DE112015004861B4

DE112015004861B4 - Innentemperatur-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112015004861B4
Application number: DE112015004861.8T
Authority: DE
Inventors: Shinya Nakagawa; Masao Shimizu; Tsuyoshi Hamaguchi
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: CN106605132A; JP6350212B2; CN106605132B; DE112015004861T5; JP2016085136A; US10190921B2; US20170276553A1; WO2016067952A1

Abstract

Innentemperatur-Messvorrichtung (10), umfassend:- einen Basisabschnitt (11), dessen eine Oberfläche in Kontakt mit einer Oberfläche eines Messobjekts zu bringen ist, wenn eine Innentemperatur des Messobjekts gemessen wird;- einen MEMS-Chip (12), der an einer anderen Oberfläche des Basisabschnitts (11) angeordnet ist und umfasst: einen Substratabschnitt mit einem ersten Dünnfilmabschnitt (24a) und einem zweiten Dünnfilmabschnitt (24b), die an der Basisabschnittseite hohl sind; eine erste Thermosäule (25a), die dafür ausgelegt ist, eine erste Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) zu messen; und eine zweite Thermosäule (25b), die dafür ausgelegt ist, eine zweite Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des zweiten Dünnfilmabschnitts (24b) zu messen; und- eine Berechnungseinheit (14), die dafür ausgelegt ist, unter Verwendung der ersten, durch die erste Thermosäule (25a) gemessenen Temperaturdifferenz und der zweiten, durch die zweite Thermosäule (25b) gemessenen Temperaturdifferenz eine Innentemperatur des Messobjekts zu berechnen,- wobei der MEMS-Chip (12) so ausgeführt ist, dass sich ein erster Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts (11) befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) verläuft und auf Basis der ersten Temperaturdifferenz bestimmt wird, und ein zweiter Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts (11) befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des zweiten Dünnfilmabschnitts (24b) verläuft und auf Basis der zweiten Temperaturdifferenz bestimmt wird, voneinander unterscheiden, und wobei, um den ersten Wärmefluss zu reduzieren, ein Dünnfilmabschnitt, der an der Basisabschnittseite hohl ist, an wenigstens einer der beiden Seiten des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) des Substratabschnitts entlang einer Richtung vorgesehen ist, in der der erste Dünnfilmabschnitt (24a) und der zweite Dünnfilmabschnitt (24b) aufgereiht sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innentemperatur-Messvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine Innentemperatur eines Messobjekts zu messen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Bekannte Beispiele für Vorrichtungen, die dafür ausgelegt sind, eine Tiefkörpertemperatur zu messen, umfassen eine nicht erwärmendes einfaches Tiefkörperthermometer genannte Vorrichtung (nachstehend als nicht erwärmendes Tiefkörperthermometer bezeichnet) oder dergleichen.
Bekannte Beispiele für nicht erwärmende Tiefkörperthermometer umfassen ein Thermometer, das dafür ausgelegt ist, eine Tiefkörpertemperatur unter Verwendung eines einzelnen, durch Montieren von Temperatursensoren an der oberen und unteren Oberfläche eines relativ großflächigen Wärmeisolators erhaltenen Wärmeflusssensors zu messen, und ein Thermometer, das dafür ausgelegt ist, eine Tiefkörpertemperatur unter Verwendung von zwei solcher Wärmeflusssensoren zu messen.
Es wird nun Bezug genommen auf 1, in der zunächst das frühere nicht erwärmende Körperthermometer beschrieben wird.
Zur Messung einer Tiefkörpertemperatur mit einem nicht erwärmenden Tiefkörperthermometer unter Verwendung eines einzelnen Wärmeflusssensors wird der Wärmeflusssensor wie in 1(A) dargestellt in engen Kontakt mit der Körperoberfläche gebracht.
Wie in 1(B) dargestellt, ist eine Temperatur Tt der unteren Oberfläche eines Wärmeisolators, gemessen durch den in engem Kontakt mit der Körperoberfläche befindlichen Wärmeflusssensor (an der Unterseite des Wärmeisolators befindlicher Temperatursensor), niedriger als eine Tiefkörpertemperatur Tb. Eine Temperatur Ta der oberen Oberfläche eines Wärmeisolators, gemessen durch den in engem Kontakt mit der Körperoberfläche befindlichen Wärmeflusssensor (an der Oberseite des Wärmeisolators befindlicher Temperatursensor), ist niedriger als die Temperatur Tt. Eine thermische Äquivalenzschaltung mit dem in 1(A) dargestellten Aufbau wird durch 1(C) ausgedrückt. Rx und R1 stehen für den thermischen Widerstandswert eines subkutanen Gewebes, bei dem es sich um einen nicht erwärmenden Körper handelt, bzw. für den thermischen Widerstandswert des Wärmeisolators.
Wenn die Temperatur jedes Teils des in engem Kontakt mit der Körperoberfläche befindlichen Wärmeflusssensors stabilisiert ist, gleichen sich die den nicht erwärmenden Körper in einer Zeiteinheit durchfließende Wärmemenge und die den Wärmeisolator in einer Zeiteinheit durchfließende Wärmemenge einander an. Insbesondere ist, wenn die Temperatur jedes Teils des Wärmeflusssensors stabilisiert ist, Gleichung (1) gegeben. $(Tb - Tt) /Rx = (Tt - Ta) /R 1$
Somit kann, wenn die Temperatur jedes Teils des Wärmeflusssensors stabilisiert ist, die Tiefkörpertemperatur Tb durch Gleichung (2) berechnet werden, die durch Auflösen der Gleichung (1) nach Tb erhalten wird. $Tb = Tt + (Tt - Ta) \cdot Rx/R 1$
Das nicht erwärmende Tiefkörperthermometer mit einem einzelnen Wärmeflusssensor ist dafür ausgelegt, die Tiefkörpertemperatur Tb durch Gleichung (2) zu berechnen. Der Rx-Wert differiert allerdings je nach Position und differiert von Person zu Person. Die durch Gleichung (2) unter Verwendung eines Festwerts wie dem Rx-Wert berechnete Tiefkörpertemperatur Tb weist somit einen Messfehler auf, der einer Differenz zwischen dem verwendeten Rx-Wert und dem tatsächlichen Rx-Wert entspricht.
Ein nicht erwärmendes Tiefkörperthermometer, welches so entwickelt ist, dass verhindert wird, dass der Messfehler in das Messergebnis der Tiefkörpertemperatur Tb eingeht, ist ein nicht erwärmendes Tiefkörperthermometer von einer Art, die dafür ausgelegt ist, eine Tiefkörpertemperatur unter Verwendung von zwei Wärmeflusssensoren zu messen (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Für die Messung einer Tiefkörpertemperatur mit dieser Art von nicht erwärmendem Tiefkörperthermometer werden zwei Wärmeflusssensoren in engen Kontakt mit der in 2(A) dargestellten Körperoberfläche gebracht.
