JPH11201788A - 半導体カルマン渦流量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度が高く高速応答が可能な半導体カル
マン渦流量センサを得る。また、大量生産が可能で、低
コストの半導体カルマン渦流量センサを得る。また、こ
のような半導体カルマン渦流量センサの製造方法を得
る。 【解決手段】 シリコン基板１、シリコン基板１の表面
に形成された複数の薄膜固定電極３ａ、３ｂ、シリコン
基板１を貫通し流路１１へ導通する複数の開口部９ａ、
９ｂ、薄膜固定電極３ａ、３ｂ上に架設した支持梁７に
よって支持された薄膜可動電極５、薄膜固定電極３ａ、
３ｂ及び薄膜可動電極５をシリコン基板１との間で封止
する封止部材８を備え、薄膜可動電極５は流路１１内に
発生するカルマン渦１４による圧力変動で振動し、この
振動による薄膜固定電極３ａ、３ｂ及び薄膜可動電極５
からなる容量の変動周波数から流路１１内を流れる流体
の流速を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流路内に発生する
カルマン渦による圧力変動から流体の流速及び流量を測
定するカルマン渦流量センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、特開平１−１１６４１１号公
報記載の従来のカルマン渦流量センサを示す断面図であ
る。図において、２０は導圧孔、２１は導圧管、２２は
振動板、２３は発光素子、２４は受光素子である。な
お、導圧孔２０は、流路内に挿入されたカルマン渦発生
体の両側面近傍に設置されている。

【０００３】次に動作について説明する。カルマン渦に
よって導圧孔２０近傍の圧力が変動するため導圧管２１
内を交番する流れが生じ、この流れにより振動板２２が
振動する。発光素子２３及び受光素子２４は、この振動
周波数から渦周波数を光学的に検出し、渦の発生周波数
と流体の流速が比例することを利用して、流路内に流れ
る流体の流速及び流量を算出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のカ
ルマン渦流量センサでは、振動板２２は大きさがセンチ
メートルオーダーの金属板を用いており、慣性が大きい
ために検出感度や流れに対する高速追従性に問題があ
り、測定レンジを狭める問題点があった。また、振動を
光学的に検出する手段として、発光素子に発光ダイオー
ド、受光素子にフォトダイオードを用いているため、光
学系の微調整が必要であるという問題点もあった。さら
に、以上のような振動板や検出系の構成では、低コスト
の流量センサを提供できないという問題点もあった。

【０００５】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、検出感度が高く高速応答が可能な
半導体カルマン渦流量センサを得ることを目的とする。
また、大量生産が可能で、低コストの半導体カルマン渦
流量センサを得ることを目的とする。また、上記のよう
な半導体カルマン渦流量センサの製造方法を得ることを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体カ
ルマン渦流量センサは、シリコン基板、このシリコン基
板の表面に形成された複数の薄膜固定電極、シリコン基
板を貫通し流路へ導通する複数の開口部、薄膜固定電極
上に架設した梁によって支持された薄膜可動電極、薄膜
固定電極及び薄膜可動電極をシリコン基板との間で封止
する封止部材を備え、薄膜可動電極は流路内に発生する
カルマン渦による圧力変動で振動し、この振動による薄
膜固定電極及び薄膜可動電極からなる容量の変動周波数
から流路内を流れる流体の流速を測定するものである。

【０００７】また、薄膜可動電極は複数である。

【０００８】また、封止部材は導電性材料で構成され、
封止部材に電圧を印加して薄膜可動電極の振動を制御す
るものである。

【０００９】また、シリコン基板、シリコン基板を貫通
し流路へ導通する複数の開口部、シリコン基板上に架設
され発熱するよう通電されている薄膜ヒータ、この薄膜
ヒータをシリコン基板との間で封止する封止部材を備
え、流路内に発生するカルマン渦の圧力変動によってシ
リコン基板と封止部材とによる空間内を交番する流れで
冷却される薄膜ヒータの加熱電流の変動周波数から流路
内を流れる流体の流速を測定するものである。

【００１０】また、複数の開口部の一方は流路内の上流
側に、他方は流路内の下流側に導通し、流路内に発生す
るカルマン渦の圧力変動によってシリコン基板と封止部
材とによる空間内を交番する流れに、流路内の主流の静
圧差によって空間内を流れる流れを重畳させるものであ
る。

