JPWO2008132956A1

JPWO2008132956A1 - 流量センサ

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Publication number: JPWO2008132956A1
Application number: JP2009511731A
Authority: JP
Inventors: 晋治原田
Original assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Current assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2010-07-22
Also published as: WO2008132956A1

Abstract

流体の流路に沿って配置された発熱抵抗体と温度検出部材とを用いて流体の流量に対応する信号を出力する流量センサにおいて、複数の流路を片面に形成した流路基板と、複数の流路にそれぞれ対応する位置に形成した複数の発熱抵抗体と複数の温度検出部材が流体に接するように流路基板に貼り合わせたセンサ基板と、を有し、センサ基板の隣り合う複数の発熱抵抗体の間に断熱用の貫通穴を形成することを特徴とする流量センサ。

Description

本発明は流量センサに関する。

近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段（例えばポンプ、バルブ、流路、センサなど）を微細化して１チップ上に集積化したシステムが開発されている（例えば特許文献１参照）。

これはμ−ＴＡＳ（ＭｉｃｒｏｔｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ：マイクロ総合分析システム）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐｓ）、バイオチップとも呼ばれ、医療検査、診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。

各種の分析、検査ではこれらの分析用チップ（以下、チップ内に微細流路が設けられ、微細流路内において各種の反応を行う上記のようなチップを「マイクロチップ」という。）には、複数の流路が形成されることが多く、また微量な薬品の化学反応を取り扱うため、それらの流路を流れる液体の流量は各流路毎に厳密に管理される必要がある。

従来からこのようなシステムではマイクロポンプを用いて送液を行っている。複数の流路に送液する場合は、複数のマイクロポンプによって各流路毎に所定の流量で送液する。マイクロポンプの性能にはバラツキがあるので精度良く所定の流量で送液するためには、流路毎に流量センサを配置して流量を測定し、マイクロポンプの制御にフィードバックする必要がある。

微小流量の計測方法として、液体が流れる導管の外側に密接して互いに離間して液体が流れる方向に沿って２つのセンサを設け、上流側と下流側の温度差から流量を計測する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、流路管にマイクロヒータと、マイクロヒータの上流側に第１のセンサと、マイクロヒータの下流側に第２のセンサとを配置し、２つのセンサの温度差に基づいて流量を計測する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、複数の流路が形成されているガラス基板の上に流路の蓋としてシリコン基板を形成し、その上に流体流量検出用の２つのヒータを形成し、上流側のヒータと下流側のヒータの抵抗比から流量を検出する熱式流量センサが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００４−２８５８９号公報特開昭６２−６２２２１号公報特開２００５−５５３１７号公報特開平７−１５９２１５号公報

しかしながら、特許文献２に開示されている方法では導管の外側にセンサーが配置されているので、外部の熱を遮断するため導管を覆う部材が必要であり複数の導管から流量を計測する装置は大変大きいものになってしまう。

また、特許文献３に開示されている方法では導管の内側にマイクロヒータとセンサーが配置されているので特許文献２の方法よりは小型化できるが、導管を用いるため同様に導管を覆う部材が必要であり装置は大きなものになってしまう。

特許文献４の方式では、小型化が可能であるが複数の流路を近接して配置すると、隣接するヒータから熱伝導により流体の温度が上昇し測定誤差が生じることがあった。また、基板に流路毎に配置したヒータから発生した熱が隣接して配置されたヒータの温度を上昇させ流量の検出結果に悪影響を及ぼしていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、複数の流路の流量を高精度に検出できる小型の流量センサを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１．
流体の流路に沿って配置された発熱抵抗体と温度検出部材とを備えて前記流体の流量に対応する信号を出力する流量センサにおいて、複数の流路を片面に形成した流路基板と、
複数の前記流路にそれぞれ対応する位置に形成した複数の前記発熱抵抗体と複数の前記温度検出部材が前記流体に接するように前記流路基板に貼り合わせたセンサ基板と、を有し、前記センサ基板の隣り合う複数の前記発熱抵抗体の間に貫通穴を形成することを特徴とする流量センサ。

２．
前記センサ基板は、低温焼結セラミックスであることを特徴とする１に記載の流量センサ。

３．
前記発熱抵抗体または前記検出体は厚膜印刷により形成されることを特徴とする１または２に記載の流量センサ。

４．
前記貫通穴に断熱部材を充填したことを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の流量センサ。

