JP3506784B2

JP3506784B2 - 計測装置および計測方法

Info

Publication number: JP3506784B2
Application number: JP29225994A
Authority: JP
Inventors: バイトクスリマンタス; 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-11-04
Filing date: 1994-11-01
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JPH07333028A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、薄膜
が受ける被計測物質からの熱的な影響を定量的に評価す
る計測装置および計測方法に関する。具体的には、気
体、液体、霧状流体（噴霧化された流体）、または固体
粉体を含む気体や液体、さらには液晶のような材料等の
流体の計測を行う装置または計測方法に関する。

【０００２】本明細書で開示する発明を利用することに
よって、例えば以下に示すような計測を行うことができ
る装置またはその方法を得ることができる。 (1) 質量流量または体積流量または流速の計測 (2) 流体の熱伝導率や比熱の計測。 (3) 流体の識別 (4) 複数の流体の混合比の計測 (5) 流体中に含まれる物質の濃度の計測（例えば湿度の
計測）

【０００３】さらに、本明細書で開示する発明を利用す
ることによって、被計測物質（気体、液体、固体は問わ
ない）の熱伝導率や比熱の違いを評価あるいは計測する
ことができる装置またはその方法を得ることができる。

【０００４】〔発明の概要〕本明細書で開示する発明の基本的な構成の一つの例は、
ダイヤモンド薄膜等の高熱伝導率を有する薄膜に対して
パルス状の加熱を行い、この際の応答特性を当該薄膜の
温度変化として計測し、この応答特性より当該薄膜が接
している被計測物質から受ける熱的な影響を評価するこ
とを基本的な構成とする。この薄膜が受ける熱的な影響
としては、例えば薄膜に接して流れる流体の流量による
ものを挙げることができる。この場合、流体によって受
ける熱的な影響を評価することで、この流体の流量を評
価することができる。

【０００５】そして本明細書で開示する発明は、上記の
ような構成において、流体や環境の温度に対応させて前
記パルス状の加熱に際する熱量を制御することで、流体
や環境の温度に影響されずに例えば流量計測を行うこと
を特徴とする。

【０００６】

【従来の技術】流量を計測する装置として、サーミスタ
を利用したものが知られている。これは、流体によって
熱量が奪われることによって、サーミスタ部分の温度が
低下することを利用したものである。一般にサーミスタ
部分が流体に接していると、サーミスタ部分から奪われ
る熱量は、流量（または流速）に依存するため、サーミ
スタからの出力と流量とはある相関関係を持つ。このこ
とを利用して、サーミスタの出力より、流量を算出する
ことができる。

【０００７】流量（以下においては体積流量を意味す
る）は流体の断面積と流速との積で定義される。例え
ば、内径ｒの円形パイプ内を流速ｖの流体が流れている
とするならば、ｖπｒ２が流量になる。従って、以下
においては流量を中心として話を進めるが、流体の断面
積が分かっているのならば、流量と流速は同時に求める
ことができる。

【０００８】一般にサーミスタは、大きな負の温度係数
を有する半導体のことをいう。しかし、本来サーミスタ
とは、熱に敏感な抵抗体（Thermally Sensitive Resist
or）のことであり、特に温度係数の正負や材料によって
限定されるものではない。従って、正の温度係数を有す
る白金等の金属をサーミスタと称してもよい。

【０００９】サーミスタのように、温度によって抵抗が
変化する材料を用いた素子を総称して、測温抵抗体や温
度感知素子、さらには感温素子や抵抗温度計という。ま
た、温度によって抵抗が変化する材料のことをサーミス
タ機能を有する材料ということもできる。以下において
は、温度によって抵抗が変化する材料のことを測温抵抗
体という。

【００１０】また、上記構成の他には、ジュール熱によ
って発熱させた抵抗発熱体を流体に曝し、流量に依存し
て、当該抵抗発熱体から熱量が奪われることを利用する
方式もある。この方式では、抵抗発熱体に流れる電流を
計測することによって、流量を算出することができる。

【００１１】また、流体に接した発熱体から熱量を流体
に奪わせ、流体によって運ばれる熱量を別個に設けられ
た測温抵抗体（例えば白金センサー）によって計測し、
流量を算出する方式もある。

【００１２】これらの方式において、高い感度を得るた
めには、流体によって奪われる熱量を多くすることが有
効である。また、応答速度を高めるためには、測温抵抗
体部分の熱容量を極力小さくすることが必要である。

【００１３】上述した構成を用いた流量計測装置は、計
測できる流量の範囲が狭いという問題がある。即ち、ダ
イナミックレンジが狭いという問題がある。具体的に
は、２０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ〜
２０００ｓｃｃｍといった範囲でしか正確な流量計測が
できないという問題がある。

【００１４】これらの問題は、主に以下のような理由に
よるものであると考えられる。（１）測温抵抗体が熱的に極めて不安定な状態におかれ
ているので、熱に対する応答の特性やリアリティーが悪
く（熱に対する応答が不安定）、広い範囲の熱的変化に
追従できない。（２）上記（１）に関連して、特に加熱の方法が難し
く、広い流量範囲に渡って有効な加熱を行うことができ
ない。（３）応答速度を速くするために測温抵抗体の熱容量を
小さくすると、大きな熱量を扱うことができない。

【００１５】上記（１）の原因は、広い流量範囲に渡っ
て、測温抵抗体から効果的に流体に熱量を奪わせ、同時
に測温抵抗体に効果的に熱量を供給する構造を採ること
が困難であることによる。

【００１６】また測温抵抗体は、流量のみではなく、環
境の温度変化（例えば流体の温度変化）をも敏感に検出
してしまうので、温度変化がある環境での使用には問題
があった。この問題を解決する方法も数々提案されてい
るが、実際の使用においては、計測環境あるいは流体の
温度によって流量の計測に大きなバラツキが出てしまう
のが現状である。

【００１７】〔発明に至る過程〕本発明者らは、図１に示すような流量計測センサー素子
を作製した。図１において、１３は有磁場マイクロ波Ｃ
ＶＤ法を用いて気相合成した４ｍｍ角で１５μｍ厚の多
結晶ダイヤモンド薄膜である。１２はスパッタリング法
で形成された０．１μｍ厚の白金の測温抵抗体である。
１１は同じくスパッタリング法で形成された０．１μｍ
厚の白金の発熱抵抗体である。１０と１５がそれらの電
極であり、１７はボンディング用の金ワイヤである。１
８はダイヤモンド薄膜１３を保持するテフロン製の基体
である。測温抵抗体１２と発熱体１１とは、その抵抗が
異なるだけであり、測温抵抗体１２の抵抗が約１ＫΩ、
発熱体１１の抵抗が約１００Ωである。

【００１８】図１に示す流量計測センサーは、テフロン
の基体１８に保持されており、流体以外とは熱的に絶縁
されて保持されている。このように当該薄膜を熱的に絶
縁して保持することによって、当該薄膜から流体以外に
熱が流失しない構造とすることができ、流体と薄膜の熱
的な相互作用を正確に評価することができる。

【００１９】また流体１９は、測温抵抗体１２や発熱体
１１が形成された面とは反対側の面に接して流れる構造
となっている。具体的には、図１に示す装置は流体が流
れるパイプの一部に嵌め込まれており、ダイヤモンド薄
膜の一方の面（回路の形成されている面）はパイプの外
部に面しており、他の一方の面はパイプの内部に面して
いる。

【００２０】実際に計測を行ったシステムのブロック図
を図２に示す。図２において２２が図１にその概要を示
す流量計測センサー部分である。図２に示すシステムに
おいて、アンプ２１より発熱体１１にパルス状の電圧が
加えられ、発熱体１１はダイヤモンド薄膜１３に対して
パルス状の加熱を行う。このパルス状の加熱は極短時
間、例えば０．１８秒で行われる。このパルス状の加熱
によって、ダイヤモンド薄膜１３は極短時間において加
熱される。

【００２１】発熱体１１によるパルス状の加熱に従うダ
イヤモンド薄膜１３の過渡応答特性は、測温抵抗体１２
によって、ダイヤモンド薄膜１３の温度変化として出力
される。測温抵抗体１２には一定のバイアス電圧が印加
されており、ダイヤモンド薄膜１３の温度変化は、測温
抵抗体を流れる電流値の変化として出力される。

【００２２】測温抵抗体１２からの出力は、Ｉ／Ｖアン
プ２４によって電圧信号に変換され、さらにＡ／Ｄコン
バータ２５において、デジタル信号に変換される。さら
にＡ／Ｄコンバータ２５からの出力は、ＣＰＵ２８にお
いて所定の演算方法によって処理され、Ｄ／Ａコンバー
タ２７より計測値が出力される。

【００２３】図１に示す流量計測装置と、それを利用し
た図２に示すシステムを用いて、窒素ガス流量の計測を
行い、以下の実験事実が得られた。（１）ダイヤモンド薄膜の瞬間的な加熱（パルス状の加
熱）に対する応答特性は、当該ダイヤモンド薄膜に接し
て流れる流体の流量に依存する。そして、この応答特性
を定量的に評価することによって、流量（または流速）
を計測することができる。（２）ただし上記（１）の応答特性は、流体の温度によ
っても変化する。即ち、流体の流量が同じであっても、
流体の温度や環境の温度が異なると、対応する応答特性
も違うものとなる。

【００２４】上記（１）の実験事実に関する写真を図３
に示す。図３は、図２のＩ／Ｖアンプ２４からの出力を
オシロスコープに表示し、その表示を写真撮影したもの
である。図３において縦軸がダイヤモンド薄膜の温度を
表し、横軸が時間を表す。図３に示されているのは、ダ
イヤモンド薄膜が急速に加熱され、加熱後に窒素ガス流
体によって冷却されていく様子である。この様子は、パ
ルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の過渡応答特性
を示すものといえる。なお、加熱の時間は０．１８秒で
あり、ガス温度は一定である。

【００２５】また、図３における２つの曲線は、それぞ
れ異なる流量に対応する応答特性を示すものである。こ
れは、流量の違いによって、パルス状の加熱に対するダ
イヤモンド薄膜の応答特性が異なることを意味するもの
である。この図３に示される波形の大きい方は流量が少
ない場合のものであり、波形の小さい方は流量が多い場
合のものである。この場合、流量が少ないとダイヤモン
ド薄膜から奪われる熱量が少ないので、ダイヤモンド薄
膜はパルス状の加熱に際して、急速に大きく加熱され、
ゆっくりと冷却される。従って、応答波形は大きくな
る。一方、流量が多い場合、ダイヤモンド薄膜から奪わ
れていく熱量が多いので、ダイヤモンド薄膜はあまり高
い温度に加熱されず、しかも加熱終了後に急速に冷却さ
れる。従って、応答波形は小さいものとなる。

【００２６】ＣＰＵ２８における演算は、図３に示され
るような波形の面積を所定の時間内において計算し、予
め求めておいた流量とこの波形の面積との関係に照らし
合わせることによって行われる。具体的には、実施例１
において説明するセンサーの基本的な動作と基本的に同
一である。

【００２７】この方法によって求められた温度一定の窒
素ガス流量（Ｓｌ、リットル／分）とその計測公差との
関係を図４に示す。公差とは、計測データの信頼性を示
すもので、正確な値からの計測値のズレを表すパラメー
タである。また図４に示す流量計測に当たっては、流量
計測装置に接する流体のレイノルズ数が２０００より小
さくなるようにして計測を行った。これは、乱流の影響
による公差の増大を抑えるためである。

【００２８】図４を見れば分かるように、流体の温度が
一定の場合には、２（リットル／分）〜４２（リットル
／分）において、３％（±１．５％）以内の計測がで
き、しかも５０％の公差を許容するならば、０．０５
（リットル／分）（５０ｓｃｃｍ）からの計測が可能で
あり、３桁以上に渡って流量の計測が行えることにな
る。

【００２９】次に、前述の（２）に示した、流体の温度
変化と流体の流量変化とを区別できないことに関する実
験事実を以下に示す。

【００３０】図５のＡに示すのは、図２に示すセンサー
部分２２（図１で示される構成を有する）を恒温室に持
ち込み、流量０の状態で流体（空気）の温度を１０ｄｅ
ｇ〜３５ｄｅｇまで変化させた場合のＤ／Ａコンバータ
２７からの出力である。図５のＡに示される曲線のよう
に、温度（この場合は流体の温度と理解することができ
る）が変化することによって、流量が変化しなくても
（この場合は流量０）図２に示す計測システムからの出
力は変化してしまう。

【００３１】この場合は、流量が一定であることが分か
っているが、流体の温度と流量値とが分からない場合
は、どちらが変化したのかを確定することは原理的にで
きないことになる。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】本明細書で開示する発
明は、図５のＡで示されるような、流体や環境の温度変
化によって、流量計測値が変化してしまうことを防ぎ、
流量（または流速）のみに依存した出力が得られる計測
装置を得ることを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】以下においては、センサ
ー部分に利用される薄膜の材料としてダイヤモンド薄膜
を利用した場合を主に示すが、他の材料としては、単結
晶珪素、多結晶珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒
化ほうそ、窒化アルミ、その他高熱伝導率を有する絶縁
性または半導体性を有する材料（少なくとも単結晶シリ
コン（１４８Ｗｍ−１Ｋ−１）以上の熱伝導率を有する
材料）を利用することができる。勿論、ダイヤモンド薄
膜を用いた場合に最も顕著な効果を得ることができる。

【００３４】本明細書で開示する発明は、流体（または
環境）の温度によって、ダイヤモンド薄膜に供給する熱
量を所定の規則に従って変化させることを特徴とする。
こうすることで、流体の温度変化には依存せず、流量
（質量流量または体積流量）に依存した出力を得ること
ができる。

【００３５】言い換えるならば、温度変化によらずに、
ダイヤモンド薄膜に対するパルス状の加熱に対する応答
を一定なものとするには、所定の規則に従って、パルス
状の加熱に際してダイヤモンド薄膜に供給される熱量を
制御する必要があるということである。

【００３６】以下において、どのようにして発熱体から
ダイヤモンド薄膜に供給される熱量を変化させるのかに
ついて説明する。図６は、一定の温度と流量（この場合
は流量０）に保った流体（この場合は空気）に図２の流
量計測装置２２（流量計測センサー）を接しさせた状態
において、発熱体１１に印加されるパルス状の電圧（相
対値）の値（横軸）とＤ／Ａコンバータ２７からの出力
（相対値）（縦軸）との関係を示したものである。図６
には複数のプロット点が示されているが、それらはそれ
ぞれ異なる温度において測定したものである。なお、こ
の流体の温度は別に設けた温度計測センサー(Ref= で示
される値がその出力である) を用いている。

【００３７】図６の横軸に示す電圧（相対値）は、発熱
体（ヒーター）に加えられる矩形状のパルス電圧の大き
さを示すものである。また、パルスを加える時間は固定
（０．１８秒）してある。従って、発熱体から供給され
る熱量は、加えられる電圧に依存すると見なすことがで
きる。また、図６に示す縦軸は、発熱体からのパルス状
の加熱に従うダイヤモンド薄膜の温度変化を所定の演算
によって処理した値である。この所定の演算によって処
理した値とは、図３に示されるような応答波形の面積の
値（任意値）である。

