マイクロチャネル内埋め込み薄膜センサによる流体温度計測（第 2 報

マイクロチャネル内埋め込み薄膜センサによる流体温度計測（第
報）
学
正
治田剛（京大院）正
巽和也（京大）
中部主敬（京大）
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( 薄膜測温抵抗体
センサ形状と実験条件
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2.85mm
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150µm
105µm
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Inlet
150µm
Flow
Flow
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A B
Flow 1 2
A
3
B
4
A
5
B
6
A
7
Outlet
B
8
+, 4
) 3
7
7
Flow
110µm
本研究では，測温抵抗体の金属として
と
を用いる．前
者は，抵抗係数が温度に対して安定かつ線形性が高く，後者は
薄膜の形成が容易な金属である．薄膜基板は，いずれの場合も
ガラスを用いた．と
の成膜は，それぞれスパッタリング
と真空蒸着法を用い，の場合はガラスとの密着性を高めるた
めに，膜を間に設けた．と
のセンサ形状の成形には，
ぞれぞれリフト・オフとウェットエッチング法を適用した．
センサ形状を
に示す．
と
に示す形状と
の場合は，と
それぞれについて製作する．空間分解能
を高めた
と
に示す形状
と
ついては，で製作し
た．これらのセンサの寸法を，
に示す．表中のと
は，それぞれセンサの素線の幅と長さを示す．
と
の各センサを付設したガラス基板では，形状と
あるいは形状
と
のセンサを，主流方向に
間隔で
交互に配置した．ただし，形状
と
を付設した基板では，
上流から２個目のセンサは形状を採用した．実験では，両
基板についてこの部分に一定電圧で通電し，流体加熱用ヒータ
として用いた．
校正実験
製作した薄膜測温抵抗体の抵抗温度係数の校正とセンサの応
答性の評価は，恒温水槽
；
内に沈めた容器
内に密封したセンサと，容器内に挿入した参照用型熱電対か
ら求まる温度を比較することにより行った．実験では，気体恒
温槽内温度を
℃間隔で変化させ，それに伴う薄膜測温抵抗
体の抵抗変化を各センサについて測定した．
に，形
状の
と
センサ，形状
の
センサの場合における，
との関係を示す．図の縦軸は，を初期温度条件
下の各センサの抵抗値で規格化した値である．また，は初期温度との差を示す．
では，はに対
して線形に変化する．この時の勾配を抵抗温度係数 ℃ と
して定めた．
3mm
150µm
精度な熱制御と温度管理が重要な課題であり，マイクロチャネ
ル内流れの安価で簡易な局所温度計測法の開発が求められてい
る．そこで本研究では，
製作技術を活用して
と
を材料とした薄膜測温抵抗体と薄膜熱電対，および流体加熱
用薄膜ヒータを製作し，
製マイクロチャネル内の流体温
度を計測することで，各センサの温度計測の性能を評価した．
Flow
300µm
や &' における流れや化学反応では，高
150µm
緒言
300µm
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7
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次に，抵抗温度係数と薄膜厚さ Æ との関係を
に示
す．なお，Æ は触針式表面形状測定器
；
により測定した．の場合の抵抗温度係数は，一般的に Æ
が小さいほど減少するが，
でも Æ ととの関係は同様の
傾向を示す．一方，センサの場合も，Æ の減少と共には小
さくなるが，Æ
では，同一膜厚に対する値のばらつき
が顕著となり，再現性の低下が見られた．
マイクロ流路内主流方向温度分布
マイクロ流路内に上記の薄膜測温抵抗体を埋設し，マイクロ流
路内を流れる流体の温度を測定した．マイクロ流路は
製
で，
を雄型として製作した．
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50µm
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X
180µm
Flow
60µm
150µm
