KR20090013813A - 코파이어링된 압전 저항형 센서를 갖는 세라믹 오실레이션 플로우 미터 - Google Patents

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Abstract

장치는 채널(18, 20)에 흐르는 유체(21)의 양을 측정한다. 장치는 유체(21)를 수용하기 위한 인렛(16), 및 인렛(16)으로부터 유체(21)를 교대로 수용하기 위한 제1 및 제2 우회 채널(18, 20)을 정의하는 하우징(14)을 구비하고 있다. 제1 노즐(46)은 제1 우회 채널(18)로부터 유체(21)를 수용하고 유체(21)를 인렛(16)으로부터 제2 우회 채널(20)로 편향시킨다. 제2 노즐(48)은 제2 우회 채널(20)로부터 유체(21)를 수용하고 유체(21)를 인렛(16)으로부터 제1 우회 채널(18)로 교대로 편향시킨다. 재료(56)는 제1 및 제2 우회 채널(18, 20) 중 적어도 하나 위에 놓여지고 유체(21)에 의해 야기되는 압력 변화로 인해 왜곡되는 감지 영역을 가지고 있다.
세라믹 오실레이션 플로우 미터, 압전 저항기, 센서, 유체 양, 우회 채널

Description

코파이어링된 압전 저항형 센서를 갖는 세라믹 오실레이션 플로우 미터{CERAMIC OSCILLATION FLOW METER HAVING COFIRED PIEZORESISTIVE SENSORS}
본 발명은 일반적으로는 채널에서 흐르는 유체의 양을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 기체의 플로우 레이트를 결정하기 위한 유체 오실레이션 플로우 미터에 관한 것이다.
마이크로유체공학 기술의 개발은 전체 디바이스 성능을 개선하거나 다르게는 유지하면서도 감소된 부품 개수, 무게, 형태 인자 및 전력 소비를 가지고 있는 정교한 디바이스에 대한 여전히-증가하는 요구와 비슷한 상업적 전자 산업에서의 존재론적 진척에 의해 일반적으로 유도되어 왔다. 특히, 마이크로유체공학 기술의 진척은 패키징 분야에서의 일부 성공 및 비교적 낮은 제조 비용으로 이들 목적들 중 다수를 달성하도록 하는 새로운 아키텍쳐의 개발을 경험하게 되었다.
예를 들면 고도로 집적된 기능을 가지는 멀티레이어 적층 기판에 기초하는, 마이크로유체공학 시스템의 개발은 특별히 관심사가 되어 왔다. 적층(laminate) 세라믹으로 형성되는 모놀리딕 기판은 일반적으로 고온에 잘 견딜 뿐만 아니라 대부분의 화학적 반응에도 비교적 불활성이거나 다르게는 안정된 구조를 제공하는 것을 보여주고 있다. 추가적으로, 모놀리딕 기판은 통상적으로 디바이스 컴포넌트의 소형화를 제공하고, 그럼으로써 회로 및/또는 유체 채널 집적 밀도를 개선한다. 집적된 마이크로유체공학 디바이스에 대한 잠재적인 어플리케이션은, 예를 들면 생명 과학 및 휴대용 연료 전지 어플리케이션에 대한 다양한 마이크로시스템의 유체 관리를 포함한다. 하나의 대표적인 어플리케이션은 예를 들면 유체 오실레이션 플로우 미터를 정의하기 위해 적층 구조 내에 마이크로-채널 및/또는 캐비티를 형성하는 세라믹 재료의 이용을 포함한다.
종래의 마이크로-플로우 미터는 수개의 어플리케이션에 이용되었지만, 이들 다수는 일반적으로 마이크로유체공학 시스템과의 어플리케이션에 대해 너무 성가시고 복잡하다. 예를 들면, 현재의 디자인은 플러밍(plumbing)으로 외부적으로 조립되거나 또는 접속되는 다수의 이산 컴포넌트, 및/또는 임시적인 펌핑 시스템을 생성하는 컴포넌트 하드웨어를 통상 채용한다. 결과적으로, 종래의 디자인들은 휴대용 세라믹 기술과의 집적에 적합하지 않거나, 예를 들면 감소된 형성 인자, 무게 또는 다른 원하는 성능 및/또는 제조 프로세스 메트릭을 요구하는 다양한 어플리케이션에서는 적합하지 않은 것으로 일반적으로 간주되었다. 더구나, 유체 오실레이션 플로우 미터를 적층된 구조에 집적하는 이전의 시도들은 제조 비용을 유지하거나 다르게는 감소시키면서 제조 프로세스 및/또는 동작 스트레스를 견딜 수 있는 신뢰성있는 유체 접속 및/또는 밀봉된 실을 생성하는데 있어서의 상당한 어려움에 부딪혔다. 따라서, 마이크로유체공학 시스템에 이용하기 위해 컴포넌트를 소형화하고 더 밀접하게 집적하려는 종래 기술의 플로우 미터 디자인의 노력에도 불구하고, 유체 오실레이션 플로우 미터가 예를 들면 모놀리딕 디바이스 패키지와의 통합 을 위해 적합하게 적응되는 집적된 압력 센서를 가지는 것에 대한 필요성이 존재한다.
