KR20180108663A - 코리올리 유량 센서 - Google Patents

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야르노 그로에네스텡
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렘코 존 비헤린크
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 코리올리-튜브를 포함하는 코리올리 유량 센서에 관한 것이고, 유량 센서는 튜브가 진동하게 하기 위한 여기 수단뿐만 아니라 적어도 작동 동안 튜브의 부분의 변위의 측정을 검출하기 위한 검출 수단을 포함한다. 본 발명에 따르면, 검출 수단은 코리올리 튜브의 양측에 배치되는 2개의 검출 구성요소를 포함하고, 검출 구성요소는 서로 부분적으로 중첩된다.

Description

코리올리 유량 센서
본 발명은 적어도 하나의 코리올리-튜브, 튜브가 진동하게 하기 위한 여기 수단뿐만 아니라 적어도 작동 동안 튜브의 부분의 변위의 측정을 검출하기 위한 검출 수단을 포함하는 코리올리 유량 센서(Coriolis flow sensor)에 관한 것이다.
루프-형상의 코리올리 튜브를 가진 코리올리 유량 센서는 제EP 1 719 982 A1호에 공지된다. 루프-형상의 코리올리 튜브의 다양한 유형, 단일의 루프 유형 및(연속적인) 이중 루프 유형 둘 다가 본 명세서에 설명된다. 본 발명은 임의의 이러한 유형에 관한 것이지만, 이로 제한되지 않는다.
코리올리 유량 센서(또한 코리올리 유형의 유량 센서로 표기됨)는 종종 코리올리 튜브, 유동 튜브 또는 감지 튜브로 표기되는, 적어도 하나의 진동 튜브를 포함한다. 이 튜브 또는 이 튜브들은 기구의 하우징에 양 단부에서 고정된다. 이 튜브 단부는 측정될 액체 또는 기체 흐름을 위한 공급 배관 및 배출 배관으로서 동시에 기능한다.
유동 튜브(또는 튜브들) 외에, 코리올리 유량 센서는 2개의 추가의 하위시스템, 즉, 여기를 위한 하위시스템 및 검출을 위한 하위시스템을 포함한다. 여기 시스템(여진기)은 튜브를 진동시키기 위해 배열된다. 이 목적을 위해, 하나 또는 수개의 힘 또는 회전력이 튜브의 부분에 인가된다. 검출 시스템은 적어도 시간의 함수로서 튜브의 하나 또는 수개의 부분의 변위의 측정을 검출하기 위해 배열된다.
유체가 진동 튜브 내에서 흐르기 때문에, 유체는 질량 유량에 비례하는 코리올리 힘을 유발하고, 이는 튜브 운동에 영향을 주고 그리고 모드 형상을 변화시킨다. 검출 시스템을 사용하여 튜브 변위를 측정해서, 모드 형상의 변화가 측정될 수도 있고, 이는 질량 유량 측정을 허용한다.
여진기에 의해 생성되는 튜브의 진동은 다른 것들 중에서, 튜브를 통해 흐르는 매질의 밀도의 함수로서 약간 변화되는 더 많거나 또는 더 작은 고정 주파수로 발생한다. 진동 주파수는 최대 진폭이 최소 에너지 입력으로 달성될 수 있도록 거의 항상 튜브의 고유 주파수이다.
큰 유체 흐름을 측정할 때, 코리올리 질량 유량 센서는 일반적으로 매질 독자적 질량 유량 측정에 기인한 바람직한 센서이다. 종래의 코리올리 유량 센서가 폭넓게 사용되지만, 상업적으로 입수 가능한 미세 기계 가공된 코리올리 유량 센서가 있다. 가장 정확한 공지된 미세 코리올리 질량 유량 센서는 0.55㎍ s-1부터 277㎍ s-1까지 측정할 수 있다. 대신, 열 유량 센서가 매우 저 흐름을 위해 사용되지만, 이러한 종류의 센서는 유체 특성에 의존적이고 그리고 각각의 유체에 대한 캘리브레이션을 필요로 한다. 이 흐름을 위해 코리올리 유량 센서를 사용하는 것은 또한 각각의 유체에 대한 캘리브레이션의 필요를 제거할 것이고 그리고 공지된 유체, 예를 들어, 반응 생성물의 측정을 허용한다.
