分析装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种使用了以往不存在的新的分析方法的分析装置。分析装置（1）提供有：弹性体层（2），由于流体（FL）在流路表面（2a）流动，因来自流体（FL）的剪切应力而发生移位；以及传感器部（3），被该弹性体层（2）覆盖，具有因弹性体层（2）移位而活动的悬臂部（21）。由此，该分析装置（1）区别于根据粘性抵抗力测定流体粘度的传统的旋转式粘度计，能够根据悬臂部（21）的变化确定流体（FL）的粘性，并且使用了以往不存在的新的分析方法。
【专利说明】分析装置
【技术领域】
[0001]发明涉及一种分析装置，例如，适用于分析流动性食品等流体粘性的分析装置。
【背景技术】
[0002]目前，作为计测流动性食品的粘度的方法，使用的是称为流变仪的旋转式粘度计。例如，该旋转式粘度计，在将转子的圆锥状底面浸入粘度测定对象的流体中后使转子转动时，根据底面所受到的来自流体的粘性阻力测得流体的粘度(例如，参见专利文献I)。
在先技术文献 专利文献
[0003]专利文献1:日本特开平9-61333号公报
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004]流动性食品等流体的粘度测定在制作下咽能力减退的高龄者容易下咽的流动性食品时极为重要，对于高龄化社会，需要能够在各种场所测定流体粘度。另外，例如，在对多种类型的流动性食品的粘性进行比较的情况下，在分析各流体粘度时，使用旋转转子的旋转式粘度计的粘度分析方法，并且希望提出其他新的分析方法。
[0005]因此，本发明是考虑上述问题而做出的，其目的在于提供一种使用以往不存在的新的分析方法的分析装置。
用于解决技术问题的方案
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的第一方案提供一种确定流体粘性的分析装置，其特征在于，具有:弹性体层，通过所述流体在流路表面流动，因来自该流体的剪切应力而发生移位；以及传感器部，被所述弹性体层覆盖，根据因该弹性体层发生移位而活动的活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
[0007]另外，本发明的第二方案的特征在于，所述传感器部具有压电电阻层，该压电电阻层检测所述活动部的活动状态作为电阻值的变化，所述计测结果为从所述压电电阻层得到的电阻值变化率。
[0008]另外，本发明的第三方案的特征在于，具有剪切应力计算单元，该剪切应力计算单元根据从所述传感器部得到的所述电阻值变化率算出从所述流体受到的剪切应力。
[0009]另外，本发明的第四方案的特征在于，具备:主体，设有被所述弹性体层覆盖的所述传感器部和用于计测从所述流体受到的压力的压力传感器，在所述流体内移动；以及粘度系数计算单元，根据从所述传感器部得到的计测结果和从所述压力传感器得到的压力计测结果，算出所述流体的粘度系数。
[0010]另外，本发明的第五方案的特征在于，在所述主体上，在与使该主体在所述流体内移动的移动方向垂直相交的侧面设有被弹性体层覆盖的所述传感器部，在与使所述主体在所述流体内移动的移动方向相垂直的一端面设有所述压力传感器。[0011]另外，本发明的第六方案的特征在于，在所述主体上设有多个所述传感器部，各个所述传感器部检测来自3个轴方向的所述流体的剪切应力，得到用于确定所述流体的粘性的所述计测结果。
[0012]另外，本发明的第七方案的特征在于，具有计算单元，该计算单元取得在所述流路表面流动的所述流体的表面流速和在所述流路表面流动的所述流体从该流路表面起的高度即流体高度，根据来自所述传感器部的所述计测结果、所述表面流速和所述流体高度，算出所述流体的粘度系数。
[0013]另外，本发明的第八方案的特征在于，具有旋转基板，在与所述弹性体层的流路表面之间配置所述流体的状态下旋转，从而使得该流体移动；所述传感器部根据因在所述旋转基板旋转时所述弹性体层移位而活动的所述活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
