JP2019502130A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、少なくとも１つのコリオリチューブを備えるコリオリ流量計に関する。この流量計は、チューブを振動させるための励起手段と、動作中に、少なくともチューブの一部の変位の測定値を検出するための検出手段と、を備える。本発明によれば、検出手段は、コリオリチューブの両側面上に配置される２つの検出要素を備える。検出要素は、一部が互いにオーバラップしている。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、少なくとも１つのコリオリチューブと、チューブを振動させる励起手段と、動作中に少なくともチューブの一部の変位量を検出するための検出手段と、を備えるコリオリ流量計に関する。

ループ状のコリオリチューブを有するコリオリ流量計は、欧州特許出願公開第１７１９９８２Ａ１号明細書で知られる。この文献には種々のタイプのループ状のコリオリチューブ、すなわちシングルループタイプと（連続）ダブルチューブタイプの両方が記載されている。本発明はこれらの任意のタイプに関連するが、これに限られない。

コリオリ流量計（コリオリ式流量計とも呼ばれる）は、少なくとも１つの振動チューブ（しばしばコリオリチューブと呼ばれる）、フローチューブ、またはセンシングチューブを備える。このチューブまたはこれらのチューブは、両端で装置のハウジングに固定される。これらのチューブの両端部は、測定対象の液体流または気体流のために、供給ダクトおよび排気ダクトとして同時に機能する。

フローチューブ（または複数のフローチューブ）とは別に、コリオリ流量計は２つのさらなるセンサを備える。この２つのさらなるセンサの一方は励起のためのものであり、他方は検出のためのものである。励起システム（励起器）は、チューブに振動を与えるように構成される。この目的のために、１つまたは複数の力またはトルクがチューブの一部に与えられる。検出システムは、少なくともチューブの１つまたは複数の点の変位の測定値を、時間の関数として検出するように構成される。

振動するチューブ内を流体が流れると、この流体はコリオリ力を誘起する。コリオリ力は、質量流量に比例し、チューブの動きに影響を与え、モード形状を変化させる。検出システムを用いてチューブの変位を測定することで、モード形状の変化を測定することができる。これにより質量流量の測定が可能となる。

励起器により生成されたチューブの振動が、ある程度決まった周波数で発生する。この周波数は、特にチューブ内を流れる媒体の密度の関数として、わずかに変化する。振動周波数は、ほぼ常にチューブの固有振動数である。従って、最小のエネルギー入力で、最大の強度を得ることができる。

一般に多量の流体の流れを測定する場合、コリオリ質量流量計は、媒体に依存することなく質量流量を測定することができるため、好適なセンサとなる。従来型のコリオリ流量計が広く使われている一方で、マイクロマシンによるコリオリ流量計は商業的に入手できない。既知の最も正確なマイクロコリオリ流量計は、０．５５μｇｓ^−１から２７７μｇｓ^−１までの測定が可能である。これに代えて、非常に低い流量のためには熱流量計が使われる。しかしながらこの種のセンサは流体の特性に依存し、流体ごとに較正を要する。こうした流体のためにもコリオリ流量計を使えば、流体ごとの較正が不要となると考えられ、未知の流体（例えば反応生成物）の測定が可能となる。

改良されたコリオリ流量計、特に低流量に対して高感度であるように設計されたコリオリ流量計を与えることが本発明の目的である。

この目的のために、本発明は、コリオリチューブと、励起手段と、検出手段と、を備えるコリオリ流量計を与える。

コリオリチューブは、励起軸を横断して延びる測定チューブ部分を備える。励起軸は、コリオリチューブで定義される平面内にあってよい。励起軸は、コリオリチューブの対称軸と実質的に一致してよい。励起手段は、励起軸周りのコリオリチューブのねじれ振動を励起するように設計される。この結果、振動軸周りの（この振動軸は、励起軸を実質的に横断して延び、コリオリチューブで定義される平面内にある）振動に起因して、コリオリ変位が発生する。

