JP2007315763A

JP2007315763A - 電磁式流量計測装置

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Publication number: JP2007315763A
Application number: JP2006142417A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Amada; 義孝天田; Kazuhisa Mori; 森　　和久; Fumitoshi Yasui; 文敏安井
Original assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Current assignee: Aichi Tokei Denki Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP4986504B2

Abstract

【課題】被計測流体の微少流量を高精度で計測することができ、低コストで効率よく量産することができる電磁式流量計測装置を提供する。
【解決手段】この電磁式流量計測装置は、流路を流れる被計測流体に対し磁場を発生させる励磁コイル３２を含む励磁装置３０と、流路内の被計測流体に接触して配設された１対の検出電極１６，１８を有したセンシング部１０と、センシング部１０の検出電極から出力される検出信号に基づき、被計測流体の流量を算出する計測処理回路とを備える。センシング部１０には内部に微細流路１１ａを形成した流路チップ１１が設けられ、流路チップ１１は、シリコン基板１２とガラス基板１３を重ね合わせて形成され、微細流路１１ａの内壁に導電性材料の検出電極１６，１８が成膜形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被計測流体の流量を計測する電磁式流量計測装置に関し、特に微少流量を高精度で計測可能な電磁式流量計測装置に関する。

従来、被計測流体の流れ方向に対し垂直に磁場を発生させ、被計測流体に接触して配置した１対の検出電極間に発生する起電力を検出し、その検出信号に基づき、被計測流体の流量を計測する電磁式流量計測装置が、下記特許文献１などで知られている。
特開２００３−４２８２１号公報

この種の電磁式流量計測装置のセンシング部は、被計測流体が流通する流路内の内壁面近傍に１対の検出電極が配設され、被計測流体の流れを阻害せずに、比較的高い精度で液体の流量を計測できるが、高精度で計測可能な被計測流体の最小流速のフルスケールは、約０．３ｍ／秒程度である。

このため、フルスケールが０．３ｍ／秒のときに、微少流量（例えば１０ｍＬ/分程度）の被計測流体を流す流路を製作する場合、流路が極めて細くなり、検出電極の取付け作業などが困難となる課題があった。

すなわち、例えば被計測流体の流量が１０ｍＬ/分程度の微少流量の流体を計測する場合、被計測流体を通す流路の内径をｄ（ｍ）とし、その流路に０．３ｍ／秒の流速の被計測流体を流す場合、
１０×１０⁻⁶／６０＝３．１４×（ｄ／２）²×０．３
の式が成立するから、流路の内径ｄは、約０．８４ｍｍとなる。

したがって、このような微少流量の被計測流体を計測する電磁式流量計測装置においては、被計測流体を流すセンシング部の流路は、その内径が、約０．８４ｍｍという微小細管となり、このような微小細管内に絶縁性のライニングを取着し、且つ細管の壁面には１対の検出電極を取り付ける必要がある。

しかしながら、検出電極を取り付けるために、微小細管の壁面に微細な電極孔を穿設することになるが、精密加工用の工作機械を使用しても、このような微細な孔を精度良く穿設し、そこに細管の気密性を保持して検出電極を取り付ける作業は非常に難しく、効率良くセンシング部を製造することが困難である。このため、微少流量計測用の電磁式流量計測装置は、量産が難しく、製造コストが増大するという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、被計測流体の微少流量を高精度に計測することができ、低コストで効率よく量産することができる電磁式流量計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電磁式流量計測装置は、流路を流れる被計測流体に対し磁場を発生させる励磁コイルを含む励磁装置と、該流路内の被計測流体に接触して配設された１対の検出電極を有したセンシング部と、該センシング部の検出電極から出力される検出信号に基づき、被計測流体の流量を算出する計測処理回路とを備えた電磁式流量計測装置において、該センシング部には内部に微細流路を形成した流路チップが設けられ、該流路チップは、シリコン基板とガラス基板、ガラス基板同士、シリコン基板同士、或いはシリコン基板とセラミック基板を重ね合わせて形成され、該微細流路の内壁に導電性材料の検出電極が取着形成されていることを特徴とする。

ここで、上記流路チップの微細流路は、上記シリコン基板上にマスキング工程、リソグラフィー工程及びエッチング工程を用いて溝部を形成し、或はガラス基板上にリソグラフィー工程とサンドブラスト工程を用いて形成することができる。

また、上記流路チップの検出電極は、上記シリコン基板またはガラス基板上に、リソグラフィー工程、薄膜形成工程、及びエッチング工程を用いて成膜形成することができる。

また、上記流路チップのシリコン基板とガラス基板、ガラス基板同士、シリコン基板同士、或いはシリコン基板とセラミック基板は、陽極接合により接合することができる。

また、上記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を閉じた形状の溝部を形成すると共に、他方のシリコン基板、ガラス基板、或いはセラミック基板に該溝部と連通する流路孔を穿設して形成することができる。

また、上記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を両側縁部に開口した形状の溝部を設けて形成することができる。

また、上記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を一方の縁部に開口した略コ字状の溝部を設けて形成することができる。

