JP5556850B2 - 微小流量センサ - Google Patents

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Description

本発明は、微小流量センサに関し、特に熱を利用した微小流量センサにおける流速分布および流量測定値再現性向上と小型化に関する。
従来から、流路と検出部を一体化した各種の微小流量センサが提案されている(非特許文献1、特許文献1など)。
図18は、特許文献1(特開2010−230388号公報)に従来例として記載されているフローセンサaの構成説明図であり、(A)は斜視図、(B)は(A)のB−B断面図である。
フローセンサaは、フローセンサチップ2と、下面3aがフローセンサチップ2の上面2aに接合されフローセンサチップ2と協働してガス等の被測定流体の微小な流路4を形成する流路形成部材3とを備える。流路形成部材3は、透明なガラスチップで形成されている。流路4の両端部には、ガラスチップ3の上面3bに開口する流体導入口4aと流体導出口4bが形成されていて、被測定流体であるガスは、流路4の流体導入口4aから流路4内に導入されて流体導出口4bから導出される。
フローセンサチップ2は、シリコン基板5を備えており、その上面には(B)に示すように窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜(薄膜)6が形成されている。絶縁膜6の上面には流路4の中央位置と対応する位置に流量検出部7が形成され、流量検出部7は窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜8で被覆されている。
フローセンサチップ2の上面2aの中央位置には、流量検出部7の下方位置に空洞状の凹部2cが形成されている。これにより、流量検出部7が形成されている絶縁膜6の凹部2cを覆う部位は、ダイアフラム形状に形成されて流量検出部7とシリコン基板5とが熱的に遮断される。
流量検出部7は、絶縁膜6上に例えば白金薄膜よりなるヒータと、このヒータの上流側及び下流側に等間隔で配置された例えば白金薄膜よりなる測温素子とで、熱式検出部として構成されている。流量検出部7のヒータに通電すると、ヒータは、制御回路によりシリコン基板5上に設けられた図示しない周囲温度センサで測定されたガスの温度よりもある一定温度高く加熱され、流路4を流れるガスを加熱する。
流路4にガスが流れないときはヒータの上流側/下流側に均一の温度分布が形成され、上流側の測温素子と下流側の測温素子は略等しい温度に対応する抵抗値を示す。一方、流路4にガスの流れがあるときにはヒータの上流側/下流側の均一な温度分布が崩れ、上流側の温度が低くなって下流側の温度が高くなる。そして、上流側の測温素子と下流側の測温素子により構成されるホイーストンブリッジ回路で測温素子の抵抗値差つまり温度差を検出し、流路4内を流れるガスの流量を測定する。
この流量センサの測定原理は、いわゆる3線熱式である。ヒータの加熱により形成される流量に依存した温度分布を、ヒータの上下流の等距離の位置に配置された2つの温度センサの温度差に基づき測定することで、流量を算出する。
田中 仁章、外3名、「マイクロリアクタシステム用微小流量センサ」、横河技報、横河電機株式会社、2008年、Vol.52 No.4(2008) p.39−42
特開2010−230388号公報
ところで、この流量センサの流路4は、直線状に形成されている。このため、たとえば流量センサの上流側で配管の影響による流速分布の乱れなどが発生すると、その影響がそのまま流量センサの検出部に到達することになり、流速分布および流量測定値の再現性が大幅に悪化するという問題がある。
一般に、流路を流れる流体は、流路の状態や流量などに依存した流速分布を持つ。ある位置における流速分布は、主に、その位置よりも上流の流路状態に依存する。流体が流路中を流れるにしたがって流速分布は変化するが、徐々に変化の度合いは小さくなり、ある程度で変化が止まり、それよりも下流の流速分布が確定することが知られている。流速分布が変化しつつある区間を助走区間、変化が止まって流速分布が確定するまでの距離を助走距離と呼ぶ。