【００３８】図６を見れば分かるように、発熱体に供給
する電圧と計測システムからの出力との関係は比例する
ものとなっている。また、流体の温度が異なる場合、そ
のプロット点がほぼ平行に位置している様子が見て取れ
る。このプロット点を結んだ複数の直線は、ヒーター電
圧が０の部分で一点に収束するものと考えられる。なぜ
ならば、発熱体が発熱をしなければ、応答もなく出力も
また０であるからである。このことは、図６の縦軸が、
ダイヤモンド薄膜に対するパルス状の加熱に際する応答
特性を定量的に評価した値であることを考えれば明らか
である。

【００３９】一般に流量や流速を計測するシステムとし
ては、流量や流速が変化しなければ、出力もまた変化し
ない特性が必要とされる。

【００４０】ここで、図６において、適当な出力の値、
例えば５５００の値に着目し、この値を得るために必要
とされる発熱体への電圧値を求める。これは、図６に示
すように、縦軸の５５００の値の点を通る横軸に平行な
直線と各プロット点を結んだ直線との交点を求めること
で得ることができる。

【００４１】このようにして求められた発熱体へ供給さ
れる電圧値（縦軸）と温度（横軸）との関係を図７に示
す。図７の横軸に示されるのは、温度計測用の装置（こ
こではREFERENCE と称する）からの出力（A.U 任意値）
であるが、温度に対応するもとして理解することができ
る。

【００４２】図７に示されるグラフは、一定の流量に対
応する一定の出力を得るためには、流体の温度の値（図
７の横軸に対応）に１対１に対応して、発熱体に特定の
電圧でパルス幅の決まったパルス電圧を加えれば良い、
ということを意味する。即ち、流体の流量が一定であっ
て、流体の温度が変化する場合、図７に示される関係に
従って、発熱体に所定の電圧を印加することによって、
常に一定の流量計測値を得ることができるということを
意味する。

【００４３】図７に示すのは、流体の温度とダイヤモン
ド薄膜を加熱する手段である発熱体に供給する電圧との
関係を示したものである。図７の場合には、電圧印加時
間が一定であるから、発熱体からの発熱量は印加電圧に
依存している。従って、図７に示されているのは、流体
の温度と発熱体がダイヤモンド薄膜に供給する熱量との
関係であると見ることもできる。

【００４４】以上のことより以下の知見が得られる。
「薄膜に対するパルス状の加熱に対する薄膜の応答特性
を温度に依らないものとするためには、ある特定の温度
に１対１で対応した熱量を前記パルス加熱の際に与えな
ければならない」また言い換えるならば、「温度に依存
せずに流量計測を行うには、ある特定の温度に１対１で
対応した熱量（薄膜に供給する熱量）が必要とされる」

【００４５】上記知見における１対１の対応関係、さら
には所定の関係は以下のようにして得ることができる。（１）当該薄膜に接する流体の流量を一定とする。（２）流体の温度を所定の温度とし、その温度におい
て、ダイヤモンド薄膜にパルス状の加熱を行い、その際
の応答特性を計測する。この際、パルス状の加熱に従っ
て薄膜に供給される熱量と応答特性との関係を調べてお
く。（３）上記（２）の動作は、流体の温度を変えて各温度
において行う。

【００４６】この結果、例えば図６のグラフで示す関係
が得られる。図６においては、パルス状の加熱に従って
薄膜に供給される熱量のパラメータとして、発熱体に供
給される電圧が用いられ、薄膜の応答特性として、応答
波形の面積を積算した値が用いられている。

【００４７】（４）一定の応答が得られる条件で、温度
とパルス状の加熱に従って薄膜に供給される熱量との関
係を求める。この（４）の動作の具体的な例としては、
図６のグラフにおいて、応答特性が一定を示す直線（縦
軸５５００を通る横軸に平行な直線）を引き、この直線
と各温度におけるヒータ電圧と出力（応答特性を定量的
に評価したもの）との関係を示した直線との交点を求
め、この交点の座標の横軸の値（ヒーター電圧）と流体
の各温度を示す温度計測センサーからの出力の値(Ref=
で示される値) との関係をプロットすることで、図７に
示す関係を得る作業を挙げることができる。

【００４８】図７に示される関係は、一応計測範囲内に
おける任意の流量に対して有効である。ここで、図８〜
図１０に示すシステムにおいて、温度計測センサー８０
２は温度成分を計測し、流量計測センサー８０３は流量
成分と温度成分との両者を含んだものを計測するものと
理解することができる。

【００４９】図７に示される関係は、温度計測センサー
８０２よる温度成分を用いることによって、流量計測セ
ンサーにおいて計測される計測値に温度成分が含まれな
いようにするために利用される。

【００５０】以上においては、流量値を０として図６に
示すデータを得、さらに流量計測センサーからの出力を
図６に示すグラフにおいて、５５００に固定することに
よって、図７に示す関係を得る場合を示した。しかし、
図６に示す関係を得る際に必要とされる一定なものとす
る流量値の値は、計測範囲内において任意に定めること
ができる。また、図７を得る場合に必要とされる流量計
測センサーからの出力（図６の縦軸に対応する）一定の
値も計測範囲内において得られる出力範囲内から任意に
選ぶことができる。

【００５１】ここで、図７に示す関係を０ではない所定
の流量値で求めた場合を考える。この場合、図６の縦軸
の値はもっと小さいものになる。これは、ダイヤモンド
薄膜から奪われる熱量が大きくなるので、ダイヤモンド
薄膜の温度変化が小さくなるからである。即ち、図３に
示すような応答波形が小さくなるからである。

【００５２】ここで、図６に示すグラフにおいて、縦軸
の特定の値の点を５５００から５８００にした場合を考
える。この場合、縦軸の５８００の点を通る横軸に平行
な直線と各直線が交わる点の座標を基に、図７に示すよ
うなグラフが作成される。この場合図７に示されるよう
な直線は、その傾きは殆どかわらず、単に平行移動した
ものが得られる。

【００５３】このように、図７に示されるグラフが平行
移動した場合、同じ温度であっても流量計測センサーの
発熱体から供給される熱量が異なることになるので、流
量計測値の絶対値は異なることになる。しかしながら、
計測値の相対的な関係は保たれる。

【００５４】計測値の絶対値は、較正の段階で基準点を
適当に定めることにより、適時変更できるものであり、
重要な問題ではない。（例えばバイアス電圧の違いによ
っても計測値の絶対値は変化する）

【００５５】流量計測において必要なのは、計測値の相
対的な関係である。換言すれば、流量と計測値との１対
１の関係である。

【００５６】このように考えると、図６に示すような関
係を得る場合に必要とされる一定の流量は、計測範囲内
において任意に選べるものであり、また図７に示す関係
を得るために必要とされる流量計測センサーからの定ま
った出力の値も出力値の範囲内において任意であること
が理解される。

【００５７】〔発明の構成について〕以下において、各請求の範囲に対応した本発明の主要な
構成について説明を加える。

【００５８】本明細書において開示する発明の基本的な
構成は、（１）薄膜にパルス状の加熱を行った際における当該薄
膜の応答特性を当該薄膜の温度変化として検出する。（２）上記パルス状の加熱に際して発熱体から発熱され
る熱量または当該薄膜に供給される熱量を被計測物質お
よび／または環境の温度に対応させて変化させ、このこ
とによりそれらの温度変化に影響されないで、上記加熱
に対しての当該薄膜の応答特性を得る。といった機能を
有する。

【００５９】上記構成において、応答特性は、当該薄膜
が被計測物質から受ける熱的な影響を反映したものであ
る。熱的な影響とは、例えば、当該薄膜に接して流れる
流体の流量に依るものを挙げることができる。この場合
は、上記の応答特性を評価することで、流量を計測する
ことができる。このような流量計測は、流量が異なると
薄膜が受ける熱的な影響もまた異なるということを利用
したものであるといえる。

【００６０】熱的な影響は、流体の種類が違う場合にお
いても異なる。従って、流体の違いも当該薄膜に対する
パルス加熱に際する応答特性から知ることができる。ま
た、被計測物質（流体に限らない）の熱伝導率や比熱の
違いによってもこの当該薄膜に対する熱的な影響は異な
り、やはり当該薄膜に対するパルス加熱に際する応答特
性からその違いを知ることができる。

【００６１】上記（２）に示す機能は、温度変化を受け
ずに薄膜が受ける熱的な影響を計測するためのものであ
る。例えば、薄膜が受ける熱的な影響として、当該薄膜
に接して流れる流体の流量によるものを考えた場合、当
該薄膜が受ける熱的な影響が、流量の変化によるもの
か、流体や環境の温度変化によるものかを区別する必要
がある。具体的には、温度変化に関係無く、流量のみに
関係した出力（応答）を得る必要がある。

【００６２】そこで、本明細書において開示する発明に
おいては、流体および／または計測環境の温度に対応さ
せて、適切な熱量を当該薄膜に供給することにより、こ
の熱量の供給の際に、流体および／または計測環境の温
度に影響を受けない応答を得るものである。

【００６３】本明細書において開示する発明における薄
膜としては、以下に示す条件を満たしていることが望ま
しい。厚さを無視した薄膜の加熱に対する応答時間（時
定数）は、下記〔数５〕で与えられる。

【００６４】

【数５】

【００６５】上記〔数５〕は、流体によって熱量を奪わ
れる薄膜の温度分布が定常状態になるまでの時間を評価
するパラメータ（τ）を与えるものである。上記〔数
５〕は、２次元モデルを基にして導かれたものであり、
薄膜の厚さはパラメータとして入っていない。また、そ
の答えが薄膜の応答時間を直接示すものでもない。しか
し、各種薄膜の加熱に対する相対的な応答時間を評価す
る指標として用いることができる。

【００６６】上記〔数５〕を用いて各種薄膜の材料の加
熱に対する応答時間（τ）を求めた一覧表を〔表１〕に
示す。

【００６７】

【表１】

【００６８】〔表１〕に示す各種材料の物性値は、出来
る限り薄膜のものを用いた。しかし、ｃ−ＢＮ（立方晶
窒化硼素）のように、薄膜の物性値が不明なものは、理
論値またはバルク材料のものを用いてある。またその値
は基本的に室温におけるものを選んである。

【００６９】〔表１〕を見ると、ダイヤモンド薄膜と立
方晶窒化ホウ素の時定数が桁違いに小さいことが分か
る。しかし、実測された多結晶の立方晶窒化ホウ素熱伝
導率は、６００（Ｗ／ｍＫ）（人造ダイヤモンド技術ハ
ンドブック，サイエンスフォーラム）程度であり、この
場合、〔表１〕の時定数は０．５（ミリｓ）程度とな
る。また、気相合成されたダイヤモンド薄膜の熱伝導率
としては、１７００（Ｗ／ｍＫ）（ダイヤモンド薄膜，
産業図書，犬塚著）という大きな値も報告されており、
このようなダイヤモンド薄膜を用いた場合、上記〔表
１〕の時定数はさらに小さなものとなる。

【００７０】本明細書で開示する発明の基本的な構成
は、薄膜の加熱に対する応答特性を計測することにあ
る。従って、薄膜の熱的な応答特性の速さ、換言すれ
ば、薄膜の熱に対する反応の速さが重要な要素となる。
本発明者らの知見によれば、この薄膜の熱に対する反応
の速さは、前記〔数５〕によって評価される。

【００７１】従って、〔表１〕に示す時定数τによっ
て、本明細書で開示する発明に用いられる薄膜を評価す
ることができる。例えば〔式５〕を用いて求められる時
定数が０．２以下であれば、本明細書で開示する流量計
測センサーと同程度またはそれ以上の特性を得ることが
見積もられる。

【００７２】一般的には、〔数５〕で示されるτが１
（ミリｓ）以下の材料であれば、実用上十分な特性を有
する流量計測センサーを得ることができる。具体的に
は、ダイヤモンド薄膜、窒化アルミまたは立方晶窒化硼
素の薄膜（現実には立方晶窒化硼素の薄膜を得ることは
困難である）を利用することが好ましい。しかし、感度
の低下、ダイナミックレンジの低下、消費電力の増大、
計測間隔の増大といった問題を許容するのであれば、τ
が２（ミリｓ）以下の材料を用いることができる。

【００７３】勿論、必要とする特性やコストの問題によ
っては、アルミナや窒化珪素を薄膜の材料として利用で
きることはいうまでもない。また、当該薄膜を加熱する
ための発熱体や当該薄膜の温度を計測するための測温抵
抗体を当該薄膜に接して配置する関係から、当該薄膜
は、半導体または絶縁体であることが望ましい。

【００７４】以上の議論より、パルス状の加熱に対する
薄膜の応答特性より、当該薄膜が周囲から受ける熱的影
響を計測する構成において、当該薄膜は、その寸法を１
ｍｍ角とした場合において、下記〔数５〕で示されるパ
ラメータが１（ミリｓ）以下であることが必要である。
との構成を有することが重要であるとの結論が導かれ
る。

【００７５】

【数５】

【００７６】即ち、薄膜に対し所定の熱量を供給する手
段と、該手段による所定の熱量の供給に従う当該薄膜の
応答特性を計測する手段と、前記応答特性より、当該薄
膜が被計測物質から受ける熱的な影響を計測する手段
と、を有し、前記薄膜は、その熱伝導率ＫＳとし、そ
の比熱をＣＳとし、その密度をρＳとし、その寸法を
Ｌ＝１ｍｍ角とした場合において、〔数５〕で示される
τが、１ミリ秒以下であることを特徴とする。という構
成を具備するのが重要であるとの認識が得られる。

【００７７】またこの構成において、さらに特性の低下
を許容するならば、〔数５〕で示されるτが、２ミリ秒
以下である、という限定を行うことができる。

【００７８】この〔数５〕を用いた薄膜の満足すべき規
定は、本明細書に開示される他の発明の構成に適用でき
ることはいうまでもない。

【００７９】被計測物質としては、第一に流体を挙げる
ことができるが、固体材料であってもよい。例えば、被
計測物質が流体の場合は、流体の流量や流速の計測、流
体の種類の判別を行うことができる。これは、薄膜の加
熱に対する当該薄膜の温度変化の仕方（換言すれば応答
特性）が当該薄膜に接して流れる流体の流量や種類によ
って異なることを利用するものである。また、被計測物
質が固体である場合は、この固体の熱伝導率の違いや比
熱の違い、さらには熱容量の違いによって、薄膜の加熱
に対する当該薄膜の温度変化の仕方が異なるので、この
ことを利用して、固体材料の種類の判別やその大きさや
体積の違いを計測することができる。

【００８０】薄膜を加熱する手段としては、当該薄膜に
直接接して設けられた抵抗発熱体を用いることが一般的
であるが、当該薄膜を間接的に加熱したり、当該薄膜自
体に通電しジュール加熱したり、光やレーザー光さらに
はマイクロ波で加熱することも考えられる。

【００８１】当該薄膜の温度を計測する手段としては、
当該薄膜に接して設けられた測温抵抗体（例えば白金）
を利用することが一般的である。また、当該薄膜として
半導体を用い、その表面にイオン注入等で一導電型を有
する半導体層を形成することで、測温抵抗体としての機
能を有する層を当該薄膜中に形成した構成を利用するこ
ともできる。また、当該薄膜自身を測温抵抗体として利
用することもできる。例えば、気相合成時にＢ（ボロ
ン）を添加してＰ型を付与したダイヤモンド薄膜を当該
薄膜として用いれば、当該薄膜自身を測温抵抗体として
利用することができる。また薄膜が発する熱線を検出す
るような方法（例えばサーモグラフィー）も上記当該薄
膜の温度を計測する手段に含まれる。また測温抵抗体の
代わりに熱起電力素子（ゼーベック素子）を用いてもよ
い。

