JP2002500346A

JP2002500346A - 自励発振流体センサ

Info

Publication number: JP2002500346A
Application number: JP2000526781A
Authority: JP
Inventors: クビスラク，ディヴィッド; ウーリヒ，ボーン
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2002-01-08
Also published as: CN1290341A; CN100353149C; DE69830337T2; CN1611933A; DE69830337D1; US6223593B1; EP1044355B1; CA2317134A1; EP1044355A1; CN1611932A; WO1999034175A1

Abstract

(57)【要約】自励発振流体センサを使用して選択された流体特性を決定する方法と装置。好ましい実施形態では、流体内の温度外乱の移行時間に関係する周波数で発振するセンサを備える。移行時間に基づいて流体の選択された流体特性を決定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願は、全て本発明の譲受人に譲渡され、本明細書に参照して組み入れられ
ている、１９９７年１２月３１日出願の「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡ
ＴＵＳＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＳＥＬＥＣＴＥＤＰＲＯＰＥＲＴＩＥ
ＳＯＦＡＦＬＵＩＤＯＦＩＮＴＥＲＥＳＴＵＳＩＮＧＡＳＩＮ
ＧＬＥＨＥＡＴＥＲＥＬＥＭＥＮＴ」という名称の米国特許出願第０９／０
０２，１５６号、１９９７年１２月３１日出願の「ＴＩＭＥＬＡＧＡＰＰＲ
ＯＡＣＨＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＴＨＥＲＭＡＬＣＯＮＤＵＣＴＩＶ
ＩＴＹＡＮＤＳＰＥＣＩＦＩＣＨＥＡＴ」という名称の米国特許出願第０
９／００１，５３０号、１９９７年１２月３１日出願の「ＴＩＭＥＬＡＧＡ
ＰＰＲＯＡＣＨＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＦＬＵＩＤＶＥＬＯＣＩＴＹ
」という名称の米国特許出願第０９／００２，１５７号、および１９９７年１２
月３１日出願の「ＦＬＵＩＤＰＲＯＰＥＲＴＹＡＮＤＦＬＯＷＳＥＮＳ
ＩＮＧＶＩＡＡＣＯＭＭＯＮＦＲＥＱＵＥＮＣＹＧＥＮＥＲＡＴＯＲ
ＡＮＤＦＦＴ」という名称の米国特許出願第０９／００１，４５３号に関連
する。

【０００２】（発明の背景）（１．発明の分野）本発明は、一般に流体特性の決定に関し、より具体的には、対象流体の熱伝導
率、熱拡散率、比熱および流体速度の決定に関するものである。

【０００３】（２．従来技術の説明）対象流体の熱伝導率、熱拡散率 (thermal diffusivity)、比熱および流体速度
を測定するための多くの手法が発明されてきた。典型的には、これらおよび他の
特性は、抵抗ブリッジ型センサを始めとする各種の検出器を用いて検出されてい
る。

【０００４】熱伝導率を決定するための１つの手法が、米国特許第４，７３５，０８２に記
載されており、その中でホイートストン・ブリッジの１脚のヒータ素子が、その
中を対象流体のサンプルが通過する容器中に置かれている。取り囲んでいる流体
の熱特性の変化による消散電力の変化を、電圧、電流または抵抗変化信号として
検出できるよう、加熱した素子を使用して、交流電流、交流電圧または交流電力
を介して入力電圧を変化させることによって、さまざまなレベルで連続した量の
熱エネルギーを対象流体中に導入している。測定可能な流体特性の１つが、流体
の熱伝導率である。

【０００５】熱によって生じる電気抵抗の変化を測定する他に、特に従来技術の図１ないし
図５を参照して、以下で極めて詳細に考察するように、極めて小型で高精度の「
マイクロブリッジ」または「マイクロダイヤフラム」半導体チップ・サポート・
センサが記載されており、その中にこのようなマイクロ素子が、ヒータおよびセ
ンサとして使用されている。このようなセンサには、例えば、流量を測定するた
めの薄膜ヒータ素子の周囲に一対の薄膜センサ素子がある。そのような半導体チ
ップ・センサは、全て本発明と同一の譲受人である米国特許第４，４７８，０７
６号、米国特許第４，４７８，０７７号、米国特許第４，５０１，１４４号、米
国特許第４，６５１，５６４号、および米国特許第４，６８３，１５９号など１
つまたは複数の特許により詳細に扱われている。

【０００６】流体の熱伝導率、熱拡散率および比熱を測定する他の手法は、Ａａｇａｒｄ
ｅｔａｌ．に付与された米国特許第４，９４４，０３５号に開示されている。
Ａａｇａｒｄｅｔａｌ．では、加熱膜と少なくとも１枚の間隔を隔てたセン
サ膜を有するマイクロブリッジ構造の利用を開示している。電気エネルギーのパ
ルスが、過渡的な温度変化と定常状態の温度の双方がセンサに生じるようなレベ
ルと持続時間で、ヒータに印加される。対象流体の熱伝導率は、定常状態のセン
サ温度におけるセンサ出力信号と熱伝導率の間の知られている関係に基づいて決
定されている。対象流体の比熱および熱拡散率は、熱伝導率と過渡的温度変化中
のセンサ出力の変化率、および熱拡散率と比熱の間の知られている関係に基づい
て決定されている。

【０００７】対象流体の速度を決定する典型的な手法は、熱の波が、その発生源であるヒー
タ素子から宛先であるセンサ素子へと流れるのに要する時間を決定することであ
る。ヒータ素子とセンサ素子の間の距離が分かれば、流体の速度を算出すること
ができる。この手法は、Ｌａｍｂｅｒｔ社に譲渡された米国特許第４，５７６，
０５０号の中に提案されている。Ｌａｍｂｅｒｔ社では、流体中に熱の波を放出
するために、発振しているヒータ入力信号を用いて、ヒータ・ストリップを付勢
している。熱の波は流体中を、ヒータ・ストリップに直角に流れる流体速度に依
存した割合いで伝播する。ヒータの片側もしくは両側から間隔を隔てた熱電検出
器が熱の波を感知し、対応する検出器出力信号を生じる。流体の速度は、ヒータ
入力信号と検出器出力信号の時間差から、少なくとも第１の桁が決定される。

【０００８】このような多くの従来技術手法に対する制限は、かなりの量の支援ハードウェ
アおよび／またはソフトウェアを必要とすることである。例えば、従来技術手法
の多くは、周波数発生器を用いて、周波数入力信号をヒータ素子に供給する。周
波数発生器は、ハードウェアおよび電力の両方の点から、かなり高価である。同
様に、従来技術の多くが、ヒータ入力信号と対応する流体中の温度外乱の間の時
間または位相遅れを測定するための、１個または複数の高周波数タイマを必要と
している。固定周波数発生器と同様、高周波数タイマは、ハードウェアおよび電
力の両方の点からして、かなり高価である。

【０００９】（発明の概要）本発明は、所望の流体特性を決定するための周波数発生器または高周波数タイ
マを必要としない、自励発振流体センサを提供することにより、従来技術に関連
する多くの欠点を解決する。このセンサは流体中の温度外乱の推移時間に関係し
た周波数で自励発振する。測定した周波数から、所定の流体特性を決定すること
ができる。

【００１０】本発明は、発振周波数の変化を介して流体特性の変化を感知するため、関連し
ているマイクロ抵抗ヒータおよびセンサ素子の可変性は、第２の桁にしか影響を
与えず、また基準流体の良く知られている不変の熱特性をさらに強く利用してい
るため、温度補償調整の可変性もまた縮小される。

【００１１】本発明の第１の実施態様では、ヒータ素子と、間隔を隔てたセンサ素子が、対
象流体媒体（液体または気体）中と、媒体に極めて接近して結合されている。セ
ンサ出力は、帰還経路を介してヒータ入力に結合されている。センサが流体中の
温度外乱の過渡時間に関係した周波数で発振するように、所望の位相ずれがセン
サ出力とヒータ入力の間に導入される。以下で更に記述するように、熱伝導率、
熱拡散率、比熱および流体速度を、センサの発振周波数から決定できる。

【００１２】より特定的には、ヒータ手段とセンサ手段が、対象流体との熱的に連絡してい
る。ヒータ付勢手段が、ヒータを付勢するためにヒータ手段に接続されている。
帰還手段は、センサ手段の抵抗が所定の量だけ変化した後、ヒータ付勢手段がヒ
ータ手段を所定の時間または位相ずれ分だけ加熱させるために、センサ手段とヒ
ータ付勢手段に結合されている。この構成では、ヒータ付勢手段、ヒータ手段、
センサ手段および帰還手段は、過熱器手段の加熱と前記センサ手段の抵抗変化の
間の時間遅れに関係した周波数で発振する閉ループを形成している。発振周波数
から、所望の流体特性または緒特性を決定することができる。

【００１３】対象流体の熱伝導率、熱拡散率および比熱を決定するには、センサは、実質的
に流れていない状態の流体にさらすことが好ましい。１実施態様では、所望の流
体特性に対する発振周波数（すなわち対応する時間遅れ）に関係した所定の較正
（キャリブレーション）情報が記憶される。Ａａｇａｒｄｅｔａｌ．に付与
された米国特許第４，９４４，０３５号に指摘されているように、対象流体の熱
伝導率は、ほぼ定常状態の温度がセンサに生じたとき、最も効果的に決定するこ
とができ、また対象流体の熱拡散率は、過渡的温度変化がセンサに生じたとき、
最も効果的に決定することができる。従って、対象流体の熱伝導率を決定すると
きは、発振周波数が比較的低く、また対象流体の熱拡散率を決定するときは、発
振周波数がより高くなるように、帰還手段によって導入される位相遅れを制御す
ることができると予想される。いずれの場合も、発振周波数を対象流体の所望の
特性に関係づけるための適切な較正情報を得ることができる。

【００１４】流体速度に関しては、センサ装置の発振周波数が流体の流量に関係することが
分かっている。適切な較正情報を提供することによって、センサ装置の発振周波
数から、対象流体の速度を決定することができる。

