JP4512864B2 - Gas rate sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を電気的に検出するガス式レートセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ガス式レートセンサにあっては、ポンプによって、センサ本体におけるノズル孔からガス通路内の左右に設けられた感熱抵抗素子からなるヒートセンサに向けてガスを噴出させておき、外部からセンサ本体に角速度運動が加わってガス通路内を流れるガス流が左右方向に偏向したときに、ヒートセンサに生じた抵抗値の変化状態に応じた電気信号をとり出して、そのときセンサ本体に作用している角速度の向きおよび大きさを検出するようにしている。
【0003】
この種のガス式レートセンサとして、ノズル孔、ガス通路およびそのガス通路内に設けられるヒートセンサからなるセンサ本体が、半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって形成された超小形のものが開発されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−2027号公報
【0005】
そのガス式レートセンサにおけるセンサ本体としては、図8ないし図10に示すように、ノズル孔用の小溝15、ガス通路用の半溝16およびガス通路にかかるセンサブリッジ17が半導体基板をエッチングすることによって形成された下側基板14と、ガス通路用の半溝18が、上面にノズル孔用の小溝15につながるガス供給口19が、ガス通路用の半溝18の後部にガス排出口20がそれぞれ形成された上側基板21とを重ね合せて、両者を接着することにより、ノズル孔25およびガス通路26が形成されるようになっている。
【0006】
センサブリッジ17の上面には、左、右一対の白金などの感熱抵抗材料からなるヒートセンサ22,23がパターン形成されている。図中、24はヒートセンサ22,23の各電極である。
【0007】
そして、図11に示すように、別途に金属加工によって製造した圧電式のポンプ27を用いて、センサ本体28のガス供給口19からガスを送り込んで、ノズル孔25からガス通路26内にガス流を生じさせるようにしている。
【0008】
しかして、センサ本体28がマイクロマシニング加工による微細なものでは、ポンプ27によってノズル孔25からガス通路26内に噴出されるガス流がセンサ本体28における角速度の検出精度につながるものとなっている。
【0009】
その際、センサ本体28のガス供給口19とポンプ27の吐出口とが直接連結するようにセンサ本体28にポンプ27を組み付けるのでは、両者の材料の違いからくる温度による熱膨張係数の差によって位置ずれを生ずるなど、両者の接合精度を保持することが困難となり、両者の接合位置がずれるとセンサ本体28にガス流の乱れを生じてしまうことになる。
【0010】
そのため、従来では、図11に示すように、センサ本体28とポンプ27とをステー(図示せず)にそれぞれ固定したうえで、センサ本体28のガス供給口19にノズル29を装着して、ポンプ22の吐出口とノズル29との間をチューブ30によって連結するようにしている。
【0011】
しかし、このようなセンサ本体28とポンプ27との連結手段をとるのでは、部品点数が多くなるとともに組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまう。また、それによってもセンサ本体28とポンプ27との接合位置のずれを完全になくすことができない。
【0012】
また、出願人は、未公開ではあるが、図12に示すように、半導体基板のマイグロマシニング加工によって製造したセンサ本体31上に、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプ32を一体的に組み付けて、小形化と接合性の向上とを図るようにしたガス式レートセンサを先に提案した(例えば、特許文献2参照)。
【0013】
【特許文献2】
特願2002−383097号
【0014】
それは、センサ本体31上に重ねて接合され、上面に接着された圧電素子33によって振動し、一方側に通気孔34があけられた振動板35が形成され、通気孔34と反対側に吸入口36が設けられたポンプ吸排気室37を形成する第1の基板38と、その第1の基板38上に重ねて接合され、ポンプ背圧室39を形成する第2の基板40とによってポンプを構成するようにしている。
【0015】
しかし、このように構成されたガス式レートセンサにあっても、組付け時に通気孔34とガス供給口19との中心位置が相対的にずれてしまうと、背圧室39から通気孔34を通してガス供給口19に向けて吐出されるガスに乱れを生じたり、流量が低下したりするおそれがあるものになっている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体に別途金属加工によって製造されたポンプを組み付けるに際して、両者を直接連結させるのでは結合精度を保持することが困難となり、またジョイント用のチュープなどの連結部材を用いるのでは組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまうことである。
【0017】
