and 11b. It is configured so as not to hinder the detection of foreign matter.

次に、図16には、異物検出素子1と参照電極11とが並べて配置されている場合の異物検出チップ10の断面図の詳細を示す。先述のように、異物検出素子1における各電極の歯は、庇構造を有しているとともに、保護膜6が形成されている。また、参照電極11においては、各電極の歯が誘電体膜9で覆われている。 Next, FIG. 16 shows a detailed cross-sectional view of the foreign matter detection chip 10 in which the foreign matter detection element 1 and the reference electrode 11 are arranged side by side. As described above, the teeth of each electrode in the foreign object detection element 1 have a canopy structure and the protective film 6 is formed thereon. Also, in the reference electrode 11 , the teeth of each electrode are covered with a dielectric film 9 .

〔異物検出素子の作製プロセス〕
以下、図17~図19を用いて、異物検出素子1と参照電極11が配置された異物検出チップ10についての半導体製造工程による作成プロセスについて説明する。
[Manufacturing Process of Foreign Matter Detection Element]
17 to 19, the manufacturing process of the foreign object detection chip 10, in which the foreign object detection element 1 and the reference electrode 11 are arranged, according to the semiconductor manufacturing process will be described.

(1)工程1
図17に示すように、基板2となるべき単結晶シリコン基板12に、土台膜5となる誘電体膜(SiO)15を厚さ1μmで成膜する。同様に、単結晶シリコン基板12の底面にも絶縁層としての誘電体膜(SiO)15を成膜する。
(1) Process 1
As shown in FIG. 17, a dielectric film (SiO 2 ) 15 to be a base film 5 is formed with a thickness of 1 μm on a single crystal silicon substrate 12 to be a substrate 2 . Similarly, a dielectric film (SiO 2 ) 15 is formed as an insulating layer on the bottom surface of the single crystal silicon substrate 12 .

(2)工程2
図17に示すように、電極3、4となる導電膜13を形成する。例えば、多結晶シリコン(Poly-Si)膜を厚さ2μmで成膜する。そして、成膜後に適宜、不純物を導入し抵抗値を低減する。成膜後、パターニング工程(フォトマスクによるフォトリソグラフィー、エッチング)にて、電極3、4(歯3a、4a)のパターンを形成する。その際、例えば上述のように、歯幅が2μmで、歯間距離が2μmとする。各々の歯の長さ400μmとしてもよい。
(2) Process 2
As shown in FIG. 17, a conductive film 13 to be electrodes 3 and 4 is formed. For example, a polycrystalline silicon (Poly-Si) film is formed with a thickness of 2 μm. After the film is formed, impurities are appropriately introduced to reduce the resistance value. After film formation, a pattern of electrodes 3 and 4 (teeth 3a and 4a) is formed in a patterning process (photolithography using a photomask, etching). In this case, for example, as described above, the tooth width is 2 μm and the inter-tooth distance is 2 μm. Each tooth may be 400 μm long.

(3)工程3
図18(a)に示すように、パターニング工程にて、各電極3、4及び電極端子7の周囲の誘電体膜15を除去する。その際、Poly-Siの導電膜13のうち、電極3、4となる部分にマスクしてSiOの誘電体膜15を等方性エッチングすると、図18(a)に示すような庇構造とすることができる。例えば、1μm厚の誘電体膜15を等方性エッチングすることで片側1μmのアンダーカットをいれることができる。
(3) Process 3
As shown in FIG. 18A, the dielectric film 15 around the electrodes 3 and 4 and the electrode terminals 7 is removed in the patterning process. At that time, when the dielectric film 15 of SiO 2 is isotropically etched while masking the portions of the conductive film 13 of Poly-Si which will become the electrodes 3 and 4, an eaves structure as shown in FIG. 18(a) is formed. can do. For example, by isotropically etching the dielectric film 15 with a thickness of 1 μm, an undercut of 1 μm on one side can be introduced.

(4)工程4
図18(b)に示すように、電極3、4の保護膜6とすべく、全体にSiN膜16を0.1μmの厚さで成膜する。同様に、単結晶シリコン基板12の底面にも保護膜6としてのSiN膜16を成膜する。その際、成膜にLPCVD法を用いることで、庇構造を良好に被膜することができる。その後、電極3、4の周囲におけるSiN膜16、電極端子7のSiN膜16を除去する。
(4) Step 4
As shown in FIG. 18(b), a SiN film 16 having a thickness of 0.1 μm is formed over the entire surface to serve as the protective film 6 for the electrodes 3 and 4. Then, as shown in FIG. Similarly, a SiN film 16 is formed as a protective film 6 on the bottom surface of the single crystal silicon substrate 12 as well. At that time, by using the LPCVD method for film formation, the eaves structure can be coated satisfactorily. After that, the SiN film 16 around the electrodes 3 and 4 and the SiN film 16 of the electrode terminal 7 are removed.