유체 오실레이터 플로우 미터는 업계에 공지되어 있다. 예를 들면, Horton 등에 의한 미국특허 제3,185,166호, Testerman 등에 의한 미국특허 제3,273,377호, Taplin에 의한 미국특허 제3,373,600호, Adams 등에 의한 미국특허 제3,640,133호, Villarroel 등에 의한 미국특허 제3,756,068호, Zupanick에 의한 미국특허 제4,150,561호, Bauer에 의한 미국특허 제4,244,230호, 및 Drzewiecki에 의한 미국특허 제6,553,844호를 보라. 이들 종래의 유체 오실레이터들은 자유 진행 오실레이션을 생성하도록 출력이 입력에 피드백되는 2개의 채널을 구비하는 유체 증폭기를 포함하고, 여기에서 유체는 입력 스트림에 횡적으로 인가되는 유체 피드백에 의해 하나의 채널을 통해 그리고나서 다른 하나를 통해 교대로 흐름으로써, 입력을 또 하나의 채널에 강제로 넣는다.
대부분의 유체 오실레이터 플로우 미터는 일부 특성, 예를 들면 유체의 체적 플로우, 밀도, 성질, 엔탈피, 및 체적 탄성율(bulk modulus)을 측정한다. 체적 플로우를 측정하는 경우에, 이것은 하나의 채널로부터 다른 하나로 유체가 시프트하는 진동수를 측정함으로써 통상 달성된다. 플로우 통과 시간은 플로우 속도와 관련되기 때문에, 진동수는 체적 플로우에 선형으로 관련된다. 증폭기 노즐 면적은 알려져 있으므로, 속도와 면적의 곱은 체적 플로우를 산출한다. 대부분의 경우에, 대부분의 유체에 대한 음향 피드백 시간은 전체 플로우 통과 시간의 단지 수 퍼센트에 불과하도록 설계될 수 있다.
미국특허 제6,076,392호에서, 기체 혼합물의 성분은 유체 샘플 스트림의 플로우 및 유체에서의 소리의 속도 모두를 측정함으로써 결정된다. 체적 플로우의 측정은 유체 샘플의 특성 밀도 및 점도를 결정하는데 필요하고, 소리의 속도 측정은 유체의 특성 특정 열을 결정하는데 필요하다.
"A Fluidic-Electronic Hybrid System for Measuring the Composition of Binary Mixtures", Anderson 등, Ind. Eng. Chem. Fundam., Vol. 11, No.3, 1972에서, 기체의 밀도는 -20 내지 +120℃ 범위의 온도를 가지는 기체에 대해 오실레이션 플로우 미터의 이용에 의해 결정될 수 있다는 것을 보여주고 있다. 기체를 통해 이동하는 압력 펄스의 속도(음파 속도)는 기체 밀도의 제곱근에 비례한다.
Samms 등에 의한 미국특허 출원 제11/192,819호는 유체 오실레이션 플로우 미터에서 오실레이션 진동수를 결정하기 위한 센서로서 압전 유니모프(piezoelectric unimorph)를 부착하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 압전 센서의 동작 온도가 대응하는 재료 큐리 온도에 의해 제한된다는 것은 공지되어 있다. Dai 등에 의한 미국특허 제6,986,649호는 마이크로펌프의 펌핑 챔버의 다음에 압전 저항형 센서를 집적하여 압력을 검출하는 것을 개시하고 있다. 감지 압전 저항기들은 캐비티와 펌핑 챔버 사이의 플렉스(flex) 세라믹 멤브레인 상에 배치되었고, 기준 압전 저항기들은 멤브레인으로부터 이격되어 형성되었다.
따라서, 유체의 오실레이션 진동수를 측정하고 상승된 온도 증기의 체적 플로우 레이트를 계산하기 위해 유체 오실레이션 플로우 미터내에 압전 저항형 센서를 집적한 유체 오실레이션 플로우 미터를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 다른 바람직한 특징 및 특성들은 첨부된 도면과 이러한 본 발명의 배경과 조합한 이하의 본 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구의범위로부터 명백하게 될 것이다.
채널에 흐르는 유체의 양을 측정하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 유체를 수용하기 위한 인렛, 및 인렛으로부터 유체를 교대로 수용하기 위한 제1 및 제2 우회 채널을 정의하는 하우징을 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터를 포함한다. 하우징은 제1 우회 채널로부터 유체를 수용하고 유체를 인렛으로부터 제2 우회 채널로 편향시키기 위한 제1 노즐을 포함한다. 제2 노즐은 제2 우회 채널로부터 유체를 수신하고 유체를 인렛으로부터 제1 우회 채널로 교대로 편향시킨다. 제1 재료층은 제1 및 제2 우회 채널 중 적어도 하나 위에 놓여지고 우회 채널을 통해 흐르는 유체에 의해 야기되는 압력 변화로 인해 왜곡되는 감지 영역을 포함한다. 제1 감지 압전 저항기는 감지 영역의 압력 변화를 검출하고 진동수(frequency) 신호를 생성하기 위해 우회 채널 근처에서 재료층 상에 배치된다.
이하에서, 본 발명은 유사한 참조부호는 유사한 구성요소를 나타내는 이하의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 예로 든 실시예에 따른 유체 오실레이션 플로우 미터의 개략도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2에 따른 개략 단면도이다.
도 3은 도 1의 유체 오실레이션 플로우를 포함하는 연료 전지 시스템의 블록 도이다.
본 발명의 이하의 상세한 설명은 그 본질상 단지 예에 불과하고 본 발명 또는 그 어플리케이션 및 본 발명의 이용을 제한하려는 것이 아니다. 또한, 본 발명의 상기 배경 또는 본 발명의 이하의 상세한 설명에 제공되는 임의의 이론에 의해서도 제한하려는 것이 아니다.