【００１５】他の実施態様では、位相遅れ（すなわち対応する遅れ時間）をヒータ素子とセ
ンサ素子との間ではなく、２個のセンサ素子の間で決定することができると予測
される。この実施形態では、ヒータ手段が対称流体との熱連絡を提供している。
次にヒータ付勢手段は、ヒータ手段を付勢し、対象流体中に温度外乱をもたらす
ために、ヒータ手段に接続されている。次に少なくとも２個のセンサ手段が、対
象流体との熱連絡を提供している。少なくとも２個のセンサ手段はそれぞれヒー
タ手段から異なる間隔で隔てられることが好ましい。

【００１６】温度外乱が、第１のセンサ手段から第２のセンサ手段に移行するのに要する時
間に対応する第１の移行時間(transit time)が決定される。第１の実施形態では
、このことはヒータ入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と、対応する第
１のセンサ手段の抵抗変化の間の第１の遅れを決定することによって実現される
。第１の遅れは、上述のように、ヒータ手段と第１のセンサ手段の間に帰還ルー
プを提供し、発振周波数をその間の遅れに関係づける手段を含む任意の数の手段
を用いて、あるいは高周波数タイマを提供することによって決定することができ
る。第２の遅れは、ヒータ入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と、対応
する第２のセンサ手段の抵抗変化の間で、同様のやり方で決定することができる
。次に、第１の遅れを第２の遅れから減じることによって、第１の移行時間を算
出することができる。

【００１７】この手法の利点は、位相差測定におけるいくつかの潜在誤差源が、減算ステッ
プの間に帳消しにされることにあり、それによって測定精度を上げている。この
ような誤差源の１つに、ヒータ入力信号とヒータ素子（したがって流体）の高い
温度応答の間に典型的に存在する非ゼロヒータ時間遅れがある。他の潜在誤差源
は、センサ素子への温度外乱の到着と、対応するセンサ素子の応答の間に典型的
に存在する非ゼロ・センサ時間遅れである。すなわち、センサ素子の温度は通常
、流体の温度変化に対して、主としてセンサの非ゼロ温度質量のため、瞬時には
反応しない。

【００１８】ヒータ入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と、対応する第１のセンサ
手段の抵抗変化の間の第１の遅れを、ヒータ入力信号（すなわちヒータ手段の温
度応答）と、第２のセンサ手段の間の第２の遅れから減じることによって、多く
の潜在誤差源が効果的に帳消しにされ、その結果、時間遅れの測定精度を上げて
いる。

【００１９】他の実施態様では、第１のセンサ素子を第１の帰還ループに含むことができ、
第２のセンサ素子を第２の帰還ループに含むことができる。第１の帰還ループお
よび第２の帰還ループはいずれも、共通のヒータ素子を含むことも、あるいは個
別のヒータ素子を含むこともできる。うなり周波数は、第１の帰還ループの発振
周波数と第２の帰還ループの発振周波数から決定することができる。第１のセン
サ素子から第２のセンサ素子への移行時間は、うなり周波数から決定することが
できる。

【００２０】さらに他の例示的実施態様では、２組の同様に作られた自励発振ヒータ／セン
サ対を提供しており、１組はほとんど流れていない状態を対象とし、もう１組を
流れている状態を対象にすることができる。第１の発振周波数が、ほとんど流れ
ていない状態を対象にしたヒータ／センサ対用として決定されている。第２の発
振周波数が、流れている状態を対象にしたヒータ／センサ対用として決定されて
いる。その構造と間隔は、いずれのヒータ／センサ対もほぼ同一であることが好
ましいため、第１の移行時間は、第１の周波数と第２の周波数のうなり周波数か
ら算出することができる。

【００２１】以下でより完全に記述されるように、流体がほとんど流れていない場合、第１
のセンサ手段から第２のセンサ手段への第１の移行時間を用いて、対象流体の熱
伝導率、熱拡散率および比熱を算出することができる。流体が流れている状態で
は、第１の移行時間を用いて対象流体の速度を算出することができる。

【００２２】好ましくは上述のやり方で、第１のセンサ手段と第３のセンサ手段の間の第２
の移行時間を決定できることもまた予想される。すなわち、第３の遅れを、ヒー
タ入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と第３のセンサ手段の間で決定す
ることができる。第１のセンサと第３のセンサの間の第２の移行時間は、ヒータ
入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と、対応する第１のセンサの抵抗変
化の間の第１の遅れを、ヒータ入力信号（すなわちヒータ手段の温度応答）と、
第３のセンサ手段の間の第３の遅れから減じることによって決定することができ
る。

【００２３】他の例示的実施態様では、第１と第３のセンサ手段が個別の帰還ループに含ま
れている。したがって第２の移行時間を、第１と第３のセンサ手段の発振周波数
の間のうなり周波数から決定することができる。うなり周波数から第２の移行時
間を決定することができる。

【００２４】最後に、それぞれ異なるヒータ−センサ間隔を有する２組の自励発振ヒータ／
センサ対を提供して、ほとんど流れていない状態を対象にすることができると予
想される。２組の対応する同様に作られた自励発振ヒータ／センサ対を提供して
、流れている状態を対象にすることができる。対応するヒータ／センサ対の構造
と間隔は、ほぼ同一であることが好ましいため、第１の移行時間および第２の移
行時間を共に、流れている状態と流れていない状態の下で、対応する発振周波数
のうなり周波数から決定することができる。

【００２５】第１と第２の移行時間がひとたび決定されると、以下でより完全に記述される
関係を用いて、流体の諸特性とは比較的無関係に、対象流体の速度を算出するこ
とができる。

【００２６】添付図面を参照して以下の詳細な説明によってこの発明を十分理解すれば、本
発明の他の目的および本発明に付随する利益は容易に了解されるであろう。図面
中で同様の参照番号は、全図面を通して同様の部品を表す。

【００２７】（好ましい実施形態の詳細な説明）そこで、本発明は、選択された流体特性を決定するために周波数発生器を必要
としない自励発振流体センサを対象とする。このセンサは、流体内の温度外乱の
移行時間に関係する周波数で自励発振する。この移行時間を利用して、流体の選
択された流体特性を決定することができる。

【００２８】本発明の少なくとも１つの実施形態では、選択された遅延時間または周波数を
測定するために１つまたは複数の高周波タイマを備える。ただし、これらの実施
形態では、発熱素子および第１のセンサ素子は選択された周波数で発振する閉ル
ープを形成することが好ましい。したがって、この構成をとれば周波数発生器は
不要になる。

【００２９】最後に、発熱素子と選択されたセンサ素子の間の遅延時間ではなく、２つまた
はそれ以上のセンサ素子の間の周波数または移行時間を利用して選択された流体
特性を決定することが考えられる。これにより、発熱素子からセンサ素子への従
来の移行時間測定に存在するいくつかの誤差源を減らすことができる。さらに、
移行時間または周波数の差（たとえば、うなり振動数）を使用すると、都合のよ
い感知方式が得られる。

【００３０】たとえば、本発明に好ましいある実施形態において考察されているマイクロブ
リッジ半導体チップセンサは、すべて本発明の譲受人に帰属する、米国特許第４
４７８０７６号、米国特許第４４７８０７７号、米国特許第４５０１１４４号、
米国特許第４６５１５６４号、米国特許第４６８３１５９、および米国特許第４
９９４０３５号に記載されている１つまたは複数のマイクロブリッジシステムの
形態と似ている。

【００３１】このようなシステムの例は、Ａａｇａｒｄ他の米国特許第４９９４０３５号か
ら抜粋した図１−３に示されている。この例は、本発明を理解する上で役立つと
思われるので、ここで説明する。本発明は必要な範囲において充分なものである
と確信しているが、引用したマイクロブリッジ関係の特許に含まれている補足資
料は参照により本発明に取り込まれるものとする。

【００３２】図１−３の従来技術のシステムでは、一組の薄膜温度センサ２２および２４、
薄膜ヒータ２６、および基板と接触していないセンサとヒータを支える支持部材
を考察する示されているセンサ２２および２４はヒータ２６の反対側に配置され
ている。支持部材２０は、非伝導絶縁体または半導体材料が好ましい。ここでシ
リコンを選択しているが、高精度エッチング手法を適用することができ、また電
子チップの生産も容易だからである。実施形態には、薄膜熱センサとして動作す
る２つの同一の温度感知抵抗グリッド２２および２４と、薄膜ヒータとして動作
する中央に配置されている発熱抵抗器グリッド２６が含まれる。

【００３３】センサ２２および２４およびヒータ２６は、適切な安定金属ないし合金膜でで
きている。使用する金属は、プラチナまたは、ニッケル８０％、鉄２０％の組成
のときにパーマロイと呼ばれるニッケル鉄合金でよい。センサとヒータグリッド
は、通常層２８と２９および好ましくは窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄からなる誘電体の薄膜
に封入され、薄膜部材を形成する。他の薄膜材料としては、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｎ₂Ｏ₃などがある。

【００３４】図１と図２において、センサは２つの薄膜部材３２および３４を備え、部材３
２はセンサ２２をなし、部材３４はセンサ２４をなし、それぞれの部材は、ヒー
タ２６の１／２であり、好ましい寸法は幅１５０ミクロン、長さ４００ミクロン
である。

【００３５】このシステムはさらに、薄膜素子２２、２４、２６を効果的に囲み、シリコン
表面３６上に構造を加工することにより実現される正確に画成されている流体（
液体または気体）の空間３０を形成する。薄膜素子２２、２４、および２６の厚
さは約０．０８から０．１２ミクロンで、ライン幅は５ミクロン程度であり、ラ
イン間のスペースは５ミクロン程度である。窒化珪素膜に封入されている素子の
全体の厚さは約０．８ミクロン以下が好ましい。流体空間３０は、その後、部材
３２および３４の下のシリコン本体２０に深さ約１００ミクロンの正確に画成さ
れているシリコンを含まない凹部をエッチングすることにより加工することがで
きる。

【００３６】部材３２および３４は、エッチングピットまたは凹部３０の１つ以上のエッジ
で半導体本体２０の上面３６に結合する。図３に示されているように、部材３２
および３４を凹部３０に橋として架けることができるが、たとえばそれとは別に
、部材３２および３４を凹部３０上で片持ちにすることもできる。