[0014]另外，本发明的第九方案的特征在于，具有管状的主体，所述流体通过该主体的内部的中空区域；在所述主体的壁部设有被所述弹性体层覆盖的所述传感器部；所述传感器部根据因所述流体通过所述中空区域时所述弹性体层移位而活动的所述活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
发明效果
[0015]根据本发明，可以提供使用以往不存在的新的分析方法的分析装置I。
【专利附图】
【附图说明】[0016]
图1是表示第I实施方式的分析装置的全体构造的示意图。
图2是表示流体在剪力传感器的流路表面流动时的状态的示意图。
图3是表示在流体表面流动的流体的速度分布的示意图。
图4是表示剪力传感器的详细构造的示意图。
图5是用于说明剪力传感器的制造方法的示意图。
图6是用于说明剪力传感器的制造方法的示意图。
图7是用于说明剪力传感器的制造方法的示意图。
图8是用于说明剪力传感器的制造方法的示意图。
图9是用于使悬臂部的活动部立起时的说明的示意图。
图10是表示悬臂部的详细构造的示意图。
图11是表示流体在剪力传感器的流路表面流动前后的传感器部的移位情况的示意图。
图12是表示流体在流体表面流动时的电阻值变化率的时间变化的图表。
图13是表示流体在流体表面流动时的状态的照片。
图14是表示电阻值变化率与流量之间的关系的图表。
图15是表不表面流速与流量之间的关系的图表。
图16是表示剪切应力与表面流速之间的关系的图表。
图17是表示算出的粘度系数与试样粘度之间的关系的图表。
图18是表示第2实施方式的分析装置的构造的示意图。 图19是表示移动主体时在主体周围流动的流体的状态的示意图。
图20是表示流体在剪力传感器及压力传感器周围流动的状态的示意图。
图21是表示第3实施方式的分析装置的示意图。
图22是表示移动主体时在主体周边面流动的流体的状态的示意图。
图23是表示剪力传感器的传感器组的构造的示意图。
图24是表示第I传感器部、第2传感器部及第3传感器部的详细构造的示意图。
图25是表示从流体向I轴方向赋予剪切应力时的第I传感器部、第2传感器部以及第3传感器部的状态的示意图。
图26是表示从流体向z轴方向赋予压力时的第I传感器部、第2传感器部以及第3传感器部的状态的示意图。
图27是表示使得第3实施方式的分析装置向任意方向移动时的一例示意图。
图28是表示第4实施方式的分析装置的构造的示意图。
图29是表示第4实施方式的变形例的分析装置的构造的示意图。
图30是表示第5实施方式的分析装置的构造的示意图。
图31是表示第6实施方式的分析装置的构造的示意图。
图32是表示第7实施方式的分析装置的构造的示意图。
图33是表示图32的分析装置的详细构造的截面图。
图34是为了说明电阻值变化率AR /R和压力P的关系而示意性地示出的双持梁的侧截面图。
图35表示分析装置在水中往复移动时的剪切应力和压力。
主要部件附图标记:
[0017]
1,35,41,55,61,70,80,90 分析装置 2，45，87，98a，98b弹性体层
3传感器部
7信息处理装置(计算手段)
50a第I传感器部(传感器部)
50b第2传感器部(传感器部)
50c第3传感器部(传感器部)
95a单持梁传感器部(传感器部)
95b双持梁传感器部(传感器部)
【具体实施方式】
[0018]根据以下附图详述本案发明的实施方式。
[0019](I)第I实施方式
(1-1)分析装置的全体构造
[0020]在图1中，I表示本发明的分析装置。其包括:粘度传感器4a，具有传感器部3被弹性体层2所覆盖的剪力传感器4 ;摄像装置5，用于测定作为粘度确定对象的流体的表面流速(后述)以及流体高度(后述)；放大器6，放大来自传感器部3的输出信号；信息处理装置7，与摄像装置5及放大器6电连接。