また、上記流路チップの一方のシリコン基板またはガラス基板の上面にランド部がリソグラフィー工程と薄膜形成工程を用いて成膜形成され、該ランド部は導電部を介して上記微細流路内の検出電極に接続されるように構成することができる。

また、上記構成の電磁式流量計測装置において、ケース内に被計測流体の流路体が形成され、該流路体の一部に、上記センシング部の流路チップを挿入するための挿入凹部が形成され、該流路チップが該挿入凹部にシール材を介して水密状に嵌着され、該流路体の流路と該流路チップ内の微細流路とが連通接続され、該流路チップ内の微細流路に磁場を形成するための励磁装置が該ケース内に配設された構成とすることができる。

上記構成の電磁式流量計測装置によれば、シリコン基板とガラス基板、シリコン基板同士、ガラス基板同士、或いはシリコン基板とセラミック基板を重ね合わせて形成された流路チップ内に、微細流路を設けると共に、微細流路の内壁に導電性材料を成膜して検出電極を形成するように、センシング部を構成したから、微細流路は、シリコン基板またはガラス基板内に、リソグラフィー工程、エッチング工程、或はサンドブラスト工程を用いて高精度に形成することができ、また、検出電極は導電性材料の薄膜形成工程により形成することができる。

したがって、横断面積が例えば約０．５５ｍｍ²程度の微細流路を、効率良く簡単に且つ高精度に製作することができ、また、そのような微細流路内に微細な検出電極を効率良く簡単に成膜形成することができる。そして、このように形成されたセンシング部を有する電磁式流量計測装置は、例えば約０．３ｍ／秒程度の微小流速の被計測流体を正確に計測することが可能となる。

また、リソグラフィー工程、エッチング工程、或はサンドブラスト工程を用いてシリコン基板またはガラス基板内に微細流路を高精度に形成でき、流路寸法のバラツキを低減し、且つ導電性材料の薄膜形成工程により１対の検出電極を高精度に形成できるから、１対の電極の非対称性に起因した計測誤差や製品毎の計測感度のばらつきを低減して、被計測流体の流量計測の精度を向上させることができる。

さらに、微細流路をリソグラフィー・エッチング工程により形成する場合、流路の断面積の変更は、その深さをエッチング時間の変更により、他の寸法もフォトマスクの変更で容易に行うことができるから、計測可能な流量範囲の異なるセンシング部を容易に製作することができる。

さらに、流路チップの微細流路内には検出電極を薄膜形成工程により成膜することができるため、流路チップは、低コストで且つ大量生産が可能となる。このため、流路チップは、使い捨ての製品とすることができ、例えば、本電磁式流量計測装置を、医療機器における輸液（点滴液）や透析液などの流量計測に使用した場合、その流路を含むセンシング部は使い捨ての器具として、感染などに対し安全に使用することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は電磁式流量計測装置のケース１からカバーを外した状態の斜視図を示し、図２はそのII-II断面図を示し、図３はそのIII-III拡大断面図を示している。この電磁式流量計測装置は、概略的には、ケース1内に、流路チップ１１の微細流路１１ａを流れる被計測流体に対し磁場を発生させる励磁コイル３２を含む励磁装置３０と、流路チップ１１の微細流路１１ａ内に１対の検出電極１６、１８を設けたセンシング部１０と、被計測流体の流量を算出する計測処理回路を実装した回路基板３１と、を備えて構成される。

ケース１は、略直方体の箱形に形成され、２面が開口し、開口した２面には図示しないカバー板が被せられ、固定される。或いは、１つの開口部をカバー体で閉鎖した状態で、ケース内部を充填材でモールドして固定される。ケース１内には、パイプ状の流路体２が横方向に形成され、流路体２の両端は、接続口５，６として開口している。また、流路体２の略中央部分には、後述するセンシング部１０の流路チップ１１と励磁装置３０のコア延設部３４ａを挿入するために、挿入凹部４が形成されている。この挿入凹部４の両側に壁部が形成され、その両側の壁部の下部に、後述の流路チップ１１の流路孔１５，１７に連通する連通孔７，９が下方に向けて穿設されている。この連通孔７，９が開口した挿入凹部４の下部に、流路チップ１１を挿入して嵌め込むための板状のチップ用凹部４ａが形成される。

センシング部１０の流路チップ１１は、シリコンウエハー、ガラス基板などを素材とし、リソグラフィー工程、エッチング工程、或はサンドブラスト工程などを経て、シリコン基板１２とガラス基板１３内に、微細流路１１ａを形成すると共に、１対の検出電極１６，１８を薄膜形成工程により微細流路１１ａ内に成膜形成し、シリコン基板１２とガラス基板１３を接合して製作される。

流路チップ１１を製作する場合、先ず、素材となるシリコンウエハー上の各シリコン基板１２の上面に溝部１４を形成する。１個のシリコン基板１２は、図４に示すように、例えば厚さ約０．５ｍｍ、約１０ｍｍ角の方形のシリコン基板上に、幅約３ｍｍ、長さ約８ｍｍ、深さ約０．３ｍｍの溝部１４を設けて形成されるが、通常、量産される場合は、図６のように、厚さ約０．５ｍｍのシリコンウエハー上に多数のシリコン基板１２を形成し、最終的にそれらを裁断して使用することになる。

