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KR20130038805A - 유량 센서 및 유량 검출 장치 - Google Patents

유량 센서 및 유량 검출 장치 Download PDF

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KR20130038805A
KR20130038805A KR1020127023206A KR20127023206A KR20130038805A KR 20130038805 A KR20130038805 A KR 20130038805A KR 1020127023206 A KR1020127023206 A KR 1020127023206A KR 20127023206 A KR20127023206 A KR 20127023206A KR 20130038805 A KR20130038805 A KR 20130038805A
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flow path
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야스나리 가바사와
지로 오오카
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가부시키가이샤 기쿠치 세이사쿠쇼
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Abstract

표면 실장형의 패키지에 유량 검출 수단을 내장한 유량 센서. 패키지(12) 내에 형성되고, 유체를 패키지(12)의 하면에 형성한 유입구(30)로부터 유량 검출 수단을 통과하여 패키지(12)의 하면에 형성한 유출구(32)로 유도하는 유체 유로(70)와, 패키지(12)의 외면에 형성되고 유량 검출 수단의 전기 출력이 유도되는 외부 단자(40)를 구비한다. 액체와 기체의 어느 것에도 사용할 수 있다. 소형화에 적합하고, 전자 회로 기판 등에 표면 실장하는 것이 가능하고, 신뢰성이 높다.

Description

유량 센서 및 유량 검출 장치{FLOWRATE SENSOR AND FLOWRATE DETECTION DEVICE}
이 발명은 MEMS 센서 칩을 표면 실장형의 패키지에 수납하고, 기체나 액체의 유량을 검출할 수 있는 유량 센서와, 이 유량 센서를 사용한 유량 검출 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스 기술을 이용하고, 여기에 기계 가공 기술이나 재료 기술 등을 조합함으로써, 기판 위에 삼차원적인 미세 구조를 갖는 시스템을 실현하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 최근 센서나 펌프 등의 디바이스의 소형화, 경량화로 인해 널리 사용되고 있다. 이 MEMS 기술을 사용한 센서(MEMS 센서)로서는, 예를 들면 가속도 센서, 각속도 센서, 압력 센서 등이 널리 사용되고 있다.
최근 가정용(단독 주택용)의 분산형 에너지 플랜트로서 연료 전지 시스템의 보급과 상업화가 기대되고 있다. 이러한 종류의 연료 전지에서는, 연료 가스나 액체 연료의 유량이나, 개질기에 공급하는 수량, 개질기에서 생성된 수소 등을 연료 전지 자체에 공급하는 유량을 고정밀도로 검출하여 그 유량을 제어하는 것이 필요하게 된다. 또한 연료로부터 필요한 수소(H2)를 취출하는 개질시에 일산화탄소(CO)가 생성되지만, 이 일산화탄소는 전지 촉매의 성능에 악영향을 미치기 때문에, 일산화탄소 농도 저감을 위해 선택 산화용 공기의 유량 제어도 동시에 요구된다. 또한 분석 장치나 의료 관련(투약, 임상 시험 등), 자동차를 비롯한 수송 기계의 분야에서도, 기체나 액체의 미소량의 유량 검출이 필요해진다. 종래부터 다양한 유량계가 제안되고 있지만, 그 대부분은 기체 유량만을 계량하는 것이며, 액체의 유량계측에 적합한 것은 지극히 적다.
예를 들면, 유체를 오리피스에 통과시키고, 오리피스 전후의 압력차를 마노미터나 2개의 압력 센서 등으로 검출하는 것(오리피스 유량계), 유체의 흐름내에 익차(翼車)를 설치하고 이 익차의 회전수로부터 유량을 검출하는 것(터빈 유량계)이 있지만, 이들은 모두 대형화되는 결점이 있다. 또한, 유로의 관벽으로부터 흐름에 대해 비스듬하게 사출한 초음파를 대향하는 관벽에 설치한 초음파 센서로 검출하고, 그 때의 도플러 효과에 의한 검출 강도의 변화로부터 검출하는 것(초음파 유량계), 자계 중을 통과하는 유체에 발생하는 자계 직교 방향의 전압 변화를 검출하는 것(전자 유량계), 유체를 히터로 가열했을 때에 그 전후의 유체 온도의 변화를 검출하는 것(열식 질량 유량계), 등이 공지되어 있다.
특허문헌 1, 특허문헌 2에는 MEMS칩을 갖는 반도체 센서로 가속도 센서, 각속도 센서, 압력 센서를 구성하는 것이 개시되어 있지만, 이들에는 유량 센서에 관한 설명은 없다. 특허문헌 3에는 Si(실리콘) 기판에 형성한 MEMS칩에 마이크로 사이즈의 유리 튜브를 접촉시키고, 유리 튜브에 액체를 흘리도록 한 열식 질량 유량계(열식 플로우 센서)가 개시되어 있다.