본 발명의 목적은 개선된 코리올리 유량 센서, 특히, 저 흐름에 민감하게 디자인된 코리올리 유량 센서를 제공하는 것이다.
이를 위해서, 본 발명은 코리올리 튜브, 여기 수단뿐만 아니라 검출 수단을 포함하는 코리올리 유량 센서를 제공한다.
코리올리 튜브는 여기축에 대해 가로로 연장되는 측정 튜브 부분을 포함한다. 여기축은 코리올리 튜브에 의해 획정된 평면에 있을 수도 있다. 여기축은 코리올리 튜브의 대칭축과 실질적으로 일치할 수도 있다. 여기 수단은 여기축을 중심으로 코리올리 튜브의 비틀림 진동을 가하도록 디자인된다. 그 결과, 코리올리 변위는 여기축에 대해 가로로 실질적으로 연장되고 그리고 코리올리 튜브에 의해 획정된 평면에 있는 진동축을 중심으로 한 진동에 기인한다.
검출 수단은 여기축과 부분적으로 중첩되는, 측정 튜브 부분의 맞은편에 배치되는 2개의 검출 구성요소를 포함한다. 이 방식으로, 검출 구성요소는 측정된 여기 진동이 감소되도록, 여기축에 더 가까이 배치된다. 측정된 구동 진폭은 판독 구조체, 즉, 검출 구성요소 사이의 거리를 감소시킴으로써 감소되고, 그리고 거리는 판독 구조체의 위치를 변화시킴으로써, 즉, 코리올리-튜브의 맞은편에 검출 구성요소를 배치함으로써 더 감소될 수 있다. 판독 구조체, 예를 들어, 빗을 유동 튜브의 맞은편에 배치함으로써, 판독 구조체는 부분적으로 중첩될 수 있고 그리고 각각의 검출 구성요소, 예를 들어, 빗의 중심은 여기축 또는 비틀림축에 더 가까이 배치될 수 있다. 이 방식으로, 코리올리 유량 센서의 민감도는 측정된 변위가 매우 높은 정도로 코리올리 변위의 결과이기 때문에 증가된다.
검출 구성요소는 검출 구성요소가 여기축과 부분적으로 중첩되도록 제공된다. 이는 검출 구성요소가 비틀림축의 중심에 더 가까이 배치되게 하여, 여기 진동에 대해 감소된 민감도를 발생시키며, 코리올리 변위에 대해 동일한 민감도를 유지하게 한다.
검출 구성요소는 여기축과 평행한 방향에서 보이는 바와 같이, 부분적으로 중첩되게, 서로 뒤에 제공되고, 그리고 측정 튜브 부분의 맞은편에 제공된다. 검출 구성요소는 측정 튜브 부분의 맞은편의, 코리올리 튜브에 의해 획정된 평면에 실질적으로 배치된다.
본 발명에 따르면, 2개의 검출 구성요소 중 적어도 하나는 여기축에 대해 비대칭으로 배치된다. 판독 구조체, 예를 들어, 빗의 중심은 여기축 또는 비틀림축으로부터 떨어져서 배치된다. 비틀림축과 빗 구조체의 중심 사이의 거리가 또한 더 감소될 수 있지만, 이는 또한 바람직하지 않은, 비틀림축의 정확한 위치를 변화시킬 수도 있는 효과(예를 들어, 제조 과정의 결함)의 영향을 증가시킨다.
발명에 대하여, 코리올리 유량 센서가 디자인, 제조 및 테스트되고, 14ng s-1의 0 안정도, 종래 기술에 따른 코리올리 유량 센서에 비해 40배만큼의 개선으로 1bar의 최대 압력 강하에서 50㎍ s-1까지 측정할 수 있다.