５．
前記温度検出部材は、前記発熱抵抗体の上流側に設けられた第１の温度センサと前記発熱抵抗体の下流側に設けられた第２の温度センサから成ることを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の流量センサ。

６．
前記温度検出部材は、前記発熱抵抗体の上流側に設けられた液温参照抵抗体であることを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の流量センサ。

本発明によれば、センサ基板の複数の流路にそれぞれ対応する位置に形成した発熱抵抗体の間に断熱用の貫通穴を設けたので、隣接する発熱抵抗体の熱による影響を受けることなく複数の流路の流量を高精度に検出できる。

本発明の第１の実施形態の構造を説明するための説明図である。図１のＺ軸正方向から見た流路基板１８４の平面図である。センサ基板１８３の流路基板１８４と重なり合う面の平面図である。本発明の流量センサ１８０を用いた反応検出装置８０の外観図である。第１の実施形態の流量センサ１８０を用いた反応検出装置８０の内部構成の一例を示す断面図である。本発明の第１の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。第１の実施形態の流量センサ１８０を用いて流量を算出するフローチャートを説明する。第２の実施形態のセンサ基板１８３の流路基板１８４と重なり合う面の平面図である。本発明の第２の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。

符号の説明

１マイクロチップ
５０スリット
５１第２の温度センサ
５２発熱抵抗体
５３第１の温度センサ
５９液温参照抵抗体
１８０流量センサ
１８２流路
１８３センサ基板
１８４流路基板
１８５吐出穴
１８６流入穴
８０反応検出装置
８２筐体
８３挿入口
８４表示部

以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態の熱式流量センサは、微小な流量の流体に用いるものである。

図１は本発明の第１の実施形態の構造を説明するための説明図である。図１（ａ）は、流量センサ１８０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。以下、図面の説明では図１（ａ）、図１（ｂ）の紙面右側に示すＸＹＺの座標軸を用いる。

本発明に係る流量センサ１８０は、図１に示すようにセンサ基板１８３と流路基板１８４からなる。

図２は図１のＺ軸正方向から見た流路基板１８４の平面図である。本実施形態では流路基板１８４には８つの溝状の流路１８２を備え、溝状の流路１８２の両端には注入穴１８６、吐出穴１８５がそれぞれ備えられている。流路基板１８４は、例えば樹脂材料からなり、流路１８２は幅数１００μｍ〜数ｍｍ、深さ数１００μｍである。

図３は図１のＺ軸負方向から見たセンサ基板１８３の平面図である。センサ基板１８３には、８つの溝状の流路１８２に沿ってそれぞれ発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１、が設けられている。また、発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１の両端には電極５４が設けられ、センサ基板１８３の図示せぬ配線パターンと配線されている。第１の温度センサ５３と第２の温度センサ５１は本発明の温度検出部材である。第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１として例えばサーミスタのように温度によって抵抗値が変化する素子を用いることができる。

センサ基板１８３には例えばガラスエポキシ基板などをパターンニングして用いることもできるが、低温焼結セラミックスを用いると厚膜印刷により発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１を形成できるので工程を簡略にすることができる。

センサ基板１８３は図１（ａ）のように流路基板１８４に重ねて貼り合わされている。図１（ｂ）の流路１８２に沿った断面図のように、センサ基板１８３に形成された発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１は流路１８２に沿うように配置されており、流路１８２を流れる流体に接するようになっている。流体は注入穴１８６から注入し、流路１８２を通って吐出穴１８５から吐出する。後で詳しく説明するように、例えば上流側に設けられた第１の温度センサ５３によって検出した流体の液温と、下流側に設けられた第２の温度センサ５１によって検出した発熱抵抗体５２によって加熱された流体の液温の温度差から流路１８２を流れる流体の流量を算出する。

スリット５０は、本発明の貫通穴である。スリット５０は、図３のようにセンサ基板１８３に流路１８２毎に配設された発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１の間に設けられている。このようにスリット５０を設けると、発熱抵抗体５２の発生する熱が、隣接する流路に配設された発熱抵抗体５２、第１の温度センサ５３、第２の温度センサ５１や溝状の流路１８２を流れる流体に伝導することを防止できる。このことにより、複数の流路を近接して配置しても他の流路に設けられた発熱抵抗体５２の影響を受けずに精度良く流量を算出することができる。