특허문헌 4에는 차압식의 유량 센서의 개념이 개시되어 있다. 즉, 반도체 미세 가공 기술을 사용하여 Si(실리콘) 기판에 에칭 기술로 멤브레인(다이어프램이라고도 한다)을 형성하고, 이 멤브레인에 형성한 스로틀(적어도 1개의 개구)에 유체를 통과시킴으로써, 멤브레인의 양측에 유량에 비례하는 차압을 발생시키고, 이 차압에 의해 멤브레인에 발생하는 응력(변형)을 멤브레인에 형성한 확산 저항(피에조 저항 소자)에 의해 전기적으로 검출하는 것이다. 실리콘 단결정은 실온에서는 소성 변형되지 않기 때문에 특성이 변화되지 않고, 또한 멤브레인이 기판과 일체이기 때문에 안정된 특성이 얻어지는 것이다.
일본 공개특허공보 제2010-28025호 일본 공개특허공보 제2010-19693호 US6813944B2 US6253605B1
특허문헌 1, 2의 것은 MEMS 기술을 사용하여 가속도, 각속도, 압력을 검출하는 것이며, 기체나 액체의 유량을 검출하는 것이 아니고, 유량계를 시사하는 것도 아니다. 특허문헌 3의 것은 마이크로 튜브 내를 흐르는 액체를 히터로 가열하기 때문에, 응답성을 양호하게 하기 위해서는 이 마이크로 튜브의 두께를 극단적으로 얇게 할 필요가 있어, 강도상의 문제가 있다. 또한 저비점의 액체를 계량하는 경우에는, 히터 근방에서 기포가 발생하기 쉬워 정확한 검출을 할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다.
특허문헌 4에는 멤브레인의 변형으로부터 유량을 검출하는 원리가 나타나 있을 뿐이며, 이것을 어떻게 실제의 센서에 사용하는지에 관해서는 개시되어 있지 않다. 즉 가정용 연료 전지 시스템이나 휴대 기기용의 연료 전지, 의료 기기 등에서는 유량 센서의 소형화, 특히 전기 회로 기판 등에 실장하기 쉬운 것이 요구되고, 액체·기체를 막론하고 어느쪽에도 사용할 수 있는 것과 신뢰성이 높은 것이 요구되지만, 이 특허문헌 4는 이러한 요구에 부응하는 것이 아니다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 액체와 기체 중 어느쪽에도 사용할 수 있고, 소형화에 적합하고, 전자 회로 기판 등에 표면 실장하는 것이 가능하며, 신뢰성이 높은 유량 센서를 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다. 또한 이 유량 센서를 사용하여 유량이 많은 유체의 계량을 가능하게 하는 유량 검출 장치를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
본 발명에 의하면 제 1 목적은 표면 실장형의 패키지에 유량 검출 수단을 내장한 유량 센서로서, 상기 패키지 내에 형성되고, 유체를 상기 패키지의 하면에 형성한 유입구로부터 상기 유량 검출 수단을 통과시켜 상기 패키지의 하면에 형성한 유출구로 유도하는 유체 유로와, 상기 패키지의 외면에 형성되고 상기 유량 검출 수단의 전기 출력이 유도되는 외부 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 유량 센서 에 의해 달성된다.
본 발명에서는, 유입구와 유출구를 형성하는 면은 설명의 편의상 하면으로 하고 있지만, 패키지를 상하면을 반대로 하면 이 하면은 상면이 되기 때문에, 실질적으로는 상하 어느 면이라도 좋다. 결국 이것을 실장하는 대상물(전자 회로 기판 등)에 대향하는 면이면 좋다. 외부 단자는 패키지의 외면이면 어디에 형성해도 좋다. 예를 들면 리드 장착 부품이나 리드레스의 칩 부품과 같은 전극 단자를 측면에 형성하거나, BGA(Ball Grid Array)와 같은 전극 단자를 하면에 형성해도 좋다.
유량 검출 수단은 유체 통로의 도중에 형성한 유로 저항으로서 작용하는 스로틀(개구, 오리피스)의 상류측과 하류측의 압력차에 기초하여 변위하는 멤브레인(다이어프램)을 가지며, 멤브레인의 변위로부터 유량을 검출하는 차압식의 센서가 적합하다. 멤브레인에 형성하는 스로틀은 1개라도 좋지만 복수라도 좋다. 1개의 스로틀을 형성하는 경우에는, 멤브레인의 중앙에 형성하는 것이 양호하다. 후술하는 바와 같이 4개의 저항기로 브릿지 회로를 형성하는 경우에, 각 저항기의 균형을 취하기 쉽기 때문이다.
