JP2009168805A - 流量計、流量計のためのシステムチップ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に作れ微少流量を計測できる流量計、そのためのシステムチップとその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】支持体５に設けられたシリコン基体１を有し、シリコン基体１の開口部４に流量を計測すべき媒体を搬送する少なくとも一つのシリコン流管３が設けられ、上記流管３はシリコン基体１に、上記開口部を経て、窒化シリコンでコーティングされた流路につながる二つの端部を有し、流管がコリオリ型流量センサそして／あるいは熱型流量センサを形成し、流管３が支持体５を経て外部への接続ラインをなしている。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は媒体の流量を計測する流量計に関する。

流量を測定する効果的な計測器はコリオリ型流量計である。

他の形式のものとしては熱型流量計がある。
発見できず

本発明は、その目的のために、異なる種類の計測装置でも製造可能そして追加的センサをも組み可能とする普遍的製造技術と併せて、１ｇ／ｈより低い、非常に少ない流量の計測を可能とする流量計及びその製造技術を提供する。

本発明は、その目的のために、流量センサを備えたシステムチップを有し、該システムチップがシリコン基体を有し、該シリコン基体に開口部が形成されていてこの開口部内に計測されるべき媒体を搬送する窒化シリコン流管が収められ、該流管が流入端そして流出端を有し、該流入端そして流出端が、シリコン基体に形成され窒化シリコンでコーティングされた流路へ、開口部を形成する壁部を介して集まっている。

本発明は、また、上述の流量計のためのシステムチップの製造方法にも関する。この方法は次のステップにより特徴づけられる。

単結晶シリコン基体が供給され、ここへのＳｉＮ蒸着工程と、部分的なエッチングによるキャビティ形成工程と、エッチングによる部分的な露出工程が、マイクロシステム技術（ＭＳＴ）を用いてなされ、少なくとも一側が固定で他側が自由支持構造の流管を得る。

本発明は、以上のように、流量計に関しては、流量センサを備えたシステムチップを有し、該システムチップがシリコン基体を有し、該シリコン基体に開口部が形成されていてこの開口部内に計測されるべき媒体を搬送する窒化シリコン流管が収められ、該流管が流入端そして流出端を有し、該流入端そして流出端が、シリコン基体に形成され窒化シリコンでコーティングされた流路へ、開口部を形成する壁部を介して集まっているようにしたので簡単な構成で、微少の流量でも計測可能とする流量計が得られる。

また、製造方法に関しては、単結晶シリコン基体が供給され、ここへのＳｉＮ蒸着工程と、部分的なエッチングによるキャビティ形成工程と、エッチングによる部分的な露出工程が、マイクロシステム技術（ＭＳＴ）を用いてなされ、少なくとも一側が固定で他側が自由支持構造の流管を得ることとしたので、容易に上流流量のためのシステムチップを得られる。

以下、添付図面にもとづき実施形態を説明し、本発明をさらに明らかにする。

以下の図において、対応する部分には、極力、同一符号を付してある。

図１は、開口部４がエッチングにより形成された単結晶シリコン基体１を有するシステムチップ１７を示している。この例におけるシステムチップ１７は、上記開口部４内で自由状態（変位が自由な状態）で支持された窒化シリコンのコリオリ管（流管）３を備えたコリオリ型流量センサを有している。他の例においては、流量センサは熱型流量センサであってもよい。いずれの場合にも、ピラニ圧力センサのような絶対圧力センサ２が一体的にシリコン基体内に組み込まれ、あるいはシリコン基体上に配されているようにすることができる。コリオリ管はループ形状をなし、この例の場合、矩形ループ状をなしている。他のループ形状、例えば、三角形、台形あるいはＵ字状形も可能である。

システムチップ１７は、例えば、銅あるいは銀で回路が形成されたセラミックあるいは合成樹脂材料の例えばＰＣＢ（プリント回路基板）を支持する支持体５の上に配された二つの対向マグネット９，９’と（一体的に）組み立てられている。シリコン基体１は、支持体５上で＜１，０，０＞Ｓｉのウェハーとして作られ支持されている。システムチップ１７と支持体５との間の電気的接続は、接続ワイヤ６，７，８群による、いわゆるワイヤ接続によりなされている。接続ワイヤ６は、（センサチップとの間で）チップ温度の調整あるいは場合によって温度制御に供する。局部的な温度センサと（周囲）圧力センサ２は、要求によって配置される。

