JPH0412230A - 半導体流量計及びこれを用いたマイクロポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は微少流量の測定に適した半導体流量計およびこ
れを用いたマイクロポンプに関する。

［従来の技術］ フローインジェクション化学分析（ＦＩＡ）システムの
小型化を実現するため、微少流量（数μ！／１ｎ〜数ｍ
　１７ｍ１ｎ）を制御するマイクロポンプ、サンプルイ
ンジェクタが既に提案されている（庄子他“医用集積化
フローインジェクション化学分析システムに関する研究
”第２８回日本ＭＥ学会大会Ｊａｐａｎ　Ｓｅｅ肝＆　
ＢＥ　（Ｍａｙ、１９８９））。

前記ＦＩＡの精度を高くするためには、流体の流量を精
度良く制御することが重要であり、このため流路を流れ
る流体の流量を微少流量域から高流量域まで広範囲に、
しかも高精度で測定できる流量計の開発が必要となる。

このような流量計の１゜つとして、従来より絞り流量計
が知られている。第６図には、この絞り流量計の原理図
が示されており、流体１００が流れる流路１０に絞り］
２を設けることにより、流路断面積を一部小さくし、そ
の前後で圧力差を生じせしめている。この差圧は、流量
と所定の対応関係を有するため、この差圧を測定するこ
とにより流体１００の流量を求めることができる。この
ような絞り流量計で実用されているものの１つに、例え
ばオリフィス（日本機械学会著、流体計測法、ｐ１７４
）がある。従来の流量計を、このオリフィスを例にとり
第７図に基づいて説明する。

この流量計は、ＳＵＳまたは測定される流体により腐蝕
されない材質よりなるオリフィス２４を有し、このオリ
フィス２４はフランジ２２により挾まれ、管２０に接続
されている。管２０内には、流体１００が流れる流路１
０が形成されており、オリフィス２４の前後では、流量
に応じた圧力差が発生している。この差圧を測定するた
め、管２０には圧力計２６が接続されている。

これにおいて、オリフィス２２の前後に発生する差圧Δ
ｐと単位当りの流量ｑとの間には、次式に示す関係が成
立する。

Δｆ）−Ｋｑ２　　　　　・・・（１）ただし、Ｋは流
体１００の密度、オリフィス２４、管２０の形状等に依
存する値であり、流体１００、測定系を定めれば定数と
なる。

流体１００の流量を高精度に測定するために、前記圧力
計２６は微少な差圧（数ｍｍＨｇ）を検出する必要があ
り、このため、例えばダイヤフラム型圧力センサが用い
られることが多い。

第８図には、従来の流量計の特性図が示されている。従
来の流量計では、オリフィス２４．管２０等の形状が一
定であるため、前記（１）式で示すＫの値も一定となる
。このため、差圧Δｐは流量ｑの２乗に比例する値にな
り、差圧変化率は低流量域で小さく、高流量域で大きい
特性を示すことになる。

［発明が解決しようとする課題］ このため、従来の流量計では、低流量域での感度が小さ
く、高流量域の測定精度に比べ低流量域、特に微少流量
域での測定精度が極めて悪いという問題があった。

また、前記圧力計２６は、内部に流体が溜る構造となっ
ているため、パージが不可能もしくはパージに長時間必
要とするという問題もあった。

さらに、前記圧力計２６は、電子回路等の構成部品とは
全く異なる部材で形成されているため、各種流体制御素
子や電子回路と共に集積化することができないという問
題もあった。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、低流量域、特に微少流量域におい
ても流体流量の高精度測定ができ、しかもその内部に流
体が溜るようなことがなく、さらに必要に応じて各種流
体制御素子、電子回路と共に集積化し、超小型流体制御
システムに適応可能な半導体流量計を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、前記半導体流量計を用い、微少流
量をも正確に制御可能なマイクロポンプを提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明は、 流路に流れる流体の流量を測定する半導体流量計であっ
て、 一方の面が前記流路の上流側、他方の面が前記流路の下
流側に面するよう設置された半導体基板と、 前記半導体基板の一部に形成され、基板両面の差圧によ
り応力を発生するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに
設けられ、ダイヤフラムに発生する応力を検出する歪み
ゲージと、前記ダイヤフラムに形成された流体通過用の
微細孔と、 前記微細孔の下流側に設けられ、低流量域では流路抵抗
が大きく高流量域では流路抵抗が小さくなる逆止弁と、 を含み、前記歪みゲージの検出出力に基き流体の流量を
測定することを特徴とする。

