JP2003506703A - マイクロセンサハウジング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロセンサ用ハウジングは保護されたセンサ周囲に配置する開口と同心の単一段の調節装置に基づく新しい環境保護構成を特徴とする。センサ周囲に残るデッドスペースは流体拡散に不要のものを充填して最小限化（応答時間減少）する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 （背景技術） 本発明は流体センサ、特にマイクロセンサに関する。更に本発明はセンサ用の
ハウジングに関する。マイクロセンサはパッキング上に問題を持っている。その
空間とコストを節約するための小さい（表面積と薄膜厚が）粒子を用いる場合時
折り生じる衝撃により傷付き易い。固体粒子によってセンサの気体感応膜が破壊
されるか、粘着性の粒子の薄い被覆による熱伝導特性が変化してしまう。液体粒
子も再蒸発後に残留するものがあれば細かい固体と同様の作用を起す。今日まで
思い付きで装置化されて提供された解決策は、部分的保護と比較的短い耐用寿命
（スクリーン、図１Ａ参照）後が尽きるか、あるいは優秀な保護になっても高価
な加工またはアセンブリを要し、且つ応答時間が受入れ難い程増大（調節装置）
する（図１Ａと図１Ｂ参照）。 【０００２】 これらの問題は液体蒸気の制御あるいは回収作業に必要な液体蒸気のマイクロ
センサの開発に関して関心が持たれている。問題の原因は短い応答時間（例えば
１から３秒またはそれ以上）と約１０年の耐用寿命の達成の如き二つの相反する
目標を満足させる必要性にある。蒸気ミストまたはゴム状残留物に対する良好な
センサ保護は二重または三重のスクリーンで得られるが、これは応答時間が上記
の時間以上に増大される。挿入可能な２段調節（二つのオフセットＤ形状、図１
Ｂ参照）が１．６ｍｇの小滴（スクリーンに対しては真実でなはい）あるいは小
滴の細かいジェットに対する良好な保護とはなり得るが、応答時間は１５秒以上
になっててしまうことが判明した。 【０００３】 液体感知特性へのアプローチの分析が重要であり、不可欠な工程になっている
。しかしながら少なくとも同様にセンサハウジングあるいはパッケージの設計が
必須であり、それが苛酷な環境においてでもセンサにその機能を迅速、高感度で
確実に果たさせ得る。問題は長期且つ確実なセンサ使用に保護を保証するフィル
タと調節装置そのものが応答時間を受入れ難いレベルに増大させることにある。
本発明においては一解決策とし、応答速度及びセンサ保護の相互使用を実現する
にある。 【０００４】 （発明の開示） 本発明によるパッケージは小型温度マイクロセンサの１マイクロメータ厚の感
知構造の保護と、強制対流、乱流、ほこり、小滴及び凝結またはその何れかに晒
されるにも拘わらず迅速且つ確実な動作の促進との双方を実現する。 【０００５】 流体（即ち気体または液体）の熱伝導性、比熱またはその酸素要求量の導関数
、発熱量、圧縮率またはオクタン価のような温度の物理的特性の感知のためには
、センサは流体に接触させて置かれ、上記の特性における小さな変化を確実に感
知可能にすることが必要である。感度は低質量、対比表面積の加熱並びに感知要
素を特徴とするセンサチップ自体の構成によってもたらされる。長期且つ確実に
使用されるためにはサンサが沈澱するほこりまたは小滴による干渉、同様の流れ
（層流または乱流）からも保護されることが必要である。凝結に対する保護は、
凝結した液体に接触した後に特定の短時間内にその感知性能を回復するようにセ
ンサを構成することを意味する。迅速な応答とはセンサチップ自体が流体特性の
変化に迅速に応答する必要があること、同じくセンサパッケージが、強制対流若
しくは乱流による顕著な温度妨害なしに迅速に移送させ、迅速に「旧」流体サン
プル要素を「新」流体サンプル要素で置換させることが必要であることを意味す
る。 【０００６】 応答時間、流れへの鈍感性、耐用寿命のようなマイクセンサの明記される特性
に流体特性センサを合致させるためには、設計者は所望のセンサ特性に合致させ
るために用いる４群のパラメータの態様は、センサチップの設計と特性、センサ
パッケージの対流的移送部分の幾何学的構成、対流的障害の幾何学構成、拡散移
送部分の幾何学構成を包含する。 【０００７】 この工具キットのパラメータにはマイクロセンサのマイクロ環境保護（熱物理
