JPH10513241A - ガスの低圧ポンピング用超小型圧電ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプルガス分析のためのソリッドステート型質量分析器に使用されるポンプが提供される。該質量分析器は入口、該入口に隣接するガスイオン化部、該ガスイオン化部に隣接する質量フィルタ部、及び該質量フィルタ部に隣接する検出部を備えた空洞部を有する半導体基板から形成されている。前記ポンプは前記空洞部の各部分に連結されており、該空洞部を排気して前記サンプルガスを該空洞部に引き込む。前記ポンプは少なくとも一つの圧電作動ダイヤフラムを含む。該ダイヤフラムは圧電作動により、前記空洞部を排気して前記サンプルガスを該空洞部に引き込む吸い込み行程をなす。好適には前記ダイヤフラムは誘電層を挟んだ一対の電極から形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスの低圧ポンピング用超小型圧電ダイヤフラムポンプ 政府契約 アメリカ合衆国政府は合衆国国防省高等研究企画庁によって与えられた契約第 ９２−Ｆ−１４１５００−０００号により、本発明に権利を有する。 継続出願 本出願は１９９３年９月２２日提出の第０８／１２４，８７３号の出願の一部 継続出願である。 発明の背景 １． 発明の分野 本発明は、ガス検知センサ、より詳しくは半導体基板に微細加工されたソリッ ドステート型質量分析器、更に詳しく言えばそのような質量分析器に用いられる ガスの低圧ポンピング用ダイヤフラムポンプに関する。 ２． 先行技術の記載 ガスサンプル中に存在する分子の量や型を決定するのに、現在種々の装置が提 供されている。そのような装置の一つが質量分析器である。 質量分析器はガスサンプル中に存在する分子の量や型を、それらの質量を測定 することにより決定する。これには、少量のサンプルをイオン化し、電界及び／ または磁界を用いてイオンの電荷対質量の比を求めることが伴う。現在の質量分 析器はベンチトップサイズの大きな装置である。これらの質量分析器は重く（１ ００ポンド）高価である。これらの質量分析器の大きな利点はどのような環境で も使用できることである。 ガスサンプル中に存在する分子の量や型を決定するのに用いられる別の装置と しては、化学センサがある。化学センサは低価格で取得できるが、特殊の環境で の仕事に合わせて較正がなされねばならず、限られた数の化学物質に対してのみ 感度を有する。従って複合した環境では多数の化学センサが必要となる。 どのような環境でも使用できる低価格のガス検出センサが求められている。１ ９９３年９月２２日提出の合衆国出願第０８／１２４，８７３号は（以下はその 引用であるが）、半導体基板上に実施可能なソリッドステート型質量分析器を開 示している。第１図はこうした質量分析器１の機能図である。この質量分析器１ はサンプルガス中の複数の成分を同時に検出することができる。このサンプルガ スは、粒子がガスサンプリング路を塞ぐのを防止するダストフィルタ３を通って 分光器１に入る。次いでこのサンプリングガスはサンプルオリフィス５を通って ガスイオン化装置７に向かい、該装置にて電子衝撃や、原子核の崩壊によるエネ ルギー粒子により、または放電プラズマにてイオン化される。イオン光学素子９ がイオンを加速、集束して質量フィルタ１１に通す。質量フィルタ１１はイオン ビームに強い電磁界を加える。小型質量分析器には、主として磁界を用いる質量 フィルタが最も適している思われるが、それは、必要とされる約１テスラ（１０ ，０００ガウス）の磁界が、コンパクトな永久磁石設計で容易に達成されるから である。同一エネルギーに加速されたサンプルガスのイオンは、質量フィルター １１中でイオンの進行方向に垂直な一様な磁界にさらされると、円形の経路を描 く。この経路の弧の半径はイオンの質量対電荷の比に依存する。質量フィルタ１ １は好適には、交差した静電界と磁界が速度フィルタのかけられた一定したイオ ンビーム１３を生むウィーンフィルタであって、該イオンビーム中でイオンは、 第１図の平面内にある分散面に、質量／電荷比に応じて分散せしめられる。 