JP2882664B2 - 流れ感知装置およびその作製方法 - Google Patents

流れ感知装置およびその作製方法

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JP2882664B2
JP2882664B2 JP2141714A JP14171490A JP2882664B2 JP 2882664 B2 JP2882664 B2 JP 2882664B2 JP 2141714 A JP2141714 A JP 2141714A JP 14171490 A JP14171490 A JP 14171490A JP 2882664 B2 JP2882664 B2 JP 2882664B2
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ディヴィッド エティエン スティーヴン
クリフォード ヤング ドナルド
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SENTORARU RISAACHI LAB Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/28—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by drag-force, e.g. vane type or impact flowmeter

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の流れを測定するための装置およびその
装置を動作させるための回路に関する。
本出願人のヨーロッパ特許出願には、精密機械加工さ
れたカンチレバービームで作成された半導体材料の基板
の形態の流れ感知装置が記載されている。その装置はビ
ームに対する流体の流れを表わすそのビームの特性を感
知するための手段を具備している。この装置は測定され
うる流量の範囲が限定されており、広範囲の流量をカバ
ーするためには、同じシリコンチップ上にディメンショ
ンの異なるこのような装置幾つか組み込まなければなら
ない。さらに、低い流量を測定し得るためには、カンチ
レバービームが薄くなければならず、これがために、応
力によってビームが屈曲するという問題が生じる。上記
ヨーロッパ特許出願の発明における他の問題点は、流体
流れに対するカンチレバービームの応答を決定するため
に好ましい容量変化測定が用いられる場合には、流体密
度を一定であると仮定する必要がある。これでもって、
カンチレバービームの撓みが流体速度に依存し、流体密
度とは関係がないと考えることができる。実際には、流
体の密度は一定ではないので、流体の誘導体定数の変化
を補償するための手段が必要とされる。
従って、本発明はミクロ機械加工として一般に知られ
た集積回路技術によりその技術の分野で良く知られた利
点をもって作製されるのに適しており、先行技術の難点
のうちの幾つかを少なくとも軽減する流体流れ感知装置
を提供することである。ミクロ機械加工された装置は同
じ装置のある他の部分から構成されかつそれの一部分を
形成するものである。
本発明によれば、半導体材料の基板と、ミクロ機械加
工されたビームを具備し、前記基板が第１および第２の
主表面を有し、前記第１の主表面がピボットを画成し、
該ピボットのまわりで前記ビームが流体の流れの作用に
よりツイストしうるように構成されている流れ感知装置
が提供される。
従って、ビームの一部分を装置材料で構成することに
よって装置の製作が従来の装置より容易になされる。
この装置は、基板を通して延びるビームの一方の半分
体の下方にチャンネルが存在し、ビームの他方の半分体
の下方には空洞が存在するようにし、かつ動作時に、上
記チャンネルに流体が流れてビームの一方の半分体に力
を及ぼし、上記空洞に流体が充満してビームを横切る方
向に差動的な力を発生するように構成されることが好ま
しい。従って、ビームに対する流体の流れの作用によっ
て生ずる差動的な力を補償するために力が印加され、そ
の補償力が流体の流れを表わすから、この装置は「零
位」原理（“null"principle）で動作する。
本発明の他の実施例では、本発明の装置は完全に平板
状に作製され、従って、多くの従来装置と異なり、最初
の基板に第２の基板を付加してそれら２枚の基板の間に
感知ビームをサンドイッチ状に配置する必要がない。
さらに他の実施例では、このような装置を動作させる
のに適した回路が提供される。
さらに他の実施例では、このような流れ感知装置を作
製するための方法が提供される。
以下図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。
第１図は本発明による流れセンサを示しており、この
センサは、通常0.5ミクロンの厚さの薄い絶縁フィルム
２で作製されたビーム１を具備しており、そのフィルム
２は通常には３ミクロンの厚さの金属３を被覆されてい
る。その金属３はビーム１が堅固でかつ平坦であるよう
にする。この実施例では、ビーム１は、それと同じ絶縁
層で構成されかつそれと一体の支持体またはピボット４
によってそれの中点の周りで枢動される。ビームは軸線
Ｘ−Ｘの周りで枢動することができ、かつ枢動支持体４
は通常0.5ミクロンのように薄いので、低い流量での装
置の感度には影響しない。ビームは半導体基板31の上方
に支持されている。
ビームの自由端部には電気的接点11A,11Bが形成され
ており、それらはコンデンサの１つの電極として作用す
る。他のコンデンサ電極はそれらの下方に形成される。
ビームの一方の半分体の下方には、チャンネル７が形
成されており、このチャンネル７は、ビーム１がその上
に作成された基板の第１の主表面９からその基板の反対
側の第２の主表面10まで、半導体基板中を延長してい
る。従って、流れをい測定される流体は基板31中を完全
に通過することができる。ビーム１の他方の半分体の下
方には空洞８が形成されている。この空洞は基板31中を
一部分しか延びていないので、流体はそれを通過するこ
とはできない。このため、この装置は「零位」原理で動
作することができる。このことは、装置が流動する流体
の通路内に配置されたときに、「貫通」（“through"）
チャンネルは１つしか存在していないから、ビームを横
切る方向に差動的な力が生じ、この「貫通」チャンネル
の上方のビームの側部だけがこの力を受ける。
動作時には、いずれかの方向におけるビーム１の主表