【００１１】また、この発明に係る半導体カルマン渦流
量センサの製造方法は、シリコン基板を形成する工程、
シリコン基板上に薄膜固定電極を形成する工程、薄膜固
定電極上に犠牲層を形成する工程、犠牲層上に薄膜可動
電極を形成する工程、犠牲層を除去する工程、シリコン
基板を貫通して開口部を形成する工程、薄膜固定電極及
び薄膜可動電極をシリコン基板との間で封止する工程を
含むものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この発明
の実施の形態１による半導体カルマン渦流量センサを示
す斜視図である。図において、１はシリコン基板、２
ａ、２ｂはシリコン基板１の表面に形成された絶縁膜、
３は薄膜固定電極、４は薄膜固定電極３用のボンディン
グパッド、５は薄膜固定電極３の上部に支持梁７で架設
された薄膜可動電極、６は薄膜可動電極５用のボンディ
ングパッド、８は薄膜固定電極３及び薄膜可動電極５を
シリコン基板１との間で封止する封止部材である。

【００１３】また図２は、上記図１における封止部材
８、ボンディングパッド４、６を除いた状態での上面図
である。図において、９ａ、９ｂは流路へ導通する開口
部である。図では、開口部９ａ、９ｂが薄膜固定電極３
上に形成されているが、必ずしも薄膜固定電極３上に形
成される必要はない。

【００１４】また図３は、上記図１における半導体カル
マン渦流量センサの断面図である。図において、１０は
薄膜可動電極５の移動を抑制する突起部である。

【００１５】また図４は、上記図１における半導体カル
マン渦流量センサの設置位置を説明するための図であ
り、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）はの
Ａ−Ａにおける断面図である。図において、１１は測定
する流体が流れる流路、１２ａ、１２ｂは流路１１内に
カルマン渦１４を発生させる渦発生柱であり、渦発生柱
１２ａは断面が二等辺三角形状、渦発生柱１２ｂは断面
が等脚台形状で、それぞれ間隔を隔てて流路１１内の流
れ方向に垂直に挿入されている。上記図１における半導
体カルマン渦流量センサは、図５に示すように、渦発生
柱１２ｂの両側面に設けられた導通孔１３ａ、１３ｂと
開口部９ａ、９ｂとを導通管１５で連結して実装され
る。

【００１６】次に、図１から図５をもとに動作について
説明する。代表長さがｄの渦発生柱１２ａ、１２ｂによ
り、その側面近傍には流路１１内を流れる流体の流速ｕ
に比例した周波数ｆ（ｆ＝Ｓｔ・ｕ／ｄ、但しＳｔは定
数）でカルマン渦１４が発生する。この周波数ｆで渦発
生柱１２ｂの両脇に発生するカルマン渦１４によって、
導通孔１３ａと１３ｂとの間に差圧が生じ、この差圧
で、導圧管１５、開口部９ａ、９ｂを通じて流量センサ
内部に周波数ｆで交番する流れが発生する（図５矢
印）。この交番流れを受けて、薄膜可動電極５が支持梁
７を軸にして周波数ｆでねじり振動する。薄膜可動電極
５は、薄膜固定電極３ａ、３ｂとでそれぞれ容量Ｃ１、
Ｃ２を構成しており、ねじり振動による薄膜固定電極３
ａと薄膜可動電極５との距離、薄膜固定電極３ｂと薄膜
可動電極５との距離の変動によって容量Ｃ１、Ｃ２も変
動する。この容量Ｃ１、Ｃ２の変動周波数から、上記周
波数ｆを検出することで、上述の式から流速ｕを算出す
ることができる。

【００１７】なお、容量Ｃ１及びＣ２を構成する薄膜可
動電極５の一辺の長さは、約２００μｍ〜６００μｍ程
度である。また、測定する流量範囲によって薄膜可動電
極５の大きさを変更することで検出感度を調整すること
ができる。また、容量Ｃ１及びＣ２の電極間距離は、実
施の形態２で後述するように、製造段階で調整すること
ができ、例えば２μｍ〜５μｍ程度である。また、薄膜
固定電極３ａ、３ｂの電位を調整して薄膜可動電極５が
振動しないように制御するのが望ましい。

【００１８】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、薄膜可動電極５の振動を電気的に検出しているた
め、小型で高感度なカルマン渦流量センサを得ることが
できる。また、光学系の検出手段を使用しないので、低
コストなカルマン渦流量センサを得ることができる。