真空ポンプ１５は衝突のない環境をイオンに備えるため、質量フィルタ１１中 に真空をつくり出す。この真空はこうした衝突によるイオンの軌道の誤差を防ぐ ために必要である。 質量フィルタをかけられたイオンビームはイオン検出器１７に集められる。好 適にはイオン検出器１７は検出素子が直線状に配列されたもので、これによりサ ンプルガスの複数の成分を同時に検出することが可能になる。マイクロプロセッ サ１９が検出器の出力を分析し、イオンの速度と質量を関係づける周知のアルゴ リズムを用いてサンプルされたガスの化学的な組成を決定する。マイクロプロセ ッサ１９によって生ぜしめられた分析の結果は出力装置２１に提供される。この 出力装置は、アラーム、ローカルディスプレイ、トランスミッタ及び／またはデ ータ記憶装置を有することが可能である。ディスプレイは第１図の２１で示され た形を取ることが可能で、サンプルガスの成分は原子質量単位（ＡＭＵ）で測ら れるラインによって識別される。 好適には質量分析器１は第２図に示されているように半導体チップ２３に実施 される。好適な分析器１にて、チップ２３は長さが約２０ｍｍ、幅が１０ｍｍ、 厚さが０．８ｍｍである。チップ２３は、両半部２５ａ及び２５ｂに形成された 半導体材料の基板を有しており、これら両半部は長手方向に延びた分離面２７ａ 及び２７ｂに沿って接合される。二つの基板半部２５ａ及び２５ｂは分離面２７ ａ及び２７ｂに細長い空洞部２９を形成している。この空洞部２９は入口部３１ 、ガスイオン化部３３、質量フィルタ部３５及び検出部３７を有している。基板 に形成された多数の仕切３９が、空洞部２９を横断して室４１を形成している。 これらの室４１は、半部２５ａの仕切３９に直線状に位置を揃えて設けられ空洞 部２９を通るガスの経路を画成する開口４３によって相互に連絡している。真空 ポンプ１５は対向面２７ａ及び２７ｂに形成された側方通路４５を介して各室４ １に連結されている。この配設は室４１の差圧ポンピングを提供し、質量フィル タ及び検出部で必要とされる圧力及びポンプ排気量またはポンピング速度を小型 真空ポンプで達成することを可能にしている。 空洞部２９を排気してガスのサンプルを質量分析器１に引き入れるために、ポ ンプ１５は極めて低圧で作動可能でなければならない。更にサイズの拘束から、 ポンプ１５は超小型でなければならない。先行技術の小型ポンプは多数記載があ るが、それらのポンプは概して液体のポンピングに焦点を当てていた。更に小型 ポンプは大気圧に近いかそれより上のガスのポンピングに使用されてきた。更に 、そうした小型ポンプは、微細加工技術の集めて製造され、その際幾つものシリ コンやガラスのウエハが接合される。これは集積回路の応用と完全には両立し得 ない厄介な手順である。従って低圧でガスをポンピングできる、容易に製造可能 な超小型ダイヤフラムポンプが必要とされる。 発明の概要 低圧でガスをポンピング可能な超小型ポンプが、ソリッドステート型質量分析 器用に提供される。ソリッドステート型質量分析器は空洞部を備えた半導体基板 上に構成される。ポンプを空洞部の様々な部分に連結することにより、空洞部の 差圧ポンピングを可能にしている。ポンプは好適には少なくとも一つの圧電作動 ダイヤフラムを有している。ダイヤフラムは圧電作動により吸い込み行程または 圧縮行程をなす。吸い込み行程は、空洞部のポンプが連結されている部分を排気 する。圧縮行程は空洞部内のガスの圧力を高めて次のポンプ段に移動させるか環 境空気に排出する。好適にはダイヤフラムは圧電層を間に挟んだ一対の電極から 形成される。排気量を高めるため、または達成される真空の最終レベルを上げる ために、所望によりポンプを直列または並列に一組にまとめてもよい。 図面の簡単な説明 本発明の十全な理解は、添付の図面に関連した以下の好適な実施例の説明から 得ることができる。 第１図は本発明によるソリッドステート型質量分析器の機能図である。 第２図は、内部構造を示すため回転させて開いた状態で図示した、本発明の質 量分析器の両半部の等角図である。 第３図は本発明に従って形成された三膜の圧電ダイヤフラムポンプの概略図で ある。 第４図は第３図のポンプの好適な実施例の横断面図である。 