【００８２】この当該薄膜の温度を計測する手段は、当
該薄膜の温度のみを検出するものであることが重要であ
る。例えば、当該薄膜としてダイヤンモンド薄膜を用
い、このダイヤモンド薄膜をシリコン基板上に配置し、
しかも測温抵抗体をダイヤモンド薄膜とシリコン基板と
の間に設けた構造を考える。この場合、測温抵抗体は、
ダイヤモンド薄膜とシリコン基板の両方の温度を同時に
計測することになる。シリコン基板の熱伝導率は１４８
（Ｗｍ−１Ｋ−１）であり、ダイヤモンド薄膜の熱伝導
率約１０００（Ｗｍ−１Ｋ−１）またはそれ以上と比較
するとその値はかなり小さい。従って、この場合測温抵
抗体が検出するパルス状の加熱に対する応答特性はシリ
コンの影響を受けた鈍いものとなり、良好な特性を得る
ことはできない。

【００８３】また、当該薄膜を加熱する手段として、当
該薄膜に直接接して設けられた抵抗発熱体を用い、当該
薄膜の温度を計測する手段として測温抵抗体を用いた場
合、この発熱体と測温抵抗体とが当該薄膜を介してのみ
熱的に結合していることが必要となる。

【００８４】これは、当該薄膜の応答に関係なく、発熱
体からの熱量を測温抵抗体が検出してしまうと、検出さ
れる応答特性に当該薄膜の応答特性以外の要素が含まれ
てしまうからである。

【００８５】また、当該薄膜は被計測物質である物質以
外の材料とは極力接触させず、熱的に浮かした状態で保
持することが必要である。これもパルス状の加熱に際し
て、当該薄膜以外の応答特性が計測結果に影響すること
を防ぐためである。例えば、当該薄膜の材料としてダイ
ヤモンド薄膜を用い、被計測物質を一定流量の流体とし
た場合、このダイヤモンド薄膜を保持する際の熱的な絶
縁性を高めれば高める程、ダイヤモンド薄膜のパルス状
の加熱に対する応答特性は流体の流量に依存したものと
なることが確かめられている。

【００８６】また、被計測物質および／または環境の温
度というのは、以下の３つの場合を意味する。なお、環
境とは計測環境のことである。（１）被計測物質と環境の温度の両方を問題とする場合（２）被計測物質の温度を問題とする場合（３）環境の温度を問題とする場合

【００８７】一般的には、環境の温度が変化することに
よって、被計測物質の温度も変化するので、（１）の状
態において計測を行うが普通であると考えられる。

【００８８】「被計測物質および／または環境の温度
（以下単に温度という）に対応した熱量を前記加熱手段
に発生させる」という構成は、前述した「温度に依存せ
ずに流量計測を行うには、ある特定の温度に１対１で対
応した熱量（薄膜に供給する熱量）が必要とされる」と
いう、知見に基づくものである。

【００８９】上記構成の実施形態としては、図７に示す
相関関係を用いて、流量計測センサーの発熱体からパル
ス状の加熱を行う場合を挙げることができる。この場合
は、温度に対応した所定の熱量を当該薄膜（図７の場合
はダイヤモンド薄膜）に供給するために、発熱体に加え
る電圧をパラメータとして制御したものと理解すること
ができる。

【００９０】この構成の具体的な例としては、流体や環
境の温度を計測する温度センサー、流体の流量を計測す
るための流量センサーと、温度センサーからの出力と半
導体メモリーに記憶された相関関係とに基づいて、必要
とされる電圧を導き出すＣＰＵと、該ＣＰＵからの出力
に基づいて流量センサーの発熱体に電圧を加えるＡ／Ｄ
コンバータと、を有した構成を挙げることができる。

【００９１】以上のような構成をとることによって、例
えば薄膜に接して流れる流体の流量を計測する場合に、
温度に依存せず、流量に依存した計測値を得ることがで
きる。即ち、パルス状の加熱に対する薄膜の応答特性が
流体や環境の温度に依存しないようにすることで、この
応答特性を流量のみに依存したものとすることができ
る。

【００９２】他の発明の主要な構成は、薄膜を加熱する
手段と、当該薄膜の温度を計測する手段と、流体および
／または環境の温度に対応した熱量を前記加熱する手段
に発生させる手段と、を有することを特徴とする。

【００９３】上記構成を具備した具体的な例を図１０に
示す。図１０には、薄膜の材料であるダイヤモンド薄膜
１０２と、このダイヤモンド薄膜１０２を加熱する手段
である白金薄膜よりなる発熱体８６と、流体および／ま
たは環境の温度に対応した熱量を前記発熱体８６に発生
させる手段であるＣＰＵ８８とＤ／Ａコンバータ８９と
を備えている。ＣＰＵ８８は、流体および／または環境
の温度に対応した熱量を所定の関係に従って算出する機
能を有している。そしてこの算出データに基づいてＤ／
Ａコンバータ８９から発熱体８６に所定の電圧で電圧が
印加され、上記算出データに従った熱量をダイヤモンド
薄膜１０２に供給することになる。

【００９４】流体および／または環境の温度に対応した
熱量を前記加熱する手段に発生させる手段としては、流
体および／または環境の温度に対応した熱量を算出する
ための演算機能（ＣＰＵ８８が有している）と、該演算
結果に基づいて発熱体を駆動する機能（Ｄ／Ａコンバー
タ８９が有している）とが必要とされる。

【００９５】他の発明の主要な構成は、薄膜の温度を計
測する手段と、流体および／または環境の温度に対応し
た熱量を前記薄膜に供給する手段と、を有することを特
徴とする。

【００９６】上記構成を具備した具体的な例を図１０に
示す。図１０に示す構成は、薄膜であるダイヤモンド薄
膜１０２の温度を計測する手段である白金薄膜からなる
測温抵抗体８４と、流体および／または環境の温度に対
応した熱量を前記薄膜に供給する手段である発熱体８６
とを備えている。

【００９７】他の発明の主要な構成は、流体および／ま
たは環境の温度に対応した熱量で薄膜を加熱する手段
と、前記加熱に対する当該薄膜の応答を計測する手段
と、を有することを特徴とする。

【００９８】上記構成を具備した具体的な例を図１０
に示す。図１０に示す構成は、流体および／または環境
の温度に対応した熱量で薄膜を加熱する手段である発熱
体８６と、加熱に対するダイヤモンド薄膜１０２の温度
変化を検出する測温抵抗体８４と、その出力を増幅する
アンプ８７と、該アンプからの出力をＡ／Ｄ変換するＡ
／Ｄコンバータ８０４と、Ａ／Ｄコンバータ８０４から
の出力を受けて各種演算や各構成要素に指令を与える機
能を有するＣＰＵ８８とを有している。

【００９９】加熱に対する当該薄膜の応答特性を計測
する手段は、測温抵抗体８４と、その出力を増幅するア
ンプ８７と、該アンプからの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／
Ｄコンバータ８０４と、Ａ／Ｄコンバータ８０４からの
出力を受けて各種演算や各構成要素に指令を与える機能
を有するＣＰＵ８８とで構成される。応答特性は、ＣＰ
Ｕ８８において、所定の演算処理を行うことによって計
測される。

【０１００】上記構成において、加熱に対する当該薄膜
の応答を計測する手段では、パルス状の加熱前に当該薄
膜の温度に対応するパラメータを積算する動作と、パル
ス状の加熱以後に当該薄膜の温度に対応するパラメータ
を積算する動作と、前記２つの積算値の差を算出する動
作と、が行われる。

【０１０１】当該薄膜の温度に対応するパラメータと
しては、例えば、測温抵抗体の抵抗値、ブリッジからの
出力として現れる測温抵抗体８４からの出力、あるいは
アンプ８７とＡ／Ｄコンバータ８０４を介してＣＰＵ８
８に入力される信号、または当該薄膜の温度を計測する
他の温度計測手段の出力、を挙げることができる。

【０１０２】発熱体８６は、ＣＰＵ８８からの指令によ
り流体および／または環境の温度に対応した熱量を発生
する。ダイヤモンド薄膜１０２の発熱体８６からの加熱
に対する応答特性は、ダイヤモンド薄膜１０２の温度変
化として、測温抵抗体８４によって検出され、その抵抗
変化に起因する電圧変化をＣＰＵ８８において演算処理
することによって評価される。

【０１０３】薄膜のパルス状の加熱に対する応答特性を
計測するには、加熱に対する当該薄膜の応答を計測する
手段において、（１）パルス状の加熱前に当該薄膜の温度に対応するパ
ラメータを積算する動作と、（２）パルス状の加熱以後に当該薄膜の温度に対応する
パラメータを積算する動作と、（３）前記２つの積算値の差を算出する動作と、を行う
ことが重要である。

【０１０４】薄膜の温度は、外部からの加熱を行わなく
ても少しずつ変化している。従って、加熱に対する薄膜
の温度変化（応答特性）のみを正確に評価するには、応
答が始まる直前における計測の基準点を確定する必要が
ある。上記（１）の動作を行うことで、まずこの基準点
を確定することができる。そして、上記（３）の動作を
行うことで、（１）で確定した基準点の絶対値に関係な
く、パルス状の加熱に従う応答のみ、即ちパルス状の加
熱に従って短時間に変化する薄膜の温度変化のみを評価
することができる。

【０１０５】当該薄膜の温度に対応するパラメータとし
ては、当該薄膜に接して設けられた測温抵抗体からの電
圧や、当該薄膜に接して設けられ、当該薄膜の温度を出
力する温度計測機能を有する手段（例えば熱起電力素
子）の出力を挙げることができる。

【０１０６】他の発明の主要な構成は、薄膜に熱量を供
給する加熱手段と、該加熱手段からのパルス状の加熱に
対する当該薄膜の応答を計測する手段と、を有した計測
装置であって、被計測物質および／または環境の温度変
化に従って、前記パルス状の加熱に対する薄膜の応答特
性が変化しないように、前記加熱手段から当該薄膜に供
給される熱量を変化させる手段を有することを特徴とす
る。

【０１０７】上記構成を具備した構成を図１０に示す。
図１０に示す構成は、薄膜であるダイヤモンド薄膜１０
２に熱量を供給する加熱手段である発熱体８６と、該発
熱体８６からのパルス状の加熱に対するダイヤモンド薄
膜１０２の応答を計測する手段である測温抵抗体８４
と、前記応答を定量的に評価するＣＰＵ８８とを備えて
いる。

【０１０８】被計測物質および／または環境の温度変化
に従って、前記パルス状の加熱に対する薄膜の応答特性
が変化しないように、前記加熱手段から当該薄膜に供給
される熱量を変化させる手段は、ＣＰＵ８８とＤ／Ａコ
ンバータ８９とで構成される。即ち、ＣＰＵ８８におい
て、被計測物質および／または環境の温度変化に従っ
て、前記パルス状の加熱に対する薄膜の応答特性が変化
しない熱量に対応したパラメータ（例えば発熱体８６へ
の供給電圧や加熱時間）を算出し、該算出結果に基づい
てＤ／Ａコンバータ８９より発熱８６が駆動され、所定
の熱量を発熱体８６はダイヤモンド薄膜１０２に供給す
ることになる。

【０１０９】他の発明の主要な構成は、温度計測センサ
ーと、流体計測センサーと、演算処理手段と、を有した
流量または流速を計測する計測装置であって、前記流体
計測センサーは、薄膜を加熱する手段と、当該薄膜の温
度を計測する手段と、を有し、前記演算処理手段は、所
定の関係に従って前記温度計測センサーからの出力から
前記流体計測センサーの加熱手段から発せられる熱量を
制御するパラメータを決定する機能を有し、前記所定の
関係は、流量一定かつ流体計測センサーからの出力一定
または概略一定または一定の範囲内の条件における温度
計測センサーからの出力と流体計測センサーの発熱体か
ら供給される熱量を示すパラメータとの関係を示すもの
であることを特徴とする。

【０１１０】上記構成を具備した構成を図１０に示す。
図１０に示す構成は、温度計測センサー８０２と流体計
測センサー８０３（流量計測を行う場合は流量計測セン
サー）、演算処理手段であるＣＰＵ８８を有している。
また、流体計測センサー８０３は、薄膜であるダイヤモ
ンド薄膜１０２を加熱する手段である発熱体８６、ダイ
ヤモンド薄膜の温度を計測する手段である測温抵抗体８
４を備えている。

【０１１１】演算処理手段であるＣＰＵ８８では、図７
で示されるような温度計測センサー８０２からの出力
（図７の横軸）と発熱体８６から発せられる熱量を制御
するパラメータである発熱体への供給電圧（図７の縦
軸）との所定の関係に従って、発熱体８６への供給電圧
（加熱手段から発せられる熱量を制御するパラメータ）
を決定し、該決定に従ってＤ／Ａコンバータ８９より発
熱体８６に対して所定の電圧が供給される。

【０１１２】この図７に示すような所定の関係は、図６
に示す流体計測センサー８０３からの出力一定の条件
（例えば図６に示すように縦軸における５５００の値に
出力を固定した条件）における温度計測センサーからの
出力（図６のＲｅｆで示される）と発熱体８６からダイ
ヤモンド薄膜１０２に供給される熱量を示すパラメータ
である発熱体８６に供給される電圧（図６の横軸）との
関係を示すものである。この出力一定の条件は、許容さ
れる計測精度に鑑み、所定の範囲内のものとすることが
できる。

【０１１３】他の発明の主要な構成は、薄膜に対して所
定の熱量を供給した際における当該薄膜の応答特性か
ら、当該薄膜が被計測物資から受ける熱的な影響を計測
する計測方法であって、被計測パラメータ一定かつ前記
応答特性一定の条件における、被計測物質および／また
は環境の温度を示すパラメータと、前記所定の熱量と、
の関係に基づいて、被計測物質および／または環境の温
度より前記所定の熱量を決定することを特徴とする。

【０１１４】上記構成において、薄膜に対して所定の熱
量を供給した際における当該薄膜の応答特性とは、例え
ばダヤモンド薄膜の表面に形成された発熱体からのパル
ス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の急激な温度変
化、即ちパルス状の加熱に従って、急激にダイヤモンド
薄膜の温度が上昇し、その後冷却されるプロセスを挙げ
ることができる。

【０１１５】当該薄膜が被計測物資から受ける熱的な影
響を計測するというのは、例えばダイヤモンド薄膜がそ
の表面に接して流れる流体（例えば空気の流れ）によっ
て熱を奪われる場合において、その熱奪われ方を計測す
る例を挙げることができる。この場合、この熱の奪われ
方を定量的に評価することで、当該流体の流量を知るこ
とができる。また、ダイヤモンド薄膜がその表面に接す
る気体の種類によって、当該薄膜が当該気体から熱を奪
われる状態を計測する例を挙げることができる。この場
合、気体の種類によって当該薄膜からの熱の奪われ方が
異なるので、この熱的な影響の違いを評価することで、
当該気体の種類を識別することができる。

【０１１６】被計測パラメータ一定かつ前記応答特性一
定の条件というのは、例えば流量を計測する場合であれ
ば流量一定（流量０も含む）という条件である。この一
定の条件は厳密なものとしなくても、必要とされる計測
精度に鑑み一定の範囲内のものとすることができる。

