計測自動制御学会東北支部第 243 回研究集会(2008.6.20)
資料番号 243-5

差圧式 MEMS 流量センサの形成と He 流量検出特性
Fabrication and characterization of MEMS differential pressure sensor
for He flow rate detection○尾崎真寿, 酒井嶺太, 峯田貴, 牧野英司
○Masatoshi Ozaki, Ryouta Sakai, Takashi Mineta, Eiji Makino
弘前大学大学院 理工学研究科
Graduate School of Science and Technology, Hirosaki University
キーワード：流量センサ(flow sensor), 差圧センサ(differential pressure sensor),
微小流量(micro fluidics), MEMS(MEMS)
連絡先：〒036-8561 青森県弘前市文京町 3 番地 弘前大学大学院 理工学研究科
牧野･峯田研究室 尾崎真寿, Tel & Fax: (0172)39-3681, E-mail: h08gs508@stu.hirosaki-u.ac.jp

1.

緒言

圧力センサを用いた差圧式の流量センサな環境汚染が深刻な問題となってきており，汚染分布を詳細に測定する必要がある．オン

どがある 6,7)．
本研究では，差圧を直接検出する MEMS型の流量センサを形成し，He 流量の検出特サイトでの有害物質の測定のために，携帯型性を評価した．また，ガスの絶対圧力によるのガスクロマトグラフィ装置の開発が進め流量検出への影響を調べた．さらに，流量検られている．小型化に伴い微量の試料での分出へのガス圧力の影響を補償するため，圧力析も可能になることも期待される．

センサの同一基板上への形成について検討

ガスクロマトグラフィ装置の小型化の一した．

環として，0~5ml/min の流量範囲で微小流量2.

を高精度に制御する流量コントローラチッ

センサの設計と形成プロセス

1)プの開発に取り組んでいる ．小型ガスクロマトグラフィ装置用の流量コントローラは，高いガス圧力域での動作が必要となる．

2.1 流量センサおよび圧力センサの構造と原理

MEMS の技術を応用したマスフローコン

図 1 に流量センサおよび同一チップ内にトローラ，および構成要素であるマイクロバ形成した圧力センサの概略図を示す．センサ

ルブや流量センサが開発されている 2-4)．流は流量，圧力検出用のダイアフラムと固定電量センサには，熱型流量センサ

1,5)，および極，オリフィス，ダイアフラムと固定電極の-1-間のギャップから構成されている．

×55μm のオリフィスを形成することとした．
初期容量は 35pF であり，ダイアフラムの変流量センサは，ガスの流れによって生じる位により約 8pF 変化する．

オリフィス前後での圧力差によりダイアフラムが変位する．圧力センサは，ガスの排出圧力センサは、流量センサと同一のプロセ口側の圧力と大気圧との差によりダイアフスで形成するため，ダイアフラム厚さと電極ラムが変位する．ダイアフラムの変位による間ギャップは同じとし，ダイアフラムサイズ

静電容量の変化から，流量，圧力を測定する．

は 600 m × 600 m と し た ． ガ ス 圧 力 が0.5MPa まで変化したときの静電容量の変化は 0.2pF 程度であり，15 個並列に形成して合A計で 3pF 程度の静電容量の変化が得られる

A’設計とした．
流量センサ，圧力センサを図 1 のように配置し，チップのサイズは 10mm×8mm とした．

2.3

導通パッド

AA’

固定電極
流量センサ

圧力センサ

形成プロセス

図 2 に流量センサおよび圧力センサの形

固定電極成プロセスを示す．SOI 基板は熱酸化膜をマスクとし，IPA 添加 KOH 水溶液を用いたエッチングにより，活性層にオリフィスと導通パッドを，基板層にガスの流路を形成した．

ダイアフラムダイアフラム

ガス導入口

さらに TMAH 水溶液で基板層を約 30μm 残ガス排出口

オリフィス

SOI基板

活性層側ガラス基板

図 1 差圧式 MEMS 流量センサの概略図
ガラスエッチング

熱酸化および結晶異方性エッチング

2.2 流量センサおよび圧力センサの設計

Pt/Ti電極スパッタ成膜

微小流量コントローラに組み込むために，チップサイズは 10mm×10mm 以下であるこ

熱酸化および結晶異方性エッチングとが望まし い．ダ イアフ ラムのサ イズはブラスティング4mm×4mm とし，固定電極との初期ギャッ

Pt/Ti電極スパッタ成膜

基板層側ガラス基板プは 4μm とした．ダイアフラムは SOI(SiliconOn Insulator) 基 板 ( 活 性 層 15 m/BOX 層プラズマエッチング

1 m/基板層 300 m)の活性層より形成し，厚ブラスティングさを 15 m とした．ガスの供給圧力 0.4MPa，流量 5ml/min の条件でダイアフラムが 1.5 m変位するようにオリフィスを設計し，55μm陽極接合

図 2 形成プロセス-2-3.

