JP2007127538A - フレキシブル流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】流れの未発達領域（管入口や曲がった管の出口付近）でも流量を正確に計測することができる流量センサを提供することにある。
【解決手段】ヒータ２１を形成したフレキシブル基板２２を変形させ、これを管１０の内壁に沿うように実装することで、ヒータ２１が管内壁を囲んだフレキシブル流量センサ２０を構成する。フレキシブル流量センサ２０は管内の流れを環情報（ライン情報）として計測するため、流れの状態（流速分布）に対する依存性を低減できる。流量検出は予め流量に対するヒータ抵抗値変化の校正曲線を求めておき、この校正曲線を用いて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ヒータが形成されたフレキシブル基板を管内壁形状に応じて変形させ、これを管内壁に沿うように実装することで形成するフレキシブル流量センサに関するものである。

従来から、半導体微細加工技術を応用展開したマイクロマシニング技術を用いることでマイクロポンプおよび流量センサなどの流体機械を小型化及び集積化する技術が開発されている。例えば、下記特許文献１では樹脂基板にマイクロポンプ、マイクロミキサー、ヒータなどを集積化する作製方法が述べられている。また、下記特許文献２ではマイクロマシニング技術で作製した小型の片持ち梁構造体を流量センサに適用した例が述べられている。また、下記非特許文献１では管内の流量を計測するために、ホトリソグラフィーで形成したホットワイヤー（ヒータ）を基板表面から立ち上げ、これを管内中央部に設置するという手法が述べられている。

特開2002-355798号公報 特開2002-257606号公報 Three dimensional silicon triple-hot-wire anemometer based on polyimide joints、 Proceeding of The Eleventh annual international conference on Micro Electro Mechanical Systems、（1998、 pp.93-98）

上記従来技術（特開2002-355798）では、マイクロポンプ及びマイクロミキサーなどの可動部を有する流体機械に関する記述のみで、マイクロチャネルなどの管内を流れる流体を計測する手段に関する記載はほとんどない。またデバイス内にヒータ構造を設けているが、その目的はデバイス内にある容器の温度制御であり、流量計測を目的にしたものではない。

特開2002-257606及び非特許文献１は、管内を流れる流量を計測する手段に着目した従来技術である。これらの流量センサは何れもマイクロマシニング技術を用いているためにセンサの小型化が可能であり、センサを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。例えば、非特許文献１では、単結晶シリコン基板表面から立ち上げたホットワイヤーを管中央部に設置することで管内の流量を計測している。これらの二つの従来技術では、管内の流れを管中央部に設置したセンサで点情報として計測する。

そこで、以下に、管内の流れを管中央部に設置したセンサで点情報として計測する場合の課題点を述べる。

管内における流れの状態（流速分布）は管入口からの距離や曲がった管の出口からの距離により異なっている。図８(a)に示したように、管１０の入口１１付近では流れが未発達領域１２で、これが十分発達するには入口からある一定以上の長さが必要となる。流れが十分に発達するまでに必要な長さ（管入口１１からの長さ）xは一般に以下のように示される。

ここで、Dは管の直径で、Reはレイノルズ数である。

従来方式では管内の流れを管中央部に設置したホットワイヤーセンサ１４で点情報として計測する。従って、管内における流れが未発達な領域１２では、管入口１１からのホットワイヤー１４の位置により流れの状態（流速分布）が変化し正確な値を計測することができない。具体的には図８(a)に示したように、管の入口から異なった距離にセンサを配置すると流れの分布（流速分布）が異なるために、センサ出力は異なった値を示すことになる（図８にはそれを説明するために管入口から異なった距離に３個のセンサを置いた場合を示してある）。従って、従来法で流量を計るときには管入口１１から一定以上の離れた位置（流れが十分に発達した領域）において測定する必要がある。

また、上記以外にも、図８(b)に示したように、折れ曲がった管の出口１５付近でも流れの未発達領域１２が形成され、これが十分に発達するためには、折れ曲がった管の出口から十分な長さが必要となる。従って、上記の管の入口付近と同様に、折れ曲がった管の出口以降で流量を計るには、管出口１５から一定以上の距離（流れが十分に発達した領域）をおいて測定する必要がある。