[0021]在此，粘度传感器4a包括流路形成部9和基台10，在流路形成部9设有剪力传感器4。流路形成部9以使得剪力传感器4的流路表面2a相对于水平线倾斜倾角Θ的方式设置于基台10上，流体因自重在该流路表面2a流下。另外，在图1中，将与剪力传感器4的流路表面2a平行的轴设定为X轴，流体沿着流路表面2a在x方向上流动。
[0022]现实中，在该流路形成部9上设有由如丙烯板构成的长方形的板部12，沿着该板部12的上端部及两侧部设有由如丙烯板构成的壁部13a、13b、13c，在板部12上形成有由这些壁部13a、13b、13c所围成的长方形的流路形成区域ERl。并且，在流路形成部9的该流路形成区域ERl，设有剪力传感器4。 [0023]另外，在流路形成部9上，在沿着板部12的上端部设置的壁部13a的中央穿通设置了吐出口 15，流体供给装置17通过软管16连接到该吐出口 15。在流路形成部9，通过流体供给装置17注入流体时，流体就会从吐出口 15吐出到剪力传感器4的弹性体层2的流路表面2a上。由此，在弹性体层2上，从壁部13a的吐出口 15吐出的流体沿着平面状的流路表面2a流下，能够通过经传感器部3上的流路表面2a。
[0024]剪力传感器4包括:设置于流路形成部9的板部12上的规定位置的后述的传感器部3 ;以及以覆盖板部12和传感器部3的方式形成于流路区域ERl上的弹性体层2。弹性体层2具有柔软性，流体在露出于外部的流路表面2a上流动，通过此时生成的流体的剪切应力(在与流路表面2a平行的X方向上作用的力)，可同样在X方向上发生弹性变形。
[0025]现实中，在这种实施方式的情况下，弹性体层2以例如PDMS(polydimethylsi1xane ;聚二甲基硅氧烷)等娃酮橡胶作为主剂，将由该PDMS和固化剂形成的2种液体以规定的混合比例(例如，20:1)混合来调节柔软性的同时使其固化，通过从流路表面2a流下的流体的剪切应力，在X方向产生弹性变形。另外，如图2所示，在弹性体层2，流体FL流下的流路表面2a形成为平面状，流体FL从流路表面2a均匀地下，通过传感器部3上的流路表面2a流至流路形成部9的下端开口部。
[0026]由于流体FL沿着流路表面2a流下时产生的流体FL的剪切应力，弹性体层2整体向流体FL流动的方向(X方向)发生移动，由此使得悬臂构造的传感器部3的角度发生移位，并可使该传感器部3上的压电电阻层(后述)的电阻值R发生变化。因此，当设移位前的压电电阻层的电阻值为R时，在流体在流路表面2a流下时，传感器部3通过因弹性体层2移位而赋予的负荷发生移位，将此进行测定作为电阻值变化率AR / R0
[0027]在此，设流体FL赋予剪力传感器4的剪切应力为τ，粘度系数(在此也可以称为粘度)为μ，如图3所示，在流路表面2a上沿着x方向流动的流体FL的表面的流速(以下将其称为表面流速)为U,将在与X轴垂直相交的y轴上延伸的流体FL距流路表面2a的高度(以下，将其称为流体高)为h时，成立如下式所示的关系。
[0028][公式I]
Λ
Jbmi JHy ? "ψ
T ZH# I
bI U
η
[0029]因此，在分析装置I中，根据在传感器3的电阻值变化率AR / R算出剪切应力τ，另外测定出在流路表面2a流动的流体FL的表面流速U,再另外确定流路表面2a上的流体高度h，由此可在信息处理装置7算出粘度系数μ，可使利用者根据该粘度系数μ判断流体FL具有多大的粘性。另外，有关剪切应力τ的计算，将在“(I 一 2)传感器部的结构”中加以说明。
[0030]根据流体FL花了多长时间经过了跨越传感器部3的测试距离(20[mm])，利用公式速度(表面速度)=计测距离/时间，计算表面流速U是。现实中，在分析装置I中，通过摄像装置5从壁部13b —侧对流体FL进行摄像，由信息处理装置7对从摄像装置5得到的影像数据进行分析，由此可确定表面速度u以及流体高度h。现实中，如图2所示，摄像装置5由如摄像机构成，且被调节成能够从流体FL侧面侧(与X轴及y轴相垂直的z轴方向一侧)对流体FL进行摄像，以使得在流路表面2a的测试距离内流动的流体FL位于视场范围内。