学的特性）を企図するための一般的且つ数量的な、苛酷なフィールド環境におけ
る「迅速応答」、「高流での動作性」、「長期の確実な耐用」への相反する性能
要求に合致するためのガイドラインを存在させる。これらは過剰に保護させたた
め従来は遅い応答問題による平均ダスト荷重、時折り生じる凝結、最大流速と乱
流によって特徴付けられる。本発明による作用として性能（応答時間と耐用寿命
）の詳記と環境条件の特徴、特性センサと流れセンサの双方用のマイクロセンサ
パッケージが提供され、所望の性能とライフタイム仕様に合致するパッケージ入
りセンサの提供が可能になる。 【０００８】 アプローチの提供が図４Ｃと図４Ｅに示される。液体をセンサチップに近づけ
る場合単一段の調節装置を形成して側面を通る液流量を促進する。これはチップ
周囲の領域に密出してチップに直接当る方向のはね返りを抑制する一組の同心穴
が加工される。これはチップの全側面からの流体の拡散的接近を可能にするがチ
ップの保護になる。 【０００９】 要するに記載したマイクロセンサ用ハウジングは保護されたセンサ周囲に配置
する開口と同心の単一段の調節装置に基づいた新環境保護構成に特徴を有する。
センサ周囲に残るデッドスペース（応答時間減少のために）を流体の拡散には不
要なものを充填して最小限化する。 【００１０】 本発明には公知のスクリーン若しくは非同心の調節装置に利点がある。その調
節装置は加工後の取付を必要としない。同心の調節穴は起こり得る目詰りを無視
できるようにするに充分な大きさにする。応答時間は従来の２段の非同心調節装
置（図１Ｂの２つのオフセットして対向するＤ字形ルーバーを有する）での測定
より５倍から９倍小さい。ハウジングの外部流方向に対する方向付けは調節装置
の有効性に影響しない。加工が容易で組立てを要せず調節装置を全く持たないも
のに対してマイクロセンサの応答時間を僅かにしか増大させない。 【００１１】 （発明を実施するための最良の形態） センサハウジング即ちパッケージ１０はセンサ１１に、強制対流１３が流体サ
ンプル１４を（ほこり若しくは小滴と共に）シールド１２に移送し得るようにし
た「マイクロ環境的」シールドまたは調節装置１２に備えることにより苛酷な環
境問題を解決する。次いで拡散率がサンプル１４をシールド１２とセンサ１１と
の間で移送させる。図１Ａは保護されたセンサチップ１１（拡大断面図を図１Ｃ
に示す）の位置を表わすハウジング、対流から保護するための一般的バリア（ス
クリーンのような）シールド１２、流体サンプル要素１４のセンサ１１から拡散
領域２２への移送の原理を示す。図１Ｂは主流１６からのエアゾルの直接飛行線
を避ける曲折路に基づくバリア１５と、センサ１８をモニタすべき流体流に対し
て取付ける付帯的な１／４インチＮＰＴフィティング１７とを示す。 【００１２】 センサ１８の構成の理論的根拠は２つの測定法に基づくマイクロセンサフロー
データを表わす図２と図３に示す測定値から誘導される。同一センサを用いて一
定温度で動作させるためにヒータを制御した微分及び絶対フロー感知は他の表示
がない場合限り約摂氏１００度（Ｃ）の雰囲気以上に上昇する。図２Ａにおいて
はフロー信号が何れも多かれ少なかれ強制対流に影響される中央加熱要素とその
側面を保護する２つの非付勢（Ｐｔ薄膜抵抗体）感知要素間の温度差から引き出
される。一方図３にはこの影響がヒータについては遅れることを開示し、ヒータ
が内径１４ｍｍのベンチュリ管ノズルを用いた場合の２８ｃｍ／ｓに等しい約１
６０Ｌ／ｈに流れが上昇するまで約５ｍＷ、±０．５％の定常電力を使用する。
図３はこのヒータ電力が図２及び図３でＭ，Ｅ，Ｎで表わすＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_６及
びＮ_２のデータを対照するとき熱伝導率に比例することを示す。プロットしたヒ
ータ電力Ｐは熱伝導率ｋを引き出すために用いられ、ヒータ電力とｋとの間には
直線的関係がある。 【００１３】 代表的な産業用ガス流は上記の毎秒２８ｃｍ（ｃｍ／ｓ）を充分越えているた
め、図１Ａ〜図１Ｃに示すような何等かのチップ１１の保護が必要である。この
例は：１）ガスメータへの３／４インチ内径管のガス２５０ｆｔ^３／ｈに対して
６９０ｃｍ／ｓ、レイノルズ数（Ｒｅ）＝９，１１７、２）１／２インチ内径管