유량 검출 수단은 멤브레인과, 이 멤브레인에 고정된 변형 게이지가 되는 저항 소자를 갖는 MEMS 센서인 센서 칩으로 하는 것이 좋다. 이 경우에는, Si(실리콘) 기판의 일부(중앙부)에 에칭에 의해 얇은 멤브레인을 형성하고, 이 멤브레인에 포토리소그래피 기술 등에 의해 저항 소자나 회로 패턴(내부 회로 패턴)을 형성할 수 있다. 즉 공지의 반도체 기술을 사용하여 이 센서 칩을 형성한다.
패키지는 하부 기판과 상부 기판을 포개고, 이들 사이에 센서 칩의 주연부를 보지(保持)하는 동시에, 멤브레인의 하면에 유체 유로의 유입구를 개구시키고, 상부 기판에 형성한 유체 유로를 멤브레인의 상면으로부터 유출구로 연통시키는 것이 좋다. 이와 같이 하면 유체 유로의 유입구측을 최단 길이로 하여, 유체 유로를 실질적으로 상부 기판에만 형성하면 되어 가공이 간단해진다. 또한 유입구와 유출구를 반대로 하는 것도 가능하다.
멤브레인은 센서 칩의 주위를 남기고 그 내측을 에칭함으로써 얇게 형성한 것으로 하고, 이 멤브레인의 한 면(예를 들면 상면)에 변형 게이지가 되는 저항기를 형성한다. 또한 이 저항기는 절연 피막에 의해 코팅해 둔다. 이 경우에는 센서 칩의 주연이 두꺼워지기 때문에 여기를 상부 기판과 하부 기판 사이에 개재하여 보지하면 좋고, 멤브레인에 조립시에 불필요한 응력이 가해지지 않아, 특성이 안정되고, 조립도 편리하다.
멤브레인은 사각형으로 하고, 4개의 저항기를 각 변의 중앙 부근에 배치해 두면 각 저항기에서 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge)를 구성하는 경우에, 각 저항기의 조건이 구비되어 편리하다. 상부 기판의 하면에는 멤브레인의 주위를 둘러싸고 또한 이 상면에 틈을 가지고 대향하는 수벽(垂壁; hanging-walls)(릿지, 돌기상의 벽)을 형성해 두고, 이 상부 기판에는 상기 틈에 접착제를 공급하기 위한 창(충전구)을 형성해 둘 수 있다. 이 경우에 사용하는 접착제는, 틱소성(thixotropic characteristics)을 갖는 퍼플루오로계의 접착제이며, 이 접착제는 모세관 현상에 의해 틈으로 유입시킬 수 있다.
이 접착제는 유속을 동반했을 때에는 점성이 작아 유동성이 좋고, 유속을 동반하지 않을 때에는 점성이 높아지는 특성(틱소성)을 가지기 때문에, 접착제 주입시에는 멤브레인에 불필요한 응력을 가하지 않고 모관력에 의해 자동적으로 유속을 따라 유동하고, 틈으로 원활하게 유입되어 봉지된다. 봉지된 후는 유속이 없어지기 때문에 접착제의 점도는 높아지고, 멤브레인 위에 불필요한 접착제가 유출되지 않게 된다.
상부 기판에 형성하는 유체 유로는 상부 기판과 이 위에 포갠 뚜껑판 사이에 형성할 수 있다. 예를 들면 상부 기판의 상면에 홈을 형성하고, 이 홈을 뚜껑판으로 덮음으로써 유체 유로를 간단한 가공으로 형성할 수 있다.
센서 칩에는 멤브레인에 설치한 변형 게이지가 되는 저항기와, 상부 기판의 돌기보다 외주측에 형성한 패드를 접속하는 내부 회로 패턴을 형성하고, 하부 기판에는 외부 단자에 접속된 외부 회로 패턴을 형성하고, 이들 내부 회로 패턴과 외부 회로 패턴을 와이어 본딩으로 접속할 수 있다. 이 와이어 본딩한 부분에는 상기 틈에 공급한 틱소성 접착제가 경화된 후에 상기 상부 기판의 창으로부터 다른 접착제를 공급해 두면, 와이어 본딩 부분의 보호, 특히 진동에 대한 내구성의 향상에 적합하다.
외부 단자는 상기한 바와 같이, 하부 기판의 측면, 또는 측면으로부터 하면으로 연신되는 형상으로 금속 도금한 것으로 하고, 리드레스의 칩 부품(표면 실장형의 콘덴서나 저항기 등)과 같은 단자로 할 수 있다. 또한 모든 외부 회로 패턴을 형성한 금속판인 리드 프레임을 패키지의 외면에 돌출시켜 고정시키고 이 돌출 부분을 외부 단자로 해도 좋다.