シリコンウエハーは、先ず、前処理として有機溶剤などにより洗浄され、ウエハーの表面の有機物や酸化膜などが除去される。次に、洗浄したシリコンウエハーを酸化炉に入れ、約１０００℃程度の温度の酸化雰囲気中にシリコンウエハーを所定時間置いて熱処理し、ウエハーの上面に酸化膜を形成する。この酸化膜はマスキングのために形成され、後のエッチング工程における保護膜として使用される。次に、リソグラフィー法とエッチング法による加工を行なって、シリコンウエハー上の各シリコン基板１２に所定形状で所定深さの溝部１４を形成する。

リソグラフィー工程では、先ず、シリコンウエハーの表面を加熱乾燥して密着性を良くした状態で、その上にホトレジスト（感光性樹脂）を塗布する。塗布はスピンコートにより行なわれ、ホトレジストを着けたウエハーを高速回転させてそれを展延させる。

次に、露光装置によりシリコンウエハー上に紫外線を照射してパターン露光を行なう。ポジホトレジストの場合には、基板上に形成する溝部を露光するようにし、現像処理を行なうことにより、その露光部分のホトレジストを溶解させ、除去する。この後、エッチング工程に入る。

エッチング工程では、シリコンウエハーをエッチング液（例えばフッ化水素溶液）中に所定時間浸漬させ、エッチング処理を行ない、ホトレジストをマスクとして、シリコンウエハーの表面をエッチングする。これにより、シリコン基板上の溝部１４に対応した表面（シリコン酸化膜）がエッチングされる。

この後、ホトレジスト除去工程に入り、シリコン基板１２上に残ったホトレジストが剥離液（アルカリ有機溶剤）により除去され、その後、異方性エッチングでのエッチング時間コントロールによって深さを制御された溝部１４が、シリコン基板１２上に形成される。この溝部１４は、図４に示すように、両端を閉じた状態に形成される。

リソグラフィー法では、溝部１４の寸法が露光装置による露光パターンにより高精度で決定され、その寸法精度は、約０．１μｍの誤差範囲とすることができるため、製作する際の溝部１４の寸法精度を、極めて高精度に保つことができる。また、溝部１４の深さは、エッチング時の浸漬処理時間によりコントロールされるが、単位時間当たりのエッチング量を求めて、浸漬処理時間をコントロールすることにより、溝部の深さの精度は、約１μｍの誤差範囲とすることができる。したがって、例えば、シリコン基板１２上に、幅２．５ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．３ｍｍの溝部１４を形成する場合、最大でも１μｍの誤差範囲で、高精度に溝部１４を形成することができる。

次に、上記の如く、シリコンウエハーの各シリコン基板１２上に溝部１４を形成した状態のシリコン基板１２の表面に、酸化膜を形成する。この酸化膜は、熱処理により形成することができ、シリコンウエハーを酸化炉に入れ、約１０００℃程度の温度の酸化雰囲気中にシリコンウエハーを所定時間置き、ウエハー上の各シリコン基板１２の表面に酸化膜を形成する。このとき、表面に形成される酸化膜の厚さは、単位時間当たりの酸化膜の成膜量を求め、酸化時間をコントロールする。これにより、約０．１μｍの誤差範囲で酸化膜の厚さを決定することができる。流量計測に必要な電極間抵抗は、この高精度で形成される酸化膜の厚さによって、所定の値に設定される。

次に、絶縁性の酸化膜を表面に形成したシリコンウエハーの各シリコン基板１２の上面に、１対の検出電極１６，１８を薄膜形成する。１対の検出電極１６，１８は、図４に示すように、各シリコン基板１２の上面から溝部１４内の側壁にかけて形成される。

検出電極の薄膜形成に際し、上記シリコン基板１２を有したシリコンウエハーは、上記と同様に、前処理として有機溶剤などにより洗浄され、基板の表面の有機物を除去した後、乾燥処理される。

その後、薄膜形成工程に入り、上記のシリコン基板１２を例えば真空蒸着装置に入れ、シリコン基板１２上に電極材料（例えば、Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｕ，Ｐｔなどの耐腐食性の良好な導電性金属）を蒸着させる。

次に、シリコンウエハー上の各シリコン基板１２の上面に、リソグラフィー法とエッチング法による加工を行なって、所定形状の検出電極１６，１８を形成する。リソグラフィー工程では、上記と同様に、シリコンウエハーを加熱乾燥した状態で、その上にホトレジストをスピンコートにより塗布する。

次に、露光装置により紫外線照射を行なって、各シリコン基板１２上にパターン露光を行なう。ポジホトレジストの場合、基板上に形成する検出電極１６、１８の部分を露光しないようにし、現像処理を行なうことにより、その露光部分のホトレジストを溶解させ、不必要な電極材料を暴露する。この後、エッチング工程に入る。

エッチング工程では、シリコン基板１２をエッチング液中に所定時間浸漬させ、エッチング処理を行ない、ホトレジストをマスクとして、シリコン基板上の電極材料をエッチングする。これによりシリコン基板１２上の検出電極１６，１８以外の電極材料がエッチングにより除去される。そしてこの後、ホトレジストが約９０℃の剥離液（アルカリ有機溶剤）により除去される。

