KR20040066801A - 유량계용 압력 감지 장치 - Google Patents

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KR20040066801A KR10-2004-7006615A KR20047006615A KR20040066801A KR 20040066801 A KR20040066801 A KR 20040066801A KR 20047006615 A KR20047006615 A KR 20047006615A KR 20040066801 A KR20040066801 A KR 20040066801A
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Abstract

개선된 유량계 판(6, 7)은 부드러운 표면(12)과 간섭하지 않는 단일체식으로 일체화된 미니어추어 압력 센서를 갖는 부드러운 감지 표면(12)을 포함한다. 부드러운 표면에 의해 형성된 압력 감지 다이어프램은 판들(16, 17) 사이에서 전단된 재료의 방해받지 않은 국부적 압력을 측정하기 위해 표면에 대한 국부적 압력에 응답하여 편향된다. 압력 센서는 현저히 작아서 측정된 압력이 판의 크기에 비해 현저히 국부적인 특성을 갖는다고 생각된다. 수직 응력 차이 및 유체의 점성은 그에 따라 측정된다. 멤브레인(10)은 웰(13) 위의 멤브레인(10)의 편향을 측정하기 위해 웰(13) 내에 위치된 압력 센서를 갖는 리세스(13) 또는 복수개의 웰을 덮는다. 축전기 또는 다른 센서가 사용될 수도 있다. 유량계 판은 가변적 크기의 슬릿을 갖는 슬릿 유량계의 일부로서 이용될 수 있다.

Description

유량계용 압력 감지 장치 {PRESSURE SENSING DEVICE FOR RHEOMETERS}
수직 응력 차이와 점도는 이러한 액체의 효율적인 처리를 위하여 특징되고 고려될 필요가 있는 플라스틱과 다른 액체의 중요한 성질이다. 수직 응력 차이를 측정하는 한가지 방법은 유량계 판에 대해 전단 상태 하에서 유체의 국부 압력을 측정하는 것이다. 유체는 하나의 정지판과 회전 원추 또는 판 사이에서 전단된다. 정지판은 전단되는 액체의 수직 응력 차이에 응답하여 편향하는 스프링에 연결된다. 하지만, 이러한 방법으로는, 스프링의 편향이 정지판과 회전 원추 사이의 간극을 변화시키게 하는 결과를 낳는다. 정확한 측정을 위하여, 이러한 간극은 측정하는 동안 일정하게 유지되어야 한다. 간극에서의 변화를 최소화하도록, 실질적으로 강성 스프링이 채용되어 왔다. 하지만, 강성 스프링은 작은 편향의 정확한 검출을 위하여 매우 정교한 검출 회로를 요구한다. 서보 시스템이 자동으로 편향을 보상하도록 채용될 수도 있다. 하지만, 서보 시스템의 피드백 제어의 유한 응답시간은 특히 동적 제어 시스템 하에서 불확정의 근원이다. 검출 회로의 정확도는 스프링의 편향 량을 결정하는 유량계 판의 최소 크기에 대한 한계를 설정한다. 다시 말해, 수직 응력 차이 측정의 정확도는 판의 크기와 검출 회로 정확도에 의존한다.
다르게는, 스프링 장착 유량계 판을 사용하고, 판에 대한 액체의 압력 하에서 판의 변위를 측정하기보다는, 2개 이상의 압력 센서가 부착된 고정 유량계 판이 압력 센서가 위치되는 판의 위치에서 전단시 액체에 의해 가해진 압력을 측정하도록 사용될 수 있다. 이러한 다른 방법은 라마챠드란, 에스.(Ramachadran, S.)와 이.비. 크리아티안센(E.B. Chriatiansen)의 AIChe지(1985년) 31호 162페이지와, 백성기 박사 학위 논문(유타 대학, 1991년) 및 에스.지. 백(S.G. Baek), 제이제이마그다(J,J, Magda), 에스. 세멘트왈라(S. Cementwala)의 유변학지 1993년 37(5)호 935페이지에 개시된다. 이러한 참조 문헌에서 설명된 바와 같이, 개개의 압력 변환기는 정지판에 장착된다. 하지만, 개개의 압력 변환기의 감지 다이어프램은 다르게 생성된 조도로 인해 유동을 교란시키지 않도록 정지면에 인접하여 장착되어야 한다. 이에 따라, 개개의 변환기의 장착은 표면 조도를 최소화하도록 조심스럽게 행해져야 한다. 하지만, 센서가 표면에 개별적으로 장착되게 하면서 이러한 표면 조도를 완전하게 제거하는 것은 일반적으로 불가능하여서 조도로부터의 약간의 영향이 항상 존재하게 된다.
상기 설명된 유량계 타입에서는, 원추와 판 사이의 정확한 거리를 설정하고 측정하는 동안 이를 유지시키는 것이 정확도에 있어서 중요하다. 현재의 유량계에서는 이 거리가 기계적으로 설정된다. 먼저, 원추가 판과 접촉할 때까지 하강한다. 이후, 원추는 간극에 대한 접촉 지점으로부터 특정 거리만큼 상승된다. 하지만, 현재의 유량계는 측정하는 동안 원추의 위치를 감시할 어떠한 수단도 제공하지 않는다.
측정될 액체에 전단을 생성시키는 회전 원추를 갖춘 유량계 판을 사용하는 대신에, 액체는 유동 통로를 통해 가압될 수 있고, 이 통로의 벽 상에 가해진 압력은 유량계 판 상에서의 압력과 유사하게 측정된다. 일반적으로, 액체는 설정 치수를 갖는 통로를 통해 가압되고, 이 통로의 벽에 대해 가해진 압력은 벽에 설치된 압력 변환기에 의해 측정된다. 다시 한번 말해, 벽을 가능한 한 매끄럽게 유지시키는 것이 중요하다. 설정 치수를 갖는 유동 통로를 사용하여 액체의 겉보기 점도의 측정을 제공할 수 있다. 이후에, 액체가 상이한 설정 치수의 유동 통로를 갖춘 제2 장치를 통해 가압되면, 얻어진 압력 측정은 제1 측정과 비교될 수 있고 정확한 점도가 계산된다.
미국 특허번호 제5,983,727호는 장치의 표면에 대한 액체의 압력을 측정하기 위한 장치를 개시한다. 장치는 그 내부에 리세스를 갖춘 장착 구조를 구비한다. 탄성 멤브레인은 리세스에 걸쳐서 연장되고, 적어도 하나의 변환기가 멤브레인 상의 선택된 복수의 영역에서 멤브레인의 편향을 검출하기 위해 리세스 내에 장착된다. 하지만, 상대적으로 복잡한 센서는 멤브레인 상의 복수의 구역에서의 편향을 측정하거나 또는 멤브레인의 다양한 구역을 측정하는 동일한 리세스 내에서 몇몇 센서에 의해 행해진 측정을 분리할 필요가 있다.
본 출원은 2001년 10월 31일자로 제출된 가출원번호 제60/335,375호("유량계용 압력 감지 장치")의 이점을 주장한다.
본 발명은 압력 측정 장치에 관한 것이며, 특히 전단 및 제한 유동을 하는 동안 유체의 국부 압력을 측정하기 위한 유량계 판과 같은 장치에 관한 것이다.
도1은 판의 부드러운 액체 접촉면은 임의로 상부면으로 고려되고, 판이 투명한 것처럼 조립된 유량계 판의 다양한 내부 부품을 도시한 본 발명의 조립된 유량계 판의 상부 평면도이다.
도2는 도1의 선 2-2를 따라 취한 부분 수직 단면도이다.
도3은 도1의 선 3-3을 따라 취한 부분 수직 단면도이다.
도4는 도1의 선 4-4를 따라 취한 부분 수직 단면도이다.