【００１９】実施の形態２．本実施の形態では、上記図
１に示した半導体カルマン渦流量センサの製造方法につ
いて説明する。図６は、この発明の実施の形態１による
半導体カルマン渦流量センサの製造方法を示す工程図で
ある。まず、シリコン基板1の表面に絶縁膜２ａ、２ｂ
を成膜し、さらに薄膜固定電極３ａ、３ｂとなる導電性
薄膜３を成膜する（図６（ａ））。ここで、絶縁膜２
ａ、２ｂは、シリコン基板1との電気的絶縁性、後述す
る犠牲層１００のエッチングにおける選択性、シリコン
異方性エッチングにおけるマスク性などの要件を満たす
材料であることが望ましく、例えば、厚さ２０００〜４
０００Å程度のＬＰＣＶＤによるシリコン窒化膜などが
良い。また、導電性薄膜３は、例えば、厚さ２０００〜
４０００Å程度のＬＰＣＶＤによるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が
良く、不純物拡散あるいはイオン注入などによって導体
化を行う。

【００２０】次に、導電性薄膜３を所定の形状にパター
ニングして薄膜固定電極３ａ、３ｂを形成した後（図６
（ｂ））、薄膜固定電極３ａ、３ｂ及び絶縁膜２ａを貫
通し、シリコン基板1に達する開口部９１ａ、９１ｂを
設ける（図６（ｃ））。

【００２１】次いで、後工程で選択的にエッチングされ
る犠牲層１００、薄膜可動電極５となる導電性薄膜を成
膜する（図６（ｄ））。ここで、犠牲層１００は、例え
ば、厚さ２〜３μｍ程度のＬＰＣＶＤによるＰＳＧ薄膜
などが良い。この犠牲層１００の厚さによって二つの電
極間の距離が決定される。また、導電性薄膜５は、例え
ば、導電性薄膜３と同じ成膜条件による厚さ１〜２μｍ
程度のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が好ましい。

【００２２】その後、絶縁膜２ｂに開口９２ａ、９２ｂ
を設け（図６（ｅ））、絶縁膜２ｂをマスクにして、Ｋ
ＯＨによるシリコン異方性エッチング及びＨＦによる犠
牲層１００のエッチングを行って、薄膜可動電極５をリ
リースする（図６（ｆ））。

【００２３】さらに、シリコン基板1とは別のシリコン
基板をあらかじめＫＯＨによる異方性エッチングによっ
て加工しておき、封止部材８を形成する。突起部１０
は、高濃度にドーピングした層をＫＯＨのエッチングス
トップ層として用いて形成する。最後に封止部材８とシ
リコン基板１とを接合する（図６（ｇ））。なお、封止
部材８としては、シリコン基板、ガラス、ＬＰＣＶＤに
よるシリコン窒化膜、パッケージなども利用することが
できる。また、特にチップレベルでは封止せず、外部の
検出回路などを含む回路基板全体を収容するパッケージ
を封止部材８として利用することもできる。

【００２４】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、流量センサの製造プロセスは、一般的なＭＯＳ集積
回路の製造プロセスと同様であるので、既存の半導体製
造ラインを利用して大量に生産でき、低コストなカルマ
ン渦流量センサを得ることができる。

【００２５】実施の形態３．図７は、この発明の実施の
形態３による半導体カルマン渦流量センサを示す斜視図
である。また図８は、上記図７における半導体カルマン
渦流量センサの断面図である。

【００２６】本実施の形態が上記実施の形態１と異なる
点は、図に示すように、薄膜可動電極５を、５ａ、５ｂ
と２個に分離した点である。薄膜固定電極３aと薄膜可
動電極５ａとで容量Ｃ１、薄膜固定電極３ｂと薄膜可動
電極５ｂとで容量Ｃ２が構成されている。薄膜可動電極
５ａ、５ｂは、上記実施の形態１のようにねじり振動で
はなく、それぞれの薄膜可動電極が図８に示す矢印のご
とく上下方向に振動する。

【００２７】上記実施の形態１の場合、薄膜可動電極５
は１本の支持梁７で支持され、それを軸に薄膜可動電極
５がねじり振動をするので、ねじり振動を安定させるた
めにシリコン基板表面に梁の変位を抑える突起部１０を
設けるのが望ましいが、本実施の形態のような構成にす
れば、ねじり振動ではないので、軸を安定させるための
構造は不要である。

【００２８】なお、薄膜可動電極の一辺の長さは例えば
２００μｍ〜６００μｍ程度であり、測定する流量範囲
によって薄膜可動電極の大きさを変更することで検出感
度を調整することは、上記実施の形態１と同様である。

【００２９】実施の形態４．図９は、この発明の実施の
形態４による半導体カルマン渦流量センサを示す断面図
である。封止部材８として導電性薄膜を用いた点以外は
上記実施の形態１と同様である。封止部材８として用い
る導電性薄膜としては、例えば、厚さ２μｍ程度のＬＰ
ＣＶＤによるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜などが良い。このような
構造は、上記実施の形態２で説明したプロセスとほぼ同
じプロセスで製造できる。即ち、図６（ｅ）と図６
（ｆ）との間に、犠牲層１００をシリコン基板１との間
に封止する部材８として導電性薄膜を成膜するプロセス
を追加すれば良い。その後、図６（ｅ）のプロセスで形
成した開口からエッチャントを導入して図６（ｆ）のよ
うに犠牲層１００のエッチングをすれば良い。

