JP2005531770A - Ａ１ｎ上にタングステンを備えた安定型の高温度センサ／ヒータのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

センサシステムは、Ａ１Ｎ基板（４）と、この基板上にあるＷの層（２）と、このＷ層に電気的駆動信号を加えるように適合させた信号源（７０）と、このＷ層の応答を検知するように適合させたセンサ（７２）と、を備える。このＷ層は、さまざまなタイプの任意選択の保護層（１２）をそれを覆うように有する薄い皮膜を備えることができる。用途としては、温度、流体流量、流体レベル、圧力および化学的環境の検知が含まれる。平面ヒータでは、そのＷ層は基板上に分散させた複数の導電性ストランド（３４）を備えており、そのストランドは、矩形の基板（３２）では概して平行で蛇行性の形状をしており、また円形基板（４２）では基板の相対するポール（４４）の位置で一緒になるそれぞれの経線（４０）に沿って延びている。

Description

本発明は、高温用途に適した検知システムに関し、さらに詳細には、検知および／または加熱用素子としてＡ１Ｎ基板上でタングステンを使用することに関する。

温度、流体の流量およびレベル、圧力および気体環境を検知するためのシステム、自己検知式平面ヒータ、並びに高速均一ヒータなど、さまざまなタイプの検知および平面加熱システムの機能に関する改良が引き続き求められている。改善が求められる特性としては、応答時間の高速化、感度の増大、温度能力の向上、およびドリフトの低減が含まれる。

本発明に直接関連する従来技術には以下のものがある。
Ｒ．Ｈｏｌａｎｄａ、「Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ ｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（セラミック上の薄膜熱電対）」（ＮＡＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｂｒｉｅｆｓ、１９９７年３月、６２頁：薄い皮膜熱電対（ＴＣ）として使用するためにＰｔ対ＰｔＲｈの薄い金属皮膜がＡ１Ｎダイ上に被着されている。ＴＣ接合のドリフト対温度（１５００℃まで）について検討されている。

Ｙ．Ｈ．Ｃｈｉａｏら、「Ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｉｎ Ｂｒａｚｅｄ ａｎｄ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ（ブレージング且つ混焼された窒化アルミニュームにおける混成結合）」（ＩＳＨＭ ’９１ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、４６０〜４６８頁：Ａ１ＮとＷを含む幾つかの金属との間の界面を接合するための反応について検討され、かつ接合方法（ブレージングや混焼（ｃｏｆｉｒｉｎｇ））と比較されている。その界面接合が粒子境界に対する絡め合いによっている多重層Ａ１Ｎ／Ｗ構造が開示されている。この文献では開示されていないが、こうした構造はヒータとして使用されてきたが、実際の温度を検知するための機構を全く有していない。

特許第６，０８４，２２１号：平面ヒータ用途に関してＡ１Ｎ上にある銀および銀合金が検討されている。
特許第６，１０３，１４６号：Ａｕ、Ａｔ、Ｐｔ、ＰｄおよびＲｈの混合物および合金の付加を容易にする導電性ペースト配合からなる厚い皮膜のスクリーン印刷可能な回路が、Ａ１Ｎ基板表面に直接付加されている。

特許第６，２４２，７１９号：化学蒸着法によってＡ１Ｎ上に被着されている厚い皮膜について記載されている。
本発明者の名で２００１年５月２９日に発行された特許第６，２３９，４３２号：ＳｉＣからなるＩＲ吸収体が、Ｗ、ＷＣあるいはＷ_２Ｃを含む導電性マウント層によってＡ１Ｎ基板に電気的かつ機械的に接続されている。

本発明は、これまでのセンサシステムと比べて応答時間の高速化、感度の増大、温度能力の向上、およびドリフトの低減を達成することが可能な新規のセンサシステムおよび方法を提供することを目指したものである。

好ましい一実施形態では、タングステンの薄い皮膜層をＡ１Ｎ基板上に設けており、このタングステン層に対して信号源によって電気的駆動信号を加えており、かつこの駆動信号に対するタングステン層の応答をセンサによって検知している。このタングステン層を覆うようにさまざまな耐酸化保護層を設けることができ、これには、金、Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ａｕ−Ｐｔ合金（任意選択でタングステンまたはＢ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２の層でこの合金を覆う）、またはＰｔ（任意選択でＢ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２層でＰｔを覆う）が含まれる。この保護層を覆うようにＡ１Ｎキャップを設けることもできる。

好ましい一実施形態では、そのタングステン層は、平面状のＡ１Ｎ基板上に分散させた複数の導電性ストランドを備えている。矩形などの基板形状では、そのストランドは蛇行性の形状で平行であることが好ましい。円形基板では、そのストランドは基板の相対するポールの位置で一緒になるそれぞれの経線に沿って延びていることが好ましい。

Ａ１Ｎ基板上はタングステンとすることが好ましいが、本発明は、Ａ１Ｎ基板と、この基板上にある導電層であって、所定の温度動作範囲にわたって、その基板の１．００＋／−０．０７の範囲の膨張係数を有しており、その基板に対して実質的に無反応性であり、かつその基板に対して固体溶解性や相互拡散性を実質的に全く示さない導電層とを使用するように一般化することができる。本発明はさらに、絶縁性基板を、その基板上にあるタングステン導電層であって、所定の温度動作範囲にわたって、その基板の１．００＋／−０．０７の範囲の膨張係数を有しており、その基板に対して実質的に無反応性であり、かつその基板に対して固体溶解性や相互拡散性を実質的に全く示さないタングステン導電層と一緒に使用するように一般化することができる。

上述した材料システムの用途としては、それ自体の温度を自己検知することが可能な平面ヒータと；単一のＷ／Ａ１Ｎ素子のみを使用する、あるいはこうした素子の対をその一方は加熱しもう一方は加熱せずに流体流動通路内に離間させて配置して使用しており、かつこの両者によってそれぞれの箇所における流体温度を検知している流体流量センサ；所定の流体に浸漬されているか否かを検知することが可能な流体レベルセンサ；センサの電圧／電流の関係を周囲の気体圧力に関連させている圧力センサ；並びに環境向けの化学的センサであって、タングステン層がその応答特性が変化する環境からの改変を受けている化学的センサが含まれる。