上記と同様に、この薄膜形成工程では、リソグラフィー・エッチング法を使用するため、検出電極１６，１８の寸法は露光装置による露光パターンにより高精度に設定され、その寸法精度は、約０．１μｍの誤差範囲とすることができるため、検出電極１６，１８の位置及び寸法精度を、極めて高精度に形成することができる。なお、薄膜形成工程では、真空蒸着の他、スパッタリング、イオンプレーティングなどＰＶＤにより検出電極を成膜することができる。

一方、流路チップ１１の蓋部となるように、上記シリコン基板１２の上に被せられるガラス基板１３には、微細流路１１ａの出入口となる流路孔１５，１７がサンドブラストにより所定位置に形成されると共に、検出電極１６，１８に接続されるランド部１９，２１と導電部２３，２５が、薄膜形成技術により形成される。

素材となるガラス基板は、先ず、前処理として有機溶剤などにより洗浄され、基板の表面の有機物などが除去される。次に、洗浄した素材ガラス基板を、リソグラフィー法とサンドブラスト法による加工を行なって、各ガラス基板１３の上面の所定位置に、所定形状の流路孔１５，１７を形成する。さらに、上記シリコン基板１２の検出電極１６，１８に対応した位置に、導電孔（コンタクトホール）を形成する。リソグラフィー工程では、先ず、素材ガラス基板を過熱乾燥して密着性を向上させた状態で、その上にホトレジストをスピンコートにより塗布する。

次に、露光装置により、素材ガラス基板上のホトレジストに紫外線を照射して、パターン露光を行なう。ポジホトレジストの場合、基板上に形成する流路孔と導電孔を露光するようにし、現像処理を行なうことにより、その露光部分のホトレジストを溶解させ、除去する。この後、サンドブラスト工程に入る。

サンドブラスト工程では、素材ガラス基板の各ガラス基板１３の表面にサンドを吹き付け、ホトレジストをマスクとして、各ガラス基板１３の表面をブラスト加工する。このブラスト加工により、各ガラス基板１３上に流路孔１５，１７と、ランド部の位置に導電孔が穿設される。

次に、素材ガラス基板の各ガラス基板１３上に１対のランド部１９，２１と導電部２３，２５を薄膜形成する。ランド部１９，２１とその底部に接続された導電部２３，２５は一度の真空蒸着により一体的に形成することができる。

ランド部１９，２１と導電部２３，２５の薄膜形成に際し、ガラス基板１３は、上記と同様に、前処理として有機溶剤などにより洗浄され、基板の表面の有機物などが除去される。薄膜形成工程では、上記のガラス基板１３を真空蒸着装置に入れ、ガラス基板１３に導電性金属（例えばＡｕ）を一面に蒸着させる。

次に、ガラス基板１３を、リソグラフィー法、エッチング法による処理を行なって、ガラス基板１３の上面に所定形状のランド部１９，２１及び導電部２３，２５を形成する。リソグラフィー工程では、上記と同様に、素材ガラス基板を加熱乾燥して密着性を向上させた状態で、その上にホトレジストを塗布する。

次に、露光装置により、素材ガラス基板の各ガラス基板１３上に紫外線を照射してパターン露光を行なう。ポジホトレジストの場合、基板上に形成するランド部１９，２１以外の部分を露光するようにし、現像処理を行なうことにより、その露光部分のホトレジストを溶解させて除去し、ランド部形成に不必要な導電性金属を暴露させる。この後、エッチング工程に入る。

エッチング工程では、ガラス基板１３をエッチング液中に所定時間浸漬させ、エッチング処理を行い、ホトレジストをマスクとして、ガラス基板上の導電性金属をエッチングする。これにより、ガラス基板１３上のランド部１９，２１と導電部２３，２５以外の導電性金属がエッチングにより除去される。そしてこの後、ホトレジストが約９０℃に加熱した剥離液により除去される。

上記のように製作処理されたシリコン基板１２とガラス基板１３は、この後、図４、図５に示すように、ガラス基板１３をシリコン基板１２の上に正確に重ね合わせた状態で、陽極接合装置にかけられ、ガラス基板１３とシリコン基板１２の接合面が陽極接合される。なお、シリコン基板１２の接合面の酸化膜などは、除去した状態で、陽極接合することになる。

その後、導電性の樹脂等をガラス基板１３の導電部２３，２５に埋め込むことにより、シリコン基板１２の検出電極１６，１８とガラス基板１３のランド部１９，２１を電気的に接続する。このとき、導電性の樹脂等の代わりに、薄膜形成工程により検出電極１６，１８とランド部１９，２１を電気的に接続することもできる。そして、裁断装置にかけられ、各々の部分に裁断され、分離される。

ガラス基板１３とシリコン基板１２の陽極接合は、約３００〜４００℃の加熱下で、ガラス基板側に５００Ｖ程度の負電圧を印加して実施され、ガラス基板１３とシリコン基板１２は、固相状態で電気的二重層を発生させることにより、両基板間で強力な静電引力が生じ、その界面で化学接合する。このため、寸法変化を殆ど生じずに、ガラス基板１３とシリコン基板１２は高い寸法精度で接合される。

