JP2002500355A - 同一周波数発生器及びｆｆｔによる流体特性及び流量検知 - Google Patents
同一周波数発生器及びｆｆｔによる流体特性及び流量検知Info
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Abstract
(57)【要約】
共通周波数発生器を用い、対象となる流体の選択された特性を、１以上のヒータ及び／又はセンサエレメントを介して測定する方法および装置。共通周波数発生器は、順次に及び／又は同時に、選択されたヒータ及び／又はセンサエレメントへ入力信号を供給する。共通周波数発生器により１より多くの周波数成分を適用することにより、特に、ＦＦＴ分析技術を用いた場合に、１以上の時間及び／又はフェーズの遅延を効率的に判定することを可能にする。時間及び／又はフェーズの遅延から、流体流速を含む選択された流体の特性が判定できる。
Description
【０００１】 共出願に対する相互参照 本発明は、「単ヒータエレメントを用いる対象の流体の選択された特性を測定
するための方法及び装置」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願
通し番号第０９／００２，１５６号、「熱伝導率及び比熱を測定するための時間
遅延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願通し番号第０９／
００２，１５６号、「流体速度を測定するための時間遅延法」の表題の１９９７
年１２月３１日出願の米国特許出願通し番号第０９／００２，１５７号、及び「
自己発振流体検知器」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願通し
番号第０９／００１，７３５号に関連し、これらは全て本発明の譲受人に譲渡さ
れており、本明細書に引用されている。
するための方法及び装置」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願
通し番号第０９／００２，１５６号、「熱伝導率及び比熱を測定するための時間
遅延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願通し番号第０９／
００２，１５６号、「流体速度を測定するための時間遅延法」の表題の１９９７
年１２月３１日出願の米国特許出願通し番号第０９／００２，１５７号、及び「
自己発振流体検知器」の表題の１９９７年１２月３１日出願の米国特許出願通し
番号第０９／００１，７３５号に関連し、これらは全て本発明の譲受人に譲渡さ
れており、本明細書に引用されている。
【０００２】 発明の背景 １．発明の分野 本発明は全体的に流体特性の判定に関し、より詳細には、対象の流体の熱伝導
率、温度拡散率、比熱及び速度の決定に関する。
率、温度拡散率、比熱及び速度の決定に関する。
【０００３】 ２．先行技術の説明 対象とする流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱及び速度を測定するために幾つ
かの方法が考案されている。通常、これらの及び他の特性は、無支持の薄膜ブリ
ッジ或いは膜微細構造上に定位された断熱された駆動及び検知エレメントを有す
る抵抗検知器を含む種々の熱検知器の使用によって検出される。 熱伝導率を決定するための一つの方法が米国特許第４，７３５，０８２号に記
載されており、この特許には、その足の一つに加熱エレメントを有するホイート
ストンブリッジ回路がキャビティの中に置かれ、或いは位置されており、対象の
試料流体に接触している。加熱エレメントは、ヒータエレメントへの入力電圧を
周期的に変化させることにより一連の量の熱エネルギを対象の流体に伝送するの
に用いられ、これらの熱エネルギは別の足にある検知器（センサ）においてブリ
ッジにかかる電圧差信号として検出される。信号の連続流の値の変化を積分する
と、流体と通しての放熱、従って流体の熱伝導率の示す信号が生じる。
かの方法が考案されている。通常、これらの及び他の特性は、無支持の薄膜ブリ
ッジ或いは膜微細構造上に定位された断熱された駆動及び検知エレメントを有す
る抵抗検知器を含む種々の熱検知器の使用によって検出される。 熱伝導率を決定するための一つの方法が米国特許第４，７３５，０８２号に記
載されており、この特許には、その足の一つに加熱エレメントを有するホイート
ストンブリッジ回路がキャビティの中に置かれ、或いは位置されており、対象の
試料流体に接触している。加熱エレメントは、ヒータエレメントへの入力電圧を
周期的に変化させることにより一連の量の熱エネルギを対象の流体に伝送するの
に用いられ、これらの熱エネルギは別の足にある検知器（センサ）においてブリ
ッジにかかる電圧差信号として検出される。信号の連続流の値の変化を積分する
と、流体と通しての放熱、従って流体の熱伝導率の示す信号が生じる。
【０００４】 下記により詳細に論じられるように、電気抵抗における熱誘起変化の測定に言
及すると、特に先行技術の図１乃至５図に言及すると、非常に小さな且つ非常に
正確な「マイクロブリッジ」半導体チップ検知器が記載されており、この中で斯
かる微細エレメントはヒータ及び検知器として用いられている。斯かる検知器は
、例えば、流量を測定するための薄膜ヒータエレメントの周囲の一対の薄膜検知
器エレメントを含み得る。記載された分類の半導体チップ検知器は、米国特許第
４，４７８，０７６号、米国特許第４，４７８，０７７号、米国特許第４，５０
１，１４４号、米国特許第４，６５１，５６４号、及び米国特許第４，６８３，
１５９号等の特許の一つ或いはそれ以上においてより詳細な様式で扱われており
、これらの特許は本発明と共通の譲受人である。
及すると、特に先行技術の図１乃至５図に言及すると、非常に小さな且つ非常に
正確な「マイクロブリッジ」半導体チップ検知器が記載されており、この中で斯
かる微細エレメントはヒータ及び検知器として用いられている。斯かる検知器は
、例えば、流量を測定するための薄膜ヒータエレメントの周囲の一対の薄膜検知
器エレメントを含み得る。記載された分類の半導体チップ検知器は、米国特許第
４，４７８，０７６号、米国特許第４，４７８，０７７号、米国特許第４，５０
１，１４４号、米国特許第４，６５１，５６４号、及び米国特許第４，６８３，
１５９号等の特許の一つ或いはそれ以上においてより詳細な様式で扱われており
、これらの特許は本発明と共通の譲受人である。
【０００５】 流体の熱伝導率、温度拡散率及び比熱を測定するための別の方法が、アアガー
ドその他による米国特許第４，９４４，０３５号に開示されている。アアガード
その他は、ヒータ膜及び少なくとも一つの隔置検知器膜を有するマイクロブリッ
ジの使用を開示している。電気エネルギのパルスが過渡変化と実質的に定常状態
温度の両方が検知器に生じるようなレベルと期間でヒータに適用される。対象の
流体の熱伝導率が、定常状態検知器温度にある検知器出力と熱伝導率との間の既
知関係に基づいて決定される。対象の流体の比熱及び温度拡散率は、熱伝導率、
検知器における過渡温度変化の間の検知器出力の変化の速度、及び温度拡散率と
比熱との間の既知関係に基づいて決定される。
ドその他による米国特許第４，９４４，０３５号に開示されている。アアガード
その他は、ヒータ膜及び少なくとも一つの隔置検知器膜を有するマイクロブリッ
ジの使用を開示している。電気エネルギのパルスが過渡変化と実質的に定常状態
温度の両方が検知器に生じるようなレベルと期間でヒータに適用される。対象の
流体の熱伝導率が、定常状態検知器温度にある検知器出力と熱伝導率との間の既
知関係に基づいて決定される。対象の流体の比熱及び温度拡散率は、熱伝導率、
検知器における過渡温度変化の間の検知器出力の変化の速度、及び温度拡散率と
比熱との間の既知関係に基づいて決定される。
【０００６】 対象の流体の速度を決定するための典型的な方法は、熱波がソースヒータエレ
メントから目的検知器エレメントに移動するのに要する時間を決定することであ
る。ヒータエレメントと検知器エレメントとの間の距離だけでなく、温度拡散率
の寄与をも知ることにより、流体の速度を計算することが出来る。この方法はラ
ンバートによる米国特許第４，５７６，０５０号に示唆されている。ランバート
は発振ヒータの入力信号でヒータストリップを附勢して流体に熱波を発している
。この熱波は、ヒータストリップに垂直に流れる流体速度に依存する速度で流体
中を進む。ヒータの片側或いは両側から隔置された熱電検出器がこの熱波を検知
し、相当する検出器出力信号を提供する。流体の速度は、ヒータ入力と検出器出
力信号との間の時間差から、少なくとも一次的に決定される。
メントから目的検知器エレメントに移動するのに要する時間を決定することであ
る。ヒータエレメントと検知器エレメントとの間の距離だけでなく、温度拡散率
の寄与をも知ることにより、流体の速度を計算することが出来る。この方法はラ
ンバートによる米国特許第４，５７６，０５０号に示唆されている。ランバート
は発振ヒータの入力信号でヒータストリップを附勢して流体に熱波を発している
。この熱波は、ヒータストリップに垂直に流れる流体速度に依存する速度で流体
中を進む。ヒータの片側或いは両側から隔置された熱電検出器がこの熱波を検知
し、相当する検出器出力信号を提供する。流体の速度は、ヒータ入力と検出器出
力信号との間の時間差から、少なくとも一次的に決定される。
【０００７】 上記の先行技術の多くの方法の一つの制限要素は、かなりの量の支持ハードウ
ェア及び／またはソフトウエアを要することである。例えば、先行技術の方法の
多くは、周波数入力信号をヒータエレメントに与えるのに幾つかの周波数発生器
を用いている。周波数発生器は、ハードウエアと電力の両方において、比較的高
価となり得る。同様に、先行技術の方法の多くは、ヒータ入力信号と流体中の相
当の温度変動との間の時間或いは位相（フェーズ）遅延を測定するのに一つ又は
それ以上の高周波タイマを必要とする。固定周波数発生器と同様に、高周波タイ
マは、ハードウエアと電力の両方において、比較的高価となり得る。最終的に、
先行技術の方法の多くは、抵抗エレメントのドリフトによって生じる誤差を生じ
勝ちになる。
ェア及び／またはソフトウエアを要することである。例えば、先行技術の方法の
多くは、周波数入力信号をヒータエレメントに与えるのに幾つかの周波数発生器
を用いている。周波数発生器は、ハードウエアと電力の両方において、比較的高
価となり得る。同様に、先行技術の方法の多くは、ヒータ入力信号と流体中の相
当の温度変動との間の時間或いは位相（フェーズ）遅延を測定するのに一つ又は
それ以上の高周波タイマを必要とする。固定周波数発生器と同様に、高周波タイ
マは、ハードウエアと電力の両方において、比較的高価となり得る。最終的に、
先行技術の方法の多くは、抵抗エレメントのドリフトによって生じる誤差を生じ
勝ちになる。
【０００８】 発明の概要 本発明はヒータ及び／又は検知器エレメントに対して共通（同一）周波数発生
器を用いる流体センサ（検知器）を提供することにより先行技術に関連する欠点
の多くを克服する。この周波数発生器は、選択されたヒータ及び検知器エレメン
トに連続的に且つ／又は同時に入力信号を提供し得る。同一周波数発生器により
二つ以上の周波数成分を適用することができ、これにより種々の周波数において
時間及び／又は位相遅延をより効率的に得ることが出来る。更に、ＦＦＴアルゴ
リズムを用いてこれらの周波数成分を分離し且つ／或いは選択された入力及び出
力信号の位相遅延を決定することが出来ることを意図されている。位相遅延（位
相ずれ）から、選択された流体特性を下記により詳細に述べるように決定するこ
とが出来る。本発明は位相遅延或いは周波数を用いて流体特性を決定し、これに
より、当該のマイクロヒータ抵抗エレメントの可変性のみが二次影響を有するの
で、流体の熱特性を多くの先行技術の方法よりも正確に決定することが出来る。
器を用いる流体センサ（検知器）を提供することにより先行技術に関連する欠点
の多くを克服する。この周波数発生器は、選択されたヒータ及び検知器エレメン
トに連続的に且つ／又は同時に入力信号を提供し得る。同一周波数発生器により
二つ以上の周波数成分を適用することができ、これにより種々の周波数において
時間及び／又は位相遅延をより効率的に得ることが出来る。更に、ＦＦＴアルゴ
リズムを用いてこれらの周波数成分を分離し且つ／或いは選択された入力及び出
力信号の位相遅延を決定することが出来ることを意図されている。位相遅延（位
相ずれ）から、選択された流体特性を下記により詳細に述べるように決定するこ
とが出来る。本発明は位相遅延或いは周波数を用いて流体特性を決定し、これに
より、当該のマイクロヒータ抵抗エレメントの可変性のみが二次影響を有するの
で、流体の熱特性を多くの先行技術の方法よりも正確に決定することが出来る。
【０００９】 本発明の第一例示実施形態では、周波数発生器は、ヒータエレメントと検知器
エレメントの一方或いは両方に時変（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ）入力信号を提
供する。ヒータエレメントと検知器エレメントは、対応のホイートストンブリッ
ジ回路の一つの足に配設するのが好ましい。ヒータ出力信号と検知器出力信号は
、それぞれ、ヒータエレメントと検知器エレメントの抵抗、従って、温度を示す
。
エレメントの一方或いは両方に時変（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ）入力信号を提
供する。ヒータエレメントと検知器エレメントは、対応のホイートストンブリッ
ジ回路の一つの足に配設するのが好ましい。ヒータ出力信号と検知器出力信号は
、それぞれ、ヒータエレメントと検知器エレメントの抵抗、従って、温度を示す
。
【００１０】 ヒータエレメントは対象とする流体に密接に結合されているため、流体の熱伝
導率「ｋ」は、ヒータエレメントの時間可変温度応答特性に直接影響する。更に
、流体の熱伝導率は通常、流体の圧力および／又は温度に依存する。斯くして、
対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度は、ヒータエレメントに提供された
時変入力信号と実質的にゼロの流量によって測定される時のヒータエレメントの
後続の過渡温度応答特性との間の可変位相遅延又は時間遅延を調べることにより
決定することが出来る。
導率「ｋ」は、ヒータエレメントの時間可変温度応答特性に直接影響する。更に
、流体の熱伝導率は通常、流体の圧力および／又は温度に依存する。斯くして、
対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度は、ヒータエレメントに提供された
時変入力信号と実質的にゼロの流量によって測定される時のヒータエレメントの
後続の過渡温度応答特性との間の可変位相遅延又は時間遅延を調べることにより
決定することが出来る。
【００１１】 所望の位相遅延を決定するために、本発明はＦＦＴアルゴリズムを実施するプ
ロセッサの提供を意図している。ここに用いられているプロセッサという用語は
、如何なるハードウエア或いはソフトウエア実施をも含む。プロセッサは、例え
ば、時変入力信号と過渡上昇温度状態におけるヒータ出力信号との間の位相遅延
を決定するのに用いられ得る。プロセッサは、周波数発生器によって提供された
時変入力信号とヒータ出力信号の両方を受け得る。ＦＦＴアルゴリズム及び／又
は相互関係方法を用いて、時変入力信号とヒータ出力信号との間の位相遅延を決
定することが出来る。位相遅延から、対象の流体の温度、圧力及び／又は熱伝導
率を計算することが出来る。
ロセッサの提供を意図している。ここに用いられているプロセッサという用語は