これにおいて、前記半導体基板は、シリコン結晶からな
る基板として形成され、 前記歪みゲージは、シリコン拡散抵抗として形成され、 前記逆止弁は、多結晶シリコンからなり、その一部が前
記半導体基板に固定されることが好ましい。

前記本発明の半導体流量計は、その構造を特に小さく形
成することが、微少流量の計測のために必要とされる。

これは、シリコンのマイクロマシニングを用いることに
より実現できる。すなわち、シリコンの結晶異方性エツ
チング、薄膜のＣＶＤ等により、ミクロンオーダの構造
体を高精度でかつ再現性よく形成することが可能である
。従って、このようなマイクロマシニングを用いること
により、前述した半導体流量計を精度良く形成すること
が可能になる。

また、本発明の半導体流量計は、流路を形成するガラス
部材と、前記シリコン半導体基板とを陽極接合すること
が好ましい。

これにより、本発明の半導体流量計を、微細な流路を構
成する構造体と高精度で、しかも高い密封性を保ち接続
することが可能となる。

また、前記能の目的を達成するため、本発明のマイクロ
ポンプは、 シリコン結晶からなる半導体基板と、 この半導体基板の両面に陽極接合され、半導体基板との
間に流路を形成する第１のガラス部材及び第２のガラス
部材と、 多結晶シリコンからなり、前記流路に位置して前記半導
体基板上にその一部が固定された逆止弁と、 前記流路に位置して前記半導体基板上に設けられた請求
項（１）の半導体流量計と、 前記半導体流量計及び逆止弁により挟まれた流路に面し
て、前記第１または第２のガラス部材に設けられたダイ
ヤフラムと、 前記ダイヤフラムを往復駆動するアクチュエタと、 を含み、 前記半導体流量計は、 その歪みゲージが、シリコン拡散抵抗として形成され、 その逆止弁が、多結晶シリコンからなり、その一部が前
記半導体基板に固定される構造に形成され、この半導体
流量計で検出した流量に基き前記アクチュエータを駆動
することを特徴とする。

このように形成されたマイクロポンプでは、半導体流量
計の出力信号を流路内部から外部に取出す必要があり、
この際、ポンプの密封性を損ってはいけない。これを解
決するためには、半導体基板上に拡散リードを形成し、
前記信号の入出力を行えばよい。

発明の原理 次に本発明の原理を簡単に説明する。

従来の絞り流量計では、絞り部分の形状が変化しないた
めに前記（１）式のＫの値が一定となり、低流量域での
感度が低下した。本発明では、絞り部分の流路抵抗を流
量に応じ変化させることにより、この問題を解決するこ
とができる。

］０ すなわち、低流量域では流路抵抗が大きく、高流量域で
は流路抵抗を小さくすることにより、前記（１）式のＫ
を、流量の減少と共に大きくなる変数とすることができ
、低流量域、特に微少流量域での感度を大きくすること
が可能となる。

［作　用］ 次に本発明の詳細な説明する。

本発明の半導体流量計は、流量に応じて逆止弁の開く度
合が変化し、低流量域では流路抵抗が大きく、高流量域
では流路抵抗が小さくなる。このため、前記（１）に示
す値には、流量の減少と共に大きくなり、逆止弁の両側
で発生する差圧も大きくなる。

このように、本発明の半導体流量計では、低流量域、特
に微少流量域においても十分大きな感度を得ることがで
き、これにより微少流量域から高流量域にわたり流体の
流量を高精度で、しかも応答性よく測定することが可能
となる。

また、本発明の半導体基板上において、前記半導体基板
を、シリコン結晶からなる基板として形］１− 成し、前記歪みゲージを、シリコン拡散抵抗として形成
し、前記逆止弁を、多結晶シリコンとして形成し、その
一部を前記半導体基板に固定する構成とすることが好ま
しい。これにより、本発明の半導体流量計は、シリコン
のマイクロマシーニング等を用いて、ミクロンオーダの
単位で高精度に、かつ、再現性良く形成することができ
、流体の微少流量測定をより精度よく行うことが可能と
なる。