도5는 도1의 유량계 판의 하부 웨이퍼 또는 기판의 상부 평면도이다.
도6은 도1의 유량계 판의 상부 웨이퍼 또는 기판의 하부 평면도이다.
도7은 도1과 유사하지만 유량계 판의 다른 형상을 도시한 상부 평면도이다.
도8은 도2의 수직 단면도와 유사하지만 센서 구조의 상이한 실시예를 도시한 부분 수직 단면도이다.
도9는 도2의 수직 단면도와 유사하지만 판 구조의 상이한 실시예를 도시한 부분 수직 단면도이다.
도10은 도2의 수직 단면도와 유사하지만 센서 구조의 상이한 실시예를 도시한 부분 수직 단면도이다.
도11은 콘(cone)과 유량계 판 사이에서 테스트된 샘플과 유량계 판으로부터 이격된 콘을 구비하여 본 발명의 유량계 판이 사용되는 방법을 도시하고 본 발명의유량계 판을 사용한 유량계의 개략 측 정면도이다.
도12는 그 일부로서 본 발명의 유량계 판을 구비한 슬릿 유량계의 사시도이다.
도13은 도12의 슬릿 유량계의 수직 단면도이다.
도14는 슬릿 유량계의 상이한 실시예의 상부 평면도이다.
도15는 도14의 슬릿 유량계의 수직 단면도이다.
본 발명에 따르면, 유량계 판의 표면 조도는 유량계 판에 단일 칩으로 집적된 압력 변환기를 제공함에 의해서 사실상 제거될 수 있다. 판은 측정될 압력을 발생시키는 액체가 작용하는 단일의 사실상 매끄러운 표면을 형성한다. 이러한 구성으로, 법선 스트레스 차이 측정의 정확도는 판의 크기가 아닌 변환기의 해상도에만 의존한다. 이는 또한 법선 스트레스 차이 측정을 위한 더 작은 판의 채택을 허용한다. 더 작은 판로서, 파괴의 낮은 경향 및 더 작은 원심력에 의한 유동 불안정의 억제된 개시 때문에 더 높은 시어 비율(shear rate)이 입수될 수 있다. 또한, 더 작은 양의 샘플이 요구된다.
미세 제조 기술 및 미세 가공 공정의 발전은 감도가 높은 고상 용량성 압력 변환기 및 판독 회로의 소형화를 가능하게 한다. 용량형 압력 변환기는 축전기의 치수(갭, 크기) 및 편향 멤브레인의 강성을 변경함에 의해서 넓은 범위의 감도를 갖도록 제조될 수 있다. 판독 회로는 중요한 구성 부품이고 용량 측정에 대한 다음의 3가지 접근법인, J. M. McCreary 및 D. A. Sealer, 집적 회로 축전기 어레이용 정밀 축전기 측정 기술, IEEE Trans. Instrum. 및 Meas., Vol. IM-28, pp 11-17, 3월 1979년, 및 와타나베 및 G. C. Temes, 스위치 형성 축전기 디지탈 용량 브리지, IEEE Trans. Instrum. 및 Meas., Vol. IM-33, pp. 247-251, 12월, 1984에 설명된 용량 브릿지와; F. Krummenacher의 고 해상도 용량 주파수 변환기, 고상 회로의 IEEE 저널, Vol. SC-20, No.3, 6월, 1985년 및 M. Smith, L. Bowman, 및 J. Meindl의 용량 압력 센서 IC의 해석, 설계 및 성능, IEEE Trans. Biomedical Eng.,Vol. BME-33, No. 2, pp. 163-174, 2월, 1986년에 설명된 경감 오실레이터와; G. J. Y도, I. Dendo 및 W. H. Ko, 용량 변환기용 스위치 형성 축전기 인터페이스 회로, 변환기 5, pp. 60-63, 6월, 1985년에 설명된 스위치 형성 축전기가 있다. 이 인용된 참조 문헌이 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 유량계 판은 공동을 넘어서 부드러운 표면에 인가된 압력에 응답하여 약간 변형하는 공동의 단부를 형성하기 위하여 판의 매끄러운 측정 표면은 공동을 넘어서 연장하도록 그 내부에 형성된 복수의 공동을 포함한다. 공동의 단부의 변형의 측정을 제공하고 이에 의해서 공동을 넘어서 표면에 대항하는 시험 하에서 액체에 의해 인가되는 압력의 측정을 제공하기 위해서 각각의 공동 내에 단일의 단순한 용량 압력 센서가 형성된다. 공동 및 그러므로 압력 센서는 판을 사용하여 수행될 특정 시험을 위해 원하는 측정을 제공하도록 선택된 이러한 위치 및 공동의 수를 갖는 판에 걸쳐서 위치된다. 판은 함께 고정된 2층 이상의 재료로 형성될 수도 있고 원하는 공동 및 센서를 형성하도록 제조될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 제조 방법은 표면 미세 기계 가공 또는 체적(bulk) 미세 기계 가공 중 하나 또는 이들의 결합이다. 체적 미세 기계 가공을 이용하는 바람직한 방법은 탄성 재료의 판 또는 멤브레인을 사용하는 것이다. 바람직한 방법에서, 적어도 2개의 웰(well)이 화학 에칭 또는 플라즈마 에칭 또는 이들의 결합에 의해서 판 또는 멤브레인 내에 형성된다. 웰을 갖는 멤브레인은 웰이 판에 공동을 생성하도록 기판과 더 결합된다. 용량식 압력 센서는 각각의 공동에 형성된다.멤브레인은, 원하다면, 센서의 감도를 조정하기 위해서 화학적 에칭, 플라즈마 에칭, 화학적 또는 기계적 연마(CMP) 또는 이들의 결합에 의해서 더욱 얇게 된다. 표면 미세 기계 가공으로, 각각의 압력 센서는 기판 상에 직접 형성된다. 이 경우, 그러나, 평탄화가 판의 액체 접촉 측의 충분한 조도를 확보하기 위해서 필요하다.
다른 바람직한 방법은 화학적 에칭, 플라즈마 에칭 또는 이들의 결합에 의해서 바닥 표면에 적어도 2개의 웰을 형성하는 것이다. 기판은 웰이 판 내에 공동을 생성하도록 평평한 상부 판 또는 멤브레인과 더 결합된다. 용량성 변환기는 각각의 공동에 형성된다. 결합 후, 판은 감도를 조절하기 위해서 화학적 에칭, 플라즈마 에칭, 전기화학적 에칭, 화학적 또는 기계적 연마(CMP) 또는 이들의 결합에 의해서 더욱 얇게 된다.
표면 미세 기계 가공을 이용하는 바람직한 방법은 기판 상에 적어도 2개의 웰을 형성하는 것이다. 각각의 웰은 도전체를 형성하고, 도전체는 축전기의 바닥 반부를 형성한다. 축전기의 상부 반부는 희생층을 개재시킨 상태에서 축전기의 바닥 반부의 상부에 도전체를 배치함으로써 제조된다. 희생층은 공동을 형성하도록 화학적 에칭 또는 플라즈마 에칭에 의해서 더 제거된다. 그런 후, 기판은 평탄화를 위해서 균일하게 더 코팅된다.
본 발명의 유량계 판은 측정될 시어를 발생시키기 위한 회전 원추부와 접합된 고정 판로서 이용될 수도 있고, 슬릿 유량계 장치의 통로의 벽으로서 이용될 수도 있다. 덧붙여, 본 발명은 또한 2 이상의 장치 사이에 스위치를 갖는 것보다 단일 장치를 사용하여 정확한 점도가 측정될 수 있도록 변화하는 치수를 제공하기 위해서 복수의 단차를 갖는 슬릿 또는 유로를 갖는 신규한 소형 슬릿 유량계 장치를 또한 포함한다.
