(57)【要約】【目的】全体の構造が簡素化されて小形化を図ることができるとともに、センサ本体とポンプとの結合精度を向上させて、ポンプ性能、センサ性能ともに良好なガス式レートセンサを容易に製造することができるようにする。【構成】下側基板と上側基板との間に、電磁気的な振動子によって振動する振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジが形成された中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間でポンプ部の吸気口および吸排気室とセンサ部のガス排出口とが形成され、下側基板と中間基板との間でポンプ部の背気室、通気孔およびセンサ部のガス供給用のノズル孔とが形成され、下側基板と上側基板との間でセンサ部のガス通路が形成されるように構成されたガス式レートセンサ。【選択図】      図１
2004354360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側基板と上側基板との間に、電磁気的な振動子によって振動する振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジが形成された中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間でポンプ部の吸気口および吸排気室とセンサ部のガス排出口とが形成され、下側基板と中間基板との間でポンプ部の背圧室、通気孔およびセンサ部のガス供給用のノズル孔とが形成され、下側基板と上側基板との間でセンサ部のガス通路が形成されるように構成されたガス式レートセンサ。
【請求項２】
中間基板における振動板を支持する基部にあけられた排気孔側に通気孔が形成され、その通気孔に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔が形成されていることを特徴とする請求項１の記載によるガス式レートセンサ。
【請求項３】
中間基板がエッチングによって振動板および背圧室となる凹部、排気孔、センサブリッジ、ガス排出口となる切り欠き部が形成された半導体基板からなり、上側基板がエッチングによって吸排気室となる凹部、吸気口となる切り欠き部およびガス通路上部となる凹部が形成された半導体基板からなり、下側基板が、ガス式レートセンサの実装基板であることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を電気的に検出するガス式レートセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス式レートセンサにあっては、ポンプによって、センサ本体におけるノズル孔からガス通路内の左右に設けられた感熱抵抗素子からなるヒートセンサに向けてガスを噴出させておき、外部からセンサ本体に角速度運動が加わってガス通路内を流れるガス流が左右方向に偏向したときに、ヒートセンサに生じた抵抗値の変化状態に応じた電気信号をとり出して、そのときセンサ本体に作用している角速度の向きおよび大きさを検出するようにしている。
【０００３】
この種のガス式レートセンサとして、ノズル孔、ガス通路およびそのガス通路内に設けられるヒートセンサからなるセンサ本体が、半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって形成された超小形のものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２０２７号公報
【０００５】
そのガス式レートセンサにおけるセンサ本体としては、図８ないし図１０に示すように、ノズル孔用の小溝１５、ガス通路用の半溝１６およびガス通路にかかるセンサブリッジ１７が半導体基板をエッチングすることによって形成された下側基板１４と、ガス通路用の半溝１８が、上面にノズル孔用の小溝１５につながるガス供給口１９が、ガス通路用の半溝１８の後部にガス排出口２０がそれぞれ形成された上側基板２１とを重ね合せて、両者を接着することにより、ノズル孔２５およびガス通路２６が形成されるようになっている。
【０００６】
センサブリッジ１７の上面には、左、右一対の白金などの感熱抵抗材料からなるヒートセンサ２２，２３がパターン形成されている。図中、２４はヒートセンサ２２，２３の各電極である。
【０００７】
そして、図１１に示すように、別途に金属加工によって製造した圧電式のポンプ２７を用いて、センサ本体２８のガス供給口１９からガスを送り込んで、ノズル孔２５からガス通路２６内にガス流を生じさせるようにしている。
【０００８】
しかして、センサ本体２８がマイクロマシニング加工による微細なものでは、ポンプ２７によってノズル孔２５からガス通路２６内に噴出されるガス流がセンサ本体２８における角速度の検出精度につながるものとなっている。
【０００９】
その際、センサ本体２８のガス供給口１９とポンプ２７の吐出口とが直接連結するようにセンサ本体２８にポンプ２７を組み付けるのでは、両者の材料の違いからくる温度による熱膨張係数の差によって位置ずれを生ずるなど、両者の接合精度を保持することが困難となり、両者の接合位置がずれるとセンサ本体２８にガス流の乱れを生じてしまうことになる。
【００１０】
そのため、従来では、図１１に示すように、センサ本体２８とポンプ２７とをステー（図示せず）にそれぞれ固定したうえで、センサ本体２８のガス供給口１９にノズル２９を装着して、ポンプ２２の吐出口とノズル２９との間をチューブ３０によって連結するようにしている。
【００１１】
しかし、このようなセンサ本体２８とポンプ２７との連結手段をとるのでは、部品点数が多くなるとともに組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまう。また、それによってもセンサ本体２８とポンプ２７との接合位置のずれを完全になくすことができない。
【００１２】
また、出願人は、未公開ではあるが、図１２に示すように、半導体基板のマイグロマシニング加工によって製造したセンサ本体３１上に、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプ３２を一体的に組み付けて、小形化と接合性の向上とを図るようにしたガス式レートセンサを先に提案した（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