실시형태에서, 코리올리 튜브는 실질적으로 루프 형상, 예컨대, 직사각형 루프 형상이다. 다른 루프 형상, 예컨대, 삼각형, 사다리꼴 또는 U-형상이 또한 가능하다.
실시형태에서, 2개의 검출 구성요소의 각각은 여기축에 대해 비대칭으로 배치된다. 2개의 검출 구성요소 중 하나는 실시형태에서 여기축의 하나의 측면에 대해 더 멀리 배치될 수도 있고 그리고 2개의 검출 구성요소 중 다른 하나는 여기축의 다른 측면에 대해 더 멀리 배치될 수도 있다. 이 방식으로 측정된 여기 진동은 코리올리 변위에 기인한 커패시턴스 값과 비교하여 상대적으로 작고; 게다가 검출 구성요소의 거울 같은 위치 설정에 기인한 이 여기 진동을 특정한 정도로 필터링하는 것이 가능하다.
실시형태에서, 검출 구성요소는 판독 전극이다. 이것은 특히 미세 기계 가공된 코리올리 유량 센서에 매우 적합하다.
실시예에서, 비틀림축에 대한 검출 구성요소, 예를 들어, 빗의 거리는 550㎛(종래 기술)로부터 단지 125㎛(본 발명에 따름)로 감소되어, 550/125=4.4배만큼 구동 모드에 대한 감소된 민감도를 발생시킨다. 부가적으로, 측정된 코리올리 진폭은 실시형태에서 코리올리 튜브의 직경을 감소시킴으로써 증가될 수도 있다. 채널의 직경을 예를 들어, 40㎛로부터 31㎛로 변화시킴으로써, (40/31)3 = 2.1배만큼의 코리올리 진폭의 증가가 획득된다. 이것은 통틀어 민감도가 9.2배만큼 증가될 수도 있다는 것을 암시한다.
검출 구성요소, 즉, 빗의 형태인 판독 구성요소의 전기 노이즈 레벨은 또한 판독 구조체의 커패시턴스를 증가시킴으로써 감소될 수도 있다. 이렇게 함으로써, 마주보는 전극의 빗-핑거 사이의 갭이 감소된다.
본 발명은 도면을 참조하여, 실시예로써, 아래에 더 상세히 설명될 것이다:
도 1a는 코리올리 유량 센서 및 시스템 칩을 가진 종래 기술의 유량계의 실시형태의 개략적인 입면도;
도 1b는 도 1a의 유량계의 정면도;
도 1c는 도 1a의 유량계의 단면도;
도 2a는 U-형상의 코리올리 튜브와 배열된 코리올리 유량 센서의 작동의 설명을 나타낸 도면(진동하는 코리올리 튜브의 구동 및 감지를 개략적으로 나타냄);
도 2b는 튜브의 로렌츠 구동(Lorentz actuation)(비틀림) 및 정전용량 감지(플래핑(flapping))를 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 코리올리 유량 센서의 판독 구성요소의 실시형태를 도시한 도면.
대응하는 컴포넌트는 가능한 한 많이 도면에서 동일한 참조 부호로 제공된다.
도 1 및 도 2는 본 발명이 적용될 수도 있는, 제EP2078936 B1호에 설명되는 바와 같은 코리올리 유형의 종래 기술의 유량계의 설명이다. 이 도면에 대한 참조는 이 유형의 유량계의 전반적인 구조 및 작동 방법을 명확하게 하도록 사용된다.
도 1a는 개구(4)가 에칭되는 단결정 실리콘 기판(1)을 포함한 시스템 칩(17)을 도시한다. 이 실시예에서 시스템 칩(17)은, 튜브(3)의 2개의 외부 단부가 기판(1)에 고정되게 연결되기 때문에, 개구(4) 내에서 자유롭게 매달리는 실리콘 질화물의 코리올리 튜브(3)를 가진 코리올리 유량 센서를 갖는다. 절대 압력 센서(2), 예컨대, 피라니(Pirani) 압력 센서는 기판(1) 내 또는 기판 상에 통합될 수도 있다. 코리올리 튜브는 루프 형상, 이 경우에, 직사각형 루프 형상을 갖는다. 다른 루프 형상, 예컨대, 삼각형, 사다리꼴 또는 U-형상이 또한 가능하다.