유량계 판은 접촉의 지점이 별도로 측정될 필요가 없도록 판에 대한 원추부의 위치를 전자적으로 검출하는 근접 또는 거리 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 측정 동안의 원추부의 위치를 더욱 연속적으로 검사할 수 있고, 이는 측정의 정확도를 크게 개선할 것이다.
본 발명의 주요 목적은 과거의 통례에서 요구되는 바와 같이 압력 변환기의 스트립 또는 개별 압력 변환기의 단차를 없애기 위하여 단일 칩 상에 집적된 압력 센서를 갖춘 유량계 판을 제공하는 것이다. 이는 판에 대해 액체에 의해 가해지는 압력에 영향을 미치지 않는 매끄러운 표면의 판을 제공한다. 더욱이, 압력 측정 센서의 소형화는 유량계 센서의 소형화를 허용한다. 온-칩(On-chip) 또는 온칩에 가까운 판독 회로, 아날로그 디지털 변환기(ADC), 호스트 프로세스 제어기와의 통신을 위한 입력/출력 인터페이스(I/O) 및 필요에 따라 호스트 프로세스 제어기와의 무선 통신을 위한 원격 계측(telemetry) 회로가 노이즈 대 신호비를 감소시키기 위해 측정 정확도를 향상시키도록 제공될 수도 있다. 온도 센서가 온도 변화를 측정하기 위해서 유량계 판 내에 포함될 수도 있고, 복수의 온도 센서가 판에 따른 온도 구배를 측정하도록 배열될 수도 있다. 또한, 근접 센서가 유량계 판과 원추부 사이의 갭을 검출하여 연속적으로 감사하도록 유량계 판 내에 포함될 수도 있다. 추가적인 온칩 데이터 분석 회로 및 시스템이 또한 제공될 수도 있다.
본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 방법은 첨부된 도면으로 설명된다.
정확한 수직 응력차를 측정하기 위해 우수하게 한정된 평온한 상태에서 액체의 국부 압력을 측정하기 위해, 압력 센서 위치에서의 압력을 측정하기 위해 판에 이격된 복수의 센서를 갖고 액체가 작용하는 부드러운 유량계 판을 갖는 것이 바람직하다. 액체가 작용할 수 있는 부드러운 평면을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 유량계 판은 판의 부드러운 표면을 유지하기 위해 예로써 실리콘 웨이퍼에 의해 형성되는 멤브레인을 사용하여 구성되고, 단일체식으로 일체화된 압력 센서를 포함한다. 전기용량 압력 센서를 구비한 본 발명의 유량계 판의 실시예가 도1 내지 도6에 도시된다. 단일체식으로 구성된 판은 멤브레인(10)의 상부 웨이퍼(도2 내지 도4) 및 하부 웨이퍼 또는 기판(11)을 포함한다. 상부 멤브레인(10)은 바람직하게는 그의 하부측에 복수의 웰 또는 리세스(13)를 형성하도록 처리되고 부드러운 상부면(12)을 갖는 실리콘 웨이퍼이고, 이는 웰 또는 리세스(13)에 대해 상부 멤브레인 재료의 박형 탄성 부분(13)을 그 사이의 두꺼운 지지 부분(15)에 제공한다. 화학 에칭제 또는 플라즈마 에칭제 또는 그의 조합에 의해 제어되는 방식으로 웰을형성하기 위해 에칭될 수 있는 실리콘 이외의 갈륨 아스나이드와 같은 다양한 재료가 상부 웨이퍼용으로 사용될 수 있다. 측정되는 액체에 따라, 액체와 표면 사이의 화학적 또는 물리적 상호작용에 견디거나 및/또는 액체에 의해 표면의 마모에 견디는 재료로 상부 부드러운 표면(12)을 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 하부 웨이퍼(11)는 코닝 파이렉스 웨이퍼 넘버7740 또는 스코트 코포레이션으로부터의 보로플로트 웨이퍼와 같은 유리 재료로 형성될 수 있다. 하부 웨이퍼를 형성하는 재료는 미세전자화학 시스템(MEMS) 또는 반도체의 기판으로 사용되기에 충분한 강성이 있어야 한다.
얇은 섹션(14)은 상부 웨이퍼(10)의 얇은 섹션(14)의 부드러운 표면(12)에 대해 국부 평온 압력과 반응해서 조금 편향되거나 또는 변형되기에 충분히 탄성적이다. 얇은 섹션(14)의 편향 또는 변형을 감지하고 측정하기 위해, 축전기는 상부와 하부 웨이퍼가 결합될 때 리세스(13)의 대향 단부에서 하부 유리 웨이퍼(11)에 장착된 다른 축전기 판(16)과 관련하여 리세스(13) 내측의 얇은 섹션(14)에 장착된 축전기 판(16)에 의해 각각의 리세스 또는 웰(13)에 형성된다. 웨이퍼가 결합될 때, 웰은 결합된 웨이퍼에 의해 형성된 판에 공동을 생성한다. 얇은 섹션(14)의 편향에서의 변화는 축전기 판(16, 17) 사이의 거리를 변화시켜서 축전기 판에 의해 형성된 축전기의 전기용량을 변화시킨다. 각각의 이러한 축전기의 전기용량에서의 변화 및 전기용량을 측정함으로써, 얇은 섹션(14)의 각각의 측정 표면의 편향이 측정된다. 이로부터, 각각의 얇은 섹션(14)에 액체에 의해 가해진 압력은 편향이 그로 인해 발생되기 때문에 결정되고 액체에 의해 박형 부분에 가해진 압력에 비례한다.
상부 웨이퍼(10)의 웰(13)은 리세스 또는 웰(13)을 형성하기 위해 습윤 화학 에칭 또는 건조 플라즈마 에칭 또는 그들의 조합에 의해 따르는 사진석판술 처리를 사용하여 형성될 수 있다. 일단 웰이 형성되면, 도1, 도3, 도4 및 도6에서 각각의 접촉 패드(18)와 연결하기 위한 각각의 축전기 판(16)으로부터 연장된 축전기, 접촉 패드(18) 및 도선(19)의 판(16)을 형성하는 도전성 필름은 상부 웨이퍼(10)의 하부 표면에 증착된다. 도3 및 도4의 유전체층(20)은 원하면 얇은 섹션(14)과 축전기 판(16) 사이에 절연을 목적으로 형성될 수 있다. 유전체층(20)이 축전기 판(16)의 증착 전에 상부 웨이퍼(10)의 얇은 섹션(14) 위에 형성되는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 도시되진 않았지만, 상부 웨이퍼의 하부측 위에 증착된 다른 부품 및 다양한 도선으로부터 웨이퍼의 실리콘을 절연하도록 상부 웨이퍼(10)의 전체 하부측을 덮는 유전체층(20)을 형성하는 것이 바람직하다. 도1 내지 도6의 실시예에서, 4개의 축전기 판(16)의 세트는 도1 및 도6의 각각의 접촉 패드(18)에 각각의 도선(19)에 의해 평행하게 모두 연결된다.
축전기 판(16)을 측정 회로에 연결하기 위해, 연결 구멍(21)이 도4의 하부 웨이퍼(11)를 통해 제공된다. 와이어 도선이 접촉 패드(18)에 공지된 방식으로 연결될 수 있고 적절한 구멍(21)을 통해 외부 회로로 통과할 수 있지만, 바람직하게는, 도시된 바와 같이, 구멍(21)은 두 개가 결합될 때 상부 웨이퍼의 접촉 패드(18)와 전기 접촉을 형성하는 하부 웨이퍼(11)의 내부 표면의 접점(23)을 형성하는 도전성 재료(22)로 도금된다. 도금은 또한 와이어 또는 다른 도선이 원하는회로에 연결되도록 연결되는 하부 웨이퍼(11)의 하부에 전기 접촉 패드(24)를 형성한다. 유량계 판의 제조시, 하부 웨이퍼(11)의 내부 표면에 도전성 재료(22)와 접점(23)의 증착은 상부와 하부 웨이퍼를 결합하기 전에 행해지고, 스퍼터링에 의한 것과 같은 추가적인 도전성 재료의 증착은 하부 웨이퍼(11)의 하부에 접촉 패드(24)를 형성하고 접촉 패드(18)에 우수한 전기 연결을 보증하도록 접촉 패드(18) 위 및 구멍(21)에 추가적인 도전성 재료를 증착시키기 위해 웨이퍼들을 결합한 후에 행해진다.
