JP2002535675A - マイクロセンサハウジング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一端に少なくとも１つの入口と、他端に熱的性質センサとを有する構造体を備えるマイクロセンサハウジングである。対流遮蔽体が入口とセンサとの間に配置されている。標本採取した流体は、採取すべき流体を運ぶ通路からの入口内で受け取られる。流体の対流流れ線は対流遮蔽体により妨害されている。流体は遮蔽体とセンサとの間のキャビティ内に拡散される。該センサは拡散された流体の熱的性質を検出する。１つの好ましい遮蔽体がその周縁の周りに穴を有し、遮蔽体の連続的な中央部分がある距離にてセンサを覆う。流体を運ぶ通路は乱流の騒音を少なくし且つセンサハウジングへ且つセンサハウジングからの流体の搬送を助長することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【背景】 本発明は、流体センサ、特に、マイクロセンサに関する。より具体的には、本
発明は、かかるセンサハウジングに関する。マイクロセンサは、煩わしい包装上
の問題点がある。そのスペース及びコスト削減可能な小型であること（表面積及
び薄膜の厚さの点で）は、粒子による偶発的な衝撃の影響を受け易いマイクロセ
ンサとしている。固体の粒子は、センサのガス感知薄膜を破壊し、又は粘性の粒
子が薄く被覆されてもその熱伝導特性を変化させることになる。液体粒子は、再
蒸発後に、残留物が留まるならば、小さい固体と同一の作用を果たすであろう。
今日まで考えられ且つ具体化された解決策は、部分的にのみ保護するためのもの
であり、比較的短い有効寿命の後、詰まりを生ずるもの（図１ａのスクリーン）
か、又は十分な保護効果を提供するものの、コスト高の機械加工及び組み立てを
必要とし、応答時間を許容し得ない程に増大させるもの（反らせ板）かの何れか
である。図１ａ及び図１ｂ参照。 【０００２】 これらの問題点は、かかる蒸気の制御又は回収工程に必要とされる流体蒸気の
マイクロセンサの開発に関して依然として懸念事項である。この問題点の原因は
、短い応答時間（例えば、１乃至３秒以下）及び約１０年の有効寿命を実現する
という２つの相反する目標を満足させる必要性である。塵、蒸気ミスト／ガムの
残留物に対してセンサを十分に保護することは、二重又は三重のスクリーンにて
実現できるが、このことは、応答時間が所定の時間を十分に超える程度にまで長
くなることになる。挿入可能な２段の反らせ板（２つのＤＳをずらした形状のも
の、図１ｂ参照）は、１．６ｍｇの液滴に対して（このことは、スクリーンの場
合には当て嵌まらない）、更に、細かい液滴ジェットに対してさえ保護効果を提
供する（スクリーンでは不可能である）が、応答時間は１５秒以上となる。 【０００３】 流体の性質を感知する基本的アプローチを決定することは、重要で且つ必須の
ステップである。しかし、苛酷な環境においてでさえ、センサがその機能を迅速
に、敏感に且つ確実に果たすことを可能にする、センサハウジング又は包装体の
設計が少なくとも同程度に重要である。問題は、同様に、センサの長く且つ確実
な有効寿命が得られるように保護することを保証すべく設けられるであろうフィ
ルタ及び反らせ板が、応答時間を許容し得ない程に長くすることである。本発明
は、応答速度とセンサの保護との間の１つの解決策を提供し且つその両者の兼ね
合いを図るものである。 【０００４】 【発明の概要】 当該包装体は、熱マイクロセンサの小さい１μｍ厚さの感知構造体を保護する
こと、及び強制的対流、乱流、塵、液滴及び／又は凝縮にさらされるにも拘らず
、迅速で且つ確実な作動を促進することの双方を可能にするものである。 【０００５】 熱伝導率、比熱、又はその酸素要求量の誘導値、熱量値、圧縮係数又はオクタ
ン価のような流体（すなわち、ガス又は液体）の熱物理学的性質を感知するため
には、センサは、流体と接触し且つ上記の性質の僅かな変化を確実に感知する必
要がある。この感度は、低質量で、表面積対容積比が大きい加熱及び感知要素を
特徴とするセンサチップ自体の設計により提供される。長く且つ確実な作用を果
たすためには、塵又は液滴の付着に起因する干渉及び流れ（層状流、又は乱流）
に起因する干渉からセンサを保護することが必要となる。凝縮に対して保護する
ことは、センサが凝縮液体と接触した後、所定の短時間内でその感知性能を回復
し得るように設計されていることを意味する。迅速な応答は、センサチップ自体
が流体の性質の変化に迅速に応答する必要があること、及びセンサ包装体が強制
的対流又は乱流に起因する認識可能な熱的乱れを伴うことなく、「古い」流体試
料を迅速に搬送し且つ「新しい」試料と交換することを許容することが必要である
ことを意味する。 【０００６】 流体の性質センサが応答時間、流れに対する非感受性、及び有効寿命に関する
特定のマイクロセンサの性能に合致するためには、設計者が所望のセンサ性能に
適合するように調節することのできる４つのパラメータ群の特徴は、センサチッ
プの設計及び性能、センサ包装体の対流型搬送部分の幾何学的形態、対流型障壁
