KR100825998B1 - 유입 에어 스트림의 속도 및 각도 방향을 측정하기 위한마이크로센서 - Google Patents

유입 에어 스트림의 속도 및 각도 방향을 측정하기 위한마이크로센서 Download PDF

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Abstract

유입 에어 스트림의 속도 및 각도 방향 모두를 측정하는 내구성이 있는 마이크로 센서 어셈블리가 개시되어 있다. 마이크로 센서 어셈블리는 유입 에어 스트림의 다른 속도 성분을 측정할 수 있는 방향으로 배열된 적어도 두 개의 유동 센서를 포함한다. 속도 성분은 센서들 사이의 형상에 관련되고, 유입 에어 스트림의 각도 방향 및 속도는 측정된 속도 성분을 검지하는 것에 의해 결정된다. 바람직한 센서는 후방에서 접촉하는 완전 부동화 열적 차이 마이크로풍속계가 되고, 가혹한 환경에서도 작동할 수 있도록 설계된다.
센서, 마이크로풍속계, 유동, 스트림

Description

유입 에어 스트림의 속도 및 각도 방향을 측정하기 위한 마이크로센서 {MICROSENSOR FOR MEASURING VELOCITY AND ANGULAR DIRECTION OF AN INCOMING AIR STREAM}
본 출원은 1997년 12월 31일자로 제출되고 "유속을 측정하기 위한 시간지체 접근법"으로 명명된 미국특허출원 제 09/002,157호, 1997년 12월 31일자로 제출되고 "자기 오실레이팅 유체 센서"로 명명된 미국특허출원 제 09/001,735호, 1997년 12월 31일자로 제출되고 "평 주파수 발생기와 FFT를 통한 유체 특성과 흐름의 감지"로 명명된 미국특허출원 제 09/001,453호, 및 1998년 12월 7일자로 제출되고 "거친 유체 흐름과 특성의 마이크로 센서"로 명명된 미국특허출원 제 09/207,165호에 관한 것으로, 상기의 모든 특허출원은 본 발명의 양수인에게 양도되고 참고문헌으로 인용된다.
본 발명은 일반적으로 유입 에어 스트림의 특성 측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입 에어 스트림의 속도와 입사각의 측정에 관한 것이다.
유입 에어 스트림의 속도와 입사각의 측정은 비행제어 적용예, 산업공정 흐름의 적용예, 연소제어, 날씨 모니터링에의 적용 등을 포함하는 많은 적용예를 가지고 있다. 비행제어 적용예에 대해서, 공기의 속도뿐만 아니라 유입 에어 스트림에 대한 항공기의 정확한 방향이나 비행자세는 현대적인 비행 제어 시스템에 의해 사용되는 전체 "공기 데이터" 일괄 정보의 중요한 구성성분이다.
대부분의 경우에, 공기의 속력은 종종 피토(Pitot) 튜브를 사용하여 수두(head)와 정압의 차이를 감지함으로서 검출한다. 만일 매우 정밀한 차압 센서나 두개의 절대압 센서가 사용된다면, 이러한 접근법은 약 60노트 이상의 속력에서 효과적이다. 추가적인 센서들은 항공기의 방향이나 비행자세를 검출하는데 전형적으로 필요하다.
항공기의 비행자세를 검출하는 한 방법은 여러개의 기계적으로 회전하는 날개들을 포함하는 날개 변환기(vane transducer)를 이용하여 상기 날개들의 어느 한쪽면에서의 균형을 이룬 압력이나 공기의 속력을 발생시키는 방향을 알아내는 것이다. 상기 날개들의 방향을 검출함으로써, 상기 항공기의 비행자세는 결정될 수 있다. 그러한 센서 시스템의 한계는 기계적으로 회전하는 날개들이 종종 상기 센서의 신뢰성과 응답시간을 감소시킨다는 것이다. 또한, 대부분의 날개 변환기는 군사적 적용예와 같은 많은 적용예에서 바람직하지 않은 상대적으로 큰 레이더 단면(radar cross-section)을 구비하고 있다.
