MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術

MEMS技術は半導体技術と似ているが、電子チップの代わりにセンサーや小型機械部品に応用される。MEMS技術の応用例としては、エアバッグセンサー、インクジェットヘッド、圧力センサー、マイクロフォン、コンパス、加速度計、ジャイロスコープ、タイムベース発振器などがよく知られている。例えば、スマートフォンには多くのMEMS部品が搭載されており、熱流センサーは空調システムで広く使用されている。

MEMSチップはウェハーから作られる。ウェハーとは、シリコンやガラスで作られた非常に平らな円形のディスクのことである。典型的なウェハーの厚さは0.5mm、直径は6インチである。MEMS技術は、層を追加し、特定の領域でその層を除去することにある。適用される層は、非常に高品質で頑丈な素材にすることができる。窒化ケイ素はそのような材料の一例であり、低圧化学気相成長法(LPCVD)によって適用され、800℃前後で行われる。

フォトリソグラフィーは、除去する必要のある領域を定義するために使用されます。フォトリソグラフィーでは、ウェハーの表面にフォトレジスト層を蒸着します。フォトレジストは表面に光を当てることで化学変化を起こし、現像液で選択的に除去される。

コリオリセンサーの利点

ほとんどのMEMSフローセンサーは熱測定原理に基づいている。このようなセンサーは、液体の流量を毎分数ナノリットルまで測定できることが実証されている。これらのセンサーの利点は、高速で非常に安定していることである。欠点は、特定の流体ごとに校正する必要があることである。 コリオリ式流量センサー、つまり質量流がコリオリ力を受ける振動チューブを含む流量センサーにはこの問題はありません。コリオリ式流量センサーは真の質量流量を測定するため、コリオリ力は質量流量に正比例し、温度、圧力、流量プロファイル、流体特性に依存しません。
コリオリ流量センサー

コリオリ流量計は、大流量(1キログラム毎時以上)の測定に主に使用されるが、これはコリオリの力が比較的弱いため、小流量では検出が困難だからである。毎時2グラム以下の超低流量を測定するのに十分な感度を得るためには、センサーのサイズとチューブの肉厚を極限まで小さくする必要があるが、これは従来のステンレス鋼の機械加工では不可能である。

ここでMEMS技術が活躍する。トゥエンテ大学との緊密な共同研究により開発された「サーフェス・チャンネル・テクノロジー」と呼ばれるプロセスにより、1マイクロメートルの薄い窒化ケイ素の壁を持つチューブの製造が可能になった。材料の選択により、この極めて薄い壁厚でも機械的に安定したチューブができる。

動作原理、MEMSベースのコリオリセンサー

写真では、MEMSベースのコリオリセンサーの動作原理を説明している。デモモデルに組み込まれているセンサーはこの技術に基づいている。デモモデルは、毎時0.01グラムから2グラムまでの気体および液体の流量を測定し、制御することができます。MEMS技術のさらなる利点として、装置内部のコリオリ管の寸法が非常に小さいため、管の共振周波数がkHzの範囲にある。このため、従来のステンレス製コリオリ装置よりも外部振動の影響を受けにくい。

表面チャネル技術

マイクロ・コリオリ・センサ・チップの製造に使用される「サーフェス・チャンネル・テクノロジー」は、他のタイプのセンサも可能にする。例えば、圧力センサー、密度センサー、粘度センサー、熱マスフローセンサーなどです。

動作原理 コリオリセンサー

コリオリ流量センサーチューブ:チューブはローレンツ作動によって共振状態になる。コリオリ力Fcは、チューブを通過する質量流量Φmの結果である。

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