面に直交する流体流れの成分がビーム１をそれの枢点の
まわりでツイストさせ、「貫通」チャンネルの上方のビ
ームの半分体がそれに作用する流体流れのその成分の方
向に移動する。
ビームを平衡位置に戻す態様で装置接点11A,11Bに静
電力が印加される。この平衡位置はゼロ流体流れにおけ
る接点ギャップ（第２図におけるYo）がビームの両側
で、すなわち11Aおよび６と11Bおよび８との間で等しく
なる位置として定義される。
必要とされる静電力の大きさはビームの一端部におけ
る接点11A,6間の容量とビームの他端部における接点11
B,8間の容量を比較することによって決定される。この
ようにして、流体の誘電率の変化が流体の流れの測定に
影響を及ぼさない。この装置が作用し得る流体の流量の
上限は十分な静電力を印加するために利用できる電圧の
大きさだけで制限される。
このようにしてシステム全体の運動方程式と標準的な
フィードバック制御理論を利用して流体の速度が得られ
る。実際には、ビームの撓みは小さく、かつヒンジの回
復力も流体の流れによる力に比較して小さい。
第２図および第３図から、次の式が得られる。
ただし、Ｖ＝ビームを平衡状態に戻す静電力 ρ＝流体の密度（kg/cm3） ｖ＝流体の速度（m/s） ｂ＝ビームの幅（ｍ） ｒ＝ヒンジ（一側における）までのビームの長
さ y0＝ゼロ流体流れにおける接点ギャップ ε＝自由空間の誘電率 Ａ＝上部および下部接点のオーバラップ面積 このような装置を作動させるのに適した回路の機能ブ
ロック図が第３図に示されている。
接点11Aおよび11B間に正弦波電圧V0が印加される。増
幅器12Aおよび12Bが、 ただし、C1およびC2はそれぞれビーム11A,11Bと電極６
との間の容量、CFは増幅器12Aおよび12Bのまわりのフィ
ードバック容量である。
増幅器13Aおよび13Bによって増幅されそして14Aおよ
び14Bによって整流されて後に、電圧は差動増幅器15で
比較される。13Bの利得はゼロ流体速度で差動増幅器か
らの出力がゼロとなるように調節される。
差動増幅器からの出力は、容量C1またはC2のどちらか
が大きいかに応じて正または負の符号を有する。スイッ
チ17は16からの増幅された誤差電圧と最小容量の接点に
印加するようになされており、それによって得られた静
電力がビームをそれの平衡位置に戻すようになされてい
る。
18Aおよび18Bによって行なわれる平方根機能によっ
て、システム全体（流れセンサを含む）に対する運動方
程式が線形差動方程式の形をなし、かつ標準的なフィー
ドバック制御理論を用いて容易に解析されるようにする
ので、この平方根機能がこの回路に付加されていること
が重要である。
第4A〜4D図はこの装置を作製するための好ましい方法
を示しており、この方法は下記の工程よりなる。
ａ）通常350ミクロンの厚さの単結晶シリコンウエーハ2
0が主表面を100面内にして作成される。
ｂ）通常0.5ミクロンの厚さで例えば二酸化シリコン、
シリコンオキシニトリド（silicon oxynitride）または
窒化シリコンのような電気的に絶縁性の材料よりなる層
21が上面および下面に被着される（第4A図）。
ｃ）この工程およびその後の工程で、関連する電気回路
がウエーハ内に形成される。
ｄ）ビームとそれのピボット４を形成するために層21が
選択的にエッチングされる（第4B図）。
ｅ）通常0.1ミクロンの厚さでクロムのような適当な金
属の層が、そしてそれに続いて通常0.3ミクロンの金が
上部絶縁層に被着され、かつフォトリトグラフによって
パターン化されて固定した電極６およびビームめっき３
を形成する（第4C図）。
ｆ）下方の絶縁体上にフォトレジストが被着され、そし
てその絶縁体がパター化されかつエッチングされて開い
たチャンエル７を形成する（第4D図）。
ｇ）通常３ミクロンの厚さのフォトレジストの層が被着
されて上方および下方の接点間にギャップを形成し、そ
してそのフォトレジスト層がパターン化されてビームめ
っき領域３を画成する。
ｈ）通常厚さが0.5ミクロンで、金のような任意適当な
金属よりなるめっきベース23が上部表面全体に被着され
る。
ｉ）通常４〜５ミクロンの厚さのフォトレジスト24が上
面に被着され、そしてパターン化されて上部接点11Aお
よび11Bのエッジを画成する。
ｊ）露出した金属に金のような適当な金属25が通常３ミ
クロンの厚さにメッキされ、それがビームを補強して応
力の作用を除去するとともに、上部接点11Aおよび11Bを
与える。
ｋ）レジスト24、露出しためっきベース23およびレジス
ト22がすべて除去される。
ｌ）チャンネル７と空洞８がさらに異方性エッチングに
よって形成される。
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はそ
れに限定されるものではなく、他の構成およびそれを作
製する方法、ならびに他の適当な回路が当業者には本発
明の範囲ないで明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1A,1B,1Cおよび２図はミクロ機械加工された流れセン
サの概略図、第３図はこの装置を動作させるための典型
的な回路のブロック図、第4A,4B,4Cおよび4D図は本発明
の装置の作製方法における種々の工程を示す概略図であ
る。 １…ビーム、２…絶縁フィルム、３…金属、４…ピボッ
ト、７…チャンネル、８…空洞、９…主表面、10…主表
面、11A,11B…電気的接点、12A,12B…増幅器、13A,13B
…増幅器、14A,14B…整流器、15…差動増幅器、17…ス
イッチ、18A,18B…平方根機能手段、20…単結晶シリコ
ンウエーハ、21…層、22…レジスト、23…めっきベー
ス、24…フォトレジスト、25…適当な金属、31…半導体
基板。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−24569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−130359（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−10458（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−134168（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01P 13/00 G01F 1/24