圧力センサ２が設けられた場合、この圧力センサ２は絶対圧を計測する。これは、流管の振動の減衰特性が特に空気圧により影響を受けるという理由において重要である。

接続ワイヤ７は、自由状態で支持されている流管３を振動状態にさせることができるようにしている。接続ワイヤ８は、自由状態で支持されている流管のための読み取り要素との接続に供する。

自由状態でロッド状のマグネット９，９’と共に支持された流管３、流管３上の導体（ワイヤ）１０、該流管上そしてシステムチップ１７上の容量センサ要素１１，１２は、いわゆるコリオリ型流量計を形成し、図２ａ〜２ｃでさらに詳しく示されている。軟磁性材料体が、マグネットの配設を効果的にするために、ループ内でロッドマグネット９，９’の間の位置に、選択的に配置されていてもよい。

システムチップ１７の外部と接続するための流体継手は圧力ブロック１３，１４により得られる（図１ｂ参照）。流体継手１６，１６’は圧力ブロック１４内に存在する。圧力ブロック１３、シリコン基体１と圧力ブロック１４との間での圧力の付与は流体継手１６，１６’とシリコン基体１との間で気密封止をもたらす（詳細には図３ｂ参照）。

図１ｂは図１ａと同じ装置を示すが、前面から見た図である。システムチップ１７の「上面」はロッド型のマグネット９，９’の中心線１８の位置にある。

図１ｃは図１ａと同じ装置を示すが、システムチップの領域で、図１ｂの場合に対して直角な方から見た断面である。図１ｂにおける回路基板上での流管の検出制御のためにセンサチップとの間の接続ワイヤ８と同様に、回路基板上での流管の作動のためにセンサチップとの間の接続ワイヤ７が見えている。接続ワイヤ６，７そして８は、かくして、コリオリセンサの一体化されたセンサそしてトランスジューサを作動させる。

プロトタイプセンサでは、ケルビンコンタクトが流管の温度測定のために、そしてプローブピンが接続のために用いられた。

組立体の保護のために、ハウジングを用いるが、ここでは図示されていない。ハウジングは、自由状態で支持される流管を収容する空間を密封状態で形成するキャップの形態にすることができる。

流管を流れる媒体の圧力測定の手段も選択的に一体的に備えることができる。必要とあらば、媒体の熱的流量測定手段も一体的に備えることができる。

さらには、測定された絶対大気圧に関する相対圧力測定手段（流管内にある適宜箇所の膜）による絶対圧力測定手段を備えることも可能である。かくして、完全なマルチパラメータ測定システムを得る。

図２ａは、ＭＳＴ技術で作られ自由状態で支持され、かつシリコン基体へ部分的に埋設されたＵ字状コリオリ管３を示しており、流入部と流出部をシリコン基体内に接続し、流管３の自由支持部とは反対側でシリコン基体１から出ている。印加された磁界３１は矢印Ｂで示され、ローレンツ力を生ずるコリオリ管３上の導体１０を流れる電流が符号３２で示されている。

作動中、媒体は符号２１の位置へ流入し符号２１’の位置から流出する。媒体の流量は流管の断面を通過する１秒当たりの質量である。もし、質量が自蔵型、すなわち、流管内で増加も減少もしない量であれば、図２ａのＵ字管を流れる流量はどこでも同じである（さもなくば、質量はどこかに留まり、あるいは消失することとなる）。

したがって、流量Ｑは流管３内のどこにおいても同じ（一定の）値（あるいはベクトル長さ）である。しかし、流量Ｑは管部２２ではＸ正方向、管部２６ではＸ負方向に向いている。

図２ａの流管３を備えたコリオリ流量計を実現するには、いくつかの方法があり、例えば、
−フラッピングモードあるいはトルクモードでローレンツアクチュエータにより流管が振動する（図２ｂ参照）、あるいは
−フラッピングモードを起こさせる熱励起を通して導体１０に熱を発生する（図２ｃ参照）
ことである。

一般的に言って、ローレンツアクチュエータは、流管の一部にて磁界を生ずるマグネット手段を有することができる。この磁界は静的磁界でも動的磁界でもよい。もし、電流が導体１０を流れると、（この電流は、静的磁界の場合は交番電流、そして動的磁界の場合は直流電流）ローレンツ力が流管に作用し流管はフラッピングモードで振動する。磁界を二箇所で生ずることとすると、流管にはトルク（いわゆるトルク振動）が作用し、流管はトルクモードで振動する。磁界発生手段は、一つあるいは複数のマグネット形態として形成されても、あるいは一つあるいは複数の電気コイルの形態として形成されても、あるいはマグネット（永久磁石）または電気コイルを備えた磁性（導磁性）ヨークの形態として形成されてもよい。