本発明に関するこれらの特徴および利点、並びにその他の特徴および利点は、添付の図面と共に取り上げた以下の詳細な説明から当業者には明らかとなろう。

本発明は、従来のセンサと比較して温度能力の向上、感度の増大、応答時間の高速化、および／またはドリフトの低減が得られるように、温度、流体流量、圧力および化学的環境条件を検知するための新規のシステムおよび方法、並びにそれ自体の温度を検知することが可能なヒータとして機能するための新規のシステムおよび方法を提供する。好ましい実施形態では、本発明は、Ａ１Ｎ基板上に形成されたタングステン（Ｗ）の薄い皮膜センサ層（薄い皮膜とは一般に、約１００〜１０，０００オングストロームの厚さを有するものと規定される）に基づいている。この材料の組み合わせは、Ａ１Ｎが３３０°Ｋにおいてほぼ４．４×１０^−６／°Ｋかつ１２７３°Ｋにおいて５．３×１０^−６／°Ｋの熱膨張係数を有しており、他方タングステンの熱膨張係数が３００°Ｋにおいて約４．６×１０^−６／°Ｋかつ１２７３°Ｋにおいて５．１×１０^−６／°Ｋであるため、特に好都合である。このように、この２つの材料の熱膨張係数は互いに極めて接近しており、これによって広い温度範囲にわたって構造安定性を高程度にすることが可能となる。Ａ１Ｎ基板は絶縁性であり、他方タングステンは一般に温度に伴って既知の方式で変化する抵抗率を有する導電性である。タングステンの温度―抵抗率特性については、その内容を参照により本明細書に組み込むものとするＡｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、３ｄ Ｅｄ．、１９８２ Ｒｅｉｓｓｕｅ、９〜４１頁で検討されている。

Ｗ／Ａ１Ｎが好ましい材料の組み合わせであるが、この材料システムはその上に導電層を備えたＡ１Ｎ基板、あるいはその上にタングステン層を備えた絶縁性基板であって、そのいずれの場合にもその導電層は所定の温度動作範囲にわたってその基板の１．００＋／−０．０７範囲以内の膨張係数を有しており、その基板と実質的に無反応性であり、かつその基板に対して固体溶解性や相互拡散性を実質的に全く示さない基板に一般化することができる。

Ａ１Ｎは、セラミックＡｌ_２Ｏ_３と比べて約１０倍高い約１．７〜２．４Ｗ／ｃｍ°Ｋの熱伝導率を有しており、これによって隣接するタングステン層によってそれ自体が加熱を受けたときにヒータとして極めて有効となる。Ａ１Ｎはさらに、タングステンなどの金属による化学変化に対して高い抵抗性を示すので望ましい。Ａ１Ｎは、ほぼ２５００℃において昇華すると共に、その環境に応じてほぼ１１５０℃〜１８００℃の上側連続使用温度を有しており、これによって高い温度範囲に関して有用となる。タングステンはほぼ３４１０℃の融解温度を有すると共に、約１８００℃未満ではＡ１Ｎと化学的に反応しないことが知られており、これによってさらにタングステンはＡ１Ｎと組み合わせた高温動作に関して好都合となる。

不活性環境内でほぼ１８８０℃までの温度でタングステンとＡ１Ｎの間には化学変化、固体溶解性および相互拡散性が全くないか計測不能に低速であるため、タングステン回路の断面はＡ１Ｎ基板との化学変化によって低下しないこと、並びにＡ１Ｎ基板表面が導電性にならないことが保証される。タングステン回路を取り付けるための手段を備えたクレバスをＡ１Ｎ基板表面に設けていること、並びにその動作温度範囲にわたって温度膨張係数が密に一致していることによって、そのタングステン回路が熱サイクリング中にＡ１Ｎ基板表面から剥がれないことが保証される。

以下でさらに詳細に記載することにするが、（１）タングステン回路を酸化から保護する；（２）電気絶縁したＡ１Ｎ表面を最上部と最底部に露出させた状態で多重層回路を形成するためにＡ１Ｎ基板上の回路とキャップとを互いに結合させる；並びに（３）回路通路に対して追加の断面積を提供する、という３つの機能を実行するために、Ａｕ、ＰｔまたはＡｕ−Ｐｔ合金からなる追加の回路層をタングステン回路層上に設けることがある。

こうした追加回路層とタングステン（別の層に対する結合剤を提供するように炭素をタングステンと反応させた場合はＷＣ）との間の適合性要件（ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）としては、（１）最大動作温度までにおいてこれらの間に化学変化がほとんどないか全くないこと；（２）これらが限定された相互拡散性および限定された固体溶解性で結合しこれにより相対面する界面の位置およびその近くにおいて明確なままであること；（３）これらの間の最大固体溶解性が制限され、これにより最大動作温度までにおいてこれらが同形性または疑似同形性の状態図を形成しないこと；（４）これが互いと一緒に化合物を形成しないこと；並びに（５）これらの融解温度が最大動作温度を超えていること、が含まれる。要件１〜４によって、追加回路層によってそのタングステン（または、ＷＣ）との界面が損傷されないこと、並びに合成回路抵抗が動作条件下でドリフトしないこと、が保証される。

同じく以下でさらに詳細に記載するが、幾つかの実施形態は、ホウケイ酸塩混合物（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）のカプセル封入を含んでいる。ホウケイ酸塩混合物は無反応性の形式で加えられ、次いでこの構造を少なくとも１０００℃まで加熱することによって反応を受ける。この反応させた混合物は、酸化させることが可能な表面と酸化させることが不可能な層とに結合されたガラスとなる。ガラスはこれと接触状態にある回路層を消耗させることがなく、また電気的絶縁体のままである。

