真・ＭＦＣ千夜一夜物語 第542夜 Mass Flow Control Redefined MFCの再定義 その2
本ブログでは質量流量計（熱式流量計、コリオリ式流量計）であり流量をアナログ信号やデジタル信号で出力するマスフローメーター（以下MFM）や、流量信号を基に流量制御を行うマスフローコントローラー（以下MFC）及びその応用技術での流体制御を紹介しています。
ブロンコスト（Bronkhorst High-Tech. B.V. 日本法人 ブロンコスト・ジャパン(株)）のFLEXI-FLOW Compactの新ラインアップを紹介しましょう。
2022年4月5日、ブロンコスト社はユニークな新製品FLEXI-FLOW Compactを発表しました。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という今までのMFCとは一線を画す製品です。
コンパクトなガスシステムを作り上げる上で、このMFCとAPCそして温度センサーの組み合わせは非常にユニークであると言えます。
FLEXI-FLOW Compactの開発には「サーフェス・チャネル・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ーが誕生しました。
以下、ブロンコスト・ジャパンのHPにあるFLEXI-FLOW Compact開発に関する記事を引用紹介します。
"Wouter Sparreboom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った人間であり、彼はこう語っている。
「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、私たちの場合はそれがフローセンサーだった。
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年になってからだ。」
当時、ブロンコスト製品群の中で最も人気があったのはEL-FLOWシリーズ（写真左）だった。
出典：ブロンコスト・ジャパン（株）
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た。
2020年、彼は何人かの研究開発仲間と開発プロジェクトを始めた。
彼らはスルーチップ・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 "ことができたのだ。
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。
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（LP-CVD）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。
FLEXI-FLOW Compactの心臓部はキャピラリーフローセンサーで、メイン・ガス流路のバイパスとして取り付けられている。
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。
流れるガスは熱を輸送し、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）はガス流量となる。
このフローセンサーはブロンコストの特許であり、 Through Chip Sensor - TCSテクノロジーと呼ばれてる。
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ている。
従来のキャピラリーチューブセンサーを置き換える。FLEXI-FLOWのスローガン"迅速で安定した、実績のある正確さ"を実現する。"
出典：ブロンコスト・ジャパン（株）
TCSテクノロジーを搭載したMFCのメリットはスローガンにある迅速さです。
従来の熱式流量センサーで採用していたステンレス細管は、応答時間が1秒以上かかっていました。FLEXI-FLOW Compactのセンサーは非常にコンパクトです
材料特性と寸法により、極小窒化ケイ素キャピラリーは熱質量が非常に小さくなっています。
これにより、ミリ秒オーダーの高速応答が可能になるのです。
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 TCSテクノロジーによるセンサーは、従来の巻線型センサーに取って代わり、信頼性が高く高精度の流量測定が可能になっているのです。
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