の幾何学的形態及び拡散搬送部分の幾何学的形態を含む。 【０００７】 この工具キットのパラメータの場合、苛酷な環境内での「迅速な応答性」「高
流れにおける作動可能性」及び「長い有効寿命という相反する性能の要求に適合
するため、マイクロセンサをマイクロ環境内で保護するため（熱物理的保護）の
設計に対する一般的且つ量的なガイドラインが存在する。これらは、塵負荷、偶
発的な凝縮、最大の流速及び乱流が平均的なものであることを特徴とし、その結
果、過剰な保護に起因して応答時間が遅いという従来からの問題点が生じている
。本発明の結果、性能の特定化（応答時間及び有効寿命）、及び環境条件の特徴
化が可能となり、包装したセンサが所望の性能及び有効寿命の仕様に適合するこ
とを可能にする、性質センサ及び流れセンサ双方のマイクロセンサ包装体が開発
された。 【０００８】 提案されたアプローチは、図４ｃ及び図４ｅに図示されている。単一段の反ら
せ板は、液体がセンサチップ付近に達するならば、側部を介して液体の流出を容
易にし得る形状とされている。この反らせ板は、チップの周りの領域を突出させ
ると共に、取り付け方向からの直接的な跳ね返りがチップに当たるのを防止する
一組みの同心状の穴を有するように機械加工する。このことは全ての側部からチ
ップへ流体が拡散状態でアクセスすることを許容しつつ、チップを保護する。 【０００９】 要するに、マイクロセンサ用の開示したハウジングは、保護されたセンサの周
りに開口部が配置された単一段の同心状の反らせ板に基づく新たな環境的保護可
能な設計を特徴としている。このハウジングは、流体が拡散するのに必須ではな
いこれら空間を充填することにより（応答時間を短縮するため）、センサの周り
に不作用空間が残るのを最小にする。 【００１０】 従来技術のスクリーン及び非同心状の反らせ板に比して本発明には有利な点が
ある。これは単一体として機械加工することができる。その反らせ板は機械加工
後に組み立てる必要はない。同心状の反らせ板の穴は詰まりを生ずる可能性を無
視し得る程度にするのに十分に大きい。応答時間は、従来の２段の非同心状反ら
せ板（図１ｂの２つのＤ字形ルーバをずらし且つ対向状態に配置したもの）の場
合よりも５乃至９倍、速くなる。外部の流れ方向に対するハウジングの方向が反
らせ板の効果に影響を与えることはない。このハウジングは機械加工が容易であ
り、何らの組み立てを必要とせず、反らせ板を全く備えない場合と比べてマイク
ロセンサの応答時間を殆ど長くすることはない。 【００１１】 【実施の形態の説明】 センサハウジングすなわち包装体１０は、強制的対流１３が流体試料（塵及び
液滴を含む）１４を遮蔽体１２に搬送することができるように、センサ１１に対
し「マイクロ環境的」遮蔽体すなわち反らせ板１２を提供することにより苛酷な
環境に伴う問題点を解決する。次に、拡散が試料１４を遮蔽体１２とセンサ１１
との間にて搬送する。図１ａには、センサチップ１１（その拡大断面図が図１ｃ
に図示）、対流流れから保護するための全体的な障壁（スクリーンのような）遮
蔽体１２の保護された位置と、センサ１１に対する流体試料要素１４を拡散領域
２２内に搬送する状態とを示すハウジングの原理が示してある。図１ｂには、主
要な流れ１６からのエアロゾルとセンサチップとの間の直接的な飛散線を防止す
る角度付きの経路に基づくセンサ１１の障壁１５と、センサ１８を監視すべき流
体流に取り付ける付随的な６．３５ｍｍ（１／４インチ）ＮＰＴ接続具１７とが
図示されている。 【００１２】 設計１８の理論的根拠は、２つの測定方法に基づくマイクロセンサの流れデー
タを示す、図２及び図３に図示した測定値から得たものである。同一のセンサを
使用して相違し且つ絶対的流れを感知し、これにより、ヒータは、別段の表示が
ない限り、約１００℃の周囲温度以上の一定の温度にて作動するように制御され
る。図２ａにおいて、流れ信号は、中央加熱要素の側面に接する２つの非励起型
（Ｐｔ薄膜レジスタ）感知要素の間の温度差から得られる。これら感知要素の全
ては、強制的対流により多かれ少なかれ影響を受ける。しかし、図３には、流れ
が約１６０Ｌ／時に増加する迄、約５ｍＷ±０．５％の低電力を消費するヒータ
の場合、この影響は遅れることが示してある。上記の流れの値は、内径（ＩＤ）
１４ｍｍのベンチェリノズルを使用した場合、２８ｃｍ／秒に相当する。図３に
は、このヒータの電力は、図２及び図３にて、参照番号Ｍ、Ｅ、Ｎで表示したＣ
Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｎ₂に対するデータと比較したときの熱伝導率に比例することが示
してある。プロットしたヒータの電力Ｐは、ヒータの電力とｋとの間の直線状の
関係にて、熱伝導率ｋを求めるために使用することができる。 【００１３】 図１ａ乃至図１ｃに示したものと同一のチップ１１の保護が得られるように、
２８ｃｍ／秒（ｃｍ／ｓ）の上記値以上の典型的な工業用ガス流の範囲となるよ
うにすることが必要とされる。その例は、次の通りである。１）ガス計への内径
１９．０５ｍｍ（３／４インチ）のパイプ内にて７．０７９ｍ³（２５０ｆｔ³）
／時のガスの場合、６９０ｃｍ／秒、レイノルズ数（Ｒｅ）＝９，１１７、２）