タングステン回路層に電気信号を加えるための電極は、Ａ１Ｎ基板またはキャップの辺縁上および該辺縁の周囲に付着または被着させた追加の回路材料によるか、あるいは基板またはキャップ内にあるビアの内部に付着または被着させた追加の回路材料によって、回路層自体の拡張エリア部分から形成させることができる。

リードワイヤまたはリボンを取り付けるためにタングステン電極の最上部の上に追加の電極層を設けることができる。こうした追加の層は、炭素、白金または金を含むことができる。炭素は、約７００℃を超える温度に加熱されるとＷとＷ、またはＷとＭｏを結合する熱作動性の結合材料を提供しており、この温度において炭素はＷとＭｏを反応させて消費させて、１８００℃を超える温度においてもそのままの状態を維持する金属―カーバイドの結合界面を形成する。白金は、ＰｔとＡｕの溶着を可能にさせるベースを提供しており、この結合はＰｔまたは溶着中に形成されるＡｕ−Ｐｔ合金の融点に等しい温度においてそのままの状態を維持する。金は、Ａｕの結合またはＰｔの溶着のためのベースを提供しており、この結合はＡｕまたは溶着中に形成されるＡｕ−Ｐｔ合金の融点に等しい温度においてそのままの状態を維持する。

この追加の電極層はさらに、層状にしたＰｔとＡｕ、あるいはＡｕ−Ｐｔ合金を含むことができる。これによってＡｕの結合またはＰｔの溶着のためのベースが提供される。
ブレージング、結合または溶着の処理に関与する電極材料の厚さは、リードワイヤの直径またはリードリボンの厚さの少なくとも０．０５倍にすべきである。これらの電極は、露出させること、カプセル封入すること、あるいはＡ１Ｎによって覆うことが可能である。
プロセスの検討
Ａ１Ｎ基板またはキャップ表面をＷと接触状態にする：Ｗの皮膜はそれ自身を、静電気力により、並びにＡ１Ｎ表面内のクレバスに貫入させることによってＡ１Ｎ表面に保持している。定量化は困難であるが、観察された結果は、すべてのセラミックＡ１Ｎ表面上で良好なＷ付着（粗度平均≧２マイクロインチ（０．０５μｍ））を示している。しかし、Ｗの最大厚さはＡ１Ｎ表面粗度平均に正比例する。Ａ１Ｎ表面上のＷの最大厚さは表面粗度平均の約１００倍である。

Ａ１Ｎ基板およびキャップに対する付加およびこれらの上における「形成処理」：ＷはＡ１Ｎ表面に対して正しい化学量論組成で、ＲＦ／ＤＣスパッタリング、ＲＦ／ＤＣ同時スパッタリング、ｅビーム蒸散、および化学蒸着法（ＣＶＤ）などの幾つかの気相被着技法によって付加することが可能である。Ｗ被着の間のＡ１Ｎ表面の温度は重要ではない、というのは付着は物理的結合によって生じており、化学的結合によらないためである。

ＣＶＤによる被着でなければ、被着されたときにＷ皮膜が理論的密度となることはない。熱的な焼きなましによれば、皮膜の密度を増大させ、かつ粒子の境界面積を小さくすることができる。Ｗ／Ａ１Ｎ界面を追加回路層金属から保護するために密度や粒子境界面積が重要である場合には、追加回路層金属を付加する前にそのＷに対して焼きなまし処理をすべきである。焼きなまし温度範囲は８００℃から１４００℃までであり、密度および粒子成長は温度ごとの時間に応じて異なる。この焼きなまし雰囲気は真空または不活性（Ａｒ、Ｎ_２）とすべきである。

上側層の結合を「形成処理」によって容易にすることを希望する場合には、タングステン皮膜を部分的または完全にＷＣに転化させることができる。この処理過程において、炭素は、スパッタリング、物理的蒸着またはＣＶＤ、あるいはグラファイトの物理的付加（たとえば、スクリーン印刷法）によって、被着されたままのＷ皮膜に（好ましい）、あるいは焼きなまし済みのＷ皮膜に付加されている。このＷ皮膜は熱誘導した拡散によってＷＣに変換される（「形成処理」）。この形成処理の温度範囲は８００℃から１４００℃までであり、より高い温度が好ましい。「形成処理」の雰囲気は真空または不活性（Ａｒ、Ｎ_２）とすべきである。本発明の目的において、特許請求の範囲における「Ｗ」に対する言及には、「ＷＣ」も含む。ただしＷＣはＷと比べて熱膨張係数がより小さいことが分かっており、したがってオーバー層を適所に結合させる目的を除けばＷほど望ましくはない。

Ｗを追加回路層金属層によって被覆しようとする場合、被着されたままの好ましい最小Ｗ厚はＡ１Ｎ表面の粗度平均値に等しい。Ｗを電流通路を備える唯一の皮膜とさせる場合、その最小厚さは、（１）Ｗの後処理厚さをＡ１Ｎ表面の粗度平均値の少なくとも２倍にすべきであること、あるいは（２）その厚さとその幅の積（断面積）をセンサまたはヒータによって要求される電流処理能力を提供できるだけの十分な大きさとすべきであること、という２つの要件のうちより重大な方を基準として決定される。Ｗの最大厚さに関しては基本的な制限は存在しないが、低質量の輻射ヒータまたは回路の用途では一般に、１０マイクロメートルを超える厚さが要求されることはない。

追加回路層（ＡＣＬ）金属：付加されたまま／被着されたままのＡＣＬは、その各々が順次式で付加され／被着される１つまたは複数の層から構成することができる。このＡＣＬの各層は、塗装、スクリーン印刷法、電気めっき法、または蒸着法（材料に応じた技法とする）によって付加することができる。

処理済みのＡＣＬは元素（複数のこともある）や合金（複数のこともある）からなる単一層または多重層の皮膜、あるいはこれら両者の段階的組成とすることができる。処理済みのＡＣＬは、付加されたまま／被着されたままの状態とすることができ、あるいは皮膜組成を再分布させるために熱処理することもできる。熱処理の間の融解はＡＣＬの１つまたは複数の層（ただしすべての層ではない）で生じるが、得られる合金は同じ処理温度において固体でなければならない。たとえばＡｕ−Ｐｔ合金は、Ａｕの融解温度を超えるが所望の合金の融解温度未満の温度までＡｕ／Ｐｔ多重層構造を加熱することによって形成させることができる。この場合には、Ａｕのみが融解し、このため融解温度がより高い合金を形成するようにこれがＰｔによって迅速に消費される。