【００３７】図示のシステムでは、熱は、固体および流体カップリングの両方によりヒータ
からセンサへ流れる。注意すべきは、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）はすぐれた電気絶縁
体であるほかに、効果的な固体熱絶縁体であるという事実である。部材３２と３
４の中での結合部となる窒化珪素膜は比較的良好な熱絶縁体であるため、固体を
伝わる熱はヒータ２６から伝播する熱の大半を占めることはない。これによりさ
らに、支持窒化物膜を伝わるのではなく周囲の流体を伝わることにより、ヒータ
抵抗器２６から感知抵抗器２２および２４へと伝わる熱の相対量が有効になる。
さらに、支持窒化珪素膜の熱伝導度は充分に低いので、感知抵抗器グリッド２２
および２４は発熱抵抗器グリッド２６のすぐ隣またはそれと並べて配置すること
ができる。したがって、感知抵抗器グリッド２２および２４は、実際に、流体空
間の近いヒータ抵抗器２６内に動かぬようぶら下げられ、ヒータ抵抗器グリッド
２６の付近及びその平面内の流体の温度を測定する熱プローブとして動作する。

【００３８】図４は、フロー・パイプにそって配置されたマイクロブリッジセンサシステム
の部分破断図である。中心ボア２０２を持つ主流れチャネル（主流路）２００は
注目している流体を運ぶパイプに接続されている。第１のチャンバ２０４は、単
一ボア２０６を介して主流れチャネル２００の中央ボア２０２により流体が行き
交っている。第１のマイクロブリッジまたはマイクロメンブレン（膜）・センサ
２１０が取り付けられているヒータ２０８は、第１のチャンバ２０４内に挿入さ
れ、図のように主流れチャネル２００に固定されている。この構成で、第１のマ
イクロブリッジ・センサは注目している流体に晒されており、実質的に流れはゼ
である。第１のマイクロブリッジ・センサ２１０は通常、熱伝導度、熱拡散率、
比熱、温度および圧力などの流体特性を測定するために使用される。

【００３９】第２のセンサ２２２は、バイパス路２１４内に配置されている。この構成では
、第２のマイクロブリッジ・センサ２２２は注目している流体の流れに晒されて
いる。第２のマイクロブリッジ・センサ２２２は通常、流速を測定する場合に使
用される。

【００４０】図５は、２つの下流センサ素子を備える、本発明による、マイクロブリッジ・
センサの第１の断面図である。キャリブレーション（較正）・データを使用して
注目している流体の熱伝導度、熱拡散率、比熱、流速を測定する場合、発熱素子
とセンサ素子がそれぞれ１つずつあるだけでよい。ただし、以下に詳しく述べる
ように、本発明のいくつかの実施形態には、発熱（ヒータ）素子２２４と少なく
とも２つの間隔を置いて並べたセンサ素子２２６および２２８が含まれる。たと
えば、流速を測定する場合、少なくとも２つのセンサ素子２２６および２２８を
用意し、それぞれ発熱素子２２４から異なる距離で間隔をあけて配置することが
できる。図では、センサ２２６は発熱素子２２４から第１の距離「ｄ₁」だけ間隔をあけ、センサ２２８は発熱素子２２４から第２の距離「ｄ₂」だけ間隔をあける。図のセンサ２２６と２２８は両方とも発熱素子２２４から下流にある。

【００４１】図の発熱素子２２４は、基板２３２と接触しないように発熱素子２３０を支え
ている支持部材２２８を備えている。それとともに、発熱素子２２４および支持
部材２３０はヒータ膜部材を構成する。同様に図の発熱素子２２６は、基板２３
０と接触しないようにセンサ素子２２６を支えている支持部材２３４を備えてい
る。それとともに、センサ素子２２６および支持部材２３４は第１のセンサ膜部
材を構成する。最後に、図のセンサ素子２２８は、基板２３０と接触しないよう
にセンサ素子２２８を支えている支持部材２３６を備えている。それとともに、
センサ素子２２８および支持部材２３６は第２のセンサ膜部材を構成する。

【００４２】発熱（ヒータ）素子２２４およびセンサ素子２２６および２２８は、プラチナ
、ニッケル、鉄ニッケルなど適当な安定金属または合金膜で加工することができ
る。発熱素子２２４およびセンサ素子２２６および２２８は、電線を含む抵抗素
子でよいが、好ましいのは被膜である。さらに、発熱素子２２４およびセンサ素
子２２６および２２８は、上述のようなグリッド・パターンを含む任意の形状ま
たは単にラインでよい。上述のように、発熱素子２２４およびセンサ素子２２６
および２２８は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｎ₂Ｏ₃などの薄膜誘電体に封入して、支持部材２３０、２３４、および２３６を構成するのが好まし
い。

【００４３】発熱（ヒータ）素子２２４およびセンサ素子２２６および２２８を効果的に囲
み、シリコン表面２４２上に構造を加工することにより実現される正確に定義さ
れている流体空間２４０を用意するのが好ましい。発熱素子２２４およびセンサ
素子２２６および２２８の厚さは約０．０８から０．１２ミクロンで、ライン幅
は５ミクロン程度、グリッドを使用する場合には、ライン間のスペースは５ミク
ロン程度とするのが好ましい。流体空間２４０は、その後、発熱素子２２４およ
びセンサ素子２２６および２２８の下のシリコン基板２３２に深さ約１００ミク
ロンの正確に定義されている凹部をエッチングすることにより加工することがで
きる。他の方法としては、シリコン基板２３２の背部からシリコンをエッチング
することにより膜構造を形成する方法がある。

【００４４】支持部材２３０および発熱素子２２４は、エッチングピットまたは凹部２４０
の１つまたは複数のエッジで半導体基板２３２の上面２４２に接続するのが好ま
しい。支持部材２３０および発熱素子２２４は、図のように凹部に橋架けするか
、またはそれとは別に、たとえば、凹部２４０上で片持ちにすることができる。
センサ素子２３４、２３６、および２２８も同様に構成するのが好ましい。同様
にして、発熱素子およびセンサ素子をいくつでも提供できることが知られている
。ただし、説明のため、図５には１つの発熱素子２２４と２つのセンサ素子２２
６および２２８のみを示している。

【００４５】発熱素子２２４は、流体内に熱外乱を発生する。センサ素子２２６および２２
８のそれぞれがそれぞれの場所で熱外乱の到達を感知することができる。注目す
べきは、発熱（ヒータ）素子２２４からセンサ素子２２６および２２８のそれぞ
れに至る温度外乱の移行時間である。以下の段落でさらに詳しく説明するが、セ
ンサ素子２２６および２２８は発熱素子から異なる距離だけ間隔をあけて配置さ
れるため、流体特性とは比較的無関係に流速を、（特に、前記間隔が、拡散に依
存する変位に比べて広いときには）決定することができる。

【００４６】図５に示されているように、発熱素子から下流のところに両方のセンサを備え
るのではなく、１つのセンサ２５０を上流に、もう１つのセンサ２５２を図６に
示されているように、発熱素子２５４の下流に配置することが考えられる。

【００４７】再び、選択された流速測定に関して、熱拡散率および低流速での流体のその他
の特性の考えられる負の効果を低減するために、低流量を測定するために第１の
センサ素子の集合体を使用し、高流量を測定するために他のセンサ素子の集合を
使用することが考えられる。たとえば、図７では、熱拡散率成分は適切な周波数
、低流量であっても無視できるくらい小さいため、センサ素子２８０および２８
２などの発熱素子にもっとも近い位置に配置されているセンサを使用して低流量
を測定することができる。同様に、発熱素子から遠い位置に配置されているセン
サ素子を使用して、センサ２８４などの高い流量を測定することができる。この
アプローチを使用すると、流量測定に対する熱拡散率成分の影響を最低限に抑え
ることができる。

【００４８】さらに、高い流量を測定するときには振幅度の高いヒータ入力信号を供給し、
逆に、低い流量を測定するときには振幅度の低いヒータ入力信号を供給すること
が考えられる。振幅度が高い温度外乱は、比較的検出しやすいが、流体内の熱拡
散率成分の速度上昇がありうる。したがって、振幅度の低いヒータ入力信号によ
り、熱拡散成分の速度が減少し、低い流量ではより正確な結果が得られると思わ
れる。

【００４９】図８は、多数の下流および上流センサ素子を備える、本発明による、マイクロ
ブリッジ・センサの第４の断面図である。この実施形態では、数対のセンサ素子
を上流方向と下流方向に発熱素子から等間隔で並べている。キャリブレーション
・データを使用して注目している流体の熱伝導度、熱拡散率、比熱、流速を測定
する場合、発熱素子とセンサ素子がそれぞれ１つずつあるだけでよい。ただし、
以下に詳しく述べるように、本発明のいくつかの実施形態には、発熱素子と少な
くとも２つの間隔を置いて並べたセンサ素子３００および３０２が含まれる。た
とえば、少なくとも２つの間隔をあけて並べたセンサ素子３００および３０２を
使用して流速を測定する場合、発熱素子から異なる距離で間隔を開けた選択され
ているセンサ素子の出力のみを選択できる。これにより、後述のように、他の流
体特性とは比較的無関係に流速を求めることができる。

【００５０】図９は、本発明の好ましい実施形態による自励発振センサ・デバイスの回路図
である。この実施形態では、自励発振流体センサは、注目している流体の望む特
性を決定するために周波数発生器または高周波タイマを必要としない。むしろ、
センサは、流体内の温度外乱の移行時間に関係する周波数で自励発振する。この
移行時間から、流体の選択された流体特性を決定することができる。

【００５１】特に図９を見ると、発熱（ヒータ）素子４００および間隔をあけて並べたセン
サ素子４０２は、注目している流体媒体（液体または気体）内に配置され、密接
に結合されている。センサ素子４０２は、ホイートストン・ブリッジ４０４の１
脚内に用意され、これがセンサ素子４０２の抵抗の変化を感知する。