각 축전기 판(17)으로부터 연장하는 리드선(25)을 따라서 바닥 웨이퍼(11) 상에 축전기 판(17)을 형성하는, 도전성 필름이 바닥 웨이퍼(11)의 내부 표면 상에 증착된다. 리드선(25)은 구멍(21)과 유사하게, 구멍(27)의 내부 접촉부(26)와 연결된다. 구멍(27)은 내측 도전성 재료(28) 및 외측 접촉 패드(29)를 가진다. 도1 및 도5에서, 각각의 축전기 판(17)은 개별적으로 리드선(25)에 의해 개별적인 구멍(27)에 연결된다. 또한, 접촉 패드(30)가 리드선(25)의 단부 및 접촉부(26)와 전기적인 접촉을 이루어 서로간의 양호한 전기적 접촉을 보장하기 위해 위치된 상단 웨이퍼(10) 상에 제공될 수 있다.
전기적 접지 도전체(35)가 구멍(21)과 유사하게, 구멍(37)의 내부 접촉부(36)로부터 연장한다. 또한, 접촉 패드(38)가 도전체(35)의 단부 및 접촉부(36)와 전기적인 접촉을 이루어 서로간의 양호한 전기적 접촉을 보장하기 위해 위치된 상단 웨이퍼(10) 상에 제공될 수 있다. 접지 도전체의 존재는 장치 내의 전기적 노이즈를 감소시킨다.
또한, 기준 축전기(40)에 각각의 구멍(44)의 각각의 접촉부(43)에 연결되는 리드선(41, 42)이 제공되는 것이 일반적으로 바람직하다. 본 실시예의 바닥판(11)의 내측 표면 상에서 볼 수 있는 바와 같이, 기준 축전기(40)는 판들 중 어느 하나 상에 증착된 유전체 층을 사이에 구비하는 한 쌍의 축전기 판으로 구성될 것이다. 선택적으로, 기준 축전기의 일 부분은 바닥 웨이퍼의 내측 표면 상에, 다른 부분은 상단 웨이퍼의 하부측 상에 증착될 수 있다. 또한, 접촉 패드(45)가 리드선(41, 42)의 단부 및 각 접촉부(43)와 전기적인 접촉을 이루어 서로간의 양호한 전기적 접촉을 보장하기 위해 위치된 상단 웨이퍼(10) 상에 제공될 수 있다. 기준 축전기의 전기 용량은 유체 압력 변화에 따라 변화되는 상태에 놓이는 것이 아니라, 장치 내의 온도 변화로 인한 전기 용량의 변화를 참조하여 작용하도록 전기 용량 센서와 동일한 온도 변화 상태에 놓이게 된다.
얇은 섹션(14)의 운동에 따른 리세스 또는 웰(13) 내의 압력의 변화를 방지하기 위해서, 도1, 도2 및 도5에서와 같이, 바닥 유리 웨이퍼(11)는 모든 웰(13)을 대기 중으로 연결된 공기 구멍(51)과 연결하는 공기 통로(50)를 포함할 수 있다.
액체의 점성은 일반적으로 액체의 온도에 따라 변화한다. 많은 예에서, 시험된 시료 액체는 상승된 온도 하에 있고 상이한 온도가 시료의 상이한 부분에 존재할 수 있다. 유량계 판의 온도 및 상기 판 내의 소정의 온도 구배를 측정함으로써 측정의 정확도의 증가가 이루어질 수 있다. 판의 온도는 전체적으로 온도 센서의 위치에서의 판과 접촉하는 시료의 온도를 나타낸다. 열전대, 서미스터, 트랜지스터 등과 같은 다양한 유형의 온도 센서가 사용될 수 있으며, 이는 웨이퍼(10 또는 11) 중 어느 하나 상에 폴리실리콘의 증착에 의해 형성될 수 있다. 선택적으로, 지시된 바와 같이, 전기 용량은 온도 변화에 따라서 변화될 것이기 때문에, 기준 축전기(40)와 유사한 축전기가 온도 센서로서 기능할 수 있다. 예컨대, 도1 및 도5에서와 같이, 온도 센서(55 및 56)는 온도 센서(55 및 56)의 대향 측면을 구멍(59)의 접촉부(58)에 연결하는 리드선(57)에 의해 바닥 웨이퍼(11)의 내부 표면 상에 형성될 수 있다. 도1 및 도6의 접촉 패드(60)가 리드선(57)의 단부 및 접촉부(58)와 전기적인 접촉을 이루어 서로간의 양호한 전기적 접촉을 보장하기 위해 위치된 상단 웨이퍼(10) 상에 제공될 수 있다. 통상적으로, 이러한 온도 센서 중의 어느 하나, 본 예에서는 센서(55)가 유량계의 중심을 향해 위치 될 것이고, 다른 온도 센서 또는 센서는 존재 가능한 반경 방향의 어떤 온도 구배도 검출되고 측정될 수 있도록 중심으로부터 반경 방향 외향으로 배열된다.
지시된 바와 같이, 다양한 축전기 판, 도전성 리드선, 접촉 패드, 절연층 등이 상단 웨이퍼(10)의 하부 표면 또는 바닥 웨이퍼(11)의 내부 표면 중 어느 하나 상에 증착된다. 일단 다양한 층들이 증착되면, 저온 유리 접합법, 공융 접합법 또는 마이크로 전자 기계 시스템에서 일반적으로 사용되는 다른 방법에 의해, 예컨대, 정전기적으로, 상단 웨이퍼(10)와 바닥 웨이퍼(11)가 결합된다. 만일 필요하다면, 과도한 압력 하에서의 직접 접촉 및 쇼트를 방지하도록 판들(16 및 17) 사이에 절연층을 제공하기 위해, 산화 필름(65)이 축전기 판(16) 및/또는 축전기 판(17) 상에 증착될 수 있다. 다른 성분 상에도 웨이퍼들이 결합될 때 일 웨이퍼 상의 상기 성분을 다른 웨이퍼 상의 것들로부터 절연시키기 위해 유사한 산화 절연층이 증착될 수 있다.
본 발명의 유량계 판의 주요 용도 중 하나는 정지 판과 회전 원뿔부를 가지는 유량계용이다. 도11에 그러한 유량계가 개략적으로 도시된다. 정지 유량계 판(69)은 도1에 도시된 바와 같이 판 상에 분포된 압력 센서를 구비하고 기부(70)에 의해 지지되는 본 발명의 원형 판이다. 회전가능한 원뿔부(71)는 모터, 또는 원뿔부의 회전을 야기시키는 다른 수단에 연결되는 축(72)에 의해 지지된다. 또한, 원뿔부(71)는 판(70)에 대해 상승 및 하강될 수 있도록 장착된다. 시료(73)는 원뿔부(71)와 정지 판(69) 사이에 위치된다. 시험 중에, 압력의 측정이 정지 판(69) 내의 압력 센서로부터 이루어지는 동안에 원뿔부(71)는 회전된다. 이러한 유형의 유량계에 있어서, 원뿔부 및 판 사이의 정확한 거리를 설정하는 것과 이를 측정 동안 유지하는 것이 정확도를 위해서 중요하다. 이러한 유형의 현행의 유량계에서, 원뿔부는 먼저 판에 접촉할 때까지 하강된다. 이후 바람직한 간격을 생성하기 위해 상기 원뿔부는 접촉 지점으로부터 소정 거리만큼 상승된다. 본 발명의 유량계 판에서, 판으로부터의 원뿔부의 거리를 측정하기 위해 선단 센서(74)가 판 내부에, 양호하게는 판의 중심에 포함될 수 있다는 것을 알았다. 이러한 방식에서, 원뿔부는 판으로부터 바람직한 거리로 용이하고 정확하게 설정될 수 있다. 또한, 현행으로 얻어질 수 있는 것보다 정확한 측정을 위해서 거리가 모니터될 수 있고 원뿔부(71)의 위치가 판으로부터의 바람직한 거리로 유지되기 위해 연속적으로 조정된다.