また、通常は管内における流速が最大となる管中央部にホットワイヤーセンサ１４を導入して計測するため、管内半径方向におけるセンサの位置精度によってもセンサ出力としての流量値にばらつきが生じてしまう。すなわち、高精度に流量を測定するにはセンサ１４の位置を常に管の中央に高精度に位置決めする必要がある。

以上のように、従来法では、流れの情報を管内の一点で計測するために、未発達な領域、つまり管入口付近１１や曲がった管の出口付近１５では流量を正確に図ることができない（従来法で流量を計るには、必然的に流れが十分に発達するまでの管長さが必要である）。以上をまとめて一言で述べると、従来法では管内の流れの状態（流速分布）およびセンサ１４の位置により、センサ出力としての流量値がばらついてしまうという問題があった。

本発明は上記問題を解決するもので、その目的は、流れの未発達領域（例えば、管入口や曲がった管の出口付近）でも流量を正確に計測することができる流量センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、管内を流れる流体の流量を測定できる流量センサにおいて、フレキシブル基材にヒータを形成し、前記フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装することで、管内壁を囲むように前記ヒータがフレキシブル基材を介して取り付けられていることを特徴とする。

上記の記載のフレキシブル流量センサにおいて、前記ヒータの抵抗変化を検出することで、管内の流量を検出するのがこのましい。

管内を流れる流体の流量を測定できる流量センサにおいて、フレキシブル基材にヒータおよび少なくとも一つ以上の検出用抵抗線を形成し、前記フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装することで管内壁を囲むように前記ヒータ及び検出用抵抗線がフレキシブル基材を介して取り付けられていることを特徴とする。

上記記載のフレキシブル流量センサにおいて、前記ヒータを通電加熱し、前記検出用抵抗線の抵抗値変化を検出することで管内の流量を計測するのがこのましい。

上記記載のフレキシブル流量センサにおいて、前記ヒータおよび検出用抵抗配線の電極取り出しのために、前記フレキシブル基板の一部が前記管の端部にて折り曲げられて実装されるのがのぞましい。上記記載のフレキシブル流量センサにおいて、前記フレキシブル基板が、ポリイミド、パリレン、シリコーンゴム薄膜のうちの少なくとも一つのものから形成されているのがのぞましい。

以下、本発明を具体化した実施の形態を説明するが、最初に上記課題解決手段をより詳細に説明する。

発明者は、ヒータを形成したフレキシブル基板を管内壁形状に応じて変形させ、これを管の内壁に沿うように実装することで、ヒータが管内壁を囲むようなフレキシブル流量センサ構造を創作した。例えば、創作したフレキシブルセンサではヒータセンサが管内壁を一周するような環状に配置されている。このため、本センサでは、従来法（流れを点情報として計測する）とは異なり管内の流れの情報を環情報（ライン情報）として計測する。このように、流量の計測を点ではなくラインで計測することで、流れの状態（流速分布）に対する依存性を低減できる。例えば、図８(b)に示したように管内における流れの状態（流速分布）が軸対象になっていない場合を考えてみる。従来法のように点で計測している場合には、流れの状態（流速分布）によりセンシング地点における流速が変化してしまうために、センサ出力が流れの状態（流速分布）に依存してしまう。一方、本センサでは流れの分布に対してその管内を囲むような周長における流速の値として計測するため、流れの状態（流速分布）に依らずセンサの出力が一定になる。つまり管内における流速の早い部分と遅い部分とがセンサ上でキャンセルされ、流れの状態（流速分布）によらず一定のセンサ信号を出力できる仕組みになっている。流量検出は、具体的には、環状ヒータの抵抗値変化を検出することで管内の流量を算出する。予め流量に対するヒータ抵抗値変化の校正曲線を求めておき、この校正曲線を用いて未知の流量を算出する仕組みになっている。