Wie in den 2(A) und 2(B) dargestellt, werden die Temperatur der oberen Oberfläche eines Wärmeisolators und die Temperatur der unteren Oberfläche eines Wärmeisolators, gemessen durch den thermischen Widerstandswert eines Wärmeisolators in einem Wärmeflusssensor (nachstehend als erster Wärmeflusssensor bezeichnet) als Ta bzw. Tt bezeichnet, und die Temperatur der oberen Oberfläche des Wärmeisolators und die Temperatur der unteren Oberfläche des Wärmeisolators, gemessen durch den anderen Wärmeflusssensor (nachstehend als zweiter Wärmeflusssensor bezeichnet) werden als Ta' bzw. Tt' bezeichnet. In diesem Fall wird eine thermische Äquivalenzschaltung mit dem in 2(A) dargestellten Aufbau durch 2(C) ausgedrückt. Rx, R1 und R2 stehen jeweils für einen thermischen Widerstandswert eines subkutanen Gewebes, bei dem es sich um einen nicht erwärmenden Körper handelt, einen thermischen Widerstandswert des Wärmeisolators im ersten Wärmeflusssensor und einen thermischen Widerstandswert des Wärmeisolators im zweiten Wärmeflusssensor.
Somit ist Gleichung (2) für den ersten Wärmeflusssensor gegeben, und Gleichung (3) ist für den zweiten Wärmeflusssensor gegeben. $Tb = Tt' + (Tt' - Ta') \cdot Rx/R 2$
Durch Eliminieren von Rx aus den Gleichungen (2) und (3) kann man Gleichung (4) erhalten. [Formel 1] $Tb = \frac{R 2 \cdot Δ T \cdot Tt' - R 1 \cdot Δ T' \cdot Tt}{R 2 \cdot Δ T - R 1 \cdot Δ T'}$
Mit Hilfe des Verhältnisses k (= R2/R1) von R2 zu R1 kann Gleichung (4) in Gleichung (5) umgewandelt werden. [Formel 2] $Tb = \frac{k \cdot Δ T \cdot Tt' - Δ T' \cdot Tt}{k \cdot Δ T - Δ T'}$
Das nicht erwärmende Tiefkörperthermometer mit zwei Wärmeflusssensoren ist dafür ausgelegt, die Tiefkörpertemperatur Tb durch Gleichung (4) oder Gleichung (5) zu berechnen.
VORBEKANNTE TECHNISCHE DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE
Patentdokument 1: JP 2007-212407A
Die US 2002/0150143 A1 zeigt ein elektronisches klinisches Thermometer, das eine Sonde mit einem Temperatursensor und einem Wärmeflusssensor aufweist, die verbunden sind, um Messungen zu spezifizierten Zeitintervallen durchzuführen. Die Messwerte werden zum Lösen der Wärmeleitungsgleichung benutzt, um dergestalt auf die Temperatur an einer Position im Körperinneren zu schließen. Die Sonde verwendet zwei Temperatursensoren, um Temperaturen an zwei Stellen an der Körperoberfläche durch isolierende Elemente von unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit zu bestimmen.
Die US 2006/0056487 A1 zeigt ein Tiefkörperthermometer zum Berechnen der Temperatur eines tiefliegenden Bereichs basierend auf einer ersten Körperoberflächentemperatur und einer zweiten Körperoberflächentemperatur, die von jeweiligen Körperoberflächensensoren gemessen werden, sowie basierend auf einer ersten Zwischentemperatur und einer zweiten Zwischentemperatur, die von jeweiligen Zwischensensoren gemessen werden.
Die US 2009/0187115 A1 zeigt eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Messung der inneren Temperatur eines physischen Körpers oder eines spezifischen Wärmeleitwiderstands. Der Körper umfasst ein wärmeleitendes Medium zwischen einem inneren Bereich mit im Wesentlichen konstanter Innentemperatur und einer Außenoberfläche mit einer Oberflächentemperatur. Die Vorrichtung umfasst: einen Patch mit einer oder mehreren Kontaktkomponenten zur Anbringung an einer Außenfläche des Körpers und einer Isolationsabdeckung, welche die Kontaktkomponente gegen die äußeren thermischen Bedingungen im Wesentlichen thermisch isoliert; einen Leser zum Erfassen einer oder mehrerer thermischer Messgrößen auf dem Patch; eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der thermischen Messgrößen, um die innere Temperatur des inneren Bereichs oder den spezifischen Wärmeleitwiderstand des wärmeleitenden Mediums zu bestimmen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABEN
Das nicht erwärmende Tiefkörperthermometer mit zwei Wärmeflusssensoren ermöglicht ein relativ genaues Messen (Berechnen) der Tiefkörpertemperatur Tb, unabhängig vom Rx-Wert eines Messsubjekts mit der Tiefkörpertemperatur Tb. Das herkömmliche nicht erwärmende Tiefkörperthermometer ist jedoch so ausgeführt, dass die für das Berechnen der Innentemperatur Tb erforderlichen Informationen wie vorstehend beschrieben (siehe 2) von vier Temperatursensoren bezogen werden. Die Genauigkeit der Temperatursensoren ist nicht sonderlich hoch, und daher verwendet das vorhandene nicht erwärmende Tiefkörperthermometer einen Wärmeisolator mit einem hohen thermischen Widerstand und einer großen Wärmekapazität, was zur Folge hat, dass das bestehende nicht erwärmende Tiefkörperthermometer eine schlechte Ansprechempfindlichkeit aufweist (es dauert relativ lange, bis ein stabiles Messergebnis der Tiefkörpertemperatur vorliegt). In manchen Fällen liefert das vorhandene nicht erwärmende Tiefkörperthermometer aufgrund der individuellen Differenzen der Temperatursensoren beim Messergebnis für die Tiefkörpertemperatur einen großen Fehler.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Innentemperatur-Messvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Innentemperatur eines Messobjekts, bei dem der an der Oberflächenseite des Objekts vorliegende thermische Widerstandswert eines nicht erwärmenden Körpers nicht bekannt ist, mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer zu messen.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Um die vorstehend erwähnten Probleme zu beheben, umfasst eine Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Basisabschnitt, dessen eine Oberfläche in Kontakt mit einer Oberfläche eines Messobjekts zu bringen ist, wenn eine Innentemperatur des Messobjekts gemessen wird; einen MEMS-Chip, der an einer anderen Oberfläche des Basisabschnitts angeordnet ist und umfasst: einen Substratabschnitt mit einem ersten Dünnfilmabschnitt und einem zweiten Dünnfilmabschnitt, die an der Basisabschnittseite hohl sind; eine erste Thermosäule, die dafür ausgelegt ist, eine erste Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des ersten Dünnfilmabschnitts zu messen; und eine zweite Thermosäule, die dafür ausgelegt ist, eine zweite Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des zweiten Dünnfilmabschnitts zu messen; und eine Berechnungseinheit, die dafür ausgelegt ist, unter Verwendung der ersten, durch die erste Thermosäule gemessenen Temperaturdifferenz und der zweiten, durch die zweite Thermosäule gemessenen Temperaturdifferenz eine Innentemperatur des Messobjekts zu berechnen, wobei der MEMS-Chip so ausgeführt ist, dass sich ein erster Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des ersten Dünnfilmabschnitts verläuft und auf Basis der ersten Temperaturdifferenz bestimmt wird, und ein zweiter Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des zweiten Dünnfilmabschnitts verläuft und auf Basis der zweiten Temperaturdifferenz bestimmt wird, voneinander unterscheiden, und wobei, um den ersten Wärmefluss zu reduzieren, ein Dünnfilmabschnitt, der an der Basisabschnittseite hohl ist, an wenigstens einer der beiden Seiten des ersten Dünnfilmabschnitts des Substratabschnitts entlang einer Richtung vorgesehen ist, in der der erste Dünnfilmabschnitt und der zweite Dünnfilmabschnitt aufgereiht (nebeneinander angeordnet) sind.