(5)工程5
図19(a)に示すように、櫛歯電極が埋まるほどの厚さで、誘電体膜9となるべきSiO膜19を3μm厚で成膜する。この工程は、本実施例において誘電体層形成工程に相当する。成膜後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを適用することにより、表面が平坦化され、参照電極としてより望ましい形
となる。この工程は、本実施例において平坦化工程に相当する。
(5) Step 5
As shown in FIG. 19A, a 3 μm-thick SiO 2 film 19 to be the dielectric film 9 is formed so as to bury the comb-teeth electrode. This step corresponds to the dielectric layer forming step in this embodiment. By applying a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like after the film formation, the surface is flattened and becomes a more desirable shape for the reference electrode. This step corresponds to the planarization step in this embodiment.

(6)工程6
図19(b)に示すように、異物検出素子1の電極3、4の歯3a、4aの間に充填された部分、および電極端子7の上面のSiO膜19をフォトリソグラフィにより除去する。なお、電極の保護膜6をSiNとし、充填させる誘電体膜9をSiOとしたのは、この工程において、SiN膜とSiO膜とのエッチング選択性を得るためである。すなわち、SiO膜19のみを除去し、SiN膜16を残させるためである。
(6) Step 6
As shown in FIG. 19(b), the portion filled between the teeth 3a and 4a of the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detection element 1 and the SiO 2 film 19 on the upper surface of the electrode terminal 7 are removed by photolithography. The electrode protective film 6 is made of SiN and the filling dielectric film 9 is made of SiO 2 in order to obtain etching selectivity between the SiN film and the SiO 2 film in this step. That is, this is for removing only the SiO 2 film 19 and leaving the SiN film 16 .

(7)工程7
図19(c)に示すように、電極端子部に金属膜8となるAu/Ti膜18を0.5μm/0.1μm厚で成膜し、パターニングを行う。
(7) Step 7
As shown in FIG. 19(c), an Au/Ti film 18 to be the metal film 8 is formed on the electrode terminal portion with a thickness of 0.5 μm/0.1 μm and patterned.

<実施例3>
次に、本発明の実施例3について説明する。実施例3においては、実施例1で説明した異物検出素子1と、流量測定素子21とを1チップ上に混載した例について説明する。
<Example 3>
Next, Example 3 of the present invention will be described. In Example 3, an example in which the foreign matter detection element 1 described in Example 1 and the flow rate measurement element 21 are mounted together on one chip will be described.

図20には、本実施例における異物検出チップ20の概略図を示す。図20(a)は平面図、図20(b)は、断面A-Aにおける断面図である。図20(a)に示すように、異物検出チップ20の図中左側には異物検出素子1が配置され、右側には流量測定素子21が配置されている。 FIG. 20 shows a schematic diagram of the foreign matter detection chip 20 in this embodiment. FIG. 20(a) is a plan view, and FIG. 20(b) is a cross-sectional view taken along the line AA. As shown in FIG. 20A, the foreign matter detection element 1 is arranged on the left side of the foreign matter detection chip 20 in the drawing, and the flow rate measurement element 21 is arranged on the right side thereof.

流量測定素子21は、マイクロヒータ(加熱部ともいう)22と、マイクロヒータ22を挟んで対称に設けられた二つのサーモパイル(温度検出部ともいう)23a、23bとを備える。すなわち、マイクロヒータ22と二つのサーモパイル23a、23bとは、所定の方向に並ぶように配置されている。これらは、図20(b)に示すように絶縁薄膜24に形成され、マイクロヒータ22、サーモパイル23a、23b及び絶縁薄膜24は基板2上に設けられている。また、マイクロヒータ22及びサーモパイル23a、23bの下方の基板2には、エッチング等により形成されるキャビティ(空洞)2aが設けられている。 The flow measuring element 21 includes a microheater (also referred to as a heating section) 22 and two thermopiles (also referred to as a temperature detection section) 23a and 23b provided symmetrically with the microheater 22 interposed therebetween. That is, the microheater 22 and the two thermopiles 23a and 23b are arranged side by side in a predetermined direction. These are formed on an insulating thin film 24 as shown in FIG. A cavity 2a formed by etching or the like is provided in the substrate 2 below the microheater 22 and the thermopiles 23a and 23b.

マイクロヒータ22は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。流体の流れがない場合、マイクロヒータ22の周囲の温度分布はほぼ均等になる。一方、流体が流れた場合、周囲の空気が移動するため、マイクロヒータ22の上流側よりも下流側の方が温度は高くなる。流量測定素子21は、このようなヒータ熱の分布の偏りを利用して、流量を示す値を出力する。 The microheater 22 is a resistor made of polysilicon, for example. With no fluid flow, the temperature distribution around the microheater 22 is approximately uniform. On the other hand, when the fluid flows, the surrounding air moves, so the temperature on the downstream side of the microheater 22 becomes higher than on the upstream side. The flow rate measuring element 21 utilizes such uneven distribution of heater heat to output a value indicating the flow rate.

センサ素子の出力電圧ΔVは、例えば次のような式(1)で表される。

Figure 2023041549000002

なお、Thはマイクロヒータ22の温度(サーモパイル23a、23bにおけるマイクロヒータ22側の端部の温度)、Taはサーモパイル23a、23bにおけるマイクロヒータ22から遠い側の端部の温度のうち低い方の温度、Vfは流速の平均値、A及びbは所定の定数である。 The output voltage ΔV of the sensor element is expressed, for example, by the following equation (1).
Figure 2023041549000002

Here, Th is the temperature of the microheater 22 (the temperature of the ends of the thermopiles 23a and 23b on the side of the microheater 22), and Ta is the temperature of the ends of the thermopiles 23a and 23b farther from the microheater 22, whichever is lower. , Vf is the mean value of the flow velocity, and A and b are predetermined constants.