【特許文献２】
特願２００２−３８３０９７号
【００１４】
それは、センサ本体３１上に重ねて接合され、上面に接着された圧電素子３３によって振動し、一方側に通気孔３４があけられた振動板３５が形成され、通気孔３４と反対側に吸入口３６が設けられたポンプ吸排気室３７を形成する第１の基板３８と、その第１の基板３８上に重ねて接合され、ポンプ背圧室３９を形成する第２の基板４０とによってポンプを構成するようにしている。
【００１５】
しかし、このように構成されたガス式レートセンサにあっても、組付け時に通気孔３４とガス供給口１９との中心位置が相対的にずれてしまうと、背圧室３９から通気孔３４を通してガス供給口１９に向けて吐出されるガスに乱れを生じたり、流量が低下したりするおそれがあるものになっている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体に別途金属加工によって製造されたポンプを組み付けるに際して、両者を直接連結させるのでは結合精度を保持することが困難となり、またジョイント用のチュープなどの連結部材を用いるのでは組付けの作業性が悪くなり、装置全体が大形化してしまうことである。
【００１７】
また、小形化およびセンサ本体とポンプとの接合性の向上を図るために、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したセンサ本体上に重ねて、同じく半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造したポンプを一体的に組み付けるのでは、センサ本体とポンプとの相対的な組付け精度が悪いとセンサ本体に供給されるガスに乱れを生じたり、流量が低下したりしてしまうという問題がある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、半導体基板のマイクロマシニング加工によってセンサ本体とポンプとを一体に製造することにより、両者の結合精度を保持して、センサ本体に常に安定したガス流を生じさせることができるようにしている。
【００１９】
具体的には、下側基板と上側基板との間に、電磁気的な振動子によって振動する振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジが形成された中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間でポンプ部の吸気口および吸排気室とセンサ部のガス排出口とが形成され、下側基板と中間基板との間でポンプ部の背圧室、通気孔およびセンサ部のガス供給用のノズル孔とが形成され、下側基板と上側基板との間でセンサ部のガス通路が形成されるように構成している。
【００２０】
【実施例】
本発明によるガス式レートセンサにあっては、図１に示すように、下側基板１と上側基板２との間に、圧電素子４によって振動する振動板３１が形成され、その振動板３１を支持する基部３２に排気孔５があけられ、ヒートワイヤのセンサブリッジ６が形成された中間基板３を挟持して、上側基板２と中間基板３との間でポンプ部Ｂの吸気口７および吸排気室８とセンサ部Ａのガス排出口９とが形成され、下側基板１と中間基板３との間でポンプ部Ｂの背圧室１０、通気孔１１およびセンサ部Ａのガス供給用のノズル孔１２とが形成され、下側基板１と上側基板２との間でセンサ部Ａのガス通路１３が形成されるように構成されている。
【００２１】
センサ部Ａのガス供給用のノズル孔１２はポンプ部Ｂのガス吐出口を兼ねており、中間基板３にあけられた排気孔５側に通気孔１１が設けられ、その通気孔１１に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔１２が設けられている。
【００２２】
上側基板２には、半導体基板をエッチングすることによって、吸排気室８となる凹部、吸気口７となる切り欠き部およびガス通路１３の上部となる凹部が形成されている。
【００２３】
中間基板３には、半導体基板をエッチングすることによって、振動板３１および背圧室１０となる凹部、排気孔５、センサブリッジ６、ガス排出口９となる切り欠き部が形成されている。そして、その振動板３１を支持する基部３２の一部が切り欠かれて、下側基板１との間で背圧室１０につながる通気孔１１およびノズル孔１２が形成されている。
【００２４】
その際、中間基板３にあけられた排気孔５側に通気孔１１が設けられ、その通気孔１１に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔１２が設けられる。
【００２５】
ヒートセンサが設けられるセンサブリッジ６は、熱によりガス流がポップアップすることを考慮して、ノズル孔１２よりも若干高い位置に設置されている。
【００２６】
図２は、下側基板１、上側基板２および中間基板３に用いられる半導体基板を得るためのシリコンウエハからのチップ切り出し状態を示している。
【００２７】
なお、下側基板１にあっては、それが専用の半導体基板でなくても、マイクロポンプを実装する他の種々の基板であってもよい。
【００２８】
ここでは圧電素子４を用いて振動板３１を振動させているが、圧電素子４を用いる代わりに、その他の電磁気的に振動する電歪振動子や磁歪振動子などが広く用いられることはいうまでもない。
【００２９】
また、本発明では、中間基板３に振動板３１を形成するに際して、図３および図４に示すように、シリコンウエハにおける（１００）面からなる片面を異方性ウェットエッチングすることによって、薄膜化された振動板３１を形成するようにしている。
【００３０】
シリコンウエハのマイクロマシニング加工には、ドライエッチングおよびウェットエッチングによる加工技術がある。そして、それぞれのエッチングには全ての方向にエッチングする等方性エッチングと特定の方向に選択的にエッチングする異方性エッチングとがあり、シリコンウエハを立体的に加工するフォトリゾグラフィー技術では異方性エッチングが比較的多く用いられる。