そして、上記の如く、シリコン基板１２とガラス基板１３を接合した流路チップ１１内には、模式的に図示する図７に示すように、流路孔１５，１７と溝部１４が連通して、微細流路１１ａが形成される。この微細流路１１ａは、上記のように、例えば幅２．７５ｍｍ、長さ８ｍｍ、深さ０．２ｍｍで形成され、流路の断面積は、約０．５５ｍｍ²となり、流路チップ１１の微細流路１１ａには、流量約１０ｍＬ/分、流速約０．３ｍ／秒という微少流量の被計測流体を流し、その流量を計測することができる。

このように構成された流路チップ１１は、その上面のランド部１９，２１に、リード線３６が半田付けされ、図８、図９に示すように、ケース１内の流路体２のチップ用凹部４ａに、シール材を介して水密状態で嵌め込まれる。この状態で、流路体２側の連通孔７は流路チップ１１の流路孔１５に、連通孔９は流路チップ１１の流路孔１７に正確に連通接続されて取り付けられる。

一方、励磁装置３０は、図８、図９に示すように、ケース１内の流路体２の上部に収納可能に構成され、矩形形状の取付フレーム３５の上部に回路基板３１が装着され、取付フレーム３５の下部には、励磁コイル３２を巻装したボビン３３が取り付けられる。ボビン３３の軸心位置に、コア３４が挿入され、コア３４の両端から略L字状のコア延設部３４ａ、３４ｂが側方に突き出し、コア延設部３４ａ、３４ｂの先端部がスリットを介して対峙するように配設される。

両コア延設部３４ａ、３４ｂの先端部間つまりスリット内に、流路チップ１１の微細流路１１ａが位置するように、流路チップ１１は装着される。これにより、コア延設部３４ａ、３４ｂの先端部が微細流路１１ａの上部と下部に、対峙して位置することになる。コア延設部３４ａ、３４ｂの先端部の間隙、つまり磁気ギャップとなるスリットは、極力小さくなるように形成され、その部分での磁気抵抗が最小となるようにしている。

また、図３の上部に位置するコア延設部３４ａは、リード線３６を通すために、間にスペースを有した２層構造とし、例えば２枚の金属板を、図３の下部に位置するコア延設部３４ｂの両側に重ねて固定する構造となっている。このように、コア延設部３４ａを２層構造、コア延設部３４ｂを１層構造とすることにより、加工工数を少なくし、低コストで磁気回路を製造することができる。

流路チップ１１のランド部１９，２１に接続されたリード線３６は、励磁装置３０のコア延設部３４ａの内部空間を通り、回路基板３１に実装される流量の計測処理回路の入力側に接続される。この励磁装置３０では、励磁コイル３２により発生した磁場が、コア延設部３４ａの先端部で、微細流路１１ａの流れ方向に対し垂直方向に発生するように励磁が行なわれる。

なお、リード線３６を計測処理回路の入力端子に着脱可能に接続する構造とすれば、使用後に、励磁装置３０をケース１から外すことにより、ケース１を含む流路体２と流路チップ１１は使い捨ての器具として、後述のように、医療機器などに安全に使用することができる。

計測処理回路は、励磁コイル３２に対し例えば３０Ｈｚ程度の交番電流（矩形電流）を供給する励磁用電源回路、入力側にリード線３６が接続され、検出電極１６，１８間で発生した起電力を増幅して検出信号を出力する増幅器、増幅器からの検出信号を所定のタイミングでサンプリングし、サンプリングされた電圧値をデジタル値に変換するＡＤ変換器、及びデジタル値に変換された計測データに基づき、被計測流体の流量を演算する演算処理回路などの回路から構成される。

このように構成された電磁式流量計測装置は、例えば、医療分野における輸液（点滴液）、透析液、農業分野における薬液など、微少流量の被計測流体の流量計測に使用され、ケース１の両側に設けた接続口５，６がその微少流量の被計測流体を流す流路となるチューブなどに接続される。被計測流体は、接続口５または６からケース１内の流路体２に入り、流路体２の連通孔７または９から、センシング部１０の流路チップ１１の流路孔１５または１７に流入し、微細流路１１ａ内を流れる。

この状態で、回路基板３１上の計測処理回路及び励磁装置３０が動作し、励磁コイル３２に励磁用電源回路から３０Ｈｚ程度の交番電流（矩形電流）が供給され、微細流路１１ａの流れ方向と垂直に磁界が発生する。このとき、導電性のある被計測流体が微細流路１１ａを流れると、その流量に応じた起電力が検出電極１６，１８間に発生し、その起電力は流量計測の検出信号として計測処理回路に取り込まれる。計測処理回路では、増幅器により検出信号を増幅した後、所定のタイミングでサンプリングを行なって、その電圧値をデジタル値に変換し、このデジタル値に変換された計測データに基づき、被計測流体の流量が算出される。