＜方法１（図２ｂ）＞
流管は回転軸２９（ｘ軸）まわりに作動（振動）する。この振動は、質量流れのときには、回転軸までの距離が変化する管部２４における位置でコリオリ力を生ずる。管部２４におけるコリオリ力はＵ字状の流管３を回転軸３０（ｙ軸）まわりに回転させ、その結果、管部２４の直動をもたらす。この回転軸まわりの（振動）作動は図２ｂで符号３４により示されている。結果としてのｙ軸まわりのコリオリ誘導回転は流量に比例し、管部２４のｚ方向の動き３５を生ずる。管部２４は、同時に両方の動き、すなわち、（流量に比例した）捩り振動３４とフラッピング動を生ずる。

＜方法２（図２ｃ）＞
流管がフラッピング、あるいは回転軸（ｙ軸）３０まわりの作動（振動）を生ずるが、これは質量流れの場合、この場合でも、回転軸までの距離が変化する位置でのコリオリ力を生じ、今度は、管部２２（上方）と管部２６（下方）で管部２４の回転を起こす。この管部２４のｚ方向における（振動）作動は図２ｃで符号３６として示されている。結果としてのｘ軸２９まわりのコリオリ誘導回転は流量に比例し、管部２４の回転軸ｘまわりの回転を生ずる。再び、管部２４は同時に二つの動き、すなわち、流量に比例するフラッピング振動３６と捩り振動３７とを生ずる。

前出の図における符号１１（１１’，１１”）は、Ｕ字状流管３の両脚部の間の接続部での容量センサ手段（突部あるいはＳｉＮのタグ）を示している。これは基体における対応容量センサ手段（突部あるいはタグ）１２（１２’，１２”）と共にキャパシタンスを形成する。これは、キャパシタンスによって、流管の動きを検出することを可能とする。例えば、一つ、二つ、あるいは三つのタグ対が用いられる。これに代えて、図６ａそして図６ｂを参照して、以下説明する方法もある。

図２ｄは図２ａと同様のＵ字状流管３で同様に自由状態で支持されている流管３を有するシステムチップを示す。しかし、この場合、ローレンツ力は熱作動（捩り）と組み合わさっている。抵抗要素４０，４０’そして４１，４１’がこの目的のために基体上に配されており、これは通電を受けたときにＵ字状の流管３の脚状の管部２２と２６に熱を与える。この場合、抵抗要素は基体１の突出（膨出）部３８，３８’に配されている。通電を受けると、各抵抗要素はそれぞれの突出部を通してｚ方向に熱波を送り出す。通電される電流の調整により補償の能力を得る。

図３ａは、流動開口の反対側で埋設されたハウジングを保護しそしてＳｉＮ膜を露出したままとするように、シリコン基体の主面に圧縮力を導くための厚い金属層４２，４２’を有する図１ａのシステムチップの詳細が示されている。

図３ｂは、圧力ブロック１３が配された後の図３ａにおけるIV−ｊ面での断面図である。システムチップの接続開口の外部における管状の流体継手１６への流体接続が明確に図示されている。この接続は、一方での圧力ブロック１４と他方でのシリコン基体１との間での、金属リング４３の永久変形によって、気密にシールされている。ここで圧力ブロック１４は、支持体５の開口１５から突出している。

上述のシステムチップは、流体回路基板（ＰＣＢ）と見ることができ、これに対して、所望の機能をもつ流管構造が一つの基体の防塵室に一回の工程で形成されている。本発明による流管構造はいわゆるマイクロシステム技術（ＭＳＴ）によって作ることができる。

この一例が次の方法である。シリコンが豊富な第一窒化シリコン層（ＳｉｘＮｙ）を、例えば５００ｎｍの厚さで、＜１００＞ｐ型シリコン基体（ウェハー）の両面に形成する。次に、５０ｎｍ厚さのクロム層を上面にスパッタリングする。このクロム層は、二つの孔の間に小さな間隔（例えば、２μｍ）をもって、長孔（例えば６×２μｍの寸法）の列をなして、フォトレジストマスクで、パターン形成される。クロム層におけるパターンは反応性イオンエッチングによって直下の窒化物層へ転写される。チャンネルの形は、窒化シリコン層の孔を通して等方性プラズマエッチングによって作られる。レジストマスクが剥がされた後、クロムマスクが除去され、厚い第二ＳｉｘＮｙ層が約１．４μｍの厚さにまで成長させる。これはチャンネル壁（管壁）を形成すると共に、同時に、第一窒化物層のエッチング孔をシールする。