また、小形化およびセンサ本体とポンプとの接合性の向上を図るために、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体上に重ねて、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプを一体的に組み付けるのでは、センサ本体とポンプとの相対的な組付け精度が悪いとセンサ本体に供給されるガスに乱れを生じたり、流量が低下したりしてしまうという問題がある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、半導体基板のマイクロマシニング加工によってセンサ本体とポンプとを一体に製造することにより、両者の結合精度を保持して、センサ本体に常に安定したガス流を生じさせることができるようにしている。
【0019】
具体的には、下側基板と上側基板との間に、電磁気的な振動子によって振動する振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジが形成された中間基板を前記下側基板と上側基板とで挟持して、上側基板と中間基板との間で一方の側端部にポンプ部の吸気口が形成され、その吸気口に連通して吸排気室が形成され、前記排気孔側に中間基板と下側基板との間に通気孔が形成され、その通気孔を介して通気孔に対して基板に沿う方向に連通するように下側基板と中間基板との間でポンプ部の背圧室およびセンサ部のガス供給用のノズル孔とが形成され、そのノズル孔に連通して、上側基板と下側基板との間でセンサ部のガス通路が形成され、そのガス通路に連通して、上側基板と中間基板との間で前記吸気口とは他方の側端部にセンサ部のガス排出口が形成されるように構成している。
【0020】
【実施例】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、図1に示すように、下側基板1と上側基板2との間に、圧電素子4によって振動する振動板31が形成され、その振動板31を支持する基部32に排気孔5があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジ6が形成された中間基板3を挟持して、上側基板2と中間基板3との間でポンプ部Bの吸気口7および吸排気室8とセンサ部Aのガス排出口9とが形成され、下側基板1と中間基板3との間でポンプ部Bの背圧室10、通気孔11およびセンサ部Aのガス供給用のノズル孔12とが形成され、下側基板1と上側基板2との間でセンサ部Aのガス通路13が形成されるように構成されている。
【0021】
センサ部Aのガス供給用のノズル孔12はポンプ部Bのガス吐出口を兼ねており、中間基板3にあけられた排気孔5側に通気孔11が設けられ、その通気孔11に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔12が設けられている。
【0022】
上側基板2には、半導体基板をエッチングすることによって、吸排気室8となる凹部、吸気口7となる切り欠き部およびガス通路13の上部となる凹部が形成されている。
【0023】
中間基板3には、半導体基板をエッチングすることによって、振動板31および背圧室10となる凹部、排気孔5、センサブリッジ6、ガス排出口9となる切り欠き部が形成されている。そして、その振動板31を支持する基部32の一部が切り欠かれて、下側基板1との間で背圧室10につながる通気孔11およびノズル孔12が形成されている。
【0024】
その際、中間基板3にあけられた排気孔5側に通気孔11が設けられ、その通気孔11に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔12が設けられる。
【0025】
ヒートセンサが設けられるセンサブリッジ6は、熱によりガス流がポップアップすることを考慮して、ノズル孔12よりも若干高い位置に設置されている。
【0026】
図2は、下側基板1、上側基板2および中間基板3に用いられる半導体基板を得るためのシリコンウエハからのチップ切り出し状態を示している。
【0027】
なお、下側基板1にあっては、それが専用の半導体基板でなくても、マイクロポンプを実装する他の種々の基板であってもよい。
【0028】
ここでは圧電素子4を用いて振動板31を振動させているが、圧電素子4を用いる代わりに、その他の電磁気的に振動する電歪振動子や磁歪振動子などが広く用いられることはいうまでもない。
【0029】
また、本発明では、中間基板3に振動板31を形成するに際して、図3および図4に示すように、シリコンウエハにおける(100)面からなる片面を異方性ウェットエッチングすることによって、薄膜化された振動板31を形成するようにしている。
【0030】
シリコンウエハのマイクロマシニング加工には、ドライエッチングおよびウェットエッチングによる加工技術がある。そして、それぞれのエッチングには全ての方向にエッチングする等方性エッチングと特定の方向に選択的にエッチングする異方性エッチングとがあり、シリコンウエハを立体的に加工するフォトリゾグラフィー技術では異方性エッチングが比較的多く用いられる。
【0031】
本発明では、エッチング速度が速くてスループット性が良く、バッチ処理によりコストの削減が可能であり、ドライエッチングよりも生産性に優れたウェットエッチングを採用して、シリコンウエハを異方性エッチングするようにしている。その際、シリコンウエハの(100)面をエッチングすると、(111)面からなる側面をもった四角錐状に加工されて、正方形の薄膜化された振動板31が形成される。
【0032】