본 발명의 다양한 대표적인 구현들은 유체 운송을 위한 임의의 시스템 및/또는 방법에 적용될 수 있다. 여기에 이용된 바와 같이, 용어 "유체", "유체의" 및/또는 그 임의의 문맥상, 변동형 또는 조합형 지시물은 일반적으로 기체, 액체, 플라즈마, 및/또는 실질적으로 고체 상태 또는 다르게는 유효적으로 비유동성 밀집된 페이즈 상태에 있지 않은 임의의 물체, 물질 또는 화합물의 조합을 지칭하는 바와 같이 적어도 특성화되기 쉬운 것으로 간주되는 임의의 것을 포함하려는 것이다. 여기에 이용된 바와 같이, 용어 "인렛" 및 "아웃렛"은 일반적으로는 교환가능하게 이용되지 않는다. 예를 들면, "인렛"은 디바이스의 임의의 단면 영역 또는 컴포넌트 특징을 포함하는 것으로 일반적으로 이해되고 그 플럭스(flux)는 디바이스에 실질적으로 외부에 있는 체적 요소로부터 디바이스에 실질적으로 내부에 있는 체적 요소로 유체를 병진(translate)시키는 경향이 있는데 반해, "아웃렛"은 디바이스의 임의의 단면 영역 또는 컴포넌트 특징을 지칭하는 것으로 일반적으로 이해되고 그 플럭스는 디바이스에 실질적으로 내부에 있는 체적 요소로부터 디바이스에 실질적으로 외부에 있는 체적 요소로 유체를 병진시키는 경향이 있다. 한편, 여기에 이 용되는 바와 같이, 용어 "액체" 및 "기체"는 일반적으로 상호교환가능하게 이용될 수 있고, 일반적인 어플리케이션에서, 임의의 유체 및/또는 임의의 병진 이동가능한 물체의 페이즈를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 여기에 이용되는 바와 같이, 용어 "퍼지드(purged)"는 임의의 문맥상 또는 조합형 지시물 또는 그 변동형도, "퍼지드"된 체적 요소를 디바이스 외부에 놓거나 다르게는 위치적으로 로케이팅하기 위해 디바이스의 아웃렛을 통해 유체의 체적 요소를 이동시키기 위한 임의의 방법, 기술 또는 프로세스를 포함하려는 것이다.
예로 든 실시예에 따른 멀티레이어 세라믹 유체 오실레이터는 집적된 압전 저항형 압력 센서를 포함한다. 압전 저항기는 압전 저항형 페이스트를 피착하고, 예를 들면 스크린 인쇄하고, 증기/유체 채널을 커버하는 언파이어링된(unfired) 세라믹 시트 상에 금속 도전형 페이스트를 접속시킴으로써 형성된다. 이들 시트들이 스택되고 적층되어, 모놀리딕 세라믹 구조에 파이어링된다. 압전 저항기 및 도전체 트레이스는 전체 멀티레이어 세라믹 스택과 함께 코파이어링된다. 감지 압전 저항기는 채널 근처에 배치되어, 채널에서의 압력 변화로 인한 바로 아래의 세라믹 멤브레인의 임의의 변형을 검출한다. 저항기들의 값은 압력 변화를 계산하는데 직접 이용될 수 있다. 다르게는, 기준 저항기들은 채널로부터 떨어져 배치될 수 있다. 2개의 감지 압전 저항기 및 2개의 기준 저항기를 포함하는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)는 당업자들에게 알려져 있는 방식으로 이용되어, 압력 차이 및 따라서 채널 내의 유체 플로우를 결정한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유체 오실레이션 플로우 미 터(10)는 하우징(14) 내에 플로우 미터(12)를 포함한다. 하우징(14)은 금속과 같이, 고온에 견딜 수 있는 재료를 포함하지만, 바람직하게는 세라믹을 포함한다.
플로우 미터(12)는 플로우 미터 인렛 노즐(16) 및 제1 및 제2 우회 채널(18, 20)을 포함한다. 유체(21), 바람직하게는 가열되고 증기화된 기체는 압력 하에서 원하는 속도로 플로우 미터 인렛 노즐(16)로 들어온다. 배출구(22, 24, 26, 28(출력 비아))는 출력 채널(32, 34, 36, 38)을 통해 액세스가능하다.
유체(21)는 특정 속도를 가지고 플로우 미터 인렛 노즐(16)에 들어간다. 기체 증기가 플로우 미터(12)로 진행함에 따라, 기체 증기의 상당 부분이 제1 또는 제2 우회 채널(18, 20)에 들어갈 것이다. 예를 들면, 기체 증기는 우회 채널(18)로 들어가서, 제1 리턴 채널(42)을 통해 진행한 후 제1 노즐(46)을 통과한다. 기체 증기가 제1 노즐(46)을 통과함에 따라, 플로우 미터 인렛 노즐(16)에 들어가고 있는 기체 증기에 영향을 미치고, 들어오는 기체 증기를 편향시켜, 들어가고 있는 기체 증기의 상당 부분이 이제는 제2 우회 채널(20)로 우회하도록 유발한다. 그리고나서, 기체 증기는 제2 리턴 채널(44)을 통해 진행하여, 제2 노즐(48)을 통과한다. 기체 증기가 제2 노즐(48)을 통해 통과함에 따라, 플로우 미터 인렛 노즐(16)에 들어가고 있는 기체 증기에 영향을 미치고, 들어오는 기체 증기를 편향시켜, 들어가고 있는 기체 증기의 상당 부분이 제1 우회 채널(18)로 다시 들어가도록 유발한다. 플로우 미터(12)의 한쪽으로부터 다른 한쪽으로의 이러한 스위칭은 기체 증기가 플로우 미터(12)에 들어가는 한 기체의 플로우 레이트에 따라 특정 진동수를 가지는 주기적인 형태로 계속될 것이다.