본 발명은 유입 에어 스트림의 속도와 방향 모두를 측정할 수 있는 튼튼한 마이크로 센서 조립체(rugged microsensor assembly)를 제공함으로써 종래기술의 많은 단점들을 극복한다. 상기 마이크로 센서 조립체는 유입 에어 스트림의 다른 속도성분을 측정하도록 각각 방향이 정해진 적어도 두 개의 유동 센서(flow sensor)를 바람직하게 포함한다. 상기 속도성분들은 상기 센서들 사이에서 기하학적 구조에 의해 관련되어 있다. 상기 유입 에어 스트림의 각방향과 속도는 측정된 속도성분을 조사함으로써 결정될 수 있다. 그러한 마이크로 센서는 빠른 응답시간과 상대적으로 작은 레이저 단면을 제공한다. 본 발명의 마이크로 센서는 예를들면 비행 제어 적용예, 산업상 적용예, 날씨 모니터링 적용예 등을 포함하는 광범위하고 다양한 적용예에 사용될 수 있다.
본 발명의 한 예시적인 실시예에서, 상기 센서 조립체는 제1 센서와 제2 센서를 포함하고 있다. 상기 제1 센서는 제1 센서의 축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도성분을 측정한다. 상기 제2 센서는 제2 센서의 축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도성분을 측정하는데, 상기 제1 센서축은 교차점에서 상기 제2 센서축을 가로지르도록 상기 제2 센서축으로부터 회전되어 있다.
상기 제1,2 센서의 출력 신호로부터, 상기 유입 에어 스트림의 각방향과 속도는 결정될 수 있다. 작동하는 동안, 만일 상기 유입 에어 스트림의 각방향은 한 방향으로 빗나가면, 상기 제1 센서축을 따라 연장되는 상기 유입 에어 스트림의 속도성분은 증가하고, 상기 제2 센서축을 따라 연장되는 상기 유입 에어 스트림의 속도성분은 감소할 것이다. 마찬가지로, 만일 상기 에어 스트림의 각방향이 다른 방향으로 빗나가면, 상기 제1 센서축을 따라 연장되는 상기 유입 에어 스트림의 속도성분은 감소하고, 상기 제2 센서축을 따라 연장되는 상기 유입 에어 스트림의 속도성분은 증가할 것이다. 상기 제1,2 센서 등에 의해 측정된 속도성분을 조사하고, 상기 센서들 간의 상대적인 기하학적 구조를 사용함으로써, 상기 에어 스트림의 각방향은 결정될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 모두 상기 유입 에어 스트림과 열적으로 연결되어 있는, 적어도 하나의 신장된 히터요소와 적어도 하나의 신장된 센서요소를 각각 구비하는 유효한 마이크로브리지(microbridge) 흐름식 센서와 같은 박막 마이크로풍속계(thin-film microanemometer)이다. 상기 신장된 히터와 센서요소들은 조합된 센서축에 수직으로 바람직하게 연장된다. 예를 들면, 제1 마이크로브리지 흐름 센서의 신장된 히터요소와 센서요소는 상기 제1 센서축에 수직으로 바람직하게 연장되고, 제2 마이크로브리지 흐름 센서의 신장된 히터요소와 센서요소는 상기 제2 센서축에 수직으로 바람직하게 연장된다.
상기 제1,2 마이크로브리지 흐름 센서들의 히터요소들은 공통 또는 단독 에너자이저(energizer)들 중의 하나에 의해 활성화된다. 상기 히터 에너자이저들은 상기 각각의 신장된 히터요소들에서 상승된 온도조건을 바람직하게 발생시키는 한편, 인접한 상류 및 하류 센서요소와 에어 스트림에서 상승된 온도조건을 발생시킨다. 상기 박막 브리지 부근에서의 온도분포는 어떠한 공기흐름도 존재하지 않을 때 상기 히터요소에 대해 대칭으로 전도되고, 공기 흐름이 존재할 때 교란된다. 교란의 정도는 대응하는 센서축을 따른 에어 스트림의 속도와 관계가 있다.