そのエッチングされた部位は、(100)面による平面と、(111)面による側面とが露出された状態になる。(111)面は異方性ウェットエッングにおいて最終的に出現する安定な結晶面であり、エッチングにより薄膜状に形成された振動板31の全周がその(111)面からなる部分によって支持される、このような振動板31の支持状態は安定であるとともに構造的に強固であり、ばらつきなく常に一定の振動特性を発揮することのできる振動板31を容易に得ることができるようになる。
【0033】
そして、その正方形の振動板31上には、図5に示すように、振動時に圧電素子4が振動板31に与える応力が円周上均等に分散して、部分的に集中するようなことがないように、円形の平板状の圧電素子4が同一中心をもって接着されている。
【0034】
このように構成された本発明によるマイクロポンプの動作について、以下説明する。
【0035】
まず、図6に示すように、圧電素子4に正側の駆動電圧が印加されて振動板31が上側にたわむと、吸排気室8が陽圧となり、背圧室10が陰圧となって、吸排気室8内のガスが排気孔5および通気孔11を通して背圧室10の内部に送り込まれる。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【0036】
次に、図7に示すように、圧電素子4に負側の駆動電圧が印加されて振動板31が下側にたわむと、背圧室10が陽圧となり、その背圧室10内のガスが通気孔11を通してノズル孔12に吐出する。同時に、吸排気室8が陰圧となり、吸気口7から吸排気室8内にガスを吸い込む。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【0037】
このようなポンプ動作がくり返し行われることにより、ノズル孔12からガス通路13内にガスが断続的に噴出されて、ガス通路13内にガス流(層流)が生ずることになる。
【0038】
その際、特に本発明によれば、通気孔11に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔12を設けて、背圧室10内のガスが横方向にまっすぐに吐出するような構造としているので、乱流をきたしたり、流量が低下したりするようなことなく、ノズル孔12からガス通路13内にガスを効率良く安定に吐出させることができるようになる。
【0039】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、半導体基板のマイクロマシニング加工によってセンサ本体とポンプとを一体に製造することにより、全体の構造が簡素化されて小形化を充分に図ることができるとともに、両者の結合精度が保持されて、ポンプ性能、センサ性能ともに優れたものになるという利点を有している。
【0040】
その際、特に本発明によれば、半導体基板のエッチングにより振動板が形成された中間基板を、その振動板を支持する基部において上側基板と下側基板との間に挟持するようにしているので、振動板の装着状態が常に一定となり、振動特性にばらつきのないポンプ性能を発揮させることができるようになる。
【0041】
そして、背圧室内のガスが基板に沿う横方向にまっすぐにノズル孔12を通してセンサ本体のガス通路内に吐出するようにしているので、乱流をきたしたり、流量が低下したりするようなことなく、ガス通路内にガスを効率良く供給して、良好な層流をもってガス流を生じさせることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるガス式レートセンサの一構成例を示す正断面図である。
【図2】同実施例における下側基板、上側基板および中間基板に用いられる半導体基板を得るためのシリコンウエハからのチップ切り出し状態を示す図である。
【図3】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された中間基板を示す正断面図である
【図4】その振動板が形成された中間基板の斜視図である。
【図5】同実施例における方形の振動板の上に円形の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図6】本発明の一実施によるマイクロポンプの一動作状態を示す正断面図である。
【図7】本発明の一実施によるマイクロポンプの他の動作状態を示す正断面図である。
【図8】一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体の下側半導体基板を示す平面図である。
【図9】その一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体の上側半導体基板を示す裏面図である。
【図10】その一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体のノズル孔部分の側断面図である。
【図11】従来のセンサ本体とポンプとの連結状態の一例を示す斜視図である。
【図12】従来のマイクロマシニング加工されたセンサ本体とポンプとを一体的に組み付けたガス式レートセンサの正断面図である。
【符号の説明】
1 下側基板
2 上側基板
3 中間基板
31 振動板
4 圧電素子
5 排気孔
6 センサブリッジ
7 吸気口
8 吸排気室
9 ガス排出口
10 背圧室
11 通気孔
12 ノズル孔
13 ガス通路[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a gas type rate sensor that electrically detects a deflection state of a gas flow according to an angular velocity acting on a sensor body.