の空気１０ｇａｌ／ｍｉｎについて５００ｃｍ／ｓ、Ｒｅ＝４，３８７、３）２
インチ内径管で４ｋｇ／ｍｉｎについて２，７４０ｃｍ／ｓ、Ｒｅ＝９６，５８
５、４）１／２インチ内径管で２００Ｌ／ｍｉｎについて２，７１６ｃｍ／ｓ、
Ｒｅ＝２３，５５１である。これらの例は個々の、無関係の応用であるが乱流に
関し一般的な結論とガイドラインが導出できる。表示されたレイノルズ数（Ｒｅ
＝ｄ・ｖ・ρ／η）はＲｅ＞２，２００の乱流レジームに入るから、流体特性の
測定の間にそれらの作用が減じられなければ関連する干渉が明らかとなるものと
想到し得る。 【００１４】 応答時間τ（６３％）は異種の気体間の切り換えと復元（代表的ににＮ_２から
ＡｒあるいはＣＨ_４へ）の間の一時的なセンサ信号を記録すれば測定し得る。測
定可能になったときこれには１８ｍｍ（０．７１インチ）内径管で２４０リット
ル／時（約１ガロン／分）を維持し、図４Ｄに示すように直線速度２６．２ｃｍ
／ｓに対応、センサチップは管中心から２４ｍｍ（０．９４インチ）の距離に位
置させる。図５Ａに示すように応答時間の保守的な測定値を得るには２４０Ｌ／
ｈまたは４Ｌ／ｍｉｎを要したが、これは本発明の条件で流速に対して幾分反比
例ぎみに減少することが見受けられたためである。図５Ｂと図５Ｃは夫々６００
と１０００Ｌ／ｈの流量の効果を示す。異種の気体の拡散性の値における差から
期待できるように、図６Ａ〜図６Ｃは気体の組成もまた応答時間に影響すること
を示す。Ｎ_２からの気体切り換えをアルゴン、プロパン及びヘプタンで行なった
ところ、応答時間は夫々０．５３秒、０．９４秒、３．５秒から増加することが
識知された。これらの増大は夫々その質量拡散性０．０９６％、０．０３９％、
０．０１６ｋｇの逆数としてほぼ比較される。 【００１５】 図４Ｃに示すパッケージ形状について応答時間の拡散部分を推定する早い方法
の開発には、拡散の有効移送距離に対する古典的な一次元拡散等式、ｘ^２＝２・
Ｄ・ｔで開始した。しかしながら三次元の場合の３Ｄ積分アプローチを行なうよ
りは応用容易な拡散的視野角アプローチが開発された。これはバリア横断面１９
の開放部分の面積（穴の全面積）のセンサ１１に向うキャビティの対向端上のキ
ャビティクロス部分２０に対する比率を因数分解して得る。流速に比例する応答
時間の対流的部分と共に、夫々図４Ａ〜図４Ｃに示すセンサテスト形状２３，２
４および１０について応答時間τを確認し予測することができる。 【００１６】 図４Ｃ及び図４Ｅに提供されるアプローチが示される。液体をセンサチップ１
１に近付けたい場合、単一段の調節装置（バッフル）２５が側面２６を通して液
体を流すように形成される。第二においてセンサチップ１１の周囲の領域を通っ
て取付部方向からセンサチップ１１に直接当ってはね返り、スプラッシュを抑制
する一組の同心穴２１を加工する。またバッフル２５は全側面からセンサチップ
１１への流体の拡散による接近を可能にしつつ、チップの保護ともなる。環状の
挿入体２７がチップ周囲のデッドスペースを減じ、デッドスペースは更にエポキ
シ充填材によって消滅される。図４Ｃと図４Ｅに示すように挿入体２７は約０．
１７０インチの外径と約０．１３０インチの内径を有する。外径部で約０．０４
５インチ厚、内径部で約０．０１５インチ厚を有する。厚さの変化は外径部から
内径部へ直線的傾斜面にし、傾斜面はバッフル２５に向かって延びる。取付部１
７の直径６５はその導入長に亙って直径１９まで漸減する。バッフル２５は直径
６５の導入口から距離６６にある。望ましい形態では直径６５の距離６６に対す
る比を１に近く、または１より大にする。 【００１７】 バッフル２５はやや曲面または凸面にし、流体流の対流１３の障壁である。障
壁は流れ線の対流１３を妨げる。障壁としてのバッフル１２，２５の後でバッフ
ルとセンサの間に流体２２の拡散が移送作業を引き継ぐ。バッフル２５，１２は
センサ１１からの流体の対流を維持する。ブラウン運動がバッフル２５，１２と
センサ１１との間で発生する。図８Ｂに示す小滴３９テストは気体にも適用され
、液体３８は体積３７での飽和蒸気の源となり、蒸気は小滴３９に凝結してバッ
フル２５の固体部分がセンサ１１に衝突することを防止する。超音波流に対して
はバッフル２５の穴２１を非常に小さくする。バッフル２５の固体材料の中心は
センサ１１の形状一部またはその領域を反射する。穴２１の長さは対流を緩衝す