また、スリット５０に断熱部材を充填するとより断熱効果を高め、より正確に流量を算出することができる。断熱部材には、例えば発泡プラスチック（ポリスチレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリカーボネートの発泡体）や発泡セラミックスなどを用いることができる。

このように、スリット５０に断熱部材を充填すると断熱効果が高まるので、発熱抵抗体５２や流路１８２をさらに近接させて配置しても、隣接する流路１８２や発熱抵抗体５２の影響をほとんど受けずに精度良く流量を検知することができる。

図４は、本発明の流量センサ１８０を用いた反応検出装置８０の外観図である。

反応検出装置８０はマイクロチップ１に予め注入された検体と、試薬との反応を自動的に検出し、表示部８４に結果を表示する装置である。

反応検出装置８０の筐体８２には挿入口８３があり、マイクロチップ１を挿入口８３に差し込んで筐体８２の内部にセットするようになっている。なお、挿入口８３はマイクロチップ１を挿入時に挿入口８３に接触しないように、マイクロチップ１の厚みより十分高さがある。８５はメモリカードスロット、８６はプリント出力口、８７は操作パネル、８８は入出力端子である。

検査担当者は図４の矢印方向にマイクロチップ１を挿入し、操作パネル８７を操作して検査を開始させる。反応検出装置８０の内部では、マイクロチップ１内の反応の検査が自動的に行われ、検査が終了すると液晶パネルなどで構成される表示部８４に結果が表示される。検査結果は操作パネル８７の操作により、プリント出力口８６よりプリントを出力したり、メモリカードスロット８５に挿入されたメモリカードに記憶することができる。また、外部入出力端子８８から例えばＬＡＮケーブルを使って、パソコンなどにデータを保存することができる。

図５は、第１の実施形態の流量センサ１８０を用いた反応検出装置８０の内部構成の一例を示す断面図である。温度調節ユニット１５２、光検出部１５０、流量センサ１８０、駆動液ポンプユニット９２、パッキン９０、駆動液タンク９１などから構成される。以下、これまでに説明した構成要素と同一の構成要素には同番号を付し、説明を省略する。

図５は、マイクロチップ１の上面を温度調節ユニット１５２とパッキン９０ａに密着させている状態である。

初期状態において、駆動部材により温度調節ユニット１５２を、図５の状態からマイクロチップ１の厚み以上上昇させる。すると、マイクロチップ１は図５の紙面左右方向に挿抜可能であり、検査担当者は挿入口８３から図示せぬ規制部材に当接するまでマイクロチップ１を挿入する。所定の位置までマイクロチップ１を挿入するとフォトインタラプタなどを用いたチップ検知部９５がマイクロチップ１を検知しオンになる。

駆動液ポンプユニット９２の吸込側には、パッキン９０ｃを介して駆動液タンク９１が接続され、駆動液タンク９１に充填された駆動液をパッキン９０ｃを介して吸い込むようになっている。一方、駆動液ポンプユニット９２の吐出側にはパッキン９０ｂを介して流量センサ１８０が接続されている。例えば、駆動液ポンプユニット９２に内蔵されている８つのマイクロポンプが、流量センサ１８０の８つの注入穴１８６にそれぞれ接続され、それぞれのマイクロポンプが流量センサ１８０に駆動液を送り込むように構成されている。駆動液ポンプユニット９２から送り出された駆動液は、流量センサ１８０の８つの吐出穴１８５に接続されたパッキン９０ａを介してマイクロチップ１の８つの駆動液注入部７８からマイクロチップ１内に形成された流路６に注入する。

なお、パッキン９０ａは流量センサ１８０とマイクロチップ１の間に挟まれ、流量センサ１８０の８つの駆動液出口である吐出穴１８５とパッキン９０ａの８つの開口部と８つの駆動液注入部７８は連通している。このように、駆動液ポンプユニット９２から、連通しているパッキン９０ｂ、流量センサ１８０、パッキン９０ａを介して駆動液注入部７８より駆動液を注入する。後に詳しく説明するように、流量センサ１８０の８つの流路１８２で検知した流量を、駆動液ポンプユニット９２の対応する８つのマイクロポンプにそれぞれフィードバックすることにより、マイクロチップ１に所定の流量の駆動液を注入することができる。