상기 제1,2 마이크로브리지 플로우 센서(microbridge flow sensor)의 상기 센서요소는 온도와 함께 변화하는 저항을 바람직하게 구비하고 있다. 따라서, 상기 제1 마이크로브리지 플로우 센서의 센서요소들은 상기 제1 마이크로브리지 플로우 센서의 히터요소에 의해 제공되는 온도분포를 감지하는데 사용될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 마이크로브리지 플로우 센서의 센서요소들은 상기 제2 마이크로브리지 플로우 센서의 히터요소에 의해 제공되는 온도분포를 감지하는데 사용될 수 있다.
보다 명확하게, 한 예시적인 실시예에서, 한 센서요소는 상기 히터요소로부터 상류에 위치되고, 다른 한 쪽은 하류에 위치된다. 상기 히터요소는 에어 스트림의 주변온도보다 높도록 미리 결정된 정도로 가열된다. 양의 에어 스트림이 존재할 때, 상기 상류 센서요소는 냉각되고, 상기 히터요소로부터 하류 센서 요소로의 열전도는 촉진된다. 그 결과, 상기 하류 센서 요소의 온도는 증가되고, 상기 센서요소들 사이의 온도 편차가 나타난다. 이러한 온도 편차는 대응하는 센서축을 따른 에어 스트림의 속도성분과 관계가 있을 수 있다.
선택적으로, 또다른 예시적인 실시예에서, 상기 히터 에너자이저는 상기 각각의 신장된 히터요소들의 과도(過渡) 상승 온도조건(transient elevated temperature condition)을 제공하는 한편, 상기 에어 스트림에서 과도 상승 온도조건을 발생시킨다. 온도변화와 함께 변화하는 저항을 바람직하게 구비한 각각의 센서요소는 상기 에어 스트림에서 과도 상승 온도조건이 대응하는 센서요소에 전해질 때 감지하는데 사용될 수 있다. 상기 히터요소에서의 과도 상승 온도조건과 상기 센서요소들에서의 발생한 과도 상승 온도조건 사이의 시간지체는 상기 대응하는 센서축을 따른 에어 스트림의 속도성분과 관계가 있을 수 있다.
본 실시예에서, 각각의 마이크로브리지 플로우 센서는 상기 시간지체 값을 결정하기 위해 대응하는 시간지체 검출기를 구비할 수 있다. 한 시간지체 값은 상상기 히터요소에서의 상기 과도상승 온도조건과 제1(예컨대, 상류) 센서요소에서 발생한 과도 상승 온도조건 사이의 시간지체 또는 지연과 일치할 수 있다. 또다른 시간지체 값은 상기 히터요소에서의 상기 과도상승 온도조건과 제2(예컨대, 하류) 센서요소에서 발생한 과도 상승 온도조건 사이의 시간지체와 일치할 수 있다.
제1 센서축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도성분은 제1 마이크로브리지 플로우 센서의 상기 두 시간지체 값을 사용하여 결정될 수 있다. 마찬가지로, 제2 센서축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도성분은 제2 마이크로브리지 플로우 센서의 상기 두 시간지체 값을 사용하여 결정될 수 있다. 상기 대응하는 센서축을 따른 유입 에어 스트림의 속도성분을 결정하기 위한 다른 예시적인 방법들과 센서형태들은 미국특허 제 4,478,076호, 미국특허 제 4,478,077호, 미국특허 제 4,501,144호, 미국특허 제 4,651,564호, 미국특허 제 4,683,159호, 미국특허 제 5,050,429호, 1997년 12월 31일자로 제출되고 "유속을 측정하기 위한 시간지체 접근법"으로 명명된 미국특허출원 제 09/002,157호, 1997년 12월 31일자로 제출되고 "셀프 오실레이팅 유체 센서"로 명명된 미국특허출원 제 09/001,735호, 1997년 12월 31일자로 제출되고 "공통 주파수 발생기와 FFT를 통한 유체 특성과 흐름의 감지"로 명명된 미국특허출원 제 09/001,453호에 개시되어 있는데, 상기의 모든 특허 및 출원은 본 발명의 양수인에게 양도되고 참고문헌으로 여기에서 인용된다.