Insbesondere ist die Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt, eine Temperaturdifferenz zu beziehen, die verwendet wird, um eine Innentemperatur von zwei Thermosäulen in einem mikroelektromechanischen Systemchip (MEMS-Chip) zu berechnen. Die Verwendung von Thermosäulen gestattet es, die Temperaturdifferenz mit höherer Genauigkeit zu messen als dies der Fall ist, wenn zwei Temperatursensoren verwendet werden. Da nicht mehrere Temperatursensoren verwendet werden, wird verhindert, dass sich Fehler (individuelle Differenzen) der Temperatursensoren aufaddieren und so den Fehler vergrößern. Der MEMS-Chip verfügt über eine kleine Wärmekapazität (er wechselt nach kurzer Zeit in einen thermischen Gleichgewichtszustand). Die Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit eine Innentemperatur eines Messobjekts, bei dem der an der Oberflächenseite des Objekts vorliegende thermische Widerstandswert eines nicht erwärmenden Körpers nicht bekannt ist, mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer messen.
Wenn die Größe des ersten Wärmeflusses und die Größe des zweiten Wärmeflusses eng beieinander liegen, ist das Ergebnis der Berechnung der Innentemperatur durch die Berechnungseinheit nicht stabilisiert. Der MEMS-Chip in der Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist so ausgeführt, dass ein Dünnfilmabschnitt, der an der Basisabschnittseite hohl ist, an wenigstens einer der beiden Seiten von dem ersten Dünnfilmabschnitt des Substratabschnitts entlang einer Richtung vorgesehen ist, in der der erste Dünnfilmabschnitt und der zweite Dünnfilmabschnitt aufgereiht sind. Der so ausgeführte MEMS-Chip verringert den ersten Wärmefluss, um die Differenz zwischen dem ersten Wärmefluss und dem zweiten Wärmefluss zu erhöhen („erster Wärmefluss/zweiter Wärmefluss“ wird verringert). Folglich wird in der Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Ergebnis der Berechnung der Innentemperatur durch die Berechnungseinheit stabilisiert.
Durch Vergrößern des ersten Dünnfilmabschnitts kann bewirkt werden, dass sich die Größe des ersten Wärmeflusses und die Größe des zweiten Wärmefluss voneinander unterscheiden. Es ist zu beachten, dass sich, wenn der erste Dünnfilmabschnitt vergrößert wird, die Stärke des ersten Dünnfilmabschnitts verringert und man einen MEMS-Chip mit einem schwachen ersten Dünnfilmabschnitt erhält. Auf der anderen Seite kann durch Verwenden „einer Ausführung, bei der ein Dünnfilmabschnitt, der an der Basisabschnittseite hohl ist, an wenigstens einer der beiden Seiten von dem ersten Dünnfilmabschnitt des Substratabschnitts entlang einer Richtung vorgesehen ist, in der der erste Dünnfilmabschnitt und der zweite Dünnfilmabschnitt aufgereiht sind“ für den MEMS-Chip bewirkt werden, dass sich die Größe des ersten Wärmeflusses und die Größe des zweiten Wärmeflusses voneinander unterscheiden, ohne den ersten Dünnfilmabschnitt zu vergrößern. Somit lässt sich sagen, dass es sich bei der Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die den MEMS-Chip in der vorgenannten Ausführung aufweist, um eine Vorrichtung handelt, die stoßfest ist und die sich leicht so herstellen lässt, dass das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur stabilisiert ist.
Die Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als eine Vorrichtung implementiert sein, bei der jede Einheit in einem einzelnen Gehäuse untergebracht ist, oder als Vorrichtung, bei der zwei Vorrichtungen (beispielsweise eine Vorrichtung mit anderen Einheiten als der Berechnungseinheit und eine Vorrichtung mit der Berechnungseinheit) über ein Kabel verbunden sind. Bei dem Basisabschnitt in der Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein einschichtiges Element oder ein mehrschichtiges Element handeln (beispielsweise eine Schicht, bei der eine biokompatible Isolierfolie, ein Harz- bzw. Kunststoffelement oder dergleichen an der Oberfläche der Messobjektseite angeordnet ist).
Die Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen MEMS-Chip verwenden, der so ausgeführt ist, dass er eine erste Spiegelebene aufweist, die senkrecht zu der Richtung verläuft, entlang der der erste Dünnfilmabschnitt und der zweite Dünnfilmabschnitt aufgereiht sind, und ferner so ausgeführt ist, dass der erste Dünnfilmabschnitt, der zweite Dünnfilmabschnitt, die erste Thermosäule und die zweite Thermosäule in jedem durch die erste Spiegelebene unterteilten Abschnitt enthalten sind, und dass der erste Dünnfilmabschnitt in jedem Abschnitt an die erste Spiegelebene angrenzt. Wenn der MEMS-Chip so ausgeführt ist, dient der erste Dünnfilmabschnitt in jedem Abschnitt als „Dünnfilmabschnitt“, der dafür ausgelegt ist, den ersten Wärmefluss vom ersten Dünnfilmabschnitt in einem anderen Abschnitt zu reduzieren. Wenn der MEMS-Chip wie vorstehend erwähnt ausgeführt ist, kann ein „Dünnfilmabschnitt“ getrennt von dem ersten Dünnfilmabschnitt in jedem Abschnitt bereitgestellt werden.