その後、１０／１００ｎｍのクロム／プラチナ層がスパッタリングにより形成され、構成体が、例えばローレンツ作動を可能とするのに必要な金属トラック（電極）を形成するために、リフトオフリソグラフによってパターン化される。

さらには、ＲＩＥエッチングによって、開放窓がウェハーの底側に形成され、流体アクセス孔が上側に形成され、そして構造体がエッチングを通して（ＫＯＨ）ウェハーによって分離される。

本発明による方法の好ましい形態が図４ａ−ｊを参照すると明確に理解できる。

図４ａは、第一ＳｉＮ層が成長し両面にパターンが形成されたシリコンウェハーに関しての断面図であり、図４ａにて、符号４５は上面におけるＳｉＮ層を示し、符号４６は下面でのＳｉＮ層を示し、符号４７はＳｉＮ流管３，２１のための層４５におけるパターン開口であり、符号４８は外部への流動接続のための層４６におけるパターン開口である。

図４ｂは、基体が（ＳｉＮ層４６の側で）エッチングされた後、開口４８を通して異方性エッチングされたキャビティ４９を示す。ここで図４ｂのステップと図４ｃのステップは入れ替えてもよい。

図４ｃは、基体が（ＳｉＮ層４５の側で）エッチングされた後、開口４７を通して異方性エッチングされたキャビティ５０を示す。ここでも、図４ｂのステップと図４ｃのステップを入れ替えてもよい。

図４ｄは、厚い第二ＳｉＮ層が形成された例を示し、ここで符号５１はＳｉＮ層−IIを示している。全面が同じ厚さでカバーされて種々の孔が形成されている。これは「コンフォーム蒸着」と呼ばれている。ＳｉＮ層の蒸着はキャビティ５２を生ずる。

図４ｅは金属層の蒸着とこの金属層のパターン形成を示している。これは流管に導体１０（図１ａ参照）を形成する。符号５３は検出キャパシタの管電極のための給電ワイヤを示す。この電極は流管上に配された容量センサとなるタグ１１の上に形成されている（図２ａ参照）。これは図６を参照してさらに詳述する。

図４ｆは、上面でのＳｉＮ層（符号４５と５１）のパターン形成を示している。もし、（二重）ＳｉＮ層がパターン形成の際に形成されないときは、最後のエッチング後に、上面でのＳｉＮ層４５，５１により流管全体が自由状態で支持される。符号５４は上層の二重ＳｉＮ層における開口を示す。

図４ｇは、検出キャパシタの部位領域でのフォトレジスト層のパターン層形成を示し、ここで符号５５はスペーサ層として機能するレジスト層である。

図４ｈは、厚い第二金属層のパターン形成を示す。パターンは検出キャパシタの部位領域での渡り電極となるものを示し、符号５６はパターン化された電極、符号４２は埋設されたチャンネル２１を保護するための流動開口の領域における層である。

図４ｉは、ＳｉＮ層４６側における下側二重ＳｉＮ層のパターン形成を示し、符号５７は図４ｊでの開口４のエッチングのためのＳｉＮ層４６，５１における開口を示す。

図４ｊは図３ａにおけるIV−ｊ面での断面である。図４ｊにおけるマスク開口５７を通しての基体１の異方性ＫＯＨエッチングでこの結果を得る。容量センサとなるタグ１１と１２が機能を有するようになり同一形状となる。この完成された機能的配置構成において、元キャビティ５２は埋設流管２１と自由状態で支持された流管３とに変わっている。ＳｉＮ層４６側からの孔のエッチングは等方性でも異方性でもよいということに留意すべきである。流管３を自由状態とする等方性エッチングは「前方」から、すなわちＳｉＮ層４５側から成されてもよいが（図４ｆにて開口５４を通して）、その場合にはエッチング工程は等方向でなくてはならない。