この付加されたまま／被着されたままのＡＣＬ金属（複数のこともある）の厚さは、ＡＣＬの後処理厚さがＡ１Ｎ表面粗度平均値に等しいか該粗度平均値より大きくなるようにすべきである。この被着されたままのＡＣＬの好ましい最小厚さは５×１０^−６ｃｍである。このＡＣＬの最小厚さは、Ｗ＋ＡＣＬの断面積を、センサまたはヒータによって要求される電流処理能力を提供できるだけの十分な大きさとするという要件によって決定することができる。ＡＣＬの最大厚さは、Ａ１Ｎを基準としてＷとＡＣＬの膨張係数の差によって回路に与えられる歪みによって制限される。これまでに実施された実験的研究によれば、上側の厚さ限界はＷの厚さの６０倍を超えることが分かっている。

炭素反応結合：炭素は、ＷとＭｏを反応させ、ＷとＷの間またはＷとＭｏの間にＷＣまたはＭｏ−カーバイドの結合界面を形成させることによってＣを消費しながら約７００℃を超える温度に加熱したときに、Ｗ／Ｍｏのワイヤ／リボンをＷ電極に結合する熱作動性結合材料を提供しており、この結合は１８００℃を超える温度においてそのままの状態を維持する。この反応結合処理に関与する電極材料の厚さは、Ｃのすべてを消費するだけの十分な大きさとすべきである。この結合処理は、完了まで進行する結合の速度が温度に正比例するようなＣ、ＷおよびＭｏの相互拡散を要求する。ろう付け、結合または溶着処理に関与する電極材料の厚さは、ワイヤの直径の少なくとも０．０５倍、あるいはリボン（すなわち、平坦なワイヤ）の厚さの０．０５倍とすべきである。これは、実験的研究から決定された機能的結合のための最小厚さ要件の１つである。しかし、この比では、強力な結合は実現することが困難（歩留まりが低い）である。ワイヤ直径の少なくとも０．１倍、あるいはリボン厚さの少なくとも０．１倍の電極厚が推奨される、というのは歩留まりがより高くなり、かつ結合の丈夫さが向上するからである。

ＡｕとＰｔの合金結合：Ｐｔ電極層は、Ｐｔの溶着、あるいはＡｕワイヤ／リボンの溶着／結合／ろう付けのためのベースを提供しており、ワイヤ／リボンと電極との間に形成される結合は、Ｐｔの融点または結合処理の間に形成されるＡｕ−Ｐｔ合金の融点に等しい温度においてそのままの状態を維持している。Ａｕ電極層、層状にしたＰｔとＡｕの電極層、並びにＡｕ−Ｐｔ合金電極層のそれぞれは、Ａｕワイヤ／リボンの溶着／結合、あるいはＰｔワイヤ／リボンの溶着／ろう付けのためのベースを提供しており、ワイヤ／リボンと電極との間に形成される結合は、Ａｕの融点または結合処理の間に形成されるＡｕ−Ｐｔ合金の融点に等しい温度においてそのままの状態を維持している。ろう付け、結合または溶着処理に関与する電極材料の厚さは炭素反応結合と同様である。

このリードワイヤ／リボンは、結合、ろう付けまたは溶着によって電極パッドに取り付けられるべきである。このリードワイヤ材料の膨張係数は、後処理電極層の合成膨張係数の２倍以内とすべきである。リードワイヤのうち電極に結合／溶着／ろう付けされる部分は平坦とさせることがあり、この場合、その平坦にした表面と直交するリードワイヤ直径は電極層の最小厚さの決定の際に使用するのに適当な直径としている。

図１は、タングステン２の薄い皮膜が好ましくは全体として蛇行性の方式でＡ１Ｎ基板４の上に被着されており、このタングステン回路層の相対する端部が電極６を形成するように面積が広げられている、本発明によるセンサを表している。この構造は、以下で検討するさまざまな用途のセンサおよび／またはヒータの役割を果たすことができる。

図２は、保護用のＡ１Ｎキャップ８が、図１のタングステン層２を覆うように薄い皮膜の炭素層（個別には図示せず）を付加し、タングステン層２をキャップ８の下側に一致させるような幾何学構成で薄い皮膜タングステン層（個別には図示せず）を付加し、基板４を覆うようにこのキャップ８をそのそれぞれのタングステンおよび炭素が整列した状態で配置し、かつ基板４とキャップ８の間に挟みこみかつこれら同士を付着しているＷＣ層１０をなす最終の回路が形成されるようにこの組み上げ体を熱反応させることによって固定されている別の実施形態を表している。

この実施形態の例証において、１０００オングストロームのタングステンが基板４とキャップ８の両方の上にスパッタ被着させてあり、１７２００オングストロームの炭素がシャドウマスクを介して基板タングステン上に被着されている。

別の変形形態を図３に表している。この実施形態では、金またはＰｔの薄い皮膜１２を図１のタングステン層２の上に付加してこれを酸化から保護し、かつ物理的防護も提供している。

図４の実施形態では、未反応のＢ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２は、図１のタングステン回路２および基板４の上に付加されると共に、下側にある構造を保護しさらにタングステン回路を基板に結合させているカプセル封入１４が形成されるように熱反応を受けている。

このホウケイ酸塩混合物は４５ｗｔ％のＢ_２Ｏ_３＋５５ｗｔ％のＳｉＯ_２からなっている。このホウケイ酸塩混合物は空気中で１０００℃において５分間反応させた。
図５に示す実施形態では、Ａ１Ｎキャップ１６は図４の未反応のＢ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２（参照番号１４）の上に配置させており、またこの得られた構造は、Ａ１Ｎキャップ１６を結合させて追加の防護を提供するために熱反応を受けている。カプセル封入１４とキャップ１６の両者によって、タングステン回路に電気信号を加えるために使用されるリードワイヤまたはリボンを受け容れるための電極パッド６が露出されたままとなる。ホウケイ酸塩は空気中で１０００℃において５分間反応させてキャップを適所に結合させた。