、如何なるハードウエア或いはソフトウエア実施をも含む。プロセッサは、例え
ば、時変入力信号と過渡上昇温度状態におけるヒータ出力信号との間の位相遅延
を決定するのに用いられ得る。プロセッサは、周波数発生器によって提供された
時変入力信号とヒータ出力信号の両方を受け得る。ＦＦＴアルゴリズム及び／又
は相互関係方法を用いて、時変入力信号とヒータ出力信号との間の位相遅延を決
定することが出来る。位相遅延から、対象の流体の温度、圧力及び／又は熱伝導
率を計算することが出来る。
【００１２】 他の流体特性、例えば、熱伝導率、比熱及び／又は流体速度を決定するために
、ヒータと検知器エレメントの両方を用いることが出来る。一つの例示実施形態
では、周波数発生器は、時変入力信号をヒータエレメントと検知器エレメントに
選択的に提供する。周波数発生器は、ホイートストンブリッジを通して、ヒータ
エレメントに先ず選択的に結合されるのが好ましく、ヒータ対検知器位相遅延は
ＦＦＴアルゴリズムを用いて決定される。検知器エレメントの内部位相遅延の過
渡時間への影響を減らすために、検知器エレメントに提供される時変入力信号と
検知器出力信号との間の位相遅延を決定することが出来る。一つの実施形態では
、これは、先ず周波数発生器をヒータエレメントから脱合し、次に周波数発生器
を検知器エレメントに結合することにより達成することが出来る。これにより、
プロセッサは、ヒータエレメントによって提供される流体中の温度変動によって
生じる如何なる干渉を受けることなしに検知器エレメントの内部位相遅延を決定
することが出来る。
、ヒータと検知器エレメントの両方を用いることが出来る。一つの例示実施形態
では、周波数発生器は、時変入力信号をヒータエレメントと検知器エレメントに
選択的に提供する。周波数発生器は、ホイートストンブリッジを通して、ヒータ
エレメントに先ず選択的に結合されるのが好ましく、ヒータ対検知器位相遅延は
ＦＦＴアルゴリズムを用いて決定される。検知器エレメントの内部位相遅延の過
渡時間への影響を減らすために、検知器エレメントに提供される時変入力信号と
検知器出力信号との間の位相遅延を決定することが出来る。一つの実施形態では
、これは、先ず周波数発生器をヒータエレメントから脱合し、次に周波数発生器
を検知器エレメントに結合することにより達成することが出来る。これにより、
プロセッサは、ヒータエレメントによって提供される流体中の温度変動によって
生じる如何なる干渉を受けることなしに検知器エレメントの内部位相遅延を決定
することが出来る。
【００１３】 これにより、ヒータエレメントから検知器エレメントへの過渡時間を、ヒータ
対検知器位相遅延から検知器エレメントの内部位相遅延を減算することにより、
決定することが出来る。対象の流体が実質的にゼロ流である場合、温度拡散率を
決定することが出来る。対象の流体が流れ状態にある場合、流体速度を、先行の
校正の後に、決定することが出来る。 第二の検知器も配設され得ることが意図されている。上記の方法を用いて、ヒ
ータエレメントと第二検知器エレメントとの間の第二ヒータ対検知器位相遅延を
決定することが出来る。同様に、第二検知器エレメントの内部位相遅延を決定す
ることが出来る。対応のヒータ対検知器位相遅延から第二検知器の内部位相遅延
を減算することにより、第二過渡時間を決定することが出来る。第一及び第二過
渡時間を用いて、流体速度を、先行の校正なしに、対象の流体に比較的独立して
決定することが出来る。
対検知器位相遅延から検知器エレメントの内部位相遅延を減算することにより、
決定することが出来る。対象の流体が実質的にゼロ流である場合、温度拡散率を
決定することが出来る。対象の流体が流れ状態にある場合、流体速度を、先行の
校正の後に、決定することが出来る。 第二の検知器も配設され得ることが意図されている。上記の方法を用いて、ヒ
ータエレメントと第二検知器エレメントとの間の第二ヒータ対検知器位相遅延を
決定することが出来る。同様に、第二検知器エレメントの内部位相遅延を決定す
ることが出来る。対応のヒータ対検知器位相遅延から第二検知器の内部位相遅延
を減算することにより、第二過渡時間を決定することが出来る。第一及び第二過
渡時間を用いて、流体速度を、先行の校正なしに、対象の流体に比較的独立して
決定することが出来る。
【００１４】 本発明の別の例示実施形態では、周波数発生器は二つ又はそれ以上の固定周波
数を、連続的に或いは同時に、ヒータエレメント及び諸検知器の一方或いは両方
に提供し得る。これらの周波数は理想的周波数に近似するように選択されるのが
好ましく、この理想的周波数によって、流体中の熱パルスが検知器エレメントが
時変入力信号によって付勢されるのと同時に検知器エレメントに到達する。この
理想的周波数は通常、ヒータエレメントと検知器エレメントとの間の距離、流体
の選択された特性、ヒータと検知器入力との間の選択された位相遅延、流体の速
度等に依存する。
数を、連続的に或いは同時に、ヒータエレメント及び諸検知器の一方或いは両方
に提供し得る。これらの周波数は理想的周波数に近似するように選択されるのが
好ましく、この理想的周波数によって、流体中の熱パルスが検知器エレメントが
時変入力信号によって付勢されるのと同時に検知器エレメントに到達する。この
理想的周波数は通常、ヒータエレメントと検知器エレメントとの間の距離、流体
の選択された特性、ヒータと検知器入力との間の選択された位相遅延、流体の速
度等に依存する。
【００１５】 検知器エレメントの内部位相遅延は、上記のようにＦＦＴアルゴリズム及び／
又は相互関係（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）方法を用いて固定周波数
成分の各々に対して決定される。これにより理想的周波数は、例えば、固定周波
数における内部位相遅延から、真空条件における検知器エレメントの内部位相遅
延に等しい内部位相遅延を生じるであろう理想的周波数に外挿することにより決
定することが出来る。真空条件下では、検知器エレメントから対象の流体に或い
は対象の流体から熱が移動することがなく、従って、検知器エレメントの温度は
流体の温度を基本的に追跡する。種々の周波数における真空条件下で検知器エレ
メントの内部位相遅延を決定するのに先行の校正手順を達成し得る。理想的周波
数がいったん確認されると、流体中の温度変動の過渡時間を決定することが出来
る。
又は相互関係（ｃｒｏｓｓ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）方法を用いて固定周波数
成分の各々に対して決定される。これにより理想的周波数は、例えば、固定周波
数における内部位相遅延から、真空条件における検知器エレメントの内部位相遅
延に等しい内部位相遅延を生じるであろう理想的周波数に外挿することにより決
定することが出来る。真空条件下では、検知器エレメントから対象の流体に或い
は対象の流体から熱が移動することがなく、従って、検知器エレメントの温度は
流体の温度を基本的に追跡する。種々の周波数における真空条件下で検知器エレ
メントの内部位相遅延を決定するのに先行の校正手順を達成し得る。理想的周波
数がいったん確認されると、流体中の温度変動の過渡時間を決定することが出来
る。
【００１６】 検知器エレメントの温度が検知器エレメントにおける流体中の熱パルスの振幅
に近似するように、検知器エレメントに提供される入力信号の振幅を調節するこ
とが出来ることが意図される。入力信号の振幅を補償することにより、理想的周
波数をより正確に決定することが出来る。 本発明の別の例示実施形態では、ヒータ及び／又は検知器エレメントの内部位
相遅延が強制的に負になり、一方、周波数発生器によって提供される検知器抵抗
位相遅延対入力信号が実質的にゼロになる。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で
あることが好ましい電圧依存抵抗が、対応するホイートストンブリッジの一つの
足に配設されるのが好ましい。本実施形態では、周波数発生器は時変入力信号を
電圧依存抵抗に提供する。差動増幅器は、ホイートストンブリッジにおける如何
なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供して電力入力信号によってホイートス
トンブリッジを平衡化する。斯くして、ヒータ及び／又は検知器エレメントの抵
抗及び温度は、電圧依存抵抗の抵抗値、或いはこの場合、時変入力信号を実質的
に追跡することを強制される。従って、ヒータ及び／又は検知器エレメントと時
変入力信号との間の位相遅延は差動増幅器によって実質的にゼロになるように強
制される。
に近似するように、検知器エレメントに提供される入力信号の振幅を調節するこ
とが出来ることが意図される。入力信号の振幅を補償することにより、理想的周
波数をより正確に決定することが出来る。 本発明の別の例示実施形態では、ヒータ及び／又は検知器エレメントの内部位
相遅延が強制的に負になり、一方、周波数発生器によって提供される検知器抵抗
位相遅延対入力信号が実質的にゼロになる。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で
あることが好ましい電圧依存抵抗が、対応するホイートストンブリッジの一つの
足に配設されるのが好ましい。本実施形態では、周波数発生器は時変入力信号を
電圧依存抵抗に提供する。差動増幅器は、ホイートストンブリッジにおける如何
なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供して電力入力信号によってホイートス
トンブリッジを平衡化する。斯くして、ヒータ及び／又は検知器エレメントの抵
抗及び温度は、電圧依存抵抗の抵抗値、或いはこの場合、時変入力信号を実質的
に追跡することを強制される。従って、ヒータ及び／又は検知器エレメントと時
変入力信号との間の位相遅延は差動増幅器によって実質的にゼロになるように強
制される。
【００１７】 温度変動がヒータエレメントから検知器エレメントに移動する過渡時間は、検
知器のホイートストンブリッジを平衡化するために差動増幅器によって提供され
る電力入力信号の位相シフトを検知することによって検出することが出来る。好
ましい実施形態では、二つ又はそれ以上の周波数が周波数発生器によってヒータ
と検知器エレメントに提供される。これによりＦＦＴアルゴリズムを実施するプ
ロセッサが、周波数成分の各々に対して検知器エレメントのホイートストンブリ
ッジに提供される電力入力信号の位相シフトを決定することが出来る。これによ
り理想的周波数を、例えば、電力入力信号における測定位相シフトから理想条件
に相当する位相シフトに外挿することにより決定することが出来る。 本発明の他の目的及び本発明の付随利点の多くは、添付の図面に関連して考慮
される時に下記の詳細な説明に言及することにより更に理解されるに応じて容易
に理解されるが、これらの図面を通して類似の参照番号は類似の部品を示してい
る。
知器のホイートストンブリッジを平衡化するために差動増幅器によって提供され
る電力入力信号の位相シフトを検知することによって検出することが出来る。好
ましい実施形態では、二つ又はそれ以上の周波数が周波数発生器によってヒータ
と検知器エレメントに提供される。これによりＦＦＴアルゴリズムを実施するプ
ロセッサが、周波数成分の各々に対して検知器エレメントのホイートストンブリ
ッジに提供される電力入力信号の位相シフトを決定することが出来る。これによ
り理想的周波数を、例えば、電力入力信号における測定位相シフトから理想条件
に相当する位相シフトに外挿することにより決定することが出来る。 本発明の他の目的及び本発明の付随利点の多くは、添付の図面に関連して考慮
される時に下記の詳細な説明に言及することにより更に理解されるに応じて容易
に理解されるが、これらの図面を通して類似の参照番号は類似の部品を示してい
る。
【００１８】 好ましい実施形態の詳細な説明 従って、本発明は、ヒータ及び／又はセンサ（検知器）エレメントのための同
一周波数発生器を用いて対象の流体の熱導電率、比熱、温度拡散率及び速度を含
む選択された流体特性を決定するシステムを意図している。更に、種々の周波数
成分が与えられている時にこれらの周波数成分を分離し、且つ／又は選択された
信号間の所望位相遅延を決定するのにＦＦＴ分析を用い得ることが意図される。 本発明の好ましい実施形態は微視的寸法の加熱エレメントを対象の流体の試料
中に保持することを意図している。ここではそのように呼ばれる微細膜又は微細
検知器システム或いは「マイクロブリッジ」は、限定するものではないが、ここ
では幾つかの理由により好ましい。このシステムは、非常に反応が早く、非常に
正確であり、対象の流体へのその有益な結合の故に非常に好感度であり、小さく
、且つ種々の構成に適応可能である。
一周波数発生器を用いて対象の流体の熱導電率、比熱、温度拡散率及び速度を含
む選択された流体特性を決定するシステムを意図している。更に、種々の周波数
成分が与えられている時にこれらの周波数成分を分離し、且つ／又は選択された
信号間の所望位相遅延を決定するのにＦＦＴ分析を用い得ることが意図される。 本発明の好ましい実施形態は微視的寸法の加熱エレメントを対象の流体の試料
中に保持することを意図している。ここではそのように呼ばれる微細膜又は微細
検知器システム或いは「マイクロブリッジ」は、限定するものではないが、ここ
では幾つかの理由により好ましい。このシステムは、非常に反応が早く、非常に
正確であり、対象の流体へのその有益な結合の故に非常に好感度であり、小さく
、且つ種々の構成に適応可能である。
【００１９】 例えば本発明に好ましい特定の実施形態に意図されるマイクロブリッジ半導体
チップ検知器は米国特許第４，４７８，０７６号、米国特許第４，４７８，０７
７号、米国特許第４，５０１，１４４号、米国特許第４，６５１，５６４号、米
国特許第４，６８３，１５９号、及び米国特許第４，９９４，０３５号に記載さ
れているマイクロブリッジシステムの一つ又はそれ以上のシステムの形に類似可
能であり、これらの特許は本発明と共通の譲受人である。 斯かるシステムはアアガード（Ａａｇａｒｄ）その他による米国特許第４，９
９４，０３５号から取った図１乃至図３によって例示される。本発明を理解する
上で助けになるためこの例の論述をここで与える。この論述は、必要な程度に充
分であると信じられるが、引用されたマイクロブリッジ関連特許に含まれている
如何なる付加的な資料も本明細書に参照として引用されていると考えられる。
チップ検知器は米国特許第４，４７８，０７６号、米国特許第４，４７８，０７
７号、米国特許第４，５０１，１４４号、米国特許第４，６５１，５６４号、米
国特許第４，６８３，１５９号、及び米国特許第４，９９４，０３５号に記載さ
れているマイクロブリッジシステムの一つ又はそれ以上のシステムの形に類似可
能であり、これらの特許は本発明と共通の譲受人である。 斯かるシステムはアアガード（Ａａｇａｒｄ）その他による米国特許第４，９
９４，０３５号から取った図１乃至図３によって例示される。本発明を理解する
上で助けになるためこの例の論述をここで与える。この論述は、必要な程度に充
分であると信じられるが、引用されたマイクロブリッジ関連特許に含まれている
如何なる付加的な資料も本明細書に参照として引用されていると考えられる。
【００２０】 図１乃至図３の先行技術システムは一対の薄膜温度検知器２２及び２４、薄膜
ヒータ２６及びこれらの検知器とヒータを基板に接触しないように支持している
支持部材２０を意図している。検知器２２及び２４はヒータ２６の互いに反対側
に位置されているように図示されている。支持部材２０は非伝導絶縁或いは半導