【０１１７】被計測物質および／または環境の温度を示
すパラメータと前記所定の熱量との関係としては、例え
ば、図１０の温度計測センサー８０２からの出力とダイ
ヤモンド薄膜１０２に発熱体８６から供給される所定の
熱量との関係を挙げることができる。例えば図７に示さ
れるのは、図１０の温度計測センサー８０２からの出力
（横軸で示され、被計測物質および／または環境の温度
を示すパラメータ）と流体計測センサー８０３の発熱体
８６に供給する電圧（縦軸で示され、発熱体８６に供給
する熱量に対応するパラメータ）との関係である。

【０１１８】他の発明の主要な構成は、流体および／ま
たは環境の温度に対応した熱量で薄膜を加熱し、流体の
流量または流速に対応した当該薄膜の応答を得ることを
特徴とする。

【０１１９】上記構成は、薄膜に供給する熱量を流体お
よび／または環境の温度に対応させて変化させ、この熱
量の供給に従う薄膜の応答特性を流体および／または環
境の温度に関係しないものとするもの又はその影響を大
きく低減させるものである。例えば、図１０のダイヤモ
ンド薄膜１０２上に形成された発熱体８６に対して、図
７の縦軸に示す温度計測センサーからの出力（流体およ
び／または環境の温度に対応する）に対応した電圧（縦
軸で示される）を供給することにより、流体および／ま
たは環境の温度に依存せず、ダイヤモンド薄膜１０２に
接して流れる流体の流量または流速に対応した応答を得
ることができる。即ち、発熱体８６からの加熱に対する
ダイヤモンド薄膜１０２の温度変化の仕方をダイヤモン
ド薄膜１０２に接して流れる流体の流量または流速に対
応したものとすることができる。

【０１２０】他の発明の主要な構成は、パルス状の加熱
に際する薄膜の応答特性から当該薄膜に接して流れる流
体の流量または流速を算出する計測方法であって、所定
の相関関係に従いパルス状の加熱の熱量を流体の温度お
よび／または環境の温度に対応させて変化させることを
特徴とし、さらに上記構成において、所定の関数関係
は、同一流量かつ同一応答特性の条件における流体の温
度および／または環境の温度に対応するパラメータとパ
ルス状の加熱によって当該薄膜に供給される熱量を制御
するパラメータとの関係を規定したものであることを特
徴とする。

【０１２１】上記構成において、同一流量かつ同一応答
特性の条件というのは、流量一定の条件において、流体
に接する薄膜が示すパルス状の加熱に対する応答特性が
一定であるという条件である。このような状況として
は、図６のグラフで縦軸の５５００の点を通る横軸に平
行な線が意味するところを挙げることができる。図６の
グラフは、流量一定（流量０）の条件で得られたもので
ある。また縦軸の５５００の点を通る横軸に平行な直線
は、流量一定の流体に接しているセンサー（例えば図１
０の８０３に相当する）からの出力が一定の条件を示
す。

【０１２２】他の発明の主要な構成は、その表面に少な
くとも一つの測温抵抗体と少なくとも一つの発熱体とが
配置された第１の薄膜と、その表面に少なくとも一つの
測温抵抗体が配置された第２の薄膜と、を有し、前記第
２の薄膜表面に配置された測温抵抗体の抵抗変化を基
に、前記第１の薄膜の発熱体に供給する電圧を制御する
ことを特徴とする。

【０１２３】上記構成の実施態様例を図１４に示す。図
１４において、流量計測センサー８０３は、ダイヤモン
ド薄膜表面に測温抵抗体８４と発熱体８６とを配置した
構成を有している。また、温度計測センサー８０２は、
ダイヤモンド薄膜表面に測温抵抗体８３と８５（ここで
８５は発熱体としてではなく、測温抵抗体として機能す
る）を配置した構成を有している。ここで、流量計測セ
ンサー８０３を構成するダイヤモンド薄膜が、第１の薄
膜に相当し、温度計測センサー８０２を構成するダイヤ
モンド薄膜が第２の薄膜に相当する。

【０１２４】図１４に示す構成においては、測温抵抗体
８５の抵抗変化をブリッジ２の出力としてアンプ１４４
に送り込み、このアンプ１４４からの出力で発熱体８６
に供給する電圧を制御する構成となっている。測温抵抗
体８５の抵抗変化は、流体および／または計測環境の温
度変化に対応するものである。この構成は、測温抵抗体
８５の抵抗変化に基づいて、発熱体８６から流量計測セ
ンサーを構成するダイヤモンド薄膜に供給される熱量を
変化させるものであるといえる。

【０１２５】上記構成の他の実施態様を図１８に示す。
図１８において、流量計測センサー８０３は、ダイヤモ
ンド薄膜表面に測温抵抗体８４と発熱体８６とを配置し
た構成を有している。また、温度計測センサー１８１
は、ダイヤモンド薄膜表面に測温抵抗体１８２を配置し
た構成を有している。即ち、流量計測センサー８０３を
構成するダイヤモンド薄膜が、第１の薄膜に相当し、温
度計測センサー１８１を構成するダイヤモンド薄膜が第
２の薄膜に相当する。

【０１２６】図１８に示す構成においては、測温抵抗体
１８２の抵抗変化をアンプ１８５で電圧増幅し、このア
ンプ１８５からの出力で発熱体８６に供給する電圧を制
御する構成となっている。測温抵抗体１８２の抵抗変化
は、流体および／または計測環境の温度変化に対応する
ものである。この構成は、測温抵抗体１８２の抵抗変化
に基づいて、発熱体８６から流量計測センサー８０３を
構成するダイヤモンド薄膜に供給される熱量を変化させ
るものであるといえる。

【０１２７】

【作用】薄膜が被計測物から受ける熱的な影響を評価す
る場合において、被計測物質および／または環境の温度
に対応した熱量を前記加熱する手段に発生させることに
よって、被計測物質および／または環境の温度に依存し
ないで、被計測物質から受ける熱的な影響を評価するこ
とができる。

【０１２８】例えばダイヤモンド薄膜に接して流れる流
体の流量を計測する場合において、図７で示されるよう
に流体の温度に対応させて発熱体へ供給する電圧を変化
させることで、この発熱体による加熱に従うダイヤモン
ド薄膜の応答特性を流体の温度に依らない流体の流量に
依存したものとすることができる。そして、流体の温度
に左右されずに流体の流量を計測することができる。

【０１２９】

【実施例】〔実施例１〕本実施例では、図１に示す流体計測装置の作製方法につ
いて説明する。図１に示す流体計測装置は、寸法が４ｍ
ｍ×４ｍｍで厚さが１５μｍの多結晶ダイヤモンド薄膜
１３の表面上に白金(Pt)の薄膜よりなる発熱体１１と測
温抵抗体として機能する抵抗体１２、さらにはそれらの
電極１０、１５が設けられている。以下に図１に示す流
体計測装置の作製工程について説明する。まず、直径４
インチの珪素基板を用意する。そして、この珪素基板の
被形成面表面にダイヤモンドパウダーによる傷つけ処理
を行う。このダイヤモンド薄膜上に有磁場マイクロ波Ｃ
ＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を５μｍの厚さに気相合
成する。この有磁場マイクロ波ＣＶＤ法は、強力な磁場
と２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いて、高密度プラズ
マを形成し、気相合成を行うものである。

【０１３０】成膜条件を以下に示す。基板温度８００度反応圧力０．２５Ｔｏｒｒマイクロ波電力４ＫＷ反応ガスＣＨ３ＯＨ：Ｈ２＝１：４成膜時間１０時間膜厚１５μｍ珪素基板は８７５ガウスの磁場強度の位置に配置し、成
膜を行った。上記成膜条件で得られたダイヤモンド薄膜
は、多結晶ダイヤモンド薄膜であり、基板から垂直方向
に柱上に結晶成長した構造を有していた。ここで得られ
たダイヤモンド薄膜の熱伝導率は、その結晶性の分析か
ら約１０００（Ｗ／ｍＫ）であると見積もられる。

【０１３１】成膜方法は、上記方法に限定されるもので
はなく、他の気相合成法を用いてもよい。また天然ダイ
ヤモンドや高圧合成したダイヤモンドを用いてもよい。
またダイヤモンド薄膜中に不純物をドーピングし、熱特
性や電気特性を制御してもよい。また結晶構造も多結晶
に限定されるものではなく、単結晶ダイヤモンド薄膜を
用いてもよい。

【０１３２】ダイヤモンド薄膜としては、不純物の含有
量の少ない出来うるかぎり高い熱伝導率を有するものが
好ましい。またダイヤモンド薄膜の厚さは、生産性を考
慮するならば、機械的強度の許す限り薄い方がよい。

【０１３３】上記珪素基板上に成膜されたダイヤモンド
薄膜は、珪素基板より剥離することで、ダイヤモンド薄
膜単体として得ることができる。この工程は、機械的に
剥離させるか、フッ酸等によって珪素基板を溶かすこと
によって容易に行われる。

【０１３４】このようにして得られたダイヤモンド薄膜
を４ｍｍ角に裁断する。そして、スパッタリングによっ
て、このダイヤモンド薄膜上に白金の薄膜を８００〜１
０００・の厚さに成膜する。スパッタリングは、白金タ
ーゲットを用い、スパッタリングガスである空気を１Ｋ
ｅＶ程度に加速して行う。こうしてダイヤモンド薄膜上
に形成された白金薄膜のシート抵抗は、１００Ω／□程
度である。

【０１３５】そして、パターニングを行うことによっ
て、図１に示すように、ダイヤモンド薄膜１３上に発熱
体１１と測温抵抗体１２とを形成する。具体的には、発
熱体１１の抵抗が１００Ω程度、測温抵抗体１２の抵抗
が１ＫΩ程度となるようにその面積を調節し、発熱体１
１と測温抵抗体１２とを作り分ける。この作り分けは、
発熱体１１と測温抵抗体１２との膜厚を変えることによ
って行ってもよい。そしてテフロンの基体１８にダイヤ
モンド薄膜を保持させ、さらに電極１０、１５を形成
し、１０μｍφの金ワイヤ１７によってボンディングを
行う。こうして、図１に示すような流体計測装置を完成
する。

【０１３６】なお、測温抵抗体１２は、温度に敏感に反
応してその抵抗が変化する機能を有するので、サーミス
タ機能を有する層ということもできる。

【０１３７】また、測温抵抗体の数や発熱体の数、さら
にはその配置方法を変更する場合でも、上記の作製工程
を基本とすればよい。また、ダイヤモンド薄膜の大きさ
をさらに小さくしてもよい。この場合、消費電力の低減
や感度の向上を期待することができる。

【０１３８】この図１に示す白金薄膜からなる測温抵抗
体１２のサーミスタパラメータは約２００ｐｐｍであっ
た。これは１度の温度変化に対して、０．０２％の抵抗
変化に相当する。一般に、白金を用いた測温抵抗体のサ
ーミスタパラメータは１００〜３０００ｐｐｍのものが
得られるので、作製条件の適正化を行えば、さらに高感
度の測温抵抗体を得ることができる。

【０１３９】図１に示す構成においては、ダイヤモンド
薄膜１３の持つ熱容量に比較して、白金の薄膜よりなる
測温抵抗体１２の熱容量が数百分の１以下となってい
る。従って、ダイヤモンド薄膜の熱容量に比較すれば、
測温抵抗体の熱容量はほとんど無視することができ、ダ
イヤモンド薄膜の温度変化を測温抵抗体１２は極めて高
速に、しかも高感度に検出することができる。測温抵抗
体の熱容量がダイヤモンド薄膜の熱容量に比較して無視
できない場合は、測温抵抗体自身の温度変化が影響し
て、ダイヤモンド薄膜の温度変化を正確に検出できなく
なってしまう。具体的には、測温抵抗体の熱容量に比較
して、ダイヤモンド薄膜の熱容量が１００倍以上あるこ
とが必要である。

【０１４０】図１に示す流体計測装置は、（１）流体の検出（例えば、流れているかどうかの識
別）（２）流体の流量（流速）の計測（３）流体の種類の判別（４）流体中の含有物の有無や濃度の計測（例えば湿度
の計測）（５）複数の流体からなる流体の混合比の計測等々に用いることができる。

【０１４１】上記（３）〜（５）の使用法は、流体の熱
伝導率または比熱、またはその両方の違いによって、ダ
イヤモンド薄膜から奪われていく熱量の奪われ方が異な
ることを利用したものである。

【０１４２】また、上記（３）〜（５）の使用は、流体
の流れを一定にして動作させる必要がある。例えば、流
量０の状態で動作させる必要がある。

【０１４３】図１に示す流量計測装置は、図１の１９で
示すように、その裏面側（回路の形成されていない面
側）を流体が流れる構成とすることができる。この場
合、回路は形成された面側を流体に曝さないようにする
ことで、回路が流体によって腐蝕され、その特性が変化
してしまうことを防ぐことができる。また、回路が形成
された面側、あるいは両面が流体に触れる構成とするこ
ともできる。

【０１４４】〔実施例２〕本発明を具体化した実施例の構成を図８〜図１０に示
す。図８はブロック図を示し、図９はパイプ９１へのセ
ンサー８０３、８０３の配置の状態を示し、図１０は、
配線の様子を示す。これらの図面は同一のものを異なる
角度（見地）から示したものである。図８〜図１０にお
いて、８０２と８０３とが、図１に示すような構成を有
している。本実施例においては、それぞれのセンサー８
０２と８０３とは同一の構造と大きさ、そして同一の特
性を有している。

【０１４５】図８〜図１０において、８０２は、流体の
温度を計測するためのセンサー素子で、温度計測センサ
ーとして機能する。図１に示すような構成を流量計測セ
ンサーとしても、また温度計測センサーとしても利用で
きるのは以下の理由による。

【０１４６】図６において、ヒーター電圧（発熱体に供
給する電圧）を一定とした場合を考える。図６に示され
ているのは、流量を一定（図６の場合は流量０）として
流体の温度のみを変化させた場合におけるヒーターの電
圧とセンサーの出力との関係を示したものである。ここ
でヒーター電圧を一定とすると、流体の各温度に対応し
て、出力が得られることが分かる。即ち、流体の流量を
一定に保ち、発熱体に供給する電圧を一定とすれば、流
体の温度に対応した出力が得られることになる。この出
力は、図６に示すグラフにおいて、縦軸に平行な直線を
引き、この直線とプロット点とを結んだ各直線との交点
の縦軸に対応する値で与えられる。

【０１４７】図８〜図１０の８０２で示されるセンサー
は、流量を検出しないように配置することで、温度セン
サーとして機能するように工夫されている。一方、８０
３で示されるセンサーは、流量計測センサーとして機能
する。この流量計測センサー８０３は流体の流れに直接
接するように配置されている。８５が温度計測センサー
（REFERENCE センサーという）の発熱体であり。８６が
流量計測センサー８０３の発熱体である。また、８３が
温度計測センサー８０２の測温抵抗体であり、８４が流
量計測センサー８０３の測温抵抗体である。

【０１４８】この二つのセンサー８０２と８０３とは、
抵抗８１、８２とでブリッジ回路を構成している。な
お、実際の構成においては、図１０に示すように一方の
抵抗に並列に可変抵抗を接続し、オフセット調整を行
う。

【０１４９】このブリッジ回路からの出力は、アンプ８
７を介してＡ／Ｄコンバータ８０４に入力される。Ａ／
Ｄコンバータからの出力は、ＣＰＵ８８に入力され、こ
こで所定の演算が行われる。本実施例で用いたＣＰＵ
は、１チップ内にメモリーも備えたものであり、このメ
モリーの中に図７で示される関係に基づいた測温抵抗体
８３からの出力から発熱体８６に供給する電圧を決定す
る手順が記憶されている。本実施例においては、このＣ
ＰＵ８８が演算処理を行う手段となる。