[0002]
[Prior art]
In general, in a gas type rate sensor, gas is jetted from a nozzle hole in a sensor body toward a heat sensor composed of thermal resistance elements provided on the left and right sides of the gas passage by a pump, and the sensor body is externally provided. When the gas flow flowing in the gas passage is deflected in the left-right direction due to the addition of the angular velocity motion, the electric signal corresponding to the change state of the resistance value generated in the heat sensor is taken out, and then it acts on the sensor body. The direction and magnitude of the angular velocity is detected.
[0003]
As this kind of gas type rate sensor, a sensor body consisting of a nozzle hole, a gas passage and a heat sensor provided in the gas passage has been developed as an ultra-small one formed by micromachining by etching a semiconductor substrate. (For example, refer to Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-2027
As shown in FIGS. 8 to 10, the sensor body in the gas type rate sensor is such that a
[0006]
On the upper surface of the
[0007]
Then, as shown in FIG. 11, gas is fed from the
[0008]
Therefore, when the
[0009]
At that time, the
[0010]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 11, the sensor
[0011]
However, if such a connecting means for the sensor
[0012]
In addition, although not disclosed, as shown in FIG. 12, the applicant integrally has a
[0013]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application No. 2002-383097 [0014]
It is oscillated by a
[0015]
However, even in the gas type rate sensor configured as described above, if the center position of the
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved is that when assembling a pump manufactured by metal processing separately to a sensor body manufactured by micromachining processing of a semiconductor substrate, it is difficult to maintain the coupling accuracy by directly connecting the two. If a connecting member such as a joint tupe is used, the assembling workability is deteriorated and the entire apparatus is enlarged.
[0017]
Also, in order to reduce the size and improve the bondability between the sensor body and the pump, the pump manufactured by micromachining the semiconductor substrate is integrated with the sensor body manufactured by micromachining the semiconductor substrate. Assembling to the sensor body causes a problem that the gas supplied to the sensor body is disturbed or the flow rate is lowered if the relative assembly accuracy between the sensor body and the pump is poor.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In the gas type rate sensor according to the present invention, the sensor main body and the pump are integrally manufactured by micromachining processing of a semiconductor substrate, so that the coupling accuracy between the two is maintained and a stable gas flow is always supplied to the sensor main body. So that it can be generated.
[0019]
Specifically, a vibration plate that is vibrated by an electromagnetic vibrator is formed between the lower substrate and the upper substrate, an exhaust hole is formed in a base portion that supports the vibration plate, and a heat wire sensor bridge is formed. The formed intermediate substrate is sandwiched between the lower substrate and the upper substrate, and an intake port of the pump unit is formed at one side end portion between the upper substrate and the intermediate substrate, and communicated with the intake port. An intake / exhaust chamber is formed , a vent hole is formed between the intermediate substrate and the lower substrate on the exhaust hole side, and the lower side so as to communicate with the vent hole in the direction along the substrate via the vent hole A back pressure chamber of the pump unit and a nozzle hole for gas supply of the sensor unit are formed between the substrate and the intermediate substrate. The sensor unit communicates with the nozzle hole between the upper substrate and the lower substrate. A gas passage is formed and communicates with the gas passage to connect the upper substrate and the intermediate substrate. In said intake port is configured so that the gas outlet of the sensor portion to the other side edge portion is formed.