Um eine Vergrößerung des Fehlers im Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur auch dann zu vermeiden, wenn der Kontakt zwischen einem Teil der unteren Oberfläche („eine Oberfläche“) des Basisabschnitts und der Oberfläche des Messobjekts schlecht ist, kann die Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Ausgestaltung verwendet werden, bei der „der MEMS-Chip so ausgeführt ist, dass er eine erste Spiegelebene und eine zweite Spiegelebene, die orthogonal zu der ersten Spiegelebene verläuft, aufweist, wobei der erste Dünnfilmabschnitt, der zweite Dünnfilmabschnitt, die erste Thermosäule und die zweite Thermosäule in jedem durch die erste und die zweite Spiegelebene unterteilten Abschnitt enthalten sind und wobei der erste Dünnfilmabschnitt in jedem Abschnitt an die erste Spiegelebene und die zweite Spiegelebene angrenzt; und die Berechnungseinheit die Innentemperatur des Messobjekts unter Verwendung eines Durchschnittswerts der ersten, durch vier erste Thermosäulen im MEMS-Chip gemessenen Temperaturdifferenzen und eines Durchschnittswerts von zweiten, durch vier zweite Thermosäulen im MEMS-Chip gemessenen Temperaturdifferenzen berechnet“.
EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Innentemperatur eines Messobjekts mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer gemessen werden.
Figurenliste

1 ist eine erläuternde Darstellung eines vorhandenen nicht erwärmenden Tiefkörperthermometers mit einem einzelnen Wärmeflusssensor.
2 ist eine erläuternde Darstellung eines vorhandenen nicht erwärmenden Tiefkörperthermometers mit zwei Wärmeflusssensoren.
3 ist eine schematische Darstellung der Ausführung einer Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine erläuternde Darstellung der Ausführung und der Funktionen eines MEMS-Chips (erster MEMS-Chip), der in der Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform enthalten ist.
5 ist eine erläuternde Darstellung des Einflusses, den der Wert von It/It' auf die Ausgabe der Innentemperatur-Messvorrichtung hat.
6 ist eine erläuternde Darstellung eines MEMS-Chips, bei dem sich der Wert von It/It' durch Größenanpassung einer Ausgabezelle verringert.
7 ist eine erläuternde Darstellung der Ausführung und der Funktionen eines MEMS-Chips (zweiter MEMS-Chip), der in einer Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
8 ist eine erläuternde Darstellung der Ausführung und der Funktionen eines MEMS-Chips (dritter MEMS-Chip), der in einer Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen werden nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
3 veranschaulicht eine schematische Ausführung einer Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 dargestellt, umfasst die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 einen Basisabschnitt 11 sowie einen mikroelektromechanischen Systemchip (MEMS-Chip) 12, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) 13, eine Arithmetikschaltung 14 und einen Anschluss 15, die am Basisabschnitt 11 angeordnet sind. Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 umfasst ferner ein Gehäuse 16, das dergestalt am Basisabschnitt 11 angeordnet ist, dass der MEMS-Chip 12 und die ASIC 13 darin untergebracht sind.
Der Basisabschnitt 11 ist ein Element, an dem die Verdrahtung zwischen der ASIC 13, der Arithmetikschaltung 14 und dem Anschluss 15 ausgebildet ist. Für den Einsatz der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 wird die untere Oberfläche des Basisabschnitts 11 (untere Oberfläche in 1) in Kontakt mit der Oberfläche eines Objekts gebracht, dessen Innentemperatur gemessen werden soll. Der Basisabschnitt 11 kann aus einem einschichtigen Element oder einer Schicht bestehen, bei der eine biokompatible Isolierfolie, ein Harz- bzw. Kunststoffelement oder dergleichen an der unteren Oberflächenseite angeordnet ist.
Bei dem Anschluss 15 handelt es sich um einen Anschluss, der mit einer Stromversorgungsleitung und einer Signalleitung von einer messtechnischen Vorrichtung für die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 verbunden ist. Die messtechnische Vorrichtung für die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 bezieht sich auf eine Vorrichtung, die beispielsweise die Funktion hat, durch Kommunikation mit der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 über die Signalleitung ein Messergebnis für die Innentemperatur von der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 zu beziehen, das abgerufene Messergebnis anzuzeigen und aufzuzeichnen und über die Stromversorgungsleitung Strom für die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 bereitzustellen.
Bei dem MEMS-Chip 12 handelt es sich um eine in MEMS-Technologie gefertigte Vorrichtung. Einzelheiten des MEMS-Chips 12 werden an späterer Stelle beschrieben.
Bei der ASIC 13 handelt es sich um eine integrierte Schaltung mit einem eingebauten Temperatursensor 18. Die ASIC 13 hat die Funktion, eine Ausgabe jedes Sensors (Temperatursensor 18 und die Ausgabezellen 20a und 20b, an späterer Stelle beschrieben) in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 zu verstärken und jede verstärkte Ausgabe in digitale Daten umzuwandeln. Die ASIC 13 in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Spannungsquelle des Typs PTAT (Proportional-To-Absolute Temperature), die dafür ausgelegt ist, eine Spannung auszugeben, die proportional zu einer absoluten Temperatur ist (das heißt, eine Spannungsquelle, die als Thermometer fungiert). Insbesondere handelt es sich bei der ASIC 13 um eine Schaltung, bei der die Komponente PTAT-Spannungsquelle als Temperatursensor 18 fungiert.
Bei der Arithmetikschaltung 14 handelt es sich um eine Schaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Innentemperatur eines Messobjekts auf Basis eines Messwerts jedes Sensoreingangs über die ASIC 13 zu berechnen und auszugeben. Ein Verfahren für das Berechnen der Innentemperatur durch die Arithmetikschaltung 14 wird an späterer Stelle beschrieben. Bei der Arithmetikschaltung 14 kann es sich um eine Schaltung handeln, die dafür ausgelegt ist, die berechnete Innentemperatur über den Anschluss 15 auszugeben (zu übertragen), oder um eine Schaltung, die dafür ausgelegt ist, die berechnete Innentemperatur an einen internen Speicher auszugeben (zu speichern). Die Arithmetikschaltung 14 kann als Einzelelement ausgeführt sein (beispielsweise als integrierte Schaltung) oder als eine durch mehrere Elemente gebildete Einheit. Bei der Arithmetikschaltung 14 kann es sich um ein programmierbares Element oder eine programmierbare Einheit handeln oder um ein nicht programmierbares Element bzw. eine nicht programmierbare Einheit.
Bei dem Gehäuse 16 handelt es sich um ein Element, das beispielsweise dafür vorgesehen ist, die Ausgabe jedes Sensors durch Fixieren der Luft um den MEMS-Chip 12 und den Temperatursensor 18 zu stabilisieren, und dafür zu vermeiden, dass Infrarotstrahlen von oben in jede Ausgabezelle 20 eindringen.