。穴２１の壁面は対流の抑制のため摩擦を生じる。バッフルとセンサの間の、穴
２１の面積の下の突出量はバッフルとセンサの間のバッフル２５の固体領域の下
の突出量とほぼ同一にされる。穴２１は流体の対流の通過を防止するに充分な程
度に小さくし、穴２１からセンサ１１までの突出量の総計はバッフル２５の固体
部分の突出量より小にはしない。 【００１８】 温度特性は熱伝導性、比熱及び熱拡散性を含む。バッフル２５とセンサ１１の
表面との間の距離は１００ミクロンより大に保ち、測定する温度処理の消滅を防
のために１に近いものとする。取付部１７は入力において円錐形とする。センサ
１１の凹部２２はできる限り小さくして拡散時間を最小限化する。センサ１１の
直径５７の凹部直径１９との比は１に近くするがバッフル開口を考慮して変更さ
れ得る。センサ自体の上または下の領域にはバッフル２５の穴２１または開口を
設けない。 【００１９】 図４Ａおよび図４Ｂによる保護付きセンサの応答時間が図５Ａ〜図５Ｃに示さ
れる。付加的な受入れの基準は１／４インチＮＰＴ取付部１７の外側の流速に対
する出力信号の感度であり、長期信号は汚れにより変動する。 【００２０】 図７は図４Ａ〜図４Ｃのデザインについての流体流に対する感度の結果を示す
。この時図４Ｃは所望の実施形態を表わし、また組立を容易にする観点からもセ
ンサとバッフルは１個から加工される。エレクトロニクス２８が図４Ｅのカバー
２９を有する容器内に締付け得る。エレクトロニクス２８を湿度から保護するた
めに、Ｏリングシール３０をチップホルダ上に用いる。 【００２１】 図４Ｅにおいてバリア２５は約０．０５０インチの直径の６個の穴２１を有す
る。各穴２１の外側縁部に接する周辺の円周の直径は約０．１７０インチで、各
穴２１の内側縁部に接する周辺の円周の直径５７は約０．０７０インチである。
隣接する各穴２１の間隔は約０．０１０インチである。バリア２５の中心の厚さ
７５は約０．０３０インチである。バッフル２５の曲率は外向きでセンサチップ
１１に向う。入口６４のエントランスは約０．４３０インチの直径６５を有する
。エントランスからバリア２５の中心までの長さ６４は約０．５１０インチであ
る。入口６４の上端におけるバリア２５の直径１９は約０．１９０インチである
。チップ１１とバリア２５の中心との距離は約０．０３０インチである。チップ
１１の直径はバリア２５の中心における固体部分の直径５７とほぼ同一にされる
。 【００２２】 流体流と乱流に対する感度は、流体流を２から１０，０００Ｌ／ｈ（０．０３
３３から１６７Ｌ／ｍｉｎまたは０．２２から１，０９２ｃｍ／ｓ、Ｒｅ＝２．
７から１３，６００）に増加したこと以外は上述の装置（１８ｍｍ内径管と管３
１の中心から２４ｍｍに位置させたセンサチップ）で測定した。一変更装置では
加工タンクとレギュレータからの気体供給はショップ真空ポンプで行われ、乱流
乱流の無作為な動きがチップのセンサ要素の場所における熱の、実際より高い熱
伝導性の流体所定の点までの移動を高める。これらの条件下で帰着するエラーの
大きさは、与えられたセンサ保護が不充分であったことを示すＡｒとＮ_２の間の
熱伝導性変化と同様の大きさである。穏やかな流体流状態（Ｒｅ＜１０，０００
）の下ですら、図７は夫々ワイヤスクリーン３５、ルーバー３２及びバッフル２
５の形での対流障壁をもって図４Ａ〜図４Ｃと図４Ｅに示すセンサパッケージは
それらの保護作用において顕著な差異を示す。 【００２３】 スクリーン３３のメッシュが流れと乱れに対する保護に充分な硬さであると、
長い応答時間（図４Ｄに示す装備３４でτ_６３％＝２０（または４）秒）を示し
、曲線Ａで表わすように２、３カ月の運転で目詰まりを生じた。ルーバー３２（
図４Ｂ、および図７の曲線ＢおよびＢ）は良好な保護構成を提供し、目詰まりを
来さず、バッフル３２（図４Ｃおよび図４Ｅ、および図７の曲線Ｃ）は優秀な保
護を提供し、０．３４秒および３．５秒の応答時間を示した。曲線ＢおよびＢは
テストの間反対の流水方向を示す。図７の曲線Ｃ＊は図４Ｃのようなバッフル２
５を有するセンサ１０に対応するが、このセンサは図４Ｅのものより約２倍大き
い一組の穴２１を有する点を除く。且つ図４Ｅのセンサ１０は約２倍も大きいチ
ップキャビティ２２を持つもので応答が早いが、流体流１６に対し感度が高過ぎ