以上をまとめると、工程は次のごとくである。

Ａ）シリコンウェハーの両面へ第一ＳｉＮ層を形成する。上面側は流管構造にパターン化され、下面側は孔を有するようにエッチングされる。

Ｂ）ウェハーの下面側での孔のエッチングは、ウェハーの厚みから所定の流管の厚みを減じた値よりも深いものとする。

Ｃ）上面側での自由孔を通して等方性エッチングを行ない流管を形成する。エッチングが長ければ、流管は厚くなる。

Ｄ）厚い第二ＳｉＮ層の蒸着形成をＬＰＣＶＤ管状オーブンで行なう。すべてのウェッティング材はＳｉＮとなる。

Ｅ）第一金属層（導体パターン）の蒸着そしてパターン形成する。

Ｆ）コリオリ管の上側での露出（開口における二つあるいは三つの側での露出）を行なう。

Ｇ）キャパシティの読み取りのためのスペーサとして機能するフォトレジスタ層を形成する。

Ｈ）厚い第二金属層をパターン形成する。この層は圧力ブロック１３（図１参照）のための中間層としても機能する。

Ｉ）エッチングによってコリオリ管の露出のためのエッチングマスクを行なう。

Ｊ）切断もしくは破断によってウェハーからチップを分離する。これで孔が下面側でソーイング膜により覆われる。

図５ａは、コリオリ流量センサあるいは熱型流量センサをもつシステムチップの可能性ある流管形状における曲部についての詳細を示す平面図である。本発明による方法が、流管の製造中に、曲部を作るのに有用であり、小さなピッチで接線方向に延びている長いマスク開口が形成される。

丸みをもった隅部２３を有する流管２１と流管３が見えている（図２ａをも参照）。図中、基体１、自由な流管３、ローレンツあるいは熱的励起のための導体１０、電極の下に検出キャパシタを有するタグ１１、埋設された流管２１から自由な流管３への移行部２０、埋設された流管２１、開口４７のパターンを通る流管３における曲部２３、流管３の前部２４、移行部２０，２０’が配されている固定壁２７、検出キャパシタ１０と５３（両者とも第一金属層に配置）のための電極５３が見られる。

図５ｂは複数の平行流管が一つに集められている形態を示している。これは、低流体抵抗とするための手段である。これらの流管は基体中に埋設されることができ、例えば、同じ流管構造が移行部２０なしに全体を自由状態、すなわち、流管３の形式（自由状態での支持）とすることが可能である。これは、図４ｆの開口５４の形式のマスク形成そして図４ｉの開口５７の形式のマスク形成を相応して適用することにより達成される。

図６ａと図６ｂは、単結晶として一体化された、流管振動のキャパシタンス検出のための二つの実施形態をより詳細に示している。図では、前部２４でのキャパシタンス読み取りのための電極をもった流管３の詳細が示されており、図中、基体１、自由な流管の前部２４、ローレンツあるいは熱的励起のための導体１０、流管３におけるタグ１１、基体１の反対側におけるタグ１２、検出キャパシタの流管電極５３、第二金属層における電極６０、接着パッド６１、基体側におけるフィンガ電極６２、流管側におけるフィンガ電極６３が見られる。

図６ａの実施形態ではタグは二つのレベルに位置して配されており、したがって、スペーサ層が必要となっている。図６ｂの実施形態では、タグ（互いに織り込まれた形状のフィンガー）が一つの面に配されていて、より大きい自由度を与えている。

図７ａはＵ字状コリオリ管と流管の振動の熱的励起のための手段とを有するシステムチップの部分についての図である。Ｕ字状コリオリ管３の脚状の両管部２２，２６に配された二つの独立した熱抵抗器６５，６５’は、脚部を加熱そして非加熱を繰り返す。これは流管３に軸２９まわりの捩り作動を生じさせる（したがって、これは熱的作動が常にフラッピングモードを生じさせる図２ａの状況とは違う）。熱抵抗器６５で電力が消費されると、管部２２における温度が上昇し、この部分が下方に向け曲がる。

熱抵抗器６５’で電力が消費されると、ここでも同じことが生ずる。したがって、流管は、脚状の両管部での交互の電力消費にもとづき、軸２９まわりの捩り作動を起こす。

図７ｂは、開口４の一方の側で自由状態に支持されキャパシタンスを読み取るための電極６８，６９が設けられたＵ字状コリオリ管（流管）３を有するシステムチップの部分を示している。開口４の反対側で自由状態に支持された追加Ｕ字状管６６が逆向きに位置していてフィンガ状の電極をタグ６８と６９とで全く同じｚ方向レベルに位置せしめている。図７ｂの場合、励起は図７ａの場合と同様になってもよい。

図８はコリオリ管３の動きを光学的に読み取る手段を有するコリオリ管３を備えたシステムチップを示している。レーザＰＳＤ（位置感知検出器）の組込みにより、流管３上の反射位置の直動そして回転を測定する（既述の実施形態にも用いられていたタグ１１，１１’そして１１”上の金属層が三つのレーザＰＳＤに三つの測定点をもたらしている）。

図には、レーザ８０、レーザからの光ビーム８１、流管３へ光ビームを向かせるように４５°の角度で設置されたミラー８２、位置感知検出器８３、三回反射した後にＰＳＤに入射するビーム８４が見られる。