【００５２】ホイートストン・ブリッジ４０４の差動出力は、図のように反転差動増幅回路
４０６に送られる。反転差動増幅回路４０６は、１８０度の移動シフトをセンサ
出力信号に与える。その結果を移相器４０８に送り、これは追加位相シフトをセ
ンサ出力信号に送る。たとえば、移相回路４０８は１３５度の位相シフトを供給
することができる。したがって、説明されている実施形態で、反転増幅回路４０
６および移相回路４０８により、３１５度の位相シフトがセンサ出力信号に出さ
れる。

【００５３】シフトしたセンサ出力信号は、増幅回路４１０に供給され、これはループ利得
を１に保つための自動利得制御回路４１１の一部となる。増幅回路４1０の出力は、ヒータエネルギー供給増幅回路４１２に送られ、次に発熱（ヒータ）素子４
００にヒータ入力信号を送る。ツェナ・ダイオード４１４は、ＤＣオフセットを
ヒータ入力信号に供給し、印加されたＡＣ電圧が０ボルト交差を許容されている
場合に発生するおそれのある、周波数を２倍にする効果をなくすことができる。

【００５４】反転増幅回路４０６、移相回路４０８、増幅回路４１０は、センサのホイート
ストーン・ブリッジ４０４の出力からヒータエネルギー供給増幅回路４３２への
帰還回路を実装する。この回路は、ループの周りの位相シフト全体が３６０度で
あって、ループ利得が１以上の場合に、発振する。この実施形態では、このセン
サ素子４０２と発熱（ヒータ）素子４００の間で４５度（３６０−１８０−１３
５＝４５）の位相シフトになる周波数でこの条件を満たしている。つまり、セン
サは、発熱素子４００からセンサ素子４０２までの間の流体内の温度外乱の移行
時間に関係づけられた周波数で自励発振する。

【００５５】注目している流体の熱伝導度、熱拡散率、および比熱を決定するために、セン
サを実質的にゼロの流れ（ゼロ・フロー）の流体に晒すのが好ましい。好ましい
実施形態では、センサ・デバイスの発振（または対応する遅延時間）の周波数を
望ましい流体特性に関係付ける選択されたキャリブレーション（較正）情報をメ
モリ４２０に格納する。プロセッサ４２６は、インタフェース４２４を介して発
振周波数を受け取り、メモリ４２０に格納されているすでに生成されているキャ
リブレーション情報を使用して望ましい流体特性を決定することができる。

【００５６】Ａａｇａｒｄ他の米国特許第４９４４０３５号で提案されているように、注目
する流体の熱伝導度は、センサに実質的定常状態の温度が発生した場合（微小熱
対流によって発生する無視できるくらい小さな影響）にもっとも効果的に決定す
ることができ、また注目する流体の熱拡散率は、センサに一時的温度変化が発生
した場合に（「ｋ」からの入力で）もっとも効果的に決定できる。したがって、
移相回路４０８で入り込む位相遅れは、制御信号４２２によって制御可能であり
、発振周波数は、注目する流体の熱伝導度を決定するときに比較的低く、注目す
る流体の熱拡散率を決定するときに高くなると考えられる。

【００５７】流速に関して、センサ・デバイスの発振周波数は流体の流量に関係しているこ
とが判明している。再び、メモリ４２０内に適切なキャリブレーション情報を格
納することにより、注目する流体の速度をセンサ・デバイスの発振周波数から決
定することができる。

【００５８】図１０は、図９のセンサ・デバイスを使用する４つの知られている気体に対す
る発振周波数と流量の関係を示すグラフである。テスト対象の流体の熱伝導度お
よび熱拡散率は、実質的に流れが０の発振周波数を決定することにより求めるこ
とができる。次に、知られている気体のキャリブレーション情報から得られるあ
らかじめ定められている関係を使用して、発振周波数とテスト対象の流体の熱伝
導度／熱拡散率との相関関係を求めなければならない。説明されている実施形態
では、テスト対象の流体の熱伝導度ｋは、次の近似関係式を使用して求めること
ができる。

【数１】あるいは、より一般的に、次の式で表される。

【数２】

【００５９】ただし、ｆは実質的にゼロの流れ（ゼロ・フロー）での発振周波数、ｋは注目
している流体の熱伝導度、ｋ₀はキャリブレーション流体の熱伝導度、ｃ_pは注目
している流体の比熱、およびｃ_p0はキャリブレーション流体の比熱である。熱伝
導度Ｄ_tは、ｃ_pv＝ｃ_pＶ_mおよびＶ_mがモル体積としたときに、関係式Ｄ_t＝ｋ／ｃ_pvによりｋおよびｃ_pと関係付けられている。

【００６０】式（１）は、キャリブレーション手順で実質的ゼロの流れを用いて知られてい
る４種類の気体Ｎ₂、ＣＯ₂、ＣＨ₄、およびＣ₂Ｈ₆ のそれぞれについて発振周波
数を測定することで求めた。この４種類の知られている気体のそれぞれの周波数
値は、図１０のＹ軸にそって表示されており、４種類の気体のそれぞれについて
知られている熱伝導度ｋ値に当てはめて、式（１）の関係を求めることができる
。この関係式をメモリ４２０に格納しておき、プロセッサによるテスト対象の未
知の流体の熱伝導度の決定に使用する。

【００６１】類似の手順を使用し、実質的にゼロの流れのテスト対象の流体に晒したときに
センサ・デバイスの発振周波数を使ってテスト対象の流体の熱拡散率を決定する
ことができる。しかし、上述のように、移相回路４０８で持ち込まれる位相遅れ
は、制御信号４２２を使用して低減されるため、熱拡散率を決定するときに発振
周波数が高くなる。その場合、式（２）の形式の関係は、上述の手順と似たキャ
リブレーション手順を使って導出することができる。その結果の関係式をメモリ
４２０に格納しておき、プロセッサ４２６によるテスト対象の流体の熱拡散率の
決定に使用することができる。

【００６２】流体の熱伝導度と比熱が決定されたら、次は、テスト対象の流体の熱拡散率Ｄ _t を次の関係式を使用して求めることができる。

【数３】

【００６３】未知の流体の流量は、特定の流量で発振周波数を決定し、あらかじめ定められ
ている補正係数を使ってその発振周波数と未知の流体の速度との相関関係を求め
ることで得られる。補正係数は、キャリブレーション手順の実行時に決定するの
が好ましい。キャリブレーション手順は、多数の知られている流体について流体
の流れと発振周波数との関係を示す一連の曲線を生成する作業を含むのが好まし
い。たとえば、図１０では、知られている４種類の気体Ｎ₂、ＣＯ₂、ＣＨ₄、およびＣ₂Ｈ₆について曲線が示されている。

【００６４】図からわかるように、ＣＨ₄の流体の流量は特定の発振周波数ではＣＯ₂の流体
流量よりも低い。関連する計算を簡単にするために、知られている流体の１つを
基準曲線として選択するのが好ましい。次に、基準曲線をキャリブレーション情
報としてメモリ４２０内に格納する。その後、テスト対象の流体を流れ状態のも
とでセンサ・デバイスに晒すと、センサ・デバイスは対応する周波数で発振する
。基準曲線から未補正流量を決定する。テスト対象の流体の真の流量を求めるた
めに、未補正流量に補正係数を適用する。図１０に示されているデータの説明さ
れている補正係数Ｃ_vは次のとおりである。

【数４】

【００６５】ただし、ｋとｃ_pは未知の流体の熱伝導度および比熱で、これは上述のように決定することができ、またｋ₀とｃ_p0は基準流体の熱伝導と比熱である。次に、補正された流速を次の関係式を使って決定することができる。

【数５】

【００６６】ただし、Ｖ_cは補正された流速、Ｖ_uは未補正の流速、Ｃ_vは式（４）の補正係数である。

【００６７】補正係数は、Ｎ₂、ＣＨ₄、およびＣ₂Ｈ₆の曲線を数学的にｙ方向にシフトし、
基準ＣＯ₂曲線に重ねることで求めた。各曲線のシフト量は、対応する流体の熱伝導度および比熱と関係している。このことから、式（４）の補正係数を導いた
。式（５）から計算で求めた流速を検証して、精度が約±０．７％の範囲に収ま
るようにした。

【００６８】上記に加えてさらに、Ｎ₂、ＣＨ₄、およびＣ₂Ｈ₆曲線をｘ方向に数学的にシフ
トして図１０の最上段に示されているように基準ＣＯ₂曲線に重ねることで、補正係数を求められると考えられる。いずれの場合も、適切な補正係数を与えるこ
とができる。

【００６９】図１１は、本発明の他の実施形態による自励発振センサ・デバイスの回路図で
ある。発熱素子５００とセンサ素子５０２が示されている。センサ素子５０２は
、上述のように、ホイートストーン・ブリッジ５０３の一方の脚に備えられてい
る。発熱素子に対し、ヒータ電源供給増幅回路５１０から電力が供給される。反
転増幅回路５０４、移相器５０６、および増幅回路５０８を含む帰還経路により
、センサ・デバイスは、発熱素子５００とセンサ素子５０２の間の位相または時
間の遅れに関係する周波数で発振する。発振周波数および発熱素子５００とセン
サ素子５０２の間の位相遅れを使用して、発熱素子とセンサ素子の間の遅延時間
を決定することができる。上述のように、この構成をとれば周波数発生器でセン
サを作動させる必要がなくなる。

【００７０】図９の実施形態では、注目する流体の熱伝導度、熱拡散率、比熱、および流速
は発熱素子とセンサ素子との間の位相または時間の遅れから決定される。しかし
、図１１に示されている実施形態では、第１のセンサ素子と第２のセンサ素子の
間の位相の遅れ（または対応する移行時間または周波数）を使用して注目する流
体の熱伝導度、熱拡散率、比熱、および流速を決定する方法が考えられている。