た。図７に示すデータの全ては装備３４の条件下で測定したもので、図４Ｄの括
弧の外側に示す寸法を有する。 【００２４】 凝結の作用とその回収は気密な容器３７に補助させつつ計量したが、容器内に
はセンサチップ１１とその支持構造３５がヘプタンの液体プール３８上に保持さ
れ、この液体で平衡した飽和蒸気の温度より低い１０−１２℃の温度で安定され
た。装置３６を図８Ｂに示す。一方この凝結テストは完了までに数時間、時には
数日かを要した。より早く、より良く反復可能なテストでは、１．６ｍｇのヘプ
タンの小滴３９を滴下させ、対流バリヤ２５を介してセンサチップ１１上に落下
させた。このテスト法は最悪の場合の凝結シナリオ、即ち小滴３９の形態の凝結
体がマイクロセンサ１１の感応面を侵す場合を表す。 【００２５】 「オープン」マイクロブリッジセンサ構造４０（図１０Ａ参照）によるテスト
結果の図８Ａの曲線４４の「ブリッジ」で示すように、各１．６ｍｇの小滴が３
０分後に沈澱し、センサ出力信号を割り増しさせたが、その値は数時間に亘って
元に戻らない。顕微鏡で見れば小量の液体がマイクロブリッジの下に在ったが、
ヘプタンの揮発性にも拘わらず毛細管作用がこれを保持した（結果的にアセトン
のような更に揮発性のある溶剤で除去した）。 【００２６】 これを観察して小滴テストを閉じた微小薄膜構造体４１（図１０Ｂ参照）で反
復し、その結果を図８Ａの曲線４５の「薄膜」にプロットした。図示のように小
滴の初期効果は曲線４４の「ブリッジ」と同様で、信号を立ち上らせ、より高い
熱伝導率の液体の存在を示した。一方３分間で（曲線４５の「薄膜」または図９
に拡大した寸法で再現したものを参照）、信号は大きく元のレベルに戻った。 【００２７】 ４種のセンサチップの構成が図１０Ａ〜図１０Ｄに示すようにされた。これら
はいずれもＰｔ薄膜抵抗ヒータ４６と感知要素４７並びにこれらの要素の窒化シ
リコンパシベーション４８を共通にするが、この高い表面積対体積比の感知構造
の寸法、形状と支持を異にしても類似している。 【００２８】 図１０Ａは標準的な無貯蔵マイクロブリッジセンサ１１の構造体４０で、図１
Ｃに示されており、１９８７年以来製造されている。図１０Ｂは側面で約７５０
μｍ（０．０３０インチ）センサ１１の構造体４１の密閉正方形のマイクロ薄膜
５１を表わす。この薄膜５１は構造体４０に示す開放領域４９を覆って密閉し、
開放容積５０上にエッチングしたブリッジサポートヒータ４７を感知要素４６の
下に液体または他の物質が蓄積させることを防ぐ。図１０Ｃは構造体４１に類似
する形態にされ、薄膜５１が円形で直径を５００μｍ（０．０２０インチ）とす
る点が異なる。図１０Ｄは構造体４０に類似するがポリマーを充填した構造４３
体の容積５１を示し、ヒータ４７のマイクロブリッジ、感知要素４６および容積
５０を固体で強固な構造体にしてある。 【００２９】 エポキシ充填材で凹凸面化したマイクロセンサ４３はほこり小滴３９の作用を
減少する。微小薄膜４８対マイクロブリッジ構造体４０の使用は凝結の問題を解
消する（マイクロブリッジによる回復はない）。凹凸化構造体４３（図１０Ｄ）
の使用はセンサのより高速の流体流に対する範囲を増加する。 【００３０】 図１０Ｅは他の凹凸面化センサ構造体１００を表わし、このセンサの半導体本
体はシリコンは、セラミック、酸化金属あるいはガラスのような電気的熱的な絶
縁材１０４で置換してある。パイレクスはシリコンと熱膨張係数（ＴＣＥ）が匹
敵するようにするため望ましくはガラスで設けられる。構造体１００によればヒ
ータ４７と感知要素４６はばら材とした絶縁材料１０４上に設けてあり、従って
凹部をエッチングで形成してエポキシで充填する必要がない。図１０Ｆの関連構
造１０２では、また、センサの「凹凸性」を大するために、伝統的な外部の、破
損し易いワイヤ接点１０６が、上記の絶縁材料１０４を介してその内部へ、そし
てセンサ構造体の基板１０８に直接導通路を導通状態にさせることによって置換
され得る。 【００３１】 図１３Ａはガス及び流体用のバイパス流マイクセンサ内に使用される蜂の巣状
のスクリーン５９、６０、６３を示す。端面図７１にはスクリーンの蜂の巣状構
成の一例が示される。図１３Ｂにおいて特殊バイパス５８をセンサ１１のバッフ
ル２５に対し使用すると、図１３Ｂのチップ１１面上に集まる粒子量が減少され
る。蜂の巣状のスクリーン５９は流れ１６と対向し乱流を抑制する。蜂の巣状の