図６に示す実施形態では、図１に示した完成構造上でタングステン層を覆うように薄い皮膜としてＡｕ層１８およびＰｔ層２０を付加しており、ＰｔとＡｕのいずれを最上層とすることも可能である。得られたものはＡ１Ｎ基板４上の３層回路となる。次いで、この組み上げ体を熱反応させて図３に示した構成と同様の構成を有する２層回路を形成させており、その下側層はタングステンからなりかつその最上層はＡｕおよびＰｔ層の相対的な厚さによって決定される組成を有するＡｕ−Ｐｔ合金回路となっている。

ＡＣＬと保護用のＡ１Ｎキャップの両方を備える別の実施形態を図７および８に表している。先ず図７を参照すると、Ａｕ層１８およびＰｔ層２０（必ずしもこの順序とは限らない）が基板４上にあるタングステン層２を覆っている基板組み上げ体が図６と同様にして設けられる。Ａ１Ｎキャップ２２には、そのすべてが基板４上の層と同じ幾何学構成を有するタングステン層２’、Ａｕ層１８’およびＰｔ層２０’（あるいはＰｔとＡｕ）からなる同様の３層導体構造が設けられる。このキャップ２２は、さまざまな層を整列状態にして基板４を覆うように位置決めされる。次いで、この組み上げ体を熱反応させて、タングステン層２と２’が基板４とキャップ２４のそれぞれに隣接すると共にＡｕ−Ｐｔ合金回路層２４を挟み込んでいる図８に示すような３層回路を形成させる。例証の１つでは、１００オングストローム厚のＡｕ層と１０００オングストローム厚のＰｔ層を、スパッタ被着した１０００オングストロームのタングステン層上にスパッタ被着させた。

図９は、Ａｕ−Ｐｔ合金回路層２６がタングステン回路層２上に来るようにして図６に示した構造を熱反応させて得られた構造を表している。ホウケイ酸塩のカプセル封入２８は図４のカプセル封入１４と同様の方法で構造の上に形成させた。

図１０は、図９の構造をさらにＡ１Ｎキャップ３０によって保護している一実施形態を表している。キャップが適所に来るようにして、このホウケイ酸塩を空気中で１０００℃において５分間反応させ、キャップ上に結合させた。

本発明は、平面ヒータ用に使用すると有利となり得る。図１１は、ＡＣＬなしに上述のように製作することが可能なタングステン加熱素子向けのベースの役割を果たす矩形（正方形を含む）のＡ１Ｎ基板３２上にこうしたヒータを形成させて表している。このタングステン層は、基板の相対する端部に端子ストリップ３６によって並列に接続させた一連の全体として平行で蛇行性の形状をしたストランド３４として形成させることが好ましく、電極３８はこのアレイの相対する隅に設けることが好ましい。

この蛇行性の形状によって、Ａ１Ｎ基板面積の全体にわたる（その辺縁部を除く）均一な加熱が提供されると共に、この形状により迅速な熱ランピングの間においてパワーの消費がより均一に生じる。このため、基板に対して熱衝撃を及ぼすことなく、５００℃／秒を超える速度でその温度を極めて迅速にランピングさせることが可能となる。回路ストランドを真っ直ぐにしたとすると、最初の加熱は各ストランドの中心と、その端部の１８０°旋回の位置において最も迅速に生じ、これによって熱を非常に迅速にランピングさせるとその基板がその表面と平行な温度勾配のために破損する恐れが生じることになる。

厚さが薄い（０．０１インチ〜０．０１４インチまで（０．０２５ｃｍ〜０．０３６ｃｍ）の厚さの）低質量Ａ１Ｎ基板の場合、そのストランド３４の幅は０．１インチ（０．２５ｃｍ）を超えるべきではなく、またストランド同士の間隔は均等とすると共に０．０７インチ（０．１８ｃｍ）を超えないようにし、これによりストランド同士の間隔全体に及ぶ温度勾配が基板破損に繋がることがないように保証すべきである。

ストランド導電通路と直角方向における蛇行性のストランドの山と谷の間の距離は、ストランドそれ自体の幅を超えるべきではない。これらのストランドは、急峻な角を有しないように湾曲させるべきである。ストランド導電通路と平行な方向におけるストランドの山と谷の間の距離は、迅速な加熱の間における基板のクラックを防止するために１インチ（２．５ｃｍ）を超えるべきではなく、その短い側の距離によって迅速な加熱の間に基板表面全体にわたってより均等に加熱が提供されるようにする。

ストランドの合成抵抗は、単一のストランド抵抗をそのパターン内のストランドの総数で割算した値に、電極ストリップ１つ分の抵抗を加算したものである。平行な導電ストランドによって、適度な電圧を用い、薄い皮膜ストランド（１００〜１０，０００オングストローム厚）を用いて高温までの迅速な加熱が可能となる。

図１１で提供した端子ストリップ３６の場合、タングステン製ストランドは幾何学的にパラレルであるだけでなく、電気的にもパラレルとなっている。これらの端子ストリップ３６は、各ストランドの相対する端部位置にある個々の電極によって置き換えることも可能ではあるが、これは望ましくはない。電極３８を基板の対向する隅の位置に配置することによって、さまざまなストランド間での電圧降下の変動がある低いレベルに維持される。

図１２に表した代替的な実施形態では、各電極ストリップ３６上でその受け持っているストランドを基準として互いに対して厳密に反対の位置に複数のリードワイヤ端部４０が設けられており、各電極が受け持つストランドは最大で２つまでである。