ここで、流量測定素子21と異物検出素子1とが1チップ上に配置されていると、下記のようなメリットが得られる。(2チップである場合と比べて)(1)異物検出素子1自
身も小型となり、2チップである場合に比べて実装(アセンブリ)するエリアも小さくなるので、大幅な小型化が図れる。(2)図20(a)に示すように、櫛歯構造の電極をサーモパイル23a、23bの幅全体に設けることで、流量測定素子21への影響度が大きいエリアについて異物検出ができる。(3)流量測定素子21のすぐ近傍に異物検出素子1があるため、検出効率がよい。また2チップの場合では、流量測定チップと異物検出チップとで気流の状態が変わってしまう可能性があるが、1チップでは素子間で気流の状態が変わらないので、測定精度を向上できる。(4)流量測定素子21と異物検出素子1は、同一の作製工程で作製できるため、別々に作製するよりも製造コストが抑えられる。(5)異物検出素子1における電極3、4は、マイクロヒータ22もしくはサーモパイル23a、23bと同じ膜から作製することが可能である。これにより、作製プロセスが簡易にできるため、生産性向上、低コスト化につながる。(6)異物検出素子1は、流量測定素子21の上流側に配置されている。これにより、異物検出の感度を相対的に高めることができる。ただし、下流に配置する場合も、異物検出感度を落としたい(鈍感にしたい)時に有意である。流量測定素子21の方が先に異物が付着し易くなるが、異物の許容量が大きい場合などには、下流側に配置するのもよい。
Here, when the flow rate measuring element 21 and the foreign matter detecting element 1 are arranged on one chip, the following merits can be obtained. (Compared to the case of two chips) (1) The foreign matter detection element 1 itself is also smaller, and the mounting (assembly) area is also smaller than the case of two chips, so that the size can be significantly reduced. (2) As shown in FIG. 20(a), by providing comb-shaped electrodes over the entire width of the thermopiles 23a and 23b, it is possible to detect foreign matter in areas where the degree of influence on the flow rate measuring element 21 is large. (3) Since the foreign object detection element 1 is located in the immediate vicinity of the flow rate measurement element 21, the detection efficiency is good. In the case of two chips, the airflow state may change between the flow rate measurement chip and the foreign matter detection chip, but with one chip, the airflow state does not change between the elements, so the measurement accuracy can be improved. (4) Since the flow rate measuring element 21 and the foreign matter detecting element 1 can be manufactured in the same manufacturing process, the manufacturing cost can be kept lower than when they are manufactured separately. (5) The electrodes 3 and 4 in the foreign object detection element 1 can be made of the same film as the microheater 22 or the thermopiles 23a and 23b. This simplifies the manufacturing process, leading to improved productivity and reduced costs. (6) The foreign object detection element 1 is arranged upstream of the flow rate measurement element 21 . As a result, the sensitivity of foreign matter detection can be relatively increased. However, even when it is arranged downstream, it is significant when it is desired to lower the foreign matter detection sensitivity (to desensitize it). Foreign matter tends to adhere to the flow rate measuring element 21 first, but if the allowable amount of foreign matter is large, it may be arranged downstream.

図21には、本実施例における異物検出チップ20の別態様の概略図を示す。図21(a)は平面図、図21(b)は、断面A-Aにおける断面図である。この態様では、図21(a)に示すように、異物検出チップ20の図中左側には、異物検出素子1a、1bと、参照電極11a、11bが配置されており、右側には流量測定素子21が配置されている。 FIG. 21 shows a schematic diagram of another aspect of the foreign matter detection chip 20 in this embodiment. FIG. 21(a) is a plan view, and FIG. 21(b) is a sectional view taken along the line AA. In this embodiment, as shown in FIG. 21(a), foreign matter detection elements 1a and 1b and reference electrodes 11a and 11b are arranged on the left side of the foreign matter detection chip 20, and a flow rate measuring element is arranged on the right side. 21 are arranged.

このように、異物検出素子1a、1b、参照電極11a、11b、流量測定素子21を半導体製造工程によって1チップ上に形成することで、より顕著な測定精度向上の効果やコストメリットを得ることが可能である。 Thus, by forming the foreign matter detection elements 1a and 1b, the reference electrodes 11a and 11b, and the flow rate measurement element 21 on one chip by the semiconductor manufacturing process, it is possible to obtain a more remarkable effect of improving measurement accuracy and a cost advantage. It is possible.