Für das Gehäuse 16 kann ein beliebiges Grundmaterial verwendet werden, das den Zustrom und Abstrom von Luft in das und aus dem Gehäuse 16 und das Eintreten von Infrarotstrahlen in das Gehäuse 16 verhindert. Die Ausgabe der Sensoren kann durch elektromagnetische Wellen schwanken. Vorzugsweise sollte das Grundmaterial des Gehäuses 16 daher ein Material sein, das auch das Eintreten von elektromagnetischen Wellen von außen verhindern kann, das heißt, ein leitfähiges Metall oder Nichtmetall. Das Gehäuse 16 kann als Einzelelement oder als Kombination aus mehreren Elementen ausgeführt sein. Die Innenfläche des Gehäuses 16 kann mit einem Infrarotabsorber (beispielsweise schwarzem Harz bzw. Kunststoff) bedeckt sein, um die Temperaturstabilität im Gehäuse 16 zu verbessern.
Die Ausführung des MEMS-Chips 12 wird an späterer Stelle beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich „oben“, „unten“, „links“ und „rechts“ in jedem Abschnitt (beispielsweise dem MEMS-Chip 12) jeweils auf „oben“, „unten“, „links“ und „rechts“ in jedem Abschnitt in dem in 3 dargestellten Zustand. Ferner beziehen sich „vorne“ und „hinten“ jeweils auf die „nahe Seite“ bzw. die „entfernte Seite“, gesehen aus der Richtung senkrecht zu dem Blatt von 3.
4(A) veranschaulicht eine Draufsicht des MEMS-Chips 12, und 4(B) ist eine Querschnittsansicht des MEMS-Chips 12 entlang der Linie X-X' in 4(A). 4(C) zeigt ein Diagramm der Verteilung des Wärmeflusses an der oberen Oberfläche des MEMS-Chips 12, welcher in der Nähe des Querschnitts entlang der Linie X-X' in 4(A) nach oben abgegeben wird.
Wie in den 4(A) und 4(B) dargestellt, ist der MEMS-Chip 12 so ausgeführt, dass ein Schichtabschnitt 23 auf einem Substrat 21 (in der vorliegenden Ausführungsform ein Siliziumsubstrat) vorgesehen ist, das über vier Öffnungsabschnitte 22a, 22b, 22c und 22d mit im Wesentlichen derselben darin gebildeten Form verfügt.
Eine Thermosäule 25a ist in einem Teil des Schichtabschnitts 23 ausgebildet, der den Öffnungsabschnitt 22a bedeckt (nachstehend als Dünnfilmabschnitt 24a bezeichnet). Eine Thermosäule 25b ist in einem Teil des Schichtabschnitts 23 ausgebildet, der den Öffnungsabschnitt 22b bedeckt (nachstehend als Dünnfilmabschnitt 24b bezeichnet). Bei den Thermosäulen 25x in den Dünnfilmabschnitten 24x (x = a, b) handelt es sich um Sensoren, in denen mehrere Thermoelemente 26, die jeweils durch Aufeinanderschichten von P-Polysilizium und N-Polysilizium erhalten wurden, in Reihe geschaltet sind. Die Thermosäulen 25x sind so ausgebildet, dass sich die Kaltlötstellen der Thermoelemente 26 jeweils am in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt des Dünnfilmabschnitts 24x befinden, und sich die Heißlötstellen der Thermoelemente 26 jeweils am rechten und linken Ende des Dünnfilmabschnitts 24x (Teile des Substrats 21) befinden.
Ein aus dem Dünnfilmabschnitt 24x (x = a, b) und der Thermosäule 25x ausgebildeter Teil wird nachstehend als Ausgabezelle 20x bezeichnet.
Ausgabezellen 20c mit derselben Ausführung wie die Ausgabezellen 20a und 20b sind über den Öffnungsabschnitten 22c und 22d vorgesehen.
Von den vier Ausgabezellen 20, die der MEMS-Chip 12 umfasst, ist die Ausgabezelle 20a für das Messen einer Temperaturdifferenz ΔT (ΔT proportional zu It) vorgesehen, welche einen Wärmefluss It darstellt, der vom in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20a nach oben abgegeben wird. Die Ausgabezelle 20b ist für das Messen einer Temperaturdifferenz ΔT' vorgesehen, welche einen Wärmefluss It' darstellt, der vom in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20b nach oben abgegeben wird.
Die beiden Ausgabezellen 20c, die sich an der linken und der rechten Seite der Ausgabezelle 20a befinden, sind für das Verringern des Wärmeflusses It vorgesehen (Vergrößern einer Differenz zwischen dem Wärmefluss It und dem Wärmefluss It'). Insbesondere wenn die Ausgabezellen 20c, die zur Basis 11 hin hohl sind (Öffnungsabschnitte) und links und rechts der Ausgabezelle 20a vorgesehen sind, wird die Wärmemenge, die aus seitlicher Richtung (Links-Rechts-Richtung) in die Ausgabezelle 20a fließt, kleiner als dies ohne die Ausgabezellen 20c der Fall wäre. Das Vorsehen der Ausgabezellen 20c links und rechts der Ausgabezelle 20a ermöglicht, wie in 4(C) dargestellt, dass der Wärmefluss It, der vom mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20a mit derselben Ausführung wie Ausgabezelle 20b abgegeben wird, kleiner ist als der Wärmefluss It', der vom mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20b abgegeben wird.
Das Beziehen, vom Messobjekt, von zwei Wärmeflüssen (zwei Wärmeflüsse mit unterschiedlichen Werten), die zwei Pfade mit unterschiedlichen thermischen Widerständen durchlaufen haben, ermöglicht es, die Innentemperatur nach dem Prinzip zur Berechnung der Innentemperatur wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben zu berechnen. Allerdings kann die Innentemperatur durch das vorstehend erwähnte Prinzip zur Berechnung der Innentemperatur nicht einfach mit einer durch die Thermosäule 25a gemessenen Temperaturdifferenz ΔT, einer durch die Thermosäule 25b gemessenen Temperaturdifferenz ΔT', einem Temperaturmessergebnis des Temperatursensors 18 und bekannten Werten berechnet werden.
Es wird daher angenommen, dass Ta = Ta' und Tt = Tr in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gegeben werden. Ta steht für eine Temperatur an einer Kaltlötstelle in der Thermosäule 25a, und Ta' steht für eine Temperatur an einer Kaltlötstelle in der Thermosäule 25b (Temperatur am in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20a). Tt steht für eine Temperatur an einer Heißlötstelle in der Thermosäule 25a, und Tr steht für ein Temperaturmessergebnis des Temperatursensors 18.