시스템 칩(17)은 캐리어(5), 예를 들어, 상부에 구리 트랙을 가진 세라믹 또는 합성 수지 재료의 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB) 상에 배열되는 2개의 서로 마주보는 영구 자석(9, 9')으로(모놀리식으로) 조립된다. 기판은 캐리어(5) 상에 장착된 <1,0,0> Si 웨이퍼로부터 제작된다. 시스템 칩(17)과 캐리어(5) 사이의 전기적 연결은 군(6, 7 및 8)으로 배열된 소위 본딩 와이어에 의해 제공된다. (센서 칩으로부터 그리고 센서 칩으로의) 본딩 와이어(6)는 칩 온도/c.q.온도 제어를 컨디셔닝하기 위해 기능한다. 국부적 온도 센서 및(주변) 압력 센서(2)는 원한다면 존재할 수도 있다.
압력 센서(2)는 존재한다면, 절대 압력을 측정한다. 이것은 튜브의 진동의 품질 인자가 그 중에서도 공기 압력에 의존하기 때문에 중요하다.
본딩 와이어(7)는 자유롭게 매달린 튜브(3)를 진동시키기 위해 기능한다. 본딩 와이어(8)는 자유롭게 매달린 튜브를 위한 판독 구성요소를 제어하기 위해 기능한다.
막대 자석(9, 9'), 튜브(3) 상의 전류 전도체(와이어)(10), 및 튜브 상의 정전용량 센서 구성요소(11) 및 시스템 칩(17) 상의 구성요소(12)와 함께 자유롭게 매달린 튜브(3)는 도 2a 및 도 2b에 더 명백하게 설명되는 소위 코리올리 유량계를 형성한다. 연자성 재료의 몸체는 자석 배열의 효율을 향상시키도록 루프 내의 위치의 막대 자석(9 및 9') 사이에 임의로 제공될 수도 있다.
외계에 대한 시스템 칩(17)의 유압식 연결은 압력 블록(13 및 14)(도 1b)에 의해 제공된다. 유체 연결(16 및 16')이 압력 블록(14)에 존재한다. 압력 블록(13), 기판(1)과 압력 블록(14) 사이의 압력 힘의 인가는 튜브(15, 15')와 기판(1) 사이의 유체 연결의 기밀 폐쇄를 제공한다.
도 1b는 도 1a와 동일한 장치를 도시하지만, 정면에서 본 것이다. 시스템 칩(17)의 '상부측'은 막대 자석(9 및 9')의 중심선(18) 상에 있다.
도 1c는 도 1a와 동일한 장치를 도시하고, 이번에는 시스템 칩의 영역의 단면에서 본 것이다. 센서 칩으로부터/으로 PCB 상의 튜브 구동 제어를 위한 본딩 와이어(6, 7)는 센서 칩으로부터/으로 PCB 상의 튜브 감지 제어를 위한 본딩 와이어(8)처럼 보인다. 따라서 본딩 와이어(6, 7 및 8)는 코리올리 센서의 통합된 센서/변환기를 제공한다.
하우징이 보호를 위해 전체 조립체 둘레에 제공될 수도 있고; 이는 도시되지 않는다.
도 2a는 MST 기술에 의해 만들어진 U-형상의 코리올리 튜브(3)를 도시한다. 코리올리 튜브(3)는 자유롭게 매달리고, 그리고 코리올리 튜브가 기판에 존재하고 그리고 자유롭게 매달린 부분(3)과 마주보는 기판(1)의 측면에서 나오는 유입 채널과 유출 채널과 합쳐지는 실리콘 기판에 부분적으로 매립된다. 따라서 기판(1)은 코리올리 튜브(3)의 외부 단부(20, 20')를 고정시키는 튜브 고정 수단을 형성한다. 인가된 자기장(31)은 화살표(B)로 표시되고 그리고 로렌츠 힘을 생성하기 위한 튜브(3) 상의 전도체(10)를 통과하는 전류는 (32)로 표시된다.