内径１２．７ｍｍ（１／２インチ）のパイプ内にて３７８５４．１ｍ³（１０ｇ
ａｌ）／分の空気の場合、５００ｃｍ／秒、Ｒｅ＝４，３８７、３）内径５０．
８ｍｍ（２インチ）のパイプ内にて４ｋｇ／分の場合、２７４０ｃｍ／秒、Ｒｅ
＝９６，５８５、４）内径１２．７ｍｍ（１／２インチ）のパイプ内にて２００
Ｌ／分の場合、２７１６ｃｍ／秒、Ｒｅ＝２３，５５１である。これらの例は、
個別的で且つ関連しない用途に対するものであるが、乱流に関する何らかの全体
的な決定及びガイドラインを得ることができる。レイノルズ数（Ｒ＝ｄ・ｖ・ρ
／η）の表示した値は、Ｒｅ＞２２００の乱流範囲に属し、このため、その効果
が弱められない限り、流体の性質の測定中に生じる関連した干渉を予想すること
ができる。 【００１４】 １つのガスから別のガス（典型的に、Ｎ₂からＡｒ又はＣＨ₄）に切り換えるる
間に、２６．２ｃｍ／秒の線速度に相応する、内径１８ｍｍ（０．７１インチ）
のパイプ内で２４０Ｌ／時（約３７８５．４１ｍ³（約１ガロン）／分）の流れ
を保ちつつ且つセンサチップを図４ｄに示すように、パイプの中心から２４ｍｍ
（０．９４インチ）の距離に配置して、センサ信号の変化を記録することより応
答時間τ（６３％）を測定することができ且つ実際に測定した。図５ａに示すよ
うに、この条件下にて、流速に対して多少、逆比例して減少することが分かった
ため、従来の応答時間の測定値を得るためには、２４０Ｌ／時又は４Ｌ／分の値
とすることが必要であった。図５ｂ及び図５ｃには、流量６００Ｌ／時及び１０
００Ｌ／時の影響がそれぞれ図示されている。異なるガスに対する拡散率の差か
ら予想されるように、図６ａ、図６ｂ及び図６ｃには、ガスの組成はまた、応答
時間に影響を与えることが示してある。それぞれ０．５３秒、０．９４秒、３．
５秒にてＮ₂からアルゴン、プロパン及びヘプタンのガスへ切り換えたとき、応
答時間は遅くなることが観察された。これらの増加は、その質量拡散率０．０９
６、０．０３９及び０．０１６の逆数に略等しい率である。 【００１５】 図４ｃに示した包装体の設計に対する応答時間の異なる部分を推定する迅速な
方法を開発するため、拡散、ｘ²＝２・Ｄ・ｔによる有効な搬送距離に対する古
典的な一次元的拡散等式から開始した。しかし、三次元的な場合の三次元的積分
アプローチに従うことなく、適用が容易な拡散視覚アプローチ法を開発した。こ
の方法は、障壁の断面１９の開放部分の面積（合計穴面積）とセンサ１１に向け
たキャビティの他端におけるキャビティ断面２０との比を因数分解することから
成るものとした。流速に比例する応答時間の反復的部分と共に、図４ａ、図４ｂ
、図４ｃにそれぞれ示したセンサの試験形態２３、２４及び１０に対する応答時
間τを確認し且つ予想することができる。 【００１６】 この提案されたアプローチは図４ｃ、図４ｅに示してある。単一段の反らせ板
２５は、液体がセンサチップ１１に接近したならば、側部２６を介して液体を流
出させるのを容易にし得るような形状とされている。第二に、この反らせ板には
、センサチップ１１の周りの領域を突出させ且つ取り付け方向からの直接的な撥
ね返りがチップ１１に当たるのを防止する、一組みの同心状の穴２１を有するよ
うに機械加工する。また、反らせ板２５は、また、流体が全ての側部からチップ
１１に拡散状態にてアクセスするのを許容しつつ、チップを保護する。リング形
状の挿入体２７は、チップ１１の周りの不作動スペースを少なくし、この不作動
スペースは、エポキシ充填物により更に少なくすることができる。図４ｃ及び図
４ｅに示すように、挿入体２７は、約４．２１８ｍｍ（約０．１７０インチ）の
外径及び約３．３０２ｍｍ（約０．１３０インチ）の内径を有している。この挿
入体は、外径にて約１．１４３ｍｍ（約０．０４５インチ）の厚さ及び内径にて
約０．３８１ｍｍ（約０．０１５インチ）の厚さを有する。厚さの変化は、内径
から外径へ直線状の傾斜となり、反らせ板２５に向けた傾斜面を有することにな
る。接続具１７の入口６４は、入口の長さに亙って半径１９まで下方にテーパー
が付けられた半径６５を有している。反らせ板２５は、直径６５の入口から距離
１９の位置にある。幾つかの好ましい性能のためには、直径６５と距離１９との
比は、１に近く又は１以上である。 【００１７】 反らせ板２５は、僅かに湾曲し又は凸状である。この反らせ板は、流れの対流
線１３の障壁である。障壁１２、２５は、対流流れ線１３を妨害する。障壁すな
わち反らせ板１２、２５の後にて、反らせ板とセンサの間で流体２２の拡散が搬
送作用を受け持つ。反らせ板２５、１２は、センサ１１からの流体の対流を保つ
。反らせ板２５、１２とセンサ１１との間にてブラウン運動が生ずる。図８ｂに
示した液滴３９の試験は、ガスにも当て嵌まる。液体３８は、容積３７内の飽和
蒸気の源であり、この飽和蒸気は、凝縮して液滴３９となり、この液滴３９は、
反らせ板２５の連続領域によりセンサ１１への衝突が防止される。超音速の流れ
の場合、反らせ板２５の１つ又は２つ以上の穴２１は、極めて小さいであろう。
中実な材料の反らせ板２５の中心は、センサ１１の形態又は領域の鏡像であるよ
うにする。穴２１の長さが対流を減衰させる。各穴２１の長さ対直径の比は、１