다양한 유형의 선단 센서가 본 발명의 유량계 판 내로 조립되어 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 전기 용량 센서가 사용될 수 있지만, 이는 전술된 전기 용량 압력 센서와 상이하게 배열되야 한다는 것을 알았다. 또한, 상기 센서는 유량계 판의 중앙에 배열되는 것이 양호하다. 도1 및 도3에 도시된 바와 같이, 상단 웨이퍼(10)는 도전체(75)를 둘러싸는 절연층(77) 및 도전체(76)를 둘러싸는 절연층(78)에 의해 웨이퍼의 잔여부로부터 전기적으로 절연된 2 개의 도전체(75 및 76)를 형성하기 위해 처리된다. 이러한 도전체는 웨이퍼(10) 내의 압력 센서 축전기의 판에 수직으로 배열된 축전기의 2 개의 판을 형성한다. 도3의 방향으로부터 보는 바와 같이, 도전체는 상단 웨이퍼(10)를 통해 수직으로 연장한다. 전기 용량은 판으로부터의 원뿔부의 거리에 비례하여 변화할 것이다. 리드선(82)이 도전체(76)를 접촉 패드(83)에 연결하는 한편, 리드선(80)은 도전체(75)를 접촉 패드(81)에 연결한다. 상단 및 바닥 웨이퍼가 결합될 때, 접촉 패드(81 및 83)는 접촉부(84) 및 구멍(85)에 접촉하여 전기적으로 연결된다.
다양한 재료가 본 발명에 사용될 수 있고 다양한 크기가 사용될 수도 있지만, 상단 웨이퍼의 두께는, 상단 얇은 구간의 두께가 적어도 약 7 미크론이고 웰부의 깊이가 적어도 약 5 미크론이 될 수 있도록, 적어도 약 12 미크론이어야 한다. 상단 얇은 구간은, 실리콘으로 제작될 때, 두께가 약 7 미크론 내지 약 300 미크론의 범위일 수 있고 웰부는 깊이가 약 5 미크론 내지 약 300 미크론의 범위일 수도 있다. 유리 웨이퍼가 바닥 웨이퍼용으로 사용될 때, 바닥의 두께는 조립된 판에 강성을 제공하도록 적어도 약 1 mm 이어야 한다. 물론, 치수는 사용되는 재료 및 사용되는 특정 구조에 따르며, 임계 인자는, 얇은 영역이 측정 예상 압력 하에 변형되도록 충분한 탄성을 갖고, 웰부가 사용되는 센서 구조 또는 센서들용 공간을 제공하도록 치수가 설정되고, 또한, 조립된 유량계판이 특정 상황에서 고려되는 특정 적용을 위해 원하는 강성 및 민감성을 갖는 것이다. 언급되는 상단 웨이퍼의 두께가 원하는 것보다 두껍다면, 양호하게는 상단 웨이퍼는 상단 및 바닥 웨이퍼가 서로 조합된 후 습식 화학 에칭, 건조 플라즈마 에칭, 화학 또는 기계적 연마, 또는 이들 방법들의 조합에 의해 원하는 두께로 가늘어진다. 양호하게는, 각 용량성 압력 변환기의 크기는 판의 길이의 1/4 이하이다. 또한, 판의 크기는 변할 수도 있다. 도11에 도시된 유량계용으로 만족할 만한 판은, 약 4 인치(101.6mm)까지의 판이 사용될 수도 있지만, 약 1 인치(25.4mm) 직경의 원형 판이다.
예로서, 절연기-위-실리콘 (SOI) 웨이퍼가 상단 웨이퍼(10)를 형성하도록 사용되었다. 상기 예 SOI는 400㎛ 두께 핸들 실리콘, 12㎛ 두께 장치 실리콘, 및 실리콘들 사이의 2㎛ 두께 매립 산화물층으로 구성된다. 웰부(12)는 포토리소그래피 및 에칭을 차례로 이용하여 장치 실리콘 상에 형성된다. 금속이 장치 실리콘 상에 공지된 방식으로 부착 및 패터닝된 후, SOI는 처리된 피렉스(Pyrex) 7740 웨이퍼에 정전기적 접합된다. 그 다음, 핸들 실리콘 및 산화물층이 에칭 제거된다. 상단 웨이퍼를 위해 포함된 공정은 사용되는 실리콘 웨이퍼의 유형에 따라 변화될 수 있다. 다른 예는 에피택셜 성장 대량 도핑 p++실리콘을 갖는 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이다. p++실리콘은 웰부를 형성하도록 SF6/C4F8플라즈마 에처(etcher)에 의해 에칭된다. 그 다음, 웨이퍼는 처리된 피렉스 웨이퍼에 접합된다. 그 다음,과잉 실리콘은 KOH 용액 또는 에틸렌 디아민 피로차터콜(pyrochatechol) (EDP) 용액에 의해 제거된다. 대안으로, 상단상에 에피택셜 성장 얇은 n형 실리콘을 갖는 p형 실리콘 웨이퍼가 상단 웨이퍼를 제작하도록 사용된다. n형 실리콘은 웰부를 형성하도록 에칭되고, 그 다음, 처리된 피렉스 웨이퍼에 접합된다. 과잉 p형 실리콘은 후에 전기 화학 에칭에 의해 에칭 제거된다.
SOI 웨이퍼가 상단 웨이퍼용으로 사용될 때, 용량성 근접 센서의 두 개의 전도체가 SOI의 장치 실리콘의 도전성 코어로서 형성된다. 도전성 코어는 도전성 코어와 장치 실리콘 사이에 형성된 산화물층에 의해 장치 실리콘으로부터 전기적 분리된다.
센서 또는 변환기의 민감성 및 측정 가능 압력 범위는 특정 판에서 균일할 수도 있거나, 또는 임의의 원하는 방식으로 제작될 수도 있다. 예를 들면, 판의 일 단부 또는 측면에 보다 더 근접한 센서는 다른 단부에 보다 더 근접한 것보다 더 민감하게 만들어질 수도 있거나, 또는, 원형 판에 의해, 판의 중앙에 있는 센서는 판의 외측쪽으로의 것들보다 더 민감하거나 또는 덜 민감하게 만들어질 수 있다. 센서는 중앙으로부터 외측으로 또는 일 측면으로부터 다른 측면으로 이동하며 점차 변화될 수 있다. 센서의 민감성은 변형 가능한 얇은 구간의 두께를 변화시킴으로써, 웰부의 크기를 변화시켜 얇은 구간의 크기를 확대 또는 감소시킴으로써, 또는 다른 적당한 방법에 의해 변화될 수 있다. 단일 판 상에 상이한 민감성 및 측정 가능 실제 크기의 압력을 갖는 센서를 채용하는 것은 압력 범위가 균일하지 않다면 접근 가능한 시험 조건의 크기를 증가시키기에 매우 효율적인 방법이다.