第５図は本発明の分割電極圧電ダイヤフラムポンプの上面図である。 第６図は第５図のポンプの横断面図である。 好適な実施例の詳細な説明 多くの型のマイクロセンサは、ガスサンプルがセンサの内部に引き入れられる ことを必要とする。特に質量分析器１は、ガスサンプルが１−１０ミリトルの範 囲まで圧力を下げられていることを必要とする。シリコン集積回路技術で製造可 能で、従って質量分析器１またはその他の集積回路マイクロセンサと両立可能な オンチップ真空ポンプが必要とされている。 第３図は、好適な基本ポンピングユニット４７の上面図で、該基本ポンピング ユニットはガス導管５５によって連結された三つのダイヤフラム４９、５１及び ５３から成っている。更にダイヤフラム４９はガス入口５７に連結されており、 ダイヤフラム５３はガス出口５９に連結されている。約＋／−５０ボルトに電気 的にバイアスされると、これらのダイヤフラム４９、５１及び５３は上方向及び ／または下方向に撓んで、ダイヤフラム４９、５１及び５３内に、外部の環境空 気に対し吸い込みまたは圧縮の作用をなすのに十分な大きさの力を生じる。 通例流体はダイヤフラムポンプにて蠕動的にポンピングされる。あるいまたは 、第一ダイヤフラム４９を入口バルブとして用い、中央ダイヤフラム５１をポン プとして用い、第三ダイヤフラム５３を出口バルブとして用いることも可能であ る。排気量を上げるため、または達成される真空の最終レベルを上げるために、 ダイヤフラム４９、５１、５３及びポンプ４７を直列または並列に一組にまとめ てもよい。ポンプ４７はガスを低圧に排気することが可能で、完全に表面微細加 工されている。 第４図はポンプ４７の一つのダイヤフラムの横断面図である。このポンプを製 造するには先ずシリコンウエハ基板６１をパターニングしエッチングしてガス空 洞部６３を形成する。この室は代表的には深さ１−６ミクロン、直径１００−１ ０００ミクロンである。 任意な選択として、シリコンナイトライド６５の層の上に、ドーピングされた 多結晶シリコン６７のパターニングされた層とシリコンナイトライド６９の別の 層を重ねたものが、空洞部６３の底に蒸着されてもよい。これは任意に付加され るものとしての静電電極７１を形成し、ダイヤフラムが空洞部６３の底に触れる 時タイトな密封と高い締め付け力を確保するのに有効である。あるいはまたシリ コン基板６１自体を共通下方電極として用いてもよい。 次に、図示しない二酸化シリコンの層が蒸着され平面化されて、空洞部６３を 満たす。この層は暫定的なもので、製造の後の段階で除去される犠牲的材料を成 す。 次いで低応力シリコンナイトライド７３の層が蒸着される。この層は代表的に は０．５−２ミクロンの厚さである。これがダイヤフラムポンプ４７に対し主膜 ７３を形成する。 任意な選択として、パターニングされドーピングされた多結晶シリコン７７の 層とシリコンナイトライド７５の別の層を蒸着させてもよい。これらの層７５及 び７７は上方静電電極７９を形成する。 次に、ドーピングされた多結晶シリコン８１の層に、金属層８３を重ねたもの が蒸着される。層８１及び８３は下側圧電電極８５を形成する。代表的には金属 ８３はチタンで、下側圧電電極８５の多結晶シリコン８１への付着を促進する。 白金８７の層が電極８５上に蒸着され、次に蒸着される圧電層８９、好適にはＰ ＺＴ層の核形成・成長面となる。 ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ₃）層８９は真空ポンプ４７の主アクチュエータであ る。ＰＺＴ層８９はゾル・ゲル法、スパッタリング法、またはレーザ・アブレー ション法により蒸着可能である。層８９は代表的には０．３乃至０．７ミクロン の厚 さである。 上側圧電電極９３を形成する別の金属層９１が、ＰＺＴ層８９の上に蒸着され る。次に上側電極９３，ＰＺＴ層８９及び下側電極８５がパターニングされる。 電極９３，ＰＺＴ層８９及び電極８５によって形成される圧電スタック９５は、 第４図に概略的に示されているように空洞部６３の直径より小さくてもよいし、 また大きくてもよい。