検出手段は、２つの検出要素を備える。この２つの検出要素は、測定チューブ部分の反対側面上に配置され、一部が励起軸にオーバラップしている。従って検出要素は、励起軸のより近くに配置される。これにより、測定される励起振動は減少する。読み出し構造間（すなわち検出要素間）の間隔を狭めることにより、測定される駆動強度が低減される。この間隔は、読み出し構造の位置を変えることにより、すなわち検出要素をコリオリチューブの反対側面上に置くことにより、さらに狭めることができる。読み出し構造（例えば櫛状構造）を、フローチューブの反対側面上に置くことにより、読み出し構造は一部がオーバラップでき、検出要素（例えば櫛状要素）の各々の中心を励起軸（またはねじれ軸）のより近くに配置することができる。こうして、測定される変位がコリオリ変位の結果となる程度が増し、コリオリ流量計の感度が向上する。

検出要素は、一部が励起軸にオーバラップするように与えられる。これにより検出要素を、ねじれ軸のより近くに配置することができる。その結果、コリオリ変位に対する感度が一定に維持されたまま、励起振動に対する感度が低下する。

励起軸と平行な方向に見たとき、検出要素は、互いにそれぞれの後方に配置され、それぞれの一部同士がオーバラップする。検出要素は、測定チューブ部分の反対側面上に与えられる。検出要素は、実質的にコリオリチューブで定義される平面内で、測定チューブ部分の反対側面上に配置される。

本発明によれば、２つの検出要素のうち少なくとも１つは、励起軸に関して非対称に配置される。読み出し構造（例えば櫛状構造）の中心は、励起軸（またはねじれ軸）から一定の距離を隔てて置かれる。ねじれ軸と櫛状構造の中心との間隔は、さらに低減することもできる。しかしながらこれは、ねじれ軸の正確な位置を変えてしまう効果（例えば製造プロセス）の影響をも増す。これは望ましいことではない。

本発明に関し、１４ｎｇｓ^−１のゼロスタビリティ、最大圧力低下１バールの下で、５０μｇｓ^−１まで測定可能なコリオリ流量計が、設計、製造およびテストされた。これは先行技術に係るコリオリ流量計に比べ、４０倍の改良である。

一実施形態では、コリオリチューブは、長方形ループのような、実質的なループ形状である。三角形、台形、あるいはＵ字形といった他のループ形状も可能である。

一実施形態では、２つの検出要素の各々は、励起軸に関して非対称に配置される。一実施形態では、２つの検出要素の一方が、励起軸の一方の面からより遠くに配置され、２つの検出要素の他方が、励起軸の他方の面からより遠くに配置されてもよい。従って、測定される励起振動は、コリオリ変位に起因する許容値に比べて小さいものとなる。さらに、検出要素の鏡映配置に起因するこれらの励起振動を、ある程度取り除くことができる。

一実施形態では、検出要素は読み出し電極である。これらはとりわけ、マイクロマシンによるコリオリ流量計にとって極めて好適である。

一例では、検出要素（例えば櫛形要素）からねじれ軸までの距離は、５５０μｍ（先行技術）から、たかだか１２５μｍ（本発明）である。これにより、励起モードに対する感度は、５５０／１２５＝４．４倍低減される。さらに一実施形態では、コリオリチューブの直径を縮小することにより、測定されるコリオリ強度を増加させることができる。例えばチャネルの直径を４０μｍから３１μｍまで変えることにより、（４０／３１）^３＝２．１倍のコリオリ強度の増加を実現することができる。これは、感度全体が９．２倍改善され得ることを示唆する。

読み出し構造のキャパシタンスを増加させることにより、検出要素（すなわち、櫛形の読み出し要素）の電気的ノイズレベルを低減することもできる。このために、反対側の電極の櫛歯間のギャップが縮小される。