図９ａは上述の技術により作られたシステムチップと熱型流れセンサを有する流量計の一部を示す。基体１は、Ｕ字状のループ型の流管３が自由状態で支持される空間として開口４を有している。流管３は基体１中に埋設されたチャンネルに接続されている。熱抵抗器９１が自由な流管３の接続リムの中心に位置している。熱電対９０が二つの脚部間での温度差を測定するために自由な流管３の二つの脚状の管部の間に配されており、この温度差が流量の測定に供する。Ｕ字状の流管は、オプションとして、接続リムによって、反対側で開口４の壁に固定されてもよい。

これらは、すべて、ＥＰ７７４６４９に開示された熱型流れセンサの原理にもとづいて流量計が作動するように配設されている。

図９ｂは図９ａの実施形態に代えることのできる例を示している。図９ａのＵ字状自由ループは、二つの脚状の管部９５と９５’が自由状態で支持され開口４を完全に横断しているループ形状となっており、二つの脚状の管部間の接続リムは基体１の埋設チャンネル２１となっている。熱抵抗器９４，９４’が二つの脚状の管部９５，９５’の中心にそれぞれ設けられている。熱電対９３，９３’が、両管部９５，９５’の間で、熱抵抗器９４，９４’の両側に位置するように配設されている。これは図９ｂのものを図９ａの二倍のものとしている。

ＴＢＡ（温度平衡型熱型風速計）の原理にもとづく熱型流れセンサも既述の技術による製造に好適である。

ローレンツ励起は、二つの永久磁石に代えて、マグネットヨークによっても達成できる。

図１０ａと図１０ｂは、コリオリ管１０１と該コリオリ管のローレンツ励起のためのマグネットヨークを備えたシステムチップ１０６を示している。図１０ａは、（コリオリ管１０１を通る面と交差する面における）縦方向位置に配されたマグネットヨークを有するループ状（この場合、Ｕ字状）のコリオリ管１０１を示す。

永久磁石が採用されているローレンツ励起のためのマグネットヨーク１００は、軟磁性材、例えば、軟鉄によるループで、可能な限り閉じたループを供する。このループは可能な限り閉じていて、ループの流路を横切るコリオリ管１０１の配置に必要なギャップのみを形成する。これによって、磁極１０２，１０２’の間に走る磁力線に対する最小限の抵抗が実現する。マグネットヨーク１００の好ましい形態は、管１０１の外側でＣあるいはＵ字状部を有していることのみならず、コリオリ管１０１のループ内で、より小さいビーム型部分１０３を有していることである。該ビーム型部分は磁力線により横切られる経過を短くし、したがって磁気抵抗を低減することとなって、コリオリ管１０１上の導体層を小さな磁気そして／又は弱い電流でもローレンツ力を得るのに十分なものとなる。加えて、ビーム型部分１０３は磁束ガイドとして作用する。これは、磁力線を自分自身の方に向わせ、その結果、エアギャップ１０５，１０５’の外側でのコリオリ流管の位置で作用する干渉磁界が生じなくなる。Ｃ字型あるいはＵ字型部分は二つの対称半体の間に永久磁石１０４が配されている該半体から立ち上がっている（Ｃ字型部分は、実際、極シューを有するＵ字状部分に含まれる）。

コリオリ管１０１を有するシステムチップ１０６は、「マイクロチャンネル」プロセスで多くのエッチングと蒸着工程を経て薄いシリコンウェハーから作られる。これは、流管がシリコンフレーム１０９内で流入部そして流出部１０７，１０８で自由状態に支持されるようになるという結果をもたらす。閉じられた、比較的薄型のボックスは、底部と蓋部が次の製造工程でフレーム１０９に接着して形成される。真空中は振動する流管が少ないエネルギの供給のもとでもその動きを維持するので、上記ボックスは真空引きされる。ボックス外に光源そして検出器が配されていて管１０１の変位を光学的に測定する場合、ボックスの蓋そして／又は底部は、ガラス等の透光材料で作ることができる。

ボックスが閉じられる前に、マグネットヨーク１００が配置される。このヨーク１００のＣ字部分の端部は、製造中にエッチングにより形成されたフレーム１０９の溝内に接着される。ヨークのビーム型部分１０３は、コリオリ管１０１のループ内に位置していて、上記底部がフレーム１０９に接着される前あるいは後にボックスの底部に接着される。

図１０ａは、完全なマグネットヨーク１００が所定位置に配され、蓋がボックスに対して未だ接着されていない状態の製造工程を示している。流入部１０７そして流出部１０８はコリオリ管１０１に隣接するフレームの面に接続されているが、コリオリ管１０１から離れたフレームの面にあってもよい。図は流管のループ内で磁束の案内をする軟磁性体を有する実施形態を示している。