상기 히터 에너자이저들은 상기 유입 에어 스트림의 주변 온도이상으로 정해진 히터온도를 유지하기 위해서 어떤 전력과 전압이 필요할지라도 상기 히터요소에 공급하는 피드백을 구비한 능동회로(active circuit)이다. 이러한 도움은 각각의 마이크로브리지 센서들에 대해 적당한 신호 대 노이즈비를 유지하게 한다.
상기 센서의 신뢰성과 정확도를 증대시키기 위해, 상기 히터요소에 인가되는 상기 전력이나 전압은 감시될 수 있다. 상기 전력이나 전압은 에어 스트림 속도에 대한 여분의 신호를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 에어스트림의 속도가 증가함에 따라, 상기 히터 온도를 상기 에어 스트림의 주변온도 이상으로 유지하기 위해 필요한 전력이나 전압의 양도 또한 증가할 것이다. 따라서, 상기 히터에 인가되는 전력이나 전압과 상기 에어 스트림의 속도 사이에는 관계가 존재한다. 상기 관계는 상기 유입 에어 스트림의 방향과는 상대적으로 독립적이다. 일단 상기 히터요소의 전력이나 전압신호를 사용하여 상기 에어 스트림의 속도가 결정되면, 상기 센서요소들을 사용하여 결정된 속도와 비교되어 질 수 있다. 만일 상당한 차이가 있다면, 에러신호가 뜰 것이다.
추가적으로, 각각의 히터요소에 공급되는 전력과 전압은 상기 히터요소의 열전달 부하(heat transfer load)의 변화를 감지하는데 사용될 수 있다. 그러한 변화는 상기 센서 위에 예컨대 비, 진눈깨비, 얼음, 먼지 또는 다른 어떤 이물질이나 물질이 존재함으로써 발생될 수 있다. 상기 열전달 부하가 변화할 때, 유속 보정인자(flow rate correction factor)는 상기 열전달 부하의 변화량을 보상하기 위해서 계산되어 질 수 있다. 이와 달리, 상기 센서장치는 상기 열전달 부하가 예상범위 내로 돌아올 때까지 작동 불가능할 수 있다.
내구성을 향상시키고 종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 단점을 줄이기 위해서, 상기 브리지 및/또는 보호코팅이 상기 브리지에 적용될 수 있다. 종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 브리지 두께는 종종 1미크론으로 요구된다. 그러한 센서의 견고하게 하기 위해서, 상기 브리지의 두께는 15미크론이나 그 이상으로 증가될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 "브리지"의 두께는 약 10미크론으로 증가되었다. 상기 "브리지"의 두께가 증가하고, 상기 센서의 단점과 응답시간을 감소시킴에 따라, 출력 신호는 감소하나 S/N(신호 대 노이즈)비는 상당히 동일하게 유지된다. 따라서, 상기 센서의 내구성, 응답시간과 민감도 사이의 균형이 이루어진다. 열적풍속계의 포화신호에 도달하지 않고 높은 질량 유동의 유체를 감지하기 위해서, 플로우 센서의 민감도를 줄이거나 측정가능한 유속의 범위를 효과적으로 이동시키거나 질량 밀도(flux)를 보다 높은 값으로 하는 것이 바람직하다.
종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 내구성뿐만 아니라 높은 질량 유동의 유체를 감지하는 능력을 증가시키기 위한 또다른 접근법은 필러(filler)를 구비한 종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 공동을 적어도 부분적으로 채우는 것이다. 상기 필러는 상기 에어 스트림이 상기 히터와 센서요소들 주변으로 흐르는 것을 방지하고, 상기 플로우 센서의 민감도를 줄이는 상기 히터와 센서요소 사이의 열적 접촉을 증가시킨다. 상기 필러는 브리지 지지부를 제공하므로 종래의 마이크로브리지 타입의 센서보다 더욱 견고한 구조를 갖게 한다.