本発明は、以下の図面を参照しながら、後述で例示を用いてより詳細に説明される。
システムチップとコリオリ流量計を備える先行技術の流量計の一実施形態の立面図である。 図１ａの流量計の正面立面図である。 図１ａの流量計の断面図である。 Ｕ字型コリオリチューブを備える構成におけるコリオリ流量計の動作を明確化したものである。 チューブのローレンツ励起（ねじれ）と容量センシング（羽ばたき）を示す。 本発明に係るコリオリ流量計の読み出し要素の一実施形態を示す。 可能な限り、図面において対応する部品には同じ符号が付される。

図１および図２は、欧州特許出願公開２０７８９３６Ｂ１号明細書に記載された、従来型のコリオリタイプの流量計を示す。本発明は、この流量計に適用することもできる。これらの図面へ参照は、このタイプの流量計の一般的な構造、およびその操作方法を明確にするために利用することができる。

図１ａは、開口部４がエッチングされた単結晶シリコン基板１を備えるシステムチップ１７を示す。本例におけるシステムチップ１７は、窒化ケイ素のコリオリチューブ３を備えるコリオリ流量計を有する。コリオリチューブ３の２つの外側端部は基板１に固定的に接続されているため、コリオリチューブ３は開口部４内に自由に支持される。ピラニ圧力センサのような絶対圧力センサ２が、基板内または基板上に一体化されていてもよい。コリオリチューブはループ形状、本例では長方形のループ形状をしている。三角形、台形、あるいはＵ字形といった他のループ形状も可能である。

システムチップ１７は、キャリア５上に配置された２つの互いに対向する永久磁石９、９’と（モノリシックに）組み立てられる。永久磁石９、９’は例えば、上部に銅のトラックを備える、セラミックまたは複合樹脂素材のＰＣＢ（プリント基板）である。基板は、キャリア５上に固定された＜１、０、０＞シリコンウェーハから作成される。システムチップ１７とキャリア５との電気的接続が、グループ６、７および８で構成されたいわゆるボンディングワイヤによって与えられる。（センサチップへの、およびセンサチップからの）ボンディングワイヤ６は、チップ温度／ｃ．ｑ．温度制御を調整するために役立つ。必要であれば、局所温度センサや（周辺）圧力センサ２があってもよい。

圧力センサ２が存在する場合は、圧力センサ２は絶対圧力を測定する。チューブ振動の品質要因は特に気圧に依存するため、これは重要である。

ボンディングワイヤ７は、自由に支持されたチューブ３に振動を与えるために役立つ。ボンディングワイヤ８は、自由に支持されたチューブの読み出し要素を制御するために役立つ。

自由に支持されたチューブ３は、ロッド磁石９、９’、導線（ワイヤ）３、ならびにチューブ１２上およびチップ１７上の容量センサ要素１１とともに、いわゆるコリオリ流量計を形成する。これは図２ａおよび図２ｂに、さらに明確に示される。選択的に、磁気配置を拡大する目的で、柔らかい磁性体のボディが、ループ内部のある位置でロッド磁石９とロッド磁石９’との間に与えられてもよい。

圧力ブロック１３および１４によって、システムチップ１７の外界と水力結合が与えられる（図１ｂ）。圧力ブロック１４内には、流体接続１６、１６’が存在する。圧力ブロック１３、基板１および圧力ブロック１４の間に圧力を付与することにより、チューブ１５、１５’および基板１との間の流体接続の気密閉鎖が与えられる。

図１ｂは、図１ａと同じデバイスを前面から見たものを示す。システムチップ１７の「上面」は、ロッド磁石９、９’の中心線１８上にある。

図１ｃは、図１ａと同じデバイスであって、今度はシステムチップ１７の領域における断面を示す。ＰＣＢ上の、センサチップからの／へのチューブ駆動制御のためのボンディングワイヤ６、７が見られる。一方、ＰＣＢ上の、センサチップからの／へのチューブ検出制御のための、ボンディングワイヤ８が見られる。こうして、ボンディングワイヤ６，７および８は、コリオリセンサの統合センサ／トランスデューサとして機能する。