流量センサの測定値は、原理的にも実用的にも、流速分布に依存する。特に、本発明や特許文献1に開示されている形態の流量センサは、流路壁の一部に検出部を設けてあるだけなので、流速分布に強く依存する。たとえば、流量センサのすぐ上流の配管のやり方しだいで、検出部における流速分布が影響を受け、結果的に流量測定値の再現性が悪化することとなる。
したがって、精度や再現性を向上させるためには、検出部において流速分布を確定させることが必要不可欠である。流速分布を確定させるためには、流量センサの上流側に一定の長さ(たとえば管直径の70倍程度)の助走距離(直管長)が必要である。この助走距離よりも短い距離に曲がり管やバルブやその他の流体機器などを接続すると、それらによって流量の測定値が異なるという問題が生じる。長い直管長を必要とする場合には、流量センサを組み込んだ装置全体のサイズの小型化は困難である。
本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、熱を利用した小型で流速分布および流量測定値の再現性のよい微小流量センサを実現することにある。
さらに、他の目的は、耐腐食性および耐薬品性に優れ、安定性も高く、ゼロ点変動が小さく、測定流量範囲が広い流量センサを実現することにある。
このような目的を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
微小流路を流れる被測定流体の流量を流路の外側に設けられたヒータと複数の温度センサよりなる検出部で検出される熱の移動に基づいて測定するように構成された微小流量センサにおいて、
前記流路の上流側に絞りを設けるとともに、
それぞれに前記流路を形成する溝が設けられていずれかの基板には前記流路に連通する穴が設けられた2枚の基板が前記溝で前記流路を形成するように接合され、接合された基板の外側に前記流路と重なるように設けられた前記検出部と、前記検出部が設けられた基板に設けられている前記溝の幅Duと他方のガラス基板に設けられている前記溝の幅Ddは、Du≦Ddの関係を満たすように形成されていることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の微小流量センサにおいて、
前記流路を含む微小流量センサは管状体で形成されていることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載の微小流量センサにおいて、
前記ヒータの上流側に設けられている温度センサの出力信号を用いて流量の補正演算を行うことを特徴とする。
本発明の微小流量センサによれば、流路内部に絞り部を設けたことで、絞り部よりも下流の流速分布は安定したものになり、流速分布および流量測定値の再現性が図れる。
本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図1の穴11の内壁部分の拡大図である。 図2の段差による絞り部の有無による流量測定値の再現性の評価特性例図である。 基板10と20の接合面における流路壁溝幅差の説明図である。 図4の溝幅差(Du−Dd)による流量測定値の再現性の評価特性例図である。 3線熱式で流量測定を行う流量センサの概略構成図である。 図6における温度分布特性例図である。 3線熱式の流量測定原理図である。 TOF式で流量測定を行う流量センサの概略構成図である。 TOF式の測定原理説明図である。 流量に応じて3線熱式(差/和式)とTOF式を使い分けた場合の測定結果特性例図である。 図1(B)を簡略化して拡大した断面図である。 温度センサ33と34の温度信号特性例図である。 被測定流体を経由して伝導される熱に基づく温度信号特性例図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来の微小流量センサの一例を示す構成説明図である。
流路内に絞り部を設けると、絞り部に入ってきた流速分布はそこで一度解消し、その直下での流速分布は絞り部の形状に依存したものとなる。そして、絞り部よりも下流では、そこから再び助走区間が始まることになる。この性質を利用して、流量センサ内部に絞り部を設けることで、流速分布を絞り部の形状に応じたものとして絞り部より上流の流速分布の影響を軽減させるとともに、その直下での流速分布を絞り部の形状で決まったものとする整流器のような作用をさせる。