以上であってはならない、すなわち、Ｌ／Ｄ≦１又はＤ／Ｌ≧１であるようにす
る。穴２１の壁は、対流を妨げる摩擦を発生させる。反らせ板とセンサとの間の
穴２１の領域の突出容積は、反らせ板とセンサとの間の反らせ板２５の連続的な
領域の下方における突出面積と略等しくなければならない。穴２１は、対流する
流体の通過を防止するのに十分小さくなければならず、また、穴２１からセンサ
１１の側部まで突出容積の合計値は、反らせ板２５の連続的部分の突出容積より
も大きくなければならない。 【００１８】 熱的性質は、熱伝導率、比熱及び熱拡散率を含む。反らせ板２５とセンサ１１
の表面との間の距離は、測定すべき熱プロセスの急冷を防止し得るように１００
μｍ以上に保たれる。各穴２１の直径対長さのアスペクト比は、十分な応答時間
（Ｄ／Ｌ≧１）となるためには、１に近くなければならない。構造体１７は、入
口にて円錐形とされている。センサ１１のリセス容積２２は、拡散時間を最小に
し得るように可能な限り小さく保たれる。しかし、反らせ板が開くのを許容し得
るようにセンサ１１の直径５７対リセス部の直径１９との比は、１に近いことが
必要である。センサ自体の上方又は下方の領域は、反らせ板２５に何ら穴２１又
は開口部が存在しないようにしなければならない。 【００１９】 図４ａ及び図４ｂに従って保護されたセンサの応答時間は、図５ａ、図５ｂ及
び図５ｃに示してある。追加的な受容判断基準は、６．３５０ｍｍ（１／４イン
チ）のＮＰＴ接続具１７の外部の流速に対する出力信号の感度と、汚れに起因す
る長時間の信号のドリフトとである。 【００２０】 図７には、図４ａ、図４ｂ及び図４ｃの設計に対する流れの感度の結果が示し
てある。この時点にて、図４ｃには、同様に、センサ及び反らせ板が単一体から
機械加工される点にて、組み立ての容易性の観点からして我々の好ましい実施の
形態が示してある。電子機器２８は、図４ｅのカバー２９を有する囲い物内に締
結することができる。電子機器２８を湿気から保護するため、チップホルダには
ｏリングシール３０が使用される。 【００２１】 図４ｅにおいて、障壁２５は、直径約１．２７ｍｍ（約０．０５０インチ）の
６つの穴２１を有している。穴２１の外端縁に接触する周縁部分の外周直径は、
約４．３１８ｍｍ（約０．１７０インチ）であり、穴２１の内端縁に接触する周
縁の外周直径５７は、約１．７７８ｍｍ（約０．０７０インチ）である。隣接す
る穴２１の間の間隔は、約０．２５４ｍｍ（約０．０１０インチ）である。障壁
２５の中心の厚さ７５は、約０．７６２ｍｍ（約０．０３０インチ）である。反
らせ板２５の曲率は、センサチップ１１に向けて外方に拡がっている。入口６４
の開口部分は約１０．９２２ｍｍ（約０．４３０インチ）の直径６５を有する。
障壁２５の入口から中心までの入口６４の長さ６６は、約１２．９５４ｍｍ（約
０．５１０インチ）である。入口６４の上端の障壁２５の直径１９は、約４．８
２６ｍｍ（約０．１９０インチ）である。チップ１１と障壁２５の中心との間の
距離７６は、約０．７６２ｍｍ（約０．０３０インチ）である。チップ１１の直
径は、障壁２５の中心における連続的部分の直径５７と略等しい。 【００２２】 流れが２Ｌ／時から１０，０００Ｌ／時（０．０３３３Ｌ／分から１６７Ｌ／
分、すなわち、０．２２ｃｍ／秒から１０９２ｃｍ／秒）、Ｒｅ＝２．７から１
３，６００に増大した点を除いて、上述したのと同一の設定状態（パイプの内径
１８ｍｍ、センサチップの位置がパイプ３１の中心から２４ｍｍ）にて、流れ及
び乱流に対する感度を測定した。加圧タンク及び調節装置からのガスの供給に代
えて、市販の真空ポンプを使用した１つの改変設定状態において、乱流の効果は
極めて顕著であった。測定可能な圧力変動を生ずることなく（Δｐ≦０．３ｃｍ
ＷＣ）、乱流の不規則な動作は、チップセンサの要素の箇所における熱伝導を実
際の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する流体の振舞いを模擬する点まで向上
させた。これら状態において生ずる誤差の大きさは、ＡｒとＮ₂との間の熱伝導
率の変化と同様に大きく、提供されるセンサの保護程度が不十分であることを示
す。穏当な流れ条件（Ｒｅ＜１０，０００）の場合でさえ、図７には、ワイヤー
スクリーン３３、ルーバ３２及び反らせ板２５の形態の対流障壁をそれぞれ備え
る図４ａ乃至図４ｃ及び図４ｅに示したセンサ包装体はその保護効果の点にて著
しく相違することが示してある。 【００２３】 スクリーン３３は、そのメッシュが流れ及び乱流に対して保護するに十分に緊
密であるならば、応答時間が遅く（図４ｄに示した設定状態３４の場合、τ_63%
＝２０（又は４））で且つ曲線Ａで示すように、数ヶ月の運転で詰まりを生じた
。ルーバ３２（図４ｂに示し且つ図７の曲線Ｂ、Ｂで示す）は、より優れた保護
効果を提供し且つ詰まりを生じなかったが、応答時間は更に遅くなった。反らせ
板３２（図４ｃ、図４ｅ及び図７の曲線Ｃ）は優れた保護効果を提供したが、詰
まりを生ぜず、応答時間が０．３４秒及び３．５秒であった。曲線Ｂ、Ｂは、試
験中の反対の流れ方向を示す。図７の曲線Ｃ^*は、図４ｅよりも約２倍大きい一