[0031]信息处理装置7根据从摄像装置5接收到的摄像数据，计测出视场中的流体FL的气泡等特征点需要多长时间来移动测试距离，并且，可根据该测定结果和预先设定的测试距离计算出表面流速U。
[0032]另外，在计算表面流速U时，由于即使是具有同样粘性的流体FL，也可以根据表面流速U来改变流路表面2a，所以流路表面2a上的流体高度h也很重要。在此，摄像装置5从壁部13b —侧对在流路表面2a流动的流体FL进行摄像，由信息处理装置7对该摄像数据进行分析，由此可以测定距离流路表面2a的流体FL的流体高度h。
[0033]并且，作为流体高度h的计算方式，可以使用任何方式。例如，可以调节从流体供给装置17向流路表面2a吐出的流体FL的流量以使其达到预先设定的流体高度h，信息处理装置7可以将流体高度h预先存储为常数。另外，在这种情况下，摄像装置5也可以只用于计算流体速度U，可以从上面侧(y轴方向一侧)对流体FL的特征点进行摄像。
[0034]就这样，分析装置I在信息处理装置7中，根据流体FL的剪切应力τ、流体FL的表面流速U以及流体高度h，从上述的公式I算出粘度系数μ，并通过显示部等将该粘度系数μ告知使用者，由此可使使用者判断流体FL的粘性。
[0035]( 1-2)传感器部的详细结构
接下来，对剪力传感器4的传感器部3的详细结构进行说明。如图4所示，剪力传感器4的传感器部3具有固定安装于流路形成部9的板部12上的基台部20，弯曲成L字形的悬臂部21的一端固定在该基台20上。
[0036]悬臂部21包括:基部21a，设置在一端，并固定在基台部20上；一对转折部21b，与基部21a连接；以及平板状的活动部21c，设置在另一端，借助转折部21b连接到基部21a。在没有施加外力时，通过弯曲的转折部21b，活动部21c可以保持相对于板部12大体垂直立起的状态。
[0037]悬臂部21具有由Si薄膜形成的L字形的Si上层23，在该Si上层23的表面形成有薄膜状的压电电阻层24，在基部21a以及活动部21c的压电电阻层24上设有Au/Ni薄膜25、26。另外，在基台部20上设有Si下层27，在Si下层27的规定位置，隔着SiO2层28设有悬臂部21的基部21a。
[0038]在悬臂部21，由于Si上层23以及压力电阻层24形成为nm单位量的薄膜状，各个转折部21b形成为细长的长方形，所以，当从弹性体层2施加外力时，活动部21c受到该外力，可以很容易地以弯曲部分的转折部21b为中心发生倾倒，转折部21b的压电电阻层24起到作为压电元件的作用。[0039]在该实施方式的情况下，因悬臂部21除了转折部转折部21b以外被Au/Ni薄膜25、26所覆盖，所以，可以只将转折部21b的变形作为电阻值进行计测。S卩，在该悬臂部21，当因外力转折部21b发生变形时，转折部21b的晶格就会产生扭曲，半导体的载流子以及迁移率发生变动，并使电阻值得到变化。这样，在传感器部3，对两脚构造的转折部21b的端点的电极(Au/Ni薄膜25)之间赋予电位差，计测转折部21b的电阻值变化率AR/R，由该计测结果可以测得对悬臂部21作用的力(来自流体的剪切应力τ )。
[0040]另外，在该悬臂部21上，布线29电连接到设置在基部21a的Au/Ni薄膜25，并且，为了测定转折部21b的电阻值变化率AR/R，该布线29与利用惠斯登电桥(Wheatstonebridge)电路的放大器6电连接。
[0041]另外，传感器部3由覆盖板部12的厚度为I μ m左右的包含聚对二甲苯(商品名称Parylene)的保护膜30覆盖，通过该保护膜30，既可以维持悬臂部21的活动部21c的直立状态，又可以在弹性体层2发生移位时使得活动部21c随其相应地发生倾倒。
[0042]( 1-3)剪力传感器及粘度传感器的制造方法