ここで、検出部は助走区間内にあり流速分布が変化しつつある状態であるが、検出部における流速分布は絞り部の形状と絞り部からの距離によって一意に決まり、流量センサ上流側の配管の影響を排除でき、流量測定値としての再現性を向上させることができる。
図1は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、(A)は平面図、(B)は(A)のA−A’断面図、(C)は(A)のB−B’断面図である。
図1において、本発明に係る微小流量センサは、半導体プロセスによりそれぞれ所定の形状に加工されたたとえばパイレックス(登録商標)よりなる2枚のガラス基板10、20を貼り合わせて接合することにより、ガスや液体などの被測定流体が流路FPの一端の開口INから流入して矢印FLWで示す方向に流れて他端の開口OUTから流出するように構成されている。
一方のガラス基板10には、穴11、12が所定の間隔を保って設けられている。すなわち、これら2個の穴11、12は、他方のガラス基板20との接合面の開口径が他方の面の開口径よりも小さく形成されている。そして、これら2個の穴11、12のガラス基板20との接合面には、開口径の幅を有する溝13が流路FPを構成するように設けられている。これらの加工は、たとえばサンドブラストで行う。
他方のガラス基板20のガラス基板10との接合面には、溝13と重なり合い流路FPとして一体化されるように溝21が設けられている。
ガラス基板20の他方の面における溝21(流路FP)の中央付近には、溝21と直交するように、検出部30として機能するたとえば白金薄膜よりなるヒータ31と複数の温度センサ32〜35が等間隔で設けられている。なお、これらヒータ31と温度センサ32〜35の両端には、外部と接続するためのランドパターンが設けられている。
図2は穴11の内壁部分の拡大図であり、(A)と(B)はガラス基板10と20の間に段差がある場合を示し、(C)はガラス基板10と20の間に段差がない場合を示している。(A)と(B)に示す段差は、前述の絞り部として機能する。
これらの段差は、溝や穴の寸法を調整するだけで所望の効果が得られる絞り部として作り込むことができ、絞り部を作り込むための特別な設計や加工は不要である。
図3は図2の段差による絞り部の有無による流量測定値の再現性の評価特性例図であって、(A)は段差による絞り部がある場合を示し、(B)は段差による絞り部がない場合を示している。たとえば0.25mL/minの高流量域において、段差による絞り部がない場合には測定値が最大40%近くまで変化しているが、段差による絞り部を設けた場合には最大でも2%近くまでの変化に収まっており、再現性が向上していることは明らかである。
これにより、検出部における流速分布は段差の形状と段差からの距離によって一意的に決まることになり、流量センサ上流側の配管の影響を排除でき、流量測定値の再現性の向上が図れる。
なお、図1に示すように溝が形成された2枚の基板10、20を接合して流路FPを構成する場合、溝13、21の加工上の寸法公差のために、図4に示すように基板10と20の接合面で流路壁に段差ができてしまう。
この流路壁の段差は、図1および図2に示す段差とは形成位置と機能が異なるものであって、(A)に示すように検出部30が設けられている基板20の断面半円形の溝21が基板10の断面半円形の溝13よりも広い場合(Du>Dd)と、(B)に示すように検出部30が設けられている基板20の断面半円形の溝21が基板10の断面半円形の溝13よりも狭い場合(Du<Dd)がある。
これら流路壁の段差は、段差部の広くなっている溝21または13に、図4(A)または(B)に示すような形で渦を発生させる。この渦が(A)に示すように検出部30が設けられている基板20の溝21で発生すると、流量測定値のばらつきが大きくなってしまう。そこで、(B)に示すように検出部30が設けられている基板20の溝21を基板10の溝13よりも狭くし、渦が検出部30が設けられていない基板10の溝13で発生するようにする。これにより、渦の発生に起因する流量測定値のばらつきを小さく抑えることができる。
図5は、図4に示す溝幅の差(Du−Dd)による流量測定値の再現性の評価特性例図である。この図5の結果によれば、検出部30が設けられているガラス基板20の幅Duとガラス基板10の幅DdがDu≦Ddの関係を満たすように形成し、その差を10μm以下にすると流量測定値の再現性が向上することが明らかである。