次に、図22には、異物検出素子1と流量測定素子21とが並べて配置されている場合の異物検出チップ20の断面図の詳細を示す。先述のように、異物検出素子1における各電極の歯は、庇構造を有しているとともに、保護膜6が形成されている。また、流量測定素子21においては、マイクロヒータ22と二つのサーモパイル23a、23bが誘電体膜で覆われることで絶縁薄膜24が形成されている。 Next, FIG. 22 shows a detailed cross-sectional view of the foreign matter detection chip 20 when the foreign matter detection element 1 and the flow rate measurement element 21 are arranged side by side. As described above, the teeth of each electrode in the foreign object detection element 1 have a canopy structure and the protective film 6 is formed thereon. In the flow measuring element 21, an insulating thin film 24 is formed by covering the microheater 22 and the two thermopiles 23a and 23b with a dielectric film.

〔異物検出素子の作製プロセス〕
以下、図23~25を用いて、異物検出素子1と流量測定素子21とが配置された異物検出チップ20についての半導体製造工程による作成プロセスについて説明する。
[Manufacturing Process of Foreign Matter Detection Element]
23 to 25, the manufacturing process of the foreign matter detection chip 20, in which the foreign matter detection element 1 and the flow rate measuring element 21 are arranged, by the semiconductor manufacturing process will be described.

(1)工程1
図23(a)に示すように、基板2となるべき単結晶シリコン基板12に、土台膜5となる誘電体膜(SiO)15を厚さ1μmで成膜する。同様に、単結晶シリコン基板12の底面にも絶縁層としての誘電体膜(SiO)15を成膜する。
(1) Process 1
As shown in FIG. 23( a ), a dielectric film (SiO 2 ) 15 to be a base film 5 is formed to a thickness of 1 μm on a single crystal silicon substrate 12 to be a substrate 2 . Similarly, a dielectric film (SiO 2 ) 15 is formed as an insulating layer on the bottom surface of the single crystal silicon substrate 12 .

(2)工程2
図23(b)に示すように、電極3、4及び、マイクロヒータ22、サーモパイル23a、23bとなる導電膜13を形成する。例えば、多結晶シリコン(Poly-Si)膜を厚さ2μmで成膜する。成膜後に適宜、不純物を導入し抵抗値を低減する。成膜後、パターニング工程(フォトマスクによるフォトリソグラフィー、エッチング)にて、電極3、4(歯3a、4a)及び、マイクロヒータ22、サーモパイル23a、23bのパターンを形成する。
(2) Process 2
As shown in FIG. 23B, electrodes 3 and 4, a conductive film 13 to be microheaters 22 and thermopiles 23a and 23b are formed. For example, a polycrystalline silicon (Poly-Si) film is formed with a thickness of 2 μm. After film formation, impurities are appropriately introduced to reduce the resistance value. After film formation, patterns of electrodes 3, 4 (teeth 3a, 4a), microheater 22, and thermopiles 23a, 23b are formed in a patterning process (photolithography using a photomask, etching).

(3)工程3
図24(a)に示すように、パターニング工程にて、各電極3、4の周囲の誘電体膜15を除去する。その際、Poly-Siの導電膜13のうち、電極3、4となる部分にマスクしてSiOの誘電体膜15を等方性エッチングすると、図24(a)に示すような庇構造とすることができる。例えば、1μm厚の誘電体膜15を等方性エッチングすることで片側1μmのアンダーカットをいれることができる。
(3) Process 3
As shown in FIG. 24(a), the dielectric film 15 around the electrodes 3 and 4 is removed in the patterning process. At that time, when the dielectric film 15 of SiO 2 is isotropically etched while masking the portions of the conductive film 13 of Poly-Si which will become the electrodes 3 and 4, an eaves structure as shown in FIG. 24(a) is formed. can do. For example, by isotropically etching the dielectric film 15 with a thickness of 1 μm, an undercut of 1 μm on one side can be introduced.

(4)工程4
図24(b)に示すように、電極3、4及び、マイクロヒータ22、サーモパイル23a、23bの保護膜6とすべく、全体にSiN膜16を0.1μmの厚さで成膜する。その際、成膜にLPCVD法を用いることで、庇構造を良好に被膜することができる。その後、電極3、4の周囲におけるSiN膜16のSiN膜16を除去する。また、その際、サーモパイルのAl膜とコンタクトする部分のSiN膜16を開口する。サーモパイル用のAl膜26を0.2μm厚で成膜し、その後、パターンを形成する。なお、図示はしていないが、外部端子をAl膜から形成する場合には、同時にAl膜から外部端子を形成する。
(4) Step 4
As shown in FIG. 24(b), a SiN film 16 having a thickness of 0.1 μm is formed over the entire surface to serve as a protective film 6 for the electrodes 3 and 4, the microheater 22, and the thermopiles 23a and 23b. At that time, by using the LPCVD method for film formation, the eaves structure can be coated satisfactorily. After that, the SiN film 16 of the SiN film 16 around the electrodes 3 and 4 is removed. At that time, the SiN film 16 is opened in a portion that contacts the Al film of the thermopile. An Al film 26 for thermopile is formed with a thickness of 0.2 μm, and then a pattern is formed. Although not shown, when forming the external terminals from an Al film, the external terminals are formed from the Al film at the same time.