体材料である。その精密エッチング技術への適応性と電子チップ製造の容易性の
故にここではシリコンが選択された。この実施形態は薄膜熱検知器として作用す
る二つの同等の温度検知抵抗格子２２及び２４並びに薄膜ヒータとして作用する
中央に定位しているヒータ抵抗格子２６を含んでいる。 検知器２２及び２４並びにヒータ２６は如何なる好適な安定な金属或いは合金
膜から製造し得る。金属は白金或いは、８０パーセントのニッケル及び２０パー
セントの鉄の組成を有する、パーマロイとも呼ばれるニッケル−鉄合金であり得
る。これらの検知器及びヒータ格子は、通常は層２８及び２９を含み窒化珪素Ｓ
ｉ3Ｎ4が好ましい誘電体の薄膜に包まれて膜部材を形成している。他の薄膜材料
はＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3等を含み得る。
ヒータ２６及びこれらの検知器とヒータを基板に接触しないように支持している
支持部材２０を意図している。検知器２２及び２４はヒータ２６の互いに反対側
に位置されているように図示されている。支持部材２０は非伝導絶縁或いは半導
体材料である。その精密エッチング技術への適応性と電子チップ製造の容易性の
故にここではシリコンが選択された。この実施形態は薄膜熱検知器として作用す
る二つの同等の温度検知抵抗格子２２及び２４並びに薄膜ヒータとして作用する
中央に定位しているヒータ抵抗格子２６を含んでいる。 検知器２２及び２４並びにヒータ２６は如何なる好適な安定な金属或いは合金
膜から製造し得る。金属は白金或いは、８０パーセントのニッケル及び２０パー
セントの鉄の組成を有する、パーマロイとも呼ばれるニッケル−鉄合金であり得
る。これらの検知器及びヒータ格子は、通常は層２８及び２９を含み窒化珪素Ｓ
ｉ3Ｎ4が好ましい誘電体の薄膜に包まれて膜部材を形成している。他の薄膜材料
はＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3等を含み得る。
【００２１】 図１及び図２では、検知器は二つの薄膜部材３２及び３４を含んでおり、部材
３２は検知器２２を部材３４は検知器２４を含んでおり、各部材はヒータ２６の
片半分を含んでおり且つ１５０ミクロン幅及び４００ミクロン長さの好ましい寸
法を有している。しかしながら、ヒータ２６は１０ミクロン幅と３０ミクロン長
さと小さい寸法であり得る。 このシステムは更にエレメント２２，２４，２６を効果的に包囲する且つシリ
コン表面３６上に構造を作ることによって達成される正確に画成する流体空間（
液体又は気体）３０を説明している。膜エレメント２２，２４及び２６は約０．
０８乃至０．１２ミクロンの厚さを有しており、線幅は５ミクロン台であり且つ
線間は５ミクロン台である。窒化珪素膜に包まれているこれらのエレメントは約
０．８ミクロン以下の全厚さを有するのが好ましい。流体空間３０は、その後に
部材３２及び３４の下のシリコン体２０の中に約１００ミクロンの深さの正確に
画成されたシリコンを含まない窪みにエッチングすることにより作ることが出来
る。
３２は検知器２２を部材３４は検知器２４を含んでおり、各部材はヒータ２６の
片半分を含んでおり且つ１５０ミクロン幅及び４００ミクロン長さの好ましい寸
法を有している。しかしながら、ヒータ２６は１０ミクロン幅と３０ミクロン長
さと小さい寸法であり得る。 このシステムは更にエレメント２２，２４，２６を効果的に包囲する且つシリ
コン表面３６上に構造を作ることによって達成される正確に画成する流体空間（
液体又は気体）３０を説明している。膜エレメント２２，２４及び２６は約０．
０８乃至０．１２ミクロンの厚さを有しており、線幅は５ミクロン台であり且つ
線間は５ミクロン台である。窒化珪素膜に包まれているこれらのエレメントは約
０．８ミクロン以下の全厚さを有するのが好ましい。流体空間３０は、その後に
部材３２及び３４の下のシリコン体２０の中に約１００ミクロンの深さの正確に
画成されたシリコンを含まない窪みにエッチングすることにより作ることが出来
る。
【００２２】 部材３２及び３４は半導体２０の上部表面３６のエッチング穴又は窪み３０の
一つ又はそれ以上の縁に接続している。図３に例示されているように、部材３２
および３４は窪み３０にまたがって架けられており、或いは、例えば、部材３２
および３４は窪み３０上に片持梁状に架けられており、或いは、背部からシリコ
ンをエッチングで除去した後に形成された連続上部部材表面の一部であり得る。 図示のシステムでは、ヒータと検知器の間の固体と流体結合の両方によって熱
がヒータから検知器に流れる。銘記すべきは、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）は、良電気
絶縁体である他に、効果的な固体熱絶縁体であるという事実である。効果的な熱
絶縁の故に、部材３２および３４内の固体窒化珪素を通しての熱伝達はヒータ２
６からの熱の伝達を支配することはない。これにより更に、ヒータ抵抗２６から
検知抵抗２２及び２４へのかなりの量の熱が支持窒化膜を通してではなく周囲の
流体を通しての伝達によって伝えられる。更に、支持窒化珪素膜は、検知抵抗格
子２２及び２４が加熱抵抗格子２６に直ぐ隣接して定位されるか並置される程度
に充分低い熱伝度率を有している。斯くして、検知抵抗格子２２及び２４は実際
は流体空間近似ヒータ抵抗２６中に固定的に懸架されており、ヒータ抵抗格子２
６の面の近くに且つ中の流体の温度を測定するための熱プローブとして作用する
。
一つ又はそれ以上の縁に接続している。図３に例示されているように、部材３２
および３４は窪み３０にまたがって架けられており、或いは、例えば、部材３２
および３４は窪み３０上に片持梁状に架けられており、或いは、背部からシリコ
ンをエッチングで除去した後に形成された連続上部部材表面の一部であり得る。 図示のシステムでは、ヒータと検知器の間の固体と流体結合の両方によって熱
がヒータから検知器に流れる。銘記すべきは、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）は、良電気
絶縁体である他に、効果的な固体熱絶縁体であるという事実である。効果的な熱
絶縁の故に、部材３２および３４内の固体窒化珪素を通しての熱伝達はヒータ２
６からの熱の伝達を支配することはない。これにより更に、ヒータ抵抗２６から
検知抵抗２２及び２４へのかなりの量の熱が支持窒化膜を通してではなく周囲の
流体を通しての伝達によって伝えられる。更に、支持窒化珪素膜は、検知抵抗格
子２２及び２４が加熱抵抗格子２６に直ぐ隣接して定位されるか並置される程度
に充分低い熱伝度率を有している。斯くして、検知抵抗格子２２及び２４は実際
は流体空間近似ヒータ抵抗２６中に固定的に懸架されており、ヒータ抵抗格子２
６の面の近くに且つ中の流体の温度を測定するための熱プローブとして作用する
。
【００２３】 図４は流通パイプに並んで位置されている熱微細検知器に基づいた流量検知器
システムの一部切り欠き図である。中心内腔２０２を有する主流通チャンネル２
００は対象の流体の大部分を運ぶパイプに連通されている。第一チャンバ２０４
は単内腔２０６を経由して主流通チャンネル２００の中心内腔２０２と流体連通
している。第一マイクロブリッジ又は微細膜検知器２１０を取り付けているヘッ
ダ２０８が図示の如く第一チャンバ２０４に挿入されており且つ主流通チャンネ
ル２００に固定されている。この構成では、第一マイクロブリッジ検知器が実質
的にゼロ流でもって対象の流体の特定の部分に露出されている。第一マイクロブ
リッジ検知器２１０は通常、熱伝導率、温度拡散率、比熱、温度及び圧力等の流
体特性を測定するのに用いられる。 第二検知器２２２はバイパスチャンネル２１４に位置する。この構成において
、第二マイクロブリッジ検知器２２２は対象の流体の流れに露出されている。第
二マイクロブリッジ検知器２２２は通常、流体速度を測定するのに用いられる。
システムの一部切り欠き図である。中心内腔２０２を有する主流通チャンネル２
００は対象の流体の大部分を運ぶパイプに連通されている。第一チャンバ２０４
は単内腔２０６を経由して主流通チャンネル２００の中心内腔２０２と流体連通
している。第一マイクロブリッジ又は微細膜検知器２１０を取り付けているヘッ
ダ２０８が図示の如く第一チャンバ２０４に挿入されており且つ主流通チャンネ
ル２００に固定されている。この構成では、第一マイクロブリッジ検知器が実質
的にゼロ流でもって対象の流体の特定の部分に露出されている。第一マイクロブ
リッジ検知器２１０は通常、熱伝導率、温度拡散率、比熱、温度及び圧力等の流
体特性を測定するのに用いられる。 第二検知器２２２はバイパスチャンネル２１４に位置する。この構成において
、第二マイクロブリッジ検知器２２２は対象の流体の流れに露出されている。第
二マイクロブリッジ検知器２２２は通常、流体速度を測定するのに用いられる。
【００２４】 図５は二つの下流検知エレメントを有するマイクロブリッジ検知器の第一例示
断面図である。校正データを用いて対象の流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱及
び／又は速度を測定する時、一つのヒータエレメント、或いは一つのヒータエレ
メントと一つの検知器エレメントしか要しない。しかしながら、下記により詳細
に述べるように、本発明の幾つかの実施形態はヒータエレメント２２４及び少な
くとも二つの隔置された検知器エレメント２２６及び２２８を含んでいる。例え
ば、流体速度を測定する時は、各々がヒータエレメント２２４から異なった距離
だけ隔置されているのが好ましい少なくとも二つの検知器エレメント２２６及び
２２８を配設し得る。例示の図では、検知器２２６はヒータエレメント２２４か
ら第一距離「ｄ1」だけ隔置されており、検知器２２８はヒータエレメント２２ ４から第二距離「ｄ2」だけ隔置されている。検知器２２６及び２２８は両方と もヒータエレメント２２４から下流に図示されている。
断面図である。校正データを用いて対象の流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱及
び／又は速度を測定する時、一つのヒータエレメント、或いは一つのヒータエレ
メントと一つの検知器エレメントしか要しない。しかしながら、下記により詳細
に述べるように、本発明の幾つかの実施形態はヒータエレメント２２４及び少な
くとも二つの隔置された検知器エレメント２２６及び２２８を含んでいる。例え
ば、流体速度を測定する時は、各々がヒータエレメント２２４から異なった距離
だけ隔置されているのが好ましい少なくとも二つの検知器エレメント２２６及び
２２８を配設し得る。例示の図では、検知器２２６はヒータエレメント２２４か
ら第一距離「ｄ1」だけ隔置されており、検知器２２８はヒータエレメント２２ ４から第二距離「ｄ2」だけ隔置されている。検知器２２６及び２２８は両方と もヒータエレメント２２４から下流に図示されている。
【００２５】 ヒータエレメント２２４は、ヒータエレメント２３０を基板２３２に接触しな
いように支持する支持部材２２８を有する状態で図示されている。ヒータエレメ
ント２２４及び支持部材２３０はともにヒータ膜部材を形成する。同様に、検知
器エレメント２２６は、検知器エレメント２２６を基板２３０に接触しないよう
に支持する支持部材２３４を有する状態で図示されている。検知器エレメント２
２６及び支持部材２３４はともに検知器膜部材を形成する。最終的に、検知器エ
レメント２２８は検知器エレメント２２８を基板２３０に接触しないように支持
する支持部材２３６を有する状態で図示されている。検知器エレメント２２８及
び支持部材２３６はともに第二検知器膜部材を形成する。 ヒータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は、白金、ニ
ッケル、鉄ニッケル等の如何なる好適な安定金属又は合金からも製造出来る。ヒ
ータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は線材を含む如何
なる抵抗素材、しかし膜材が好ましい材料であり得る。更に、ヒータエレメント
２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は、上記のように格子パターンを
含む如何なる形状であり得るか、或いは単純に線状であり得る。上記に示されて
いるように、ヒータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は
、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2，ＭｇＯ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3等の誘電体の薄膜に包まれて 支持部材２３０、２３４及び２３６を形成するのが好ましい。
いように支持する支持部材２２８を有する状態で図示されている。ヒータエレメ
ント２２４及び支持部材２３０はともにヒータ膜部材を形成する。同様に、検知
器エレメント２２６は、検知器エレメント２２６を基板２３０に接触しないよう
に支持する支持部材２３４を有する状態で図示されている。検知器エレメント２
２６及び支持部材２３４はともに検知器膜部材を形成する。最終的に、検知器エ
レメント２２８は検知器エレメント２２８を基板２３０に接触しないように支持
する支持部材２３６を有する状態で図示されている。検知器エレメント２２８及
び支持部材２３６はともに第二検知器膜部材を形成する。 ヒータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は、白金、ニ
ッケル、鉄ニッケル等の如何なる好適な安定金属又は合金からも製造出来る。ヒ
ータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は線材を含む如何
なる抵抗素材、しかし膜材が好ましい材料であり得る。更に、ヒータエレメント
２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は、上記のように格子パターンを
含む如何なる形状であり得るか、或いは単純に線状であり得る。上記に示されて
いるように、ヒータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８は
、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2，ＭｇＯ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3等の誘電体の薄膜に包まれて 支持部材２３０、２３４及び２３６を形成するのが好ましい。
【００２６】 ヒータエレメント２２４及び検知器エレメント２２６及び２２８を効果的に包
囲する且つシリコン表面２４２上に構造を構成することにより達成される正確に
画成された流体空間２４０が配設されるのが好ましい。ヒータエレメント２２４
及び検知器エレメント２２６及び２２８は約０．０８乃至０．１２ミクロンの厚
さを有し、線幅が５ミクロン台であり、格子が用いられる場合、線間が５ミクロ
ンであることが好ましい。流体空間３０は、その後にヒータエレメント２２４及
び検知器エレメント２２６及び２２８の下のシリコン基板２３２の中に約１００
ミクロンの深さの正確に画成された窪みにエッチングすることにより作ることが
出来る。別の方法は、シリコン基板２３２の背部からシリコンをエッチングして
取ることにより膜構造体を形成することを含み得る。 支持部材２３０及びヒータエレメント２２４は半導体２３２の上部表面２４２
のエッチング穴又は窪み２４０の一つ又はそれ以上の縁に接続している。支持部