【００７１】第２のセンサ素子をさらに、図１１に示されているのと似た第２の帰還ループ
内に備えるが、ヒータ−センサ間の間隔は異なるようにすることが考えられる。
第１と第２の帰還ループは両方とも、共通の発熱（ヒータ）素子または別々の発
熱素子を使用することができる。ヒータ−センサの間の間隔は異なるため、図１
２にさらに明確に示されているように、第１の帰還ループは第１の周波数５１２
（ｆ₁）で自励発振し、第２の帰還ループは第２の周波数５１４（ｆ₂）で自励発
振できる。第１の周波数５１２と第２の周波数５１４から、周波数曲線５１２と
５１４の加算、乗算、その他の結合により、うなり振動数を決定することができ
る。図１２に説明の総和曲線５１６が示されており、これは、第１の周波数５１
２と第２の周波数５１４を加算して求められたものである。その後、総和曲線５
１６からうなり振動数を決定できる。図１２では、うなり振動数はｆ₂−ｆ₁の周
波数の正弦波５１８で示されている。第１のセンサ要素から第２のセンサ要素ま
での移行時間は、うなり振動数から決定できる。

【００７２】他の説明されている実施形態では、２つの類似の構造の自励発振ヒータ／セン
サの組みを備え、一方を実質的にゼロの流れ（ゼロ・フロー）の状態に晒し、他
方を流れ状態に晒すことができる。たとえば、一方のヒータ／センサの組みを図
４のセンサ２１０内に備え、他方をセンサ２２２内に備えることができる。第１
の発振周波数は、実質的にゼロの流れに晒されているヒータ／センサの組みにつ
いて決定される。第２の発振周波数は、流れ状態に晒されているヒータ／センサ
の組みについて決定される。構造と間隔は両方のヒータ／センサの組みについて
実質的に等しいのが好ましいため、第１のセンサ素子から第２のセンサ素子まで
の比較的正確な移行時間を、第１と第２の発振周波数のうなり振動数から決定す
ることができる。

【００７３】さらに、好ましくは上述のようにして、第１のセンサ素子と第３のセンサ素子
の間の第２の移行時間を決定することも考えられる。たとえば、第１と第３のセ
ンサ素子を別の帰還ループに含めることができる。次に、第１と第３のセンサ素
子の発振周波数間のうなり振動数から第２の移行時間を決定することができる。
うなり振動数から、第２の移行時間を決定できる。

【００７４】同様に、それぞれが異なるヒータ・センサ間の間隔を有する２つの自励発振ヒ
ータ／センサ対を、たとえば図４のセンサ素子２１０上に設け、実質的にゼロ・
フローに供させることができると企図される。２つの自励発振ヒータ／センサ対
は、別々のヒータ素子である場合があり、また共通のヒータ素子である場合もあ
る。同様に製作された２つの対応する自励発振ヒータ／センサ対を、たとえば図
４のセンサ素子２２２上に設け、フロー条件に供させることができる。対応する
ヒータ／センサ対の構造および間隔は好ましく実質的に同一であるため、第１の
移行時間および第２の移行時間はいずれも、フロー条件およびノー・フロー条件
下での対応する振動周波数のビート周波数より決定できる。

【００７５】より具体的には、２つの自励発振ヒータ／センサ対を図４のセンサ素子２１０
上に設けることができる。各ヒータ／センサ対はヒータ・センサ間の間隔が異な
るため、各ヒータ／センサ対は、いずれも実質的にゼロ・フロー条件に対応する
異なる周波数（たとえばｆ_aとｆ_b）で振動する。同様に製作された２つの自励発
振ヒータ／センサ対を図４のセンサ素子２２２上に設けることができる。次いで
、これらのヒータ／センサ対の各々は、いずれもフロー条件に対応する２種類の
周波数（たとえばｆ_cとｆ_d）で振動する。次いで、第１のセンサ素子から第２の
センサ素子への第１の移行時間を、関係Δｚ₁＝１／（２π×（ｆ_c−ｆ_a））を用いて決定することができる。同様に、第１のセンサから第３のセンサへの第２
の移行時間を、関係Δｚ₁＝１／（２π×（ｆ_d−ｆ_b））を用いて決定することができる。

【００７６】別法としては、図４のセンサ素子２１０に自励発振ヒータ／センサ対を１つだ
け設ける。移相器４０８の位相遅れを変更することにより、２種類の振動周波数
ｆ_d−ｆ_bを実質的にゼロ・フロー条件で得ることができる。同様に、別の自励発
振ヒータ／センサ対を図４のセンサ素子２２２に設けることができる。対応する
移相器の位相遅れを変更することにより、２種類の振動周波数ｆ_c−ｆ_dをフロー
条件で得ることができる。上記のように、これらの周波数を用いて、対象とする
流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱および流速を算出することができる。

【００７７】第１の移行時間および／または第２の移行時間を決定するための別の実施形態
を図１３に示す。図１３は、好ましくは図１１の実施形態と組み合わせて使用す
る２つの追加のセンサ素子の概略図である。第２のセンサ素子５２０は、ホイー
トストン・ブリッジ５２２の１つの脚内に取り込まれている。第２のセンサ素子
５２０は対象とする流体と熱的に結合され、かつ図１１の第１のセンサ素子５０
２から間隔をとることが好ましい。温度外乱が第１のセンサ素子５０２から第２
のセンサ素子５２０まで移動するのに要する時間に対応する第１の移行時間は、
ヒータ入力信号（またはヒータ手段の温度応答）と第１のセンサ素子５０２の対
応する抵抗変化の間の第１の遅延を決定すること、ヒータ入力信号（またはヒー
タ手段の温度応答）と第２のセンサ素子の対応する抵抗変化の間の第２の遅延を
決定すること、およびこの２つの差を求め所望する第１の移行時間を得ることに
よって決定される。

【００７８】第１の遅延は、上記したようにヒータ素子５００と第１のセンサ素子５０２の
間にフィードバック経路を設けること、振動周波数をこれらの間の遅延と関連づ
けること、高周波数タイマ（図示せず）を設けることなどの手段を任意の数だけ
用いて決定することができる。第２の遅延は、ヒータ入力信号５４０（またはヒ
ータ手段の温度応答）と第２のセンサ素子５２０の対応する抵抗変化との間で決
定することができる。第２の遅延は、手段を任意の数だけ用いて決定することが
できるが、この実施形態では高周波数タイマ５２６を使用することにより決定し
ている。次いで、第１の遅延を第２の遅延から減算することにより第１の移行時
間を決定する。

【００７９】第１の移行時間の算出をより詳細に図１４に示す。ヒータ素子（ＲＡ）５００
により、全体を参照番号５３０で示す流体内に温度外乱を導入する。第１のセン
サ素子（ＲＢ）５０２は第１の遅延時間５３２経過後に温度外乱を検知し、第２
のセンサ素子（ＲＣ）５２０は第２の遅延時間５３４経過後に温度外乱を検知す
る。次いで、第１のセンサ素子（ＲＢ）５０２と第２のセンサ素子（ＲＣ）５２
０の間の第１の移行時間５３６は、第１の遅延５３２を第２の遅延５３４から減
算することにより決定できる。

【００８０】この方式の利点は、位相差計測に関する幾つかの潜在的な誤差源が計測されず
、このため計測の確度が高くなることである。こうした誤差源のうちの１つに、
通常ヒータ入力信号とヒータ素子（したがって流体）の上昇させた温度応答との
間に存在する非ゼロ・ヒータ時間遅れがある。ヒータ時間遅れは、ヒータ通電用
増幅器５１０により提供されるヒータ通電信号（ＰＡ）５４０と図１４の流体温
度曲線５３０の差で示されている。

【００８１】別の潜在的な誤差源としては、通常センサ素子の位置への温度外乱の到達とそ
のセンサ素子の対応する抵抗応答との間に存在する非ゼロ・センサ時間遅れがあ
る。すなわち、センサ素子の温度は通常、主としてセンサの非ゼロの熱容量（ｔ
ｈｅｒｍａｌｍａｓｓ）のために流体の温度変化に瞬時には反応しない。セン
サ時間遅れは、図１４の流体温度曲線５３０とセンサ抵抗応答５４２の差で示さ
れている。第１の遅延５３２から第２の遅延５３４を減算することにより、潜在
的な誤差源の多くは実質的に打ち消され、これにより結果的に移行時間の計測が
より正確になる。

【００８２】流体が実質的にゼロ・フロー状態にある場合、第１の移行時間５３４を用いて
、対象とする流体の熱伝導率、温度拡散率および／または比熱を算出することが
できる。これは、第１の移行時間と所望の流体特性を関連づける関係式からの較
正情報を提供することにより達成できる。移相器５０６により導入される位相遅
延は制御信号５０７を使用して減少させ、被試験流体の温度拡散率を決定すると
きにセンサ・デバイスの振動周波数を増加させる。

【００８３】移相器５０６によりもたらされる位相シフトは、インタフェース５０７を介し
てプロセッサ５３６に提供することができる。反転増幅器５０４により導入され
た位相シフト（図示した例では１８０度）および移相器５０６により導入された
位相シフトを知ることによって、ヒータ素子５００と第１のセンサ素子５０２の
間の位相シフトをプロセッサ５３６により決定することができる。同様に、出力
信号ＢＯＵＴ５３２（図１１参照）もまた、プロセッサ５３６に提供することが
でき、これからセンサ・デバイスの振動周波数を決定することができる。ヒータ
素子５００と第１のセンサ素子５０２の間の位相シフト、並びに振動周波数を使
用して、プロセッサ５３６はヒータ素子５００とセンサ素子５０２の間の遅延を
決定できる。最後に、高周波数タイマ５２６により提供されるヒータ素子５００
と第２のセンサ素子５２０との間の遅延は、インタフェース５３４を介してプロ
セッサ５３６に提供される。

【００８４】プロセッサ５３６は、ヒータ素子５００と第１のセンサ素子５０２の間の第１
の遅延時間を、ヒータ素子５００と第２のセンサ素子５２０の間の第２の遅延時
間から減算し、第１のセンサ素子５０２から第２のセンサ素子５２０までの第１
の移行時間を求める。上記のように、第１の移行時間を被試験流体の熱伝導率お
よび／または温度拡散率と関連づける関係式を用いて、被試験流体に対する熱伝
導率および／または温度拡散率を決定することができる。たとえば、より完璧に
は、「ＴＩＭＥＬＡＧＡＰＰＲＯＡＣＨＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＴ
ＨＥＲＭＡＬＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹＡＮＤＳＰＥＣＩＦＩＣＨＥＡ
Ｔ」と題する米国特許出願第０９／００１，５３０号（１９９７年１２月３１日
提出）に記載されているように、温度拡散率Ｄ_tは次の関係式を用いて決定することができる。