【００３１】
本発明では、エッチング速度が速くてスループット性が良く、バッチ処理によりコストの削減が可能であり、ドライエッチングよりも生産性に優れたウェットエッチングを採用して、シリコンウエハを異方性エッチングするようにしている。その際、シリコンウエハの（１００）面をエッチングすると、（１１１）面からなる側面をもった四角錐状に加工されて、正方形の薄膜化された振動板３１が形成される。
【００３２】
そのエッチングされた部位は、（１００）面による平面と、（１１１）面による側面とが露出された状態になる。（１１１）面は異方性ウェットエッングにおいて最終的に出現する安定な結晶面であり、エッチングにより薄膜状に形成された振動板３１の全周がその（１１１）面からなる部分によって支持される、このような振動板３１の支持状態は安定であるとともに構造的に強固であり、ばらつきなく常に一定の振動特性を発揮することのできる振動板３１を容易に得ることができるようになる。
【００３３】
そして、その正方形の振動板３１上には、図５に示すように、振動時に圧電素子４が振動板３１に与える応力が円周上均等に分散して、部分的に集中するようなことがないように、円形の平板状の圧電素子４が同一中心をもって接着されている。
【００３４】
このように構成された本発明によるマイクロポンプの動作について、以下説明する。
【００３５】
まず、図６に示すように、圧電素子４に正側の駆動電圧が印加されて振動板３１が上側にたわむと、吸排気室８が陽圧となり、背圧室１０が陰圧となって、吸排気室８内のガスが排気孔５および通気孔１１を通して背圧室１０の内部に送り込まれる。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００３６】
次に、図７に示すように、圧電素子４に負側の駆動電圧が印加されて振動板３１が下側にたわむと、背圧室１０が陽圧となり、その背圧室１０内のガスが通気孔１１を通してノズル孔１２に吐出する。同時に、吸排気室８が陰圧となり、吸気口７から吸排気室８内にガスを吸い込む。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００３７】
このようなポンプ動作がくり返し行われることにより、ノズル孔１２からガス通路１３内にガスが断続的に噴出されて、ガス通路１３内にガス流（層流）が生ずることになる。
【００３８】
その際、特に本発明によれば、通気孔１１に対して基板に沿う方向に連通するようにノズル孔１２を設けて、背圧室１０内のガスが横方向にまっすぐに吐出するような構造としているので、乱流をきたしたり、流量が低下したりするようなことなく、ノズル孔１２からガス通路１３内にガスを効率良く安定に吐出させることができるようになる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、半導体基板のマイクロマシニング加工によってセンサ本体とポンプとを一体に製造することにより、全体の構造が簡素化されて小形化を充分に図ることができるとともに、両者の結合精度が保持されて、ポンプ性能、センサ性能ともに優れたものになるという利点を有している。
【００４０】
その際、特に本発明によれば、半導体基板のエッチングにより振動板が形成された中間基板を、その振動板を支持する基部において上側基板と下側基板との間に挟持するようにしているので、振動板の装着状態が常に一定となり、振動特性にばらつきのないポンプ性能を発揮させることができるようになる。
【００４１】
そして、背圧室内のガスが基板に沿う横方向にまっすぐにノズル孔１２を通してセンサ本体のガス通路内に吐出するようにしているので、乱流をきたしたり、流量が低下したりするようなことなく、ガス通路内にガスを効率良く供給して、良好な層流をもってガス流を生じさせることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス式レートセンサの一構成例を示す正断面図である。
【図２】同実施例における下側基板、上側基板および中間基板に用いられる半導体基板を得るためのシリコンウエハからのチップ切り出し状態を示す図である。
【図３】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された中間基板を示す正断面図である
【図４】その振動板が形成された中間基板の斜視図である。
【図５】同実施例における方形の振動板の上に円形の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図６】本発明の一実施によるマイクロポンプの一動作状態を示す正断面図である。
【図７】本発明の一実施によるマイクロポンプの他の動作状態を示す正断面図である。
【図８】一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体の下側半導体基板を示す平面図である。
【図９】その一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体の上側半導体基板を示す裏面図である。
【図１０】その一般的なガス式レートセンサにおけるセンサ本体のノズル孔部分の側断面図である。
【図１１】従来のセンサ本体とポンプとの連結状態の一例を示す斜視図である。
【図１２】従来のマイクロマシニング加工されたセンサ本体とポンプとを一体的に組み付けたガス式レートセンサの正断面図である。
【符号の説明】
１  下側基板
２  上側基板
３  中間基板
３１  振動板
４  圧電素子
５  排気孔
６  センサブリッジ
７  吸気口
８  吸排気室
９  ガス排出口
１０  背圧室
１１  通気孔
１２  ノズル孔
１３  ガス通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004354360.tif 000010
【図９】
2004354360.tif 000011
【図１０】
2004354360.tif 000012
【図１１】
2004354360.tif 000013
【図１２】
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