スクリーン６０は、流れを制限しセンサの入口部への狭い通路により、流れ１６
の一部を対流によりオフセットバイアス６１まで穴２１を有するバッフル２５ま
で強制移動する傾向にある。減少した流れは乱流の影響を僅かに受ける。この狭
い通路のため重い粒子はバッフル２５の周囲の空間内に流れにくくなる。バッフ
ル２５は対流バリアであり、流体は空間２２内で拡散する。流体はバイパス路６
２を経てパイプ３１内へ強制移動され、蜂の巣状の別のスクリーン６３を経て流
れ１６と合流する。流体のバイパス路６１、６２に対し流入・流出する駆動力は
スクリーン６０間の圧力降下のみにより与えられる。 【００３２】 図１４Ａは主流体移送機構であるパイプ３１の周囲の通路であるマルチプルポ
ート（圧電測定）式サンプリング装置７２、７３が設けられ、パイプ３１からパ
イプの周囲の各流路へ１２個あるいはそれ以上のポート７４の半分を有する点を
除き、図１３Ａと同様の構成を示す。装置７２から流体はバイパス路６１及びバ
リア２５へ行き、バイパス路６２、装置７３及びポート７４を経てパイプ３１内
へ戻される。流体が対流バリア２５の周囲の空間内に対流として流入する際、装
置７２、７３によりノイズ作用及び流れ１６の乱流作用が軽減され平均化される
。図１４Ｂはマルチポート圧電測定式サンプリング装置７２、７３の流路を断面
で示される。スクリーン５９、６０、６３に対する２サイズの蜂の巣の例が図示
される。特に流路への流速及び圧力によりスクリーンサイズの選択及び順序が決
定される。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａにおいて、Ｏリング密封部３０は流体
を搬送するパイプ３１に対し熱特性センサの接続を密封するために使用される。 【００３３】 表１は構造体４０、４１、４２、４３の特徴を示す。これら特徴の中で、妥協
値により凝縮およびメンブレン５１の構造体４１、４２、４３への切り替えによ
る干渉が除去される。表１の二番目の欄はそれぞれ増幅されていない熱伝導率（
ＴＣ）の３０．８％降下に相当するＮ_２からＡｒへの切り替えによるＴＣセンサ
信号を示している。図示のようにマイクロメンブレン５１の片側のみが新しいサ
ンプルガスに対し露出され、サンプルガスの量はチップを基板に対し密封する前
後の１メンブレンチップで確認される場合の正確には２倍に達するので、ＴＣｍ
Ｖ信号はマイクロメンブレン５１の構造体に対しては低い。メンブレン５１の直
径、厚さ及びＰｔ膜検出素子４６の耐温度係数によってもこれらの信号が影響さ
れるという事実は挙げられる測定値が示している。 【００３４】 表１の構造体４３に対する最後の処理は、エッチアウトされた空洞部５０がエ
ポキシで再充填されたこと以外、標準のマイクロブリッジセンサの作用を示す。
これを行う理論的理由は例えば、流体の場合のように多い量のフラックス若しく
は高速流を検出することにある。一方製造された流量センサ１１の構造体４０は
３０ｍ／ｓの近傍の空気流速で飽和する。この範囲の上限は（短かい低流量範囲
と低安定性の結果を示す）図３に示す従来のホットワイア風力測定法としてヒー
タの電力を検出するか、あるいはセンサ素子４６の伝熱を増加することにより延
長できることは前に上述と同様である。堅牢な構造体４３を用い（表１）、この
方法を検査した。図１１Ａに曲線５２で示す実験流量センサデータは、構造体４
３内のエポキシでマイクロブリッジチップのくぼみ部５０を充填することにより
（三角点）測定可能なガス流量の上限（この時校正リグの上限）を１００ｍ／ｓ
を越えて延長する望ましい作用が得られることを示している。曲線５４は構造体
４０のデータと同様である。また（ブリッジ対メンブレンの効果＋センサ自体の
伝熱損の２倍）信号の降下は予測されたが、測定値の４倍の降下があり、ある流
量に対しＳ／Ｎ比は減少されず約１０−２０％だけ増大されることが判明した。
このため図１１Ａのエラーバー５３で示すように、時間定数が増大され、それに
応じて乱流の感度が減少された。 【００３５】 エポキシ充填の厳しい対処法では迅速な厚さ１μｍの検出構造体４３の感度利
点を無用にはしなかった。実際上図１１Ｂの曲線５５で示す構造体４３の性能デ
ータは８．７ｍｓの測定された応答時間は多くの用途で要求されるものより早期
に行われることを示している。 【００３６】 要約するに最高感度用途に対しはセンサ１１の構造体４０を、高い埃状態で凝