【数６】上式において、ｄ＝第１のセンサ素子と第２のセンサ素子の間の距離、 Δｚ＝第１の移行時間、である。

【００８５】式（６）の関係式では、センサ・デバイスにより提供される振動の周波数は、
第２のセンサ素子の位置で温度外乱の過渡的な上昇を引き起こすほどに十分大き
いと仮定している。

【００８６】流体がフロー条件下にある場合、第１の移行時間を用い、第１の移行時間と被
試験流体の流速の間の関係式を導くことによって、対象とする流体の流速を算出
することができる。この計算は事前に作成した較正（キャリブレーション）情報
を用いることにより達成するすることが好ましく、プロセッサ５３６は次いでこ
の較正情報を使用して流体の流速を求める。

【００８７】第１のセンサ素子５０２と第３のセンサ素子５２８の間の第２の移行時間も同
様の方法で決定できると企図される。すなわち、第３の遅延はヒータ入力信号（
またはヒータ手段の温度応答）と第３のセンサ素子５２８の間で高周波数タイマ
５５０を用いて決定することができる。第１のセンサ素子５２０と第３のセンサ
素子５２８との間の第２の移行時間は、ヒータ入力信号（またはヒータ手段の温
度応答）と第１のセンサ素子５０２との間の第１の遅延を、ヒータ入力信号（ま
たはヒータ手段の温度応答）と第３のセンサ素子５２８との間の第３の遅延から
減算することによって決定することが好ましい。

【００８８】第２の移行時間の算出をより詳細に図１４に示す。ヒータ素子（ＲＡ）５００
により、全体を参照番号５３０で示す流体内に温度外乱を導入する。第１のセン
サ素子（ＲＢ）５０２は第１の遅延時間５３２経過後に温度外乱を検知し、第３
のセンサ素子（ＲＤ）５２８は第３の遅延時間５４１経過後に温度外乱を検知す
る。次いで、第１のセンサ素子（ＲＢ）５０２と第３のセンサ素子（ＲＣ）５２
８との間の第２の移行時間５４５は、第１の遅延５３２を第３の遅延５４１から
減算することにより決定できる。次いで、対象とする流体の流速は、流体特性と
比較的独立に、第１の移行時間５３６と第２の移行時間５４５を用いて次の関係
式により決定できる。

【数７】上式において、ｄ₁＝第１のセンサ素子と第２のセンサ素子の間の距離、ｄ₂＝第２のセンサ素子と第３のセンサ素子の間の距離、

【数８】ｚ₁＝第１のセンサ素子から第２のセンサ素子への第１の移行時間、ｚ₂＝第１のセンサ素子から第３のセンサ素子への第２の移行時間、である。

【００８９】式（７）に関するさらに進んだ検討および式の導出については、「ＴＩＭＥ
ＬＡＧＡＰＰＲＯＡＣＨＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧＦＬＵＩＤＶＥ
ＬＯＣＩＴＹ」という名称の同時出願の米国特許出願第０９／００２，１５７号
（１９９７年１２月３１日提出）で見ることができ、この出願は参照により本明
細書に組み込む。

【００９０】図１５は、単一のセンサ素子、すなわちヒータ素子のみにより対象とする流体
の熱伝導率を決定できる第１の例示的自励発振センサ・デバイスの概略図である
。「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＭＥＡＳＵＲＩＮＧ
ＳＥＬＥＣＴＥＤＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＯＦＡＦＬＵＩＤＯＦＩ
ＮＴＥＲＥＳＴＵＳＩＮＧＡＳＩＮＧＬＥＨＥＡＴＥＲＥＬＥＭＥＮ
Ｔ」という名称の、同時出願の米国特許出願第０９／００２，１５６号で詳細に
検討されているように、対象とする流体と熱的に結合させたヒータ素子は、通常
、ヒータ素子に提供されるパワー入力信号と、ヒータ素子（したがって流体）の
対応する温度応答との間に非ゼロ・ヒータ時間遅れを有する。このヒータ時間遅
れは、少なくともマイクロブリッジ構造に関しては、対象とする流体熱伝導率ｋ
により支配されているのがふつうである。したがって、対象とする流体の熱伝導
率ｋは、単一ヒータ素子の位相遅れまたは時間遅れから導き出すことができる。

【００９１】ヒータ素子の位相遅れを決定するために、単一のヒータ素子６００しか設けな
いこと以外は図９に示した回路と同様である回路を設ける。ヒータ素子６００は
、対象とする流体媒体（流体または気体）内に配置し、かつこの流体媒体と密に
結合させる。図１５に示す実施形態では、そのヒータ素子６００はホイートスト
ン・ブリッジ６０４の１つの脚内に設けられる。このホイートストン・ブリッジ
６０４により電力をヒータ素子６００に提供すると共に、同時にヒータ素子６０
０の抵抗（したがって温度）の変化を検知することができる。

【００９２】ホイートストン・ブリッジ６０４の差分出力は反転差動増幅器６０６に提供さ
れる。反転差動増幅器６０６は、差分出力信号に１８０度の位相シフトを与える
。この結果は移相器６０８に提供され、この移相器で差分出力信号に追加の位相
シフトが与えられる。移相器６０８は、たとえば、１３５度の位相シフトを与え
ることができる。したがって、図示した実施形態では、反転増幅器６０６および
移相器６０８により差分出力信号に対し３１５度の位相シフトが与えられる。

【００９３】位相シフトさせた差分出力信号は、上記のように自動ゲイン制御回路の一部を
なす増幅器６１０に提供される。増幅器６１０の出力は、ヒータ通電用増幅器６
１２に提供され、この増幅器によりヒータ素子６００にホイートストン・ブリッ
ジ６０４を介してヒータ入力信号が与えられる。ツェナーダイオード６１４はヒ
ータ入力信号にＤＣオフセットを提供し、印加されたＡＣ電圧が０ボルトを切る
場合に生じることがある周波数倍加効果をすべて除去する。

【００９４】反転増幅器６０６、移相器６０８および増幅器６１０により、ホイートストン
・ブリッジ６０４の差分出力からヒータ通電用増幅器６１２までのフィードバッ
ク経路が提供される。このため、この回路はフィードバック・ループの周りの全
位相シフトが３６０度であり、そのループ・ゲインが１に等しいか１を超える場
合は振動することになる。図示した実施形態では、ホイートストン・ブリッジ６
０４に印加したパワー信号とヒータ素子６００の抵抗（温度）応答の間が４５度
の位相シフト（３６０−１８０−１３５＝４５）となるような周波数において、
この条件が満たされる。すなわち、回路はヒータ素子６００の内部位相遅れに関
連づけられた周波数で振動することになる。

【００９５】熱伝導率を決定するためには、ヒータ素子６００は実質的にゼロ・フローで流
体に晒すことが好ましい。プロセッサ６２６は回路インタフェース６２４を介し
て振動周波数を受信し、ヒータ素子６００の内部位相遅れに相当する時間遅れを
計算することができる。この時間遅れから、対象とする流体の熱伝導率を、次の
関係式を用いて決定することができる。

【数９】上式において、ｆ＝振動の周波数、ｃ_pv＝ヒータ・フィルムと支持部材の組み合わせに対する、単位体積あたりの
比熱、ｔ＝ヒータ・フィルムの厚さ、ｈ₃＝基板への伝導性の伝熱係数、Ｌ₁＝ヒータ手段から流体位相内への熱伝導の特性長、 γ＝入力パワー信号の印加とあらかじめ定めたヒータ素子の抵抗変化との間の
位相遅れ（γ＝Δｚ×２πｆ）、 Δｚ＝入力パワー信号の印加とあらかじめ定めたヒータ素子の抵抗変化との間
の時間遅れ、である。式（８）の導出は、「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲ
ＭＥＡＳＵＲＩＮＧＳＥＬＥＣＴＥＤＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＯＦＡＦ
ＬＵＩＤＯＦＩＮＴＥＲＥＳＴＵＳＩＮＧＡＳＩＮＧＬＥＨＥＡＴ
ＥＲＥＬＥＭＥＮＴ」という名称の、同時出願の米国特許出願第０９／５９２
，１５６号（１９９７年１２月３１日提出）で見ることができ、この出願は参照
により本明細書に組み込まれる。

【００９６】別法として、回路の振動周波数（または対応する時間遅れ）を流体の熱伝導率
と関連づけるための選択した較正情報をメモリ６２０内に格納することができる
。プロセッサ６２６は、インタフェース６２４を介して振動周波数を受信し、事
前に作成されメモリ６２０内に格納された較正情報を用いて、対象とする流体の
熱伝導率ｋを決定することができる。

【００９７】１個のヒータ素子６６８のみを有する、別の例示的な自励発振センサ・デバイ
スを図１６に示す。この実施形態では、ヒータ付勢用増幅器６１２により提供さ
れるパワー入力信号は、ホイートストン・ブリッジを介さずに、直接ヒータ素子
６６８に印加される。増幅器６７０は、ヒータ素子６６８を流れる電流を検知し
てこれを増幅し、対応する電圧を移相器６０８に与える。したがって、この実施
形態により図１５のホイートストン・ブリッジは不要となる。このようにして、
対象とする流体の熱伝導率と関連づけられた周波数で振動する回路を提供しなが
ら、図１５の実施形態と比べて電気部品の数を減らすことができる。

【００９８】本発明に関する好ましい実施形態について、このように記載してきたが、当業
者であれば、本明細書に記載した教示は本明細書に添付の特許請求の範囲内にあ
るさらに別の実施形態に適用できることを容易に理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロブリッジ・フロー・センサの従来技術の実施形態を示す図である。