상기 필러는 (종종 실리콘인) 회로기판 재료의 열팽창계수와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 바람직하게 가지고 있다. 상기 필러는 또한 바람직하게 단열재(poor thermal conductor)이다. 한 실시예에서, 상기 필러는 UV 수정가능한 에폭시이다. 상기 필러는 필요하면 벌집, 리브가 있거나 엠보싱처리된 형태일 수 있다.
종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 내구성을 증가시키고 민감도를 감소시키는 또 다른 접근법은 회로기판(예를들면 파이렉스 유리)상에 히터와 센서요소를 직접성형하는 것이다. 이것은 공동과 종래의 마이크로브리지 타입의 센서를 제거하고 마이크로브릭(등록상표) 타입의 플로우센서를 참조하는 것이다. 상기 유입 에어 스트림은 상기 히터와 센서요소 주변으로 흐르지 않기 때문에, 민감도는 감소된다. 또한 상기 히터와 센서요소의 뒷쪽은 회로기판에 의해 지지되기 때문에, 상기 센서는 종래의 마이크로브리지 타입의 센서보다 더욱 견고하다.
결국, 요소들을 오프-칩(off-chip)하기 위해 종래의 마이크로브리지 플로우 센서의 요소들을 연결하는데 사용되는 박막 접촉 와이어(thin contact wire)는 웨이퍼 관통(TTW)(Through-The-Wafer) 접점으로 대치될 수 있다. 잘 깨지지 않는 전도성의 와이어나 패드들이 가능한 한 전도성 유체, 오염물질, 또는 유동 전단력에 노출될 필요가 있기 때문에, 센서의 신뢰성이 향상된다.
본 발명의 다른 목적들 및 많은 장점들이 이하의 도면들과 상세한 설명에서 좀더 이해될 것이며, 이하의 도면에서 같은 도면부호는 같은 부분을 가리키게 된다.
도 1 및 도 2는 마이크로브리지 유동 센서의 종래의 기술의 다른 도면들이다.
도 3은 센서를 지나는 공기 유동이 없는 상태의 도 1-2의 마이크로브리지 센서의 단면도이다.
도 4는 센서를 지나는 양의 에어 유동이 있을 때의 도 1-2의 마이크로브리지 센서의 단면도이다.
도 5는 대칭축에 평행한 유입 에어 스트림의 각도 방향을 가진 본 발명의 센서 어셈블리의 개략도이다.
도 6은 대칭축으로부터 유입 에어 스트림의 각도 방향 오프셋을 가진 도 5와 같은 센서 어셈블리의 개략도이다.
도 7은 비 직각의 구성을 갖는 제1 및 제2 센서의 센서축을 가진 본 발명의 바람직한 센서 어셈블리의 개략도이다.
도 8은 도 5의 제1 센서 어셈블리 및 제2 센서 어셈블리의 블록 다이아그램이다.
도 9는 도 8의 제1 센서 어셈블리 및 제2 센서 어셈블리에 의해 제공되는 신호 처리를 위한 데이터 프로세싱 블록의 블록 다이아그램이다.
도 10은 에어 스트림의 법선 방향 벗어남 각도에 대한 유입 에어 스트림의 측정된 속도 성분, ΔGA을 도시한 그래프이다.
도 11은 브리지 아래의 캐비티가 충전재에 의해 채워진 상태의 본 발명의 마이크로브리지 센서의 측단면도이다.
도 12는 에폭시가 충진된 또한 충진되지 않은 두 개의 마이크로브리지 타입 유동 센서의 유동률에 대한 마이크로브리지 센서 출력을 도시한 그래프이다.
도 13은 히터 및 센서 요소가 기판 상에 직접 형성된 본 발명에 의한 마이크 로브릭 센서의 측단면도이다.
도 14는 마이크로브리지 및 마이크로브릭 센서 어셈블리의 실험적인 응답 시간을 도시한 그래프이다.