このように、電磁式流量計測装置のセンシング部１０は、シリコン基板１２とガラス基板１３から形成された流路チップ１１内に、微細流路１１ａを設けると共に、微細流路１１ａの内壁に、導電性材料を成膜して検出電極１６，１８を形成しているから、微細流路１１ａは、シリコン基板１２とガラス基板１３内に、リソグラフィー工程、エッチング工程、或はサンドブラスト工程を用いて、微細流路を高精度に形成することができ、検出電極１６，１８は導電性材料の薄膜形成工程により形成することができる。

したがって、横断面積が例えば０．５５ｍｍ²程度の微細流路を、流路チップ１１内に効率良く簡単に且つ高精度に製作することができ、また、そのような微細流路内に微細な検出電極を効率良く簡単に成膜形成することができる。よって、このような流路チップ１１を有するセンシング部１０を設けた電磁式流量計測装置は、約０．３ｍ／秒程度の微小流速の被計測流体を計測することが可能となる。

また、リソグラフィー工程、エッチング工程を用いてシリコン基板１２に微細流路を形成し、或はサンドブラスト工程を用いてガラス基板１３に微細流路を高精度に形成することができ、且つ導電性材料の薄膜形成工程により１対の検出電極１６，１８を微細流路内に高精度に形成できるから、１対の検出電極の非対称性に起因した計測誤差や製品毎の計測精度のばらつきを低減して、被計測流体の流量を正確に計測することができる。

さらに、微細流路１１ａをリソグラフィー・エッチング工程により形成する場合、微細流路１１ａの断面積の変更は、エッチング時間の変更やフォトマスクの変更により簡単に行うことができるから、計測可能な流量範囲の異なるセンシング部１０の流路チップ１１を容易に製作することができる。また、この流路チップ１１を交換するだけで、流路チップ１１以外の部品はそのまま使用して、流量範囲の異なる流量計を容易に製作することができる。

さらに、流路チップ１１に検出電極１６，１８を薄膜形成した電磁式流量計測装置のセンシング部１０は、非常に小型で、低コスト、且つ大量生産が可能となるため、使い捨ての製品とすることができる。例えば、本電磁式流量計測装置を、医療機器における輸液（点滴液）や透析液などの流量計測に使用した場合、その微細流路１１ａを含むセンシング部１０は、励磁装置３０から分離し、使い捨ての器具として使用する。これにより、感染などに対し安全な流量計測装置を提供することが可能となる。

図１０〜図１２は他の実施形態の流路チップ４１を示している。この流路チップ４１は、図１０に示す如く、上記と同様に、シリコン基板４２の上にガラス基板４３を重ね合わせて接合し、構成されるが、そのシリコン基板４２の上面に形成される溝部４４は、両端を基板の両側縁部にそのまま開口して形成され、ガラス基板４３には上記のような流路孔は穿設されていない。シリコン基板４２上の溝部４４は、上記と同様に、リソグラフィー工程とエッチング工程を用いて高精度に形成される。

そして、シリコン基板４２の上面から溝部４４にかけてその両側に、１対の検出電極４６，４８が、薄膜形成工程において、例えば真空蒸着を用いて、導電性材料のＡｕなどで成膜形成される。ガラス基板４３には、上記と同様に、ランド部の位置に導電孔がサンドブラストによって形成され、その後、薄膜形成工程の例えば真空蒸着により、ガラス基板４３の導電孔内からランド部領域にかけてＡｕなどの導電性材料が成膜形成され、ランド部４９と５１とそれに続く導電部が形成される。

この後、シリコン基板４２とガラス基板４３は、図１１に示す如く、上記と同様に、ガラス基板４３をシリコン基板４２の上に正確に重ね合わせた状態で、陽極接合装置にかけられ、ガラス基板４３とシリコン基板４２の接合面が陽極接合される。この後、ガラス基板４３の導電孔に導電性樹脂を埋め込み、シリコン基板４２の電極４６，４８とガラス基板４３のランド部４９，５１を電気的に接続する。或は、薄膜形成工程により電気的に接続する。このように、ガラス基板４３とシリコン基板４２が接合されて流路チップ４１が形成され、溝部４４の上面がガラス基板４３により蓋をした状態となり、そこに微細流路４１ａが形成される。この流路チップ４１の微細流路４１ａは、図１１に示すように、その端部がその両側面に開口した形状となる。

一方、この流路チップ４１が装着される流路体５２は、図１２に示すように、中央部分から左右に分離して形成され、左右の流路体５２の先端部分に、挿入凹部が軸方向に形成される。この挿入凹部と流路体５２内の流路５３とは、連通孔５７，５９を通して連通接続される。流路チップ４１は、図１２に示す如く、左右の流路体５２の先端部分の挿入凹部内に、シール材を介して水密状態で嵌め込まれ、この状態で、流路体５２の連通孔５７、５９は、流路チップ４１内に形成された微細流路４１ａに連通接続される。

図示は省略されているが、流路チップ４１を装着した流路体５２においても、上記と同様な構成の励磁装置が、そのコア先端部の先端スリットに流路チップ４１の微細流路４１ａを上下から挟むように位置させて装着される。また、流路チップ４１上のランド部４９，５１に接続されたリード線は、上記と同様に、励磁装置の回路基板上に実装した計測処理回路の入力側に接続される。