組みの穴２１を有し、このため、チップキャビティ２２より約２倍大きいセンサ
１０は、依然として迅速に応答するが流れ１６に対して極めて高感度である点を
除いて、図４ｃに示した反らせ板２５を有するセンサ１０と相応する。図７に示
した全てのデータは、図４ｄの括弧外に示した直径を有する設定状態３４の下で
測定したものである。 【００２４】 凝縮及びその回収の効果は、ガス密の囲い物３７を使用して定量化し、センサ
チップ１１及びその支持構造体３５は、ヘプタンの液体プール３８の上方に保持
し且つ液体と平衡状態にある飽和蒸気の温度よりも１０乃至１２℃低い温度にて
安定化させた。設定状態３６は、図８ｂに図示されている。しかし、かかる凝縮
試験は、完了する迄、数時間、場合によっては、数日かかった。より迅速で且つ
より反復可能な試験は、１．６ｍｇのヘプタン液滴３９を落とし且つその液滴が
対流障壁２５を通ってセンサチップ１１まで落ちるようにして行った。この型式
の試験は、最悪の凝縮状態、すなわち、液滴３９の形態の凝縮液がマイクロセン
サ１１の感知面に衝突する場合を表現することができる。 【００２５】 「開放した」マイクロブリッジセンサ構造体４０の試験結果に対する図８ａの
曲線４４の「ブリッジ部分」で示すように（図１０ａ参照）、３０分の間隔にて
付着させた１．６ｍｇの液滴の各々は、センサの出力信号を更なる程度だけ変化
させ、この状体は、数時間、初期値に戻らない。顕微鏡の下、少量の液体は、そ
れ自体マイクロブリッジの下方に付着し、この位置にて、ヘプタンの揮発性にも
拘らず毛管作用により液体はその位置に保たれる（最終的に、液体はアセトンの
ようなより揮発性溶剤により除去した）。 【００２６】 この見識に鑑みて、液滴試験は閉じたマイクロ薄膜構造体４１（図１０ｂ）に
て繰り返し、その結果は、図８ａの曲線４５の「薄膜」にプロットした。図示す
るように、液滴の最初の効果は、曲線４４の「ブリッジ部分」の効果と同様であ
り、信号が増大し、より高熱伝導率の流体が存在することを示す。しかし、３分
以内に（図９に拡大縮尺で示した曲線４５の「薄膜」又はその書き直した型式の
曲線を参照）、信号は大部分、初期値に戻った。 【００２７】 図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ及び図１０ｄに示すように、４つの型式のセン
サチップの設計のものを使用した。これら型式は、全て共通して、Ｐｔ薄膜抵抗
型ヒータ４６、感知要素４７及びこれら要素に対する窒化ケイ素不動態化部分４
８を使用するが、寸法、形状の点で且つ表面対容積の大きいこの感知構造体を支
持する点で相違する。 【００２８】 図１０ａには、図１ｃに図示し且つ１９８７年以降製造されている標準的な非
在庫マイクロブリッジセンサ１１の構造体４０が示してある。図１０ｂには、側
部にて約７５０μｍ（０．０３０インチ）のセンサ１１の構造体４１の密封した
四角のマイクロ薄膜５１が示してある。薄膜５１は、構造体４０に示した開放領
域４９を覆い且つ密封して、液体又はその他の物質が開放容積５０の上方でエッ
チング処理したヒータ４７及びセンサ要素４６を支持するブリッジの下方に溜ま
らないようにする。図１０ｃには、薄膜５１が円形であり且つ直径５００μｍ（
０．０２０インチ）である点を除いて、同様の型式の構造体４１が示してある。
図１０ｄには、構造体４０と同様である構造体４３のポリマー充填容積５１が示
してあり、この場合、ヒータ４７のマイクロブリッジ、感知要素４６及び容積５
０は、中実で且つ堅固な構造体の一部と成っている。 【００２９】 エポキシ充填物を介して強化したマイクロセンサ４３を使用することは、塵及
び液滴３９の効果を減少させることになる。マイクロ薄膜４８対マイクロブリッ
ジ構造体４０を使用することは、凝縮上の問題点（マイクロブリッジにて回収不
能なこと）を解消する。強化した構造体４３（図１０ｄ）を使用することは、高
流量に対するセンサの測定範囲を拡大することになる。 【００３０】 図１３ａには、ガス及び液体に対するバイパス流れマイクロセンサ内で使用さ
れるハニカムスクリーン５９、６０、６３が示してある。端面図７１は、スクリ
ーンのハニカム設計の一例を示す。図１３ｂにおいて、センサ１１の反らせ板２
５に対し特殊なバイパス５８を使用することは、図１３ｂのチップ１１の表面に
粒子が溜まるのを減少させることになる。ハニカムスクリーン５９は流れ１６に
面して乱流を静かにさせる。次に、ハニカムスクリーン６０は、センサ入口まで
の流れを制限し且つ蛇行した経路により、穴２１を有する反らせ板２５までオフ
セットバイパス６１を通じて対流流れ１６の一部を上方に付勢する傾向となる。
減少した流れは乱流の影響を少なくする。蛇行路は、より重質な粒子が反らせ板
２５の周りの容積に入るのを困難にする。反らせ板２５は、対流障壁であり、容
積２２内で流体の拡散が生ずる。流体は、バイパス通路６２からパイプ３１内に
付勢され、別のハニカムスクリーン６３を通じて流れ１６に接続する。バイパス
通路６１、６２に入り且つこれら通路から出る流体の駆動力は、それぞれスクリ
ーン６０を亙る圧力降下によってのみ提供される。 【００３１】 図１４ａには、パイプ３１からパイプの周りのそれぞれの通路まで、６又はよ