温度調節ユニット１５２は、ペルチェ素子、電源装置、温度制御装置などを内蔵し、発熱または吸熱を行ってマイクロチップ１の上面を所定の温度に調整するユニットである。

図示せぬ制御部が、検知部９５がオンになった信号を受信すると、駆動部材により温度調節ユニット１５２を下降させて、マイクロチップ１の上面を温度調節ユニット１５２と、下面をパッキン９０に密着させる。

マイクロチップ１の検出部１９では、駆動液によって流路６内を移動した検体とマイクロチップ１内に貯蔵された試薬が反応して、例えば呈色、発光、蛍光、混濁などをおこす。本実施形態では検出部１９でおこる試薬の反応結果を光学的に検出する。試薬の反応結果を測光するマイクロチップ１の検出部１９を形成した流路基板２と、検出部１９を覆う流路基板３は光透過性の材料になっている。したがって、試薬と検体の反応結果は、マイクロチップ１の検出部１９を透過する光を測光または測色することで解析することができる。

光検出部１５０は発光部１５０ａと受光部１５０ｂから成り、マイクロチップ１の検出部１９を透過する光を検出できるように配置されている。

図６は、本発明の第１の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。

制御部９９は、ＣＰＵ９８（中央処理装置）とＲＡＭ９７（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ），ＲＯＭ９６（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等から構成され、不揮発性の記憶部であるＲＯＭ９６に記憶されているプログラムをＲＡＭ９７に読み出し、当該プログラムに従って反応検出装置８０の各部を集中制御する。

以下、いままでに説明した機能と同一機能を有する機能ブロックには同番号を付し、説明を省略する。

チップ検知部９５はマイクロチップ１が規制部材に当接すると検知信号をＣＰＵ９８に送信する。ＣＰＵ９８は検知信号を受信すると、機構駆動部３２に指令し所定の手順でマイクロチップ１を下降または上昇させる。

ポンプ駆動部５００は各マイクロポンプの圧電素子を駆動する駆動部である。ポンプ駆動制御部４１２はプログラムに基づいて、所定量の駆動液を注入または吸入するようにポンプ駆動部５００を制御する。ポンプ駆動部５００はポンプ駆動制御部４１２の指令を受けて、マイクロポンプを駆動する。

ＣＰＵ９８は所定のシーケンスで検査を行い、検査結果をＲＡＭ９７に記憶する。検査結果は、操作部８７の操作によりメモリカード５０１に記憶したり、プリンタ５０３によってプリントすることができる。ＣＰＵ９８は流量算出部４１０、温度算出部４１１、ポンプ駆動制御部４１２を有している。ＲＯＭ９６には電圧のデジタル値から対応する温度を参照する温度電圧変換テーブル３０１と、温度から流量を参照する温度流量変換テーブル３０２を備えている。

本実施形態では発熱抵抗体５２の上流側の第１の温度センサ５３で検出した液温Ｔ１と、下流側の第２の温度センサ５１で検出した発熱抵抗体５２が発生した熱を吸収した流体の液温Ｔ２の温度差ΔＴを算出し、温度差ΔＴから流量を算出する。

図６のように第１の温度センサ５３はセンサ基板１８３の図３には図示せぬ面に配置された抵抗Ｒ１と接続されている。また、第１の温度センサ５３の一端には定電圧Ｖｃが印加され、抵抗Ｒ１の一端は接地されている。第１の温度センサ５３と抵抗Ｒ１の分圧は第１Ａ／Ｄ変換器３１０によりデジタル値に変換され制御部９９に入力される。

第２の温度センサ５１も同様に抵抗Ｒ２と接続されている。また、第２の温度センサ５１の一端には定電圧Ｖｃが印加され、抵抗Ｒ２の一端は接地されている。第２の温度センサ５１と抵抗Ｒ２の分圧は第２Ａ／Ｄ変換器３２０によりデジタル値に変換され制御部９９に入力される。