【図２】マイクロブリッジ・フロー・センサの従来技術の他の実施形態を示す図である
。

【図３】マイクロブリッジ・フロー・センサの従来技術の他の実施形態を示す図である
。

【図４】マイクロブリッジ・センサ・システムを一部破断して示す図である。

【図５】２個の下流センサ素子を有する本発明に基づくマイクロブリッジ・センサの第
１の例示的断面図である。

【図６】上流および下流センサ素子を有する本発明に基づくマイクロブリッジ・センサ
の第２の例示的断面図である。

【図７】３個以上の下流センサ素子を有する本発明に基づくマイクロブリッジ・センサ
の第３の例示的断面図である。

【図８】多数の下流および上流センサ素子を有する本発明に基づくマイクロブリッジ・
センサの第４の例示的断面図である。

【図９】本発明の好ましい実施形態に基づく自励発振センサ装置の概略図である。

【図１０】図９のセンサ装置を使用した４ゲージ用の流量に対する発振周波数のグラフを
示す図である。

【図１１】本発明の他の実施形態に基づく自励発振センサ装置の概略図である。

【図１２】それぞれ異なるヒータ−センサ間隔を有し、それらの間のうなり周波数から、
センサ素子間の移行時間を決定できる、２個の自励発振センサ装置の発振周波数
を示すタイム・チャート図である。