更に、第５及び第６図に示されているように、電極８５及 び９３はリング９７及び９９に分割されて別々に電気的に作動できるようにして もよい。リングを反対の極性にバイアスすることにより、圧電スタック９５の湾 曲に異なる方向性が生ぜしめてもよく、これは膜７３を撓ませる助けになる。 次に誘電層が圧電スタック９５の上に蒸着され、ヴァイアホール１０１を介し て上側圧電電極９３に接続される金属で覆われる。金属被覆は電極９３に電気的 な接続を与え、誘電層は基板６１や他の電極からの電気的な分離を与える。 次いでウエハ全体が保護封止材、代表的には０．５ミクロンのＰＥＣＶＤアモ ルファスシリコンで覆われる。この封止材に穴がエッチングされ、フッ化水素酸 で空洞部６３内の酸化シリコンの犠牲層を溶解できるようにしている。封止材は 他の構造を酸の攻撃から守る。次にこれらの穴はスパッタリングされた窒化シリ コンのキャップによって密封される。 一度形成されると、ポンプは気密である。すべての加工はウエハの表面から成 し遂げられた。ウエハの背面エッチングを必要とせず、パターニングされたウエ ハの上または底に別のウエハを接合する必要もない。エッチング及び蒸着はすべ て表面微細加工によって実施された。 本発明の特殊の実施例について詳細を説明したが、そうした詳細に対する多様 な変形・変更が、開示の教示全体に照らして展開可能であろうことは、当業者の 認めるところであろう。従って開示されている特殊の配設は例示を意図したもの にすぎず、添付のクレームと等価なものの範囲全体に与えられるべき発明の範囲 に関し、限定を意図したものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリードホフ，カール ビー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 15668，マーリースヴィル，マーレー ハ イランズ サークル 3908 (72)発明者 ポーラ，デニス エル アメリカ合衆国 ミネソタ州 55443，ブ ルックリン パーク，ロック ロモンド コート 9228 (72)発明者 シラー，ピーター ジェー アメリカ合衆国 ミネソタ州 55442，ノ ース プリマス，テークウッド レーン 5840ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サンプルガス分析のためのソリッドステート型質量分析器に使用されるポ ンプであって、該質量分析器は入口、該入口に隣接するガスイオン化部、該ガス イオン化部に隣接する質量フィルタ部、及び該質量フィルタ部に隣接する検出部 を備えた空洞部を有する半導体基板から形成されており、前記ポンプは前記空洞 部に連結されており、前記ポンプは少なくとも一つの圧電作動ダイヤフラム手段 を有し、該ダイヤフラム手段は圧電作動により吸い込み行程か圧縮行程のいずれ かをなし、前記吸い込み行程は前記空洞部を排気して前記サンプルガスを該空洞 部に引き込み、前記圧縮行程は該ポンプ内のガス圧を高め前記サンプルガスを該 ポンプ及び前記質量分析器から放出することを特徴とする、ポンプ。 ２．少なくとも三つダイヤフラムが連結されて、蠕動的に作動することを特徴 とする、請求の範囲第１項に記載のポンプ。 ３．前記圧電作動ダイヤフラム手段が圧電層を間に挟んだ一対の電極から形成 された圧電スタックであることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載のポンプ 。 ４．前記圧電層がＰｂＺｒＴｉＯ₃から形成されていることを特徴とする、請 求の範囲第３項に記載のポンプ。 ５．前記一対の電極のうちの下側電極が、上に少なくともひとつの金属層が施 された、ドーピングされた多結晶シリコンの層から形成されていることを特徴と する、請求の範囲第３項に記載のポンプ。 ６．前記金属層がチタンか白金のいずれかであることを特徴とする、請求の範 囲第５項に記載のポンプ。 ７．チタン及び白金の別々の層が前記ドーピングされた多結晶シリコンの層に 施されていることを特徴とする、請求の範囲第５項に記載のポンプ。 ８．前記一対の電極のうちの上側電極が金属層から形成されていることを特徴 とする、請求の範囲第３項に記載のポンプ。 ９．前記一対の電極が前記の膜の表面上の同心のリングとして形成されている ことを特徴とする、請求の範囲第３項に記載のポンプ。 １０．前記ポンプがシリコン基板に製造され、 ａ．該基板に空洞部を形成し、 ｂ．該空洞部を二酸化シリコンの層で満たし、 ｃ．該空洞部の上方にシリコンナイトライドの層を施して膜を形成し、 ｄ．該膜上に下側電極を施し、 ｅ．該下側電極の上方に圧電層を施し、 ｆ．該圧電層の上方に上側電極を施し、 ｇ．前記の基板と層をシリコン封止材で封止し、 ｈ．前記二酸化シリコン層を溶解して前記空洞部を露出せしめ、 ｉ．前記空洞部を密封する、 ことによって製造されることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載のポンプ。 １１．前記二酸化シリコンの層が前記空洞部に満たされる前に、該空洞部中に 下方静電電極が備えられることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載のポン プ。 １２．前記下方静電電極が、シリコンナイトライド誘電体内に挟まれた多結晶 シリコンのパターニングされた層から形成されていることを特徴とする、請求の 範囲第１１項に記載のポンプ。 １３．前記膜の上方に上方静電電極が備えられることを特徴とする、請求の範 囲第１０項に記載のポンプ。 １４．前記上方静電電極が、シリコンナイトライド誘電体内に挟まれた多結晶 シリコンのパターニングされた層から形成されていることを特徴とする、請求の 範囲第１３項に記載のポンプ。 １５．前記下側電極が、上に少なくともひとつの金属層が施された、ドーピン グされた多結晶シリコンの層から形成されていることを特徴とする、請求の範囲 第１０項に記載のポンプ。 １６．前記金属層がチタンか白金のいずれかであることを特徴とする、請求の 範囲第１５項に記載のポンプ。 １７．チタン及び白金の別々の層が前記ドーピングされた多結晶シリコンの層 に施されていることを特徴とする、請求の範囲第１５項に記載のポンプ。 １８．前記圧電層がＰｂＺｒＴｉＯ₃から形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第１０項に記載のポンプ。 １９．前記上側電極が金属層から形成されていることを特徴とする、請求の範 囲第１０項に記載のポンプ。 ２０．前記上側及び下側電極が前記の膜の表面上の同心のリングとして形成さ れていることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載のポンプ。 ２１．少なくとも一つの圧電作動ダイヤフラム手段を有し、該ダイヤフラム手 段は圧電作動により吸い込み行程か圧縮行程のいずれかをなすポンプにおいて、 前記吸い込み行程は前記ポンプを排気し、前記圧縮行程は前記ポンプ内の流体の 圧力を高め該流体を該ポンプから放出することを特徴とする、ポンプ。 ２２．少なくとも三つダイヤフラムが連結されて、蠕動的に作動することを特 徴とする、請求の範囲第２１項に記載のポンプ。 ２３．前記圧電作動ダイヤフラム手段が圧電層を間に挟んだ一対の電極から形 成された圧電スタックであることを特徴とする、請求の範囲第２１項に記載のポ ンプ。 ２４．前記圧電層がＰｂＺｒＴｉＯ₃から形成されていることを特徴とする、 請求の範囲第２３項に記載のポンプ。 ２５．前記一対の電極のうちの下側電極が、上に少なくとも一つの金属層が施 された、ドーピングされた多結晶シリコンの層から形成されていることを特徴と する、請求の範囲第２３項に記載のポンプ。 ２６．前記金属層がチタンか白金のいずれかであることを特徴とする、請求の 範囲第２５項に記載のポンプ。 ２７．チタン及び白金の別々の層が前記ドーピングされた多結晶シリコンの層 に施されていることを特徴とする、請求の範囲第２５号に記載のポンプ。 ２８．前記一対の電極のうちの上側電極が金属層から形成されていることを特 徴とする、請求の範囲第２３項に記載のポンプ。 ２９．前記一対の電極が前記の膜の表面上の同心のリングとして形成されてい ることを特徴とする、請求の範囲第２３項に記載のポンプ。