본 발명의 제 2 목적은 청구항 1의 유량 센서를 사용한 유량 검출 장치이며, 유량 센서의 패키지가 고정되어 유체의 주 유로를 형성하는 주 관재(管材)와, 이 주 관재로부터 유체를 분류하여 상기 유량 센서의 유입구로 유도하는 동시에 유출구로부터 주 관재의 주 유로로 유도하는 분류로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유량 검출 장치 에 의해 달성된다.
본 발명의 유량 검출 장치에서는 주 유로와 분류로의 유로 단면적을 적절하게 선정함으로써 분류비를 적절히 결정할 수 있다. 분류로는 주 유로에 교차(예를 들면 직교)하여 각각 유량 센서의 유입구와 유출구에 연통하는 제 1 및 제 2 부관재로 형성하고, 제 1 부관재에는 주 유로의 상류 방향을 지향하는 개구를 형성하고, 제 2 부관재에는 주 유로의 하류 방향을 지향하는 개구를 형성한 구조로 할 수 있다. 이 경우에는, 유체의 동압(動壓)이 유량 센서에 미치는 영향을 방지 또는 억제할 수 있다. 여기에 개구는 복수라도 좋다. 개구는 슬릿이라도 좋다.
주 관재에는 유량 센서와 그 제어 회로 부품을 실장한 제어 기판을 고정시키고, 제 1 및 제 2 부관재는 이 제어 기판을 관통하여 유량 센서의 유입구와 유출구에 접속할 수 있다. 예를 들면 변형 게이지(저항기)의 출력 전압을 설정하는 게인 조정이나 오프셋 전압 조정을 행하는 증폭 회로를 제어 기판에 탑재해 두면, 변형 게이지의 출력 신호가 배선의 노이즈의 영향을 받기 어려워져 검출 정밀도의 향상에 적합하다.
본 발명의 제 1 발명은 유량 검출 센서를 패키지에 내장한 것이기 때문에, 소형화할 수 있고, 신뢰성이 향상된다. 또한 패키지 내에 유체 유로를 형성하고, 이 유체 유로의 유입구와 유출구를 모두 패키지의 1개의 면(하면)에 모아서 형성했기 때문에, 전기 회로 기판 등의 실장 대상물과의 유체 유로의 접속을 짧게 하고 또한 컴팩트하게 통합할 수 있어, 고밀도의 실장이 가능하게 된다. 또한 패키지의 외면에 외부 단자를 형성했기 때문에 패키지를 표면 실장할 수 있게 되어 한층 고밀도의 실장에 적합하다.
또한, 본 발명의 제 2 발명에 의한 유량 검출 장치에서는 이 유량 센서의 패키지를 유체의 주 유로가 되는 주 관재에 고정시키고, 이 주 관재로부터 유체를 분류하여 유량 센서의 유입구로 유도하고, 유량 센서의 유출구로부터 유체를 주 유로로 되돌리도록 했기 때문에, 유량이 많은 유체의 유량을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유량 센서의 하나의 실시예의 상면측을 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시하는 유량 센서의 저면측 사시도.
도 3은 도 1에 도시하는 유량 센서의 분해 사시도.
도 4는 도 1에 도시하는 유량 센서의 측단면도로서, 도 3에 있어서의 직선(34)을 따르는 IV-IV선 단면도.
도 5는 하부 기판에 유량 검출 수단으로서의 센서 칩을 고정시킨 상태를 도시하는 사시도.
도 6은 하부 기판에 상부 기판을 적층한 상태를 도시하는 사시도.
도 7은 도 4에 있어서의 VII부의 화살표 방향에서 본 부분의 확대 단면도.
도 8은 센서 칩의 회로 패턴을 도시하는 평면도.
도 9는 도 8의 저항 소자로 형성하는 휘트스톤 브릿지 접속 회로를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 의한 유량 검출 장치의 일 실시형태의 사시도.
도 11은 도 10의 유량 검출 장치를 주 관재의 중심선을 따라 단면한 사시도.
도 12는 도 10의 유량 검출 장치를 주 관재의 중심선을 따라 단면한 단면 좌측면도.
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 필요에 따라 특정한 방향이나 위치를 나타내는 용어(예를 들면, 「상」, 「하」, 「우」, 「좌」 및 이들 용어를 포함하는 다른 용어)를 사용하지만, 이들 용어의 사용은 도면을 참조한 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서이며, 이들 용어의 의미에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 복수의 도면에 나타내는 동일한 부호의 부분은 동일한 부분 또는 부재를 나타낸다.