特に、本発明においては半導体基板を用いているため、
半導体基板上に半導体流量計とその出力信号等の処理回
路等を搭載する集積化が可能となり、超小型流体制御シ
ステムに極めて好適なものとなる。

また、本発明の半導体流量計は、流路を形成するガラス
部材と、前記シリコン半導体基板とを陽極接合した構成
とすることが好ましい。これにより、半導体基板とガラ
スの陽極接合により、微細な流路を構成する構造体と、
半導体流量計自体とを高精度に、かつ高密封性を保った
まま接続することが可能となる。

また、本発明の半導体流量計において、逆止弁は本来の
機能である逆流防止の働きもするため、請求項（２）に
記載のように、マイクロポンプ等と一体化することが好
適となり、これによりその構成が単純でしかも高精度の
流量制御可能なマイクロポンプを得ることが可能となる
。

特に、前記マイクロポンプを、半導体基板とガラス部材
との陽極接合により形成することにより、高密封性を実
現し、シリコンマイクロマシーニングによる微細な流路
網、流体制御素子の搭載が可能となり、流体制御システ
ムそのものを集積化する」二で極めて好適なものとなる
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、微少流量を高感
度で測定することができる半導体流量計を得ることがで
きるという効果がある。

また、本発明の半導体流量計は、半導体基板を用いて形
成されるため、流量計全体を小型化することができ、ま
たは製造のバラツキも小さく、量産製に優れ、他の流体
制御素子との高密度集積化］３ も可能となる。

さらに、本発明の半導体流量計は、半導体基板と流路を
構成するガラス部材とを陽極接合することにより、高密
封封止による高信頼性が実現でき、その他の流体制御素
子との高密度集積化も可能となる。

さらに、前記半導体流量計を用いることにより、その構
成が簡単で、しかも微細流量を高精度で制御することが
できるマイクロポンプを得ることができるという効果も
ある。

［実施例コ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１実施例 第１図および第２図には、本発明にかかる半導体流量計
の好適な実施例が示されており、第１−図はその平面的
な構成を示す説明図、第２図は第１図の■−■断面概略
図である。

実施例の半導体流量計は、管３０を用いて形成された流
路３２内を図中矢印で示す方向に沿って］４ 流れる流体１００の流量を測定するよう形成されている
。これにおいて、前記管３０はガラスを用いて形成され
ている。

実施例の半導体圧力計は、管３０を分断し流路３２を遮
るように設置されたｎ型（１００）面シリコン基板４０
を有し、このシリコン基板４０は、ガラスを用いて形成
された管と陽極接合され、これにより両者の間は気密封
止される。

前記シリコン基板４０の下面の一部には、シリコン基板
４０の両面の差圧に応じた応力を発生ずるダイヤフラム
４２が形成されている。このダイヤフラム４２の中心付
近には、厚板部分が残され、その中央に上流側から下流
側に向はテーパーを付けた微細孔４４が形成されている
。これらダイヤフラム４２．微細孔４４は、シリコン基
板４０に対し、例えばアルカリエツチング液等を用いて
結晶異方性エツチング処理を施すことにより、ミクロン
オーダの単位で簡単かつ高精度に形成することができる
。

前記ダイヤフラム４２の板厚の薄い部分には、フルブリ
ッジ回路を構成するよう４個の歪みゲージ４６が形成さ
れ、シリコン基板４０の両面に生じる差圧を電圧信号に
変換出力している。前記６歪みゲージ４６は、ダイヤフ
ラム４２の表面から選択的に不純物としてボロンを部分
的に添加し拡散してＰ型半導体を形成することにより、
形成される。

さらに、このシリコン基板４０上には、同様な手法によ
りボロンを拡散することによりリード４８として機能す
る拡散層が形成され、このリド４８は、歪みゲージ４６
と、流路３２の外部に設けられたＡＩ電極５０との接続
を行っている。

また、前記歪みゲージ４６．リード４８を保護するため
、シリコン基板４０の全表面上には、絶縁層５２が被覆
形成されてる。この絶縁層５２は、例えば減圧ＣＶＤ等
を用い、窒化シリコンを被覆することとにより形成され
る。

本発明の特徴は、このように形成されたシリコン基板４
０」二に、前記微少孔４４の下流側に位置して逆止弁６
０を設け、この逆止弁６０を、低流］−６ 置載では流路抵抗が大きく、高流量域では流路抵抗が小
さくなるよう形成したことにある。