図１０ｂは、ローレンツ励起のためのマグネットヨーク１１０がコリオリ管１１２の面と平行な面に配されているようになっているコリオリ管１１２を有するシステムチップ１１１の実施形態を示している。図１０ａと図１０ｂの両方の形態の場合、ローレンツ力を発生するのには、コリオリ管に交番電流を流すように、電源（図示せず）に接続された導電パターンあるいは導電層（図示せず）がコリオリ管１０１，１１２に設けられていることが必要である。

ここで、図１ａにおける場合と同様に、図１０ａそして図１０ｂにおいて、ローレンツ力がトルク作動を起こすためにコリオリ管の脚状の管部に作用していることに留意すべきである。

ここで既述の光学式あるいは容量式センサをもったローレンツ作動そして熱作動についての実施形態が、ＭＳＴ、例えば米国特許第６，４７７，９０１に開示されているコリオリ型流量計として作られた流量計の形態にも用いることができるということに留意すべきである。

結言として、本発明は、ＳｉＮ間が（部分的に）エッチングで形成され、自由状態で支持されたＳｉＮ管が（部分的に）エッチングで形成され、底部での流管接続がなされている単結晶システムチップを有する流量測定システムとその製造方法に関している。

システムチップとコリオリ流量センサを有する本発明による流量計の概要を示す斜視図である。 図１ａの流量計の正面図である。 図１ａの流量計の断面図である。 Ｕ字状コリオリ管を用いたコリオリセンサの動作を示す図（振動するコリオリ管の動作と検出を示す概要図）である。 流管のローレンツ作動（捩り）と容量検出（フラッピング）を示す図である。 流管の熱作動（捩り）と容量検出（フラッピング）を示す図である。 流管の熱作動（捩り）と容量検出（フラッピング）を示す図である。 ピラニ型の可視圧力センサを用いた図１ａのシステムチップの詳細図である。 流管継手を有するシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 製造中のシステムチップの断面図である。 流管形状の曲部の製造を示す詳細図である。 一つの流管への平行接続を示す図である。 システムチップにより容量検出の詳細図である。 システムチップにより容量検出の詳細図である。 熱励起手段を備えたコリオリ管を有するシステムチップの斜視図である。 他の例としての容量検出手段を備えたコリオリ管を有するシステムチップの概要図である。 コリオリ管と光学検出手段を有するシステムチップの図である。 熱型の流量センサを有するシステムチップの第一実施形態を示す図である。 熱型の流量センサを有するシステムチップの第二実施形態を示す図である。 ローレンツ力励起のためのマグネットヨークを有するコリオリ管を備えたシステムチップを示す図である。 ローレンツ力励起のためのマグネットヨークを有するコリオリ管を備えたシステムチップを示す図である。

符号の説明

１ シリコン基体
２ （絶対）圧力センサ
３ コリオリ管（流管）
４ 開口部
５ 支持体
６ 接続ワイヤ
７ 接続ワイヤ
８ 接続ワイヤ
９，９’ マグネット
１０ 導体
１１ 容量センサ要素
１２ 容量センサ要素
１５，１５’ 開口
１６，１６’ 流体継手
１７ システムチップ
２２ 管部
２４ 管部
２６ 管部
４２，４２’ 金属層
４５ ＳｉＮ層
４６ ＳｉＮ層
４７ パターン開口
４８ パターン開口

Claims (23)