기체 증기가 플로우 미터(12)를 채우고 압력이 구축됨에 따라, 기체 증기는 출력 채널(32, 34, 36, 38)에 들어가고 배출구(22, 24, 26, 28)를 통해 플로우 미터(12)를 나온다(그것으로부터 퍼지드된다). 배출구(22, 24, 26, 28)는 단일 아웃렛(도시되지 않음)으로 모아진다. 추가적으로, 4개의 배출구(22, 24, 26, 28)가 도시되어 있지만, 임의의 개수의 배출구들이 이용될 수 있다. 통상적으로, 동일한 개수의 배출구들이 양측에 배치된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 2는 라인 2-2에 따른 도 1의 실시예의 단면으로서, 하우징(14)은 제1 레이어(52), 제2 레이어(54), 및 제3 레이어(56)를 포함하고, 이들은 모두 바람직하게는 세라믹 재료로 되어 있다. 제1 레이어(52)는 유체(21)를 배출구(22, 26)로부터 각각 퍼징하기 위한 비아(58, 60)를 포함한다. 제1 레이어(52)는 기판이고, 따라서 두께는 제한되지 않는다. 제2 및 제3 레이어(54, 56)의 두께는 25 내지 250 마이크론이고, 바람직하게는 25 내지 125마이크론이다. 제1 및 제2 감지 압전 저항기(62, 64)는 각각 출력 채널(42, 44) 반대측 제3 레이어(56) 상에 배치된다. 제1 및 제2 감지 압전 저항기(62, 64)가 출력 채널(42, 44)의 위에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 이들은 각각 제1 및 제2 우회 채널(18, 20) 위에, 또는 그 사이의 하나의 포인트에 배치될 수 있다는 것은 자명하다. 제1 및 제2 기준 압전 저항기(66, 68)는 제1 및 제2 감지 압전 저항기(62, 64) 아래의 감지 영역이 기준 압전 저항기(66, 68)의 저항을 유효적으로 액추에이팅하지 못하도록, 제3 레이어(56)의 감지 영역 상에 배치되고 제1 및 제2 감지 압전 저항기(62, 64)로부터 각각 유효적으로 이격되고 멀리 떨어지거나 다르게는 위 치적으로 제거되도록 놓여진다. 감지 영역은 감지 영역의 기계적 편향 또는 변형에 대응하여 감지 압전 저항기(62, 64)의 저항값을 기계적으로 액추에이팅하도록 적어도 부분적인 기계적 편향 또는 변형을 할 수 있는 임의의 표면 또는 표면의 임의의 일부를 포함한다. 일부 실시예들, 예를 들면 멀티레이어 세라믹 실시예에서, 다양한 구성요소들이 상이한 레벨에 상주할 수 있다. 단순화를 위해, 다양한 컴포넌트들이 도 1 및 2에서 동일한 레벨 상에 있는 것으로 도시되어 있다.
기체 증기가 출력 채널(42, 44)을 통과함에 따라, 압력 펄스는 감지 압전 저항기(62, 64)를 트리거하기에 충분하고, 따라서 플로우 미터(12)의 오실레이션의 진동수 성질을 나타내는 교류 전기 신호를 생성한다. 하나의 채널(18, 20)로부터 다른 하나로 기체가 시프트하는 진동수는 대략 체적 플로우와 선형으로 관련된다.
예를 들면, 감지 멤브레인 또는 감지 영역으로서 제공되는 테이프 세라믹의 단일 레이어를 가지는 캐비티는 도 2에 대표적으로 도시되어 있는 바와 같이, 특히 DuPont 943 GreenTapeTM(DuPont Microcircuit Materials, E.I. Du Pont de Nemours and Company, 14 T.W. Alexander Drive, Research Triangle Park, NC, USA로부터 가용함)을 이용하여 멀티레이어 세라믹 구조에 형성될 수 있다. 예를 들면, 3414 시리즈(Electro-Science Lab, 416 East Church Road, King of Prussia, PA 19406-2625, USA로부터 가용함)와 같은 코파이어링가능한 압전 저항형 페이스트는 감지 영역으로부터 이격되어 감지 멤브레인 및 기준 저항기 상에 감지 저항기를 형성하는데 이용될 수 있다. 이산 압전 저항형 컴포넌트는 교대로, 조합하여 및/또는 순 차적으로 채용될 수 있다.
압력 또는 부하 감지는 예를 들면 휘트스톤 브리지 구성을 채용하는 저항기 레이아웃을 통해 달성될 수 있다. 동작 테스트는 200mil 스퀘어 캐비티(square cavity)에 걸쳐 1.6mil 두께 세라믹 멤브레인에 대해 약 1.3㎷/㎪의 수준에서 압력 민감도를 증명했다.
감지 저항기(62, 64)는 감지 멤브레인 표면에 배치되는데 대해, 기준 저항기(66, 68)는 예를 들면 도 2에 일반적으로 도시된 바와 같이, 제3 레이어(56)의 일반적으로 기계적 비활성화 표면 상에 배치될 수 있다. 도전체 경로(도시되지 않음)는 예를 들면, 표면 I/O로의 전형적인 멀티-레이어 세라믹 상호접속에 의해 외부적으로 액세스될 수 있다.