【００３０】このように封止部材８として導電性薄膜を
用いることの利点は、これを薄膜可動電極５の振動を制
御する電極として利用できることである。即ち、導電性
薄膜からなる封止部材８に電圧を印加して静電力を加え
ることによって、薄膜可動電極５の振動を制御すること
ができる。また、この機能を利用して、センサチップの
自己診断を行うことができる。

【００３１】なお、図９（ｂ）に示すように、この実施
の形態４の構成を、上記実施の形態３の構成に適用して
も良いことは言うまでもない。

【００３２】実施の形態５．図１０は、この発明の実施
の形態５による半導体カルマン渦流量センサを示す断面
図である。図において、１６は薄膜ヒータであり、例え
ばｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が望ましい。薄膜ヒータ１６を含め
てブリッジ回路を構成し、これに通電することによっ
て、１５０℃程度の温度で発熱するように制御する。流
路１１内の主流の流速uに比例したカルマン周波数fで交
番する流れによって、薄膜ヒータ１６が冷却されると、
これを一定温度に保つために回路に供給される加熱電流
も周波数fで変動する。この周波数fを検出することによ
って、上記実施の形態１のように主流の流速ｕを算出す
ることができる。

【００３３】実施の形態６．図１１は、この発明の実施
の形態６による半導体カルマン渦流量センサを示す図で
あり、図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）は図１１
（ａ）のＢ−Ｂにおける断面図である。図において、１
３１は流路１１内の上流側に位置する上流側導圧孔、１
３２は上流側導圧孔１３１より下流側の渦発生柱１２ｂ
内に位置する下流側導圧孔である。上流側導圧孔１３１
は導通管１５を介して、上記図１１における半導体カル
マン渦流量センサの開口部９ａに接続され、同様に、下
流側導圧孔１３２は導通管１５を介して開口部９ｂに接
続されている。

【００３４】上記実施の形態５のように、薄膜ヒータ１
６を用いた熱式の測定方法を採用した場合、広い流量範
囲にわたって検出感度を高くするために、主流の静圧差
によって、上流側導圧孔１３１から下流側導圧孔１３２
に向かって導圧管１５内を流れる流れを、カルマン渦１
４による差圧によって導圧管１５内に生じる流れに重畳
させることにより、さらに薄膜ヒータ１６の感度を高め
ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、シリコン基板、このシリコン基板の表面に形成さ
れた複数の薄膜固定電極、シリコン基板を貫通し流路へ
導通する複数の開口部、薄膜固定電極上に架設した梁に
よって支持された薄膜可動電極、薄膜固定電極及び薄膜
可動電極をシリコン基板との間で封止する封止部材を備
え、薄膜可動電極は流路内に発生するカルマン渦による
圧力変動で振動し、この振動による薄膜固定電極及び薄
膜可動電極からなる容量の変動周波数から流路内を流れ
る流体の流速を測定するので、小型で、高感度、高速応
答の半導体カルマン渦流量センサを得る効果がある。

【００３６】また、請求項２記載の発明によれば、薄膜
可動電極は複数であるので、薄膜可動電極はねじり振動
せず、軸を安定させるための構造は不要であり、簡便な
構成にできる効果が得られる。

【００３７】また、請求項３記載の発明によれば、封止
部材は導電性材料で構成され、封止部材に電圧を印加し
て薄膜可動電極の振動を制御するので、高感度、高速応
答の半導体カルマン渦流量センサを得る効果がある。

【００３８】また、請求項４記載の発明によれば、シリ
コン基板、シリコン基板を貫通し流路へ導通する複数の
開口部、シリコン基板上に架設され発熱するよう通電さ
れている薄膜ヒータ、この薄膜ヒータをシリコン基板と
の間で封止する封止部材を備え、流路内に発生するカル
マン渦の圧力変動によってシリコン基板と封止部材とに
よる空間内を交番する流れで冷却される薄膜ヒータの加
熱電流の変動周波数から流路内を流れる流体の流速を測
定するので、小型で、高感度、高速応答の半導体カルマ
ン渦流量センサを得る効果がある。