図１３は、相対して位置決めされた電極４４間の電界強度が上昇した温度においてＡ１Ｎ基板の絶縁破壊強度を超えないことが保証されるような、円形基板４２に対する好ましいタングステン製ストランドのパターンの１つを表しており、絶縁破壊強度を超えると、基板にクラックや破損を生じさせる可能性がある。Ａ１Ｎ基板の誘電強度は温度の上昇に伴って低下すると共に、１３００℃において約２０００ボルト／インチ（７８７ボルト／ｃｍ）になると推定される。

タングステン製ストランド４６は湾曲していると共に、電極４４を備えた相対するポールの位置で一緒になるそれぞれの経線に沿って全体として延びている。これらのストランドは、極性電極を介して中心線４８の周りに対称性である。各ストランドの長さ方向でパワーが確実に均等に消費されるようにするため、その導電通路と直角方向におけるストランド幅は一定にすべきであるが、電極を過ぎた後はこれらのストランドが重なり合うことも可能である。

中心線４８から異なる距離にあるストランドは異なる長さを有することになるため、各ストランドのそれ以外のストランドに対する幅は、中心線に向かって漸減させ、これにより各ストランドの単位長さあたりの電力消費がそれ以外のストランドの単位長さあたりの電力消費に近くなるようにすべきである。これによって、Ａ１Ｎ基板が均一に加熱を受けかつ温度勾配によって破損を受けないことが保証される。ストランド通路と直交する方向におけるストランド間の温度勾配が薄い低質量Ａ１Ｎ基板を破損させることがないようにするため、ストランドの中点間の最大離間は０．０７インチ（０．１８ｃｍ）を超えるべきではない。ストランド同士の間の離間距離は、同一とする必要はないが、中心線４８の周りには対称性とすべきである。１３００℃を超えるヒータ温度に関しては、０．０７インチ（０．１８ｃｍ）未満のストランド中点間の離間が必要となることがある。

図１４および１５は、本発明の温度センサ、単一端ヒータ、またはそれ自身の温度を検知することが可能なヒータへの応用について図示している。
図１４では、図１に示したのと同様のＡ１Ｎ基板４上に被着されたタングステン導電性皮膜２の両端に電圧源５０によって電圧が印加されている。電流計５２はこのタングステン皮膜を通る電流を監視している。周囲の環境の温度を検知するために使用する場合には、タングステン皮膜を大きく加熱させない駆動信号を印加するように低電圧源が使用される。したがって、皮膜の抵抗は、タングステンの抵抗に関する既知の温度係数に従ってその周囲環境の温度によって決定される。皮膜の抵抗、したがって周囲環境の温度は、計測した電流で印加電圧を割り算することによって決定することができる。電流計５２によって検知される、既知の印加電圧に対するタングステン皮膜の応答は、周囲の温度によってさまざまとなる。皮膜を大幅に加熱させることなくタングステン皮膜内で維持することが可能な電流レベルは、その周囲温度、皮膜の厚さ、表面の面積および形状、並びに環境の熱容量など幾つかの要因に応じて異なる。一般に、加熱しきい値に達した後は、その皮膜は電流レベルの連続した増加に伴い加熱の迅速な上昇を受けることになる。この加熱しきい値は周囲環境の温度の上昇に伴って増大する。

開放端ヒータとして使用する場合には、より高い電圧レベルが加えられる。このシステムは、少なくとも所与の印加電圧レベルから得られる加熱に関する近似の前に較正することができ、電流計５２は不用である。

それ自身の温度の検知が可能なヒータを動作させるためには、タングステン皮膜を通る電流を検知するために電流計５２を回路に戻す。電圧および電流レベル、並びに皮膜の既知の幾何学構成を使用して、タングステンの温度・抵抗曲線からユニットが動作している温度を決定することによって、皮膜の温度を厳密に決定することが可能である。

図１５のシステムは図１４のシステムと同様であり、タングステン皮膜の両端に電圧を印加して得られた電流を検知するのではなく、電流源５４によって皮膜２を通る作動電流を駆動させて、電圧計５６によって皮膜の両端に得られる電圧を検知している。この場合もその皮膜温度は、図１４に関する方式と同様の方式で決定することができる。

本発明はさらに、流体内に浸漬させるか、流動通路壁と接触状態とするかのいずれかとして、流動通路に沿って配置させた自己加熱式センサの温度変化を計測することによって、気体および液体の流量を検知するために使用することができる。図１６の図において、気体または液体（矢印６４で示す）の流量は、流れの中に浸漬させるか、流動通路壁６８と接触状態とするかのいずれかとして、流動通路に沿って配置させた本明細書に記載したタイプの自己加熱式センサ６６の温度変化を計測することによって検知されている。本明細書に記載したこの実施形態および後続の実施形態では、その駆動信号は調節可能な電流源７０によって提供されるように図示しており、電圧計７２はセンサ６６の電圧応答を検知しており、一方このセンサ６６はセンサ抵抗、したがって流体温度に対応している。しかし、電圧は駆動信号並びに得られた検知電流として提供することも可能である。検知した温度をゼロ流量における温度と比較し、かつ流体の熱容量を考慮に入れることによって、流量を決定することができる。

図１７に示す差動流量センサでは、本明細書に記載したタイプの２つ以上のセンサ７４、７６が流体流動通路６４に沿って直列に位置決めされている。流量は、センサ間の温度差を計測することによって検知されている。ゼロフローでは、上流のセンサ７４は、電流源７０’（または、既知の電圧）から既知の温度を示す抵抗への既知の電流によって抵抗式に自己加熱されている。下流のセンサ７６は、これに比してかなり小さい非自己加熱電流または電圧だけバイアスを受けている。作動電流は共通の電流源から、また等価的には一対の別々の図示した電流源７０’から供給することができる。流体の流れによって上流側の自己加熱式センサ７４から熱が除去され、この熱の一部が下流のセンサ７６に対して放出される。センサの各々の両端の電圧変化は、気体または液体の熱容量を介して流量と関連付けされる。このタイプの差動流量検知は、並列の主流体流動通路に平行なコンジットを使用してその通路を通過する流量を決定するために使用することができる。