Sind Ta = Ta' und Tt = Tr gegeben, kann die Innentemperatur Tb anhand der Gleichung (e1) berechnet werden. [Formel 3] $Tb = Tr + \frac{k (Δ T' - Δ T) Δ T}{k \cdot Δ T - Δ T'}$
wobei gilt: k ist das Verhältnis (= R2/R1) des thermischen Widerstands R2 eines Teils, an dem die Temperaturdifferenz ΔT' durch die Thermosäule 25b gemessen wird, zu dem thermischen Widerstand R1 eines Teils, an dem die Temperaturdifferenz ΔT durch die Thermosäule 25a gemessen wird. Gleichung (e1) wird identisch mit Gleichung (5), wenn sie mit Ta = Ta', Tt = Tr, ΔT = Tt - Ta und ΔT' = Tt' - Ta' umgeformt wird (Tt' ist hier die Temperatur an einer Heißlötstelle in der Thermosäule 25b).
Somit verwendet die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Schaltung, die dafür ausgelegt ist, als Arithmetikschaltung 14 die Innentemperatur Tb anhand der Gleichung (e1) zu berechnen.
Es wird nun beschrieben, aus welchem Grund die vorstehend erwähnte Ausführung (siehe 4) für den MEMS-Chip 12 in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 verwendet wird.
ΔT = R1·It und ΔT' = R2·It' sind gegeben, und daher ist die nachfolgende Gleichung für "k·ΔT - ΔT'” im Nenner des Bruchterms auf der rechten Seite der Gleichung (e1) gegeben. $k \cdot Δ T - Δ T' = R 2 (It - It')$
Entsprechend gilt: Ist It - It' ein Wert nahe „0“, ist das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur anhand der Gleichung (e1) nicht stabilisiert.
Insbesondere wenn ein MEMS-Chip 12 mit einem It/It' von 0,99 verwendet wird, unterliegt die Ausgabe der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 (Ergebnis der Schätzung der Tiefkörpertemperatur durch die Innentemperatur-Messvorrichtung 10) wie in 5(A) dargestellt extremen Schwankungen. Wird hingegen der MEMS-Chip 12 mit einem It/It' von 0,82 verwendet, schwankt die Ausgabe der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 nicht sehr stark (der temporäre Durchschnittswert der Ausgabe kann als Tiefkörpertemperatur verwendet werden), was in 5(B) dargestellt ist. Die in den Figuren dargestellten Messergebnisse 5(A) und 5(B) werden unter Verwendung einer Auswertungsvorrichtung erhalten, bei der der menschliche Körper mit einer Innentemperatur (Tiefkörpertemperatur) von 37°C simuliert wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur Tb anhand der Gleichung (e1) stabiler, wenn der Wert von It/It' kleiner wird. Vorzugsweise sollte der an der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 montierte MEMS-Chip 12 daher einen relativ kleinen It/It'-Wert aufweisen (0,9 oder weniger).
Auch das Verwenden der in den 6(A) und 6(B) dargestellten Ausführung, das heißt einer Ausführung, bei der die Seitenlänge der Ausgabezelle 20a größer ist als die der Ausgabezelle 20b, kann einen MEMS-Chip 12 mit einem relativ kleinen It/It'-Wert ergeben. 6(A) ist eine Draufsicht des MEMS-Chips 12 und 6(B) ist eine Querschnittsansicht des MEMS-Chips 12 entlang der Linie X-X' in 6(A). 6(C) ist ein Diagramm der Verteilung des Wärmeflusses an der oberen Oberfläche des MEMS-Chips 12, welcher in der Nähe des Querschnitts entlang der Linie X-X' in 6(A) nach oben abgegeben wird.
Das Erhöhen der Seitenlänge der Ausgabezelle 20a mit dem Ziel, It/It' zu vermindern, kann das Fertigen von Chips erschweren und die Festigkeit der Ausgabezelle 20a (Dünnfilmabschnitt 24a) verringern.
Andererseits kann das Verwenden einer Ausführung, bei der Ausgabezellen 20 auf der linken und der rechten Seite der Ausgabezelle 20a vorgesehen sind, It/It' vermindern, ohne das Fertigen des Chips zu erschweren oder die Festigkeit der Ausgabezelle 20a zu verringern. Aus diesem Grund wird die vorstehend erwähnte Ausführung (siehe 4) für den MEMS-Chip 12 in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 verwendet.
Wie vorstehend beschrieben ist die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so ausgeführt, dass Informationen, die verwendet werden sollen, um die Innentemperatur Tb eines Messobjekts zu berechnen, von zwei Thermosäulen 25 im MEMS-Chip 12 und dem Temperatursensor 18 bezogen werden. Bei Verwendung der Thermosäulen 25 kann die Temperaturdifferenz mit höherer Genauigkeit gemessen werden, als wenn zwei Temperatursensoren verwendet werden. Da nicht mehrere Temperatursensoren verwendet werden, wird verhindert, dass sich Fehler (individuelle Differenzen) der Temperatursensoren aufaddieren und so den Fehler vergrößern. Der MEMS-Chip 12 verfügt über eine kleine Wärmekapazität (er wechselt nach kurzer Zeit in einen thermischen Gleichgewichtszustand). Die Verwendung der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht somit, dass die Innentemperatur eines Messobjekts mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer gemessen werden kann.
Der in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 enthaltene MEMS-Chip 12 kann It/It' vermindern, ohne das Fertigen von Chips zu erschweren oder die Festigkeit der Ausgabezelle 20a zu verringern. Somit lässt sich sagen, dass es sich bei der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem MEMS-Chip 12 um eine Vorrichtung handelt, die stoßfest ist und die sich leicht so herstellen lässt, dass das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur Tb stabilisiert ist.
Zweite Ausführungsform
Jetzt wird die Ausführung einer Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf dieselben Symbole beschrieben, die vorstehend auch für die Beschreibung der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wurden. In der nachfolgenden Beschreibung bezieht sich der n-te (n = 1 bis 3) MEMS-Chip 12 auf den MEMS-Chip 12, der in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der n-ten Ausführungsform enthalten ist.
Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird erhalten, indem der erste MEMS-Chip 12 (siehe 4) in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch einen zweiten MEMS-Chip 12 ersetzt wird.
7(A) veranschaulicht eine Draufsicht des zweiten MEMS-Chips 12, und 7(B) ist eine Querschnittsansicht des zweiten MEMS-Chips 12 entlang der Linie X-X' in 7(A). 7(C) zeigt ein Diagramm der Verteilung des Wärmeflusses an der oberen Oberfläche des zweiten MEMS-Chips 12, welcher in der Nähe des Querschnitts entlang der Linie X-X' in 7(A) nach oben abgegeben wird.
Wie in den 7(A) und 7(B) dargestellt, umfasst der zweite MEMS-Chip 12 vier Ausgabezellen 20 (20a, 20b, 20c), die im Wesentlichen dieselbe Form aufweisen. Der zweite MEMS-Chip 12 ist so ausgeführt, dass eine Mittelebene in Links-Rechts-Richtung eine Spiegelebene bildet.