도 15A는 센서 칩을 헤더에 연결하기 위하여 골드 본딩 와이어를 사용하는 센서 어셈블리의 측단면도이다.
도 15B는 센서 칩을 헤더에 연결하기 위하여 웨이퍼 관통(TTW) 접점을 사용하는 센서 어셈블리의 측단면도이다.
이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 마이크로 센서 시스템에 관한 것으로서, 유입되는 에어 스트림의 속도 및/또는 각도방향을 측정할 수 있다. 본 마이크로센서 시스템은 빠른 응답시간과 상대적으로 작은 레이더 단면을 제공한다. 본 발명의 마이크로 센서 시스템은 예를들면, 항공제어장치, 산업장치, 기후 모니터링 장치 등과 같은 매우 광범위한 적용처에 사용될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 유입 에어 스트림 내에 적어도 2개의 센서들을 배치하고 있다. 상기 제1 센서는 제1 센서축을 따라서 유입 에어 스트림의 속도 성분을 측정하고, 제2 센서는 제2 센서축을 따라서 유입 에어 스트림의 속도 성분을 측정한다. 상기 제1 및 제2 센서들의 출력값으로 부터 유입 에어 스트림의 각도 방향과 속도들이 측정될 수 있다.
상기 제1및 제2 센서들은 바람직하게는 마이크로 센서들로 이루어지며, 이들은 극히 작은 크기의 히터와 센서형 사행 스트립들을 포함한다. 이와 같은 마이크로 센서 또는, 여기에서 불리우는 "마이크로브리지" 들은 비록 이들에 제한되는 것은 아니지만, 그것들이 빠르게 반응하고, 정확하며, 소형이고, 다양한 구조에 적용가능하기 때문에 현재로서는 바람직한 것들이다.
마이크로브리지 센서들
본 발명의 바람직한 실시예에서 예를들어 생각되어질 수 있는 마이크로브리지 반도체 칩 센서는 미국 특허 제 4,478,076호, 미국 특허 제 4,478,077호, 미국특허 제 4,501,144호, 미국특허 제 4,651,564호, 미국특허 제 4,683,159호, 미국 특허 제 4,994,035호및, 미국 특허 제 5,050,429호들에 개시되고, 본 발명과 함께 모두 공통적인 양수인에게 양도된 마이크로브리지 시스템들중의 하나 혹은 그 이상의 형태를 모사할 수 있는 구조이다.
이와 같은 시스템은 Aagard et.al. 등에게 부여된 미국 특허 제 4,994,035호로 부터 얻어진 도 1-2에 예시되어 있다. 이하에서는 이와 같은 예에 관하여 설명하기로 하며, 이는 본 발명을 이해하는 데에 도울을 줄 것이다. 이하의 설명은 어느 정도 충분할 것으로 예상되지만, 인용된 마이크로브리지 관련 특허들내에 기재된 부가적인 내용들은 여기에 참조로 수록된 것으로 간주된다.
도 1 및 도 2에 기재된 종래의 시스템은 한 쌍의 얇은 필름의 온도 센서(22, 24)와, 얇은 필름의 히터(26)와, 상기 센서 및 히터들을 베이스 기판에 접촉하지 않도록 지지하는 지지부재(20)를 구비한다. 센서(22, 24)들은 히터(26)의 양측에 배치되어 있다. 지지부재(20)는 반도체이고, 바람직하게는 실리콘으로 이루어지며, 이는 정밀 에칭기술에 대한 적용의 용이성과 전자 칩 양산에 쉽기 때문에 선택된 것이다.
상기 실시예는 2개의 동일한 얇은 필름의 온도 검출 레지스터 회로를 포함하며, 이는 온도 센서(22, 24)들로서 작용하고, 히터(26)로서 작용하는 중앙에 위치된 얇은 필름의 히터 레지스터 회로를 포함한다.