2枚の基板10、20を接合するのにあたっては、接着剤は使用せず、たとえば低融点ガラスにより接合する場合よりも高温工程による熱融着により接合を行う。これにより、接着剤が被測定流体に溶出することを回避でき、高い耐薬品性および耐圧性が得られる。
2枚の基板10、20を熱融着により接合して流路FPを形成した後、スパッタリングや蒸着などの半導体プロセスを用いて基板20側にたとえば白金薄膜よりなる所定形状のヒータ31と温度センサ32〜35を被着し、検出部30を形成する。すなわち、薄膜抵抗体成膜前に接合を行うので、接合方法として、耐腐食性、耐圧性が高い熱融着を選択できる。
熱融着により接合された2枚の基板10、20の基板20の外側にスパッタリングや蒸着により検出部30を設けることで、基板20に対する検出部30の高い密着性に基づく高い安定性が得られるとともに、ヒータ31や温度センサ32〜35が被測定流体に直接曝されることを回避できるので耐腐食性を上げることができる。
これら検出部30は、流量センサの中央部に設けることが望ましい。これは、流量ゼロ時にヒータで形成される温度分布を上下流対称とし、ゼロ点変動発生を防止するためである。
検出部30が中央部からずれた位置にあると、流量ゼロ時の温度分布が上下流対称とならないことがある。この場合、周囲温度変化などの環境変化によって非対称の度合いが変化し、流量測定値のゼロ点がシフトする結果となる。これに対し、検出部を中央部に設けて温度分布が対称となるようにしておけば、環境変化があっても温度分布は対称性を維持したままとなり、ゼロ点変動は生じないことになる。
本発明に係る微小流量センサを用いた流量の測定方法としては、微小流量であることとサイズが小さいことから、たとえば以下に示す3つの流量測定原理のような熱を利用することが望ましい。
これらの方式は、流路壁の一部に設けた検出器での測定が可能であり、本実施例に示すような流入口に絞り構造を有する流量センサにおいて、その測定効果を十分に発揮させることができる。
1)3線熱式(差動式)
2)3線熱式(差/和式)
3)熱式(TOF式)
図6は1)、2)の3線熱式で流量測定を行う流量センサの概略構成図であり、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。図6において、ヒータ31および温度センサ33、34は演算制御部40に接続されている。
ヒータ31は、流路FPを形成する溝21の温度を流路FPを流れる被測定流体温度よりも数度高い一定温度とするように、演算制御部40により駆動制御される。また、演算制御部40は、温度センサ33、34の測定温度に基づき、以下に説明するような所定の演算処理を行う。
図7は、図6における温度分布特性例図である。図7において、実線で示す特性CH1は流路FPを流れる被測定流体の流量がゼロのときの温度分布であり、ヒータ31を中心とする上下流対称の形状となり、温度センサ33と34の測定温度は同じ値となる。
流路FPに被測定流体が流れると、被測定流体の流れる方向に沿って特性CH1の温度分布の対称性が崩れ、破線で示す特性CH2のような歪を有する温度分布となる。この温度分布の歪量は、流路FPを流れる被測定流体の流量に依存するものであり、上流側の温度センサ33と下流側の温度センサ34の測定温度差TDは被測定流体の流量に依存したものとなる。
図8は流量測定原理図であって、(A)は差動式を示し、(B)は差/和式を示している。図8(A)において、横軸に流量をとり、縦軸には図7の温度差TDをとっている。被測定流体の測定流量がARの範囲に入っている状態では、演算制御部40は差動演算を行い、被測定流体の流量を算出する。
ところが、ARの範囲は比較的狭いので、所望の流量を測定できないことがある。その場合には、演算制御部40は、図8(B)に示すように、温度センサ33と34の測定温度の和TAをとり、図7の温度差TDをこの温度和TAで割って規格化温度差信号NTを算出する。
これにより、測定流量範囲に着目すると、温度差信号TDのみを利用した場合よりも広がっていることが分かる。
また、このように規格化することで、周囲温度の影響も除去することができる。