これにより、前記（１）式の定数Ｋを、流量の減少と共
に大きくなる変数とすることができ、低流量域での感度
を大きくすることが可能となる。

実施例において、前記逆止弁６０は多結晶シリコンによ
り形成されている。そしてこの逆止弁６０は、シリコン
基板４０に固定されるリング状の固定部６２と、微少孔
４４の開閉を行う弁座部６４と、前記固定部６２と弁座
部６４とを連結し面の開口度を決める複数の梁６６とか
ら構成される。

前記梁６６は、流量が大きいときには大きく変形し開口
度が大きくなるため、逆止弁自体の流路抵抗が小さくな
る。逆に流量が少ないときには、梁６６の変形が小さい
ため開口度も小さく、この結果、逆止弁の流路抵抗は大
きくなる。

第３図には、本実施例の流量計の実験データが示されて
いる。実験によれば、微細孔４４の一辺長１００μｍ、
弁座部６４の直径１−５０μｍ、梁６６の板厚２μｍ８
幅２００μｍとし、梁６６の長さを１５０μｍ、３００
μｍ、６００μｍと変えた３種類の流量計を作製し、流
量に対する歪みゲージ４６の出力を測定した。

この測定データからも明らかなように、本実施例の半導
体流量計では、低流量側での出力変化率が大きく、測定
分解能が大きいことか理解されよう。特に、梁６６の長
さが１５０μｍの試料では、低流量側で約２　（ｇ／ｃ
／）　／　（、ｃｚ　ｉ！　７ｍ１ｎ）の感度が得られ
、電圧出力では約２０μＶ／（μｉ’　７ｍ１ｎ）であ
った。

また、第４図には、逆止弁６０の逆流防止機能に対する
実測データが示されている。逆方向の圧力印加に対し、
前記逆止弁６０は、その弁座部６４が微少孔４４を閉塞
し、逆流を防止するように作用する。実験では、前述し
た３種類の試料を用い、流路３２の逆方向に圧力を印加
した。この結果、梁６６の長さが１５０μｍ、３００μ
ｍの試料については、逆止弁６０は完全に流を止め逆流
を防止していることが確認された。

なお、本発明の半導体流量計において、微細孔４４．逆
止弁６０の形状パラメータは、前述したように感度等に
密接な関係があるため、測定レンジに応じた設計を行う
ことが必要である。

第２実施例 第５図には、前述した半導体圧力センサを用いて形成さ
れたマイクロポンプの好適な実施例が示されている。

実施例のマイクロポンプは、微細な流路網を形成するよ
うに、シリコン基板４０の両面に第１のガラス基板７２
および第２のガラス基板７４を陽極接合により気密接合
している。

前記第１のガラス基板７２には、流路３２の両端につな
がるインレット７６およびアウトレット７８が形成され
ている。

実施例では、流路３２の上流側に逆止弁６０を設置する
と共に、その下流側に半導体流量計１１０を設置した。

この半導体流量計１１．０は、前記第１実施例と示した
ものと同様なものであるが、シリコン基板４０を第２図
に示すシリコン基１つ 板４０として用い、しかも微細孔４４の周辺の厚板部を
なくし液溜りを防止した点でその構成が若干界なる。

前記第１のガラス基板７２には、前述した逆止弁６０お
よび半導体流量計１１０で挾まれた流路部分に面にして
ダイヤフラム８０が形成され、このダイヤフラム８０の
中央部は、第１のガラス基板７２に支点８２を用いて支
持されたピエゾアクチュエータ８４に固定されている。

従って、ピエゾアクチュエータ８４へ交流電圧を印加す
ることにより、ピエゾアクチュエータ８４は上下に伸縮
し、ガラスダイヤフラム８０を振動させる。こめとき、
逆止弁６０および半導体流量計１１０の逆止弁６０の働
きにより、流体１００は図中破線矢印の方向へ移動する
。

このときの流量は、ピエゾアクチュエータ８４への印加
電圧の最大振幅値１周波数の関数になる。

本発明では、半導体流量計１１０で測定した流量に基づ
き、ピエゾアクチュエータ８４への印加電圧の最大振幅
値１周波数を制御することにより、微細流量域から高流
量域まで供給流量を極めて高い精度で制御できるマイク
ロポンプを実現することが可能となる。