下面，对上述剪力传感器3的制造方法进行说明。如图5A以及图5B所示，准备从表面开始按照Si上层23、Si02层28及Si下层27的顺序层叠的SOI (Silicon On Insulator)基板32。另外，将该SOI基板32置于HF (氟化氢)溶液中进行清洗，除去在SOI基板32表面所形成的自然氧化膜。
[0043]此后，立刻在SOI基板32的表面旋涂η型杂质试剂Ρ-59230 (0DC,东京应化)，并使用热氧化炉对该SOI基板32进行热扩散，使杂质掺杂到IOOnm以下的厚度。如图6Α以及图6Β所示，在Si上层23上形成压电电阻层24。此后，按规定的形状进行图案化，将该Au/Ni层用作掩膜,通过DRIE (Deep Reactive 1n Etching:深反应离子刻蚀)对压电电阻层24以及Si上层23进行蚀刻。由此，如图7A及图7B所示，在SOI基板32上，在作为基部21a的基部形成区域33a形成Au/Ni薄膜26，且在作为转折部21b的转折部区域33b露出压电电阻层24，在作为活动部21c的活动部区域33c形成Au/Ni薄膜26。
[0044]此后，保留基部形成区域33a，通过DRIE对位于转折部形成区域33b及活动部区域33c的垂直下方的Si下层27进行蚀刻，再使用HF (氟酸)气体除去SiO2层28，由此可以如图8A以及图SB所示形成如下状态:在基台27的开口区域27a配置悬臂部21的转折部21b及活动部21c，并以活动部21c作为自由端。
[0045]接着，另外准备用粘接剂粘接丙烯板来形成的流路形成部9，如图9所示，在借助粘接剂将上述传感器部3固定到该流路形成部9之后，从板部12的下方沿着y轴方向施加磁场(本图中的箭头方向B)，利用磁场，可使具有A u/Ni薄膜26的自由端即活动部21c在I轴方向上发生移位。由此，悬臂部21成为如下的状态:转折部21b弯曲，活动部21c立起，该活动部21c的面部相对于X轴方向垂直配置。另外，磁场是利用钕磁铁(NE009, 二六制作所)施加的。
[0046]在该状态下，如图4所示，通过CVD法在板部12及传感器部3上形成由聚对二甲苯构成的厚度为I μ m的保护膜30，可利用保护膜30维持活动部21c立起的状态。接着，在传感器部3的基台部20上设置作电极的Au/Ni薄膜25上连接布线29，该布线29连接在放大器3上。
[0047]随后，在由流路形成部9的壁部13a、13b、13c围成的流路区域ERl (图1)，形成将传感器部3全部覆盖的、流路表面2a为平坦状的弹性体层2。具体为，使用聚二乙基硅氧烷(Polydimethylsioxane (PDMS:(株)Dow Corning Toray C0., Ltd.公司制造，SILP0184))作为形成弹性体层2的弹性材料。在此情况下，首先将PDMS的主剂及固化剂按照例如重量比20:1的比例混合，制作用于形成弹性体层2的弹性材料。另外，在此，为了提高在剪力传感器4的流体FL粘度计测精度，例如，与主剂和固化剂的重量比为10:1的弹性材料相比，优选使用杨氏模量低的重量比20:1的弹性材料。
[0048]接着，使用离心式脱泡机(awatori炼太郎ARE-250，shinki )搅拌PDMS，该PDMS是混合了主剂和固化剂混合的弹性材料，并使用干燥器进行脱泡作业以后，将其倒入由流路形成部9的壁部13a、13b、13c围成的流路区域ERl，将该流路形成部9再次放入干燥器进行脱泡。此后，使用温度保持在70°C的烤箱烘烤40分钟，使得作为弹性材料的PDMS固化并形成弹性体层2，由此，可在流路形成部9的流路形成区域ERl形成剪力传感器4。
[0049]另外，此时，如果流路形成部9发生倾斜，则弹性体层2的流路表面2a不成平面状而很难确保同样的流动，所以，为了保证流路表面2a不发生倾斜，在烘烤时最好每隔3分钟将其旋转90度。最后，在使弹性体层2的流路表面2a相对于水平线按照规定的倾斜角Θ倾斜的状态下，将流路形成部9固定到基台10上，由此能够制作粘度传感器4a。
[0050](1-4)有关剪力传感器的电阻值变化率与剪切应力之间的关系