材２３０及びヒータエレメント２２４は図示されているように窪み２４０にまた
がって架けられており、或いは、例えば、窪み２４０上に片持梁状に架けられ得
る。検知器エレメント２３４、２２６及び２２８は同様に構成されるのが好まし
い。任意の数のヒータ及び検知器エレメントを同様の様式で配設され得ることが
認識される。しかしながら、例示の目的のために、一つのヒータエレメント２２
４と二つの検知器エレメント２２６及び２２８しか図５に示されていない。
囲する且つシリコン表面２４２上に構造を構成することにより達成される正確に
画成された流体空間２４０が配設されるのが好ましい。ヒータエレメント２２４
及び検知器エレメント２２６及び２２８は約０．０８乃至０．１２ミクロンの厚
さを有し、線幅が５ミクロン台であり、格子が用いられる場合、線間が５ミクロ
ンであることが好ましい。流体空間３０は、その後にヒータエレメント２２４及
び検知器エレメント２２６及び２２８の下のシリコン基板２３２の中に約１００
ミクロンの深さの正確に画成された窪みにエッチングすることにより作ることが
出来る。別の方法は、シリコン基板２３２の背部からシリコンをエッチングして
取ることにより膜構造体を形成することを含み得る。 支持部材２３０及びヒータエレメント２２４は半導体２３２の上部表面２４２
のエッチング穴又は窪み２４０の一つ又はそれ以上の縁に接続している。支持部
材２３０及びヒータエレメント２２４は図示されているように窪み２４０にまた
がって架けられており、或いは、例えば、窪み２４０上に片持梁状に架けられ得
る。検知器エレメント２３４、２２６及び２２８は同様に構成されるのが好まし
い。任意の数のヒータ及び検知器エレメントを同様の様式で配設され得ることが
認識される。しかしながら、例示の目的のために、一つのヒータエレメント２２
４と二つの検知器エレメント２２６及び２２８しか図５に示されていない。
【００２７】 ヒータエレメント２２４は流体中に温度変動を生じる。検知器エレメント２２
６及び２２８の各々は、それぞれの定位への温度変動の到達を検知し得る。問題
なのは温度変動がヒータエレメント２２４から検知器２２６及び２２８の各々に
移動する過渡時間である。下記により詳細に述べるように、検知器エレメント２
２６及び２２８がヒータエレメントから異なった距離だけ隔置されているため、
特に隔離が拡散支配の変位と比較して大きな場合、流体速度を流体特性に比較的
無関係に決定することが出来る。 図５に示されているように両検知器をヒータエレメントから下流に配設するの
ではなく、図６に示されているように一つの検知器エレメント２５０をヒータエ
レメント２５４の上流に配設し別の検知器２５２を下流に配設出来ることが意図
されている。
６及び２２８の各々は、それぞれの定位への温度変動の到達を検知し得る。問題
なのは温度変動がヒータエレメント２２４から検知器２２６及び２２８の各々に
移動する過渡時間である。下記により詳細に述べるように、検知器エレメント２
２６及び２２８がヒータエレメントから異なった距離だけ隔置されているため、
特に隔離が拡散支配の変位と比較して大きな場合、流体速度を流体特性に比較的
無関係に決定することが出来る。 図５に示されているように両検知器をヒータエレメントから下流に配設するの
ではなく、図６に示されているように一つの検知器エレメント２５０をヒータエ
レメント２５４の上流に配設し別の検知器２５２を下流に配設出来ることが意図
されている。
【００２８】 選択された流体速度測定値に再び言及すると、且つ低流量における流体の温度
拡散率及び他の特性の可能な負の影響を減じるために、第一組の検知器エレメン
トを低流量を測定するのに別の組の検知器エレメントをより高い流量を測定する
のに用いられ得ることが意図されている。例えば、図７では、検知器エレメント
２８０及び２８２等のヒータエレメントに一番近く位置している検知器は、温度
拡散率成分は適当な振幅及び周波数において低流量においてさえも無視出来得る
ために、低流量を測定するのに用いられ得る。同様に、検知器２８４を含むヒー
タエレメントから離れて位置している検知器エレメントはより高い流量を測定す
るのに用いられ得る。この方法を用いて、温度拡散率成分の流量測定に与える影
響を最小限にすることが出来る。 更に、高い流量を測定する時にはより高い振幅ヒータ入力信号を供給し、逆に
、低い流量を測定する時にはより低い振幅ヒータ入力信号を供給し得ることが意
図される。より高い振幅温度変動をより容易に検出することが出来るが、流体中
の温度拡散率成分の速度を増大出来る。斯くして、より低い振幅ヒータ入力信号
により温度拡散率成分の速度が低下し、より低い流量においてより正確な結果が
与えられる。
拡散率及び他の特性の可能な負の影響を減じるために、第一組の検知器エレメン
トを低流量を測定するのに別の組の検知器エレメントをより高い流量を測定する
のに用いられ得ることが意図されている。例えば、図７では、検知器エレメント
２８０及び２８２等のヒータエレメントに一番近く位置している検知器は、温度
拡散率成分は適当な振幅及び周波数において低流量においてさえも無視出来得る
ために、低流量を測定するのに用いられ得る。同様に、検知器２８４を含むヒー
タエレメントから離れて位置している検知器エレメントはより高い流量を測定す
るのに用いられ得る。この方法を用いて、温度拡散率成分の流量測定に与える影
響を最小限にすることが出来る。 更に、高い流量を測定する時にはより高い振幅ヒータ入力信号を供給し、逆に
、低い流量を測定する時にはより低い振幅ヒータ入力信号を供給し得ることが意
図される。より高い振幅温度変動をより容易に検出することが出来るが、流体中
の温度拡散率成分の速度を増大出来る。斯くして、より低い振幅ヒータ入力信号
により温度拡散率成分の速度が低下し、より低い流量においてより正確な結果が
与えられる。
【００２９】 図８は幾つかの下流及び上流検知器エレメントを有する本発明に係るマイクロ
ブリッジ検知器の第四例示断面図である。この実施形態において、幾つかの対の
検知器エレメントが上流及び下流の方向の両方にヒータエレメントから等しく隔
置されている。校正データを用いて対象の流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱及
び／又は流体速度を測定する時、一つのヒータエレメント及び一つの検知器エレ
メントしか要しない。しかしながら、下記により詳細に述べるように、本発明の
幾つかの実施形態はヒータエレメント及び少なくとも二つの隔置された検知器エ
レメント３００及び３０２を含んでいる。例えば、少なくとも二つの隔置された
検知器エレメント３００及び３０２を用いて、流体速度を測定する時は、ヒータ
エレメントから異なった距離だけ隔置されている選択された検知器エレメントの
出力のみを選択され得る。これにより、下記により詳細に述べるように、流体速
度を他の流体特性から比較的無関係に得ることが出来る。
ブリッジ検知器の第四例示断面図である。この実施形態において、幾つかの対の
検知器エレメントが上流及び下流の方向の両方にヒータエレメントから等しく隔
置されている。校正データを用いて対象の流体の熱伝導率、温度拡散率、比熱及
び／又は流体速度を測定する時、一つのヒータエレメント及び一つの検知器エレ
メントしか要しない。しかしながら、下記により詳細に述べるように、本発明の
幾つかの実施形態はヒータエレメント及び少なくとも二つの隔置された検知器エ
レメント３００及び３０２を含んでいる。例えば、少なくとも二つの隔置された
検知器エレメント３００及び３０２を用いて、流体速度を測定する時は、ヒータ
エレメントから異なった距離だけ隔置されている選択された検知器エレメントの
出力のみを選択され得る。これにより、下記により詳細に述べるように、流体速
度を他の流体特性から比較的無関係に得ることが出来る。
【００３０】 図９は、本発明の第一例示実施形態の略図である。同一周波数発生器４００が
、それぞれ、ホイートストンブリッジ回路４０８、４１０及び４１２を経由して
、ヒータエレメント４０２、第一検知器エレメント４０４及び第二検知器エレメ
ント４０６に時変入力信号を提供する。差動増幅器４１６、４１８及び４２０が
、ヒータ出力信号４２２、第一検知器出力信号４２４及び第二検知器出力信号４
２６をそれぞれ提供する。これらの出力信号は相当するエレメントの抵抗、従っ
て温度を表す。 プロセッサ４３０は、ヒータ出力信号４２２、第一検知器出力信号４２４及び
第二検知器出力信号４２６と共に周波数発生器４００によって提供された時変入
力信号を受ける。好ましい実施形態では、プロセッサ４３０は、下記により詳細
に述べられるように、ＦＦＴ及び／又は相互関係方法分析を用いて、これらの信
号間の選択された位相遅延を決定する。 対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度を判定するために、ヒータエレメ
ント４０２のみを用いればよいことが意図される。ヒータエレメント４０２が対
象の流体に密接に結合されているため、流体の熱伝導率ｋはヒータエレメント４
０２の時変温度応答特性に直接影響する。更に、流体の熱伝導率は通常、流体の
圧力及び／又は温度に依存する。斯くして、ヒータエレメント４０２に提供され
る時変入力信号と、実質的にゼロ流体流量で測定されるときのヒータエレメント
４０２の後続の過渡温度応答特性との可変位相遅延又は時間遅延を調べることに
よりに対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度を決定することが出来る。
、それぞれ、ホイートストンブリッジ回路４０８、４１０及び４１２を経由して
、ヒータエレメント４０２、第一検知器エレメント４０４及び第二検知器エレメ
ント４０６に時変入力信号を提供する。差動増幅器４１６、４１８及び４２０が
、ヒータ出力信号４２２、第一検知器出力信号４２４及び第二検知器出力信号４
２６をそれぞれ提供する。これらの出力信号は相当するエレメントの抵抗、従っ
て温度を表す。 プロセッサ４３０は、ヒータ出力信号４２２、第一検知器出力信号４２４及び
第二検知器出力信号４２６と共に周波数発生器４００によって提供された時変入
力信号を受ける。好ましい実施形態では、プロセッサ４３０は、下記により詳細
に述べられるように、ＦＦＴ及び／又は相互関係方法分析を用いて、これらの信
号間の選択された位相遅延を決定する。 対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度を判定するために、ヒータエレメ
ント４０２のみを用いればよいことが意図される。ヒータエレメント４０２が対
象の流体に密接に結合されているため、流体の熱伝導率ｋはヒータエレメント４
０２の時変温度応答特性に直接影響する。更に、流体の熱伝導率は通常、流体の
圧力及び／又は温度に依存する。斯くして、ヒータエレメント４０２に提供され
る時変入力信号と、実質的にゼロ流体流量で測定されるときのヒータエレメント
４０２の後続の過渡温度応答特性との可変位相遅延又は時間遅延を調べることに
よりに対象の流体の熱伝導率、圧力及び／又は温度を決定することが出来る。
【００３１】 時変入力信号４３２とヒータ出力信号４２２との間の可変位相遅延又は時間遅
延を決定するために、プロセッサ４３０は公知のＦＦＴ分析及び／又は相互関係
方法を用い得ることが意図される。ＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて
、時変入力信号４３２とヒータ出力信号４２２との間の位相遅延を決定し得る。
例えば、対象の流体の熱伝導率ｋは位相遅延から、以下の関係式を用いて計算す
ることが出来る。
延を決定するために、プロセッサ４３０は公知のＦＦＴ分析及び／又は相互関係
方法を用い得ることが意図される。ＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて
、時変入力信号４３２とヒータ出力信号４２２との間の位相遅延を決定し得る。
例えば、対象の流体の熱伝導率ｋは位相遅延から、以下の関係式を用いて計算す
ることが出来る。
【００３２】
【数１】 ｋ＝｛−２ｆｃpvｔ／ｔａｎ（γ）−ｈ3｝Ｌ1 （１）
【００３３】 ここで、 ｃpv ＝ ヒータ膜及び支持部材（１０％白金、９０％Ｓｉ3Ｎ4マイクロブリッ
ジ組成）に対する単位容量当たりの比熱）（Ｊ／（ｃｍ3ｋ）） ｔ ＝ ヒータ膜の厚さ（ｃｍ） ｈ3 ＝ 基板への伝熱の係数（Ｗ／ｃｍ3） Ｌ1 ＝ ヒータエレメントから流体位相への熱伝導の固有長さ（ｃｍ）であ る。
ジ組成）に対する単位容量当たりの比熱）（Ｊ／（ｃｍ3ｋ）） ｔ ＝ ヒータ膜の厚さ（ｃｍ） ｈ3 ＝ 基板への伝熱の係数（Ｗ／ｃｍ3） Ｌ1 ＝ ヒータエレメントから流体位相への熱伝導の固有長さ（ｃｍ）であ る。
【００３４】 式（１）の導関数及びその更なる論述が、「単ヒータエレメントを用いる対象
の流体の選択された特性を測定するための方法及び装置」の表題の１９９７年１
２月３１日出願の上記に参照された米国特許出願通し番号第０９／００２，１５
６号に見出されるが、この特許は本明細書に参照として引用されている。 温度拡散率、比熱及び／又は流体速度を決定するために、ヒータエレメント４
０２及び一つの検知器エレメント４０４を用い得る。周波数発生器４００は先ず
、ホイートストンブリッジ４０８を通してヒータエレメント４０２に選択的に結
合されているのが好ましい。これにより対象の流体に温度変動が生じ、この温度
変動は検知器エレメント４０４によって検出され得る。斯くして、プロセッサ４
３０は、好ましくはＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて、ヒータエレメ
ント４０２と検知器エレメント４０４との間のヒータ体検知器位相遅延を決定す
ることが出来る。 検知器エレメント４０４の内部位相遅延の過渡時間への影響を減じるために、
周波数発生器４００は、スイッチ４４０を通して、ヒータエレメントから脱合し
て、スイッチ４４２を通して検知器エレメント４０４に結合することが出来る。
これにより、検知器エレメント４０４に提供される時変入力信号と検知器出力信
号４２４との間の内部位相遅延をヒータエレメント４０２によって生じる流体中
の温度変動からの干渉を受けることなく決定することが出来る。
の流体の選択された特性を測定するための方法及び装置」の表題の１９９７年１
２月３１日出願の上記に参照された米国特許出願通し番号第０９／００２，１５
６号に見出されるが、この特許は本明細書に参照として引用されている。 温度拡散率、比熱及び／又は流体速度を決定するために、ヒータエレメント４
０２及び一つの検知器エレメント４０４を用い得る。周波数発生器４００は先ず
、ホイートストンブリッジ４０８を通してヒータエレメント４０２に選択的に結
合されているのが好ましい。これにより対象の流体に温度変動が生じ、この温度
変動は検知器エレメント４０４によって検出され得る。斯くして、プロセッサ４
３０は、好ましくはＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて、ヒータエレメ
ント４０２と検知器エレメント４０４との間のヒータ体検知器位相遅延を決定す
ることが出来る。 検知器エレメント４０４の内部位相遅延の過渡時間への影響を減じるために、
周波数発生器４００は、スイッチ４４０を通して、ヒータエレメントから脱合し
て、スイッチ４４２を通して検知器エレメント４０４に結合することが出来る。
これにより、検知器エレメント４０４に提供される時変入力信号と検知器出力信
号４２４との間の内部位相遅延をヒータエレメント４０２によって生じる流体中
の温度変動からの干渉を受けることなく決定することが出来る。
【００３５】 これにより、ヒータ対検知器位相遅延から検知器エレメント４０４の内部位相