本センサのもう一つの大きな特徴は、上記フレキシブルセンサを管の内壁に沿うように配置した点にある。熱絶縁性の高いフレキシブル基板上にヒータ素子を設け、これを管の内壁に沿うように配置することで、センシングの空間分解能および時間分解能を向上している。例えば、同じようなライン構造をしたセンサを管の外周に設けた場合には、センサと管内を流れる流体との情報のやり取り（具体的には熱のやり取り）は管を介して行われることになる。管自身が大きな熱容量を有しているために、センサを管の外周に設けた場合には、センシングの空間分解能、時間分解能を向上させることが難しくなる。

なお、上記にはヒータ自身が流量を検出するためのセンサの役目も兼ねている場合である。本手法の特徴は簡素な構造で流量センサを実現することができるという点である。

また、上記以外の手法として、ヒータの両側に検出用の抵抗線を設け、これを上記と同様に管内に実装したフレキシブルセンサ構造も併せて創作した。本手法ではヒータ両側の検出用抵抗線での抵抗値変化で流量を計測する。本手法はヒータと検出用素子を分離して設計できるため、上記のヒータ単一タイプに比べて流量を精度良く測定することができるという特徴がある。

なお、本センサでは、管端部にてフレキシブル基板の一部を折り曲げることで管内壁に形成したヒータおよび検出用抵抗線の電極取り出しを行うとともに、センサ基板としてはフレキシブル化および熱絶縁性に優れているポリイミド、パリレン、シリコーンゴム薄膜を用いる。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサ２０の概観を図１に示す。
図１(a)には、ヒータ２１を形成したフレキシブル基板２２を管内壁形状に応じて変形させ、これを管１０の内壁に沿うように実装した後の様子が示されている。図に示したように、ヒータ素子２１が管内壁で管を囲むようなリング型フレキシブル流量センサ構造になっている。また、配管端部でフレキシブル基板を管外へと折り曲げることで配線取り出し部２３が形成されている。配線取り出し部２３には、ヒート加熱制御回路と、流量出力演算回路が接続されている。

本センサでは、従来法（流れを点情報として計測する）とは異なり管内の流れを環情報（ライン情報）として計測する。流量の計測を点ではなくラインで計測することで、流れの状態（流速分布）に対する依存性を低減している。例えば図８(b)に示したように管内における流れの状態（流速分布）が軸対象になっていない場合を考えてみる。従来法のように点で計測している場合には、流れの状態（流速分布）によりセンシング地点における流速が変化してしまうために、センサ出力が流れの状態（流速分布）に依存してしまう。一方、本センサでは流れの分布（流速分布）に対してその管内を囲むような周長における流速の値として計測するため、流れの状態（流速分布）に依らずセンサの出力が一定になる。つまり管内における流速の早い部分と遅い部分とがセンサ上でキャンセルされ、流れの状態（流速分布）によらず一定のセンサ信号を出力できる仕組みになっている。

流量検出は、環状ヒータ２１の抵抗値変化を検出することで管内の流量を算出する。具体的には、予め流量に対するヒータ抵抗値変化の校正曲線を求めておき、この校正曲線を用いて未知の流量を演算処理回路にて算出する仕組みになっている。

本センサのもう一つの大きな特徴は、上記フレキシブルセンサを管の内壁に沿うように配置した点にある。熱絶縁性の高いフレキシブル基板上にヒータ素子を設け、これを管の内壁に沿うように配置することで、センシングの空間分解能および時間分解能を向上している。例えば、同じようなライン構造をしたセンサを管の外周に設けた場合には、センサと管内を流れる流体との情報のやり取り（具体的には熱のやり取り）は管を介して行われることになる。管自身が大きな熱容量を有しているために、センサを管の外周に設けた場合には、センシングの空間分解能、時間分解能を向上させることが難しくなる。

なお、上記にはヒータ自信が流量を検出するためのセンサの役目も兼ねている場合を示した。本手法の特徴は簡素な構造で流量センサを実現することができるという点である。

図１(a)にはヒータ２１のみを管内に配置した場合を示したが、用途に応じてヒータ両側に検出用の抵抗線２４を設けることもできる（図１(b)）。この手法では、ヒータ両側の検出用抵抗線での抵抗値変化で流量を計測する。本手法はヒータと検出用素子を分離して設計できるため、上記のヒータ単一タイプに比べて流量を精度良く測定することができるという特徴がある。抵抗線２４の配線取り出し部２３には、検出用抵抗素子出力回路が接続されている。ヒータ２１の配線取り出し部２３には、ヒート加熱制御回路が接続されている。ヒート加熱制御回路および検出用抵抗素子出力回路には、流量出力演算回路が接続されている。
具体的な検出法は、上記の単一タイプと同様で、予め流量に対するヒータ抵抗値変化の校正曲線を求めておき、この校正曲線を用いて未知の流量を演算処理回路にて算出する。