このように、両端を開口して微細流路４１ａを形成し、その内側に検出電極４６，４８を成膜形成した流路チップ４１であっても、流路体５２の挿入凹部に嵌着して、流量計測装置に使用することができる。

図１３は、励磁装置３０Ａを構成するコア３４Ａの別の実施形態を示している。コア３４Ａは略Ｅ字状に形成され、コア３４Ａの中央部に励磁コイル３２Ａが巻装される。本励磁装置３０Ａでは、コア３４Ａの中央部と外周部間で発生する磁力線が、流路チップ４１の中央を横断するように生じて、励磁される。このようなコア３４Ａを有する励磁装置３０Ａは、流路チップ４１の上側または下側に取り付けて使用することができ、流路チップ４１の挿入方向と同じ方向から、本励磁装置３０Ａを装着する構造とすれば、流量計測装置のケースの開口部は１箇所のみとすることができ、励磁装置３０Ａを容易に取り付けることができる。

図１４、図１５はさらの別の実施形態の流路チップ６１を示している。この流路チップ６１は、図１４に示すように、上記と同様に、シリコン基板６２の上にガラス基板６３を重ね合わせて接合し、構成される。ここでは、シリコン基板６２の上に重ね合わせられるガラス基板６３の幅は、シリコン基板６２の幅より短く形成される。また、そのシリコン基板６２の上面に形成される溝部６４は、両端を基板の両側縁部にそのまま開口して形成される。シリコン基板６２上の溝部６４は、上記と同様に、リソグラフィー工程とエッチング工程を用いて高精度に形成される。

さらに、シリコン基板６２の上面から溝部６４にかけてその両側に、１対の検出電極６６，６８が、薄膜形成工程において、例えば真空蒸着を用いて、Ａｕなどで成膜形成される。検出電極６６，６８をＡｕで成膜形成する場合、下地としてＣｒを成膜した後、その上にＡｕを成膜形成することになる。一方、ガラス基板６３にランド部は形成されず、ガラス基板６３は加工せずにそのまま使用することができる。

この後、シリコン基板６２とガラス基板６３は、図１５に示すように、上記と同様に、ガラス基板６３をシリコン基板６２の上に正確に重ね合わせた状態で、陽極接合装置にかけられ、ガラス基板６３とシリコン基板６２の接合面が陽極接合される。ガラス基板６３とシリコン基板６２の接合面を陽極接合して形成された流路チップ６１は、図１５のようにガラス基板６３の幅がシリコン基板６２の幅より短いため、シリコン基板６２上の検出電極６６，６８が両側から露出した状態となる。

そこで、検出信号を取り出すためのリード線は、この検出電極６６，６８の露出部分に直接半田付けして接続される。このような構成とすることにより、リード線が検出電極６６，６８の露出部分に直接半田付けされるため、ガラス基板６３上にランド部を成膜形成する工程が不要となり、より少ない工程で流路チップ６１を製作することができる。

流路チップ６１が装着される流路体は、上記と同様に、中央部分から左右に分離して形成され、左右の流路体の先端部分に、挿入凹部が軸方向に形成され、挿入凹部と流路体内の流路とは、連通孔を通して連通接続される。流路チップ６１は、上記と同様に、左右の流路体の先端部分の挿入凹部内に、シール材を介して水密状態で嵌め込まれ、流路体の連通孔は、流路チップ６１内に形成された微細流路に連通接続されることとなる。

図１６はさらの別の実施形態の流路チップ７１を示している。この流路チップ７１は、図１６に示す如く、シリコン基板７２の上にガラス基板７３を重ね合わせて接合し、構成されるが、そのシリコン基板７２の上面に形成される溝部７４は、略コ字状に形成され、溝部７４の両端は基板の縁部に開口して形成されている。シリコン基板７２上の溝部７４は、上記と同様に、リソグラフィー工程とエッチング工程を用いて高精度に形成される。

そして、シリコン基板７２の上面から溝部７４の中央部にかけてその両側に、１対の検出電極７６，７８が、薄膜形成工程において、例えば真空蒸着を用いて、導電性材料のＡｕなどで成膜形成される。ガラス基板７３には、上記と同様に、ランド部の位置に導電孔がサンドブラストによって形成され、その後、薄膜形成工程の例えば真空蒸着により、ガラス基板７３の導電孔内からランド部領域にかけてＡｕなどの導電性材料が成膜形成され、ランド部７９と８１とそれに続く導電部が形成される。

この後、シリコン基板７２とガラス基板７３は、ガラス基板７３をシリコン基板７２の上に正確に重ね合わせた状態で、陽極接合装置にかけられ、ガラス基板７３とシリコン基板７２の接合面が陽極接合される。その後、導電性樹脂等によりシリコン基板７２の検出電極７６，７８とガラス基板７３のランド部７９，８１を電気的に接続する。このように、ガラス基板７３とシリコン基板７２が接合されて流路チップ７１が形成され、溝部７４の上面がガラス基板７３により蓋をした状態となり、そこに微細流路が形成される。この流路チップ７１の微細流路は、その両側の端部が流路チップ７１の一方の縁部に開口した形状となる。そして、このような流路チップ７１は、図示しない流路体内に組み付けられ、流路体内の流路の連通口が流路チップ７１の縁部に開口した微細流路の開口端に連通接続される。