遅延を減算することによりヒータエレメント４０２から検知器エレメント４０４
への第一過渡時間４２５を判定することが出来る。対象の流体が流通状態下にあ
る場合、先行の校正の後、流体速度を第一過渡時間４２５から決定することが出
来る。対象の流体が実質的にゼロ流にある場合、温度拡散率Ｄtを以下の関係式 を用いて決定することが出来る。
遅延を減算することによりヒータエレメント４０２から検知器エレメント４０４
への第一過渡時間４２５を判定することが出来る。対象の流体が流通状態下にあ
る場合、先行の校正の後、流体速度を第一過渡時間４２５から決定することが出
来る。対象の流体が実質的にゼロ流にある場合、温度拡散率Ｄtを以下の関係式 を用いて決定することが出来る。
【００３６】
【数２】 Ｄt＝ｄ2／４Δｚ （２）
【００３７】 ここで、 ｄ＝ 上記ヒータエレメント４０２と検知器エレメント４０４との間の有効距
離、 Δｚ＝ ヒータエレメント４０２から実質的にゼロ流にある検知器エレメント４
０４への過渡時間である。
離、 Δｚ＝ ヒータエレメント４０２から実質的にゼロ流にある検知器エレメント４
０４への過渡時間である。
【００３８】 これにより対象となる流体の容量比熱ｃpvを下記の関係式を用いて決定され得
る。
る。
【００３９】
【数３】 ｃpv＝ｋ／Ｄt （３）
【００４０】 ここで、 ｋ＝ 対象の流体の熱伝導率、 Ｄt＝ 上記で決定された温度拡散率である。
【００４１】 式（２）及び（３）の導関数及びその更なる論述が、「熱伝導率及び比熱を測
定するための時間遅延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の上記に参照さ
れた米国特許出願通し番号第０９／００２，１５６号、この特許は本明細書に参
照として引用されている。 従って、対象の流体の選択された特性を決定するための例示方法は、時変入力
信号を提供する段階、入力信号をヒータエレメントに結合する段階、検知器エレ
メントを用いて隔置された定位にある対象の流体の温度変化を検知する段階、流
体の温度変化がヒータエレメントから検知器エレメントに移動するヒータ対検知
器位相遅延を決定する段階、ヒータエレメントから入力信号を脱合する段階、入
力信号を検知器エレメントに結合する段階であって入力信号が検知器エレメント
に温度変化を生じせしめる段階、入力信号と相当の検知器エレメントにおける温
度との間の検知器位相遅延を決定する段階、検知器位相遅延をヒータ対検知器位
相遅延から減算して過渡位相遅延を提供する段階、及び過渡位相遅延を用いて対
象の流体の選択された特性を決定する段階を含み得る。
定するための時間遅延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の上記に参照さ
れた米国特許出願通し番号第０９／００２，１５６号、この特許は本明細書に参
照として引用されている。 従って、対象の流体の選択された特性を決定するための例示方法は、時変入力
信号を提供する段階、入力信号をヒータエレメントに結合する段階、検知器エレ
メントを用いて隔置された定位にある対象の流体の温度変化を検知する段階、流
体の温度変化がヒータエレメントから検知器エレメントに移動するヒータ対検知
器位相遅延を決定する段階、ヒータエレメントから入力信号を脱合する段階、入
力信号を検知器エレメントに結合する段階であって入力信号が検知器エレメント
に温度変化を生じせしめる段階、入力信号と相当の検知器エレメントにおける温
度との間の検知器位相遅延を決定する段階、検知器位相遅延をヒータ対検知器位
相遅延から減算して過渡位相遅延を提供する段階、及び過渡位相遅延を用いて対
象の流体の選択された特性を決定する段階を含み得る。
【００４２】 第二検知器エレメント４０６をも配設され得ることが意図される。上記の方法
を用いて、ヒータエレメント４０２と第二検知器エレメント４０６との間の第二
ヒータ対検知器位相遅延を決定し得る。同様に、第二検知器エレメント４０６の
内部位相遅延を決定し得る。第二検知器エレメント４０６の内部位相遅延を相当
のヒータ対検知器位相遅延から減算することにより、第二過渡時間４２７を決定
し得る。第一及び第二過渡時間を用いて、流体速度を、下記の関係式を用いて、
先行の校正なしに、対象の流体から比較的に独立して決定することが出来る。
を用いて、ヒータエレメント４０２と第二検知器エレメント４０６との間の第二
ヒータ対検知器位相遅延を決定し得る。同様に、第二検知器エレメント４０６の
内部位相遅延を決定し得る。第二検知器エレメント４０６の内部位相遅延を相当
のヒータ対検知器位相遅延から減算することにより、第二過渡時間４２７を決定
し得る。第一及び第二過渡時間を用いて、流体速度を、下記の関係式を用いて、
先行の校正なしに、対象の流体から比較的に独立して決定することが出来る。
【００４３】
【数４】 ｖ＝｛（ｄ1 2／Δｚ1−ｄ2 2／Δｚ2）／（Δｚ1−Δｚ2）｝0.5 （４）
【００４４】 ここで、 ｄ1＝ ヒータエレメント４０２と第一検知器エレメント４０４との距離、 ｄ2＝ ヒータエレメント４０２と第二検知器エレメントとの距離であり、ただ し、｜ｄ1｜≠｜ｄ2｜、 Δｚ1＝ 第一時間遅延値、 Δｚ2＝ 第二時間遅延値である。
【００４５】 式（４）の導関数及びその更なる論述が、「流体速度を測定するための時間遅
延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の上記に参照された米国特許出願通
し番号第０９／００２，１５７号に見出されるが、この特許は本明細書に参照と
して引用されている。 斯くして、対象の流体の速度を決定するための例示的方法は、時変入力信号を
提供する段階、入力信号をヒータエレメントに結合する段階、第一検知器エレメ
ントを用いて第一隔値定位にある対象の流体の温度変化を検知する段階、流体の
温度変化がヒータエレメントから第一検知器エレメントに移動する第一ヒータ対
検知器位相遅延を決定する段階、第二検知器エレメントを用いて第二隔値定位に
ある対象の流体の温度変化を検知する段階、流体の温度変化がヒータエレメント
から第二検知器エレメントに移動する第二ヒータ対検知器位相遅延を決定する段
階、ヒータエレメントから入力信号を脱合（接続解除）する段階、入力信号を第
一検知器エレメントに結合する段階、入力信号と相当の第一検知器エレメントに
おける温度との間の第一検知器位相遅延を決定する段階、第一検知器位相遅延を
第一ヒータ対検知器位相遅延から減算して第一過渡位相遅延を提供する段階、入
力信号を第二検知器エレメントに結合する段階であって、入力信号が第二検知器
エレメントの温度変化を生じる段階、入力信号と対応する第二検知器エレメント
における温度との間の第二検知器位相遅延を決定する段階、第二検知器位相遅延
を第二ヒータ対検知器位相遅延から減算して第二過渡位相遅延を提供する段階、
及び第一過渡位相遅延及び第二過渡位相遅延を用いて対象の流体の速度を決定す
る段階を含み得る。
延法」の表題の１９９７年１２月３１日出願の上記に参照された米国特許出願通
し番号第０９／００２，１５７号に見出されるが、この特許は本明細書に参照と
して引用されている。 斯くして、対象の流体の速度を決定するための例示的方法は、時変入力信号を
提供する段階、入力信号をヒータエレメントに結合する段階、第一検知器エレメ
ントを用いて第一隔値定位にある対象の流体の温度変化を検知する段階、流体の
温度変化がヒータエレメントから第一検知器エレメントに移動する第一ヒータ対
検知器位相遅延を決定する段階、第二検知器エレメントを用いて第二隔値定位に
ある対象の流体の温度変化を検知する段階、流体の温度変化がヒータエレメント
から第二検知器エレメントに移動する第二ヒータ対検知器位相遅延を決定する段
階、ヒータエレメントから入力信号を脱合（接続解除）する段階、入力信号を第
一検知器エレメントに結合する段階、入力信号と相当の第一検知器エレメントに
おける温度との間の第一検知器位相遅延を決定する段階、第一検知器位相遅延を
第一ヒータ対検知器位相遅延から減算して第一過渡位相遅延を提供する段階、入
力信号を第二検知器エレメントに結合する段階であって、入力信号が第二検知器
エレメントの温度変化を生じる段階、入力信号と対応する第二検知器エレメント
における温度との間の第二検知器位相遅延を決定する段階、第二検知器位相遅延
を第二ヒータ対検知器位相遅延から減算して第二過渡位相遅延を提供する段階、
及び第一過渡位相遅延及び第二過渡位相遅延を用いて対象の流体の速度を決定す
る段階を含み得る。
【００４６】 本発明の別の例示実施形態では、周波数発生器は二つ又はそれ以上の固定周波
数を、連続的に或いは同時に、ヒータエレメント４０２及び検知器エレメント４
０４及び４０６の一方或いは両方に提供し得る。これらの周波数を同時に提供す
るとき、時変入力信号４３２を相当するヒータ及び検知器エレメントに提供する
ようにスイッチ４４０、４４２及び４４４を設定するのが好ましい。 これらの固定周波数は理想的周波数に近似するように選択されることが好まし
い。理想的周波数は、検知器エレメント４０４が時変入力信号によって付勢され
るのと同時に流体中の温度変動が、例えば検知器エレメント４０４に到達せしめ
る周波数として定義される。図１０について言及すると、理想的周波数が５００
に図示されており、ヒータエレメント４０２と第一検知器エレメント４０４の両
方でピークになる。明白となるように、理想的周波数は通常、ヒータエレメント
４０２と検知器エレメント４０４との間の距離、流体の選択された特性、ヒータ
と検知器入力との間の選択された位相遅延、流体の速度等を含む幾つかの要因に
依存する。
数を、連続的に或いは同時に、ヒータエレメント４０２及び検知器エレメント４
０４及び４０６の一方或いは両方に提供し得る。これらの周波数を同時に提供す
るとき、時変入力信号４３２を相当するヒータ及び検知器エレメントに提供する
ようにスイッチ４４０、４４２及び４４４を設定するのが好ましい。 これらの固定周波数は理想的周波数に近似するように選択されることが好まし
い。理想的周波数は、検知器エレメント４０４が時変入力信号によって付勢され
るのと同時に流体中の温度変動が、例えば検知器エレメント４０４に到達せしめ
る周波数として定義される。図１０について言及すると、理想的周波数が５００
に図示されており、ヒータエレメント４０２と第一検知器エレメント４０４の両
方でピークになる。明白となるように、理想的周波数は通常、ヒータエレメント
４０２と検知器エレメント４０４との間の距離、流体の選択された特性、ヒータ
と検知器入力との間の選択された位相遅延、流体の速度等を含む幾つかの要因に
依存する。
【００４７】 検知器エレメント４０４に提供された入力信号の振幅は、検知器エレメント４
０４の温度が流体中の温度変動の振幅に近似するように抵抗４５０を用いて調節
し得る。理想的な場合、検知器エレメント４０４に提供された入力信号４５２の
周波数と振幅により、検知器エレメントの内部位相遅延が真空条件下で検知器エ
レメントの内部位相遅延に整合する。真空条件下では、検知器エレメントから対
象の流体に或いは対象の流体から熱が移動することがなく、従って、検知器エレ
メント４０４の温度は流体の温度を基本的に追跡する。理想的周波数がいったん
確認されると、流体中の温度変動の過渡時間を決定することが出来る。 理想的周波数を決定するために、二つ又はそれ以上の固定周波数をヒータエレ
メント４０２と、例えば、検知器４０４の両方に提供され得ることが意図される
。これにより、これらの周波数の各々に対する検知器エレメント４０４の内部位
相遅延を、例えば上記のＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて、プロセッ
サ４３０によって決定される。これにより理想的周波数は、例えば、固定周波数
における内部位相遅延から、真空条件における検知器エレメント４０４の内部位
相遅延に等しい内部位相遅延を生じるであろう理想的周波数に外挿することによ
り決定することが出来る。真空条件下での検知器エレメント４０４及び４０６の
内部位相遅延は校正手順の間に決定され得る。校正手順の間、検知器エレメント
４０４及び４０６は真空状態に露出され、その内部位相遅延がプロセッサ４３０
によって決定され得る。
０４の温度が流体中の温度変動の振幅に近似するように抵抗４５０を用いて調節
し得る。理想的な場合、検知器エレメント４０４に提供された入力信号４５２の
周波数と振幅により、検知器エレメントの内部位相遅延が真空条件下で検知器エ
レメントの内部位相遅延に整合する。真空条件下では、検知器エレメントから対
象の流体に或いは対象の流体から熱が移動することがなく、従って、検知器エレ
メント４０４の温度は流体の温度を基本的に追跡する。理想的周波数がいったん
確認されると、流体中の温度変動の過渡時間を決定することが出来る。 理想的周波数を決定するために、二つ又はそれ以上の固定周波数をヒータエレ
メント４０２と、例えば、検知器４０４の両方に提供され得ることが意図される
。これにより、これらの周波数の各々に対する検知器エレメント４０４の内部位
相遅延を、例えば上記のＦＦＴ分析及び／又は相互関係方法を用いて、プロセッ
サ４３０によって決定される。これにより理想的周波数は、例えば、固定周波数
における内部位相遅延から、真空条件における検知器エレメント４０４の内部位
相遅延に等しい内部位相遅延を生じるであろう理想的周波数に外挿することによ
り決定することが出来る。真空条件下での検知器エレメント４０４及び４０６の
内部位相遅延は校正手順の間に決定され得る。校正手順の間、検知器エレメント
４０４及び４０６は真空状態に露出され、その内部位相遅延がプロセッサ４３０
によって決定され得る。
【００４８】 図１１に詳細に言及すると、曲線５５０が、周波数に対する真空条件下での第
一検知器エレメント４０４の内部位相遅延を表すように図示されている。周波数
発生器４００（図９乃至図１０参照）によって固定周波数成分（ｆ１）の一つは
予想理想的周波数（ｆｂ）より低くなるように選択される。同様に、周波数発生
器４００によって提供される固定周波数成分（ｆ２）の一つは予想理想的周波数
（ｆｂ）より高くなるように選択される。これにより、固定周波数における内部
位相遅延間を外挿して曲線５５０と交差する周波数を決定することにより、理想
的周波数（ｆｂ）を決定し得る。この周波数はヒータ対検知器対のための理想的
周波数を表す。この理想的周波数から、ヒータエレメントから検知エレメントへ
の過渡時間を上記のように計算出来る。 流体が実質的にゼロ流にあるときの過渡時間を用いて熱伝導率及び比熱を計算
し得る。同様に、先行の校正が実行されている場合、流体の速度を過渡時間から
決定され得る。
一検知器エレメント４０４の内部位相遅延を表すように図示されている。周波数
発生器４００（図９乃至図１０参照）によって固定周波数成分（ｆ１）の一つは
予想理想的周波数（ｆｂ）より低くなるように選択される。同様に、周波数発生
器４００によって提供される固定周波数成分（ｆ２）の一つは予想理想的周波数
（ｆｂ）より高くなるように選択される。これにより、固定周波数における内部
位相遅延間を外挿して曲線５５０と交差する周波数を決定することにより、理想
的周波数（ｆｂ）を決定し得る。この周波数はヒータ対検知器対のための理想的
周波数を表す。この理想的周波数から、ヒータエレメントから検知エレメントへ
の過渡時間を上記のように計算出来る。 流体が実質的にゼロ流にあるときの過渡時間を用いて熱伝導率及び比熱を計算
し得る。同様に、先行の校正が実行されている場合、流体の速度を過渡時間から
決定され得る。
【００４９】 真空条件下を含む、入力信号の振幅が検知器エレメントの内部位相遅延に影響