실시예 1
도 1 내지 4에 있어서, 도면부호 10은 유량 센서이며, 표면 실장형의 패키지(12)에 수납한 것이다. 패키지(12)는 4변이 8mm 정도의 작은 것이며, 도 3에 도시하는 바와 같이, 하부 기판(14)과, 상부 기판(16)과, 뚜껑판(18)과, 명판(銘板; 20)을 적층하여 고착시킨 것이다. 하부 기판(14), 상부 기판(16), 뚜껑판(18)은 경질 수지제이다.
하부 기판(14)의 상면에는, 도 3, 4에 의해 명백한 바와 같이, 중앙으로부터 한쪽으로 편심한 위치에 평면에서 볼 때 사각형의 센서 칩 수납실(22)이 형성되어 있다. 이 수납실(22)은 그 저부(24)의 각 변 길이가 상부(26)의 각 변 길이보다도 짧은 사각형이며, 2개의 사각형 사이에 수평한 단부(段部; 28)를 개재하여 동심으로 포갠 형상으로 되어 있다. 이 단부(28) 위에는, 후술하는 센서 칩(42)이 고착된다.
수납실(22) 바닥의 중앙에는 유체 유로의 일부가 되는 유입구(30)가 개구하고 있다. 이 유입구(30)의 하단은 하부 기판(14)의 하면에 개구하고 있다(도 4 참조). 하부 기판(14)에는, 상기 수납실(22)의 편심 방향과 반대측에, 유체 유로의 일부가 되는 유출구(32)가 형성되어 있다. 따라서 평면에서 볼 때, 수납부(22)와 유입구(30)와 유출구(32)는 하부 기판(14)의 상면 중앙을 지나가는 직선(34)(도 3) 위에 위치한다. 또한 하부 기판(14)의 하면에는 이 직선(34)에 직교하는 직선 위에 한 쌍의 뒤벨(Dubel; 36, 36)이 형성되어 있다(도 2, 도 4). 뒤벨(36)은 이 유량 센서(10)를 전기 회로 기판 등에 탑재할 때의 위치 결정용이다.
하부 기판(14)에는 또한, 상기 직선(34)을 사이에 개재하여 거의 대칭이 되도록 다수(도 3, 5에서는 8개)의 외부 회로 패턴(38)이 형성되어 있다. 이들 외부 회로 패턴(38)은 포토리소그래피 기술에 의해 형성할 수 있다. 또한 이들 회로 패턴을 금속판에 미리 천공 가공한 리드 프레임을 하부 기판(14)에 고정시켜 불필요 부분을 제거함으로써 형성해도 좋다. 이들 외부 회로 패턴(38)은 일단(내단)이 수납부(22) 부근으로 연신되고 타단(외단)은 하부 기판(14)의 좌우의 측면을 따라 하부 기판(14)의 하면으로 연신되고 있다. 이 측면에 나타난 부분이, 유량 센서(10)의 외부 단자(40)로 되어 있다.
다음에, 도 4, 8을 참조하여, 본 발명의 유량 검출 수단으로서의 센서 칩(42)을 설명한다. 이 센서 칩(42)은 반도체 제조 공정을 이용하여 4변이 3mm 정도 크기의 Si(실리콘) 기판(44)에 형성된다. 실리콘 단결정의 Si 기판(44)은 상기 하부 기판(14)의 수납부(22)에 들어오는 치수의 평판이고, 그 하면 중앙에는 4각추면(46)으로 둘러싸인 얇은 멤브레인(48)이 형성되어 있다. 이 멤브레인(48)은 공지의 에칭(예를 들면 ICP(유도 결합 플라스마), RIE(반응성 이온 에칭) 등에 의해 형성할 수 있다. 이 멤브레인(48)의 중앙에는 스로틀이 되는 개구(50)가 형성되어 있다. 이 개구(50)는 마찬가지로 에칭이나 레이저 가공 등으로 형성할 수 있다. 개구(50)의 직경은 측정 레인지(범위)나 유체 종류(액체인가 기체인가 등) 에 따라서는 변경해도 좋지만, 이 실시예에서는 직경 50㎛로 하고 있다.
또한 도 8에 도시하는 점선은 멤브레인(48)의 외주에 형성되는 상기 4각추면(46)이며, 이 4각추면(46)의 외측은 도 4에 도시하는 주위부(52)이다. 이 주위부(52)는 에칭되지 않고 두껍게 남은 실리콘 기판(44)의 일부이다.