り多くのポート７４を有する主要流体搬送機構すなわちパイプ３１の周りの通路
である多数ポートサンプリング装置７２、７３（すなわち、圧電率測定装置）を
備える点を除いて、図１３ｂの形態と同様の形態が示してある。装置７２から流
体は、バイパス通路６１、障壁２５へ進み且つバイパス通路６２を介してパイプ
３１に戻り且つ装置７３及びポート７４に入る。装置７２、７３は、対流流体が
対流障壁２５の周りの容積に入るとき、流れ１６の騒音及び乱流作用を軽減し且
つ均一にする。図１４ｂには、多数ポート圧電測定用のサンプリング装置７２、
７３の流れ通路の断面が示してある。スクリーン５９、６０、６３に対するハニ
カムの２つの寸法の例が示してある。特に、通路への流速及び圧力がスクリーン
寸法の選択及び順序を決定することになる。図１３ａ及び図１３ｂ、図１４ａに
おいて、熱的性質センサを流体搬送体すなわちパイプ３１に接続する部分を密封
するため、Ｏリングシール３０が使用される。 【００３２】 表１には、構造体４０、４１、４２、４３の特徴が示してある。これらの内、
凝縮による干渉を解消するための兼ね合い及び薄膜５１の構造体４１、４２又は
４３への切り換えが特に顕著である。表１の第二のコラムは３０．８％のＴＣの
降下に相応する、Ｎ₂からＡｒへの切り換えに起因する非増幅の熱伝導率（ＴＣ
）センサ信号が表示してある。図示すように、基板に密封する前及び密封した後
、１つの薄膜チップにて確認されたように、正確に２倍の量となる、新たな試料
ガスに対しその薄膜５１の一側部しかさらされないから、ＴＣｍＶ信号は、マイ
クロ薄膜５１の構造体に対して小さい。薄膜５１の直径、厚さ及Ｐｔ薄膜感知要
素４６の熱抵抗係数がこれら信号に影響を与えることは、測定した表記値の根拠
となる。 【００３３】 構造体４３に対する表１の下列は、そのエッチング処理したキャビティ５０を
エポキシで充填した点を除いて、標準的なマイクロブリッジセンサの結果を表わ
す。これを行う理論的根拠は、例えば、液体のような高質量流れ又は速度流れを
感知することが望ましかったからである。製造したマイクロブリッジ流れセンサ
１１の構造体４０は、３０ｍ／秒付近の空気速度にて飽和する。従来、この範囲
の上限値は、図３に示した古典的な熱線風力測定法におけるように、ヒータの電
力を感知するか（その低流れ範囲が短くなり且つ安定性が低下するという結果を
伴う）又はセンサ要素４６の熱伝導を増すことにより、拡大可能であることが従
来から明らかにされていた。強化した構造体４３（表１）の場合、かかるアプロ
ーチを確認した。図１１ａに曲線５２としてプロットした実験的な流れセンサの
データは、構造体４３にてマイクロブリッジチップの充填リセス部５０をエポキ
シで充填することにより（三重点）、測定可能なガス流の上限値を１００ｍ／秒
（この時点における我々の較正範囲の上限値）まで拡大しようとする所望の効果
が実現される。曲線５４は、構造体４０の同様のデータである。信号の低下（ブ
リッジ対薄膜の効果＋センサ自体の熱伝導損失値の２倍）が予想される一方、所
定の流れに対し、Ｓ／Ｎ比は減少せず、約１０乃至２０％だけ増大することから
測定した４倍の低下となった。このことは、図１１ａに誤差バー５３で示すよう
に、時間定数が増し且つこれに伴って乱流に対する感度が低下することが原因で
ある。 【００３４】 エポキシ充填による厳しい解決策は、巧みに構成した、１μｍ厚さの感知構造
体４３の感度の利点を無くすことはなかった。実際上、図１１ｂに曲線５５とし
てプロットした構造体４３の性能データは、８．７ｍｓの測定応答時間は依然と
して多くの適用例が要求する速度よりもまだ速いことを示す。 【００３５】 要するに、最高度の感度の適用例に対し、センサ１１の構造体４０を推奨する
ことが可能である。センサ１１の構造体４２は、塵負荷が大きく且つ凝縮が生ず
るであろう状態下にて高感度の測定を行うものであり、センサ１１の構造体４３
は、塵負荷又は凝縮に拘らず、高質量流れを感知する必要がある状況に対するも
のである。センサ１１の構造体４０、４３は、過圧力に対して性質上、影響を受
けないという更なる特徴をもたらす。 【００３６】 塵及び微粒子は、チップの感知要素４６の上に沈着することが許容されるなら
ば、熱伝導特徴、要素４６の感度、従って、センサ１１の出力信号を変化させる
可能性がある。感知要素４６の表面に粒子が沈着する可能性を軽減する少なくと
も２つの方法が存在する。第一に、チップレベルにおける平均的な粒子質量流量
を小さくし得るようにチップ１１の流れ通路の断面積を増大させることができる
（バイパスを設け又は設けずに）。第二に、その経路内にマイクロブリッジ面５
１を有する可能性が少なくなるように、バイパスの幾何学的形態又は流れ経路を
最適に設計し、粒子の大きい慣性力を活用することができるようにすることがで
きる。 【００３７】 例えば、流量（ｃｍ³／秒）の僅か１０％及び質量流量又は流速のＦ＝５０％
にて、チップ１１が現在の流れ通路の形態にて配置されたとき、チップ１１を通
る特定の「２０年」エアロゾル質量流量（ｇ／ｃｍ²）の場合、エアロゾルの流