일 실시예에서, 압전 저항기(62, 64, 66, 68)를 형성하는데 코파이어링가능한 압전 저항형 페이스트 및 LTCC 테이프 유전체의 활용은 실질적으로 패키징 비용을 감소시킬 것이다. 더구나, 유체 오실레이션 플로우 미터(10)는 다른 멀티-레이어 세라믹 기능과 용이하게 통합되어 멀티-레이어 기반 마이크로시스템을 형성할 수 있다. 추가적으로, 기준 저항기(66, 68)는 제1 레이어의 기저부 상에 코파이어링되어, 특히 모든 저항기들에 대한 유사한 인터페이스들이 압전 저항기/LTCC 상호작용으로부터 저항의 영향을 최소화시키도록 허용한다.
압전 저항기를 형성하는데 압전 저항형 페이스트 및 LTCC 테이프 유전체의 코파이어링 가능성의 활용은 전체 패키징 비용을 효율적으로 제거하거나 다르게는 감소시킬 것이다. 또 하나의 예로 든 어플리케이션에서, 압력 측정은 집적된 디바 이스(다운 스트림)의 아웃렛 영역으로부터 획득되어, 액튜에이션 제어 시스템에 피드백을 제공한다.
유체 오실레이션 플로우 미터(10)는 예를 들면 내연 엔진, 마이크로리액터, 및 더 구체적으로는 연료 전지와 같이, 액체 연료를 소비하고 그 연료의 끊는점 이상의 온도에서 동작하는 임의의 어플리케이션에 가장 효율적으로 이용될 수 있다. 연료 전지는 연료 산화 반응으로부터 기인하는 자유 에너지 변화가 전기 에너지로 변환되는 전기화학적 전지이다. RHFCs(Reformed Hydrogen Fuel Cells)는 메탄올과 같이 액체 또는 기체 상태 탄화수소 연료로부터, 연료를 수소로 변환하기 위한 연료 리포머(reformer)로 알려진 리액터를 이용하여 처리된 수소 연료를 활용한다. 메탄올은 에탄올, 가솔린 또는 부탄과 같은 다른 탄화수소 연료와 비교하여 비교적 저온에서 수소 기체로 리포밍하기가 더 용이하기 때문에 휴대용 어플리케이션을 위한 연료 리포머에 이용하는데 바람직한 연료이다. 메탄올을 수소로 리포밍하거나 변환하는 것은 통상 3가지 상이한 타입의 리포밍 중 하나에 의해 발생한다. 이들 3가지 타입은 스팀 리포밍, 부분 산화 리포밍, 및 자동열적(autothermal) 리포밍이다. 이들 타입들 중에서, 스팀 리포밍은 제어하기가 가장 쉽고 리포머에 의한 수소 출력의 더 높은 농도를 더 낮은 온도에서 생성하여 유리한 이용에 적합하기 때문에 메탄올 리포밍에 대한 바람직한 프로세스이다.
멀티레이어 적층된 세라믹 기술을 활용하여, 세라믹 컴포넌트 및 시스템들은 마이크로유체 화학적 처리 및 에너지 관리 시스템, 예를 들면 연료 전지에 이용하기 위해 현재 개발되고 있다. 이들 적층된 세라믹 컴포넌트로 형성된 모놀리딕 구 조는 화학적 반응에 비활성이고 안정되어 있으며, 고온을 견딜 수 있다. 이들 구조들은 높은 수준의 전기적 및 전자적 회로 또는 컴포넌트가 시스템 제어 및 기능을 위한 세라믹 구조에 내장되거나 집적된 상태에서 소형화된 컴포넌트를 제공할 수 있다. 추가적으로, 마이크로채널링된 구성을 포함하여 세라믹 컴포넌트 또는 디바이스를 형성하는데 이용되는 세라믹 재료들은 촉매 지원을 위한 뛰어난 후보인 것으로 간주되고 따라서 소형화된 연료 전지와 조합하여 이용되는 수소를 생성하기 위한 마이크로리액터 디바이스에 이용하기에 현저하게 양립가능하다. 세라믹 재료로 형성된 연료 전지의 예는 미국특허 제6,569,553호에 개시되어 있다.
유체 오실레이션 플로우 미터(10)의 실시예를 포함하여 연료 전지 시스템의 단순화된 블록도가 도 3에 도시되어 있다. 메탄올과 물의 혼합물(70)은 연료 라인(71)을 통해 연료 펌프(72)에 의해 유체 오실레이션 플로우 미터(10)에 공급된다. 메탄올과 물의 혼합물(70)은 기체 증기로 변환된다. 열(22)은 연료 전지(92)의 허비 열에 의해 유체 오실레이션 플로우 미터(10)에 공급된다(도시되지 않은 전기 히터가 시동을 위한 열을 제공할 수도 있다). 증기 온도 신호(73)뿐만 아니라 상기 설명된 바와 같이, 진동수 신호(60)가 생성되어, 마이크로-컨트롤러(74)에 공급된다. 마이크로-컨트롤러(74)는 진동수 신호(60)에 응답하여 펌핑되는 연료의 양을 제어하기 위해 연료 펌프(72)에 제어 신호(76)를 포워딩한다. 각 진동수는 특정 플로우 레이트와 비례하여 관련된다. 펌프 제어 회로(74)는 진동수 신호(60) 및 증기 온도 신호(73)에 기초하여 플로우 레이트를 결정하고, 제어 신호(76)를 통해 연료 펌프(72)에 연료 플로우 레이트를 증가시키고, 감소시키거나 유지하도록 지시한다.