(5)工程5
図24(c)に示すように、図19(a)に示すように、櫛歯電極が埋まるほどの厚さで、絶縁薄膜24の上側部分となるべきSiO膜19を3μm厚で成膜する。成膜後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを適用することにより、表面が平坦化され、参照電極としてより望ましい形となる。
(5) Step 5
As shown in FIG. 24(c), as shown in FIG. 19(a), a SiO 2 film 19 to be the upper portion of the insulating thin film 24 is deposited to a thickness of 3 μm so as to bury the comb-teeth electrode. do. By applying a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like after the film formation, the surface is flattened and becomes a more desirable shape for the reference electrode.

(6)工程6
図25(a)に示すように、異物検出素子1の電極3、4の歯3a、4aの間に充填された部分のSiO膜19をフォトリソグラフィにより除去する。なお、電極の保護膜6をSiNとし、充填させる誘電体膜9をSiOとしたのは、この工程において、SiN膜とSiO膜とのエッチング選択性を得るためである。すなわち、SiO膜19のみを除去し、SiN膜16を残させるためである。また、この際、絶縁薄膜24の上側部分となるべきSiO膜19は残す。
(6) Step 6
As shown in FIG. 25(a), the portion of the SiO 2 film 19 filled between the teeth 3a, 4a of the electrodes 3, 4 of the foreign matter detecting element 1 is removed by photolithography. The electrode protective film 6 is made of SiN and the filling dielectric film 9 is made of SiO 2 in order to obtain etching selectivity between the SiN film and the SiO 2 film in this step. That is, this is for removing only the SiO 2 film 19 and leaving the SiN film 16 . Also, at this time, the SiO 2 film 19 to be the upper portion of the insulating thin film 24 is left.

(7)工程7
図25(b)に示すように、チップ全体の最表層にSiN膜の保護膜27を0.1μm厚で形成する。これは、SiN膜は防湿性に優れるため、絶縁薄膜14のSiOを湿度から保護するためである。に形成する。この際、電極3、4については、SiN膜が追加で付与されることになる。
(7) Step 7
As shown in FIG. 25(b), a protective film 27 of SiN film is formed with a thickness of 0.1 μm on the outermost layer of the entire chip. This is to protect the SiO 2 of the insulating thin film 14 from humidity, since the SiN film is excellent in moisture resistance. to form. At this time, the electrodes 3 and 4 are additionally provided with SiN films.

(8)工程8
図25(c)に示すように、シリコンエッチングによりキャビティ2aを形成する。絶縁薄膜24に空けたエッチングホール(図示なし)で表側からエッチングする。
(8) Step 8
As shown in FIG. 25(c), a cavity 2a is formed by silicon etching. Etching is performed from the front side through etching holes (not shown) formed in the insulating thin film 24 .

(9)工程9(不図示)
電極端子に金属膜8となるAu/Ti膜18を0.5μm/0.1μm厚で成膜し、パターニングを行う。
(9) Step 9 (not shown)
An Au/Ti film 18 to be the metal film 8 is formed on the electrode terminal with a thickness of 0.5 μm/0.1 μm and patterned.

上述したように、異物検出素子1における電極3、4は、流量測定素子21のマイクロヒータ22やサーモパイル23a、23bと同じ材料とすることで、製造工程が簡易になる。同時に使用できる材料としては、必ずしも多結晶シリコン(Poly-Si)膜である必要はないが、金属膜やシリコン膜が半導体プロセスと相性がよく使い易い。金属膜としては、半導体製造工程で使用される、Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等を用いることが可能である。 As described above, the electrodes 3 and 4 of the foreign object detection element 1 are made of the same material as the microheater 22 and the thermopiles 23a and 23b of the flow rate measurement element 21, thereby simplifying the manufacturing process. Materials that can be used at the same time are not necessarily polycrystalline silicon (Poly-Si) films, but metal films and silicon films are compatible with semiconductor processes and are easy to use. As the metal film, it is possible to use Al, Cu, Pt, Au, W, Mo, etc., which are used in the semiconductor manufacturing process.

シリコン膜を使用する場合には、異物検出素子1の電極3、4の厚みを厚くし易いメリットがある。異物検出素子1における電極3、4と流量測定素子21のマイクロヒータ22を同じシリコン膜とした場合は、膜厚を大きくしたとしてもヒータ抵抗がそれほど小さくならないからである。金属膜でマイクロヒータ22を形成する場合は、抵抗値が小さくなりすぎるのを避けるため、マイクロヒータ22を細く、薄く形成する必要がある。シリコン膜は抵抗が金属膜と比較して高いため、膜厚を厚くすることが可能である。異物検出素子1における電極3、4を厚くすることができると、異物の検出感度を上げることが可能である。また、シリコン膜は、表層に非導電膜としてSiN膜やSiO膜を成膜することが容易である。材料としては、半導体製造工程で使用される、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどが候補である。 When a silicon film is used, there is an advantage that the thickness of the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detection element 1 can be easily increased. This is because if the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detecting element 1 and the microheater 22 of the flow rate measuring element 21 are made of the same silicon film, even if the film thickness is increased, the heater resistance does not decrease so much. When forming the micro-heater 22 with a metal film, it is necessary to form the micro-heater 22 narrow and thin in order to prevent the resistance value from becoming too small. Since a silicon film has a higher resistance than a metal film, the film thickness can be increased. If the electrodes 3 and 4 in the foreign matter detection element 1 can be made thicker, the foreign matter detection sensitivity can be increased. In addition, it is easy to form a SiN film or a SiO 2 film as a non-conductive film on the surface of the silicon film. Candidates for the material include monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and the like, which are used in semiconductor manufacturing processes.