도11에 도시된 바와 같은 유량계에 사용될 때 유량계 판은 양호하게는 원형 형상이다. 그러나, 판은 직사각형일 수 있고, 도7에 도시된 바와 같이 여러 용도에서 직사각형 판가 바람직하다. 도7은 저부 웨이퍼(88)의 내표면을 도시하며, 이는 도5의 저부 웨이퍼(11)의 구성과 유사할 것이다. 상부 웨이퍼는 동일한 직사각형 형상일 것이며, 이는 도6의 상부 웨이퍼(10)의 구성과 유사할 것이다. 특정되어 도시되지는 않지만, 이러한 웨이퍼는 도5 및 도6의 웨이퍼의 모든 형상을 포함할 수 있다. 따라서, 더 이상 상세히 설명하지 않는다. 또한, 압력 센서의 크기는 양호하게는 판의 긴 면 길이의 4분의 1 미만이다.
단일 상부 웨이퍼에 웰을 형성하여 단일편으로 상부 웨이퍼의 얇은 섹션과 지지 섹션이 형성되기보다는, 저부 웨이퍼(93)에서 평평한 웨이퍼(90)를 이격시키도록 이를 관통하는 개구(92)를 갖는 스페이서 웨이퍼(91) 및 대체로 평평한 웨이퍼(90)로부터 2개의 상부 웨이퍼 편이 형성되어 스페이서(91) 내의 개구(92)에 상응하는 웰을 형성한다. 이는 도1 내지 도6에 도시된 바와 같은 대체로 동일한 유량기 판 구성을 이룰 것이다. 평평한 웨이퍼(90)는 도1 내지 도6에 도시된 바와 같이 유리의 저부 웨이퍼(93)를 갖는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 스페이서(91)는 평평한 웨이퍼(90)를 양호하게 지지할 수 있는 실리콘, 유리 또는 다른 재료일 수 있다. 스페이서(91)는 화학 증착(CVD)법, 증발법, 스퍼터링법 또는 이러한 방법들의 조합에 의해 평평한 웨이퍼(90) 또는 저부 웨이퍼(93) 중 하나에 적층된 재료일 수 있다. 축전기 판(95)을 갖는 절연층(94)은 평평한 웨이퍼(90) 상에 적층되고, 축전기 웨이퍼(96) 및 절연 산화층(97)은 저부 웨이퍼(93)에 적층된다. 축전기 판와 다른 형상부의 연결은 도1 내지 도6에 도시된 것과 유사할 것이다.
도1 내지 도6에 도시된 바와 같이 상부 웨이퍼에 웰을 형성하거나 도8에 도시된 바와 같이 스페이서를 제공하기보다는, 저부 웨이퍼에 웰(101)을 형성하기 위해 저부 웨이퍼(100; 도9)가 습식 화학 에칭이나 건조 플라즈마 에칭이나 이들의 조합에 의해 처리될 수 있다. 축전기는 저부 웨이퍼(100)의 웰(101) 내의 축전기 판(102)을 적층하여 형성되고, 다른 축전기 판(103)은 양호하게는 그들 사이에 절연층(105)을 갖는 상부 웨이퍼(104) 상에 적층된다. 상부 웨이퍼(104)는 판 전체에 걸쳐 두께가 균일하고, 액체와 직접 접촉하는 표면은 충분히 부드럽다. 상부 웨이퍼(104)는 저부 웨이퍼(100)에 결합된다. 산화 필름 또는 다른 절연 멤브레인(106)은 단락을 방지하거나 절연을 제공하기 위해 적층될 수 있다. 상부 웨이퍼(104)는 두꺼운 상부 웨이퍼와 저부 웨이퍼가 서로 결합된 후에, 바람직하게는 화학이나 기계적 연마, 습식 화학 에칭, 건조 플라즈마 에칭, 전자 화학 에칭 또는 이러한 방법들의 조합에 의해 소정의 두께로 연마된다. 축전기 판와 다른 형상부의 연결은 도1 내지 도6에 도시된 것과 유사할 것이다.
다양한 회로 및 판독 회로, 신호 발생기, ADC 회로, I/O 재료기, 온도 센서, 및/또는 원격 측정 회로와 같은 회로 구성 부품은 웨이퍼의 위 또는 내부에 설치되며, 이러한 회로는 웨이퍼 상에 분리되어 장착될 수 있거나 웨이퍼에서 그러한 회로까지 연장하는 전도체를 갖는 웨이퍼로부터 분리될 수 있다. 도1 내지 도6에 도시된 바와 같이, 다양한 축전기 판, 기준 축전기, 접지 축전기, 온도 센서 및 접근 센서 전도체는 저부 웨이퍼(11) 내의 구멍을 통해 저부 웨이퍼(11) 상에 형성된 접촉 패드에 모두 전기적으로 연결된다. 이러한 접촉 패드는 사용자가 쉽게 접근할 수 있다. 배선은 납땜에 의해 이러한 접촉 패드에 쉽게 연결되어, 다양한 구성 요소를 웨이퍼 상의 다양한 소정의 회로에 연결할 수 있다. 언급한 다양한 회로 및 판 상의 센서로부터 신호를 처리하는 데 필요한 다양한 회로는 공지되었으므로 더 이상 설명하지 않는다.
나타내진 바와 같이, 용량성 압력 센서가 이제까지 설명된 실시예와 관련하여 도시되었지만, 다양한 다른 유형의 압력 센서가 사용될 수도 있다. 예컨대, 파브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot Interferometer) 압력 센서와 같은 광학 센서가 도10에 도시된 용량성 압력 센서 대신에 사용될 수 있다. 상술된 각각의 용량성 압력 센서는 파브리-페롯 광학 압력 센서로 대체된다. 광학 공동(110)은 공동 하부에서 부분적으로 투명한 층(112)의 증착에 의해 후속되는 이러한 공동을 에칭하여 유리 하부 웨이퍼 또는 기판(111)에 형성된다. 상부 웨이퍼 또는 멤브레인(113)은 공동의 타 단부에 증착된 반사 거울(114)을 갖는다. 상부 멤브레인과 유리 기판은 정전기적으로 서로 접착(음극 접착)된다. 광학 섬유(115)는 부분적으로 투명한 층(112)에 광을 유도하도록 기판에 장착된다. 광의 일부는 부분적으로 투명한 층(112)을 통해 공동(110)으로 그리고 반사 거울(114)을 향해 통과되고, 광의 일부는 부분적으로 투명한 층(112)으로부터 광학 섬유까지 되 반사된다. 부분적으로 투명한 층을 통과한 광은 거울(114)에 의해 되 반사되고 반사된 광은 부분적으로 투명한 층을 통과하고 부분적으로 투명한 층으로부터 직접 반사된 광과 간섭 패턴을 설정한다. 간섭 패턴으로부터의 이러한 광은 광학 섬유 또는 개별 광학 섬유를 통해 검출기로 다시 전송된다. 간섭 패턴은 공동 위의 멤브레인에 인가되는 압력의 지표인, 반사 거울의 위치에 의해 결정되어 변화된다. 따라서, 복귀되는 광의 세기는 판 상의 액체의 압력의 지표이다. 이제 다시, 압력 센서의 치수가 판의 치수의 1/4보다 작은 것이 바람직하다. 센서의 민감도는 센서 판의 일단부쪽보다 작은 것이 바람직하다. 다시, 광 생성 회로 및 광 검출 회로는 공지되어 본원에서 설명하지 않는다.