Bei der in der Nähe der Spiegelebene im zweiten MEMS-Chip 12 angeordneten Ausgabezelle 20a handelt es sich um eine Zelle zum Messen des Werts ΔT für einen Wärmefluss It, der vom in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20a nach oben abgegeben wird. Die Ausgabezelle 20c mit Spiegelrelation zur Ausgabezelle 20a ist dafür vorgesehen, den Wärmefluss It zu reduzieren.
Bei der am rechten Ende des zweiten MEMS-Chips 12 angeordneten Ausgabezelle 20b handelt es sich um eine Zelle zum Messen des Werts ΔT' für einen Wärmefluss It', der vom in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt der Ausgabezelle 20b nach oben abgegeben wird. Die Ausgabezelle 20c mit Spiegelrelation zur Ausgabezelle 20b ist dafür vorgesehen, eine bilaterale Symmetrie der Wärmeflussverteilung (7(C)) im zweiten MEMS-Chip 12 zu erhalten (um einen Anstieg des Wärmeflusses It aufgrund einer bilateralen Asymmetrie der Wärmeflussverteilung zu unterdrücken).
Der zweite MEMS-Chip 12 mit einer solchen Anordnung der Ausgabezellen 20 macht es wie in 7(C) dargestellt möglich, dass die Differenz zwischen dem Wärmefluss It und dem Wärmefluss It' ein relativ hoher Wert ist (dass der It/It'-Wert ein relativ kleiner Wert ist). Folglich kann die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch die Innentemperatur des Messobjekts mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer messen.
Die für den zweiten MEMS-Chip 12 verwendete Ausführung kann It/It' vermindern, ohne das Fertigen von Chips zu erschweren oder die Festigkeit der Ausgabezelle 20a zu verringern. Somit lässt sich sagen, dass es sich bei der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem zweiten MEMS-Chip 12 um eine Vorrichtung handelt, die stoßfest ist und die sich leicht so herstellen lässt, dass das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur Tb stabilisiert ist.
Dritte Ausführungsform
Jetzt wird die Ausführung einer Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf dieselben Symbole beschrieben, die vorstehend auch für die Beschreibung der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wurden.
Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird erhalten, indem der erste MEMS-Chip 12 (siehe 4) in der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform durch einen dritten MEMS-Chip 12 mit der in 8 dargestellten Ausführung ersetzt wird.
Wie in 8 dargestellt, ist der dritte MEMS-Chip 12 so ausgeführt, dass eine Mittelebene in Links-Rechts-Richtung und eine Mittelebene in Vorne-Hinten-Richtung (Oben-Unten-Richtung in 8) jeweils eine Spiegelebene bilden. In jedem Abschnitt, der durch die zwei Spiegelebenen im dritten MEMS-Chip 12 unterteilt ist, sind eine Ausgabezelle 20a für das Messen von ΔT und eine Ausgabezelle 20b für das Messen von ΔT', die im Wesentlichen dieselbe Form (dieselbe Ausführung) wie die Ausgabezelle 20a aufweist, vorgesehen. Die Position der Ausgabezelle 20a in jedem Abschnitt ist so bestimmt, dass am mittleren Abschnitt des dritten MEMS-Chips 12 vier Ausgabezellen 20a aneinander angrenzen.
Wie in 8 schematisch dargestellt, sind die vier Ausgabezellen 20a im dritten MEMS-Chip 12 so verbunden, dass die Summe der Ausgaben davon (Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 1 und Ausgang 2) ausgegeben werden kann. Die vier Ausgabezellen 20b im dritten MEMS-Chip 12 sind ebenfalls so verbunden, dass die Summe der Ausgaben davon (Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 3 und Ausgang 4) ausgegeben werden kann.
Der dritte MEMS-Chip 12 ist mit einem Referenzpotenzial-Anschluss ausgestattet, der in der Lage ist, 1/2 der Summe der Ausgaben der vier Ausgabezellen 20a zu messen, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen dem Referenzpotenzial-Anschluss und Ausgang 1 gemessen wird, und der ferner in der Lage ist, die verbleibende Hälfte (1/2) der Summe der Ausgaben der vier Ausgabezellen 20a zu messen, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen dem Referenzpotenzial-Anschluss und Ausgang 2 gemessen wird. Der Referenzpotenzial-Anschluss ist außerdem in der Lage, 1/2 der Summe der Ausgaben der vier Ausgabezellen 20b zu messen, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen dem Referenzpotenzial-Anschluss und Ausgang 3 gemessen wird, und ferner in der Lage, die verbleibende Hälfte (1/2) der Summe der Ausgaben der vier Ausgabezellen 20b zu messen, wenn eine Potenzialdifferenz zwischen dem Referenzpotenzial-Anschluss und Ausgang 4 gemessen wird.
Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet eine ASIC 13, die dafür ausgelegt ist, Daten zu generieren, die für ΔT von einer Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 1 und dem Referenzpotenzial-Anschluss und einer Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 2 und dem Referenzpotenzial-Anschluss stehen, und Daten zu generieren, die für ΔT' von einer Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 3 und dem Referenzpotenzial-Anschluss und einer Potenzialdifferenz zwischen Ausgang 4 und dem Referenzpotenzial-Anschluss stehen.
Das Anordnen der Ausgabezellen 20a und 20b wie in 8 dargestellt ermöglicht, dass ein Wärmefluss It, der von einem in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt jeder Ausgabezelle 20a nach oben abgegeben wird, einen Wert annehmen kann, der kleiner ist als ein Wärmefluss It', der von einem in Bezug auf die horizontale Richtung mittleren Abschnitt jeder Ausgabezelle 20b nach oben abgegeben wird. Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht somit, dass die Innentemperatur eines Messobjekts mit einer besseren Ansprechempfindlichkeit als bislang genauer gemessen werden kann.
Wenn die untere Oberfläche des Basisabschnitts 11 zum Messen der Innentemperatur Tb in Kontakt mit der Oberfläche des Messobjekts gebracht wird, ist die Haftung zwischen einem Teil der unteren Oberfläche des Basisabschnitts 11 und der Oberfläche des Messobjekts manchmal gering. Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Innentemperatur Tb unter Verwendung eines Durchschnittswerts von durch die vier Ausgabezellen 20a gemessenen Temperaturdifferenzen und eines Durchschnittswerts von durch die vier Ausgabezellen 20b gemessenen Temperaturdifferenzen. Folglich ermöglicht die Verwendung der Innentemperatur-Messvorrichtung 10, dass die Innentemperatur Tb gemessen werden kann, nahezu ohne befürchten zu müssen, dass aufgrund einer geringen Haftung zwischen einem Teil der unteren Oberfläche des Basisabschnitts 11 und der Oberfläche des Messobjekts eine stark von der ursprünglichen Temperatur abweichende Innentemperatur Tb ausgegeben wird.