図9は3)の熱式(TOF(Time of Flight)式)で流量測定を行う流量センサの概略構成図であり、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。図9において、ヒータ31および温度センサ32〜35は演算制御部40に接続されている。
図10はTOF式の測定原理説明図であり、(A)はヒータ31の駆動波形を示し、(B)は温度センサ32、33の出力信号波形を示している。
図9のヒータ31は、演算制御部40により、図10(A)に示すように矩形波で駆動され、流路FPを流れる被測定流体を局所的に加熱する。
下流側2つの温度センサ32、33は、図10(B)に示すように、ヒータ31により局所的に加熱された被測定流体の温度上昇分を検出する。この温度上昇分を検出した時間差が被測定流体の流量に依存したものとなる。なお、この時間差の測定方法には、
a)相互相関法
b)スレッシホルド法
がある。
演算制御部40は、これら下流側2つの温度センサ32、33の測定温度に基づき、被測定流体の流量を算出するための前述のような所定の演算処理を行う。
上記3つの方式1)〜3)のうち、より低流量域の測定に適しているのが1)の3線熱式(差動式)であり、2)の3線熱式(差/和式)がそれよりも高い流量範囲に適している。3)のTOF式は、低流量域では被測定流体によって運ばれる熱の到達が遅くなるので低流量域の流量測定はあまり得意ではなく、2)よりも高い流量域での測定に適している。したがって、これら3つの方式を流量範囲に応じて使い分けることで、より広い流量範囲に適用できる流量センサが実現できる。
図11は流量に応じて2)の3線熱式(差/和式)と3)のTOF式を使い分けた場合の測定結果特性例図であり、両対数目盛で横軸に設定流量をとり、縦軸には測定流量をとっている。「○」で示した0.01mL/min〜0.3mL/minの範囲では2)の3線熱式(差/和式)で測定し、「▲」で示した0.3mL/min〜50mL/minの範囲では3)のTOF式で測定した結果であるが、これらの測定結果は45度の直線関係になっている。
図1に示した本発明に係る微小流量センサは、流路内に絞り部が設けられた構造であって、ヒータ31と温度センサ32〜35で構成される検出部30を、流路FPを構成する溝21が形成されたガラス基板20のガラス基板10との接合面とは異なる他方の面に設けることができるので、検出部30が被測定流体に接触することはなく、高い耐腐食性および耐薬品性を得ることができる。
なお、本発明に係る微小流量センサでは、流路FPを流れる被測定流体の流量を高精度で測定するために、以下のような手順で、ヒータ31の発熱に関連した温度信号の補正を行う。
図12は図1(B)を簡略化して拡大した断面図であり、(A)は全体構成図、(B)は検出部30周辺の拡大図である。このような構成において、被測定流体の流れに沿ってヒータ31を挟むようにヒータ31の前後に設けられている温度センサ33と34の温度信号としてたとえば図13に示すような特性のものが得られる。
たとえば、流路FPを流れる被測定流体の流量をTOF式で測定するのにあたっては、ヒータ31よりも下流部に設けられている温度センサ32および33から出力される温度信号に基づいて演算する。ここで、温度センサ33が測定するヒータ31の発熱に起因する温度情報に着目すると、被測定流体を経由して伝導される熱th1にガラス基板20を経由して直接伝導される熱th2が重畳されたものになる。ところが、ガラス基板20を経由して直接伝導される熱th2は、被測定流体の流量とは無関係な誤差要因となる信号成分であり、被測定流体の流量の高精度測定を行うためにはこの誤差成分を補正する必要がある。
一方で、ヒータ31から温度センサ33と等距離にあり、ヒータ31の上流に位置する温度センサ34の温度信号には、ヒータ31より上流に位置するため、被測定流体を経由して伝導される熱th1は到達せず、ガラス基板20を経由して直接伝導される熱th2のみが到達することになる。すなわち、温度センサ34の温度信号は、ガラス基板20を経由して直接伝導される熱th2と同等と見なすことができる。
そこで、温度センサ33の温度信号から温度センサ34の信号を差し引くことにより、被測定流体を経由して伝導される熱th1のみを抽出する。図14は、このようにして抽出された被測定流体を経由して伝導される熱th1の温度信号の一例を示している。このような補正を行うことにより、より正確な被測定流体の流量測定結果が得られる。