量をバイパスの幾何学的形態の最適な設計により、Ｆ以上、減少させる程度を知
ることができよう。このため、薄膜構造体４１、４２又は４３は、好ましく且つ
塵を保持する程度が少ない。 【００３８】 応答時間、流れに対する非感受性及び有効寿命の点で特定の熱伝導率センサ１
１の性能に適合するためには、パラメータ群の工具キットを選び又はセンサ１０
の設計に合うように調節する。これらは、センサチップの設計及び性能、対流搬
送部分の幾何学的形態及び対流障壁、センサ包装体すなわちハウジングの拡散搬
送部分を含む。 【００３９】 この工具キットのパラメータに対し、「迅速な応答」、高流量での作動可能性
及び現場環境での「長期の確実な機能」という相反する性能の要求に合致するた
め、マイクロセンサ１１の（熱物理的性質の）マイクロ環境的保護を可能にする
設計に対する一般的及び量的なガイドラインが存在する。これらは、過剰な保護
により従来、応答時間が遅くなる原因であった、測定可能な塵負荷、偶発的な凝
縮及び乱流を特徴とするものであった。 【００４０】 マイクロブリッジ構造体４０とマイクロ薄膜チップ構造体４１、４２、４３の
性能を比較することにより、凝縮後、密封したマイクロ薄膜構造体４１、４２又
は４３により迅速なセンサの回復を実証することができるが、約２倍だけ熱伝導
率の感度を低下させること（薄膜５１の密封側部は試料流体に曝されない）、及
び表１にまとめたように、絶対圧力の変化に対するその感度が増すという犠牲を
伴う。 【００４１】 センサ１１の構造体４３は、層状流又は乱流による干渉、絶対圧力の変化、微
粒子、凝縮又は溢れに対する保護及びバルク物理的又は機械的に有害な作用に対
する保護を備えている。流れ範囲は、４倍以上拡張される一方、乱流に対する感
度を低下させ且つセンサの流れ応答時間を１０ｍｓ以下に保つ。 【００４２】 迅速で且つ確実な性質センサの作用を実現する推奨されたアプローチは、セン
サのマイクロ遮蔽体１２又は２５まで試料流体１４の対流型の肉眼的搬送体１３
をマイクロセンサ１１に対する遮蔽体１２又は２５内の拡散型搬送体と組み合わ
せることである。図４ｃの包装体は、我々の試験にて良好な結果が得られたこの
アプローチを現わす。この包装体の一部として、センサ１１は、下向きに取り付
け且つセンサチップ１１まで流動する流体１４からの直接的な飛散線から保護さ
れている。 【００４３】 敏感で且つ肉眼的な弱体である熱感知要素４７の強化は、熱隔離リセス部５０
（空気又は負圧空所）内を適当なエポキシのような低熱伝導率（支持体５６のシ
リコンの熱伝導率に比して）の中実な材料で充填することにより、実現すること
ができる試験結果に基づいて、比較的清浄な環境にて最高度の感度の適用例には
センサ構造体４０が推奨される（図１０又は表１）。塵負荷が大きく且つ凝縮の
可能性のある状態下にて測定するためにはセンサ構造体４２であり、また、塵負
荷、凝縮又は過圧力にも拘らず、高質量流れを感知する必要のある状況に対して
はセンサ構造体４３である。 【００４４】 本明細書に開示されていない本発明のその他の実施の形態は、特許請求の範囲
に記載した本発明の精神を歪小化するものではない。 【００４５】 【表１】【図面の簡単な説明】 【図１】 １ａは、マイクロセンサハウジングの１つの形態の図である。 １ｂは、図１ａと別のマイクロセンサハウジングの形態の図である。 １ｃは、図１ａと別のマイクロセンサハウジングの形態の図である。 【図２】 ３つのガスに対するマイクロブリッジセンサ出力対標準的な流れのグラフであ
る。 【図３】 ３つのガスに対するマイクロブリッジヒータの電力対標準的な流れのグラフで
ある。 【図４】 ４ａは、マイクロセンサの包装体の設計及び配置の図である。 ４ｂは、図４ａと別のマイクロセンサ包装体の設計及び配置の図である。 ４ｃは、図４ａと別のマイクロセンサ包装体の設計及び配置の図である。 ４ｅは、図４ａと別のマイクロセンサ包装体の設計及び配置の図である。 【図５】 ５ａは、色々な流れ状態に対する最適な反らせ板の保護状態におけるセンサの
応答時間のグラフである。 ５ｂは、図５ａと別のセンサの応答時間のグラフである。 ５ｃは、図５ａと別のセンサの応答時間のグラフである。 【図６】 ３つの異なるガスに対するセンサの色々な応答時間を示す図である。 【図７】 幾つかの保護障壁に対する出力対流れ速度にてセンサの感度を示すグラフであ
る。 【図８】 ８ａは、本発明のハウジング障壁及びマイクロブリッジセンサチップに対する
液滴試験結果のグラフである。 ８ｂは、凝縮試験の設定状態のグラフである。 【図９】 図８ａと同様の更なる液滴試験の結果を示す図である。 【図１０】 １０ａは、センサのマイクロ構造体の図である。 １０ｂは、図１０ａと別のセンサのマイクロ構造体の図である。 １０ｃは、図１０ａと別のセンサのマイクロ構造体の図である。 １０ｄは、図１０ａと別のセンサのマイクロ構造体の図である。 【図１１】 １１ａは、標準型の流れマイクロセンサと強化した流れマイクロセンサとの性
能を比較するグラフである。 １１ｂは強化したマイクロブリッジ流れセンサの応答時間定数のグラフである
。 【図１２】 強化したマイクロブリッジ流れセンサの応答時間に与える薄膜の厚さの影響を