멤브레인(48)을 형성한 실리콘 기판(44)의 상면에는 4개의 저항 소자(변형 게이지)(R1 내지 R4)와, 외주연을 따라 형성한 다수(6개)의 패드(전극)(54)(54a 내지 54f)와, 이들을 연결하는 내부 회로 패턴(56)이 형성되어 있다(도 8, 9). 이들은 포토리소그래피 등의 반도체 제조 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 또한 저항(R1 내지 R4)는 도 8에 도시하는 바와 같이, 평면에서 볼 때에 사각형의 멤브레인(48)의 각 변 중앙으로부터 약간 내측에 위치하고, 회로 패턴(56)은 저항(R1 내지 R4)으로부터 외주 방향으로 연신한 후 멤브레인(48)의 외주(4각추면의 외주)를 따라 형성된 전극 패드(54)에 각각 접속되어 있다.
도 8에서 도면부호 58a, 58b는 온도 센서의 전극 패드이며, 이들 사이에는 온도 센서가 되는 감열 저항 소자(60)가 형성되어 있다. 센서 칩(42)의 상면에는 패드(54, 58)의 내측에 질화실리콘(SiN)이나, 탄화실리콘(SiC) 등의 절연 피막을 성막하고, 이것을 보호막으로 한다.
이와 같이 형성된 센서 칩(42)은 하부 기판(14)의 수납부(22)에 수납된다. 즉, 도 3, 4에 도시하는 바와 같이, 수납부(22)에 위로부터 장전하고, 실리콘 기판(44)의 주위부(52)를 수납부(22)의 단부(28)에 보지한다. 또한 이 센서 칩(42)은 접착제를 사용하여 이 수납부(22)에 고정된다. 이 상태에서 센서 칩(42)의 전극 패드(54, 58)는 하부 기판(14)의 외부 회로 패턴(38)의 내측 단부에 와이어 본딩된다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, Au(금) 또는 Al(알루미늄)의 와이어(62)를 전극 패드(54, 58)와 외부 회로 패턴(38)에 열압착 또는 초음파 접합에 의해 접속한다.
상기 상부 기판(16)의 하면(하부 기판(14)에 대향하는 면)에는 센서 칩(42)의 주연부의 상면에 틈(64)(도7)을 가지고 대향하는 수벽(돌기, 릿지)(66)이 형성되어 있다. 즉, 이 수벽(66)은 평면에서 볼 때 4각추면(46)의 상방에 위치하고, 멤브레인(48)의 주위를 둘러싸는 수벽 형상이다. 이 틈(64)에는 나중에 틱소성 접착제(68)를 모세관 현상 또는 표면 장력을 이용하여 유입시킨다. 틈(64)은 바람직하게는 5 내지 15㎛로 한다.
상부 기판(16)에는 멤브레인(48)의 중앙의 상방에 개구하고, 또한 상기 중앙의 직선(34)(도 3)에 평행한 유체 유로(70)가 형성되어 있다. 이 유체 유로(70)의 타단은 상기 하부 기판(14)의 유출구(32)에 연통한다(도 4). 이 유체 유로(70)는 상부 기판(16)의 상면에 형성한 오목 홈(72)(도 3 참조)을 상기 뚜껑판(18)으로 상방으로부터 막음으로써, 상부 기판(16)의 상면과 뚜껑판(18) 사이에 형성할 수 있다. 이와 같이 하면, 상부 기판(16)에 수평한 유체 유로(70)를 반도체 가공 기술(에칭 등)로 용이하게 형성할 수 있다.
상기 상부 기판(16)을 열경화성 접착 시트(17)를 사이에 개재하여 하부 기판(14)에 포갬으로써(도 3), 멤브레인(48)의 상면에 수벽(66)이 소정 틈(64)을 가지고 대향하고, 이 상태에서 상부 기판(16)은 하부 기판(14)에 접착 고정된다. 또한 상부 기판(16) 및 뚜껑판(18)에는, 도 3, 6에 도시하는 바와 같이, 수벽(66)의 외측으로부터 센서 칩(42)의 상면 주위를 향하는 4개의 창(충전구)(74)이 형성되어 있다. 이들 창(74)은 상기한 바와 같이, 센서 칩(42)과 수벽(66) 사이에 틱소성 접착제(68)를 공급할 때 이용된다. 또한 이 접착제(68)가 경화된 후에는, 이 창(74)으로부터 다른 접착제를 주입하고, 와이어(62)를 고정시킨다.