1. 流量センサを備えたシステムチップを有し、該システムチップがシリコン基体を有し、該シリコン基体に開口部が形成されていてこの開口部内に、計測されるべき媒体を搬送する窒化シリコン流管が収められ、該流管が流入端そして流出端を有し、該流入端そして流出端が、シリコン基体に形成され窒化シリコンでコーティングされた流路へ、開口部を形成する壁部を介して集まっている、ことを特徴とする流量計。
2. シリコン基体が支持体上に配されていること、窒化シリコンでコーティングされた流路が支持体を介して外部の接続ラインに接続されていることとする請求項１に記載の流量計。
3. 流管はループ状をなし開口部の内周壁面の三つの内壁面に対して自由状態のもとで支持されていることとする請求項１に記載の流量計。
4. 流量センサがコリオリ型であり流管を振動させる手段（Ａ）と流管の動きを検出する手段（Ｂ）とを有していることとする請求項１に記載の流量計。
5. 手段（Ａ）はローレンツアクチュエータを形成していて、流管上の導体パターンと、導体パターンを通して電流を流す手段と、流管の一箇所あるいは複数個所で磁界を発生する手段とを有していることとする請求項４に記載の流量計。
6. 手段（Ａ）は流管を熱的に励起させることとする請求項４に記載の流量計。
7. 手段（Ａ）は流管と流管に設けられた導体パターンにより形成されるバイモルフの熱で作動することとする請求項４に記載の流量計。
8. 手段（Ｂ）は容量性であって、導体パターンがキャパンタの一つのプレートとして機能し、基体上の電極が他のプレートとして機能することとする請求項５に記載の流量計。
9. 手段（Ｂ）は光学的に作動し、光ビームが導体パターンに直接照射され反射光が検出されることとする請求項５に記載の流量計。
10. 流管はＵ字状をなし、開口部の内周壁面の三つの内壁面に対して自由状態のもとで支持され、Ｕ字状流管の両脚の間での温度差を測定するように配設された熱電対と協働することとする請求項１に記載の流量計。
11. 単結晶シリコン基体が供給され、ここへのＳｉＮ蒸着工程と、部分的なエッチングによるキャビティ形成工程と、エッチングによる部分的な露出工程が、マイクロシステム技術（ＭＳＴ）を用いてなされ、少なくとも一側が固定で他側が自由支持構造の流管を得ること特徴とする流量計のためのシステムチップの製造方法。
12. 基体は互いに対向する二つの主面を有し、自由支持構造の流管が一つの主面に取り付けられ、外部装置に接続される一つもしくは複数の管が他の主面に接続されることとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
13. 次のＡ）〜Ｊ）の工程を経ることとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
    Ａ）Ａ１．シリコン基体(ウェハー）を供給する。
    Ａ２．シリコンウェハーの両面に第一ＳiＮ層を形成し、上面側に管構造（長い孔のパターン）をパターン形成し、下面側にエッチングされるべき接続孔を形成する。
    Ｂ）各流管接続のためにウェハーの下面側に、ウェハーの厚みから所望の管厚を減じた値よりも深い孔をエッチングにより形成する。
    Ｃ）予め定められた管径を得るために、必要時間の間、上面側で自由孔を通して等方性エッチングにより流管を形成する。
    Ｄ）第二ＳiＮ層を蒸着により形成する。
    Ｅ）第一金属層（導体パターン）を供給そしてパターン形成する。
    Ｆ）上面側にて二つあるいは三つの側で流管を露出させる。
    Ｇ）スペーサとして機能する厚いフォトレジスト層を必要に応じ形成する。
    Ｈ）第二金属層を供給そしてパターン形成する。
    Ｉ）エッチング、例えば等方性エッチングあるいは異方性エッチングプロセスで、流管を露出させるためにエッチングマスクを供給する。
    Ｊ）ウェハーからチップを分離する。
14. 丸みをもつ曲部を有するループ状流管を形成することとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
15. 一つの同じ工程で電気センサ構造が基体に形成されることとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
16. 電気センサ構造が圧力センサを有することとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
17. 圧力センサがピラニ圧力センサであることとする請求項１１に記載の流量計のためのシステムチップの製造方法。
18. 窒化シリコン流管がコリオリ流量センサあるいは熱型流量センサの部分をなしていることとする請求項１に記載の流量計。
19. 第一窒化シリコン流管がコリオリ流量センサの部分をそして第二窒化シリコン流管が熱型流量センサの部分をなしていることとする請求項１に記載の流量計。
20. 流管は二つの平行な脚部を有するループ状をなし、ローレンツアクチュエータが一直線上に配された二つの磁界発生手段であることとする請求項５に記載の流量計。
21. 流管は二つの平行な脚部を有するループ状をなし、ローレンツアクチュエータが脚部の外方で一直線上に端磁極を備えたマグネットヨークを有していることとする請求項５に記載の流量計。
22. 開口部が形成されて該開口部に窒化シリコン検出管が配されたシリコン基体を有し、上記検出管が流入端と流出端とを有し、これら両端が開口部の壁を経てシリコン基体内の窒化シリコンでコーティングされた流路に集まっていることとする測定システムのためのシステムチップ。
23. 単結晶シリコン基体が供給され、ここへのＳｉＮ蒸着工程と、部分的なエッチングによるキャビティ形成工程と、エッチングによる部分的な露出工程が、マイクロシステム技術（ＭＳＴ）を用いてなされ、少なくとも一側が固定で他側が自由支持構造の流管を得る請求項２２に記載の測定システムのためのシステムチップの製造方法。

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