なお、上記図４に示す実施形態では、検出電極１６，１８のみを溝部１４内に形成したが、図１７に示すように、検出電極１６，１８と共に溝部１４の両側に、１対のアース電極２０ａ，２０ｂを形成することもできる。

また、上記実施形態では、シリコン基板に溝部を形成すると共に、溝部内に検出電極を成膜形成し、そのシリコン基板の上にガラス基板を被せるように、陽極接合により接合して流路チップを形成したが、シリコン基板に溝部を形成すると共に、溝部内に検出電極を成膜形成し、そのシリコン基板上に表面と電極孔に絶縁膜を付けたシリコン基板を被せ、接合部にガラス薄膜を介して陽極接合または融接により接合して、流路チップを形成することもできる。また、ガラス基板に代えてセラミック基板を用いて流路チップを形成することもできる。さらに、ガラス基板に溝部を形成すると共に、溝部内に検出電極を成膜形成し、そのガラス基板の上にガラス基板を被せ、融接或は接着する。若しくは、シリコンまたはアルミニウムの薄膜を形成し、この薄膜を介してガラス同士を陽極接合して流路チップを形成することもできる。

本発明の一実施形態を示し、ケースからカバーを外した状態の電磁式流量計測装置の斜視図である。図１のII-II断面図である。図１のIII-III拡大断面図である。シリコン基板とガラス基板の分解斜視図である。シリコン基板とガラス基板を接合して形成した流路チップの斜視図である。シリコンウエハー上に形成されたシリコン基板の斜視図である。流路チップの模式図的な拡大断面図である。ケース内に励磁装置と流路チップを装着する状態の下方からの分解斜視図である。ケース内に励磁装置と流路チップを装着する状態の分解斜視図である。他の実施形態のシリコン基板とガラス基板の分解斜視図である。同シリコン基板とガラス基板を接合した流路チップの分解斜視図である。同流路体に流路チップを装着した状態の拡大断面図である。同流路体に励磁装置を取り付けた状態の拡大断面図である。他の実施形態のシリコン基板とガラス基板の分解斜視図である。同流路チップの模式図的な拡大断面図である。別の実施形態のシリコン基板とガラス基板の分解斜視図である。さらに別の実施形態のシリコン基板とガラス基板の分解斜視図である。

符号の説明

１ケース
２流路体
１０センシング部
１１流路チップ
１１ａ微細流路
１２シリコン基板
１３ガラス基板
１４溝部
１５、１７流路孔
１６、１８検出電極
１９、２１ランド部
３０励磁装置
３１回路基板
３２励磁コイル

Claims

流路を流れる被計測流体に対し磁場を発生させる励磁コイルを含む励磁装置と、該流路内の被計測流体に接触して配設された１対の検出電極を有したセンシング部と、該センシング部の検出電極から出力される検出信号に基づき、被計測流体の流量を算出する計測処理回路とを備えた電磁式流量計測装置において、
該センシング部には内部に微細流路を形成した流路チップが設けられ、該流路チップは、シリコン基板とガラス基板、ガラス基板同士、シリコン基板同士、或いはシリコン基板とセラミック基板を重ね合わせて形成され、該微細流路の内壁に導電性材料の検出電極が取着形成されていることを特徴とする電磁式流量計測装置。
前記流路チップの微細流路は、前記シリコン基板上にマスキング工程、リソグラフィー工程及びエッチング工程を用いて溝部を形成し、或はガラス基板上にリソグラフィー工程とサンドブラスト工程を用いて形成されたことを特徴とする請求項１記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップの検出電極は、前記シリコン基板またはガラス基板上に、リソグラフィー工程、薄膜形成工程、及びエッチング工程を用いて成膜形成されたことを特徴とする請求項１記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップのシリコン基板とガラス基板、ガラス基板同士、シリコン基板同士、或いはシリコン基板とセラミック基板は、陽極接合により接合されたことを特徴とする請求項１記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を閉じた形状の溝部を形成すると共に、他方のシリコン基板、ガラス基板、或いはセラミック基板に該溝部と連通する流路孔を穿設して形成されたことを特徴とする請求項２記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を両側縁部に開口した形状の溝部を設けて形成されたことを特徴とする請求項２記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップ内の微細流路は、一方のシリコン基板またはガラス基板に両端を一方の縁部に開口した略コ字状の溝部を設けて形成されたことを特徴とする請求項２記載の電磁式流量計測装置。
前記流路チップの一方のシリコン基板またはガラス基板の上面にランド部がリソグラフィー工程と薄膜形成工程を用いて成膜形成され、該ランド部は導電部を介して上記微細流路内の検出電極に接続されることを特徴とする請求項２または３記載の電磁式流量計測装置。
ケース内に被計測流体の流路体が形成され、該流路体の一部に、前記センシング部の流路チップを挿入するための挿入凹部が形成され、該流路チップが該挿入凹部にシール材を介して水密状に嵌着され、該流路体の流路と該流路チップ内の微細流路とが連通接続され、該流路チップ内の微細流路に磁場を形成するための励磁装置が該ケース内に配設されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電磁式流量計測装置。