[0020]
【Example】
In the gas type rate sensor according to the present invention, as shown in FIG. 1, a
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
At that time, a vent hole 11 is provided on the side of the
[0025]
The
[0026]
FIG. 2 shows a chip cut-out state from a silicon wafer for obtaining semiconductor substrates used for the lower substrate 1, the
[0027]
Note that the lower substrate 1 may not be a dedicated semiconductor substrate, but may be various other substrates on which a micropump is mounted.
[0028]
Here, the
[0029]
Further, in the present invention, when the
[0030]
Micromachining processing of a silicon wafer includes processing techniques using dry etching and wet etching. Each etching has an isotropic etching that etches in all directions and an anisotropic etching that selectively etches in a specific direction, and is different in the photolithographic technology that three-dimensionally processes a silicon wafer. Relatively many etchings are used.
[0031]
In the present invention, the etching rate is fast, the throughput is good, the cost can be reduced by batch processing, and the wet etching, which is more productive than the dry etching, is adopted to anisotropically etch the silicon wafer. I have to. At this time, when the (100) plane of the silicon wafer is etched, the
[0032]
The etched portion is in a state in which the plane formed by the (100) plane and the side surface formed by the (111) plane are exposed. The (111) plane is a stable crystal plane that finally appears in anisotropic wet etching, and the entire circumference of the
[0033]
On the
[0034]
The operation of the micropump according to the present invention configured as described above will be described below.
[0035]
First, as shown in FIG. 6, when a positive drive voltage is applied to the
[0036]
Next, as shown in FIG. 7, when a negative drive voltage is applied to the
[0037]
By repeating such a pump operation, gas is intermittently ejected from the
[0038]
At that time, in particular, according to the present invention, the
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by integrally manufacturing the sensor body and the pump by micromachining a semiconductor substrate, the overall structure can be simplified and the miniaturization can be sufficiently achieved. The accuracy is maintained, and the pump performance and the sensor performance are excellent.
[0040]
At that time, in particular, according to the present invention, the intermediate substrate on which the diaphragm is formed by etching the semiconductor substrate is sandwiched between the upper substrate and the lower substrate at the base portion supporting the diaphragm. The mounting state of the diaphragm is always constant, and the pump performance with no variation in the vibration characteristics can be exhibited.
[0041]
And, since the gas in the back pressure chamber is discharged straight into the gas passage of the sensor body through the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing a configuration example of a gas type rate sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a chip cut-out state from a silicon wafer for obtaining a semiconductor substrate used for a lower substrate, an upper substrate, and an intermediate substrate in the same example.
FIG. 3 is a front sectional view showing an intermediate substrate on which a diaphragm is formed by etching a semiconductor wafer. FIG. 4 is a perspective view of the intermediate substrate on which the diaphragm is formed.
FIG. 5 is a plan view showing a state in which a circular electrostrictive vibrator is mounted on a rectangular diaphragm in the same embodiment.
FIG. 6 is a front sectional view showing one operating state of a micropump according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front sectional view showing another operation state of the micropump according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a lower semiconductor substrate of a sensor main body in a general gas type rate sensor.
FIG. 9 is a back view showing an upper semiconductor substrate of a sensor main body in the general gas type rate sensor.
FIG. 10 is a side sectional view of a nozzle hole portion of a sensor main body in the general gas type rate sensor.
FIG. 11 is a perspective view showing an example of a connection state between a conventional sensor body and a pump.
FIG. 12 is a front sectional view of a gas type rate sensor in which a conventional micromachined sensor body and a pump are integrally assembled.
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