이 실시예에 의하면, 유입구(30)로부터 유입된 유체(기체 또는 액체)는 멤브레인(48)의 하방으로 들어가고, 멤브레인(48)의 스로틀(50)을 통과하여 유체 유로(70)로 들어오고, 유출구(32)로부터 유출된다. 유체가 스로틀을 통과할 때의 스로틀 효과에 의해 멤브레인(48)의 양면간에 압력차가 생기고, 멤브레인(48)이 저압측인 상측으로 변위한다. 이 변위에 의해 저항(R1 내지 R4)에 가해지는 응력이 변화되고, 그 저항값이 변화된다. 이 결과 도 9에 도시하는 브릿지 회로의 출력이 변화된다. 이 출력 전압의 변화는 멤브레인(48)의 양면에 가해지는 압력차에 대응한다. 이 압력차는 하겐 포아젤의 법칙(Hagen-Poiseuille Law)에 의하면 유체의 유량에 비례하기 때문에, 이 압력차를 검출함으로써 유량을 검출할 수 있다.
실시예 2
도 10 내지 12는 이 유량 센서(10)를 사용한 유량 검출 장치를 도시하고 있다. 이들 도면에 있어서 도면부호 80은 유체가 지나가는 주 유로(82)를 형성하는 주 관재이다. 주 관재(80)의 관벽에는 그 길이 방향을 따르는 기판 수납부(84)가 일체로 형성되어 있다. 이 기판 수납부(84)에는 제어 기판(86)이 수납된다. 이 제어 기판(86)의 상면에는 유량 센서(10)와, 그 출력 신호의 증폭 회로가 실장되고, 필요에 따라 다른 연산 회로 예를 들면 게인 조정이나 오프셋 전압 조정을 행하는 회로 등을 실장하고 있어도 좋다.
여기에 유량 센서(10)는 상기 멤브레인(48)의 중심을 통과하는 직선(34)(도 3)이 주 유로(82)와 평행하고, 또한 유입구(30)가 유출구(32)보다 주 유로(82)의 상류측에 위치하도록 고정된다. 또한 제어 기판(86)과 주 관재(80) 사이에는 유량 센서(10)의 하방에 위치하는 접속 부재(88)가 개재한다.
접속 부재(88)의 하면에는 도 12에 도시하는 바와 같이, 유량 센서(10)의 유입구(30)와 유출구(32)의 거리만큼 사이를 띄우고 제 1 부관재(90) 및 제 2 부관재(92)의 상단이 고정되어 있다. 접속 부재(88)는 주 관재(80)의 관벽에 뚫은 개구에 액밀하게 고정되고, 이 때에 제 1 부관재(90) 및 제 2 부관재(92)가 주 유로(82)를 횡단하여 고정된다. 제 1 부관재(90) 및 제 2 부관재(92)의 상단은 이 접속 부재(88)를 관통하고, 또한 제어 기판(86)에 형성한 개구를 개재하여 유량 센서(10)의 유입구(30) 및 유출구(32)에 액밀하게 접속되는 것이다.
제 1 부관재(90)에는 유체의 상류 방향을 지향하는 개구로서의 복수의 슬릿(94)이, 제 2 부관재(92)에는 유체의 하류 방향을 지향하는 개구로서의 복수의 슬릿(96)이 각각 형성되어 있다. 이 결과, 주 유로(82)의 유체류의 일부가 분류로가 되는 부관재(90, 92)를 개재하여 유량 센서(10)로 분류된다. 유량 센서(10)는 이 분류로로 분류된 유량을 검출함으로써, 주 관재(80)에 흐르는 전체 유량을 특정할 수 있다.
상기 제어 기판(86)에는, 유량 센서(10)의 신호 증폭 회로와 함께, 이러한 주 유로(82)와 분류로의 분류비에 의해 유량 센서(10)의 출력을 보정하여 주 유로(82)의 유량을 구하기 위한 연산을 행하는 연산 회로, 온도 보정 회로 등 적절한 회로를 탑재해 둘 수 있다.