保護のために、アセンブリ全体を被覆するハウジングが与えられてもよい（図示しない）。

図２ａは、ＭＳＴ技術によって作成されたＵ字形のコリオリチューブ３を示す。コリオリチューブ３は、自由に支持され、一部がシリコン基板に埋め込まれている。コリオリチューブ３は、シリコン基板に埋め込まれた部分で、入力チャネルと出力チャネルに一体化されている。入力チャネルと出力チャネルは基板内の、自由に支持された部分３と反対側の基板１の側部にある。こうして基板１は、コリオリチューブ３の外側端部２０、２０’を固定するチューブ固定手段を形成する。付与された磁界３１は矢印Ｂの向きを向く。３２で、ローレンツ力を生成するためにチューブ３上の導線１０を流れる電流が示される。

動作中、媒体は２１に流入し、２１’から流出する。媒体の質量流量は、チューブの断面を毎秒通過する質量である。質量が自己内蔵的な量である場合、図２ａのＵ字型チューブ内の質量流は、到るところで同じでなければならない（そうでなければ、質量が集中している場所があるか、質量のない場所があるだろう）。

従って、質量流Ｑは、チューブ３内の到るところで同じ（すなわち一定の）流率（またはベクトル「長」）を持つ。しかしながらＱは、チューブの部分２２では正のｘ−方向を向き、チューブの部分２６では負の方向を向く。

図２ｂに示される以下の方法は、図２ａのＵ字型チューブを備えるコリオリ質量流量計を実現し、適用するためにある。Ｕ字型チューブは、回転軸２９（＝ｘ−軸）の周りで活性化（振動）される。質量流の場合、これは、回転軸までの距離が変わる場所（チューブの２４の部分）でのコリオリ力となる。このチューブの２４の部分でのコリオリ力により、Ｕ字型チューブ３は回転軸３０（ｙ−軸）の周りに回転し、チューブの２４の部分が並進運動する。図２ｂでは、この（振動）活性運動は３４で示される。結果として生じるｙ−軸周りのコリオリ誘導回転は、質量流に比例し、チューブの２４の部分のｚ−運動３５となる。チューブの２４の部分では、２つの運動、すなわちねじり振動３４と羽ばたき運動３５（質量流に比例する）の２つが同時に発生する。

図３は、本発明に係るコリオリ流量計におけるチューブの１２４の部分の上面を詳細に示す。このコリオリ流量計は、検出手段（１１２、１１２’）が２つの検出要素（１１２、１１２’）を備える点で改良されている。これらの検出要素（１１２、１１２’）は、コリオリチューブ（１２４）の互いに反対側面上に配置され、それぞれの一部同士がオーバラップしている。図３は、ｘ、ｙ平面内にあって主にｘ−軸に平行な励起軸２９を示す（座標系２８を参照）。コリオリチューブは、ほぼｘ−ｙ平面上にあって、励起軸２９を横断して延びる測定チューブ部分１２４’を示す。測定チューブ部分１２４’の互いに対向する側面上、すなわちｘ−方向の正および負の面上に基部構造１１７が配置される。基部構造１１７には、検出要素１１２、１１２’が結合される。特に、基本構造はシステムチップ１１７の一部であってよい。各検出要素は、容量読み出し構造を備える。容量読み出し構造の各々は、２つの櫛状構造１１１、１１３で定義される。櫛状構造１１１、１１３のうち、１１１と１１１’は、測定チューブ部分１２４’に接続される。そして櫛状構造１１１、１１３のうち、１１３と１１３’は、基部部分１１７に接続される。例えば欧州特許出願公開２０７８９３６Ｂ１号明細書の図６ａおよび６ｂに記載されているように、これらの容量読み出し構造は当業者に既知である。