X'
Pt
300µm
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0 にそれぞれ流路の概略図と寸法を示す．と，
は，それぞれ流路幅，高さ，長さであり，は水力直径であ
と
4
る．流路の入口と出口では，型熱電対を挿入して流体の温度
を測定した．各センサ基板は，センサが直接流体に触れるように
の下側から流路と接着させた．またこの時，
に示すセンサは前述の通り，流路入口から
下流に位置
し，通電により流体加熱用ヒータとして動作する．この時，セ
ンサの初期抵抗値は予め計測され，それを基にセンサ印可電力
が
となるように一定電圧で通電する．
作動流体は純水であり，シリンジとシリンジポンプ日本光
電
により流路へ圧送した．レイノルズ数は，
水力直径を基準長さとしてと設定した．
に，前述の条件下で
，
，
センサ
をそれぞれ用いて測定した主流方向温度分布を示す．
セン
サの測定値は，他の
センサと比較すると，分布形状は等し
いが，全ての位置でその値は小さい．この原因として，センサ
と引き出し導線間の接触抵抗の影響が考えられる．そこで，別
途，薄膜と導線間の接触抵抗の温度係数を導出した．その
値により
節の校正実験で得られる抵抗値を補正し，セン
サの抵抗温度係数を新たに算出して測定した流路の温度分布を
に示す．この結果，センサによる測定温度分布は，
センサの結果と良好に一致する．このことから，補正を行え
ば，薄膜でも
薄膜と比較して同等の計測精度が得られる
可能性を示した．
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薄膜熱電対
センサ形状と実験条件
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+,
56 >6 ) 0+,
/
0
本研究では，低磁性体で純金属である
と製作が容易な
を対金属として薄膜熱電対を製作した（以下，
センサと
称す）．センサ形状を
に，その
断面図を
に
示す．と
は，幅
，長さ
の面で接触している．
前節の測温抵抗体同様に，
に示す通り，ガラス基板に
は
センサを
間隔で主流方向に設置した．ただし，
図中のセンサでは，
センサを成膜して，通電加熱した．
校正実験
センサの校正実験では，前節で述べた測温抵抗体を用
いて測定したマイクロ流路内の温度分布を参照データとして引
用した．すなわち，
センサを埋設したマイクロ流路につ
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'() 8* 9 )
いて，薄膜測温抵抗体を用いた実験と同条件で実験を行い，そ
れにより求まった熱起電力を測温抵抗体による測定温度と比較
することで，
センサの温度と熱起電力の関係を求めた．
センサ周りの各部の起電力を回路図として整理したものを
に示す．この場合，と
の接合部の起電力として，式
を導出した．ここで，式
で，は恒温槽内部温度，
は
センサ部の温度，，
はそれぞれとの見掛
けのゼーベック係数である．
) C
+*,
+*,
+ ,
+*,
) = は，初期温度からの温度差 7 と熱起電力の関
係を示す．図中の△と▲で示すセンサは，D' 層と層の
膜厚がそれぞれ異なり，△は D'A356
，層A*66
，
▲は D'A/66
，層A*66
である．△と▲の結果を
比較すると，熱起電力は共に 7 に対して線形であるが，その
勾配は膜厚に依存することが分かる．このことから，と薄
膜を用いた本研究における空間分解能 56 >6 の薄膜熱電
A
¿
½
対はその製作時に，膜厚を考慮する必要があることが分かった．
結論
本研究では，アルミニウムを活用した安価で簡便な温度セン
サとして，空間分解能が
の薄膜測温抵抗体を試作
し，その性能評価を行った．また，白金薄膜により空間分解能が
の測温抵抗体の製作した．これらを，
製
マイクロ流路に埋設し，マイクロ流路内流れの主流方向温度分
布の測定を行うことにより，センサの有効性を示した．また，白
金とアルミニウムの組み合わせで，空間分解能が
の薄膜熱電対を製作し，マイクロ流路用の温度センサとしての
有効性を示した．
3
*56 **6 *56 ( 56 >6 参考文献
+*, E F E G H /C +066/,
055*05>5 +0, & E G H /= +0665, *>==*C6/

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