異物検出素子1の電極3、4の厚みを厚くし易いメリットがある。異物検出素子1における電極3、4と流量測定素子21のマイクロヒータ22を同じ薄膜層から形成するとすると、電極3、4の膜厚は0.1μm~5μmが好適である。膜厚が薄い場合は。生産性が良くなる。成膜やエッチングの時間が短くなる。(なお、フローセンサとヒータと共通の膜厚である場合には、金属膜とすると、抵抗値を確保するためには膜厚が小さくなる傾向にある。)一方で、膜厚が薄いと電極3、4の歯3a、4aにおける段差が小さくなり、異物検出に係る感度が低下する虞がある。 There is an advantage that the thickness of the electrodes 3 and 4 of the foreign object detection element 1 can be easily increased. If the electrodes 3 and 4 of the foreign object detection element 1 and the microheater 22 of the flow rate measuring element 21 are formed from the same thin film layer, the thickness of the electrodes 3 and 4 is preferably 0.1 μm to 5 μm. when the film thickness is thin. Better productivity. Time for film formation and etching is shortened. (If the film thickness is the same for the flow sensor and the heater, the metal film tends to have a smaller film thickness in order to secure the resistance value.) On the other hand, if the film thickness is thin, the electrode The step between the teeth 3a and 4a of 3 and 4 becomes small, and there is a possibility that the sensitivity related to foreign matter detection may be lowered.

これらより、異物検出素子1の電極3、4の厚みは0.1μm以上が望ましい。0.1μmより小さいと、異物の検出感度が過度に小さくなる。膜厚が大きい場合は、異物検出感度が大きくなる。なお、上述のとおり、異物検出素子1の電極3、4と流量測定素子21のマイクロヒータ22の膜厚を共通とする合には、材質としてシリコン膜とすることで、膜厚を大きくすることが可能となる。一方で、この場合には、生産性が悪くなる。これらより、異物検出素子1の電極3、4の厚みは5μm以下が望ましい。5μmより大きいと、半導体製造工程における作成が困難となる。 For these reasons, the thickness of the electrodes 3 and 4 of the foreign object detection element 1 is desirably 0.1 μm or more. If the thickness is smaller than 0.1 μm, the foreign matter detection sensitivity becomes excessively low. When the film thickness is large, the foreign matter detection sensitivity becomes large. As described above, when the electrodes 3 and 4 of the foreign matter detecting element 1 and the microheater 22 of the flow rate measuring element 21 have the same film thickness, the film thickness can be increased by using a silicon film as the material. becomes possible. On the other hand, in this case, productivity deteriorates. From these, it is desirable that the thickness of the electrodes 3 and 4 of the foreign object detection element 1 is 5 μm or less. If it is larger than 5 μm, it will be difficult to fabricate in the semiconductor manufacturing process.

異物検出素子1は異物を検出し、流量測定素子21の故障を発見することが目的である。実際には、故障検出のみならず、流量測定素子21における測定結果を補正することでのセンサの高寿命化、高精度化にも使用することができる。異物検出素子1によって異物の付着の度合いを検出し、流量測定素子21の制御回路にフィードバックさせる。異物の付着量が多い場合には、流量測定素子21のマイクロヒータ22の発熱温度を上げるために印加電力を増加させたり、流量測定素子21のサーモパイル23a、23bの感度(流量の出力)の増幅率を増加させたりすることで、測定性能の劣化を抑制することができる。 The purpose of the foreign matter detection element 1 is to detect foreign matter and to discover a failure of the flow rate measuring element 21 . In fact, it can be used not only for failure detection but also for extending the sensor life and increasing accuracy by correcting the measurement result of the flow rate measuring element 21 . The degree of adherence of foreign matter is detected by the foreign matter detection element 1 and fed back to the control circuit of the flow rate measurement element 21 . When a large amount of foreign matter adheres, the applied power is increased in order to raise the heat generation temperature of the microheater 22 of the flow measuring element 21, or the sensitivity (flow rate output) of the thermopiles 23a and 23b of the flow measuring element 21 is amplified. By increasing the rate, deterioration of measurement performance can be suppressed.