実験によれば、最大振幅値を１００Ｖに固定した状態で
、周波数を制御することにより、２０μｍ　７ｍ１ｎ以
下の流量制御が可能になることが確認された。この上限
は、マイクロポンプの能力からくる制約であり流量計は
何等制約を与えるものではない。

このようにして本実施例によれば、半導体流量計１１０
が逆止弁６０を有し、しかも微細流量を正確に測定する
ことができるという特徴を利用し、その構成が単純で、
しかも微細流量から高流量域まで流量制御を高精度に行
うことができるマイクロポンプを得ることができる。

また、本実施例によれば、シリコン基板４０と、第１お
よび第２のガラス基板７２．７４とを陽極接合すること
により高密封性を実現し、しかもシリコンマイクロマシ
ーニングによる微細な流路制流体制御素子を搭載するこ
とができるため、流体制御システムの集積化を図る上で
極めて効果的なものであることが理解されよう。

また、実施例の半導体流量計およびマイクロポンプのよ
うにシリコン基板４０を用いることにより、半導体流量
計１１０からの出力信号からの処理回路をシリコン基板
４０上に搭載することも可能となり、この面からも回路
全体およびシステムの高集積化を図ることも可能となる
。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、本発明に用いられる逆止弁６０の構造としては
、流体流量に合せて開口度が調整できるものであれば、
必要に応じて任意の構造のものを用いることができる。

また、前記実施例のマイクロポンプでは、第１のガラス
基板７２にダイヤフラム８０を形成した例をとり説明し
たが、本発明はこれに限らず必要に応じて第２のガラス
基板７４にダイヤフラム８０を設けてもよく、また両ガ
ラス基板７２゜７４にダイヤフラム８０を形成してもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる半導体流量計の好適な実施例
を示す平面説明図、 第２図は、第１２図の■−■断面概略説明図、第３図は
、本実施例の流量に対する差圧変化を示す特性図、 第４図は、本実施例に用いられる逆止弁の逆止特性を示
す特性図、 第５図は、本発明のマイクロポンプの好適な一例を示す
断面概略説明図、 第６図は、絞り流量計の一般的な原理を示す説明図、 第７図は、従来のオリフィスを用いた絞り流量計の断面
説明図、 第８図は、前記従来例の流量に対する差圧変化４４・・
・微細孔、　　４６・・・歪みゲージ、６０・・・逆止
弁、　　６２・・・固定部、６４・・・弁座部、　　６
６・・・梁、７２・・・第１のガラス基板、 ７４・・・第２のガラス基板、 ８０・・・ダイヤフラム、 ８４・・・ピエゾアクチュエータ、 １００・・・流体、１］０・・・流量計。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流路に流れる流体の流量を測定する半導体流量計
   であって、 一方の面が前記流路の上流側、他方の面が前記流路の下
   流側に面するよう設置された半導体基板と、 前記半導体基板の一部に形成され、基板両面の差圧によ
   り応力を発生するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに
   設けられ、ダイヤフラムに発生する応力を検出する歪み
   ゲージと、 前記ダイヤフラムに形成された流体通過用の微細孔と、 前記微細孔の下流側に設けられ、低流量域では流路抵抗
   が大きく高流量域では流路抵抗が小さくなる逆止弁と、 を含み、前記歪みゲージの検出出力に基き流体の流量を
   測定することを特徴とする半導体流量計。
2. （２）シリコン結晶からなる半導体基板と、この半導体
   基板の両面に陽極接合され、半導体基板との間に流路を
   形成する第１のガラス部材及び第２のガラス部材と、 多結晶シリコンからなり、前記流路に位置して前記半導
   体基板上にその一部が固定された逆止弁と、 前記流路に位置して前記半導体基板上に設けられた請求
   項（１）の半導体流量計と、 前記半導体流量計及び逆止弁により挟まれた流路に面し
   て、前記第１または第２のガラス部材に設けられたダイ
   ヤフラムと、 前記ダイヤフラムを往復駆動するアクチュエータと、 を含み、 前記半導体流量計は、 その歪みゲージが、シリコン拡散抵抗として形成され、 その逆止弁が、多結晶シリコンからなり、その一部が前
   記半導体基板に固定される構造に形成され、この半導体
   流量計で検出した流量に基き前記アクチュエータを駆動
   することを特徴とするマイクロポンプ。