【０１５０】そして、Ｄ／Ａコンバータ８０１からの出
力が、流量を示すアウトプットとなる。他方Ｄ／Ａコン
バータ８９は、温度計測用センサー８０２の発熱体８５
と流量計測用センサー８０３の発熱体８６とに所定のタ
イミングでパルス電圧を加える機能を有している。

【０１５１】図９、図１０は、温度計測センサー８０
２と流量計測センサー８０３とが実際に配置されている
状態を示したものである。図９、図１０において、９１
は流体９０が流れるパイプである。パイプ９１は適当な
材料（例えばプラスチックや金属）によって構成され
る。パイプ９１の一部はくり抜かれており、その部分に
テフロン（登録商標）の基体９２がはめ込まれている。
基体９２はテフロン（登録商標）やエポキシ樹脂等のダ
イヤモンドに比較して熱的に絶縁物と見なせる材料で構
成されていることが重要である。

【０１５２】図９に示されるように、この基体９２の一
部もくり抜かれており、この部分にダイヤモンド薄膜表
面に白金よりなる発熱体と測温抵抗体とを有した流量計
測用のセンサー８０３が組み込まれている。このような
構成を採ることによって、ダイヤモンド薄膜を熱的に絶
縁させて保持させることができ、計測精度を高めること
ができる。なお図９においては、温度計測センサー８０
２と流量計測センサー８０３の細目は示されていない
が、図１０に示すように実際には、ダイヤモンド薄膜１
０１上や１０２上に発熱体８５、８６、測温抵抗体８
３、８４が形成されている。（図１参照）

【０１５３】また、Ｏリング９７を介してプラスチック
製の平板９６が配置され、空間９８を外部から遮断して
いる。一方、基体９２にはスリットまたは開孔９５が形
成されており、流体９０の一部が、平板９６とＯリング
とによって形成される空間に流入するように構成されて
いる。９８で示される空間は、外部と通じていてもよい
が、流体の圧力が高い場合は、流体がその部分から外部
に漏れることになるので、パイプ９１の内部のみと通じ
ていることが望ましい。

【０１５４】また、図１０には示されていないが、温度
計測センサー８０２もテフロンやエポキシ樹脂等の熱的
な絶縁物より成る基体９４によって熱的に浮かして保持
されている。図９に示すような構成を採用した場合、温
度センサー８０２に接する流体は、ほとんど流速０の状
態、あるいは一定と見なしてよい流速となる。従って、
温度計測センサーのからの出力は、ほぼ流体の温度に依
存するものと見なすことができる。

【０１５５】また、流体９０の流れる向きは、図と反対
の方向であっても計測値に何ら影響を与えるものでない
ことが判明している。

【０１５６】以上の構成を備えた具体的な流量計測装置
の外見を図１３に示す。図１３に示す流量計測装置は、
長手方向の長さが１７ｃｍ、幅が１４ｃｍ、高さが７ｃ
ｍ程の立方体であり、内部に流体の流れる内径１ｃｍの
プラスチックのパイプ９１、Ａ／ＤコンバータやＣＰ
Ｕ、さらにはＤ／Ａコンバータ等の回路が配置された基
板１３３、計測値を表示する液晶ディスプレイ１３５、
流体が流れるパイプを接続するためのコネクタ１３６と
１３７、電池１３８、図９に示される構成を有する１３
１で示される部分を備えている。また、図示されていな
いが、計測データを外部に出力する端子、外部電源端子
を備えている。

【０１５７】〔基本的なセンサーの動作方法について〕まず、図１１を用いて基本的な動作方法を説明する。な
お図１１に示されているのは、図８に示すシステムにお
けるアンプ８７からの出力ｆの変化である。図８には、
温度計測センサー８０２の測温抵抗体８３からの出力を
アンプ８７でＩ／Ｖ変換し増幅した信号の波形１１１
と、流量計測センサー８０３の測温抵抗体８４からの出
力をアンプ８７でＩ／Ｖ変換し増幅した信号の波形１１
２とが示されている。

【０１５８】以下に示す動作方法は、それぞれのセンサ
ーにおいて共通なものである。また〔発明に至る過程〕
の項で説明した流量計測センサー（図２にその構成を示
し、図３にその動作状態を、図４にその性能を示す）の
動作方法も以下に説明する手順に従って動作する。以下
においては温度計測センサー８０２を用いてこの基本的
な動作方法について説明する。

【０１５９】（第１の動作）ｔ０Ｒからｔ０Ｒ＋Δｔ
０Ｒにおいて、Ａ／Ｄコンバータ８０４からの出力をＣ
ＰＵ８８において積算する。この計算は以下の計算式で
実行される。またこの積算値をＳ０Ｒとする。この動作
は、パルス状の加熱前に当該薄膜の温度に対応するパラ
メータ（この場合はアンプ８７の出力ｆ）を積算する動
作に相当する。

【０１６０】

【数１】

【０１６１】この第１の動作によって、温度センサー８
０２で温度計測を行うに当たっての基準点を確定するこ
とができる。この動作は、ドリフトの無い正確な評価を
得るために極めて重要なものである。

【０１６２】（第２の動作）発熱体８５に一定電圧ＶＲでΔｔ１Ｒの時間通電し、
温度計測センサー８０２を構成するダイヤモンド薄膜１
０１に対してパルス状の加熱を行う。

【０１６３】第１の動作によって加熱されたダイヤモン
ド薄膜１０１の温度変化は、測温抵抗体８３の抵抗値の
変化として出力される。例えば、アンプ８７の出力ｆを
オシロスコープで観察すると、図１１の１０１のような
波形が観察される。これは、ダイヤモンド薄膜１０１が
パルス状の加熱によって、急激に加熱され、そして冷却
されていく様子を示している。なお、計算によれば、ダ
イヤモンド薄膜１０１の上昇温度は２０Ｋ程度である。

【０１６４】（第３の動作）ここで、出力ｆをｔ２Ｒからｔ２Ｒ＋Δｔ２Ｒにおい
て、積算する。この積算は以下に示す計算式によってＣ
ＰＵ８８において実行される。またその積算値をＳ２Ｒ
とする。なお、ｔ１Ｒ＜ｔ２Ｒとする。これは、ｔ１Ｒ
＝ｔ２Ｒとすると、出力にノイズが現れるからである。
この動作は、パルス状の加熱以後に当該薄膜の温度に対
応するパラメータ（この場合はアンプ８７の出力ｆ）を
積算する動作に相当する。

【０１６５】

【数２】

【０１６６】（第４の動作）ＣＰＵ８８において、Ｓ０ＲとＳ２Ｒとの差を演算す
る。この演算は、図１１の斜線１０３で示される面積を
求めることと等価である。この演算によって、ドリフト
成分に左右されないダイヤモンド薄膜の応答特性のみを
求めることができる。

【０１６７】具体的には、上記第４の演算は、（Ｓ０Ｒ
／Δｔ０Ｒ）−（Ｓ２Ｒ／Δｔ２Ｒ）、またを（Δｔ２
Ｒ／Δｔ０Ｒ）Ｓ０Ｒ−Ｓ２Ｒ、またはＳ０Ｒ−（Δｔ
０Ｒ／Δｔ２Ｒ）Ｓ２Ｒ、で行われる。勿論必要なの
は、Ｓ０ＲとＳ２Ｒとの差の絶対値であるから、差引す
る順序は上記記載と逆でもよい。

【０１６８】上記第４の動作によって求められる図１１
の１０３で示される波形の斜線部分の面積は、ダイヤモ
ンド薄膜１０１が受ける熱的な影響を反映するものであ
り、例えばダイヤモンド薄膜１０１が接している流体の
温度やその流量に依存して変化する。

【０１６９】上記のようにＳ０ＲとＳ２Ｒとの差を求め
ることで、ダイヤモンド薄膜の応答特性を評価する方法
は重要である。このような動作を行うことで、出力にド
リフト成分が現れず、経時変化の無い正確な計測を行う
ことができる。

【０１７０】上記（第４の動作）は、パルス状の加熱前
に当該薄膜（１０１で示されるダイヤモンド薄膜）の温
度に対応するパラメータの積算値（即ち測温抵抗体８３
からの出力の積算値）と、パルス状の加熱以後に当該薄
膜の温度に対応するパラメータの積算値との差を算出す
る動作に当たる。

【０１７１】〔予め行うセンサーの較正について〕センサーを動作させる前に予め特定の流量において計測
を行い、図７に示す関係を求めておく必要がある。この
動作は以下のようにして行なわれる。この動作は、本実
施例の流量計測センサーを予め校正しておく作業に当た
る。なお、この作業は少なくとも図８〜図１０の構成を
組んだ後に行う必要がある。

【０１７２】（１）センサーを実際に計測を行う流体が
満たされ、当該流体の温度を精密に変化させることので
きる雰囲気に配置する。例えば、窒素ガス流量を計測す
るのであれば、窒素ガスが満たされた恒温室にセンサー
を配置する。この状態で流量は０（一定の流量）であ
る。

【０１７３】（２）この状態において、前述の基本動作
の説明において説明した方法により、温度計測センサー
８０２を動作させる。この時の出力をＲ（Ｔ）とする。
このＲ（Ｔ）は、図１１の波形１０１の面積１０３に対
応する。本実施例においては発熱体８５に加える電圧を
ＶＲ＝３．２Ｖとし、Δｔ１Ｒ＝０．１８秒とする。

【０１７４】（３）上記（２）の動作で得られる出力Ｒ
（Ｔ）が一定の条件において、流量値を何通りか変化さ
せて流量計測センサー８０３を動作させる。即ち、流体
の温度一定の条件において、流量計測センサー８０３を
動作させ、所定の複数の流量を計測する。この流量計測
センサー８０３の動作方法も前述した動作方法に従う。

【０１７５】この動作の結果、発熱体８６に供給される
電圧（図６の横軸）と流量計測センサー８０３からの出
力（図６の縦軸）との関係が得られる。即ち、図６に示
すような１つの直線に乗るプロット点が得られる。な
お、図６に示すようなデータを得るために必要とされる
発熱体８６に供給される電圧の幅は３．２±０．２５Ｖ
程度である。

【０１７６】（４）上記（３）の動作を雰囲気の温度
（流体の温度）を変えて複数回行う。例えば、図６に示
す場合は、−２０℃、０℃、２０℃、２５℃、４０℃、
６０℃と温度を設定して上記（３）の動作を行った例で
ある。なお、流量の計測は、必要とする計測範囲内にお
いて、なるべく多くの流量値を設定することが望まし
い。

【０１７７】（５）図６に示すような関係を得たら、流
体の温度（温度計測センサー８０２の出力）に関係無
く、流量計測センサーからの出力が所定の値となるため
に必要とされる発熱体８６に供給する電圧を求める。こ
の作業は、図６に示すように所定の値（例えば縦軸５５
００）の点を通る横軸に平行な直線を引き、各直線との
交点を求めることで行うことができる。なお、上記所定
の値は任意に定めることができる。こうして、図７の横
軸に示すような温度計測センサー８０２の出力(REFEREN
CE) で表記される）と、縦軸で示される流量計測センサ
ー８０３の発熱体８６に供給する電圧との関係を得るこ
とができる。

【０１７８】この動作は、被計測パラメータ一定かつ応
答特性一定の条件における、被計測物質および／または
環境の温度を示すパラメータと、流量計測センサーの薄
膜に供給する所定の熱量と、の関係を求める作業である
といえる。

【０１７９】即ち、被計測パラメータが流量に対応し、
応答特性が流量計測センサーからの出力に対応し、被計
測物質および／または環境の温度を示すパラメータが温
度計測センサーからの出力に対応する。そして、流量計
測センサーの薄膜に供給する所定の熱量は、発熱体８６
に供給する電圧によって決定される。

【０１８０】（６）上記の動作で得られた温度計測セン
サー８０２の出力（流体の温度に対応する）と発熱体８
６に供給する電圧との関係をＣＰＵ８８内のメモリーに
記憶させる。または、この所定の関係に基づいた演算方
法をＣＰＵ８８にプログラムする。

【０１８１】以上の動作で予め行う較正が終了する。そ
して、上記の較正によって得られた所定の関係に基づい
て、ＣＰＵ８８は、温度計測センサー８０２からの出力
に対応した電圧値を演算し、この結果に基づいてＤ／Ａ
コンバータ８９が流量計測センサー８０３の発熱体８６
に所定の電圧を供給し、流量計測が行なわれる。

【０１８２】なお、上記の校正は、任意の流量で行って
よい。これは、図７に示す関係においてその直線の傾き
が重要であるからである。即ち、温度計測センサーから
の出力と流量計測センサーの発熱体に供給する電圧との
相対的な関係が重要であるからである。

【０１８３】また、Ｄ／Ａコンバータ８０１からの出力
と被計測流体の流量との関係も予め求めておく必要があ
る。この関係は、図８には示されていないが、別に設け
られたメモリーに記憶させておけばよい。

【０１８４】〔流量計測時の動作について〕以下において、実際に流量計測を行う場合における具体
的な動作方法について説明する。流量計測に当たって
は、前もって前述の較正作業が終了していることが前提
である。

【０１８５】基本的には、まず温度計測センサー８０２
を動作させて流体の温度に対応した計測値を得、この値
に基づいてＣＰＵ８８において演算が行なわれる。そし
てこの演算によって、流量計測センサー８０３の発熱体
８６に供給する電圧が決定され、流量計測が行なわれ
る。この一連の動作によって、アンプ８７からの出力は
図１１に示すような状態で変化する。このことは、図１
２に示すオシロスコープの写真からも確認される。図１
２に示すオシロスコープの写真は、アンプ８７の出力を
モニターしたものである。

【０１８６】（第１の動作）ｔ０Ｒからｔ０Ｒ＋Δｔ
０Ｒにおいて、Ａ／Ｄコンバータ８０４からの出力をＣ
ＰＵ８８において積算する。この計算は以下の計算式で
実行される。またこの積算値をＳ０Ｒとする。

【０１８７】

【数１】

【０１８８】この第１の動作によって、温度計測センサ
ー８０２で温度計測を行うに当たっての基準点を確定す
ることができる。この動作は、ドリフトの無い正確な評
価を得るために極めて重要なものである。

【０１８９】（第２の動作）発熱体８５に一定電圧ＶＲ（３．２Ｖ）でΔｔ１Ｒ
（０．１８秒）の時間通電し、温度計測センサー８０２
を構成するダイヤモンド薄膜１０１に対してパルス状の
加熱を行う。

【０１９０】第１の動作によって加熱されたダイヤモン
ド薄膜の温度変化は、測温抵抗体８３の抵抗値の変化と
して出力される。例えば、アンプ８７の出力ｆをオシロ
スコープで観察すると、図１１の１１１のような波形が
観察される。これは、ダイヤモンド薄膜がパルス状の加
熱によって、急激に加熱され、そして冷却されていく様
子を示している。なお、計算によれば、ダイヤモンド薄
膜１０１の上昇温度は２０Ｋ程度である。