して深くエッチングした．スパッタ成膜により Pt/Ti の電極を形成した後にプラズマエッ流量センサの流量検出特性
図 4 に流量検出特性評価の評価系を示す．

チングで残った基板層を除去した．
ガラス基板は，HF 水溶液でエッチングし，電極間ギャップ(4μm)およびガスの流路を形

He ボンベに取り付けられたレギュレータにより He の供給圧力を制御し，センサに Heガスを供給した．センサの下流側に He の流成した．スパッタ成膜により Pt/Ti の電極を量を制御する参照用のマスフローコントロ形成した．ガス導入口，排出口は PDMS をーラを接続した．

マスクとし，アルミナ砥粒を用いたフォトブラスティングにより形成した．

デジタルボルトメータ

SOI 基板を上下のガラスで陽極接合してC-V変換器He封止し，ガラスのフィードスルーから信号をRef.MFC取り出す構造を形成した．導通取り出し部より，導通パッドに導電性ペーストを用いてリード線を接合した．図 3 に形成したセンサを示す．
導通パッド

図 4 センサ評価系概略図

固定電極

He の供給圧力を 0.05MPa~0.20MPa の間で一定とした状態で，He 流量を 0~5ml/min まで変化させ，センサの静電容量を C-V 変換器(WACOH 製，Moon2)により電圧に変換し，電圧変化を測定した．図 5 に流量センサの出2mm

力変化を示 す．い ずれの 供給圧力 でも，1~5ml/min の微小流量変化に対して 50mV の表側電圧変化を得ることができた．また，流量をガス排出口増加させたときと減少させたときのヒステ

ガス導入口

Sensor-output (V)0.5002mm
裏側

0.470
0.440
増加 減少
○ ●：0.05MPa□ ■：0.10MPa△ ▲：0.15MPa◇ ◆：0.20MPa

0.410
0.380
0.350

ダイアフラムダイアフラム(流量センサ)(圧力センサ)01234

Actual flow rate (ml/min)

図 3 形成したセンサ

図 5 流量検出特性-3-5リシスはほぼなかった．図 6 に圧力を変えた

2)Lieh-his Lo, Ming-jye Tsai, Tsung-han Tsai,

際の流量検出への影響を示す．供給圧力の増

Chin-Hon Fan, Chia-lin Wu, Ruey-shing

加にともないセンサの出力が減少している

Huang:

ことがわかり，本センサは圧力の補償が必要

micro-system, Mecanique & industries, vol.2,

であることを確認した．

363/369 (2001)

Sensor-output (V)3)Y.

siliconShinozawa,

mass

T.

Abe,

flow

T.

control

Kondo:

A0.500

proportional microvalve using a bi-stable

0.470

magnetic actuator, Micro Electro Mechanical

0.440

Systems, 1997. MEMS ’97, Proceedings,

0.410
0.380
0.350

IEEE., Tenth Annual International Workshop○ ：1 ml/min● ：2 ml/min

on, 233/237 (1997)□ ：3 ml/min■ ：4 ml/min

4)G. G. Arthur, B. J. McKeon, S. S. Dearing, J. F.

△ ：5 ml/min

0.00

0.05

Morrison,

0.10

0.15

Z.

Cui:

Manufacture

micro-sensors and actuators for

0.20

Applied pressure (MPa)offlow control,

Microelectronic Engineering, 83, 1205/1208(2006)

図 6 流量検出特性へのガス圧力の影響

4.

A5)L. Scholer, B. Lange, K. Seibel, H. Schafer, M.

結言

Walder,N.

Friedrich,D.

Ehrhardt,

F.

He ガスの微小流量域における流量測定をSchonfeld, G. Zech, M. Bohm: Monolithically目的とした差圧式 MEMS 流量センサを形成integrated micro flow sensor for lab-on-chip

した．0.05~0.20MPa の圧力下，1~5ml/min のapplications,

微小流量域に対して 50mV 程度の出力電圧

78-79, 164/170 (2005)

MicroelectronicEngineering,変化を得ることができた．また，ガス圧力に

6)Xinxin Li, Wing Yin Lee, Man Wong, Yitshak

よる流量検出への影響を確認した．今後は圧Zohar: Gas flow in constriction microdevices,

力センサによる圧力検出特性の評価を行い，Sensors and Actuators, 83, 277/283 (2000)

流量センサの圧力補償を行う．また，微小流

7)R. E. Oosterbroek, T. S. J. Lammerink, J. W.
Berenschot,

量コントローラへ応用していく．

Elwenspoek,

謝辞

G.
A.

J. M. Krijnen,vanden

M. C.

Breg:

A

micromachined pressure/flow-sensor, Sensors
and Actuators, 77, 167/177 (1999)

本研究は科学技術振興機構(JST)先端計測機器開発事業の一環として行われた．

参考文献
1)松森仁明, 高梨博道, 峯田貴, 牧野英司:
He ガスの微小流量計測用 MEMS 熱型フローセンサ, 精密工学会東北支部学術講演
会講演論文集, 15/16 (2007)-4-