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体材料の基板と、ミクロ機械加工され
    たビームを具備し、前記基板が第１および第２の主表面
    を有し、前記第１の主表面がピボットを画成し、該ピボ
    ットのまわりで前記ビームが流体の流れの作用によりツ
    イストしうるように構成されている流れ感知装置。
  2. 【請求項２】前記ビームの一方の半分体の下方にチャン
    ネルが設けられており、該チャンネルは前記第１の主表
    面から前記第２の主表面まで前記基板を通して延びてお
    り、前記ビームの他方の半分体の下方の前記基板内には
    空洞が形成されており、装置の動作時に、流体が前記チ
    ャンネルを流れて前記ビームの一方の半分体に力を及ぼ
    し、かつ流体が前記空洞に充満して前記ビームを横切る
    方向に第１の差動的な力を発生するように構成されてい
    る請求項１に記載の流れ感知装置。
  3. 【請求項３】前記ビームに第２の力が印加されて前記第
    １の差動的な力の影響を補償し、該第２の力は測定され
    ている流体の流れを表すように構成されている請求項２
    に記載の流れ感知装置。
  4. 【請求項４】前記ビームが実質的にその中点で枢支され
    ている請求項１から３のいずれか一項に記載の流れ感知
    装置。
  5. 【請求項５】前記ビームが金属被覆を有する絶縁フィル
    ムを具備し、さらに該ビームがその自由端に形成された
    電気的接点を具備する請求項４に記載の流れ感知装置。
  6. 【請求項６】流体の流れの結果として生じる前記ビーム
    のツイストを補償する回路をさらに具備する請求項５に
    記載の流れ感知装置。
  7. 【請求項７】前記回路がフィードバック制御システムを
    含む請求項６に記載の流れ感知装置。
  8. 【請求項８】前記回路がさらに、前記フィードバック制
    御システム内で平方根機能を行なう手段を含む請求項７
    に記載の流れ感知装置。
  9. 【請求項９】流れ感知装置の作製方法であって、 （ａ）シリコンウエーハの主表面に電気的絶縁材料を形
    成し、 （ｂ）前記電気的絶縁材料を選択的にエッチングしてビ
    ーム及びそのピボットを画成し、 （ｃ）前記電気的絶縁層上に少なくとも１つの金属層を
    形成し、 （ｄ）少なくとも１つの金属層をフォトリトグラフによ
    ってパターン化して前記ビーム上の電極とそれらに関連
    した接点を形成し、 （ｅ）第１の主表面から第２の主表面まで延びるチャン
    ネルを装置中にエッチングにより形成し、 （ｆ）フォトレジストの層を被着させて前記電極とそれ
    らに関連した接点との間にギャップを画成し、 （ｇ）装置の上面全体に金属めっきベースを被着させ、 （ｈ）装置の上面全体にフォトレジストを被着させて前
    記電極のエッジを画成し、 （ｉ）露出した金属に、応力作用を除去するために前記
    ビームを補強するのに適した金属を被覆し、そして、 （ｊ）露出しためっきベースとフォトレジストを除去す
    ることよりなる流れ感知装置の作製方法。
JP2141714A 1989-06-02 1990-06-01 流れ感知装置およびその作製方法 Expired - Lifetime JP2882664B2 (ja)