【０１９１】（第３の動作）ここで、測温抵抗体からの出力をｔ２Ｒからｔ２Ｒ＋Δ
ｔ２Ｒにおいて、積算する。この積算は以下に示す計算
式によってＣＰＵ８８において実行される。またその積
算値をＳ２Ｒとする。なお、ｔ１Ｒ＜ｔ２Ｒとする。こ
れは、ｔ１Ｒ＝ｔ２Ｒとすると、出力にノイズが現れる
からである。

【０１９２】

【数２】

【０１９３】（第４の動作）ＣＰＵ８８において、Ｓ０ＲとＳ２Ｒとの差を演算す
る。この演算は、図１１の斜線１０３で示される面積を
求めることと等価である。この演算によって、ドリフト
成分に左右されないダイヤモンド薄膜１０１の応答特性
のみを求めることができる。

【０１９４】具体的には、上記第４の演算は、（Ｓ０Ｒ
／Δｔ０Ｒ）−（Ｓ２Ｒ／Δｔ２Ｒ）、またを（Δｔ２
Ｒ／Δｔ０Ｒ）Ｓ０Ｒ−Ｓ２Ｒ、またはＳ０Ｒ−（Δｔ
０Ｒ／Δｔ２Ｒ）Ｓ２Ｒ、で行われる。勿論必要なの
は、Ｓ０ＲとＳ２Ｒとの差の絶対値であるから、差引す
る順序は上記記載と逆でもよい。

【０１９５】このようにして、温度計測センサー８０２
からは、流量に依存しないで流体の温度のみに依存した
出力が得られる。

【０１９６】（第５の動作）上記第４の動作によって求めた流体の温度に関する出力
値に基づいてＣＰＵ８８において所定の演算を行い、発
熱体８６に供給すべき電圧を決定する。この演算は、予
め較正の段階で求めた図７に示すような関係に基づき、
ＣＰＵ内にプログラムされた演算方法に基づいて行なわ
れる。本実施例においては、この発熱体８６に供給され
る電圧は３．２±０．２５Ｖ程度である。

【０１９７】以上の一連の動作は、４秒間で行なわれ
る。そして、次に以上の動作を踏まえて流量計測センサ
ーを動作させる。

【０１９８】（第６の動作）流量センサー８０３において、測温抵抗体８４からの出
力をｔ０ｓからｔ０ｓ＋Δｔ０ｓの間において積算す
る。この演算は、ＣＰＵ８８において下記の計算を行う
ことによって実行される。

【０１９９】

【数３】

【０２００】この数３の計算結果をＳ０２とする。この
第６の動作も、流量計測センサー８０３における計測動
作の基準点を確定するために行われる。

【０２０１】（第７の動作）流量計測センサー８０３の発熱体８６に、前記第５の動
作によって求めた電圧値でＤ／Ａコンバータ８９から電
圧をｔ１ｓからｔ１ｓ＋Δｔ１ｓの間供給し、発熱体
を、Δｔ１ｓの時間パルス加熱する。

【０２０２】この第７の動作に従ってダイヤモンド薄膜
の温度変化が生じ、それは測温抵抗体８４の出力変化と
して計測される。この際、測温抵抗体８４の出力をオシ
ロスコープによってモニターすると、図１１の１１２で
示されるような波形が観察される。この波形は、発熱体
８４からのパルス状の加熱に対する流量計測センサーを
構成するダイヤモンド薄膜１０２の応答特性を示すもの
である。

【０２０３】（第８の動作）ｔ２ｓからｔ２ｓ＋Δｔ２ｓの間において、Ｄ／Ａコン
バータ８７の出力を下記の数４に従ってＣＰＵ８８で計
算する。また、この数４の計算結果をＳ２Ｓとする。な
お、本実施例においては、Δｔ２Ｒ＝Δｔ２Ｓとし、そ
の計測のタイミングも同じものとしたが、これらは同一
なものでなくてもよい。

【０２０４】

【数４】

【０２０５】上記数４において、ｔ１ｓ＜ｔ２ｓとす
る。これは、ｔ１ｓ＝ｔ２ｓとすると、測温抵抗体８４
からの出力にノイズが含まれ、計測精度が低下するから
である。

【０２０６】（第９の動作）Ｓ０ＳとＳ２Ｓとの差を計算する。具体的には、（Ｓ０
Ｓ／Δｔ０Ｓ）−（Ｓ２Ｓ／Δｔ２Ｓ）、またを（Δｔ
２Ｓ／Δｔ０Ｓ）Ｓ０Ｓ−Ｓ２Ｓ、またはＳ０Ｓ−（Δ
ｔ０Ｓ／Δｔ２Ｓ）Ｓ２Ｓ、で行われる。勿論必要なの
は、Ｓ０ＳとＳ２Ｓとの差の絶対値であるから、差引す
る順序は上記記載と逆でもよい。

【０２０７】この第９の動作によって、図１１の１０４
で示される斜線部分の面積が求められる。この斜線部分
１０４の面積は、流体の温度や環境の温度に寄らないも
のであり、流体の流量または流速を正確に反映したもの
である。この第９の動作は、第４の動作に対応するもの
であるが、１０３で示される斜線部分の面積が流体の温
度や環境の温度に対応するものであるのに対し、１０４
で示される斜線部分の面積が温度には依存せず、流体の
流量や流速に対応するものである点において、その意味
するところが異なる。

【０２０８】（第１０の動作）ＣＰＵ８８において、上記第９の動作結果から流量また
は流速を算出し、Ｄ／Ａコンバータ８０１より流量また
は流速に対応した値を出力する。

【０２０９】これら第６の動作〜第１０の動作も４秒間
で行なわれる。従って、本実施例においては、１回の流
量計測に必要とされる時間は８秒ということになる。言
い換えれば、８秒間に１回の割合で流量計測が行なわれ
ることになる。なお、この動作時間はさらに短くするこ
とも可能である。具体的には、２秒以下にすることも可
能である。ただしこの場合は、パルス加熱の時間（Δｔ
１Ｒ及びΔｔ１Ｓ）を１００ｍｓ以下とする必要があ
る。

【０２１０】以上のような動作方法によって窒素流体の
計測を行った場合のデータを図５（Ｂ）に示す。図５
（Ｂ）に示されるのは、空気で満たされた恒温室内に図
８〜図１０に示す構成を有するセンサーを配置し、温度
を１０deg 〜40deg まで変化させた場合のＤ／Ａコンバ
ータ８０１からの出力の経時変化を示すものである。

【０２１１】この場合は、流量は０で一定と考えられ、
また温度は流体の温度と理解することができる。従っ
て、図５（Ｂ）に示されるデータは、流体の温度変化に
よらず、流量値を反映した出力が得られていることを示
していると理解される。

【０２１２】図５（Ｂ）によると、温度変化に従うドリ
フトは、約５０ｍＶ弱であるが、これは約３０ｓｃｃｍ
の流量に対応する。従って、本実施例で示したセンサー
の分解能は、３０ｓｃｃｍ程度であるといえる。本実施
例の流量計測センサーの特性は、図４と全く同一であ
る。ただし、温度の変化による上記ドリフトの影響で１
ｓｌｍ（リットル／分）以下においては、多少計測精度
が低下する。

【０２１３】実際に流量を計測する場合には、Ｄ／Ａコ
ンバータ８０１からの出力を予め求めておいた流量値と
Ｄ／Ａコンバータ８０１からの出力との関係に照らし合
わせることによって、具体的な流量値を得ることができ
る。

【０２１４】以上述べたように、本実施例の構成を採る
ことにより、５０ｓｃｃｍ〜５００００ｓｃｃｍに渡っ
て温度の影響を受けずに流量計測を行うことのできる流
量計測装置を得ることができる。

【０２１５】なお、本実施例においては、温度計測セン
サー８０２と流量計測センサー８０３とを同一な構造と
し、加熱時間や出力の演算時間（Δｔ２ＲやΔｔ２Ｓ）
を両者で同一なものとしたが、それぞれ異なる設定とし
てもよい。

【０２１６】〔実施例３〕本実施例は、実施例２において示した図８〜図１０に示
すような構成を有するセンサー（ここでは流量計測を目
的としないので、単にセンサーという）を用いて流体の
種類を識別する場合の例を説明する。

【０２１７】流体を流さないで実施例２に示したような
動作を行った場合を考える。このような動作は、図９や
図１０に示される構成において、（１）温度計測センサー８０２を密閉した空間に配置す
る構造とし、この密閉された空間は基準となる流体で満
たす。（２）上記密閉された空間内の基準となる流体がパイプ
９１内を流れる被計測流体と同じ温度なる構成とする。（３）パイプの両端を塞ぐことできる機構、あるいはパ
イプ内を流体が一定の流量で流れる構成とする。と行っ
た工夫をすることによって容易に実現される。

【０２１８】この場合、所定の演算の結果得られるＤ／
Ａコンバータ８０１からの出力は、流体の種類に依存す
る。これは、流体の種類が異なれば、当然熱伝導率や比
熱が異なるので、ダイヤモンド薄膜からの熱の奪われ方
が異なり、図１１や図１２に示す応答波形が異なるから
である。

【０２１９】本発明者らの実験によれば、窒素ガスとク
リプトンガスとを個別に同一流量で流し、その流量を実
施例２で示したセンサーで計測した場合、出力に著しい
違いが現れることが確認されている。これは、窒素ガス
とクリプトンガスとを識別できることを意味し、ガスセ
ンサーとして利用できることを示唆する事実であるとい
える。

【０２２０】例えば、図５の（Ｂ）に示す出力は、窒素
ガスに対する出力（２００ｍＶ）であるが、ここで窒素
ガスの代わりにクリプトンガスを用いれば、異なる出力
を得ることができる。

【０２２１】この場合、クリプトンガスに対する出力は
２００ｍＶより大きくなる。なぜばらば、窒素ガス（Ｎ
２)の熱伝導率は２５９．８×１０−４Ｗｍ−１Ｋ−１
（３００Ｋ、常圧）であるのに対して、クリプトンガス
（Ｋｒ）の熱伝導率は９４．２×１０−４Ｗｍ−１Ｋ−
１（３００Ｋ、常圧）であるから、窒素ガスの場合に比
較してクリプトンガスの場合は、図１１の１０２で示す
応答波形は大きいものとなる。即ち、ダイヤモンド薄膜
から奪われていく熱量が減少するから、ダイヤモンド薄
膜は急速に加熱され、ゆっくり冷えていくことになる。
従って、１０４で示される波形の面積も大きなものとな
り、Ｄ／Ａコンバータ８０１からの出力は大きくなる。

【０２２２】ガスセンサーとしての動作は、実施例２で
示した流量の計測方法と基本的に同一である。流量の計
測の場合と異なるのは、ガスの種類とＤ／Ａコンバータ
８０１からの出力との関係を予め調べておき、この関係
に実際の計測値を照らし合わせることによって、ガスの
種類を識別することである。またセンサー８０３に接す
る流体が一定の流量になるようにする点も異なる。

【０２２３】また、温度計測センサーは密閉された空間
に配置され、基準となるガス（例えば窒素ガス）に接触
していることが必要とされる。この場合、この基準とな
るガスが、周囲の温度や被計測流体の温度と同一になる
ようにする必要がある。例えば、アルミニウム等の高熱
伝導率を有する材料を用いて上記密閉された空間を構成
し、その中に温度計測センサーを配置する必要がある。

【０２２４】本発明者らの知見によれば、ガスセンサー
として動作させた場合にセンサーの出力の違いに一番寄
与する要素となるのが、流体の熱伝導率である。また、
熱伝導率の次に寄与する要素となるのが、比熱である。
従って、これらのパラメータに違いがあれば、それを検
出することができる。

【０２２５】また流体としては、気体のみでなく、液体
を用いた場合も流体の種類を識別するセンサーとして利
用できる。ただし、この場合は、発熱体に供給する熱量
を変更する必要がある。

【０２２６】以上説明したように、実施例２に示すセン
サーは、温度計測センサーの配置に関して多少の変更を
加えることで、そのままガスセンサーや液体センサーと
して機能させることができる。例えば、空気中における
特定のガスの濃度があるレベル以上になったことを検出
するセンサーとして利用することができる。

【０２２７】これらの動作は、流体や環境の温度に依存
しない状態で行うことができるので、極めて実用的なも
のである。なお、原理的には被計測対象が流体以外の材
料であっても、被計測対象物質の熱伝導率や比熱の違い
を出力することが可能である。

【０２２８】〔実施例４〕実施例２に示したのは、流量計測センサーの発熱体が発
熱する時間Δｔ１Ｓ（図１１参照）を０．１８秒に固定
し、発熱体に供給される電圧を制御することによって、
発熱体が発生する熱量を制御する方法である。しかし、
重要なのは、流量計測センサーの発熱体が発生する熱量
を流体や環境の温度に従って変化させることである。

【０２２９】従って、流量計測センサーの発熱体に供給
する電圧を一定とし、その供給時間を可変させることで
も発熱体からダイヤモンド薄膜に供給される熱量を制御
することができる。このことを実施例２の場合において
実現するには、Ｄ／Ａコンバータ８９から発熱体８６に
供給される電圧を一定とし、その供給時間を可変する構
成とすればよい。この場合、図６の横軸と図７の縦軸と
は、発熱体８６への電圧の印加時間に対応したパラメー
タとなる。勿論、発熱体８６に供給する電圧と該電圧の
印加時間との両者をパラメータとして制御してもよい。

【０２３０】〔実施例５〕本実施例は、実施例２に示した構成において、流量計測
の精度をさらに向上させる例である。図７に示されるの
は、図６における縦軸が５５００の値の点に流量計測セ
ンサーの出力を固定することによって作成したものであ
る。実施例２においては、図７に示される所定の関係を
用いた例が示されている。

【０２３１】本発明者らの実験によれば、図７に示す関
数関係は、最大流量付近と最小流量付近とでは若干異な
ることが判明している。この原因は明らかではないが、
温度変化に起因する流体の粘性等の変化や、温度変化に
よる回路定数（抵抗値やアンプの動作速度）の変化に因
るものであると考えられる。

【０２３２】従って、最小流量付近（例えば流量０の場
合）において図７の関係を求め、その関係を用いて最大
流量付近における流量計測を行うと、最大流量付近にお
ける計測値の公差が大きくなるという問題が生じる。

【０２３３】そこで本実施例においては、流量計測範囲
を複数に分割し、それぞれの流量計測範囲において図７
に示すような所定の関係を求め、それぞれの流量計測範
囲において正確な流量計測を行うことを特徴とする。

【０２３４】例えば、０〜５００００ｓｃｃｍの範囲で
流量計測を行おうとする場合について以下に説明する。
ここでは、０〜３００ｓｃｃｍ、３００〜３０００ｓｃ
ｃｍ、３０００〜５００００ｓｃｃｍと流量計測埴を３
分割した場合の例を説明する。

【０２３５】先ず校正の段階において、図６に示すよう
なグラフを得る。ここでは、（１）流量０の場合（２）流量１０００ｓｃｃｍの場合（３）流量１００００ｓｃｃｍの場合という様に、流れる流体の流量を３通りに設定し、図６
に示す関係を求める。そしてそれぞれの流量において、
実施例２に示した方法に従って、図７に示す関係を求め
る。この結果、各流量範囲においてそれぞれ図７に示す
ような関係が得られることになる。

【０２３６】ここで得られる３種類の図７に対応するグ
ラフは、上記３つの流量範囲におけるものである。この
各流量範囲におけるグラフが全く同じものとなるのであ
れば、本実施例の構成を採用する必要はない。この場
合、全計測範囲において、図７で示されるような一つの
関数関係を用いればよい。