센서(22, 24)와 히터(26)들은 임의의 적절한, 그리고 안정된 금속 또는 합금 필름으로 조립될 수 있다. 사용된 금속은 백금 또는 니켈-철 합금 등, 종종 퍼멀로이(permalloy) 라고 불리며, 80%의 니켈과 20%의 철 성분을 구비한 것들이 사용가능하다. 상기 센서와 히터 회로들은 얇은 유전체(dielectric) 필름, 전형적으로는 층(28, 29)을 포함하고, 바람직하게는 필름부재들을 형성하기 위하여 실리콘 니트라이드(Si3N4)로 이루어진 것 내에 감싸진다.
도 1 및 도 2에서, 상기 센서는 2개의 얇은 필름부재(32, 34)를 포함하며, 부재(32)는 센서(22)를 포함하고, 부재(34)는 센서(24)를 포함하며, 각각의 부재들은 히터(26)의 1/2를 포함하고, 150 미크론의 폭과 400 미크론의 길이를 바람직하게 갖는다.
그리고, 상기 시스템은 정확하게 한정된 유체 공간 혹은 캐비티(30)를 구비하고 있으며, 이는 효과적으로 요소(22, 24, 26)들을 에워싸고, 실리콘 표면(36)상에 상기 구조체를 조립함으로써 이루어지는 것이다. 도시된 종래 기술의 구조체에 대하여, 얇은 필름 요소(22, 24, 26)들은 대략 0.05 내지 0.12 미크론의 두께를 갖고, 대략 5 미크론의 줄 폭을 갖추며, 대략 5 미크론의 줄사이 간격을 갖는다. 상기 실리콘 니트라이드 필름 포위체를 구비한 상기 요소들은 대략 0.8 미크론 이하의 전체 두께를 갖는다. 상기 유체 공간(30)은 대략 100 미크론 깊이의 정확하게 형성된 유체 공간을 실리콘 보디 또는 기판(20)내에 부재(32, 34)의 하부측에서 후속적으로 에칭함으로써 조립될 수 있다.
부재(32, 34)는 반도체 보디(20)의 상부 표면(36)에, 캐비티 혹은 유체 공간(30)의 하나 혹은 그 이상의 모서리들에서 연결된다. 부재(32, 34)들은 캐비티(30)를 가로질러서 연결되거나; 다르게는 예를들면, 부재(32, 34)들이 캐비티(30)의 위로 켄티레버(cantilever)식으로 연결될 수 있다.
도 1-2에 도시된 시스템에서, 열은 히터로부터 센서측으로 그들 사이의 고체 및 유체 연결부분을 통하여 흐르게 된다. 주목할 것은 실리콘 니트라이드(Si3N4)는 양호한 전기적 절연체뿐만 아니라, 효과적인 고체 단열재이라는 점이다. 부재(32, 34)내에서 연결되는 실리콘 니트라이드 필름은 양호한 단열재료이기 때문에, 상기 고체를 통한 열전달은 히터(26)로부터의 열 전파에 별 영향을 주지 못한다. 이는 또한 상기 지지 니트라이드 필름을 통해서 라기보다는 주위를 에워싸는 유체를 통하여 흐름으로써 히터 레지스터(26)로부터 검출 레지스터(22, 24)로 전도되는 열량을 증대시킨다. 그뿐만 아니라, 상기 지지 실리콘 니트라이드 필름은 충분히 낮은 열전도도를 갖추어 검출 레지스터 회로(22, 24)들이 가열 레지스터 회로(26)에 바로 인접하여 또는 병행하여 위치될 수 있도록 하여준다. 따라서, 검출 레지스터 회로(22, 24)는 히터 레지스터(26)에 인접한 공간내에 효과적으로 견고하게 매달리며, 인접한 그리고 히터 레지스터 회로(26)의 평면내의 공기의 온도를 측정하는 온도 프로브로서 작용하는 것이다.
도 3은 도 1-2에 도시된 마이크로브리지 센서의 개략적인 단면도이며, 여기서는 센서를 통과하는 에어 흐름이 없다. 상기에서와 같이, 히터 회로(154), 제1 센서 회로(150) 및 제2 센서 회로(152)들은 브리지를 가로질러서 기판(158)의 상부측에 매달린다. 간략화를 위해서, 히터 회로(154), 제1 센서 회로(150) 및 제2 센서회로(152)들은 모두 하나의 신장된 스트립으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 요소들 각각은 격자형, 혹은 사행형의 회로들로 이루어질 수 있은 것이다.