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで付記しておく。
<付記1>
流体に含まれる異物を検出するMEMS異物検出素子(1)であって、
シリコン基板(2)と、
前記シリコン基板(2)上に形成された第1の絶縁膜(5)と、
前記第1の絶縁膜上(5)に形成され、二つの櫛歯状の電極パターン(3、4)の組み合わせを含む検出用電極部(1a、1b)と、
前記第1の絶縁膜上(5)に形成され、二つの櫛歯状の電極パターン(3、4)の組み合わせを含む参照用電極部(11a、11b)と、
第1の検出用電極部(1a)及び第2の検出用電極部(1b)の二つの前記検出用電極部(1a、1b)と、第1の参照用電極部(11a)及び第2の参照用電極部(11b)の二つの前記参照用電極部(11a、11b)と、を前記第1の絶縁膜(5)上に形成さ
れた配線パターンで接続して構築される検出回路(25)と、
を備え、
前記検出回路(25)は、
入力端とGNDが、該入力端側から前記第1の検出用電極部(1a)と前記第1の参照用電極部(11a)とが直列に接続された第1のラインで接続され、
前記入力端と前記GNDが、該入力端側から前記第2の参照用電極部(11b)と前記第2の検出用電極部(1b)とが直列に接続された第2のラインによって、前記第1のラインと並列に接続され、
前記第1のラインにおける前記第1の検出用電極部と前記第1の参照用電極部との間を第1の出力端とし、
前記第2のラインにおける前記第2の検出用電極部と前記第2の参照用電極部との間を第2の出力端とする、回路であり、
前記二つの櫛歯状の電極パターン(3、4)の組み合わせにおいては、該二つの櫛歯状の電極パターン(3、4)における各々の歯(3a、4a)が所定間隔で交互に平行に並ぶように配置され、
前記参照用電極部(11a、11b)は、前記検出用電極部(1a、1b)と比較して、前記二つの櫛歯状の電極パターン(3、4)における各々の歯(3a、4a)の間に異物が付着しづらくなる、異物抑制構造(9)を有することを特徴とする、MEMS異物検出素子。
In addition, in order to make it possible to compare the constituent elements of the present invention with the configurations of the embodiments, the constituent elements of the present invention are added below with the reference numerals of the drawings.
<Appendix 1>
A MEMS foreign matter detection element (1) for detecting foreign matter contained in a fluid,
a silicon substrate (2);
a first insulating film (5) formed on the silicon substrate (2);
detection electrode portions (1a, 1b) formed on the first insulating film (5) and including a combination of two comb-shaped electrode patterns (3, 4);
Reference electrode portions (11a, 11b) formed on the first insulating film (5) and including a combination of two comb-shaped electrode patterns (3, 4);
The two detection electrode parts (1a, 1b) of the first detection electrode part (1a) and the second detection electrode part (1b), the first reference electrode part (11a) and the second detection electrode part (11a) A detection circuit (25 )and,
with
The detection circuit (25)
The input terminal and GND are connected by a first line in which the first detection electrode section (1a) and the first reference electrode section (11a) are connected in series from the input terminal side,
The input terminal and the GND are connected by a second line in which the second reference electrode section (11b) and the second detection electrode section (1b) are connected in series from the input terminal side. connected in parallel with the first line;
a first output end between the first detection electrode portion and the first reference electrode portion on the first line;
A circuit having a second output end between the second detection electrode portion and the second reference electrode portion on the second line,
In the combination of the two comb-shaped electrode patterns (3, 4), the teeth (3a, 4a) of the two comb-shaped electrode patterns (3, 4) are alternately arranged in parallel at predetermined intervals. arranged side by side,
The reference electrode portions (11a, 11b) are each toothed (3a, 4a) in the two comb-tooth electrode patterns (3, 4) compared to the detection electrode portions (1a, 1b). A MEMS foreign matter detection element, characterized in that it has a foreign matter suppression structure (9) that makes it difficult for foreign matter to adhere therebetween.

1、1a、1b :異物検出素子
2 :シリコン基板
3 :電極
3a :歯
4 :電極
4a :歯
5 :土台膜
6 :保護膜
7 :電極端子
9 :誘電体膜
10 :異物検出チップ
11、11a、11b :参照電極
21 :流量測定素子
25 :ブリッジ回路
1, 1a, 1b: foreign matter detection element 2: silicon substrate 3: electrode 3a: tooth 4: electrode 4a: tooth 5: base film 6: protective film 7: electrode terminal 9: dielectric film 10: foreign matter detection chip 11, 11a , 11b: reference electrode 21: flow rate measuring element 25: bridge circuit

Claims (11)