図１８は、本発明による検知素子６６を液体リザーバ７８の内部の固定位置、あるいは液体リザーバ７８の外壁と接触させて配置している本発明に従った流体レベルセンサへの応用を表している。リザーバの内部の液体８０は上昇および下降をしており、これによってセンサ６６は液体８０内への浸漬と液体８０からの分離を交互に受ける。センサの直ぐ近傍の環境の熱容量は、液体レベルがセンサを浸漬させるほど大きく上昇したことがあるか否かに応じてさまざまである。リザーバ内で既知のレベルに位置すると共に上述のように自己加熱式温度センサとして利用されるセンサでは、センサが液体内に浸漬されているか否かの判定はそのセンサから如何に迅速に熱が除去されるかを検知することによって実施することができる。この応用は液体センサに関して記載したが、この応用はさらに閉じたリザーバの内部に少なくとも最小密度レベルを超えて気体が存在するか存在しないかを検出するために使用することもできる。

上で記載した流量または流体レベルの検知用途に応用したときの本発明の主要な利点は、応答時間が高速になること（高い基板熱伝導率に関連する）、感度が高くなること（同じく高い基板熱伝導率に関連する）、並びにドリフトが比較的低いか全くないこと（Ｗ検知回路とＡ１Ｎ基板の間の膨張係数の不一致が小さいことに関連する）である。

図１９では、本発明のセンサ６６を閉じたリザーバ８２の内部の気体圧力を検知するために使用している。リザーバの内部の圧力は、センサの両端で指定された電圧を維持するために必要となる電流を決定する、あるいはセンサへの指定された電流を維持するために必要となる電圧を決定することによって検知することができる。このデータは、真空チャンバとすることが可能であるリザーバの内部にある既知の熱容量を有する気体の圧力／密度に関連させることができる。図１９に示す電流源７０は、電圧計７２による検知に従って、センサの両端に指定された電圧レベルを維持するように調整を受ける。この電流レベルのリザーバ内部の圧力レベルへの変換を、電流源によって供給される圧力計８４によって図示している。本発明によれば、目下のところ利用可能な熱電対による場合と比較してより高感度の電圧／電流検知、またこれによってより高感度の圧力検知が可能となり、さらに利用可能な熱電対と比べてより高い温度での動作も可能となる。

図２０は、環境の化学的組成を検出するための本発明の利用について表している。このセンサ６６は、図１の場合と同様にその周囲に対して露出させた回路材料を有しており、この回路材料のすべてまたは一部は、検知しようとする気体によってエッチングまたは酸化を受けることができる。気体タンク８６からリザーバ内に気体が導入されるように図示しており、また気体はフローチューブを通過して流れることもできる。エッチングや酸化があると、検知回路の断面積が小さくなり、これによってその抵抗によって既知の電流／電圧レベルを上昇させることになる。この上昇は、印加電流のレベルとセンサの両端で得られた電圧を比較する、あるいは印加電圧のレベルをこのセンサを通過する生じた電流と比較することによって検出することができる。用途としては、化学薬品、医薬品、化粧品、プラスチックやゴム重合体、金属や合金に関する製造および研究開発が含まれる。

図２１〜２３は、上で記載したさまざまな実施形態の例示的かつ予測される結果をまとめたものであり、これらを従来技術のセンサやヒータに関する同等の結果と比較している。図２１は、指定した図番号に対応する実施形態（図６に関する結果は構造に対する熱焼きなまし処理後に得られたものである）に対する動作温度範囲をまとめたものである。図２２は、指定した図番号に対応する温度センサを用いて達成される有利な結果を、従来の白金薄膜ＲＴＤやサーミスタに関する既知の特性と比較してまとめたものである。

図２３は、指定した図面の実施形態に対応する平面ヒータに関する有利な特性および結果を、次の５つのタイプの従来式ヒータと比較してまとめたものである。
バルク：その基板が導電体やヒータとして機能する導電性基板材料（一般的には、グラファイト、セラミックＳｉＣまたはセラミックＢＮ）。

フォイル：Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、雲母、ガラスその他のセラミックシート材料など支持用の絶縁体シートまたはストリップに機械的に固定した細い金属導体。
ロッドおよびバー：電気ストーブの天板やトースターに使用されるタイプの金属導体。

平面ヒータ：スクリーン印刷によって絶縁基板（Ａ１Ｎ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＢｅＯなど）に対してある導体パターンで付加された金属導体。この基板はヒータであり、この熱は抵抗性に加熱を受けた回路金属から受け取っている。

タングステン製ワイヤ：電球やタングステン・ハロゲンランプに使用されるタイプの抵抗性に加熱を受けるタングステン製ワイヤ。
これらのまとめから、本発明によって温度検知と加熱の両方に関して動作温度範囲、精度および応答時間の大幅な改善が達成されることが理解できよう。改善は、環境領域、感度、ドリフトの低下、熱衝撃抵抗の増大、および加熱効率に関しても指摘されている。

本発明に関する幾つかの例示的な実施形態を図示しかつ記述してきたが、当業者には多くの変形形態や代替的な実施形態が想起されよう。こうした変形形態および代替的実施形態は予期されるものであり、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の精神および趣旨を逸脱することなく実施することが可能である。

