革命的なFLEXI-FLOW：マルチパラメーターセンサー

2022年4月5日、ブロンコスト社はユニークな新製品FLEXI-FLOW発表しました。このマルチパラメーター計測器はガス流量と上流/下流圧力の計測と制御が可能で、同時に温度計測も可能です。単一のコンパクトな装置でこの組み合わせはユニークである。この装置を開発するために、「サーフェス・チャンネル・テクノロジー」が使用され、チップベースのキャピラリー・フロー・センサが誕生した。

この技術の何が特別なのか、またブロンコスト社はこの新技術をどのように市場性のある製品に発展させたのでしょうか？Wouter SparreboomはブロンコストR&Dのシステムアーキテクトです。彼はFLEXI-FLOWと呼ばれる画期的な製品ラインの製品開発の初期段階に携わりました。ワウテルは製品開発から実際に市場性のある新製品までのプロセスを説明します：

なぜこの新商品開発を始めたのですか？

「サーフェス・チャネル・テクノロジーは、2007年頃にトゥエンテ大学で開発されました。この技術は、システムを最小化するために半導体プロセスを使用する典型的な例で、私たちの場合はフローセンサーでした。このユニークな技術から市場性のある製品を作ろうと思い、この問題を深く掘り下げたのは2013年になってからです"

「当時、当社の製品群の中で最も人気があったのはEL-FLOWシリーズでした。このEL-FLOWシリーズの実績あるテクノロジーと "マイクロテクノロジー "の利点を組み合わせることができれば、より多くの機能（圧力センサーなど）を統合し、同じコンパクトな設置面積で、より高速な流量計を開発できると確信していました。

2004年にIQ+FLOWアネモメトリックMEMS（Micro-Electro-Mechanical System）チップサーマルフローセンサーを発表したとき、私たちはすでに "マイクロテクノロジー "の経験を積んでいました。マイクロテクノロジー」を使用した最初の製品です。"

サーフェス・チャネル・テクノロジーを採用したウェハー

「2020年、私は何人かの研究開発仲間と開発プロジェクトを始めた。私たちのチームは、スルーチップ・センサーの製造に携わっているトゥウェンテ大学のナノラボを利用することができました。PHIX Photonics Assemblyとの協力で、チップを堅牢なセンサー・モジュールに "詰め込む "ことができました」。

そして4月5日、ブロンコストがFLEXI-FLOW世に送り出した。"ユニークな学術技術が市場性のある製品に転換された成功例である。

その技術を見てみよう。

トゥウェンテ大学ナノラボでのヤルノ・グローネスタイン（左）とジャック・ファン・プッテン（右

サーフェス・チャネル・テクノロジーとは？

「表面チャネル技術は、高密度プラズマを用いてシリコン基板にエッチングされた表面チャネルで構成される。その後、低圧化学気相成長（LPCVD）プロセスを用いて、これらのチャネルの内面を、制御された方法で、均一な厚さ約1ミクロンの高密度シリコンリッチ窒化シリコン層でコーティングする。コーティングされた流路は、窒化ケイ素コーティングを取り囲むシリコンをエッチング除去することにより、自由に垂れ下がる窒化ケイ素キャピラリーに変換される。

「LPCVDプロセスは約800℃の高温で行われる。室温まで冷却すると、シリコンよりも熱膨張係数がやや高い窒化シリコンは、シリコンよりも収縮して引っ張られた状態になり、自由に垂れ下がるキャピラリーの機械的特性が向上する。さらに、窒化シリコンは化学的耐性が高く、センサーの堅牢性と汎用性に寄与している。窒化ケイ素は電気絶縁体であるため、キャピラリーの上部にあるスパッタリング金属抵抗器は、内部でガス状媒体から電気的に分離されている。

この技術は、キャピラリーフローセンサーの開発に用いられた」。

層流エレメントとTCS技術によるバイパス構成のフローセンサー

キャピラリーフローセンサーについて教えてください。

"FLEXI-FLOWマスフロー装置の心臓部はキャピラリ・フロー・センサで、メイン・ガス流路のバイパスとして取り付けられています。基本的にこのセンサーは、直径100ミクロン、肉厚1ミクロンの2本のストレートな窒化ケイ素キャピラリーから構成されている。上部の温度依存性金属抵抗がヒーターおよび温度センサーとして機能する。

運転中、ガスはキャピラリーに入り、ヒーターで加熱され、その後、下流の定められた位置でガスの温度が測定される。流れるガスはこの熱を輸送し、キャピラリー内の層流領域では、温度差（またはその電圧差の類推）はガス流量の直接的な測定値となる。"

「このフローセンサーはブロンコスト社の特許であり、 Trough Chip Sensor - TCSテクノロジーと呼ばれています。信頼性の高い正確な流量計測のため、実績のあるバイパス構造に適用された高速で安定した流量センサーを提供します。従来のキャピラリーチューブセンサーを置き換えます。FLEXI-FLOWのスローガンもこれを指しています。"迅速で安定した、実績のある正確な"

この流量センサーを使用した機器は、ユーザーにとってどのようなメリットがあるのでしょうか？

「迅速さ（スピード）は、この新技術の重要な利点である。従来、バイパス原理を用いた熱式マスフローセンサーでは、応答時間が1秒以上かかる小さな鋼管が使用されていた。

材料特性と寸法により、FLEXI-FLOWの極小窒化ケイ素キャピラリーは熱質量が非常に小さい。これにより、ミリ秒オーダーの高速応答が可能になる。"

迅速で安定、実証済みで正確
「MEMS技術は、これらのキャピラリー流量センサーの製造に使用されています。高速で安定した "スルー・チップ・センサー"（TCS）は、従来の金属管センサーに代わるものです。その結果、信頼性が高く高精度の流量測定が可能になります。"

トゥウェンテ大学との協力

1980年代、トゥウェンテ大学のセンサー・アクチュエーター研究ユニットは、"マイクロテクノロジー "の確固たる基礎を築いた。小型化はすでに研究室のアプリケーションにとって重要なトレンドとなっており、フローセンサーも例外ではなかった。1990年、テオ・ランメリンクはトゥエンテ大学のMEMS熱フローセンサーに関する博士研究プロジェクトを成功裏に終了させ、表面流路技術の最終的な発展の基礎を築いた。

同じ頃、大学とブロンコストとの間に最初の接触が生まれた。Joost LöttersとWybren Jouwsmaが大学を訪れ、この件について話し始めた。
FLEXI-FLOW "市場性のある製品開発のスタートである。