【００３９】また、請求項５記載の発明によれば、複数
の開口部の一方は流路内の上流側に、他方は流路内の下
流側に導通し、流路内に発生するカルマン渦の圧力変動
によってシリコン基板と封止部材とによる空間内を交番
する流れに、流路内の主流の静圧差によって空間内を流
れる流れを重畳させるので、請求項４記載の半導体カル
マン渦流量センサをさらに高感度に提供できる効果が得
られる。

【００４０】また、請求項６記載の発明によれば、シリ
コン基板を形成する工程、シリコン基板上に薄膜固定電
極を形成する工程、薄膜固定電極上に犠牲層を形成する
工程、犠牲層上に薄膜可動電極を形成する工程、犠牲層
を除去する工程、シリコン基板を貫通して開口部を形成
する工程、薄膜固定電極及び薄膜可動電極をシリコン基
板との間で封止する工程を含むので、従来の半導体集積
回路の製造プロセスと同様のプロセスで大量生産するこ
とができ、安価な流量センサを提供できる効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す斜視図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す上面図である。

【図３】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサの設置位置を示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサの実装方法を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態１による半導体カルマ
ン渦流量センサの製造方法を示す図である。

【図７】 この発明の実施の形態３による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す斜視図である。

【図８】 この発明の実施の形態３による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す断面図である。

【図９】 この発明の実施の形態４による半導体カルマ
ン渦流量センサを示す断面図である。

【図１０】 この発明の実施の形態５による半導体カル
マン渦流量センサを示す断面図である。

【図１１】 この発明の実施の形態６による半導体カル
マン渦流量センサを示す上面図及び断面図である。

【図１２】 従来のカルマン渦流量センサを示す断面図
である。

【符号の説明】

１ シリコン基板、２ａ、２ｂ 絶縁膜、３ａ、３ｂ
薄膜固定電極、４ ボンディングパッド、５ 薄膜可動
電極、６ ボンディングパッド、７ 支持梁、８封止部
材、９ａ、９ｂ 開口部、１０ 突起部、１１ 流路、
１２ａ、１２ｂ渦発生柱、１３ 導圧孔、１５ 導通
管、１６ 薄膜ヒータ、１００ 犠牲層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板、このシリコン基板の表面
   に形成された複数の薄膜固定電極、上記シリコン基板を
   貫通し流路へ導通する複数の開口部、上記薄膜固定電極
   上に架設した梁によって支持された薄膜可動電極、上記
   薄膜固定電極及び上記薄膜可動電極を上記シリコン基板
   との間で封止する封止部材を備え、上記薄膜可動電極は
   上記流路内に発生するカルマン渦による圧力変動で振動
   し、この振動による上記薄膜固定電極及び上記薄膜可動
   電極からなる容量の変動周波数から上記流路内を流れる
   流体の流速を測定することを特徴とする半導体カルマン
   渦流量センサ。
2. 【請求項２】 薄膜可動電極は複数であることを特徴と
   する請求項１記載の半導体カルマン渦流量センサ。
3. 【請求項３】 封止部材は導電性材料で構成され、上記
   封止部材に電圧を印加して薄膜可動電極の振動を制御す
   ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体カル
   マン渦流量センサ。
4. 【請求項４】 シリコン基板、上記シリコン基板を貫通
   し流路へ導通する複数の開口部、上記シリコン基板上に
   架設され発熱するよう通電されている薄膜ヒータ、この
   薄膜ヒータを上記シリコン基板との間で封止する封止部
   材を備え、上記流路内に発生するカルマン渦の圧力変動
   によって上記シリコン基板と上記封止部材とによる空間
   内を交番する流れで冷却される上記薄膜ヒータの加熱電
   流の変動周波数から上記流路内を流れる流体の流速を測
   定することを特徴とする半導体カルマン渦流量センサ。
5. 【請求項５】 複数の開口部の一方は流路内の上流側
   に、他方は流路内の下流側に導通し、上記流路内に発生
   するカルマン渦の圧力変動によってシリコン基板と封止
   部材とによる空間内を交番する流れに、上記流路内の主
   流の静圧差によって上記空間内を流れる流れを重畳させ
   ることを特徴とする請求項４記載の半導体カルマン渦流
   量センサ。
6. 【請求項６】 シリコン基板を形成する工程、上記シリ
   コン基板上に薄膜固定電極を形成する工程、上記薄膜固
   定電極上に犠牲層を形成する工程、上記犠牲層上に薄膜
   可動電極を形成する工程、上記犠牲層を除去する工程、
   上記シリコン基板を貫通して開口部を形成する工程、上
   記薄膜固定電極及び上記薄膜可動電極を上記シリコン基
   板との間で封止する工程を含むことを特徴とする半導体
   カルマン渦流量センサの製造方法。