在此，对剪力传感器4的传感器部3计测的电阻值变化率AR / R和来自流体FL的剪切应力τ之间的关系进行说明。如图1OA所示，由于活动部21c及转折部21b的厚度微小，所以设这些活动部21c及转折部21b的厚度为t[m],如图1OB所示,设活动部21c及转折部21b的全长为LI [m]、活动部21c的板长为L2[m]、活动部21c的全宽为b [m]、其中I个转折部21b的脚宽为w[m]、活动部21c[梁]的前端所受到的负荷力为F[N]、活动部21c[梁]的杨氏模量为E[Pa]、悬臂 部21的压电系数为π L的情况下,悬臂部21的前端的移位ν与悬臂部21的电阻值变化率AR / R之间的关系如下所示。在此，悬臂部21的变形可以设定为近似于单持梁的一阶模式变形，并可以忽略其他的变形。
[0051][公式2]
【权利要求】
1.一种用于确定流体粘性的分析装置，其特征在于， 具有: 弹性体层，通过所述流体在流路表面流动，因来自该流体的剪切应力而发生移位；以及 传感器部，被所述弹性体层覆盖，根据因该弹性体层发生移位而活动的活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
2.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于， 所述传感器部具有压电电阻层，该压电电阻层检测所述活动部的活动状态作为电阻值的变化，所述计测结果为从所述压电电阻层得到的电阻值变化率。
3.根据权利要求2所述的分析装置，其特征在于， 具有剪切应力计算单元，该剪切应力计算单元根据从所述传感器部得到的所述电阻值变化率算出从所述流体受到的剪切应力。
4.根据权利要求1?3中任一项所述的分析装置，其特征在于， 具备: 主体，设有被所述弹性体层覆盖的所述传感器部和用于计测从所述流体受到的压力的压力传感器，在所述流体内移动；以及 粘度系数计算单元，根据从所述传感器部得到的计测结果和从所述压力传感器得到的压力计测结果，算出所述流体的粘度系数。
5.根据权利要求4所述的分析装置，其特征在于， 在所述主体上，在与使该主体在所述流体内移动的移动方向垂直相交的侧面设有被弹性体层覆盖的所述传感器部，在与使所述主体在所述流体内移动的移动方向相垂直的一端面设有所述压力传感器。
6.根据权利要求1?3中任一项所述的分析装置，其特征在于， 在所述主体上设有多个所述传感器部，各个所述传感器部检测来自3个轴方向的所述流体的剪切应力，得到用于确定所述流体的粘性的所述计测结果。
7.根据权利要求1?3中任一项所述的分析装置，其特征在于， 具有计算单元，该计算单元取得在所述流路表面流动的所述流体的表面流速和在所述流路表面流动的所述流体从该流路表面起的高度即流体高度，根据来自所述传感器部的所述计测结果、所述表面流速和所述流体高度，算出所述流体的粘度系数。
8.根据权利要求1?3中任一项所述的分析装置，其特征在于， 具有旋转基板，在与所述弹性体层的流路表面之间配置所述流体的状态下旋转，从而使得该流体移动； 所述传感器部根据因在所述旋转基板旋转时所述弹性体层移位而活动的所述活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
9.根据权利要求1?3中任一项所述的分析装置，其特征在于， 具有管状的主体,所述流体通过该主体的内部的中空区域； 在所述主体的壁部设有被所述弹性体层覆盖的所述传感器部； 所述传感器部根据因所述流体通过所述中空区域时所述弹性体层移位而活动的所述活动部的变化状态，得到用于确定所述流体的粘性的计测结果。
【文档编号】G01N11/00GK103649716SQ201280026774
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】下山勲, 松本潔, 竹井裕介, 野田坚太郎, 木户良介, 神谷哲, 外山義雄 申请人:国立大学法人东京大学, 株式会社明治