【０２３７】ここでは、各流量における図７に対応する
グラフが異なることを前提として話しを進める。本実施
例では、０〜３００ｓｃｃｍを（１）の場合に求めた関
数関係（図７に対応するグラフで示される）を用いて計
測し、流量３００〜３０００ｓｃｃｍを（２）の場合に
求めた関数関係を用いて計測し、流量３０００〜５００
０ｓｃｃｍを（３）の場合に求めた関数関係を用いて計
測するものとする。

【０２３８】本実施例のような構成を採用することによ
り、広い流量計測範囲において、その計測精度を極めて
高くすることができる。この計測範囲の分割はなるべく
多くした法がより計測精度を高くすることができる。

【０２３９】〔実施例６〕本実施例は、温度計測センサーからの出力をアナログ的
にフィードバックさせ、このフィードバックされた出力
を基に流量計測センサーの発熱体に供給する電圧を制御
し、流体および／または計測環境に依存しない流量計測
を行う構成に関する。

【０２４０】図１４に本実施例の構成の概略を示す。図
１４は〔実施例２〕において示した図８〜図１０に示す
構成を改良したのである。図８〜１０に示すような構成
を採用した場合、高い計測精度を高ダイナミックレンジ
で得られ、しかも広い温度範囲に渡って温度補償を正確
に行うことができる。しかしながら、基本的に同じ動作
を温度計測センサーと流量計測センサーとでそれぞれ行
い、その度にデジタル回路を用いた演算を行うために、
消費電力が大きいという問題がある。例えば実施例２に
示した構成では、約４ｍＷの電力消費があり、電池で長
期間（例えば数年）駆動することは困難である。

【０２４１】以下に図１４に示す本実施例の主な改良点
を示す。Ａ．温度計測センサー（Ｒで示される）８０２の抵抗体
８５（ここでは８５は単に抵抗体として機能する）に供
給される電圧を低くし、発熱量を極めて少なくする。
（例えば発熱量を１／４程度とする）Ｂ．温度計測センサー８０２の抵抗体８５と抵抗１４１
〜１４３とでなるブリッジ回路（ブリッジ２）を構成
し、該ブリッジ回路の出力をアンプ１４４で電圧増幅
し、流量計測センサー８０３の発熱体８６を駆動する。Ｃ．デジタル処理が行われるのは、流量計測センサー８
０３の出力においてのみであり、アンプ８７からの出力
波形は、図３に示すものと同様なものとなる。

【０２４２】各センサー８０２と８０３との構成は、実
施例２に示したものと同様である。即ち、両者とも同じ
寸法であり、図１に示すようにダイヤモンド薄膜表面に
白金薄膜からなる測温抵抗体８３または８４と白金薄膜
からなる抵抗体８５または８６とが形成された構成を有
している。なお、各ブリッジを構成する抵抗８１、８
２、さらに抵抗１４１〜１４３は、流体および／または
計測環境の温度によってその抵抗値が変化しにくいもの
を用い、その配置も流体および／または計測環境の温度
の影響を受けにくい配置とすることが重要である。図１
８に示す構成は、図８〜図１０に示す構成を利用して容
易に得ることができ、装置全体の外見も図１３に示すも
のと殆ど同じである。

【０２４３】以下において図１５を用いて、本実施例の
動作方法を説明する。図１５は、１回の計測動作におけ
るアンプ８７からの出力波形を示すものである。図１５
において、縦軸はアンプ８７からの電圧出力を示し、横
軸はその時間変化を示す。

【０２４４】（第１の動作）ｔ０Ｓとｔ０Ｓ＋Δｔ０Ｓとの間において、下記〔数
３〕で示される演算をＣＰＵ８８において行う。

【０２４５】

【数３】

【０２４６】（第２の動作）ｔ１Ｓとｔ１Ｓ＋Δｔ１Ｓとの間において、抵抗体８５
に一定電圧を加え、同時に発生するアンプ１４４で増幅
されたブリッジ２からの出力により、発熱体８６を駆動
する。即ち、ｔ１Ｓとｔ１Ｓ＋Δｔ１Ｓとの間におい
て、発熱体８６は、ブリッジ２からの出力に応じた電圧
で駆動され、発熱する。

【０２４７】（第３の動作）ｔ２Ｓとｔ２Ｓ＋Δｔ２Ｓとの間において、Ａ／Ｄコン
バータ８０４によってデジタル変換されたアンプ８７の
出力をＣＰＵ８８で積算する。この積算は、下記〔数
４〕に示される演算をＣＰＵ８８で行うことによって実
行される。なおここで、ｔ１Ｓ＜ｔ２Ｓとする。

【０２４８】

【数４】

【０２４９】（第４の動作）上記（第１の動作）で得られた値と上記（第３の動作）
で得られた値との差をＣＰＵ８８において演算する。具
体的には、実施例２で示した方法と同様な演算を行えば
よい。そしてこの演算結果から実際の流量の値をＣＰＵ
８８において算出し、Ｄ／Ａコンバータ８０１から出力
する。以上の動作は、ＣＰＵ８８からの指令によって、
予め決められた手順に従って行われる。

【０２５０】ここで、流体の温度が徐々に高くなってい
く状況を考える。この場合、白金薄膜で構成された抵抗
体８５の抵抗は、流体の温度に従って高くなる。すると
ブリッジ２の出力は、それに従って大きくなる。この出
力は、アンプ１４４で電圧増幅され、発熱体８６に供給
される。この発熱体８６に供給される電圧は、流体の温
度の上昇に従ったものとなる。結果として、流体の温度
の上昇分に見合った熱量が流量計測センサー８０３を構
成するダイヤモンド薄膜に供給される。この結果、流量
計測センサー８０３を構成するダイヤモンド薄膜は、流
体の温度に依存しない応答特性（温度変化）を示すこと
になる。

【０２５１】図１４に示す構成においては、抵抗体８５
と発熱体８６とを同一の材料または同一の抵抗の温度依
存特性を有する材料で構成する必要がある。これは、流
体および／または計測環境の温度変化に対応した熱量を
流量計測センサー８０３を構成するダイヤモンド薄膜に
供給する必要があるためである。

【０２５２】例えば、抵抗体８５を構成する材料として
温度によってほとんどその抵抗が変化しないものを用
い、発熱体８６を構成する材料として、温度によって大
きくその抵抗が変化する材料を用い場合、発熱体８６に
加えられる駆動電圧は温度変化に対してほとんど変化し
ない。よって、流体計測センサー８０３の出力は、流体
の温度に大きく依存したものとなってしまう。

【０２５３】以下に図１４に示した構成を用い、窒素ガ
ス流体の計測を行った場合の計測結果を示す。この計測
では、装置全体を恒温室内に配置し、恒温室外から窒素
ガスを供給した。窒素ガスの流量は、マスフローメータ
により計測した。窒素ガスは、高温室内でコイル状巻か
れた７ｍ程のピニールパイプ内を通過した後に図１４に
示す流量計測装置に流入する構成とした。これは、窒素
ガスの温度を計測環境の温度（恒温室内の温度）、また
はそれに近い温度にするためである。

【０２５４】図１６に示すのは、恒温室内の温度を２５
℃とした場合における計測結果である。図１６におい
て、横軸は流量値（リットル／時）を示し、縦軸は公差
（計測値のバラツキ）を示す。図１６を見れば分かるよ
うに、数十（リットル／時）から２０００（リットル／
時）近くまで、±１．５％以下の公差に収まっているこ
とが分かる。そしてその公差を±３％以下とするなら
ば、数（リットル／時）から２０００（リットル／時）
近くまでの３桁に渡っての流量計測を行えることが分か
る。

【０２５５】図１７に示すのは、恒温室の温度を−１０
℃、２５℃、７０℃とした場合の計測結果である。この
場合、計測環境の温度によって、流体の温度が影響を受
けている状況が実現されていると言える。しかし、恒温
室内の温度がそのまま窒素ガス流体の温度であるという
ことは、正確には言えない。このような状況は、室内や
屋外において、天然ガス等を計測する場合に状況に近い
と考えられる。

【０２５６】図１７に示すデータは、横軸に校正された
マスフローセンサーで計測された窒素ガスの流量（リッ
トル／時）を示し、縦軸に実際の流量値となるように演
算処理された流量計測装置からの出力（リットル／時）
を示すものである。図１７に示されるプロット点が切片
０、傾き１の１次関数に近いほど、計測値が正確なこと
を示す。図１７に示すデータより、２５℃と７０℃との
場合には、その計測値の違いにほとんど違いが無く、ま
たその値が正確なことが分かる。なお、７０℃の場合は
上側のプロット点、２５℃の場合は下側のプロット点で
示される。しかしながら、−１０℃の場合は、ややずれ
た計測値となっている。これは、恒温室内の水分が凝固
し、流量計測装置内の回路に熱的な影響を与えたのが原
因であると考えられる。従って、回路部分のパッキング
や周囲よりの熱的な絶縁化を改善することにより、この
計測値のずれはさらに改善することが可能であると考え
られる。

【０２５７】本実施例に示した構成は、Ａ／Ｄコンバー
タ８０４やＣＰＵ８８の負担が実施例２の場合に比べて
半分になる。また抵抗体８５を駆動するための電圧は、
発熱体８６を駆動するための電圧に比較して大幅に小さ
くすることができる。従って、全体の消費電力を大きく
低減させることができる。

【０２５８】〔実施例７〕本実施例は、実施例６に示した構成をさらに簡単な構成
とした例である。図１８に本実施例の概略の構成を示
す。図１８に示す構成は、図８〜図１０に示す実施例２
の構成において、温度計測センサー８０２の構成を変更
するだけで、簡単に実現することができる。

【０２５９】図１８において、温度計測センサー１８１
は、流量計測センサー８０３と同じ寸法、同じ膜質のダ
イヤモンド薄膜で構成され、その表面に白金薄膜からな
る測温抵抗体１８２が設けられている。この測温抵抗体
１８２は、発熱体８６と同一の材料または同一の抵抗の
温度依存特性を有してことが必要である。なお、好まし
くは、その寸法を同一なものとすることが望ましい。こ
れは、熱的な状況をなるべく同一なものとすることが重
要であるからである。また抵抗１８３と１８４とは、流
体および／または計測環境の温度変化を受けにくい構成
とする必要がある。

【０２６０】以下に基本的な動作例の手順を示す。動作
手順は、実施例６と基本的に同一である。またアンプ８
７からの出力ｆの波形も図１５に示すのと同じである。
以下において図１５を用いて説明を加える。

【０２６１】（第１の動作）ｔ０Ｓとｔ０Ｓ＋Δｔ０Ｓとの間において、Ａ／Ｄコン
バータ８０４によってデジタル信号に変換されたアンプ
８７の出力をＣＰＵ８８において積算する。この積算
は、下記〔数３〕で示される計算式に従って行われる。

【０２６２】

【数３】

【０２６３】（第２の動作）ｔ１Ｓとｔ１Ｓ＋Δｔ１Ｓとの間において、ブリッジに
一定電圧ＶＣＣを加え、この際発生する抵抗１８４の両
端に発生する電圧をアンプ１８５で反転増幅する。そし
て、この出力により、ｔ１Ｓとｔ１Ｓ＋Δｔ１Ｓとの間
において、発熱体８６を駆動する。即ち、ｔ１Ｓとｔ１
Ｓ＋Δｔ１Ｓとの間において、発熱体８６は、抵抗１８
４の両端に発生する電圧に応じた電圧で駆動され、発熱
する。抵抗１８４の両端に発生する電圧は、測温抵抗体
１８２の抵抗変化を反映したものである。従って、アン
プ１８５で反転増幅された抵抗１８４の両端の電圧は、
測温抵抗体１８２の抵抗変化を反映したものとなる。結
果として、発熱体８６に供給される電圧は、測温抵抗体
１８２の抵抗変化に従ったものとなる。

【０２６４】（第３の動作）ｔ２Ｓとｔ２Ｓ＋Δｔ２Ｓとの間において、Ａ／Ｄコン
バータ８０４によってデジタル変換されたアンプ８７の
出力を積算する。この積算は、下記〔数４〕に示される
演算をＣＰＵ８８で行うことによって実行される。

【０２６５】

【数４】

【０２６６】（第４の動作）上記（第１の動作）で得られた値と上記（第３の動作）
で得られた値との差をＣＰＵ８８において演算する。こ
の演算は、実施例２に示したのと同じ方法によればよ
い。そしてこの演算結果から実際の流量の値をＣＰＵ８
８において算出し、Ｄ／Ａコンバータ８０１から出力す
る。以上の動作は、ＣＰＵ８８からの指令によって、予
め決められた手順に従って行われる。

【０２６７】ここで、流体の温度が徐々に高くなってい
く状況を考える。この場合、白金薄膜で構成された発熱
体１８２の抵抗は、流体の温度に従って高くなる。する
とブリッジの出力は、それに従って小さくなる。即ち、
抵抗１８４の両端に発生する電圧は小さくなる。この出
力は、アンプ１８５で反転されて電圧増幅され、発熱体
８６に供給される。従って、この発熱体８６に供給され
る電圧は、流体の温度の上昇に従って大きなものとな
る。結果として、流体の温度の上昇分に見合った熱量が
流量計測センサー８０３を構成するダイヤモンド薄膜に
供給される。この結果、流体の温度に関係なく、流量に
依存したダイヤモンド薄膜の応答特性を測温抵抗体８４
で検出することができる。

【０２６８】図１８に示す構成を採った場合、ブリッジ
回路が一つだけでよいので、装置の安定性と信頼性とを
高めることができる。特に熱的な安定性を高めることが
できる。一般にブリッジ回路を構成する抵抗や配線も少
なからず抵抗値の温度依存性を有している。従って、回
路を構成する部品は少ないほど、またその構成が単純で
ある程、熱的な安定を高くでき、また特性の時間的な変
化を抑えることができる。

【０２６９】また、図１８に示す構成を採用した場合、
実施例２の場合に比較して、Ａ／Ｄコンバータ８０４、
ＣＰＵ８８、Ｄ／Ａコンバータ８０１の負担を半分にで
きる。さらに発熱体と測温抵抗体への電圧印加時間を半
分とすることができる。従って、実質的に実施例２で示
した構成に比較して、その消費電力を約半分とすること
ができる。

【０２７０】〔実施例８〕本実施例は、図１８に示す実施例７の構成を図１０に示
すものとは異なる構造で配置した例である。図１９に本
実施例の構成を示す。図１９に示す構成は、図１８に示
すブロック図と基本的にその回路構成は同一である。図
１９に示す構成は、パイプ１８６の一部にテフロン等の
熱的に絶縁物と見なせる基体１８７に配置されたダイヤ
モンド薄膜１９１で構成された流量計測センサー８０３
と、同じくダイヤモンド薄膜１９２で構成された温度計
測センサー１８１とを有している。これら２つのセンサ
ーは、流体１８８に直接曝されるように配置されてい
る。このような構成とすることで、温度計測センサー１
８１が検出する流体の温度と、流量計測センサー８０３
が検出する流体の温度とを同一なものとすることがで
き、温度補償精度をさらに高めることができる。

【０２７１】温度計測センサー１８１の測温抵抗体１８
２は、ほとんど加熱されないので、流体１８８の温度の
みを正確に計測することができる。即ち、流量に影響さ
れずに、流体の温度のみを計測することができる。流量
計測センサー８０３と温度計測センサー１８１とは、同
じ寸法を有するダイヤモンド薄膜１９１、１９２と、そ
の表面にスパッタ法で形成された白金の薄膜よりなる発
熱体８６と、やはり白金薄膜で構成された測温抵抗体８
４、１８２とで構成されている。