【図１３】図１１の実施形態と組み合わせることが好ましい、２個の追加センサ素子の概
略図である。

【図１４】図１３の実施形態によって測定した遅れを示すタイム・チャート図である。

【図１５】対象流体の熱伝導率を決定するためのヒータ素子を１個だけ有する、第１の例
示的自励発振センサ装置の概略図である。

【図１６】対象流体の熱伝導率を決定するためのヒータ素子を１個だけ有する、第２の例
示的自励発振センサ装置の概略図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１２年８月８日（２０００．８．８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１５】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F035 EA05 EA08 EA09 2G040 AB05 AB08 AB09 AB12 BA23 BA24 CA02 CB02 DA02 DA12 DA15 DA21 EA02 EA13 EB02 EC04 GA07 HA15 HA16 ZA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】注目する流体の選択された特性を決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有するヒータ手段
と、前記ヒータ手段に接続され、前記ヒータ手段に通電するヒータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、前記ヒータ手段から間隔を置いて配置され、温
度とともに変化する抵抗を有するセンサ手段と、前記センサ手段および前記ヒータ通電手段に結合され、前記センサ手段の抵抗
が所定の量だけ変化してから所定の時間後に前記ヒータ通電手段が前記ヒータ手
段に通電するようにするフィードバック手段とを備え、前記ヒータ通電手段、ヒータ手段、センサ手段およびフィードバック手段が、
前記ヒータ手段の通電と前記センサ手段の所定の量の抵抗変化との間の時間遅れ
に関係した周波数で振動する閉ループを形成し、さらに、前記振動周波数を使用して注目する流体の選択された特性を決定する決定手段
を備える、流体の特性の決定をする装置。
【請求項２】前記決定手段が前記振動周波数を使用して、前記ヒータ手段
の通電と前記センサ手段の所定の抵抗変化との間の時間遅れを決定する、請求項
１に記載の装置。
【請求項３】注目する流体の流れが実質的にゼロである、請求項１に記載
の装置。
【請求項４】前記決定手段が、振動周波数を使用して注目する流体の熱伝
導率ｋを決定する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】所定の較正情報を記憶するメモリ手段をさらに備え、決定手
段が、前記較正情報および前記振動周波数を使用して注目する流体の熱伝導率ｋ
を計算する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】前記フィードバック手段によって供給される所定の時間遅延
が制御可能である、請求項２に記載の装置。
【請求項７】前記決定手段が、前記振動周波数を使用して注目する流体の
熱拡散率Ｄ_tを決定する、請求項３に記載の装置。
【請求項８】所定の較正情報を記憶するメモリ手段をさらに備え、決定手
段が、前記較正情報および前記振動周波数を使用して注目する流体の熱拡散率Ｄ _t を計算する、請求項３に記載の装置。
【請求項９】前記フィードバック手段によって供給される所定の時間遅延
が制御可能である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】前記フィードバック手段によって供給される所定の時間遅
延が、注目する流体の熱伝導率ｋを決定するときよりも注目する流体の熱拡散率
Ｄ_tを決定するときのほうが小さい、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】前記決定手段がさらに、注目する流体の比熱ｃ_pvを関係式ｃ_pv＝ｋ／Ｄ_t に基づいて決定し、上式で、ｋ＝注目する流体の熱伝導率、Ｄ_t＝注目する流体の熱拡散率Ｄ_t である、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】前記決定手段が、前記振動周波数を使用して注目する流体
の流体速度ｖを決定する、請求項３に記載の装置。
【請求項１３】所定の較正情報を記憶するメモリ手段をさらに備え、前記
決定手段が、前記較正情報および前記振動周波数を使用して注目する流体の流体
速度ｖを決定する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】注目する流体の選択された特性を決定する方法であって、注目する流体に熱的に結合されたヒータ手段にヒータ通電手段を介して電力を
供給する段階と、前記ヒータ手段から第１の距離のところで生じた温度変化をセンサ手段を介し
て感知する段階と、生じた温度変化が前記センサ手段によって感知されてから所定の時間後に、前
記ヒータ通電手段を用いて前記ヒータ手段に通電する段階であって、前記ヒータ
手段の通電と前記センサ手段による対応する温度変化の感知との間の時間遅れに
関係した周波数で振動する閉ループが形成される段階と、前記振動周波数を使用して注目する流体の選択された特性を決定する段階とを含んでいる、流体の特性の決定をする方法。
【請求項１５】注目する流体の選択された特性が、熱伝導率、熱拡散率、
比熱および流体速度から成るグループから選択される、請求項１４に記載の方法
。
【請求項１６】注目する流体の選択された特性を決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有するヒータ手段
と、前記ヒータ手段に接続され、前記ヒータ手段に通電して注目する流体中に温度
外乱を生じさせるヒータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、それぞれが前記ヒータ手段から異なる距離を置
いて配置され、温度とともに変化する抵抗をそれぞれが有する少なくとも２つの
センサ手段と、温度外乱が第１のセンサ手段から第２のセンサ手段に伝わるまでの第１の移行
時間を決定する第１の移行時間手段を含み、前記第１のセンサ手段が、前記第２のセンサ手段から第１の距離だけ間隔を置
いて配置され、さらに、第１の移行時間を使用して注目する流体の選択された特性を決定する決定手段
とを備える、流体の特性の決定をする装置。
【請求項１７】注目する流体の前記選択された特性が、熱伝導率、熱拡散
率、比熱および流体速度から成るグループから選択される、請求項１６に記載の
装置。
【請求項１８】前記選択された特性が注目する流体の流体速度ｖである、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】前記決定手段が、事前に生成しておいた較正流体での流体
速度対第１の移行時間較正情報を使用して注目する流体の流体速度ｖを決定する
、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】注目する流体と熱的に連絡し、温度ともに変化する抵抗を
有する第３のセンサ手段と、温度外乱が第１のセンサ手段から第３のセンサ手段に伝わるまでの第２の移行
時間を決定する第２の移行時間手段をさらに備え、前記第１のセンサ手段が、前記第３のセンサ手段から第２の距離だけ間隔を置
いて配置され、さらに、第１の移行時間および第２の移行時間を使用して注目する流体の流体速度ｖを
決定する決定手段を備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】前記決定手段が、関係式ｖ＝｛（ｄ₁ ²／Δｚ₁−ｄ₂ ²／Δｚ₂）／（Δｚ₁−Δｚ₂）｝^0.5 を使用して注目する流体の流体速度ｖを決定し、上式で、ｄ₁＝第１の距離、ｄ₂＝第２の距離、 Δｚ₁＝第１の移行時間、 Δｚ₂＝第２の移行時間である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】注目する流体の流体速度ｖを決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有するヒータ手段
と、前記ヒータ手段に接続され、前記ヒータ手段に通電するヒータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、それぞれが前記ヒータ手段から異なる距離を置
いて配置され、温度とともに変化する抵抗をそれぞれが有する少なくとも２つの
センサ手段と、前記少なくとも２つのセンサ手段の第１のセンサ手段および前記ヒータ通電手
段に結合され、前記第１のセンサ手段の抵抗が所定の量だけ変化してから所定の
時間後に前記ヒータ通電手段が前記ヒータ手段に通電するようにするフィードバ
ック手段とを備え、前記ヒータ通電手段、ヒータ手段、第１のセンサ手段およびフィードバック手
段が、前記ヒータ手段の通電と前記第１のセンサ手段の抵抗変化との間の第１の
時間遅れに関係した周波数で振動する閉ループを形成し、さらに、前記ヒータ手段と前記少なくとも２つのセンサ手段の第２のセンサ手段の対応
する抵抗変化との間の時間遅れに対応する第２の時間遅れを決定する第１の時間
遅れ手段と、第１の時間遅れおよび第２の時間遅れを使用して注目する流体の流体速度ｖを
決定する決定手段とを備えている、流体の速度を決定する装置。
【請求項２３】前記決定手段が、第２の時間遅れから第１の時間遅れを差
し引いて第１のセンサから第２のセンサまでの第１の移行時間を決定する、請求
項２２に記載の装置。
【請求項２４】前記第１のセンサ手段が、第２のセンサ手段から第１の距
離だけ間隔を置いて配置され、前記決定手段が、第１の距離を前記第１の移行時
間で割って注目する流体の流体速度ｖを計算する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】前記決定手段が、事前に生成しておいた流体速度対第１の
移行時間較正曲線を使用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項２３
に記載の装置。
【請求項２６】第３のセンサ手段と、前記ヒータ手段と第３のセンサ手段の対応する抵抗変化との間の時間遅れに対
応する第３の時間遅れを決定する第２の時間遅れ手段をさらに備え、前記決定手段が、第１の時間遅れ、第２の時間遅れおよび第３の時間遅れを使
用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】前記決定手段が、第２の時間遅れから第１の時間遅れを差
し引いて第１のセンサから第２のセンサまでの第１の移行時間を決定し、第３の
時間遅れから第１の時間遅れを差し引いて第１のセンサから第３のセンサまでの
第２の移行時間を決定する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】前記第１のセンサ手段が第２のセンサ手段から第１の距離
だけ間隔を置いて配置され、前記第１のセンサ手段が第３のセンサ手段から第２
の距離だけ間隔を置いて配置され、前記決定手段が、第１の移行時間、第２の移
行時間、第１の距離および第２の距離を使用して注目する流体の流体速度ｖを計
算する、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】前記決定手段が、関係式ｖ＝｛（ｄ₁ ²／Δｚ₁−ｄ₂ ²／Δｚ₂）／（Δｚ₁−Δｚ₂）｝^0.5 を使用して注目する流体の流体速度ｖを計算し、上式で、ｄ₁＝第１の距離、ｄ₂＝第２の距離、 Δｚ₁＝第１の移行時間、 Δｚ₂＝第２の移行時間である、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】注目する流体の選択された特性を決定する方法であって、注目する流体に熱的に結合されたヒータ手段に通電することによって、注目す
る流体中に温度外乱を生じさせる段階と、温度外乱が第１のセンサ手段から第２のセンサ手段に伝わるまでの第１の移行
時間を決定する段階を含み、前記第１のセンサ手段が、前記第２のセンサ手段から第１の距離だけ間隔を置
いて配置され、さらに、第１の移行時間を使用して注目する流体の選択された特性を決定する段階を含んでいる、流体の特性の決定をする方法。
【請求項３１】前記決定段階が、関係式Ｄ_t＝ｄ²／４Δｚに基づいて注目する流体の熱拡散率Ｄ_tを決定し、上式で、ｄ＝第１の距離、 Δｚ＝第１の移行時間である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】前記決定段階が、事前に生成しておいた流体速度対第１の
移行時間較正曲線を使用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項３０
に記載の方法。
【請求項３３】温度外乱が第１のセンサ手段から第３のセンサ手段に伝わ
るまでの第２の移行時間を決定する段階をさらに含み、前記第１のセンサ手段が
、前記第３のセンサ手段から第２の距離だけ間隔を置いて配置される、請求項３
０に記載の方法。
【請求項３４】前記決定段階が、第１の移行時間および第２の移行時間を
使用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】前記決定手段が、関係式ｖ＝｛（ｄ₁ ²／Δｚ₁−ｄ₂ ²／Δｚ₂）／（Δｚ₁−Δｚ₂）｝^0.5 を使用して注目する流体の流体速度ｖを計算し、上式で、ｄ₁＝第１の距離、ｄ₂＝第２の距離、 Δｚ₁＝第１の移行時間、 Δｚ₂＝第２の移行時間である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】注目する流体の流体速度ｖを決定する方法であって、注目する流体に熱的に結合されたヒータ手段にヒータ通電手段を使用して通電
することによって、注目する流体中に温度外乱を生じさせる段階と、温度外乱を、前記ヒータ手段から間隔をあけて位置する第１の位置で第１のセ
ンサ手段を介して感知する段階と、温度外乱を第１のセンサ手段が感知してから所定の時間後に、前記ヒータ通電
手段を用いて前記ヒータ手段に通電する段階であって、前記ヒータ手段の通電と
第１のセンサ手段による温度外乱の感知との間の第１の時間遅れに関係した周波
数で振動する閉ループが形成される段階と、前記ヒータ手段の通電と前記ヒータ手段から間隔をあけて位置する第２の位置
での第２のセンサ手段による温度外乱の感知との間の時間遅れに対応する第２の
時間遅れを決定する段階と、第１の時間遅れおよび第２の時間遅れを使用して注目する流体の流体速度ｖを
決定する段階とを含んでいる、流体の速度の決定をする方法。
【請求項３７】前記決定段階が、第２の時間遅れから第１の時間遅れを差
し引いて第１のセンサ手段から第２のセンサ手段までの第１の移行時間を決定す
る、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】第１のセンサ手段と第２のセンサ手段とが第１の距離だけ
間隔を置いて配置され、前記決定段階が、第１の距離を前記第１の移行時間で割
って注目する流体の流体速度ｖを計算する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】前記決定段階が、事前に生成しておいた流体速度対第１の
移行時間較正曲線を使用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項３７
に記載の方法。
【請求項４０】前記ヒータ手段の通電と前記ヒータ手段から間隔をあけて
位置する第３の位置での第３のセンサ手段による温度外乱の感知との間の時間遅
れに対応する第３の時間遅れを決定する段階をさらに含み、前記決定段階が、第１の時間遅れ、第２の時間遅れおよび第３の時間遅れを使
用して注目する流体の流体速度ｖを決定する、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】前記決定段階が、第２の時間遅れから第１の時間遅れを差
し引いて第１のセンサ手段から第２のセンサ手段までの第１の移行時間を決定し
、第３の時間遅れから第１の時間遅れを差し引いて第１のセンサ手段から第３の
センサ手段までの第２の移行時間を決定する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】前記第２のセンサ手段と第３のセンサ手段とが第２の距離
だけ間隔を置いて配置され、前記決定段階が、第１の移行時間、第２の移行時間
、第１の距離および第２の距離を使用して注目する流体の流体速度ｖを計算する
、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】前記決定段階が、関係式ｖ＝｛（ｄ₁ ²／Δｚ₁−ｄ₂ ²／Δｚ₂）／（Δｚ₁−Δｚ₂）｝^0.5 を使用して注目する流体の流体速度ｖを計算し、上式で、ｄ₁＝第１の距離、ｄ₂＝第２の距離、 Δｚ₁＝第１の移行時間、 Δｚ₂＝第２の移行時間である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】注目する流体の選択された特性を決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有するヒータ手段
と、前記ヒータ手段に接続され、前記ヒータ手段に通電するヒータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、それぞれが前記ヒータ手段から異なる距離を置
いて配置され、温度ともに変化する抵抗をそれぞれが有する少なくとも２つのセ
ンサ手段と、前記少なくとも２つのセンサ手段の第１のセンサ手段および前記ヒータ通電手
段に結合され、前記第１のセンサ手段の抵抗が所定の量だけ変化してから所定の
時間後に前記ヒータ通電手段が前記ヒータ手段に通電するようにする第１のフィ
ードバック手段を備え、前記ヒータ通電手段、ヒータ手段、第１のセンサ手段および第１のフィードバ
ック手段が、前記ヒータ手段の通電と前記第１のセンサ手段の抵抗変化との間の
第１の時間遅れに関係した第１の周波数で振動する閉ループを形成し、さらに、前記少なくとも２つのセンサ手段の第２のセンサ手段および前記ヒータ通電手
段に結合され、前記第２のセンサ手段の抵抗が所定の量だけ変化してから所定の
時間後に前記ヒータ通電手段が前記ヒータ手段に通電するようにする第２のフィ
ードバック手段を備え、前記ヒータ通電手段、ヒータ手段、第２のセンサ手段および第２のフィードバ
ック手段が、前記ヒータ手段の通電と前記第２のセンサ手段の抵抗変化との間の
第２の時間遅れに関係した第２の周波数で振動する閉ループを形成し、さらに、第１の振動周波数と第２の振動周波数とのうなり周波数を決定するうなり周波
数手段と、うなり周波数から注目する流体の選択された特性を決定する決定手段とを備えている、流体の特性の決定をする装置。
【請求項４５】注目する流体の選択された特性を決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有する第１のヒー
タ手段と、前記第１のヒータ手段に接続され、前記第１のヒータ手段に通電する第１のヒ
ータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有する第２のヒー
タ手段と、前記第２のヒータ手段に接続され、前記第２のヒータ手段に通電する第２のヒ
ータ通電手段と、注目する流体と熱的に連絡し、それぞれが前記第１および第２のヒータ手段の
うちの対応するヒータ手段から異なる距離を置いて配置され、温度ともに変化す
る抵抗をそれぞれが有する少なくとも２つのセンサ手段と、前記少なくとも２つのセンサ手段の第１のセンサ手段および前記第１のヒータ
通電手段に結合され、前記第１のセンサ手段の抵抗が所定の量だけ変化してから
所定の時間後に前記第１のヒータ通電手段が前記第１のヒータ手段に通電するよ
うにする第１のフィードバック手段とを備え、前記第１のヒータ通電手段、第１のヒータ手段、第１のセンサ手段および第１
のフィードバック手段が、前記第１のヒータ手段の通電と前記第１のセンサ手段
の抵抗変化との間の第１の時間遅れに関係した第１の周波数で振動する閉ループ
を形成し、さらに、前記少なくとも２つのセンサ手段の第２のセンサ手段および前記第２のヒータ
通電手段に結合され、前記第２のセンサ手段の抵抗が所定の量だけ変化してから
所定の時間後に前記第２のヒータ通電手段が前記第２のヒータ手段に通電するよ
うにする第２のフィードバック手段を備え、前記第２のヒータ通電手段、第２のヒータ手段、第２のセンサ手段および第２
のフィードバック手段が、前記第２のヒータ手段の通電と前記第２のセンサ手段
の抵抗変化との間の第２の時間遅れに関係した第２の周波数で振動する閉ループ
を形成し、さらに、第１の振動周波数と第２の振動周波数とのうなり周波数を決定するうなり周波
数手段と、うなり周波数から注目する流体の選択された特性を決定する決定手段とを備えている、流体の特性を決定する装置。
【請求項４６】注目する流体の熱伝導率を決定する装置であって、注目する流体と熱的に連絡し、温度とともに変化する抵抗を有するヒータ手段
と、前記ヒータ手段に接続され、前記ヒータ手段に通電するヒータ通電手段と、前記センサ手段および前記ヒータ通電手段に結合され、前記ヒータ手段の抵抗
が所定の量だけ変化してから所定の時間後に前記ヒータ通電手段が前記ヒータ手
段に通電するようにするフィードバック手段を備え、前記ヒータ通電手段、ヒータ手段およびフィードバック手段が、前記ヒータ手
段の通電と前記センサ手段の所定の量の抵抗変化との間の内部時間遅れに関係し
た周波数で振動する閉ループを形成し、さらに、前記振動周波数を使用して注目する流体の熱伝導率を決定する決定手段を備えている、流体の熱伝導率を決定する装置。