기체 증기는 라인(81)을 통해 유체 오실레이션 플로우 미터(10)를 나와서 연료 프로세서(80)의 리포머 섹션(82)에 들어간다. 제1 공기 펌프(84)는 임의의 산화제가 이용될 수 있지만, 바람직하게는 공기를, 라인(85)을 통해 연료 전지(92)로부터 수신된 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합기(86)에 펌핑한다. 마이크로-컨트롤러(74)는 제1 공기 펌프(84)의 플로우 레이트의 속도를 결정하고 연소기 펌프 제어 신호(75)로 그 속도를 제어한다. 공기와 연료의 혼합물은 라인(87)을 통해, 열을 리포머(82)에 공급하기 위한 연소기(88)에 공급된다. 마이크로-컨트롤러(74)로부터 연소기(88)로의 히터 제어 신호(79)는 리포머(82)의 최적 동작을 위해 연소기(88)에 의해 생성된 열의 양을 제어한다. 리포머는 수소 증기를 라인(83)을 통해 연료 전지(92)의 애노드(72)에 공급한다.
연료 전지(92)는 이온-전도 전해질(98)에 의해 분리되는, 연료 전극 또는 애노드(94), 및 산화제 전극 또는 캐소드(96)를 포함한다. 전극(94, 96)은 외부 회로 도전체(도시되지 않음)에 의해 부하(예를 들면, 전자 회로)에 전기적으로 접속된다. 회로 도전체에서, 전류는 전자의 흐름에 의해 이동되는데 대해, 전해질(98)에서는 산성 전해질에서의 수소 이온(H+) 또는 알칼리성 전해질에서 수산화 이온(OH-)과 같은 이온의 흐름에 의해 이동된다. 이론상으로, 연속적으로(기체 또는 유체로서) 공급될 수 있는 화학적 산화가 가능한 임의의 물질은 연료 전지의 애노드에서 연료로서 전기적으로(galvanically) 산화될 수 있다. 유사하게, 제2 공기 펌프(102)에 의해 라인(103)을 통해 공급되는 산화제는 충분한 레이트로 감소될 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 기체상태 수소는 적합한 촉매의 존재 시 높은 반응성 및 그 높은 전력 밀도로 인해, 대부분에 어플리케이션에 대해 선택받는 연료가 되었다. 유사하게, 연료 전지 캐소드(96)에서, 가장 통상적인 산화제는 기체상태 산소로서 지상 어플리케이션에서 이용되는 연료 전지에 대해 공기로부터 용이하고 경제적으로 가용하다. 기체상태 수소 및 산소가 연료 및 산화제로서 이용되는 경우에, 전극(94, 96)은 기체-전해질 접합 영역이 가능한한 크게 되도록 허용할 만큼 다공성이다. 전극(96, 96)은 전자 도전체이어야 하고, 상당한 반응 레이트를 제공하도록 적절한 반응도를 가진다. 애노드(94)에서, 인커밍 수소 기체가 산화되어 수소 이온(양자) 및 전자를 생성한다. 전해질이 비-전자 도전체이므로, 전자를 외부 전기 회로를 통해 애노드(94)로부터 이격되도록 흐른다. 캐소드(96)에서, 산소 기체는 감소되고 전해질(98)을 통해 이동하는 수소 이온과 외부 회로로부터의 유입 전자와 반응하여, 부산물로서 물을 생성한다. 부산물인 물은 통상 상승된 온도에서 증기로서 라인(99)을 통해 방출된다. 연료 전지에서 발생하는 전체 반응은 애노드(94) 및 캐소드(96) 반응의 합이고, 반응의 자유 에너지의 일부가 전기 에너지로서 직접 방출된다. 이러한 가용한 자유 에너지와 반응 열간의 차이는 연료 전지(92)의 온도에서 열로서 생성된다. 수소 및 산호가 연료 전지(92)에 공급되는 한, 전류의 흐름은 외부 회로의 전자 흐름 및 전해질에서의 이온 흐름에 의해 유지될 것이라는 것을 알 수 있다.
실제로, 다수의 이들 단위 연료 전지(92)가 정상적으로 스택되거나 함께 모 아져서 연료 전지 어셈블리를 형성한다. 다수의 개별적인 셀들은 하나의 셀의 애노드 전류 콜렉터를 스택에서 그 가장 근접한 이웃의 캐소드 전류 콜렉터와 접하게 함으로써 전기적으로 직렬로 접속된다.
마이크로-컨트롤러(74)는 시스템의 전체 동작을 제어한다. 예를 들면, 연료 전지(92)의 동작 포인트는 연료 전지(93)로부터의 온도 신호(93) 및 셀 전압 신호(95)에 응답하여 마이크로-컨트롤러(74)로부터의 히터 제어 신호(91)에 의해 제어된다. 제2 공기 펌프(또는 블로워)(102)에 의해 캐소드(96)에 공급되는 산화제의 양은 마이크로-컨트롤러로부터의 캐소드 블로우어 신호(101)에 의해 제어된다. 희석 팬(106)을 통해 라인(99)을 경유한 연료 전지(92)로부터의 배기는 희석 팬 신호(105)를 통해 마이크로-프로세서(74)에 의해 제어된다. DC-DC 컨버터(108)는 연료 전지(92)에 의해 생성된 전류를 수신하고 전력을 마이크로-컨트롤러(74)에 제공한다.