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GB898912755A GB8912755D0 (en) 1989-06-02 1989-06-02 A"null"flow sensor
GB8912755.9 1989-06-02

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JPH0324464A JPH0324464A (ja) 1991-02-01
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EP (1) EP0400981B1 (ja)
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AT (1) ATE94638T1 (ja)
AU (1) AU631212B2 (ja)
CA (1) CA2018124A1 (ja)
DE (1) DE69003308T2 (ja)
ES (1) ES2044439T3 (ja)
GB (1) GB8912755D0 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2580150B1 (fr) * 1985-03-22 1987-06-12 Pidoux Michel Procede pour produire des polysaccharides permettant notamment de preparer une boisson sucree fermentee ou kefir sucre
JP3580827B2 (ja) * 1996-01-22 2004-10-27 カイロス・インク 微細加工製作シリコン羽根型マイクロ流量計
SE9801766D0 (sv) * 1998-05-19 1998-05-19 Siemens Elema Ab Fluid flow meter
US6631648B2 (en) * 2001-08-28 2003-10-14 Wisconsin Alumni Research Foundation Microfluidic flow sensing method and apparatus
US6941823B1 (en) * 2001-11-07 2005-09-13 Veeco Instruments Inc. Apparatus and method to compensate for stress in a microcantilever
DE10339906B4 (de) * 2003-08-29 2009-12-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Messapparatur für Strömungen
DE10339907B4 (de) * 2003-08-29 2006-09-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optische Messapparatur und Messverfahren für Strömungen

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH642461A5 (fr) * 1981-07-02 1984-04-13 Centre Electron Horloger Accelerometre.
US4550616A (en) * 1983-09-21 1985-11-05 Honeywell Inc. Pneumatic flow station
US4598585A (en) * 1984-03-19 1986-07-08 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Planar inertial sensor
EP0239703B1 (en) * 1986-01-07 1991-06-05 THORN EMI plc Force-sensitive flow sensor
JPS63252257A (ja) * 1986-11-20 1988-10-19 Aisin Seiki Co Ltd 加速度検出装置
GB8628611D0 (en) * 1986-11-29 1987-03-18 Accelerometer Temperature sensing arrangement
GB8720355D0 (en) * 1987-08-28 1987-10-07 Emi Plc Thorn Measuring fluid density
GB8720357D0 (en) * 1987-08-28 1987-10-07 Thorn Emi Flow Measurement Ltd Fluid metering system

Also Published As

Publication number Publication date
EP0400981A3 (en) 1991-05-29
JPH0324464A (ja) 1991-02-01
DE69003308T2 (de) 1994-04-07
DE69003308D1 (de) 1993-10-21
EP0400981A2 (en) 1990-12-05
EP0400981B1 (en) 1993-09-15
ES2044439T3 (es) 1994-01-01
ATE94638T1 (de) 1993-10-15
AU5624490A (en) 1990-12-06
US5189918A (en) 1993-03-02
GB8912755D0 (en) 1989-07-19
CA2018124A1 (en) 1990-12-02
AU631212B2 (en) 1992-11-19

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