도12 및 도13은 유량계 본체가 하부(120)와 상부(121)로 구성된 본 발명의 슬릿 유량계를 도시한다. 하부(120)는 적어도 두 개의 리세스된 섹션을 가지며, 가변 깊이(h)와 고정 폭을 갖는 세 개의 리세스된 섹션(122, 123, 124)이 도13에 도시된다. 리세스들은 액체 유동을 위한 채널을 형성한다. 상부(121)는 본 발명의 유량계 판이고, 도13에서 126으로 지시되었으며 적어도 두 개의 센서(125)들이 각각의 리세스된 섹션(122, 123, 124)내의 적어도 두 개의 상이한 위치에서 압력을 측정하도록 위치되는 방식으로 이격된 도12의 압력 센서(125)의 어레이를 포함한다. 각각의 리세스된 섹션은 각 섹션의 내측에서 완전히 전개된 유동을 보장하기에 충분히 길다. 센서들은 완전히 전개된 유동의 압력을 측정하도록 위치된다. 도13에 가장 잘 도시된 유량계 판(121)은 도1 내지 도11에 도시된 것과는 반대 방향을 갖는다. 이전의 실시예들에서 상부 웨이퍼로서 언급된 것들은 측정 표면이 액체 유동 채널을 향해 하향하는 판의 바닥을 형성하도록 배향된 웨이퍼(121)이고, 이전 실시예들에서 기판으로 언급되었던 것들은 판의 상부와 유량계 본체의 상부를 형성하도록 배향된 121b이다. 명확한 바와 같이, 본 발명의 유량계 판은 임의의방향에서 사용될 수 있다.
하부(120)를 위한 양호한 재료는 실리콘, 유리, 또는 충분히 강성이고 반도체 또는 마이크로전자기계 공정에서 이용되며 습식 화학 에칭, 건식 플라즈마 에칭 또는 고온 엠보싱으로 처리될 수 있는 다른 재료, 또는 이들의 조합이다. 하부(120)는 채널(122, 123, 124)을 형성하도록 요구되는 경우에 다중층으로 제조될 수 있다. 채널의 폭은 직사각형 채널의 2개의 측부의 영향을 최소화하도록 채널의 갭(h)보다 상당히 크며, 모든 채널(122, 123, 124)에서의 갭보다 10배가 양호하게 크다. 상부(121) 및 하부(120)는 분리되어 구성되어, 정전 결합(양극 결합) 방법, 저온 유리 결합 방법, 공융 결합 방법 또는 재료 또는 설계에 따른 다른 방법과 함께 결합된다.
도14 및 도15는 하부(130) 및 상부(131)로 구성되는 슬릿 유량계를 도시한다. 하부는 적어도 2개의 리세스 섹션을 가지며, 3개의 리세스 섹션(132, 133, 134)이 가변 폭(w)과 고정 깊이로 도시된다. 리세스는 액체 유동을 위한 채널을 형성한다. 상부(131)는 본 발명의 유량계판이며, 도14에서는 도면부호 135이고 도15에서는 도면부호 136으로 나타내어진 압력 센서의 어레이를 포함하여서, 적어도 2개의 센서(135)가 각각의 리세스 섹션(132, 133, 134)에서 적어도 2개의 상이한 위치에서 압력을 측정하도록 위치되도록 하는 방식으로 이격된다. 각 섹션은 충분히 길어서, 각 섹션의 내측의 완전히 진전된 유동을 보장한다. 센서는 완전히 진전된 유동의 압력을 측정하도록 위치 설정된다. 채널은 각 채널의 갭에 대한 폭(w) 비율이 모든 채널에서 10보다 충분히 크도록 구성된다.
도시된 각각의 슬릿 유량계를 이용시, 슬릿 유량계 내의 리세스에 의해 형성되는 유동 통로를 통해 액체의 유동이 시험되도록 하는 수단이 액체 유동을 생성하는데 이용된다. 이러한 수단은 펌프, 또는 시험될 가압 액체의 다른 공급원일 수 있다. 액체 유동 중에, 압력 센서의 위치에서의 액체에 의해 인가된 압력은 각각의 센서에 의해 측정되며, 이 측정으로부터 겉보기 점성도 및 정확한 점성도가 공지된 방식으로 결정될 수 있다.
상이하게 치수 결정된 리세스에 의해 형성되는 크고 작은 유동 통로의 배향은 도12 및 도14에서 대향하여 도시된다. 액체 유동이 슬릿 또는 유동 채널을 통해 발생하는 어떠한 차이점도 생기지 않을 것이다. 겉보기 점성도를 결정하도록 측정되는 중요한 유동 특성은 특정 치수 결정된 리세스에서 2개의 센서에 의해 감지되는 압력의 차이이다. 상이하게 치수 결정된 리세스에서의 측정치들에 대한 비교는 액체의 정확한 점성도를 결정하는데 이용된다. 상이하게 치수 결정된 2개의 리세스가 정확한 점성도의 상당히 정확한 표시를 제공하면서, 더 많은 리세스가 존재하면, 정확도가 더 높아진다. 또한, 2개 이상의 리세스가 존재하여, 하나의 측정으로 다중 전단율에서의 점성도의 측정을 허용한다. 그러나, 증가된 정확도는 많은 리세스로 인해 증가된 비용과 상쇄된다. 본 발명의 슬릿 유량계의 통합된 리세스로 인해, 증가된 리세스로 인한 비용은 상이한 치수의 슬릿을 갖는 개별 장치가 이용되는 종래 기술보다 감소되지만, 증가된 리세스로 인해 증가된 비용이 여전히 존재한다. 통상 원하는 범위 내의 우수한 정확도는 2개 또는 3개의 리세스로 통상 얻어질 수 있다.
설명된 실시예는 웨이퍼의 상부 및 하부 상의 다양한 구성 요소의 상대적인 크기 및 위치에 대해 다소 개략적으로 도시되었지만, 다양한 구성 요소 및 소품(trace)은 임의의 공지된 방식 또는 임의의 개발된 방식으로 형성되고 위치될 수 있다. 따라서, 다양한 구성 요소 또는 소품이 웨이퍼의 표면에 배치되거나 또는 웨이퍼 내에 끼워지거나 매립될 수 있다.
여기에서 본 발명은 실제적인 실시에서 본 발명의 실시하도록 최적의 모드로 고려된 본 실시예를 참조로 하여 설명되고 도시되었지만, 다양한 변경예 여기에 개시된 발명 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명을 다른 실시예에 적용함에 있어서 행해질 수도 있다.

Claims (26)

  1. 압력 센서의 위치에 판의 측정면에 대해 작용하는 압력을 측정하기 위해 내부의 이격된 위치에 복수의 압력 센서를 갖는 판이며,
    액체가 작용할 수 있는 측정면을 갖는 판와,
    상기 판 내의 복수의 공동과,
    상기 측정면의 변형 가능한 부분에 인가되는 압력에 반응하는 공동 내부의 탄성 변형 가능하고 공동을 넘어 연장하는 판의 측정면의 변형 가능한 부분과,
    상기 변형 가능한 부분의 변형을 감지하도록 변형 가능한 부분과 상호 작용하는 센서를 포함하고,
    상기 변형 가능한 부분의 변형은 상기 변형 가능한 부분에 인가된 압력을 표시하는 판.
  2. 제1항에 있어서, 측정면은 기판에 고정된 웨이퍼에 의해 형성되는 판.
  3. 제2항에 있어서, 공동은 웨이퍼 내에 형성된 웰에 의해 생성되고, 웰은 웰 위로 연장하고 측정면의 변형 가능한 부분을 형성하는 웨이퍼의 얇은 부분으로 귀착되는 판.
  4. 제2항에 있어서, 공동은 기판 내에 형성된 웰에 의해 생성되고, 웨이퍼 부분은 기판 내의 웰 위로 연장하고, 상기 웰 위로 연장하는 웨이퍼 부분은 측정면의 변형 가능한 부분을 형성하는 판.