なお、図には円筒状の管１０を用いた場合を示したが、これ以外の形状の管１０（例えば、四角形断面）の場合でも、本センサは基板２２のフレキシブル性を活かして、管内壁構造に応じて変形させ、内壁に適応させることもできる。従って、管内壁上に設置するセンサ形態も測定したい管１０の形状に応じて変更することが望ましい。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサ２０の基板作製方法を図２に示す。

半導体微細加工技術を応用して本フレキシブルセンサ構造を作製する。詳細を以下に述べる。
(a) 先ず、フレキシブルなベース基板２２として、厚さ数十ミクロンのポリイミドフィルムを用意し、この上にヒータ金属膜パターン形成用の感光性ホトレジスト３０をスピン塗布する。なお、基板２２の厚さおよび材質は流量センサとして用いる動作環境に応じて決定されることが望ましいが、一般的には、その厚さは数十ミクロンから数百ミクロンで、化学的に安定、かつ熱絶縁、電気絶縁に優れたポリイミドフィルムが良い。
(b) ホトリソグラフィーを用いてヒータ（場合に応じて検出用抵抗線）の電極パターンを形成する。
(c) ヒータ（場合に応じて検出用抵抗線）となる材質３１をホトレジストのパターン上に形成する。本手法では、下地にクロム、チタン、の何れかを用い、その上のヒータおよび検出用抵抗線には化学的に安定な白金、金の何れかを用いている。なお、本材質３１は基板選択と同様に、使用目的に応じて、材質、形状、厚さなどを決定することが望ましい。
(d) 上記(a)の工程で形成したホトレジスト３０を除去することでポリイミドフィルム上に金属製のヒータ（場合に応じて検出用抵抗線）３１が形成される。
以上のように、本手法ではリフトオフ法を用いてヒータ３１および図示していない抵抗線をパターニングしたが、これ以外にも先に金属薄膜を基板２２表面に形成した後に、ホトリソグラフィーでそのパターニング化を行ってもかまわない。金属薄膜のパターニング精度、金属薄膜エッチング手法に応じて何れかを選択するのが望ましい。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサ基板写真を図３に示す。
図には厚さ25ミクロンのポリイミドフィルム上に、クロム（50 nm）、金（250 nm）でヒータ２１およびその両側に検出用抵抗線２４を形成した場合を示してある。ヒータ２１部分の大きさは約3 mm x 4 mmである。また図中に素子の断面の様子を示した。なお、ヒータ２１両側の検出用素子２４を取り除けばヒータ単体の流量センサになる。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサの実装写真を図４に示す。
図には上記で示した、厚さ25ミクロンのポリイミド製フレキシブルセンサ２０を内径3 mmのガラス管３２に実装したときの様子を示している。なお、ヒータ形状に限らず配管材３２も使用目的に応じて選定することが望ましい。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサの抵抗変化特性を図５に示す。
本流量センサでは、ヒータもしくは検出用抵抗線の抵抗変化をもとに流量を算出する。そこで、その一例として、ヒータ素子自体を流量センサとして用いる場合の流量に対するヒータ抵抗変化を図に示した。図に示したように、流量に応じてヒータ自体の抵抗値が変化しており、これを校正曲線とすることで、本センサでは未知の流量を算出することができる。なお、図の縦軸の値は、流量なしのとき値で規格化した値になっている。また、ヒータに加えた電流は30 mAである。なお、ヒータに加える電力は使用範囲に応じて設定することが望ましい。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサの応答特性を図６に示す。
本フレキシブル流量センサでは、基板材として熱絶縁に優れたポリイミドフィルムを用いているとともに、図４に示したように、流量センサの小型化もあわせて行っている。一般に、熱型素子は熱絶縁性の良い基板を用いると、スケール効果により、大きさを小型化すると、それにともない素子の高速化が図れる。また、応答性を向上させるために、センサ自体を管の内壁に沿うように実装するという工夫も計っている。以上のような工夫をすることで、本発明のフレキシブル流量センサでは10マイクロセコンドの高速応答を実現している。このように、本発明の流量センサでは、小型化による空間分解能の向上のみならず、時間分解能も向上させている。