検出要素１１２、１１２’は、測定チューブ１２４とほぼ平行に延びる。従って検出要素１１２、１１２’は、コリオリチューブで定義される平面（ｘ、ｙ平面）内で、主にｙ―方向に延びる。検出要素１１２、１１２’には、主に測定チューブ部分１２４と平行な方向（すなわちｙ−方向）に、互いにオフセットが与えられることが分かる。検出要素１１２、１１２’はともに、励起軸２９に関して非対称に配置される。図示された実施形態では、検出要素の一方の検出要素１１２はより右側に与えられる一方、他方の検出要素１１２’はより左側に与えられる。

この配置により、検出要素１１２、１１２’は、ねじり軸２９のより近くに配置される。これにより、励起変位に対する感度が低下する（図２ｂを参照）。このような配置の利点は、すでに記載した前述の通りである。

マイクロマシンによるコリオリ流量計を作成するのに適した製造プロセスの一例が、欧州特許出願公開２０７８９３６Ｂ１号明細書の特に図４ａから４ｊおよび５に記載されている。

代替的な製造プロセスは以下の通りであってもよい。

先ず、厚さ５００ｎｍのＬＰＣＶＤシリコンリッチナイトライド（ＳｉＲＮ）の層が、厚さ５２５μｍのシリコンウェーハ上に堆積される。チャネルの輪郭を定義するために、ＳｉＲＮ層内で、長さ５μｍ、幅１．２μｍの長方形のエッチスリットがエッチングされる。セミアイソトロピックＳＦ６プラズマエッチを用いて、チャネルがエッチングされる。

裏面のプロセス中、チャネルを保護するために、ＬＰＣＶＤオルト珪酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）の厚い層が堆積される。その後、ボッシュプロセスを用いて、裏面からセンサの入口と出口がエッチングされる。

ＴＥＯＳ層が除去され、チャネル壁を形成しエッチスリットを密閉するために、厚い（１．５μｍ）ＬＰＣＶＤ ＳｉＲＮ層が堆積される。チップの励起および読み出しのためのトラックおよび電極を形成するために、厚さ１０／２００ｎｍの金およびクロムの層が、ウェーハの頂部にスパッタリングおよびパターニングされる。最終ステップは、チャネルの周囲の部分のシリコンを除去するためのアイソトロピックＳＦ６プラズマエッチからなる。これにより、振動可能な自由吊りチャネルが実現される。

Claims (4)

1. −コリオリチューブ（３）と、
   −前記チューブを、励起軸（２９）の周りで振動させるための励起手段（９、９’、１０）と、
   −使用中に、少なくとも前記コリオリチューブ（３）の一部の運動の量の測定値を検出する検出手段（１１２、１１２’）とを備え、
   前記コリオリチューブは、前記励起軸（２９）を横断して延びる測定チューブ部分（１２４、１２４’）を備え、
   前記検出手段は、２つの検出要素（１１２、１１２’）を備え、
   前記２つの検出要素（１１２、１１２’）は、前記測定チューブ部分（１２４）のそれぞれ反対側面上に配置され、
   前記２つの検出要素（１１２、１１２’）は、一部が励起軸（２９）にオーバラップしており、
   励起軸（２９）と平行な方向に見たとき、前記２つの検出要素（１１２、１１２’）は、互いにそれぞれの後方に配置され、それぞれの一部同士がオーバラップし、
   前記２つの検出要素（１１２、１１２’）の少なくとも１つは、励起軸（２９）に関して非対称に配置される、
   コリオリ流量計。
2. 前記コリオリチューブ（３）は実質的にＵ字型である、
   請求項１に記載のコリオリ流量計。
3. 前記２つの検出要素（１１２、１１２’）の各々は、励起軸（２９）に関して非対称に配置される、
   請求項１または２に記載のコリオリ流量計。
4. 前記検出要素は、読み出し要素（１１１、１１３；１１１’、１１３’）である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のコリオリ流量計。

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