  5. 제2항에 있어서, 웨이퍼와 기판 사이에 위치된 스페이서를 부가적으로 포함하고, 공동은 스페이서를 통해 연장하는 개구에 의해 생성되고, 웨이퍼 부분은 스페이서 내의 개구 위로 연장하고, 상기 스페이서 내의 개구 위로 연장하는 웨이퍼 부분은 측정면의 변형 가능한 부분을 형성하는 판.
  6. 제2항에 있어서, 측정면의 변형 가능한 부분은 각각의 공동의 측부를 형성하고 기판은 각각의 공동의 반대 측부를 형성하고, 센서는 각각의 공동 내에 측정면의 변형 가능한 부분 상의 축전기 판와 각각의 공동의 반대 측부 상의 기판 상의 축전기 판에 의해 형성된 축전기 센서인 판.
  7. 제6항에 있어서, 축전기 판은 공동의 반대 측부 상에 배치된 도전성 층에 의해 형성된 판.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 축전기 판로부터 센서 회로로의 연결을 위한 접촉 패드로 연장하는 도전성 리드선을 포함하는 판.
  9. 제2항에 있어서, 측정면의 변형 가능한 부분은 각각의 공동의 일 측면을 형성하고 상기 기판은 각각의 공동의 반대 측면을 형성하고, 상기 센서는 각각의 공동에서 측정면의 변형 가능한 부분 상의 반사경과, 각각의 공동의 반대 측면 상의 기판 상의 부분적으로 투명한 층과, 상기 부분적으로 투명한 층에 빛을 향하여, 일부분의 빛은 부분적으로 투명한 층을 통하여 반사경으로 진행하고 일부분의 빛은 부분적으로 투명한 층으로부터 반사되어 반사경으로 진행되는 적어도 일부분의 빛은 부분적으로 투명한 층을 통해 다시 반사되고 부분적으로 투명한 층으로부터 반사된 빛과 상호 작용하여 간섭 패턴을 생성하는 광원과, 변형 가능한 부분의 변형을 나타내는 것으로 감지되는, 간섭 패턴 내의 고정된 위치에서 빛의 집중을 감지하기 위한 센서에 의해 형성된 광학 센서인 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  10. 제1항에 있어서, 측정면 상에 보호층을 추가적으로 포함하는 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 공동을 대기와 연결시키는 공기 통로를 추가적으로 포함하는 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  12. 제1항에 있어서, 측정면으로부터 감지된 물체의 거리를 측정하기 위해 판 내에 근접 센서를 추가적으로 포함하는 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  13. 제12항에 있어서, 상기 근접 센서는 용량성 센서인 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  14. 제1항에 있어서, 각각의 변형 가능한 부분의 길이는 판 길이의 4분의 1보다 작은 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  15. 제1항에 있어서, 상이한 복수의 센서들은 그 측정 감도가 다른 복수의 압력 센서를 구비하는 판.
  16. 유체가 압력을 가하는 매끈한 측정면을 형성하는 일 측면을 포함하는 반대 측면들을 갖는 웨이퍼와,
    개별 웰들의 단부들과 매끈한 측정면 사이에서 웨이퍼의 얇은 변형 가능한 부분을 형성하고, 상기 얇은 변형 가능한 부분은 상기 개별 웰에 걸쳐 상기 매끈한 측정면에 인가된 압력에 응답하여 개별 웰에 대하여 변형 가능한, 측정면에 반대하는 측면으로부터 웨이퍼로 연장하는 복수의 웰과,
    복수의 개별 웰과 연결되어 개별 웰에 대한 웨이퍼의 얇은 부분의 변형을 검출하고 얇은 섹션에 인가된 압력을 표시하는 출력을 제공하기 위한 검출기를 포함하는 압력 센서.
  17. 제16항에 있어서, 측정면에 반대된 복수의 웰에 걸쳐 연장하는 웨이퍼의 측면 상에 장착된 기판을 추가적으로 포함하고, 웰을 위한 상기 검출기는 웰 내의 얇은 섹션 상의 전기적 도전성 재료 및 웰에 걸쳐 연장된 기판 상의 웰 내의 전기적 도전성 재료를 포함하고 웰 내의 상기 전기적 도전성 재료는 전하량이 상기 얇은 섹션의 변형에 의해 변하는 축전기를 형성하는 압력 센서.
  18. 제16항에 있어서, 상기 웨이퍼는 복수의 관통 개구를 구비하는 스페이서와 스페이서에 연결되어 관통 개구에 걸쳐 연장된 얇은 웨이퍼를 포함하며, 상기 얇은 웨이퍼는 웨이퍼가 스페이서 내의 개구를 걸쳐 연장되는 얇은 부분 및 매끈한 측정면을 형성하고, 스페이서 내의 개구는 웰을 형성하는 압력 센서.
  19. 기판과,
    상기 기판의 결합면으로부터 기판 안쪽으로 연장하는 복수개의 웰과,
    일 측부는 액체가 압력을 가하는 부드러운 측정면을 형성하고, 반대 측부는 기판의 결합측을 결합되는, 반대되는 측부를 갖는 웨이퍼와,
    개별 웰에 대해 웨이퍼의 얇은 부분의 변형을 감지하고 상기 얇은 섹션에 인가된 압력을 표시하는 출력을 제공하도록 복수개의 웰 중 개별 웰과 관련된 검출기를 포함하고,
    상기 웨이퍼는 웨이퍼가 웰 위로 연장하는 웨이퍼의 얇은 변형 가능한 부분을 형성하는데, 상기 얇고 변형 가능한 부분은 상기 개별 웰 위로 부드러운 측정면에 인가된 압력에 반응하여 개별 웰에 대해 변형 가능한 압력 센서.
  20. 제19항에 있어서, 웰에 대한 검출기는 웰 위로 연장하는 얇은 섹션 상의 웰 내에서 도전 재료와, 기판 상의 웰 내에서 도전 재료를 포함하고, 상기 웰 내의 도전 재료는 얇은 섹션의 변형에 따라 전기 용량이 변하는 축전기를 포함하는 압력 센서.
  21. 본체와,
    상기 본체를 통해 유동로를 형성하도록 일렬로 함께 연결되고 다른 크기를 각각 갖는, 본체 내의 복수개의 리세스와,
    상기 리세스를 통해 유체의 유동을 유발하는 수단과,
    리세스와 연합된 각각의 압력 센서의 위치에서 리세스 내의 압력에 의해 리세스에 대해 인가되는 압력을 표시하기 위해 리세스와 연합된 복수개의 압력 센서를 포함하는 슬릿 유량계.
  22. 제21항에 있어서, 적어도 2개의 리세스가 있는 슬릿 유량계.
  23. 제21항에 있어서, 각각의 리세스와 연합된 적어도 2개의 압력 센서가 있는 슬릿 유량계.
  24. 제21항에 있어서, 리세스는 각각 다른 높이를 갖는 슬릿 유량계.
  25. 제21항에 있어서, 리세스는 각각 다른 폭을 갖는 슬릿 유량계.
  26. 웨이퍼와 기판을 획득하는 단계와,
    상기 웨이퍼 또는 기판 중 하나에 복수개의 웰을 형성하는 단계와,
    상기 웰 내에 센서 부품을 형성하는 단계와,
    웰이 각각의 공동의 일부를 형성하는 웨이퍼의 얇고 변형 가능한 부분으로 기판에서 공동을 형성하는 방식으로 웨이퍼와 기판을 결합하여 기판을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 웨이퍼의 얇고 변형 가능한 부분은 판에 인가된 액체 압력에 반응하여 공동에 대해 변형하고, 센서 부품은 각각의 얇은 섹션의 변형을 측정하기 위해 웰 내에서 정렬하는 복수개의 압력 센서를 갖는 판을 생산하는 방법.
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