また、発熱抵抗体５２には定電圧Ｖｃが印加され発熱している。

次に、図７を用いて流量を算出するフローチャートを説明する。

図７は第１の実施形態の流量センサ１８０を用いて流量を算出するフローチャートである。

Ｓ２０１：第１の温度センサ５３の温度を算出するステップである。

温度算出部４１１は第１Ａ／Ｄ変換器３１０の出力値から温度電圧参照テーブル３０１を参照して第１の温度センサ５３の温度Ｔ１を求める。

Ｓ２０２：第２の温度センサ５１の温度を算出するステップである。

温度算出部４１１は第２Ａ／Ｄ変換器３２０の出力値から温度電圧参照テーブル３０１を参照して第２の温度センサ５１の温度Ｔ２を求める。

Ｓ２０３：温度差ΔＴを算出するステップである。

温度算出部４１１はＴ１、Ｔ２から温度差ΔＴを算出する。

Ｓ２０４：温度差ΔＴを算出するステップである。

流量算出部４１０は温度流量参照テーブル３０２を参照し流量を求める。

流量を算出する処理は以上である。

流量が所定量で無い場合は、ポンプ駆動制御部４１２が所定の流量になるように駆動液ポンプユニット９２のマイクロポンプを制御する。

次に、第２の実施形態の流量センサ１８０について説明する。第１の実施形態の流量センサ１８０との違いはセンサ基板１８３だけであり、第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図８は第２の実施形態のセンサ基板１８３の流路基板１８４と重なる面の平面図である。センサ基板１８３には、８つの溝状の流路１８２に沿ってそれぞれ発熱抵抗体５２と、上流側に液温参照抵抗体５９が設けられている。また、発熱抵抗体５２、液温参照抵抗体５９の両端には電極５４が設けられ、図示せぬセンサ基板１８３の配線パターンと配線されている。液温参照抵抗体５９は本発明の温度検出部材である。

なお、図８では液温参照抵抗体５９は抵抗値が大きく発熱量が少ないため、液温参照抵抗体５９の間にはスリット５０を設けていないが必要に応じてスリット５０を設けても良い。

図９は、本発明の第２の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。

ＣＰＵ９８は流量算出部４１１、ポンプ駆動制御部４１２を有している。

本実施形態では、所定の発熱温度で平衡状態を保っている発熱抵抗体５２と温度補償用の液温参照抵抗体５９をそれぞれ抵抗Ｒ３、Ｒ４と接続しブリッジ回路を構成している。これらのブリッジ抵抗の電圧差を、アンプ３０６によって作動増幅し、アンプ３０６の出力をトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、抵抗Ｒ５、Ｒ６から構成されるフィードバック回路によりブリッジ回路に供給する電流ｉにフィードバックしている。この回路においては発熱抵抗体５２は常に液温参照抵抗体５９より一定の温度高く保たれている。例えば、流路１８２に流体が流れて発熱抵抗体５２の温度が下がった場合、アンプ３０６は液温参照抵抗体５９との温度差を一定に維持するように流速に応じた電圧を出力する。

アンプ３０６の出力電圧は第１Ａ／Ｄ変換器３１０によりデジタル値に変換され制御部９９に入力される。流量算出部４１０はアンプ３０６の出力値から電圧流速変換テーブル３０２を参照して流量を算出する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は実施形態に例示した温度検出部材や流量検出方法に何ら限定されるものではなく、発熱抵抗体と温度検出部材が複数の流路に沿って配置された流量センサに適用できる。

以上このように、本発明によれば、複数の流路の流量を高精度に検出できる小型の流量センサを提供することができる。

Claims

流体の流路に沿って配置された発熱抵抗体と温度検出部材とを備えて前記流体の流量に対応する信号を出力する流量センサにおいて、複数の流路を片面に形成した流路基板と、
複数の前記流路にそれぞれ対応する位置に形成した複数の前記発熱抵抗体と複数の前記温度検出部材が前記流体に接するように前記流路基板に貼り合わせたセンサ基板と、を有し、
前記センサ基板の隣り合う複数の前記発熱抵抗体の間に貫通穴を形成することを特徴とする流量センサ。
前記センサ基板は、低温焼結セラミックスであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の流量センサ。
前記発熱抵抗体または前記検出体は厚膜印刷により形成されることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の流量センサ。
前記貫通穴に断熱部材を充填したことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れか１項に記載の流量センサ。
前記温度検出部材は、前記発熱抵抗体の上流側に設けられた第１の温度センサと前記発熱抵抗体の下流側に設けられた第２の温度センサから成ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載の流量センサ。
前記温度検出部材は、前記発熱抵抗体の上流側に設けられた液温参照抵抗体であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の何れか１項に記載の流量センサ。