流体に含まれる異物を検出するMEMS異物検出素子であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせを含む検出用電極部と、
前記第1の絶縁膜上に形成され、二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせを含む参照用電極部と、
第1の検出用電極部及び第2の検出用電極部の二つの前記検出用電極部と、第1の参照用電極部及び第2の参照用電極部の二つの前記参照用電極部と、を前記第1の絶縁膜上に形成された配線パターンで接続して構築される検出回路と、
を備え、
前記検出回路は、
入力端とGNDが、該入力端側から前記第1の検出用電極部と前記第1の参照用電極部とが直列に接続された第1のラインで接続され、
前記入力端と前記GNDが、該入力端側から前記第2の参照用電極部と前記第2の検出用電極部とが直列に接続された第2のラインによって、前記第1のラインと並列に接続され、
前記第1のラインにおける前記第1の検出用電極部と前記第1の参照用電極部との間を第1の出力端とし、
前記第2のラインにおける前記第2の検出用電極部と前記第2の参照用電極部との間を第2の出力端とする、回路であり、
前記二つの櫛歯状の電極パターンの組み合わせにおいては、該二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が所定間隔で交互に平行に並ぶように配置され、
前記参照用電極部は、前記検出用電極部と比較して、前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に異物が付着しづらくなる、異物抑制構造を有することを特徴とする、MEMS異物検出素子。
A MEMS foreign matter detection element for detecting foreign matter contained in a fluid,
a silicon substrate;
a first insulating film formed on the silicon substrate;
a detection electrode section formed on the first insulating film and including a combination of two comb-shaped electrode patterns;
a reference electrode portion formed on the first insulating film and including a combination of two comb-shaped electrode patterns;
the two detection electrode portions, a first detection electrode portion and a second detection electrode portion, and the two reference electrode portions, a first reference electrode portion and a second reference electrode portion; a detection circuit constructed by connecting with a wiring pattern formed on the first insulating film;
with
The detection circuit is
an input terminal and a GND are connected by a first line in which the first detection electrode section and the first reference electrode section are connected in series from the input terminal side;
The input terminal and the GND are connected in parallel with the first line by a second line in which the second reference electrode section and the second detection electrode section are connected in series from the input terminal side. connected to
a first output end between the first detection electrode portion and the first reference electrode portion on the first line;
A circuit having a second output end between the second detection electrode portion and the second reference electrode portion on the second line,
In the combination of the two comb-teeth-shaped electrode patterns, the teeth of the two comb-teeth-shaped electrode patterns are arranged alternately in parallel at a predetermined interval,
The reference electrode section has a foreign matter suppression structure in which foreign matter is less likely to adhere between the teeth of the two comb-shaped electrode patterns, compared to the detection electrode section. , MEMS foreign object detection elements.
前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の間に誘電体層を介在させる構造であることを特徴とする、請求項1に記載のMEMS異物検出素子。 2. The MEMS according to claim 1, wherein the foreign matter suppression structure is a structure in which a dielectric layer is interposed between each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section. Foreign object detection element. 前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が前記誘電体層で覆われ、該誘電体層の表面の表面凹凸が0.1μm以下であることを特徴とする、請求項2に記載のMEMS異物検出素子。 In the foreign matter suppression structure, each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is covered with the dielectric layer, and the surface unevenness of the dielectric layer is 0.1 μm or less. 3. The MEMS foreign matter detection element according to claim 2, characterized by: 前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、前記流体の流れ方向に垂直になるように配置されて使用され、
前記異物抑制構造は、前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向が、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向と垂直に配置される構造であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。
The direction in which each tooth in the two comb tooth-shaped electrode patterns of the detection electrode unit extends is arranged so as to be perpendicular to the flow direction of the fluid,
In the foreign matter suppression structure, the directions in which the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section extend are the same as the directions of the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. 4. The MEMS foreign matter detection element according to claim 1, wherein the element is arranged perpendicularly to the extending direction.
前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数は、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の本数より少ないことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。 The number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode section is smaller than the number of teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section. 5. The MEMS foreign matter detection element according to any one of 1 to 4. 前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間隔は、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける歯の間隔より広いことを特徴とする、
請求項1から4のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。
The interval between the teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode unit is wider than the interval between the teeth in the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode unit,
The MEMS foreign object detection element according to any one of claims 1 to 4.
前記二つの検出用電極部と前記二つの参照用電極部とが、互いに対角に位置するように、前記第1の絶縁膜上に、二段二列に並べて配置されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。 The two detection electrode portions and the two reference electrode portions are arranged in two rows and two rows on the first insulating film so as to be positioned diagonally to each other. 7. The MEMS foreign matter detection element according to any one of claims 1 to 6. 前記二つの検出用電極部と前記二つの参照用電極部とが、前記第1の絶縁膜上に、一列に並べて配置されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the two detection electrode portions and the two reference electrode portions are arranged in a line on the first insulating film. A MEMS foreign object detection element as described. 前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が接続する第1の歯元部と、
前記参照用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯が接続する第2の歯元部とが共通に形成されることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。
a first tooth root portion to which each tooth of the two comb tooth-shaped electrode patterns of the detection electrode portion is connected;
9. The second tooth root portion to which the teeth of the two comb-shaped electrode patterns of the reference electrode portion are connected is formed in common. 10. The MEMS foreign matter detection element according to the item.
前記入力端、前記GND、前記第1の出力端及び前記第2の出力端と外部と接続するための複数の端子部をさらに備え、
前記複数の端子部の少なくともいずれかは、該MEMS異物検出素子において、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンにおける各々の歯の延びる方向の端部に配置されたことを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。
further comprising a plurality of terminal portions for connecting the input terminal, the GND, the first output terminal and the second output terminal to the outside,
At least one of the plurality of terminal portions is arranged at an end portion in a direction in which each tooth of the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode portion extends in the MEMS foreign matter detection element. The MEMS foreign matter detection element according to any one of claims 1 to 9, wherein
前記検出回路において、
前記入力端にパルス状の電圧を入力し、前記第1の出力端と前記第2の出力端の間の電位差を検出することで、前記検出用電極部の前記二つの櫛歯状の電極パターンの間の静電容量または、該静電容量の変化を検出することを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載のMEMS異物検出素子。
In the detection circuit,
By inputting a pulse-like voltage to the input terminal and detecting a potential difference between the first output terminal and the second output terminal, the two comb-shaped electrode patterns of the detection electrode section are detected. 11. The MEMS foreign matter detection element according to claim 1, wherein the capacitance between or a change in the capacitance is detected.
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