し得ることが認識される。例えば、図１２では、幾つかの位相遅延曲線６００乃
至６０４が真空条件下で図示されており、各々は異なった振幅入力信号に相当す
る。斯くして、第一検知器エレメント４０６のための理想的周波数をより正確に
決定するために、入力信号４５２の振幅を説明することが望ましい。 図１３は、三つの周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３における真空条件下での入力信号
４５２の振幅に対する検知器エレメント４０６の温度応答特性を表す三つの曲線
６５０、６５２及び６５４を示している。三つの同一周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３
における非真空条件下での入力信号４５２の振幅に対する検知器エレメント４０
６の温度応答特性を表す三つの曲線６６６、６６８及び６７０をも示している。
入力信号４５２の理想振幅は、理想的周波数Ｆｂにおける、非真空条件下での振
幅曲線と真空条件下での振幅曲線との交点に相当する（図１２参照）。図１２に
ついて上記に論じられているように、入力信号の理想振幅を用いて理想的周波数
を決定し得る。二つの未知数、即ち、理想的周波数（Ｆｂ）及び入力信号の理想
振幅（Ｐｂ）並びに二組の曲線、即ち、図１２及び図１３に図示されている曲線
があるため、Ａ及びＰの十分小さな変化に対して問題を線形方程式で解決出来る
と仮定すると、理想的周波数（Ｆｂ）及び入力信号の理想振幅（Ｐｂ）を従来の
方法を用いて決定し得る。
し得ることが認識される。例えば、図１２では、幾つかの位相遅延曲線６００乃
至６０４が真空条件下で図示されており、各々は異なった振幅入力信号に相当す
る。斯くして、第一検知器エレメント４０６のための理想的周波数をより正確に
決定するために、入力信号４５２の振幅を説明することが望ましい。 図１３は、三つの周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３における真空条件下での入力信号
４５２の振幅に対する検知器エレメント４０６の温度応答特性を表す三つの曲線
６５０、６５２及び６５４を示している。三つの同一周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３
における非真空条件下での入力信号４５２の振幅に対する検知器エレメント４０
６の温度応答特性を表す三つの曲線６６６、６６８及び６７０をも示している。
入力信号４５２の理想振幅は、理想的周波数Ｆｂにおける、非真空条件下での振
幅曲線と真空条件下での振幅曲線との交点に相当する（図１２参照）。図１２に
ついて上記に論じられているように、入力信号の理想振幅を用いて理想的周波数
を決定し得る。二つの未知数、即ち、理想的周波数（Ｆｂ）及び入力信号の理想
振幅（Ｐｂ）並びに二組の曲線、即ち、図１２及び図１３に図示されている曲線
があるため、Ａ及びＰの十分小さな変化に対して問題を線形方程式で解決出来る
と仮定すると、理想的周波数（Ｆｂ）及び入力信号の理想振幅（Ｐｂ）を従来の
方法を用いて決定し得る。
【００５０】 図９に戻って言及すると、ヒータエレメント４０２及び第二検知器エレメント
４０６からの第二過渡時間を同様の様式でもって決定し得ることが意図される。
第一及び第二過渡時間の両方を用いて、対象の流体の速度を、式（４）の関係を
用いて、流体の特性から比較的独立して決定し得る。 従って、対象の流体の選択された特性を決定するための例示的方法は、ヒータ
エレメント及び第一検知器エレメントを少なくとも二つの時変入力信号であって
各々が異なった周波数を有する時変入力信号でもって付勢する段階、第一検知器
エレメントの抵抗変化を検知する段階、少なくとも二つの時変入力信号の選択さ
れた信号と第一検知器エレメントの相当する抵抗変化との間の遅延を決定する段
階、及び理想時変入力信号と第一校正位相遅延値に実質的に等しい第一検知器エ
レメントの抵抗変化との間の位相遅延を生じるであろう第一理想入力周波数を決
定する段階を含み得る。 第一検知器エレメントのための校正位相遅延データを提供するための方法は、
第一検知器エレメントを真空状態に置く段階、第一検知器エレメントを一つ又は
それ以上の第一入力信号であって各々が異なった周波数を有する入力信号でもっ
て附勢する段階、及び第一検知器入力信号と第一検知器エレメントの相当する抵
抗変化との間の幾つかの第一校正位相遅延値を決定する段階を含み得る。同様の
方法を第二検知器エレメントに対して用い得る。
４０６からの第二過渡時間を同様の様式でもって決定し得ることが意図される。
第一及び第二過渡時間の両方を用いて、対象の流体の速度を、式（４）の関係を
用いて、流体の特性から比較的独立して決定し得る。 従って、対象の流体の選択された特性を決定するための例示的方法は、ヒータ
エレメント及び第一検知器エレメントを少なくとも二つの時変入力信号であって
各々が異なった周波数を有する時変入力信号でもって付勢する段階、第一検知器
エレメントの抵抗変化を検知する段階、少なくとも二つの時変入力信号の選択さ
れた信号と第一検知器エレメントの相当する抵抗変化との間の遅延を決定する段
階、及び理想時変入力信号と第一校正位相遅延値に実質的に等しい第一検知器エ
レメントの抵抗変化との間の位相遅延を生じるであろう第一理想入力周波数を決
定する段階を含み得る。 第一検知器エレメントのための校正位相遅延データを提供するための方法は、
第一検知器エレメントを真空状態に置く段階、第一検知器エレメントを一つ又は
それ以上の第一入力信号であって各々が異なった周波数を有する入力信号でもっ
て附勢する段階、及び第一検知器入力信号と第一検知器エレメントの相当する抵
抗変化との間の幾つかの第一校正位相遅延値を決定する段階を含み得る。同様の
方法を第二検知器エレメントに対して用い得る。
【００５１】 本発明の別の例示実施形態が図１４に示されている。この実施形態では、ヒー
タ及び／又は検知器エレメントの内部位相遅延は実質的にゼロになるように強制
され、ヒータエレメントから検知器エレメントへの過渡時間がそれぞれの検知器
エレメントに提供される電力信号における位相遅延から決定される。 図１４について詳細に言及すると、ヒータエレメント７０２が修正されたホイ
ートストンブリッジ７０４の一つの足に含まれている。修正されたホイートスト
ンブリッジはヒータエレメント７０２に対抗する足の中に電圧依存抵抗７０６を
含んでおり、抵抗７０６は周波数発生器７００によって提供された時変入力信号
７１２によって制御される。差動増幅器７０８はホイートストンブリッジ７０４
における如何なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供してホイートストンブリ
ッジ７０４を電力入力信号７１０によって平衡化する。この構成において、ヒー
タエレメント７０２の抵抗、従って温度は、電圧依存抵抗７０６の抵抗、或いは
この場合、時変入力信号７１２を実質的に追跡するように強制される。これによ
り、定義によると、ヒータエレメント７０２の温度と時変入力信号との間の位相
遅延が実質的にゼロになるように強制される。
タ及び／又は検知器エレメントの内部位相遅延は実質的にゼロになるように強制
され、ヒータエレメントから検知器エレメントへの過渡時間がそれぞれの検知器
エレメントに提供される電力信号における位相遅延から決定される。 図１４について詳細に言及すると、ヒータエレメント７０２が修正されたホイ
ートストンブリッジ７０４の一つの足に含まれている。修正されたホイートスト
ンブリッジはヒータエレメント７０２に対抗する足の中に電圧依存抵抗７０６を
含んでおり、抵抗７０６は周波数発生器７００によって提供された時変入力信号
７１２によって制御される。差動増幅器７０８はホイートストンブリッジ７０４
における如何なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供してホイートストンブリ
ッジ７０４を電力入力信号７１０によって平衡化する。この構成において、ヒー
タエレメント７０２の抵抗、従って温度は、電圧依存抵抗７０６の抵抗、或いは
この場合、時変入力信号７１２を実質的に追跡するように強制される。これによ
り、定義によると、ヒータエレメント７０２の温度と時変入力信号との間の位相
遅延が実質的にゼロになるように強制される。
【００５２】 対象の流体の熱伝導率を決定するために、プロセッサ７４０は、式（１）等の
所定の基準又は校正関数に対して相対的な電力入力信号７１０における位相シフ
トを決定し得る。これにより、プロセッサ７４０は電力入力信号７１０における
位相シフトを対象の流体の熱伝導率に関連つけることが出来る。 対象の流体の温度拡散率、比熱及び速度を決定するために、第一検知器エレメ
ント７２０を第二の修正されたホイートストンブリッジ７２２の一つの足に含め
ることが出来る。第二ホイートストンブリッジ７２２は第一検知器エレメント７
２０に対抗する足の中に電圧依存抵抗７２４を含んでおり、抵抗７２４は時変入
力信号によって制御される。時変入力信号の振幅は、第一検知器エレメント７２
０の温度が流体中の温度変動を実質的に追跡するように、それが第二の修正され
たホイートストンブリッジ７２２の電圧依存抵抗７２４に提供される前に抵抗７
２６によって減じられるのが好ましい。
所定の基準又は校正関数に対して相対的な電力入力信号７１０における位相シフ
トを決定し得る。これにより、プロセッサ７４０は電力入力信号７１０における
位相シフトを対象の流体の熱伝導率に関連つけることが出来る。 対象の流体の温度拡散率、比熱及び速度を決定するために、第一検知器エレメ
ント７２０を第二の修正されたホイートストンブリッジ７２２の一つの足に含め
ることが出来る。第二ホイートストンブリッジ７２２は第一検知器エレメント７
２０に対抗する足の中に電圧依存抵抗７２４を含んでおり、抵抗７２４は時変入
力信号によって制御される。時変入力信号の振幅は、第一検知器エレメント７２
０の温度が流体中の温度変動を実質的に追跡するように、それが第二の修正され
たホイートストンブリッジ７２２の電圧依存抵抗７２４に提供される前に抵抗７
２６によって減じられるのが好ましい。
【００５３】 上記と同じように、差動増幅器７２８は第二のホイートストンブリッジ７２２
における如何なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供し、電力入力信号７３０
によってブリッジ７２２を平衡化する。この構成では、第一検知器７２０の抵抗
及び温度が電圧依存抵抗７２４の抵抗、或いはこの場合、減少した振幅を有する
時変入力信号７１２を実質的に追跡するように強制される。定義によると、第一
検知器エレメント７２０の温度と周波数発生器によって提供された時変入力信号
との間の位相遅延は実質的にゼロになるように強制される。温度変動がヒータエ
レメント７０２から第一検知器エレメント７２０へ移動する過渡時間が、更に下
記のように、電力入力信号７３０の位相シフトから決定され得る。
における如何なる不平衡をも検知し、必要な電力を提供し、電力入力信号７３０
によってブリッジ７２２を平衡化する。この構成では、第一検知器７２０の抵抗
及び温度が電圧依存抵抗７２４の抵抗、或いはこの場合、減少した振幅を有する
時変入力信号７１２を実質的に追跡するように強制される。定義によると、第一
検知器エレメント７２０の温度と周波数発生器によって提供された時変入力信号
との間の位相遅延は実質的にゼロになるように強制される。温度変動がヒータエ
レメント７０２から第一検知器エレメント７２０へ移動する過渡時間が、更に下
記のように、電力入力信号７３０の位相シフトから決定され得る。
【００５４】 好ましい実施形態では、二つ又はそれ以上の固定周波数が周波数発生器７００
によってヒータエレメント７０２及び第一検知器エレメント７２０に提供される
。これらの固定周波数は理想的周波数に近似するように選択されることが好まし
い。理想的周波数は、検知器エレメント７２０が附勢されるのと同時に流体の温
度変動が、例えば、検知器エレメント７２０に到達せしめる周波数として定義さ
れる。これは図１６に明白に示されている。この理想的周波数は９００に示され
ており、ヒータエレメント７０２と第一検知器エレメント７２０の両方にピーク
を持つ。この理想的周波数は通常、ヒータエレメント７０２と検知器エレメント
７２０との間の距離、流体の選択された特性、ヒータと検知器入力との間の選択
された位相遅延、流体の速度等の幾つかの要因に依存する。 第一固定周波数成分「ｆ１」が９０２に示されており、第二固定周波数成分「
ｆ２」が９０４に示されている。第一固定周波数成分により差動増幅器は第一電
力入力信号をゼロ位相ホイートストンブリッジ７２２に提供する。第一電力入力
信号は９０６に示されている。同様に、第二固定周波数成分により差動増幅器は
第二電力入力信号をゼロ位相ホイートストンブリッジ７２２に提供する。第二電
力入力信号は９１０に示されている。
によってヒータエレメント７０２及び第一検知器エレメント７２０に提供される
。これらの固定周波数は理想的周波数に近似するように選択されることが好まし
い。理想的周波数は、検知器エレメント７２０が附勢されるのと同時に流体の温
度変動が、例えば、検知器エレメント７２０に到達せしめる周波数として定義さ
れる。これは図１６に明白に示されている。この理想的周波数は９００に示され
ており、ヒータエレメント７０２と第一検知器エレメント７２０の両方にピーク
を持つ。この理想的周波数は通常、ヒータエレメント７０２と検知器エレメント
７２０との間の距離、流体の選択された特性、ヒータと検知器入力との間の選択
された位相遅延、流体の速度等の幾つかの要因に依存する。 第一固定周波数成分「ｆ１」が９０２に示されており、第二固定周波数成分「
ｆ２」が９０４に示されている。第一固定周波数成分により差動増幅器は第一電
力入力信号をゼロ位相ホイートストンブリッジ７２２に提供する。第一電力入力
信号は９０６に示されている。同様に、第二固定周波数成分により差動増幅器は
第二電力入力信号をゼロ位相ホイートストンブリッジ７２２に提供する。第二電
力入力信号は９１０に示されている。
【００５５】 プロセッサ７４０はＦＦＴ分析を実施し、周波数成分の各々に対する第二の修
正されたホイートストンブリッジ７２２に提供された電力入力信号７３０の位相
シフトを提供し決定する。例えば、第一電力入力信号９０６のための第一位相（
フェーズ）シフトが９０８に示されており、第二電力入力信号９１０のための第
二位相シフトが９１２に示されている。例示実施形態の場合、任意基準９１５が
選択されている。従って、理想的周波数は、例えば、二つ又はそれ以上の入力周
波数における電力入力信号７３０の測定された位相シフト間から理想的周波数９
００に相当する理想的位相シフトに外挿することにより決定されるのが好ましい
。この周波数は、下記に記載された要求条件に合致する故に理想的である。この
理想的位相シフトは先行の校正によって決定され得る。上記に記載されているよ
うに、第一過渡時間が理想的周波数から計算され、且つ対象の流体の選択された
特性が温度拡散率（流体の速度が既知或いは無視出来ると仮定）及び流体速度を
含む第一過渡時間から決定され得る。 固定周波数入力信号の振幅は、検知器エレメント７２０の温度が流体の温度変
動の振幅に近似するように、抵抗７２６を用いて調節され得る。理想的な場合、
入力信号の周波数及び振幅により、検知器エレメント７２０は流体の温度変動を
実質的に追跡する。
正されたホイートストンブリッジ７２２に提供された電力入力信号７３０の位相
シフトを提供し決定する。例えば、第一電力入力信号９０６のための第一位相（
フェーズ）シフトが９０８に示されており、第二電力入力信号９１０のための第