적어도 하나의 실시예가 본 발명의 상기 상세한 설명에 제시되었지만, 다수이 변동이 존재한다는 것은 자명하다. 예로 든 실시예 또는 실시예들은 단지 예에 불과하고 본 발명의 범주, 적용가능성 또는 구성을 어느 방식으로 든 제한하려는 것이 아니라는 것은 자명하다. 오히려, 상기 상세한 설명은 당업자들에게 본 발명의 실시예를 구현하기 위한 간편한 로드맵을 제공할 것이고, 첨부된 청구의 범위에 제시된 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도 예로 든 실시예에 기재된 구성요소들의 기능 및 배열에서 다양한 변경이 가해질 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (21)

  1. 유체 오실레이션 플로우 미터에 있어서,
    유체를 수용하기 위한 인렛(inlet), 및 상기 인렛으로부터 상기 유체를 교대로 수용하기 위한 제1 및 제2 우회 채널(diversion channel)을 정의하고,
    상기 제1 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하고 상기 유체를 상기 인렛으로부터 상기 제2 우회 채널로 편향시키기 위한 제1 노즐,
    상기 제2 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하고 상기 유체를 상기 인렛으로부터 상기 제1 우회 채널로 편향시키기 위한 제2 노즐, 및
    상기 제1 우회 채널을 통해 흐르는 상기 유체에 의해 야기되는 압력 변화로 인해 왜곡되는 제1 감지 영역을 포함하는 상기 제1 우회 채널에 인접한 제1 재료층을 포함하는 하우징과,
    상기 제1 우회 채널 근처에서 상기 제1 재료층 상에 배치되고, 상기 제1 감지 영역의 압력 변화를 검출하고 진동수(frequency) 신호를 생성하기 위한 제1 감지 압전 저항기(piezoresistro)와,
    상기 유체를 퍼징하기(purging) 위한 아웃렛(outlet)
    을 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 감지 영역의 기계적 변형이 기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 제1 재료층 상에 배치되고 상기 감지 영역으로부터 효율적으로 제거되는 제1 기준 압전 저항기를 더 포함하고, 상기 기준 압전 저항기는 상기 진동수 신호를 생성하기 위해 제1 감지 압전 저항기에 결합되는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 우회 채널을 통해 흐르는 유체에 의해 야기되는 압력 변화로 인해 왜곡되는 제2 감지 영역을 포함하는 상기 제2 우회 채널에 인접한 제2 재료층과,
    상기 제2 우회 채널 근처에서 상기 제2 재료층 상에 배치되고, 상기 제2 감지 영역의 압력 변화를 검출하여 상기 진동수 신호를 생성하기 위한 제2 감지 압전 저항기
    를 더 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 감지 영역의 기계적 변형이 제2 기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 제2 재료층 상에 배치되고 상기 제2 감지 영역으로부터 효율적으로 제거되는 제2 기준 압전 저항기를 더 포함하고, 상기 제2 기준 압전 저항기는 상기 진동수 신호를 생성하기 위해 제2 감지 압전 저항기에 결합되는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체 오실레이션 플로우 미터로부터 상기 유체를 수용하기 위한 연료 프로세서와,
    상기 연료 프로세서로부터 리폼된 수소를 수용하는 연료 전지와,
    상기 진동수 신호에 응답하여 결정된 플로우로 상기 유체를 상기 유체 오실레이션 플로우 미터에 펌핑하는 연료 펌프
    를 더 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 감지 압전 저항기 및 제1 및 제2 압전 저항기는 그 사이의 도전성 접속의 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 구성을 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 세라믹, 유리, 폴리머 재료, 금속 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  8. 유체 오실레이션 플로우 미터를 포함하는 장치에 있어서,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 형성된 유체 오실레이션 플로우 미터를 포함하고,
    상기 유체 오실레이션 플로우 미터는,
    유체를 수용하기 위한 인렛,
    상기 인렛으로부터 상기 유체를 교대로 수용하기 위한 제1 및 제2 우회 채널,
    상기 제1 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하고 상기 유체를 상기 인렛으로부터 상기 제2 우회 채널로 편향시키기 위한 제1 노즐,
    상기 제2 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하고 상기 유체를 상기 인렛으로부터 상기 제1 우회 채널로 편향시키기 위한 제2 노즐,
    상기 제1 우회 채널 근처에서 배치되어, 상기 유체의 이동을 검출하기 위한 제1 압전 저항기,
    기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 제1 우회 채널로부터 효율적으로 제거되고 상기 진동수 신호를 생성하기 위해 상기 제1 감지 압전 저항기에 결합되는 제1 기준 압전 저항기, 및
    상기 유체를 위한 아웃렛
    을 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유체 오실레이션 플로우 미터는,
    상기 제2 우회 채널 근처에 배치되어, 상기 유체의 이동을 검출하기 위한 제2 감지 압전 저항기와,
    기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 제2 우회 채널로부터 효율적으로 제거되고, 상기 진동수 신호를 생성하기 위해 상기 제2 감지 압전 저항기에 결합되는 제2 기준 압전 저항기