작동 동안, 매질이 (21)에 진입하고 그리고 (21')에서 나간다. 매질의 질량 유량은 초당 튜브의 단면을 통과하는 질량이다. 질량이 자납식 양(self-contained quantity)이라면, 도 2a의 U-튜브를 통한 질량 유량은 어디든 동일해야 하고(그렇지 않으면 질량이 어딘가에 축적될 것이고 또는 질량이 어딘가에서 사라질 것이다).
따라서, 질량 유량(Q)은 튜브(3) 내 어디든 동일한(일정한) 모듈러스(또는 벡터 '길이')를 갖는다. 그러나, Q는 튜브 부분(22)의 양의 x-방향 그리고 튜브 부분(26)의 음의 x-방향으로 향한다.
도 2b에 도시된 다음의 방법은 도 2a의 U-튜브(3)를 가진 코리올리 질량 유량계를 실현 및 적용하기 위해 존재한다. U-튜브는 튜브 부분(24)에 있는, 회전축에 대한 거리가 변화되는 위치에서 질량 유량의 경우에 코리올리 힘을 유발하는 회전축(29)(=x-축)을 중심으로 구동(진동)된다. 튜브 부분(24) 상의 이러한 코리올리 힘은 U-튜브(3)가 회전축(30)(=y-축)을 중심으로 회전되게 하여, 튜브 부분(24)의 병진 운동을 야기한다. 이(진동) 구동 운동은 도 2b에서 34로 표시된다. y-축을 중심으로 발생된 코리올리-유발된 회전은 질량 유량에 비례하고 그리고 튜브 부분(24)의 z-운동(35)을 발생시킨다. 튜브 부분(24)은 운동 둘 다, 즉, 구동 비틀림 진동(34) 및 플래핑 운동(35)(질량 유량에 비례함)을 동시에 수행한다.
도 3은 검출 수단(112, 112')이 코리올리 튜브(124)의 맞은편에 배치되는 2개의 검출 구성요소(112, 112')를 포함한다는 점에서 변경되는, 본 발명에 따른 코리올리 유량 센서의 튜브 부분(124)의 상세사항의 평면도를 도시하고, 검출 구성요소는 서로 부분적으로 중첩된다. 도 3은 대체로 x-축과 평행한, x, y 평면(좌표 시스템(28) 참조)에 있는 여기축(29)을 도시한다. 코리올리 튜브는 여기축(29)에 대해 가로로 연장되고 그리고 실질적으로 x,y 평면에 있는 측정 튜브 부분(124')을 도시한다. 측정 튜브 부분(124')의 맞은편에, 즉, 양의 그리고 음의 x-방향에, 검출 구성요소(112, 112')가 연관되는 하부 구조체(117)가 위치된다. 특히, 하부 구조체는 시스템 칩(117)의 부분일 수도 있다. 검출 구성요소 각각은 2개의 빗 같은 구조체(111, 113), 측정 튜브 부분(124)에 연결되는 빗 같은 구조체(111, 111') 및 기저 부분(117)에 연결되는 또 다른 빗 같은 구조체(113, 113')에 의해 각각 획정되는 정전용량 판독 구조체를 포함한다. 이 정전용량 판독 구조체는 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 대해 EP2078936B1에서 설명된 바와 같이, 당업자에게 공지되어 있다.