【０２７２】

【効果】所定の関係に従って、パルス状の加熱に際して
薄膜に供給される熱量を変化させることで、このパルス
状の加熱に際する当該薄膜の応答特性を被計測物質や計
測環境の温度に依らないものとすることができ、当該薄
膜が該薄膜に接する被計測物質（流体に限定されない）
から受ける熱的な影響を、被計測物質や計測環境の温度
に影響されずに評価することができる。

【０２７３】特に被計測物質として流体を選択した場合
において、薄膜が熱的に受ける影響を計測するセンサー
を複数用意し、その中の一つのセンサーにおける当該薄
膜に対するパルス状の加熱に対する応答特性より、流体
および／または環境の温度を計測し、この結果に基づい
て流体に接した他のセンサーの薄膜に対して所定の熱量
でもってパルス状の加熱を行うことで、この加熱に従う
当該薄膜の応答特性より、温度に依存しない流量の値を
計測することができる。

【０２７４】特に当該薄膜としてダイヤモンド薄膜を用
いた場合には、３桁以上の流量計測が可能であり、温度
の影響を受けない高性能な流量装置を得ることができ
る。

【０２７５】また、温度計測センサーからの出力を流量
計測センサーの発熱体にフィードバックさせてやること
で、温度計測センサーが検出する温度に従った熱量で流
体計測センサーの発熱体を発熱させることができ、温度
補償を正確に行った流量計測を行うことができる。さら
にまた、ガス温度に影響を受けない高感度のガスセンサ
ーとしても機能させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】センサーの構造の概要を示す。

【図２】流量の計測システムの構成を示す。

【図３】オシロスコープの表示の写真を示す。

【図４】流量計測における流量と公差の関係を示
す。

【図５】温度変化に対する出力の経時変化を示す。

【図６】発熱体に加える電圧と流量センサーからの
出力との関係を示す。

【図７】温度センサーからの出力と流量センサーの
発熱体に加える電圧との関係を示す。

【図８】実施例の計測システムの構成を示す。

【図９】センサーの配置状態を示す。

【図１０】実施例の計測システムの構成を示す。

【図１１】パルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜
の応答波形を示す。

【図１２】オシロスコープの表示の写真を示す。

【図１３】本発明を利用した流量計測装置の外観を示
す。

【図１４】実施例の計測システムの構成を示す。

【図１５】パルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜
の応答波形を示す。

【図１６】２５℃における流量計測装置の出力の公差
を示す。

【図１７】 −１０℃、２５℃、７０℃おける流量計測
装置の出力と流量との関係を示す。

【図１８】実施例の計測システムの構成を示す。

【図１９】実施例の計測システムの構成を示す。

【符号の説明】

１１発熱体（白金薄膜）１２測温抵抗体（白金薄膜）１３ダイヤモンド薄膜１５電極１０電極１７ボンディング用金ワイヤ１９流体２１アンプ２２流量計測センサー８０２温度計測センサー８０３流量計測センサー８３測温抵抗体（白金薄膜）８４測温抵抗体（白金薄膜）８５発熱体（ヒーター）（白金薄膜）８６発熱体（ヒーター）（白金薄膜）８７アンプ９０流体９１パイプ９２保持基体（テフロン製）９４保持基体（テフロン製）９６密閉部材９７Ｏリング１０１ダイヤモンド薄膜１０２ダイヤモンド薄膜１３６コネクタ１３７コネクタ１３８電池１３５液晶ディスプレイ１３３回路が配置された基板１３１図９で示される部分１４１〜１４３抵抗１４４アンプ１８１温度計測センサー１８２測温抵抗体１８３抵抗１８４抵抗１８５アンプ１８６パイプ１８７基体１８８流体１９１ダイヤモンド薄膜１９２ダイヤモンド薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭54−22987（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−178317（ＪＰ，Ａ) 特開平２−213767（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−140921（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−161091（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−105522（ＪＰ，Ａ) 特開平３−221815（ＪＰ，Ａ) 特開昭47−41665（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−223021（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/00 - 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性を有する基体と、前記基体に保持された薄膜と、前記薄膜にパルス状の加熱を行う手段と、前記手段の加熱による前記薄膜の応答特性を計測する手
段と、前記パルス状の加熱前に前記薄膜の温度に対応するパラ
メータを積算する手段と、前記パルス状の加熱以後に前記薄膜の温度に対応するパ
ラメータを積算する手段と、前記２つの積算値の差を算出する手段とを有することを
特徴とする計測装置。
【請求項２】被計測物質に接するように配置された薄膜
と、前記薄膜を保持する絶縁性を有する基体と、前記薄膜にパルス状の加熱を行う手段と、前記手段の加熱による前記薄膜の応答特性を計測する手
段とを有する計測装置であって、前記パルス状の加熱を行う手段は、前記被計測物質の温
度または被計測物質を計測する環境の温度に従って発生
する熱量を変化する機能を有することを特徴とする計測
装置。
【請求項３】請求項２において、前記計測装置は前記パルス状の加熱前に前記薄膜の温度
に対応するパラメータを積算する手段と、前記パルス状の加熱以後に前記薄膜の温度に対応するパ
ラメータを積算する手段と、前記２つの積算値の差を算出する手段と、を有すること
を特徴とする計測装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一において、前記応答特性は前記薄膜の温度変化として計測され、前
記被計測物質は流体であることを特徴とする計測装置。
【請求項５】薄膜に対し所定の熱量を供給する手段と、該手段による所定の熱量の供給に従う前記薄膜の応答特
性を計測する手段と、前記応答特性より前記薄膜が被計測物質から受ける熱的
な影響を計測する手段と、前記所定の熱量を少なくとも前記被計測物質の温度また
は前記被計測物質を計測する環境の温度に対応させて変
化させる手段とを有する計測装置。
【請求項６】請求項５において、前記熱量を供給する手段は、前記薄膜に接して設けられ
た発熱体であり、前記熱量を制御するパラメータは、前
記発熱体に供給する電圧であることを特徴とする計測装
置。
【請求項７】請求項５において、前記熱量を供給する手段は、レーザー光またはマイクロ
波により前記薄膜を加熱することを特徴とする計測装
置。
【請求項８】請求項５乃至７のいずれか一において、前記所定の熱量の供給に従う前記薄膜の応答特性を計測
する手段は、所定の熱量の供給前に前記薄膜の温度に対
応するパラメータを積算する動作と、所定の熱量の供給以後に前記薄膜の温度に対応するパラ
メータを積算する動作と、前記2つの積算値の差を算出する動作と、を行うことを特徴とする計測装置。
【請求項９】請求項５乃至８のいずれか一において、前記応答特性は前記薄膜の温度変化として計測され、前
記被計測物質は流体であり、前記熱的な影響より前記流
体の流量または流速が得られることを特徴とする計測装
置。
【請求項１０】請求項５乃至８のいずれか一において、前記応答特性は前記薄膜の温度変化として計測され、前
記被計測物質は流体であり、前記熱的な影響より前記流
体の種類を識別することを特徴とする計測装置。
【請求項１１】温度計測センサーと、流体計測センサーと、演算処理手段と、を有し、前記流体計測センサーは薄膜を加熱する手段と、前記薄膜の温度を計測する手段とを有し、前記演算処理手段は、所定の関係に従って前記温度計測
センサーからの出力に基づいて前記流体計測センサーの
加熱手段から発せられる熱量を制御するパラメータを決
定する機能を有する流量または流速を計測する計測装置
であって、前記所定の関係は流量一定かつ流体計測センサーからの
出力が一定または概略一定または一定の範囲内の条件に
おける温度計測センサーからの出力と前記パラメータと
の関係を示すものであることを特徴とする計測装置。
【請求項１２】表面に少なくとも一つの発熱体が配置さ
れた第1の薄膜と、表面に少なくとも一つの抵抗体が配置された第2の薄膜
と、を有する計測装置であって、前記第2の薄膜表面に配置された抵抗体の抵抗変化を基
に、前記第1の薄膜の発熱体が発生する発熱量を制御す
ることを特徴とする計測装置。
【請求項１３】表面に少なくとも一つの発熱体が配置さ
れた第1の薄膜と、表面に少なくとも一つの抵抗体が配置された第2の薄膜
と、を有する計測装置であって、前記第2の薄膜表面に配置された抵抗体の抵抗変化を基
に、前記第1の薄膜の発熱体に供給する電圧を制御する
ことを特徴とする計測装置。
【請求項１４】請求項１２または１３において、前記第１薄膜または前記第２の薄膜は、その熱伝導率を
K_sとし、その比熱をC_sとし、その密度をρ_sとし、その寸法をL=1
mm角とした場合において、τ＝（Ｃ_sρ_sＬ²／Ｋ_sπ²）
で示されるτが、1ミリ秒以下であることを特徴とする
計測装置。
【請求項１５】被計測物質に接するように配置された薄
膜と、前記薄膜に対し所定の熱量を供給する手段と、該手段による所定の熱量の供給に従う前記薄膜の応答特
性を計測する手段と、前記応答特性より前記薄膜が前記被計測物質から受ける
熱的な影響を計測する手段と、を有する計測装置であって、前記薄膜は、その熱伝導率をK_sとし、その比熱をC_sと
し、その密度をρ_sとし、その寸法をL=1mm角とした場合
において、τ＝（Ｃ_sρ_sＬ²／Ｋ_sπ²）で示されるτが1
ミリ秒以下であることを特徴とする計測装置。
【請求項１６】被計測物質に接するように配置された薄
膜と、前記薄膜に対し所定の熱量を供給する手段と、該手段による所定の熱量の供給に従う前記薄膜の応答特
性を計測する手段と、前記応答特性より前記薄膜が前記被計測物質から受ける
熱的な影響を計測する手段と、を有する計測装置であって、前記薄膜は、その熱伝導率をK_sとし、その比熱をC_sと
し、その密度をρ_sとし、その寸法をL=1mm角とした場合
において、τ＝（Ｃ_sρ_sＬ²／Ｋ_sπ²）で示されるτが
２ミリ秒以下であることを特徴とする計測装置。
【請求項１７】請求項１５または１６において、前記被計測物質として流体を前記薄膜へ接しさせ、前記薄膜が前記被計測物質から受ける熱的な影響は、前
記流体の流量または流速によるものであることを特徴と
する計測装置。
【請求項１８】請求項１５または１６において、前記被計測物質として流体を前記薄膜へ接しさせ、前記所定の熱量の供給に従う前記薄膜の応答特性によ
り、前記流体の流量を計測することを特徴とする計測装
置。
【請求項１９】請求項１５乃至１８のいずれか一におい
て、前記薄膜の応答特性を計測する手段は、所定の熱量の供
給前に前記薄膜の温度に対応するパラメータを積算する
動作と、所定の熱量の供給以後に前記薄膜の温度に対応するパラ
メータを積算する動作と、前記2つの積算値の差を算出する動作と、を行うことを特徴とする計測装置。
【請求項２０】請求項１乃至１９のいずれか一におい
て、前記薄膜はダイヤモンド、単結晶珪素、多結晶珪素、炭
化珪素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素のいずれかの
薄膜材料からなることを特徴とする計測装置。
【請求項２１】被計測物質の温度または前記被計測物質
を測定する環境の温度に対応した熱量で薄膜を加熱する
ことで、該加熱の際、前記被計測物質の温度または前記
被計測物質を測定する環境の温度に依存しない前記薄膜
の応答特性を得ることを特徴とする計測方法。
【請求項２２】被計測物質に接して配置された薄膜に熱
量を供給し、前記熱量を供給することによる薄膜の応答特性から前記
被計測物質が受ける熱量を計測する方法であって、前記熱量を少なくとも前記被計測物質の温度または前記
被計測物質を計測する環境の温度に対応させて変化させ
ることを特徴とする計測方法。
【請求項２３】被計測物質に接して配置された薄膜に熱
量を供給し、前記熱量を供給することによる薄膜の応答特性から前記
被計測物質が受ける熱量を計測する方法であって、前記被計測物質の各温度または前記被計測物質の各計測
環境温度における前記薄膜応答特性に基づいて、前記熱
量を決定することを特徴とする計測方法。
【請求項２４】被計測物質に接して配置された薄膜に熱
量を供給し、前記熱量を供給することによる薄膜の応答特性から前記
被計測物質が受ける熱量を計測する方法であって、被計測パラメータが一定または一定の範囲内であり、か
つ前記応答特性が一定または一定の範囲内である条件に
おける、前記被計測物質の各温度または前記被計測物質
の各測定環境温度を示すパラメータと前記被計測物質に
接して配置された前記薄膜に供給する熱量との関係に基
づいて、前記被計測物質に接して配置された前記薄膜に
供給する前記熱量を決定することを特徴とする計測方
法。
【請求項２５】請求項２１乃至２４のいずれか一におい
て、前記被計測物質は流体であり、前記応答特性は前記薄膜の温度変化として計測されるこ
とを特徴とする計測方法。
【請求項２６】請求項２１乃至２５のいずれか一におい
て、前記薄膜の応答特性は、加熱前に前記薄膜の温度に対応
するパラメータを積算する動作と、加熱以後に前記薄膜の温度に対応するパラメータを積算
する動作と、前記２つの積算値の差を算出する動作と、を有する方法により得られることを特徴とする計測方
法。
【請求項２７】パルス状の加熱に際する薄膜の応答特性
から前記薄膜に接して流れる流体の流量または流速を算
出する機能を有する計測方法であって、所定の関数関係に従いパルス状の加熱の熱量を前記流体
の温度または前記流体を計測する環境の温度に対応させ
て変化させることを特徴とする計測方法。
【請求項２８】請求項２７において、前記所定の関数関係は、同一流量かつ同一応答特性の条
件における流体の温度または前記流体を計測する環境の
温度に対応するパラメータと、パルス状の加熱によって前記薄膜に供給される熱量を制
御するパラメータと、の関係を規定したものであること
を特徴とする計測方法。
【請求項２９】請求項２７または２８において、前記所定の関数関係は、前記薄膜に接して流れる流体の
流量または流速に対応させて複数用意されていることを
特徴とする計測方法。
【請求項３０】請求項２７乃至２９のいずれか一におい
て、前記パルス状の加熱に対する薄膜の応答特性は、パルス
状の加熱前に前記薄膜の温度に対応するパラメータを積
算する動作と、パルス状の加熱以後に前記薄膜の温度に対応するパラメ
ータを積算する動作と、前記2つの積算値の差を算出す
る動作と、を有する方法により得られることを特徴とする計測方
法。
【請求項３１】複数の流体を薄膜に接して配置し、前記複数の流体の流速を一定にし、前記薄膜をパルス状に加熱し、前記複数の流体の熱伝導率または比熱の違いによる前記
薄膜の温度変化に基づいて前記複数の流体の混合比を計
測する機能を有する計測方法であって、前記パルス状の加熱の熱量を前記複数の流体の温度また
は前記流体を計測する環境の温度に対応させて変化させ
ることを特徴とする計測方法。
【請求項３２】請求項２１乃至３１のいずれか一におい
て、前記薄膜はダイヤモンド、単結晶珪素、多結晶珪素、炭
化珪素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素のいずれかの
薄膜材料からなることを特徴とする計測方法。