Die für den dritten MEMS-Chip 12 verwendete Ausführung kann It/It' vermindern, ohne das Fertigen von Chips zu erschweren und die Festigkeit der Ausgabezelle 20a zu verringern. Somit lässt sich sagen, dass es sich bei der Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit dem dritten MEMS-Chip 12 um eine Vorrichtung handelt, die stoßfest ist und die sich leicht so herstellen lässt, dass das Ergebnis der Schätzung der Innentemperatur Tb stabilisiert ist.
Modifikationen
Die Innentemperatur-Messvorrichtung 10 gemäß jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann auf verschiedene Art und Weise modifiziert werden. So können beispielsweise der erste MEMS-Chip 12 ( 4) oder der zweite MEMS-Chip 12 (7) so modifiziert werden, dass sie statt den Ausgabezellen 20c einen Aufbau ohne die Thermosäulen 25 (das heißt nur einen Dünnfilmabschnitt) aufweisen.
Der zweite MEMS-Chip 12 (7) kann zu einem Chip modifiziert werden, der in der Lage ist, die Summe einer Ausgabe der äußersten linken Ausgabezelle 20c und einer Ausgabe der Ausgabezelle 20b und die Summe einer Ausgabe der Ausgabezelle 20a und einer Ausgabe der benachbarten Ausgabezelle 20c auszugeben.
Als Arithmetikschaltung 14 kann auch eine Schaltung vorgesehen sein, die Innentemperatur Tb anhand eines Ausdrucks berechnet, der von Ausdruck (e1) abweicht. Die Arithmetikschaltung 14 kann an der Seite der messtechnischen Vorrichtung vorgesehen sein.
Die Innentemperatur-Messvorrichtungen 10 gemäß dieser Ausführungsformen kann zu einer Vorrichtung modifiziert werden, die nicht mit einer messtechnischen Vorrichtung verbunden ist, wenn sie verwendet wird (beispielsweise ein Thermometer mit einer Flüssigkristallanzeige, auf der das Ergebnis der Berechnung einer Innentemperatur durch die Arithmetikschaltung 14 angezeigt wird). An dieser Stelle sei beispielsweise angemerkt, dass die spezifische Ausführung der Ausgabezellen nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung beschränkt ist und dass der Temperatursensor 18 getrennt von der ASIC 13 an der Ausgabezelle 20 oder dem Basisabschnitt 11 vorgesehen sein kann.
Bezugszeichenliste

10: Innentemperatur-Messvorrichtung
11: Basisabschnitt
12: MEMS-Chip
13: ASIC
14: Arithmetikschaltung
15: Anschluss
16: Gehäuse
18: Temperatursensor
20: Ausgabezelle
21: Substrat
22: Öffnungsabschnitt
23: Schichtabschnitt
24: Dünnfilmabschnitt
25: Thermosäule
26: Thermoelement

Claims

Innentemperatur-Messvorrichtung (10), umfassend: - einen Basisabschnitt (11), dessen eine Oberfläche in Kontakt mit einer Oberfläche eines Messobjekts zu bringen ist, wenn eine Innentemperatur des Messobjekts gemessen wird; - einen MEMS-Chip (12), der an einer anderen Oberfläche des Basisabschnitts (11) angeordnet ist und umfasst: einen Substratabschnitt mit einem ersten Dünnfilmabschnitt (24a) und einem zweiten Dünnfilmabschnitt (24b), die an der Basisabschnittseite hohl sind; eine erste Thermosäule (25a), die dafür ausgelegt ist, eine erste Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) zu messen; und eine zweite Thermosäule (25b), die dafür ausgelegt ist, eine zweite Temperaturdifferenz zwischen einer vorgegebenen Region und einer anderen Region des zweiten Dünnfilmabschnitts (24b) zu messen; und - eine Berechnungseinheit (14), die dafür ausgelegt ist, unter Verwendung der ersten, durch die erste Thermosäule (25a) gemessenen Temperaturdifferenz und der zweiten, durch die zweite Thermosäule (25b) gemessenen Temperaturdifferenz eine Innentemperatur des Messobjekts zu berechnen, - wobei der MEMS-Chip (12) so ausgeführt ist, dass sich ein erster Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts (11) befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) verläuft und auf Basis der ersten Temperaturdifferenz bestimmt wird, und ein zweiter Wärmefluss, welcher von dem in Kontakt mit der einen Oberfläche des Basisabschnitts (11) befindlichen Messobjekt durch die vorgegebene Region des zweiten Dünnfilmabschnitts (24b) verläuft und auf Basis der zweiten Temperaturdifferenz bestimmt wird, voneinander unterscheiden, und wobei, um den ersten Wärmefluss zu reduzieren, ein Dünnfilmabschnitt, der an der Basisabschnittseite hohl ist, an wenigstens einer der beiden Seiten des ersten Dünnfilmabschnitts (24a) des Substratabschnitts entlang einer Richtung vorgesehen ist, in der der erste Dünnfilmabschnitt (24a) und der zweite Dünnfilmabschnitt (24b) aufgereiht sind.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der MEMS-Chip (12) so ausgeführt ist, dass er eine erste Spiegelebene aufweist, die senkrecht zu der Richtung verläuft, entlang der der erste Dünnfilmabschnitt (24a) und der zweite Dünnfilmabschnitt (24b) aufgereiht sind, und ferner so ausgeführt ist, dass der erste Dünnfilmabschnitt (24a), der zweite Dünnfilmabschnitt (24b), die erste Thermosäule (25a) und die zweite Thermosäule (25b) in jedem durch die erste Spiegelebene unterteilten Abschnitt enthalten sind und dass der erste Dünnfilmabschnitt (24a) in jedem der Abschnitte an die erste Spiegelebene angrenzt.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: - der MEMS-Chip (12) so ausgeführt ist, dass er eine erste Spiegelebene und eine zweite Spiegelebene, die orthogonal zu der ersten Spiegelebene verläuft, aufweist, wobei der erste Dünnfilmabschnitt (24a), der zweite Dünnfilmabschnitt (24b), die erste Thermosäule (25a) und die zweite Thermosäule (25b) in jedem durch die erste und die zweite Spiegelebene unterteilten Abschnitt enthalten sind, und wobei der erste Dünnfilmabschnitt (24a) in jedem der Abschnitte an die erste Spiegelebene und die zweite Spiegelebene angrenzt; und - die Berechnungseinheit (14) die Innentemperatur des Messobjekts unter Verwendung eines Durchschnittswerts der ersten, durch vier erste Thermosäulen im MEMS-Chip (12) gemessenen Temperaturdifferenzen und eines Durchschnittswerts von zweiten, durch vier zweite Thermosäulen im MEMS-Chip (12) gemessenen Temperaturdifferenzen berechnet.