    를 더 포함하는 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유체 오실레이션 플로우 미터로부터 상기 유체를 수용하기 위한 연료 프로세서와,
    상기 연료 프로세서로부터 리폼된 수소를 수용하는 연료 전지와,
    상기 진동수 신호에 응답하여 결정된 플로우로 상기 유체를 상기 유체 오실레이션 플로우 미터에 펌핑하는 연료 펌프
    를 더 포함하는 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 감지 압전 저항기와 제1 및 제2 압전 저항기는 그 사이의 도전성 접속의 휘트스톤 브리지 구성을 포함하는 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 하우징은 세라믹, 유리, 폴리머 재료, 금속 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  13. 유체 오실레이션 플로우 미터에 있어서,
    유체를 수용하기 위한 인렛,
    상기 인렛으로부터 상기 유체를 교대로 수용하기 위한 제1 및 제2 우회 채널- 상기 제1 및 제2 우회 채널 각각은 재료로 형성된 벽(wall)을 구비함 -,
    상기 제1 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하기 위한 제1 노즐,
    상기 제2 우회 채널로부터 상기 유체를 수용하기 위한 제2 노즐 - 상기 제1 및 제2 노즐은 상기 기체 증기 플로우를 상기 인렛으로부터 상기 제2 및 제1 우회 채널로 각각 교대로 편향시킴 -, 및
    상기 기체 증기를 위한 적어도 하나의 아웃렛
    을 형성하는 하우징과,
    상기 제1 우회 채널의 벽에 반대쪽에 상기 재료 상에 배치되고, 상기 유체의 이동을 검출하기 위한 제1 감지 압전 저항기
    를 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  14. 제13항에 있어서,
    재료의 기계적 변형이 제1 기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 재료 상에 배치되고 상기 제1 우회 채널로부터 효율적으로 제거되는 제1 기준 압전 저항기를 더 포함하고, 상기 제1 기준 압전 저항기는 진동수 신호를 생성하기 위해 제1 감지 압전 저항기에 결합되는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 우회 채널의 벽의 반대측 상기 재료 상에 배치되어 상기 유체의 이동을 검출하기 위한 제2 감지 압전 저항기를 더 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  16. 제15항에 있어서,
    재료의 기계적 변형이 제2 기준 압전 저항기의 저항을 실질적으로 액추에이팅하지 않도록 상기 재료 상에 배치되고 상기 제2 우회 채널로부터 효율적으로 제거되는 제2 기준 압전 저항기를 더 포함하고, 상기 제2 기준 압전 저항기는 상기 진동수 신호를 생성하기 위해 제2 감지 압전 저항기에 결합되는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 유체 오실레이션 플로우 미터로부터 상기 유체를 수용하기 위한 연료 프로세서와,
    상기 연료 프로세서로부터 리폼된 수소를 수용하는 연료 전지와,
    상기 진동수 신호에 응답하여 결정된 플로우로 상기 유체를 상기 유체 오실레이션 플로우 미터에 펌핑하는 연료 펌프
    를 더 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 감지 압전 저항기와 제1 및 제2 압전 저 항기는 그 사이의 도전성 접속의 휘트스톤 브리지 구성을 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  19. 제1항에 있어서, 상기 하우징은 세라믹, 유리, 폴리머 재료, 금속 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함하는 유체 오실레이션 플로우 미터.
  20. 유체를 소비하는 장치에서 유체의 플로우 레이트를 감지하는 방법 - 상기 장치는 인렛을 포함하는 기판, 제1 및 제2 노즐, 상기 인렛과 상기 제1 노즐 사이에 결합되는 제1 우회 채널, 상기 인렛과 상기 제2 노즐 사이에 결합되는 제2 우회 채널, 상기 제1 우회 채널 근처에 배치되는 제1 감지 압전 저항기, 및 상기 제1 감지 압전 저항기로부터 말단에 배치되는 제1 기준 압전 저항기를 포함함 - 으로서,
    상기 인렛을 통해 상기 유체의 스트림을 수용하는 단계와,
    상기 스트림을 상기 제1 우회 채널로 지향하는 단계와,
    상기 제1 감지 압전 저항기에 의해 상기 제1 우회 채널의 스트림을 감지하는 단계와,
    상기 제1 감지 압전 저항기로부터의 제1 감지 신호와, 상기 제1 기준 압전 저항기로부터의 제1 기준 신호를 비교하는 단계와,
    상기 제1 감지 신호 및 제1 기준 신호로부터 제1 출력 신호를 생성하는 단계와,
    상기 제1 노즐을 통해 상기 유체를 통과시키는 단계와,
    상기 제1 노즐로부터 상기 스트림 상으로 상기 유체에 영향을 주는 단계와,
    상기 스트림을 상기 제2 우회 채널로 전환시키는 단계와,
    상기 제1 노즐을 통해 상기 유체를 통과시키는 단계와,
    상기 제2 노즐로부터 상기 스트림으로 상기 유체에 영향을 주는 단계와,
    상기 스트림을 상기 제2 우회 채널로 전환하는 단계와,
    상기 감지, 비교 및 생성 단계를 반복하는 단계와,
    상기 제1 출력 신호에 기초하여 상기 유체의 플로우 레이트를 계산하는 단계
    를 포함하는 감지 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 감지 압전 저항기에 의해 상기 제2 우회 채널의 스트림을 감지하는 단계와,
    상기 제2 감지 압전 저항기로부터의 제2 감지 신호와, 상기 제2 기준 압전 저항기로부터의 제2 기준 신호를 비교하는 단계와,
    상기 제1 감지 신호, 상기 제1 기준 신호, 상기 제2 감지 신호, 및 상기 제2 기준 신호로부터 제2 출력 신호를 생성하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 출력 신호에 기초하여 상기 유체의 플로우 레이트를 계산하는 단계
    를 더 포함하는 감지 방법.
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