縮の可能性のある条件下での感度測定にはセンサ１１の構造体４２を、また埃負
荷若しくは凝縮の有無にかかわらず高量のフラックスの検出の必要のある用途で
はセンサ１１の構造体４３を推薦できよう。センサ１１の構造体４０、４３では
過圧に対し固有に影響を受けない特徴が得られる。 【００３７】 埃または粒子はチップの検出素子４６上に沈殿すると、これにより伝熱特性、
素子４６の感度、延いてはセンサ１１の出力信号が変更される。検出素子４６の
表面上に粒子の付着を軽減する少なくとも２つの方法がある。第１の方法は（バ
イパスの存在の有無に関係がなく）チップ１１での流路の断面を増加してチップ
レベルでの平均粒子量フラックスを減少させることにある。第２の方法はバイパ
ス構成あるいは流路を良好に構成して粒子が高い慣性力を有することを利用し、
流路内にマイクロブリッジ面５１が存在する確率を低減することにある。 【００３８】 例えばチップ１１当り特定の「２０年」エアゾールマスフラックス（ｇ／ｃｍ
^２単位で）に対し、チップ１１が既存の流路構成として配置されるとき、バイパ
ス構成を良好に構成するため、チップ１１を僅か１０％の流量（ｃｍ^３／ｓ）及
びＦを越えてマスフラックスまたは流速のＦ＝５０％のバイパス路内に置くこと
により、エアゾールフラックスがどの程度減少されるか問われることもあるかも
しれない。従ってメンブレン構造体４１、４２、あるいは４３により埃保持が少
なくなって好ましい。 【００３９】 応答時間、流れに対する不感度、耐用寿命に関する特定の伝熱率センサ１１の
性能を満足させるため、パラメータグループのツールキットがセンサ１０の構成
のため選択あるいは調整される。これらはセンサチップの構成及び性能、対流移
送部の構成、対流バリア、及びセンサパッケージまたはハウジングの拡散移送部
を含む。 【００４０】 ツールキットのパラメータに関し、（熱物理特性）マイクセンサ１１のマイク
ロ環境保護の構成が野外環境で「迅速応答」、「高流量での動作性」、「信頼性
の高い使用」の相反する性能要求を満足させるための一般的、定量的ガイドライ
ンがある。これらは過度の保護のため以前より応答が遅くなっていた、測定可能
な埃負荷、時折の凝縮及び流量の乱れを特徴とする。 【００４１】 表１に要約するようにマイクロブリッジの構造体４０の性能とマイクロメンブ
レンセンサチップの構造体４１、４２、４３とを比較すると、密封されたマイク
ロメンブレン構造体４、１、４２、４３で凝縮後迅速なセンサ回復を示すことが
できるが、約２倍（メンブレン５１の密封された側はサンプル流体に対し露出さ
れていない）だけ伝熱率感度の降下及び絶対圧の変化に対する感度を犠牲にして
いる。 【００４２】 センサ１１の構造体４３は積層流あるいは乱流、絶対圧の変化、粒子、凝縮、
あふれ、物理的なかさばりまたは機械的危険性による干渉に対し保護する。流量
範囲は４倍以上拡大され、且つ乱流に対する感度が減少されセンサ流量応答時間
が１０ｍｓより低くなる。 【００４３】 迅速で信頼性の高いセンサ動作を得る良好な方法はサンプル流体１４のセンサ
のマイクロシールド１２、２５までの対流による微視的移送１３とシールド１２
、２５内のマイクセンサ１１への拡散移送とを組み合わせることにある。図４Ｃ
のパッケージは我々のテストで良好実現されたこの方法を示す。このパッケージ
の一部として、センサ１１は正面を下にして装着され、流通する流体１４からセ
ンサチップ１１へのエアゾールの飛散直線からズラされる。 【００４４】 感度は高いが微視的に脆弱な熱検出素子４７が、断熱くぼみ部５０（空気ある
いは真空ポケット）内に好適なエポキシのような伝熱率の低い（支承体５６のシ
リコンに比べ）固形材料を充填することにより堅牢にできる。テスト結果に基き
、センサの構造体４０は比較的清浄な環境での最高感度の用途に、センサ構造体
４２は埃負荷が高く凝縮の可能性のある条件下での測定に、センサ構造体４３は
埃負荷、凝縮あるいは過圧に関係なく高い量のフラックスを検出する必要のある
場合に次善である（図１０あるいは表１）。 【００４５】 本発明はここに開示しなかった他の実施形態も可能で、本発明の請求項の精神