なお、温度センサ32の温度信号に対しても、ガラス基板20を経由して直接伝導される熱の影響を軽減するために、上記と同様の手順で、温度センサ32の温度信号から、ヒータ31から温度センサ32と等距離にあり、ヒータ31の上流に位置する温度センサ35の温度信号を差し引くことで、より正確な被測定流体の流量測定を行うことができる。
上記実施例では、それぞれに断面半円形の溝が設けられている2枚のガラス基板を接合することにより、検出部上流側の流入口部分に段差部を形成する例を説明したが、たとえば図15に示すように、図1と同様な穴11が設けられた第1の基板10と、第1の基板10に対して蓋となるように平板状に形成された第2の基板50とを接合することによっても、検出部上流側の流入口部分に絞り部を設けることができる。
図15において、(A)は第1の基板10には穴11と溝13が設けられていて、第2の基板50は平板状に形成されている例である。(B)と(C)は第1の基板10は穴11が設けられてはいるものの溝は設けられていない平板状であり、第2の基板50は段差部51と溝52が形成されている例であって、(B)と(C)とでは第2の基板50の段差部51と溝52の大きさが異なる例である。
図16は、3枚の基板を接合して絞り部を設ける例である。(A)、(B)ともに第1の基板10には穴11が設けられていて、第3の基板60は第1の基板10および中間層として設けられる第2の基板50に対して蓋となるように平板状に形成されている。そして、第2の基板50のテーパー面は、(A)では第1の基板10に設けられている穴11の内壁とともに段差のない絞り部を形成し、(B)では第1の基板10に設けられている穴11の内壁との間に段差部を生じるように形成されている。
これら図15、図16のいずれの構造も、流路の検出部上流側に絞り部が形成されることになり、絞り部のない従来の構造に比べて、流速分布および流量測定値の再現性向上が図れる。
なお、上記各実施例では、いずれも必要に応じて所定の加工が施されたガラス基板を積層接合して流路を形成する例を説明したが、基板はガラス基板に限るものではなく、たとえばセラミック基板であってもよい。
また、流路は基板を積層接合して形成することに限るものではなく、たとえば図17に示すような耐腐食性や耐薬品性に優れた材質よりなるパイプやチューブなどの管状体70を用いてもよい。この場合、絞り部80としては、管状体70の上流端側の内壁にリング体を嵌装固着すればよい。
流路の検出部上流側に絞り部を形成する構成は、これらの実施例に限るものではなく、様々な形態が想定される。
以上説明したように、本発明によれば、熱を利用した小型で流速分布および流量測定値再現性がよく、耐腐食性および耐薬品性に優れ、安定性も高く、ゼロ点変動が小さく、測定流量範囲が広い流量センサを実現することができ、特に微小流量測定に好適である。
10、20、50、60 ガラス基板
11、12 穴
13、21、52 溝
51 段差部
30 検出部
31 ヒータ
32〜35 温度センサ
40 演算制御部部
70 管状体
80 絞り部
FP 流路

Claims (3)

  1. 微小流路を流れる被測定流体の流量を流路の外側に設けられたヒータと複数の温度センサよりなる検出部で検出される熱の移動に基づいて測定するように構成された微小流量センサにおいて、
    前記流路の上流側に絞りを設けるとともに、
    それぞれに前記流路を形成する溝が設けられていずれかの基板には前記流路に連通する穴が設けられた2枚の基板が前記溝で前記流路を形成するように接合され、接合された基板の外側に前記流路と重なるように設けられた前記検出部と、前記検出部が設けられた基板に設けられている前記溝の幅Duと他方のガラス基板に設けられている前記溝の幅Ddは、Du≦Ddの関係を満たすように形成されていることを特徴とする微小流量センサ。
  2. 前記流路を含む微小流量センサは管状体で形成されていることを特徴とする請求項1記載の微小流量センサ。
  3. 前記ヒータの上流側に設けられている温度センサの出力信号を用いて流量の補正演算を行うことを特徴とする請求項1または請求項2記載の微小流量センサ。
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