薄い皮膜のタングステン層をＡ１Ｎ基板上に備えた本発明の一実施形態によるセンサ／ヒータの斜視図である。 ＷＣ層によって互いに結合させたＡ１Ｎ基板およびキャップを備える別の実施形態の切開斜視図である。 図１のタングステン層上に保護層を備えた別の実施形態の斜視図である。 図１の構造を覆う保護用のカプセル封入を備えた別の実施形態の切開斜視図である。 図４の構造を覆うＡ１Ｎキャップを備えた別の実施形態の切開斜視図である。 図１に示す構造にＡｕ−Ｐｔ合金が保護用のキャップを提供している別の実施形態に対する前駆体の斜視図である。 図６に示すように互いに組み上げた一対の構造を備えた別の実施形態の切開斜視図である。 図１２の構造に対する熱反応によって形成した構造の切開斜視図である。 図６の構造を熱反応させた後に該構造を覆うように保護用のカプセル封入を形成させている別の実施形態の切開斜視図である。 Ａ１Ｎキャップを備えた図９に示す構造の切開斜視図である。 ２種類の電極構成を備える本発明の一実施形態による矩形平面ヒータの平面図である。 ２種類の電極構成を備える本発明の一実施形態による矩形平面ヒータの平面図である。 円形平面ヒータの実施形態を表した平面図である。 電圧駆動による本発明のヒータ／温度センサの一実施形態を表した簡略回路図である。 電流駆動による本発明のヒータ／温度センサの一実施形態を表した簡略回路図である。 本発明の単一素子流量センサへの応用を表した簡略回路図である。 本発明のデュアル素子流量センサへの応用を表した簡略回路図である。 本発明の流体レベルセンサへの応用を表した簡略回路図である。 本発明の圧力センサへの応用を表した簡略回路図である。 本発明の環境センサへの応用を表した簡略回路図である。 さまざまな動作環境に関する本発明のさまざまな実施形態の温度範囲をまとめた表である。 本発明のさまざまな実施形態を使用した温度センサの特性を従来技術の温度センサと比較してまとめた表である。 本発明のさまざまな実施形態を使用したヒータの特性を従来技術のヒータと比較してまとめた表である。

Claims (20)

1. Ａ１Ｎ基板（４）と、
   前記基板上にあるＷ層（２）と、
   前記Ｗ層に電気的駆動信号を加えるように適合させた信号源（７０）と、
   前記駆動信号に対する前記Ｗ層の応答検知するように適合させたセンサ（７２）と、
   を備えるセンサシステム。
2. 前記Ｗ層は薄い皮膜を備える、請求項１に記載のシステム。
3. さらに、前記Ｗ層上に耐酸化保護層（１２）を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 温度センサとして実現されていると共に、前記信号源は前記Ｗ層に非加熱電気信号を加えており、かつ前記センサは前記駆動信号に対する前記Ｗ層の応答を前記センサの近傍の温度の指示値として検知している、請求項１に記載のシステム。
5. 前記信号源は前記Ｗ層を加熱するための信号を加えている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサはその温度を示す前記Ｗ層の応答を検知している、請求項５に記載のシステム。
7. さらに、追加Ｗ層（２）をその上に有する追加Ａ１Ｎ基板（７６）であって、前記信号源が該追加Ｗ層に実質的に非加熱電気信号を加えるように接続されている追加のＡ１Ｎ基板（７６）と、前記追加Ｗ層の応答をその温度の指示値として検知するように接続されたセンサ（７２）とを備え、
   前記追加基板およびＷ層は、前記Ｗ層と追加Ｗ層の間の温度差がその流体流量に対応するように流体流動通路（６４）において前記基板および導電層の下流に配置されている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記基板およびＷ層は流体流動通路（６４）内に配置されており、前記信号源は前記Ｗ層を加熱させる駆動信号を加えるように制御可能であり、前記応答は前記通路に沿った流体流量に対応して前記センサによって検知されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記基板およびＷ層は所定の流体（８０）内への浸漬と該所定の流体からの分離を交互に受けており、前記応答は前記基板およびＷ層が前記流体内にあるか否かを示すように前記センサによって検知されている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記基板およびＷ層は可変の圧力環境（８２）内に配置されており、前記センサは前記環境内の圧力の指示値として前記Ｗ層の応答を検知している、請求項１に記載のシステム。
11. 前記基板およびＷ層は、環境（８６）であって該環境内においてＷ層が所与の駆動信号に対するその応答を変化させるような該環境からの改変を受けている環境（８６）内に配置されており、前記駆動信号と前記応答の間の関係は前記環境の化学的性質を示している、請求項１に記載のシステム。
12. Ａ１Ｎ基板（４）と、
    前記基板上にある導電層（２）であって、所定の温度動作範囲にわたって前記基板の１．００＋／−０．０７範囲にある膨張係数を有しており、前記基板と実質的に無反応性であり、かつ前記基板に対して固体溶解性や相互拡散性を実質的に全く示さない導電層（２）と、
    前記導電層に電気的駆動信号を加えるように適合させた信号源（７０）と、
    前記駆動信号に対する前記導電層の応答を検知するように適合させたセンサ（７２）と
    を備えるシステム。
13. 絶縁性基板（４）と、
    前記基板上にあるＷの導電層（２）であって、所定の温度動作範囲にわたって前記基板の１．００＋／−０．０７範囲にある膨張係数を有しており、前記基板と実質的に無反応性であり、かつ前記基板に対して固体溶解性や相互拡散性を実質的に全く示さない導電層（２）と、
    前記Ｗ層に電気的駆動信号を加えるように適合させた信号源（７０）と、
    前記駆動信号に対する前記導電層の応答を検知するように適合させたセンサ（７２）と
    を備えるセンサシステム。
14. Ａ１Ｎ基板（３２）と、
    前記基板上にあるＷの薄い皮膜層（３４）と
    を備える電気回路素子。
15. 前記Ｗ層は前記基板上に分散させた複数の導電性ストランド（３４）を備えており、前記基板は矩形であり、かつ前記ストランドは概して平行で蛇行性の形状をしている、請求項１４に記載の回路素子。
16. 前記Ｗ層が前記基板上に分散させた複数の導電性ストランドを備えており、前記基板は円形（４２）であり、かつ前記ストランドは前記基板の相対するポール（４４）の位置で一緒になるそれぞれの経線（４０）に沿って延びている、請求項１５に記載の回路素子。
17. Ａ１Ｎ基板（４）上にあるＷの層（２）に電気的駆動信号を印加するステップと、
    前記駆動信号に対する前記Ｗ層の応答を検知するステップと
    を含む検知方法。
18. 前記Ｗ層に対して非加熱駆動信号が印加されており、かつその応答がその近傍の温度の指示値として検知されている、請求項１７に記載の方法。
19. 前記駆動信号によって前記Ｗ層が加熱される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記Ｗ層の温度が検知される、請求項１９に記載の方法。
    

Images