10 유량 센서
12 패키지
14 하부 기판
16 상부 기판
18 뚜껑판
22 센서 칩 수납부
30 유입구(유체 유로의 일부)
32 유출구(유체 유로의 일부)
34 하부 기판의 상면 중앙을 지나가는 직선
38 외부 회로 패턴
40 외부 단자
42 센서 칩(유량 검출 수단)
44 실리콘 기판
48 멤브레인
50 스로틀(개구)
54, 58 전극 패드
56 내부 회로 패턴
62 와이어
64 틈
66 수벽
68 틱소성 접착제
70 유체 유로
74 창(접착제 주입구)
80 주 관재
82 주 유로
86 제어 기판
88 접속 부재
90 제 1 부관재(분류로)
92 제 2 부관재(분류로)
94, 96 개구(슬릿)
R1, R2, R3, R4 저항 소자(변형 게이지, 저항기)

Claims (16)

  1. 표면 실장형의 패키지에 유량 검출 수단을 내장한 유량 센서에 있어서,
    상기 패키지 내에 형성되고, 유체를 상기 패키지의 하면에 형성한 유입구로부터 상기 유량 검출 수단을 통과하여 상기 패키지의 하면에 형성한 유출구로 유도하는 유체 유로와,
    상기 패키지의 외면에 형성되고 상기 유량 검출 수단의 전기 출력이 유도되는 외부 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 유량 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 유량 검출 수단은 유체 유로의 도중에 형성한 스로틀의 상류측과 하류측의 압력차에 기초하여 변위하는 멤브레인을 가지고, 상기 멤브레인의 변위로부터 유량을 검출하는 차압식의 센서인 유량 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 유량 검출 수단은 상기 멤브레인과, 이 멤브레인에 고정되고 상기 멤브레인의 변위에 대응하여 발생하는 변형을 검출하는 변형 게이지를 갖는 센서 칩으로 형성된 MEMS 센서인 유량 센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 패키지는 상기 유입구와 상기 유출구가 하면에 개구하는 하부 기판과, 이 하부 기판에 포개어지고 하부 기판과의 사이에 센서 칩의 주위부를 보지하는 상부 기판을 구비하고, 상기 유입구는 상기 멤브레인의 하면으로 개구되고, 상기 멤브레인의 상면은 상부 기판에 형성한 유체 유로에 의해 상기 유출구에 연통하고 있는 유량 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 멤브레인은 센서 칩의 주위부를 남기고 그 내측을 에칭함으로써 얇게 형성되고, 상기 멤브레인의 한 면에는 변형 게이지가 되는 저항기가 형성되어 있는 유량 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 멤브레인은 사각형이며, 상기 변형 게이지를 구성하는 4개의 저항기가 멤브레인의 각 변의 중앙에 배치되고, 각 저항기는 브릿지 회로를 형성하는 유량 센서.
  7. 제 4 항에 있어서, 상부 기판의 하면에는 멤브레인의 주위를 둘러싸고 또한 이 상면에 틈을 가지고 대향하는 수벽(垂壁)이 형성되고, 이 상부 기판에는 상기 틈에 접착제를 공급하기 위한 창이 형성되어 있는 유량 센서.
  8. 제 4 항에 있어서, 상부 기판에 형성되는 유체 유로는 상부 기판의 상면에 포갠 뚜껑판과의 사이에 형성되어 있는 유량 센서.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 센서 칩에는 멤브레인에 형성한 변형 게이지와 상부 기판의 수벽보다 외주측에 형성된 전극 패드를 접속하는 내부 회로 패턴이 형성되고, 하부 기판에는 외부 단자에 접속된 외부 회로 패턴이 형성되고, 상기 내부 회로 패턴과 외부 회로 패턴은 와이어 본딩에 의해 접속되어 있는 유량 센서.
  10. 제 7 항에 있어서, 상부 기판의 수벽과 하부 기판 사이에 형성되는 틈에 공급하는 접착제는 틱소성을 갖는 퍼플루오로계의 접착제이며, 이 접착제는 모세관 현상에 의해 상기 틈으로 유입되는 유량 센서.
  11. 제 7 항에 있어서, 상부 기판의 수벽과 하부 기판과의 틈에 공급한 접착제의 경화 후에, 상기 틈의 외측에 다른 접착제가 공급되는 유량 센서.
  12. 제 1 항에 있어서, 외부 단자는 하부 기판의 적어도 측면에 형성된 금속 도금층인 유량 센서.
  13. 제 8 항에 있어서, 외부 단자는 외부 회로 패턴과 일체인 리드 프레임으로 형성되는 유량 센서.
  14. 제 1 항에 기재된 유량 센서를 사용한 유량 검출 장치에 있어서,
    유량 센서의 패키지가 고정되고 유체의 주 유로를 형성하는 주 관재와, 이 주 관재로부터 유체를 분류하여 상기 유량 센서의 유입구로 유도하는 동시에 유출구로부터 주 관재의 주 유로로 유도하는 분류로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유량 검출 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 분류로는 주 유로에 교차하고 각각 상기 유량 센서의 유입구와 유출구에 연통하는 제 1 및 제 2 부관재를 구비하고, 제 1 부관재에는 주 유로의 상류 방향을 지향하는 개구가 형성되고, 제 2 부관재에는 주 유로의 하류 방향을 지향하는 개구가 형성되어 있는 유량 검출 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 주 관재에는 유량 센서와 그 제어 회로 부품이 실장된 제어 기판이 고정되고, 제 1 및 제 2 부관재는 이 제어 기판을 관통하여 유량 센서에 접속되어 있는 유량 검출 장치.
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