本発明を具体化した実施例のフレキシブル流量センサにおける管入口からのセンサ特性変化を図７に示す。

本フレキシブル流量センサでは、ヒータセンサが管内壁を一周するような環状に配置されており、これにより、本センサでは管内の流れを環情報（ライン情報）、つまり流れの平均値として計測するため、流れの状態（流速分布）に依らずセンサの出力値を一定にすることができる。その一例として、図に管入口からの長さを横軸にとり、それに対する流量変化（センサ出力値）をグラフに示した。横軸のＤは管の直径であり、この場合は3 mmになっている。また、本データにおけるレイノルズ数は1280である。図中のパラメータは流量である。また、図の上側には計算で求めた流れが未発達な領域と、十分に発達した領域も併せて示した。グラフで示したように、本発明のフレキシブル流量センサでは、各種流量において、流れが未発達な領域、すなわち管入口付近からでもセンサの出力値が一定になっており、従来の点検出タイプのセンサとは異なり、流れの状態（流速分布）に依存せずに流量を計測することが可能である。
以上のように、本センサでは、これまでのセンサでは不可能であった測定領域でも流量を検出することができるという大きな特徴がある。

上記の図１から図７にて記載した事項は、本フレキシブル流量センサの一例で、その具体的な仕様はいずれも使用目的に応じて変更することが望ましい。また、本センサで対象とする流体は主に気体であり、気体であればどのような種類でも適用できる。なお、液体の場合にも適用可能である。

本発明のフレキシブル流量センサの概観を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサの基板作製方法を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサ基板写真を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサの実装写真を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサの抵抗変化特性を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサの応答特性を示す図である。 本発明のフレキシブル流量センサにおける管入口からのセンサ特性変化を示す図である。 従来方式の問題点を示す図である。

符号の説明

１０…管、１１…管入口、１２…流れの未発達領域、１３…流れが発達した領域、１４…ホットワイヤー、１５…曲がった管出口、２０…リング型フレキシブル流量センサ、２１…ヒータ、２２…フレキシブル基板、２３…配線取りだし、２４…検出用抵抗線、３０…ホトレジスト、３１…ヒータ材、３２…ガラス管、

Claims (6)

1. 管内を流れる流体の流量を測定できる流量センサにおいて、
   フレキシブル基材にヒータを形成し、前記フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装することで、管内壁を囲むように前記ヒータがフレキシブル基材を介して取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
2. 管内を流れる流体の流量を測定できる流量センサにおいて、
   フレキシブル基材にヒータおよび少なくとも一つ以上の検出用抵抗線を形成し、前記フレキシブル基材を管内壁形状に沿うように管内壁に実装することで管内壁を囲むように前記ヒータ及び検出用抵抗線がフレキシブル基材を介して取り付けられていることを特徴とする流量センサ。
3. 請求項１記載のフレキシブル流量センサにおいて、
   前記ヒータの抵抗変化を検出することで、管内の流量を検出することを特徴とするフレキシブル流量センサ。
4. 請求項２記載のフレキシブル流量センサにおいて、
   前記ヒータを通電加熱し、前記検出用抵抗線の抵抗値変化を検出することで管内の流量を計測することを特徴とするフレキシブル流量センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一に記載のフレキシブル流量センサにおいて、
   前記ヒータおよび検出用抵抗配線の電極取り出しのために、前記フレキシブル基板の一部が前記管の端部にて折り曲げられて実装されることを特徴とするフレキシブル流量センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一に記載のフレキシブル流量センサにおいて、
   前記フレキシブル基板が、ポリイミド、パリレン、シリコーンゴム薄膜のうちの少なくとも一つのものから形成されていることを特徴とするフレキシブル流量センサ。
   

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