검출 구성요소(112, 112')는 측정 튜브 부분(124)과 실질적으로 평행하게 연장되고, 따라서 코리올리 튜브에 의해 획정된 평면(x,y 평면)에서, 대체로 y-방향으로 연장된다. 검출 구성요소(112, 112')에는 측정 튜브 부분(124)과 대체로 평행한 방향(즉, y-방향)으로, 서로에 대한 오프셋이 제공된다는 것을 알 수 있다. 검출 구성요소(112, 112')는 둘 다 여기축(29)에 대해 비대칭으로 배치된다. 도시된 실시형태에서, 검출 구성요소(112) 중 하나는 좀 더 우측에 제공되고 그리고 검출 구성요소(112') 중 다른 하나는 좀 더 좌측에 제공된다.
이러한 위치설정으로, 검출 구성요소(112, 112')는 여기 변위(도 2b의 상부 참조)에 대한 민감도가 감소되도록, 비틀림 축(29)과 더 가까이 배치된다. 이러한 위치설정의 장점은 이미 위에서 설명되었다.
미세 기계 가공된 코리올리 유량 센서를 생산하기에 적합한 제조 과정의 실시예는 특히 도 4a 내지 도 4j, 및 도 5에 대하여 제EP2078936 B1호에 설명된다.
대안적인 제조 과정이 다음과 같을 수도 있다.
먼저, LPCVD 실리콘-풍부 질화물(silicon-rich nitride: SiRN)의 500㎚의 두께층이 525㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼 상에 증착된다. 5㎛의 길이와 1.2㎛의 너비의 직사각형 에칭 슬릿이 채널의 윤곽을 획정하도록 SiRN층에서 에칭되고 그리고 채널은 반등방성 SF6 플라즈마 에칭을 사용하여 에칭된다.
LPCVD 테트라에틸 오소실리케이트(TEOS)의 두꺼운 층은 후면 처리 동안 채널을 보호하도록 증착된다. 그리고 나서 센서의 유입구 및 유출구는 보슈(Bosch) 과정을 사용하여 후면으로부터 에칭된다.
TEOS층이 제거되고 그리고 LPCVD SiRN의 두꺼운(1.5㎛) 층이 채널 벽을 형성하고 그리고 에칭 슬릿을 밀봉하도록 증착된다. 크롬과 금의 10/200㎚ 두께의 층이 웨이퍼의 상단에서 스퍼터링되고 그리고 칩의 구동 및 판독을 위한 트랙과 전극을 형성하도록 패터닝된다. 마지막 단계는 채널의 부분 둘레의 실리콘을 제거하여, 진동할 수 있는 자유-매달림 채널을 발생시키는 등방성 SF6 플라즈마 에칭 단계로 이루어진다.

Claims (4)

  1. 코리올리 유량 센서(Coriolis flow sensor)로서,
    - 코리올리 튜브(3);
    - 여기축(29)을 중심으로 상기 튜브를 진동하게 하기 위한 여기 수단(9, 9', 10)으로서, 상기 코리올리 튜브는 상기 여기축(29)에 대하여 가로로 연장되는 측정 튜브 부분(124, 124')을 포함하는, 상기 여기 수단(9, 9', 10); 및
    - 사용 시, 적어도 상기 코리올리 튜브(3)의 부분의 운동에 대한 측정을 검출하기 위한 검출 수단(112, 112')으로서, 상기 검출 수단은 상기 여기축(29)과 부분적으로 중첩되는, 상기 측정 튜브 부분(124)의 맞은편에 배치되는 2개의 검출 구성요소(112, 112')를 포함하고, 상기 검출 구성요소(112, 112')는 상기 여기축(29)과 평행한 방향에서 보이는 바와 같이, 서로 뒤에 제공되고 그리고 서로 부분적으로 중첩되며, 그리고 상기 2개의 검출 구성요소(112, 112') 중 적어도 하나는 상기 여기축(29)에 대하여 비대칭으로 배치되는, 상기 검출 수단(112, 112')을 포함하는, 코리올리 유량 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코리올리 튜브(3)는 실질적으로 U-형상인, 코리올리 유량 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 검출 구성요소(112, 112')의 각각은 상기 여기축(29)에 대하여 비대칭으로 배치되는, 코리올리 유량 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 구성요소는 판독 전극(111, 113; 111', 113')인, 코리올리 유량 센서.
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