二位相シフトが９１２に示されている。例示実施形態の場合、任意基準９１５が
選択されている。従って、理想的周波数は、例えば、二つ又はそれ以上の入力周
波数における電力入力信号７３０の測定された位相シフト間から理想的周波数９
００に相当する理想的位相シフトに外挿することにより決定されるのが好ましい
。この周波数は、下記に記載された要求条件に合致する故に理想的である。この
理想的位相シフトは先行の校正によって決定され得る。上記に記載されているよ
うに、第一過渡時間が理想的周波数から計算され、且つ対象の流体の選択された
特性が温度拡散率（流体の速度が既知或いは無視出来ると仮定）及び流体速度を
含む第一過渡時間から決定され得る。 固定周波数入力信号の振幅は、検知器エレメント７２０の温度が流体の温度変
動の振幅に近似するように、抵抗７２６を用いて調節され得る。理想的な場合、
入力信号の周波数及び振幅により、検知器エレメント７２０は流体の温度変動を
実質的に追跡する。
【００５６】 第二検知器エレメント７５０も配設され得る。第二検知器エレメントを用いて
、第二の理想的周波数を決定され得る。第二理想的周波数から、第二過渡時間を
決定され得る。第一及び第二過渡時間を用いて、対象の流体の速度が、上記の式
（４）を用いて、流体の特性に比較的独立して決定され得る。 図１５は図１４のホイートストンブリッジ及び増幅器回路のより詳細な略図で
ある。図１５のホイートストンブリッジ回路は一方の足にマイクロブリッジ（ヒ
ータ又は検知器）エレメント８００を、反対の足に電圧依存抵抗８０２を含む。
電圧依存抵抗８０２は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることが好ましく、
Ｖinポート８０４に提供される時変入力信号によって制御される。ホイートスト
ンブリッジの両側は図示のように差動増幅器８０６に結合されている。差動増幅
器８０６はホイートストンブリッジにおける如何なる不平衡をも検知し、必要な
電力を提供して電力入力信号８１０によってホイートストンブリッジを平衡化す
る。この構成では、マイクロブリッジエレメント８００の抵抗、従って温度は、
電圧依存抵抗８０２の抵抗、或いはこの場合、ＶＩＮポート８０４に提供される
時変入力信号を実質的に追跡するように強制される。
、第二の理想的周波数を決定され得る。第二理想的周波数から、第二過渡時間を
決定され得る。第一及び第二過渡時間を用いて、対象の流体の速度が、上記の式
（４）を用いて、流体の特性に比較的独立して決定され得る。 図１５は図１４のホイートストンブリッジ及び増幅器回路のより詳細な略図で
ある。図１５のホイートストンブリッジ回路は一方の足にマイクロブリッジ（ヒ
ータ又は検知器）エレメント８００を、反対の足に電圧依存抵抗８０２を含む。
電圧依存抵抗８０２は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることが好ましく、
Ｖinポート８０４に提供される時変入力信号によって制御される。ホイートスト
ンブリッジの両側は図示のように差動増幅器８０６に結合されている。差動増幅
器８０６はホイートストンブリッジにおける如何なる不平衡をも検知し、必要な
電力を提供して電力入力信号８１０によってホイートストンブリッジを平衡化す
る。この構成では、マイクロブリッジエレメント８００の抵抗、従って温度は、
電圧依存抵抗８０２の抵抗、或いはこの場合、ＶＩＮポート８０４に提供される
時変入力信号を実質的に追跡するように強制される。
【００５７】 このように本発明の好ましい実施形態を述べてきたが、当業者は本明細書に見
出される教示が、本明細書に添付されている請求の範囲内で更に別の実施形態に
適用されることを容易に理解しよう。
出される教示が、本明細書に添付されている請求の範囲内で更に別の実施形態に
適用されることを容易に理解しよう。
【図１】 図１はマイクロブリッジ流量検知器の先行技術実施形態を図２および図３と異
なって示す図である。
なって示す図である。
【図２】 図２はマイクロブリッジ流量検知器の先行技術実施形態を図１および図３と異
なって示す図である。
なって示す図である。
【図３】 図３はマイクロブリッジ流量検知器の先行技術実施形態を図１および図２と異
なって示す図である。
なって示す図である。
【図４】 図４は熱マイクロブリッジ又は微細膜検知器に基づいた流体特性及び流量検知
器システムの部分切り欠き図である。
器システムの部分切り欠き図である。
【図５】 図５は二つの下流検知器エレメントを有する本発明に係るマイクロブリッジの
第一例示断面図である。
第一例示断面図である。
【図６】 図６は上流及び下流検知器エレメントを有する本発明に係るマイクロブリッジ
検知器の第二例示断面図である。
検知器の第二例示断面図である。
【図７】 図７は三つ以上の下流検知器エレメントを有する本発明に係るマイクロブリッ
ジ検知器の第三例示断面図である。
ジ検知器の第三例示断面図である。
【図８】 図８は幾つかの下流及び上流検知器エレメントを有する本発明に係るマイクロ
ブリッジ検知器の第四例示断面図である。
ブリッジ検知器の第四例示断面図である。
【図９】 図９は本発明の第一例示実施形態の略図である。
【図１０】 図１０はヒータ／検知器の組み合わせのための理想的周波数及び第９図の周波
数発生器によって提供される二つの固定周波数を示す図である。
数発生器によって提供される二つの固定周波数を示す図である。
【図１１】 図１１は二つの固定周波数において測定された検知器エレメントの内部位相遅
延から理想的周波数を決定するための例示方法を示すグラフである。
延から理想的周波数を決定するための例示方法を示すグラフである。
【図１２】 図１２は図１３の理想電力振幅グラフを用いて二つの固定周波数において測定
された検知器エレメントの内部位相遅延から理想的周波数を決定するための例示
方法を示すグラフである。
された検知器エレメントの内部位相遅延から理想的周波数を決定するための例示
方法を示すグラフである。
【図１３】 図１３は検知器エレメントに提供される時変入力信号に対して理想電力振幅を
決定するための例示方法を示すグラフである。
決定するための例示方法を示すグラフである。
【図１４】 図１４はヒータ及び検知器の内部位相遅延が実質的にゼロに強制される本発明
の第二例示実施形態の略図である。
の第二例示実施形態の略図である。
【図１５】 図１５は第１４図のホイートストンブリッジ及び増幅器回路の一方のより詳細
な略図である。
な略図である。
【図１６】 図１６はヒータ／検知器の組み合わせに対する理想的周波数、図１４の周波数
によって提供される二つの固定周波数、及びその結果生じる検知器回路の差動増
幅器によって提供された電力入力信号の位相シフトを示す図である。
によって提供される二つの固定周波数、及びその結果生じる検知器回路の差動増
幅器によって提供された電力入力信号の位相シフトを示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年７月７日（２０００．７．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正２】
【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３】
【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４】
【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５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１４】
【手続補正６】
【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 BA12 BA23 CB02 CB08 CB09 DA02 EA01 2G060 AA01 AE40 AF07 BB02 BC01 JA10
Claims (66)
- 【請求項１】 対象流体の選択された特性を決定するための装置において、 対象流体と熱的連通しているヒータ手段であって、温度によって変化する抵抗
を有するヒータ手段、 前記ヒータ手段を附勢するための前記ヒータ手段に接続された附勢手段であっ
て、周期的に時間変動する入力信号を前記ヒータ手段に提供して前記ヒータ手段
に過渡上昇温度状態を誘起する附勢手段、 前記ヒータ手段の抵抗に関連した出力信号を提供するための出力手段、 ＦＦＴ分析を用いて過渡上昇温度状態の間に入力信号と出力信号との間の位相
遅延を決定するためのＦＦＴ手段、及び 位相遅延を用いて対象流体の選択された特性を決定するための決定手段 を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項２】 前記ＦＦＴ分析が過渡上昇温度状態の間に入力信号と出力信
号とを相互関係せしめてその間の位相遅延を決定するための相互関係分析を含む
ことを特徴とする請求項２記載の装置。 - 【請求項３】 前記の周期的時変入力信号が二つ又はそれ以上の周波数成分
を含み、且つ前記ＦＦＴ手段が前記の二つ又はそれ以上の周波数成分の各々の位
相遅延を決定することを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項４】 前記の選択された特性が温度、圧力及び熱伝導率からなる群
から選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項５】 ヒータエレメントを用いて対象流体の選択された特性を決定
するための方法であって、前記ヒータエレメントが温度によって変化する抵抗を
有し且つ対象流体と熱連通状態にある方法において、 前記ヒータエレメントに時変入力信号を提供し、前記入力信号によって前記ヒ
ータエレメントに温度変化、及び相当の抵抗変化が生じる段階、 前記ヒータエレメントの抵抗変化を検知する段階、 ＦＦＴ分析を用いて前記ヒータエレメントの入力信号と検知された抵抗変化と
の間の位相遅延を決定する段階、及び 前記位相遅延を用いて対象流体の選択された特性を決定する段階 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項６】 前記周期的時変入力信号が二つ又はそれ以上の周波数成分を
含み、これらの二つ又はそれ以上の周波数成分の各々に対して位相遅延が決定さ
れることを特徴とする請求項５項の方法。 - 【請求項７】 前記の選択された特性が温度、圧力及び熱伝導率からなる群
から選択されることを特徴とする請求項５項の方法。 - 【請求項８】 対象流体の選択された特性を決定するための装置において、 対象流体と熱錬通状態にあるヒータ手段であり、温度により変化する抵抗を有
するヒータ手段、 対象流体と熱錬通状態にある検知器（センサ）手段であり、温度により変化す
る抵抗を有する検知器手段、 前記検知器手段の抵抗に関連する検知器出力信号を提供するための検知器出力
手段、 周期的時変入力信号を提供するための附勢手段、 前記附勢手段を前記ヒータ手段に選択的に接続するための第一切り替え手段、
及び 前記附勢手段を前記検知器手段に選択的に接続するための第二切り替え手段 を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項９】 前記附勢手段を前記ヒータ手段に選択的に接続するための前
記第一切り替え手段に結合された決定手段を更に含むことを特徴とする請求項８
記載の装置。 - 【請求項１０】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記ヒータ手段に選択的
に接続されている時に入力信号と検知器出力信号との間のヒータ対検知器位相遅
延を更に決定することを特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】 前記ヒータ手段の抵抗に関連しているヒータ出力信号を提
供するためのヒータ出力手段を更に含むことを特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１２】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記ヒータ手段に選択的
に接続されている時にヒータ出力信号と検知器出力信号との間のヒータ対検知器
位相遅延を更に決定することを特徴とする請求項１１記載の装置。 - 【請求項１３】 前記決定手段が、前記附勢手段を前記検知器手段に選択的
に接続するための前記第二切り替え手段に更に結合されていることを特徴とする
請求項１２記載の装置。 - 【請求項１４】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記検知器手段に選択的
に接続されている時に入力信号と検知器出力信号との間の検知器位相遅延を更に
決定することを特徴とする請求項１３記載の装置。 - 【請求項１５】 前記決定手段が、前記ヒータ対検知器位相遅延から検知器
位相遅延を減算することにより、前記ヒータ手段と前記検知器手段との間の過渡
位相遅延を決定することを特徴とする請求項１４記載の装置。 - 【請求項１６】 対象流体の選択された特性を決定するための方法において
、 時変入力信号を提供する段階、 前記入力信号を対象流体に熱的に結合されたヒータエレメントに結合する段階
であって、前記入力信号により前記ヒータエレメントと対象流体に温度変化が生
じる段階、 検知器エレメントにより隔置された定位にある対象流体における温度変化を検
知する段階、 流体の温度変化がヒータエレメントから検知器エレメントに移動するヒータ対
検知器位相遅延を決定する段階、 ヒータエレメントから入力信号を脱合する段階、 入力信号を検知器エレメントと結合する段階であって、前記入力信号により前
記検知器エレメントに温度変化を生じる段階、 入力信号と前記検知器エレメントにおける相当する温度変化との間の検知器位
相遅延を決定する段階、 ヒータ対検知器位相遅延から検知器位相遅延を減算して過渡位相遅延を提供す
る段階、及び 前記過渡位相遅延を用いて対象流体の選択された特性を決定する段階 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１７】 前記ヒータ対検知器位相遅延がＦＦＴ分析により決定され
ることを特徴とする請求項１６項の方法。 - 【請求項１８】 前記検知器位相遅延がＦＦＴ分析により決定されることを
特徴とする請求項１６項の方法。 - 【請求項１９】 前記の選択された特性が温度拡散率であることを特徴とす
る請求項１６項の方法。 - 【請求項２０】 対象流体の速度を決定するための装置において、 対象流体と熱錬通状態にあるヒータ手段であり、温度により変化する抵抗を有
するヒータ手段、 対象流体と熱錬通状態にある第一検知器手段であり、前記ヒータ手段から第一
距離だけ隔置されており且つ温度により変化する抵抗を有する第一検知器手段、 前記第一検知器手段の抵抗に関連する第一検知器出力信号を提供するための第
一検知器出力手段、 対象流体と熱錬通状態にある第二検知器手段であり、前記ヒータ手段から第二
距離だけ隔置されており且つ温度により変化する抵抗を有する第二検知器手段、 前記第二検知器手段の抵抗に関連する第二検知器出力信号を提供するための第
二検知器出力手段、 周期的時変入力信号を提供するための附勢手段、 前記附勢手段を前記ヒータ手段に選択的に接続するための第一切り替え手段、
及び 前記附勢手段を前記第一検知器手段に選択的に接続するための第二切り替え手
段、及び 前記附勢手段を前記第二検知器手段に選択的に接続するための第三切り替え手
段 を含むことを特徴とする装置。 - 【請求項２１】 前記附勢手段を前記ヒータ手段に選択的に接続するための