示すグラフである。 【図１３】 １３ａは、主要な流れ領域におけるハニカム流れ直線化装置、すなわち「スク
リーン」を有するバイパス流れの熱性質マイクロセンサを示す図である。 １３ｂは、図１３ａと別のハニカム流れ直線化装置、すなわち「スクリーン」
を有するバイパス流れの熱的性質マイクロセンサを示す図である。 【図１４】 １４ａは、圧電測定型サンプリング機能を有するバイパス流れの熱的性質マイ
クロセンサの図である。 １４ｂは、図１４ａと別の圧電測定型サンプリング機能を有するバイパス流れ
の熱的性質マイクロセンサの図である。

【手続補正書】 【提出日】平成１３年８月１４日（２００１．８．１４） 【手続補正１】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】全図 【補正方法】変更 【補正の内容】 【図１】 【図２】 【図３】 【図４】 【図５】 【図６】 【図７】 【図８】 【図９】 【図１０】 【図１１】 【図１２】 【図１３】 【図１４】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 センサハウジングにおいて、 入力部と、 前記ハウジング内に配置されたセンサと、 前記入力部と前記センサとの間に配置された反らせ板とを備える、センサハウ
   ジング。 【請求項２】 請求項１のセンサハウジングにおいて、 前記入力部が流体入力部であり、 前記反らせ板が少なくとも１つの開口部を有する、センサハウジング。 【請求項３】 請求項２のセンサハウジングにおいて、前記入力部が流体搬
   送装置に近接する、センサハウジング。 【請求項４】 請求項３のセンサハウジングにおいて、前記反らせ板が前記
   センサに近接する、センサハウジング。 【請求項５】 請求項４のセンサハウジングにおいて、前記反らせ板が対流
   反らせ板である、センサハウジング。 【請求項６】 請求項５のセンサハウジングにおいて、前記反らせ板の全体
   の面積が前記センサの全体の面積よりも大きい、センサハウジング。 【請求項７】 請求項６のセンサハウジングにおいて、 前記反らせ板の全体の面積が第一及び第二の面積を有し、 前記反らせ板の第一の面積が前記反らせ板の第二の面積よりも前記センサによ
   り近く、 前記反らせ板の少なくとも１つの開口部が前記反らせ板の第二の面積内に配置
   される、センサハウジング。 【請求項８】 請求項７のセンサハウジングにおいて、前記センサが熱的セ
   ンサである、センサハウジング。 【請求項９】 請求項８のセンサハウジングにおいて、前記センサが熱感知
   要素を有する、センサハウジング。 【請求項１０】 請求項９のセンサハウジングにおいて、前記入力部、反ら
   せ板及びセンサが重力の方向に対し略平行な方向に向けて流体搬送装置に対して
   配置され、前記流体搬送装置が地面に最も近く、前記入力部が前記反らせ板より
   も流体搬送装置により近い、センサハウジング。 【請求項１１】 請求項１０のセンサハウジングにおいて、前記センサが薄
   膜感知要素を有する、センサハウジング。 【請求項１２】 請求項１１のセンサハウジングにおいて、前記センサがマ
   イクロブリッジ感知要素を有する、センサハウジング。 【請求項１３】 請求項１０のセンサハウジングにおいて、前記センサが感
   知要素に近接する熱絶縁リセス部を有する、センサハウジング。 【請求項１４】 請求項１３のセンサハウジングにおいて、前記リセス部が
   低熱伝導率を有する物質にて充填される、センサハウジング。 【請求項１５】 請求項１４のセンサハウジングにおいて、前記センサに接
   続された電子機器を更に備える、センサハウジング。 【請求項１６】 センサハウジングにおいて、 第一の端部に入力ポートを有する構造体と、 該構造体に取り付けられ且つ入力ポートに近接する遮蔽体と、 前記構造体に取り付けられ且つ該遮蔽体に近接するセンサとを備え、 前記遮蔽体が境界に近接する少なくとも１つの開口部を有し、 前記遮蔽体及び前記センサが該センサと該遮蔽体との間にリセス部を形成する
   、センサハウジング。 【請求項１７】 請求項１６のセンサハウジングにおいて、 前記入力部がある直径を有し且つ前記遮蔽体からある距離に配置され、 直径と該距離との比が１に等しく又は１以上である、センサハウジング。 【請求項１８】 センサハウジングにおいて、 流体の少なくとも１つの熱的性質を感知するセンサ手段と、 該感知手段に近接しており、流体の少なくとも１つの熱的性質を感知する精度
   に有害な影響を与える流体の対流から前記感知手段を遮蔽する遮蔽手段と、 速度を遅くし且つ流体の一部分を該遮蔽手段に搬送する入力手段とを備える、
   センサハウジング。 【請求項３０】 センサハウジング構造体において、 第一及び第二の通路を有する第一の端部と、 センサを有する第二の端部と、 前記センサと第一及び第二の通路との間に配置された対流障壁と、 前記対流障壁と第一及び第二の通路との間に配置された第一のキャビティと、 前記対流障壁と前記センサとの間に配置された第二のキャビティとを備える、
   センサハウジング構造体。