を最少にするものではない。 【００４６】 【表１】 【図面の簡単な説明】 【図１Ａ】 図１Ａは一形態のマイクロセンサ構成を示す。 【図１Ｂ】 図１Ｂは一形態のマイクロセンサ構成を示す。 【図１Ｃ】 図１Ｃは一形態のマイクロセンサ構成を示す。 【図２】 図２は３種の気体についてのマイクロブリッジセンサ出力対標準流の図表であ
る。 【図３】 図３は３種の気体についてのマイクロブリッジヒータパワー対標準流の図表で
ある。 【図４Ａ】 図４Ａはマイクロセンサパッケージの構成図及び配列図である。 【図４Ｂ】 図４Ｂはマイクロセンサパッケージの構成図及び配列図である。 【図４Ｃ】 図４Ｃはマイクロセンサパッケージの構成図及び配列図である。 【図４Ｄ】 図４Ｄはマイクロセンサパッケージの構成図及び配列図である。 【図４Ｅ】 図４Ｅはマイクロセンサパッケージの構成図及び配列図である。 【図５Ａ】 図５Ａは好適な調節保護付センサの１種の流れ状態への応答図表である。 【図５Ｂ】 図５Ｂは好適な調節保護付センサの１種の流れ状態への応答図表である。 【図５Ｃ】 図５Ｃは好適な調節保護付センサの１種の流れ状態への応答図表である。 【図６】 図６は３種の気体へのセンサの各種の応答時間を示す。 【図７】 図７は幾つかの保護障害物についての流速に対する出力で表わすセンサの感度
を示す図表である。 【図８Ａ】 図８Ａはハウジング障害とマイクロブリッジセンサチップについての液滴テス
ト結果の図表である。 【図８Ｂ】 図８Ｂはハウジング障害とマイクロブリッジセンサチップについての凝結テス
ト用の装置を示す。 【図９】 図９は図８Ａに類似の他の液滴テストの結果を示す。 【図１０Ａ】 図１０Ａは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｂ】 図１０Ｂは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｃ】 図１０Ｃは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｄ】 図１０Ｄは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｅ】 図１０Ｅは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｆ】 図１０Ｆは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１０Ｇ】 図１０Ｇは１種のセンサのマイクロ構成を示す。 【図１１Ａ】 図１１Ａは標準フローマイクロセンサと凹凸化フローマイクロセンサとの間の
動作比較図である。 【図１１Ｂ】 図１１Ｂは凹凸化マイクロブリッジフローセンサの応答時定数の図表である。 【図１２】 図１２は薄膜厚の凹凸化マイクロブリッジフローセンサの応答時間に対する影
響を表わす図表である。 【図１３Ａ】 図１３Ａは主流領域にハニカム整流器を有するバイパスフロー温度特性マイク
ロセンサを示す。 【図１３Ｂ】 図１３Ｂは主流領域に「スクリーン」を有するバイパスフロー温度特性マイク
ロセンサを示す。 【図１４Ａ】 図１４Ａはピエゾメータのサンプリングを有するバイパスフロー温度特性マイ
クロセンサを示す。 【図１４Ｂ】 図１４Ｂはピエゾメータのサンプリングを有するバイパスフロー温度特性マイ
クロセンサを示す。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 流体の少なくとも１の熱特性を検出するセンサ手段と、セン
   サ手段の近傍に設けられ流体の少なくとも１の熱特性の検出精度に悪影響を与え
   る流体の対流からセンサ手段をシールドするシールド手段と、流速を遅らせ流速
   の一部をシールド手段へ運ぶ入力手段とを備え、シールド手段はセンサ手段から
   ５０ミクロン以上離れて配置され、シールド手段は少なくとも１の開口部を有し
   、少なくとも１の開口部の領域に等価な穴の直径と長さとの比が１近傍以上にさ
   れ、少なくとも１の開口部はシールド手段とセンサ手段とを支承する面との第１
   の空間を保持し、少なくとも１の開口部なしのシールド手段の領域によりシール
   ド手段とセンサ手段とを支承する面とのεの第２の空間が保持され、第２の空間
   と第１の空間との比１近傍以上にされ、センサ手段はセンサ手段を支承する面上
   に配置される基板と絶縁材料と絶縁材料近傍の熱検出素子とを含むセンサハウジ
   ング。