前記第一切り替え手段に結合された決定手段を更に含むことを特徴とする請求項
２０記載の装置。 - 【請求項２２】 前記ヒータ手段の抵抗に関連しているヒータ出力信号を提
供するためのヒータ出力手段を更に含むことを特徴とする請求項２１記載の装置
。 - 【請求項２３】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記ヒータ手段に選択的
に接続されている時にヒータ出力信号と第一検知器出力信号との間の第一ヒータ
対検知器位相遅延を更に決定することを特徴とする請求項２２記載の装置。 - 【請求項２４】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記ヒータ手段に選択的
に接続されている時にヒータ出力信号と第二検知器出力信号との間の第二ヒータ
対検知器位相遅延を更に決定することを特徴とする請求項２３記載の装置。 - 【請求項２５】 前記決定手段が、前記附勢手段を前記第一検知器手段に選
択的に接続するための前記第二切り替え手段に更に結合されていることを特徴と
する請求項２４記載の装置。 - 【請求項２６】 前記決定手段が、前記附勢手段が前記第一検知器手段に選
択的に接続されている時に入力信号と第一検知器出力信号との間の第一検知器位
相遅延を更に決定することを特徴とする請求項２５記載の装置。 - 【請求項２７】 前記決定手段が、前記第一ヒータ対検知器位相遅延から第
一検知器位相遅延を減算することにより、前記ヒータ手段と前記第一検知器手段
との間の第一過渡位相遅延を決定することを特徴とする請求項２６記載の装置。 - 【請求項２８】 前記決定手段が、前記附勢手段を前記第二検知器手段に選
択的に接続するための前記第三切り替え手段に更に結合されていることを特徴と
する請求項２７記載の装置。 - 【請求項２９】 請求項２８記載の装置において、前記決定手段は、前記付
勢手段が前記第２のセンサ手段に選択的に接続されるときに、前記入力信号と前
記第２のセンサ出力信号との間の第２のセンサ位相遅延を更に決定することを特
徴とする装置。 - 【請求項３０】 請求項２９記載の装置において、前記決定手段は、第２の
センサ位相遅延を前記第２のヒータ対センサ位相遅延から減算することによって
、前記ヒータ手段と前記第２のセンサ手段との間の第２の過渡位相遅延を決定す
ることを特徴とする装置。 - 【請求項３１】 請求項３０記載の装置において、前記決定手段は、前記第
１の過渡位相遅延と前記第２の過渡位相遅延とを用いることによって、対象流体
の速度を決定することを特徴とする装置。 - 【請求項３２】 対象流体の速度を決定する方法であって、 時間変動する入力信号を提供するステップと、 前記入力信号を、前記対象流体に熱的に結合されたヒータ素子に結合するステ
ップであって、前記入力信号は前記ヒータ素子と前記対象流体とにおいて温度変
化を生じさせる、ステップと、 第１の離間した位置における対象流体における温度変化を第１のセンサ素子を
介して検知するステップと、 前記対象流体における温度変化が前記ヒータ素子から前記第１のセンサ素子ま
で移動する第１のヒータ対センサ位相遅延を決定するステップと、 第２の離間した位置における対象流体における温度変化を第２のセンサ素子を
介して検知するステップと、 前記対象流体における温度変化が前記ヒータ素子から前記第２のセンサ素子ま
で移動する第２のヒータ対センサ位相遅延を決定するステップと、 前記第１の信号を前記ヒータ素子から切り離すステップと、 前記第１の信号を前記第１のセンサ素子に結合するステップであって、前記入
力信号は前記第１のセンサ素子において温度変化を生じさせる、ステップと、 前記入力信号と前記第１のセンサ素子における対応する温度変化との間の第１
のセンサ位相遅延を決定するステップと、 前記第１のセンサ位相遅延を前記第１のヒータ対センサ位相遅延から減算して
、第１の過渡位相遅延を提供するステップと、 前記第１の信号を前記第２のセンサ素子に結合するステップであって、前記入
力信号は前記第２のセンサ素子において温度変化を生じさせる、ステップと、 前記入力信号と前記第２のセンサ素子における対応する温度変化との間の第２
のセンサ位相遅延を決定するステップと、 前記第２のセンサ位相遅延を前記第２のヒータ対センサ位相遅延から減算して
、第２の過渡位相遅延を提供するステップと、 前記第１の過渡位相遅延と前記第２の過渡位相遅延とを用いて前記対象流体の
速度を決定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項３３】 請求項３２記載の方法において、前記入力信号を前記第２
のセンサ素子に結合する前に前記入力信号を前記第１のセンサ素子から切り離す
ステップを更に含むことを特徴とする方法。 - 【請求項３４】 請求項３２記載の方法において、前記第１のヒータ対セン
サ位相遅延と前記第２のヒータ対センサ位相遅延とは、ＦＦＴ解析を介して決定
されることを特徴とする方法。 - 【請求項３５】請求項３４の方法において、第１のセンサ位相遅れと第２の
センサ位相遅れがＦＦＴ分析を介して決定される方法。 - 【請求項３６】対象流体の選択された特性を決定する装置において、 対象流体との熱的伝達におけるヒータ手段であって、該ヒータ手段は温度を変
更する抵抗を有することと、 対象流体との熱的伝達における第１のセンサ手段であって、該第１のセンサ手
段は該ヒータ手段から離され、温度を変更する抵抗を有することと、 該第１のセンサ手段の該抵抗と関連した第１のセンサ出力信号提供する第１の
センサ出力手段と、 該ヒータ手段と該第１のセンサ手段とに結合され、各々が該ヒータ手段と該第
１のセンサ手段に対して異なる周波数を有する少ないとも２つの時間―可変入力
信号を供給する起動手段と、 少ないとも２つの時間−可変入力信号の選択された１つと、該第１のセンサ出
力信号の対応する周波数成分との間のいくらかの第１の測定された位相遅れを決
定する決定手段と、 第１の測定された位相遅れ値の数を受信し、理想の時間−可変入力信号と第１
の校正された位相遅れ値と等しい第１のセンサ出力信号との間の位相遅れを発生
する第１の理想入力周波数を決定する、前記決定手段に結合された処理手段と、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項３７】請求項３６の装置において、前記処理手段が、更に前記理想
入力周波から対象流体の選択された特性を決定する装置。 - 【請求項３８】請求項３６の装置において、前記決定する手段が、ＦＦＴ分
析を使用して第１の位相遅れ値の数を決定する装置。 - 【請求項３９】請求項３６の装置において、 前記少ないとも２つの時間−可変入力信号の１つの周波数が、前記第１の理想
入力周波数よりも低く、該少なくとも２つの時間−可変入力信号の他の周波数が
、該第１の理想入力周波数より高い装置。 - 【請求項４０】 請求項３６に記載の装置であって、前記第一の校正された
位相遅延値は、第一理想入力周波数においての真空状態の下での第一検知器出力
信号と時変入力信号との間の位相遅延である、装置。 - 【請求項４１】 請求項３６に記載の装置であって、前記第一検知器エレメ
ントに結合され、供給される少なくとも２つの前記時変入力信号の振幅を低減す
る手段を更に備える装置。 - 【請求項４２】 請求項３６に記載の装置であって、 対象の前記選択された特性は熱拡散率である、装置。
- 【請求項４３】 請求項３６に記載の装置であって、 対象の流体と熱的に結合する第二検知器手段であって、前記ヒータ手段から離
間され、温度で変化する抵抗を有する第二検知器手段と、 前記第二検知器手段の前記抵抗に関連する第二検知器出力信号を供給する第二
検知器出力手段とを更に備え、 前記付勢手段は、更に、前記第二検知器手段に結合され、前記少なくとも２つ
の時変入力信号を供給し、 前記決定手段は、更に、前記少なくとも２つの時変入力信号の選択されたもの
と、前記第二検知器出力信号の対応する周波数成分との間の、多数の第二の測定
された位相遅延値を判定し、 前記処理手段は、更に、前記多数の第二の測定された位相遅延値を受け取り、
理想時変入力信号と、第二の校正された位相遅延値と実質的に等しい第二検知器
出力信号との間の位相遅延を発生し得る第二理想入力周波数を判定する、 装置。 - 【請求項４４】 請求項４３に記載の装置であって、前記処理手段は、更に
、前記対象の流体の前記選択された特性を、前記第一および第二理想入力周波数
から判定する、装置。 - 【請求項４５】 請求項４４記載の装置において、対象とする選択された特
性は流体速度である、装置。 - 【請求項４６】 請求項４３記載の装置において、前記判定手段はＦＦＴ分
析を使用する第２の測定されたフェーズラグ値の数を決定する、装置。 - 【請求項４７】 請求項４３記載の装置において、少なくとも２つの時変入
力信号の１つの周波数は、前記第２の理想入力周波数よりも低く、前記少なくと
も２つの時変入力信号の別の１つの周波数は、前記第２の理想入力周波数よりも
高い、装置。 - 【請求項４８】 請求項４３記載の装置において、前記第２の較正されたフ
ェーズラグ値は、前記第２の理想入力周波数における真空状態での前記時変入力
信号と前記第２センサ出力信号との間のフェーズラグ値である、装置。 - 【請求項４９】 請求項４３記載の装置において、更に前記第２センサ素子
に結合され、そこに供給される前記少なくとも２つの時変入力信号の振幅を減少
させる手段を備えた装置。 - 【請求項５０】 対象とする流体の選択された特性を判定する方法であって
、 ヒータ素子及び第１センサ素子を各々異なる周波数を有する少なくとも２つの
時変入力信号によって付勢するステップであって、前記ヒータ素子及び第１セン
サ素子が対象流体に熱的に結合されるとともに温度によって変化する抵抗を有す
る、ステップと、 前記第１センサ素子の抵抗変化を感知するステップと、 前記少なくとも２つの時変入力信号の選択されたものと前記第１センサ素子の
対応する抵抗変化との間のラグを決定するステップと、 理想時変入力信号と前記第１センサ素子の抵抗変化との間のフェーズラグを生
じるであろう第１の理想入力周波数を決定するステップであって、前記フェーズ
ラグは第１の較正されたフェーズラグ値に実質上等しい、ステップと、 を含む方法。 - 【請求項５１】 真空状態へ第1のセンサ・エレメントを従属させるステップ
と、 それぞれが異なる周波数を有する、1以上の第1のセンサ入力信号により第1の センサ・エレメントを付勢するステップと、 第1のセンサ入力信号と前記第1のセンサ・エレメントの対応する抵抗変化との 間の校正された位相遅延値の数を決定するステップと、 をさらに含む請求項５０に記載の方法。 - 【請求項５２】 少なくとも２つの時間変動入力信号により第2のセンサ・エ
レメントを付勢するステップと、前記第2のセンサ・エレメントは対象流体に熱的
に結合され、そして温度により変化する抵抗を有し、 第2のセンサ・エレメントの対応する抵抗変化をを検知するステップと、 時間変動入力信号の選択された一つと第2のセンサ・エレメントの対応する抵抗
変化の間の遅れを決定するステップと、 理想時間変動入力信号と、第2の較正された位相遅延値に実質的に等しい第2の
センサ・エレメントの抵抗変化との間の位相遅延を生じる第2の理想入力周波数を
決定するステップと、 をさらに含む請求項５１に記載の方法。 - 【請求項５３】 真空状態へ第２のセンサ・エレメントを従属させるステッ プと、 それぞれが異なる周波数を有する、1以上の第２のセンサ入力信号により第２ のセンサ・エレメントを付勢するステップと、 第２のセンサ入力信号と前記第２のセンサ・エレメントの対応する抵抗変化と の間の較正された位相遅延値の数を決定するステップと、 をさらに含む請求項５０に記載の方法。
- 【請求項５４】 対象の流体の選択された特性を決定するための装置であっ
て、 対象の流体と熱伝導状態にあるヒータ手段と、 対象の流体と熱伝導状態にある第一のセンサ素子を有する第一のセンサ手段で
あって、前記第一のセンサ手段が、電力入力と、制御入力と、第一の可変抵抗と
を有すること、前記制御入力が、前記第一の可変抵抗を制御することと、 前記第一の可変抵抗の抵抗と前記センサ素子の抵抗とに関する第一のセンサ出
力信号を与える第一のセンサ出力手段と、 前記第一のセンサ出力手段と前記第一のセンサ手段の電力入力とに接続され、
前記第一のセンサ手段の電力入力に第一のセンサ電力信号を与える第一のセンサ
付勢手段であって、前記第一のセンサ電力信号によって、前記センサ素子の抵抗
が前記第一の可変抵抗の抵抗を実質的に追跡することと、 前記ヒータ手段と前記第一のセンサ手段の制御入力とに接続され、前記ヒータ
手段と前記第一のセンサ手段の制御入力とに時間変更入力信号を与える付勢手段
と、 所定の基準に関して前記第一のセンサ電力信号におけるフェーズラグを決定す
る決定手段と、 を含む対象の流体の選択された特性を決定するための装置。 - 【請求項５５】 前記決定手段が更に、前記フェーズラグから対象の流体の
選択された特性を決定する請求項５４記載の装置。 - 【請求項５６】 前記時間変更入力信号が、２またはそれ以上の周波数成分
を有し、且つ前記決定手段が、前記周波数成分のそれぞれに対するフェーズラグ
を決定する請求項５４記載の装置。 - 【請求項５７】 前記決定手段が、前記周波数成分のそれぞれに対するフェ
ーズラグから、対象の流体の選択された特性を決定する請求項５６記載の装置。 - 【請求項５８】 対象の流体の選択された特性が、熱拡散率である請求項５
７記載の装置。 - 【請求項５９】 前記第一のセンサ手段が、一つの脚に前記第一のセンサ素
子を有し、別の脚に前記第一の可変抵抗を有するホイーストンブリッジを含む請
求項５４記載の装置。 - 【請求項６０】 前記第一の可変抵抗がＦＥＴである請求項５９記載の装置
。 - 【請求項６１】 前記決定手段が、ＦＥＴ分析を使用して、前記第一のセン
サ電力入力信号のフェーズラグを決定する請求項５４記載の装置。 - 【請求項６２】 対象の流体と熱伝導状態にある第二のセンサ素子を有する
第二のセンサ手段であって、前記第二のセンサ手段が、電力入力と、制御入力と
、第第二の可変抵抗とを有すること、前記制御入力が、前記第二の可変抵抗を制
御することと、 前記第二の可変抵抗の抵抗と前記第二のセンサ素子の抵抗とに関する第二のセ
ンサ出力信号を与える第二のセンサ出力手段と、 前記第二のセンサ出力手段と前記第二のセンサ手段の電力入力とに接続され、
前記第二のセンサ手段の電力入力に第二のセンサ電力信号を与える第二のセンサ
付勢手段であって、前記第二のセンサ電力信号によって、前記第二のセンサ素子
の抵抗が前記第二のの可変抵抗の抵抗を実質的に追跡することと、 前記第二のセンサ手段の制御入力に更に接続され、それに時間変更入力信号を
与える前記付勢手段と、 所定の基準に関して前記第二のセンサ電力入力信号におけるフェーズラグを更
に決定する前記決定手段と、 を更に含む請求項５９記載の装置。 - 【請求項６３】 前記決定手段が、前記第一および第二のセンサ電力入力信
号の前記フェーズラグから対象の流体の選択された特性を決定する請求項６２記
載の装置。 - 【請求項６４】 前記第二のセンサ手段が、一つの脚に前記第二のセンサ素
子を有し、別の脚に前記第二の可変抵抗を有するホイーストンブリッジを含む請
求項６２記載の装置。 - 【請求項６５】 前記第二の可変抵抗がＦＥＴである請求項６４記載の装置
。 - 【請求項６６】 前記決定手段が、ＦＥＴ分析を使用して、前記第二のセン
サ電力入力信号のフェーズラグを決定する請求項６２記載の装置。
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