도시된 바와 같이, 도 3에서는 아무런 공기흐름도 없다. 따라서, 히터 요소(154)가 대기온도보다 높은 온도로 가열되면, 얇은 필름의 브리지부에 근접한 열분포는 히터 요소(154)의 주위로 대칭적으로 전달된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 그러나, 에어 스트림(160)이 존재하면, 대칭적인 분포가 도시된 화살표와 같이, 방해받게 된다. 그 방해량은 에어 스트림(160)의 속도에 관련된다.
예시된 하나의 실시예에서, 상기 에어 스트림(160)의 속도는 열요소(154)를 에어 스트림(160)의 대기온도 이상으로 사전에 결정된 량만큼 가열시킴으로써 결정된다. 에어 스트림(160)이 존재하는 경우, 상류측 센서 요소(150)는 냉각되고, 히터 요소(154)로부터 하류측 센서 요소(152)로의 열전도가 증대된다. 그 결과, 상류측과 하류측의 센서 요소(150, 152)들 사이의 온도 차이가 존재한다. 이러한 온도 차이는 센서축을 따르는 에어 스트림(160)의 속도 성분에 관련될 수 있다. 이러한 방법의 보다 상세한 설명은 Bohrer et.al. 등에게 부여되고, 여기에 참조로 수록된 미국 특허 제 4,478,077호에 기재되어 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 상기 센서축을 따른 에어 스트림(160)의 속도는 히터 요소(154)내에 순간적으로 상승된 온도조건을 제공함으로써 결정되며, 이는 후속적으로 에어 스트림(160)내의 순간적인 상승된 온도조건을 초래한다. 논-제로(non-zero) 에어 스트림(160)이 존재하는 경우, 상류측 센서 요소(150)는 하류측 센서(152) 보다 늦게 순간적인 반응을 받는다.
상기 센서축을 따른 에어 스트림(160)의 속도는 각각의 시간지체 값을 사용하여 계산될 수 있는 것이다.
기본 센서축을 따라 유입하는 에어 스트림(air stream)의 속도 성분을 결정하는 다른 실시예적 방법들과 센서 구성들은, 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 발명에서 참고자료로 첨부된 여러 자료들 즉, 미국특허 4,478,076, 동특허 4,47 8,077, 동특허 4,501,144, 동특허 4,651,564, 동특허 4,683,159, 동특허 5,050,429와, 명칭이 "유체속도 측정을 위한 타입 래그 접근방법"이며 1997,12,31 출원된 미국 출원 번호 09/002,157와, 명칭이 "자기-오실레이션 유체센서"이고, 1997.12.31 출원된 미국 출원번호 09/001,735 및, 명칭이 "평 주파수 발진기와 FFT를 통한 유체 성질 및 흐름 측정방법"이고 1997.12.31 출원된 미국 출원번호 09/001,453들에서 개시되고 있다.
각도 방향 및 속도 결정
본 발명은 유입 에어 스트림의 각도 방향과 속도 모두를 측정할 수 있도록 하는 주름형 마이크로센서 조립체를 제공한다. 상기 마이크로센서는 빠른 응답 시간과 비교적 작은 레이더 탐지영역을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 센서 조립체는 제1 및 제2 센서를 포함한다, 상기 제1 센서는 제1 센서축을 따라 신장하는 유입 에어 스트림의 속도 성분을 측정한다, 상기 제2 센서는 제2 센서축을 따라 신장하는 유입 에어 스트림의 속도 성분을 측정하는데, 여기서 상기 제1 센서축은 어느 한 점에서 상기 제2 센서축과 교차한다. 상기 속도 성분은 상기 센서들간의 위치와 관계된다. 따라서 측정된 속도 성분을 평가함으로써, 상기 에어 스트림의 각도 방향이 결정될 수 있다.
도 5 및 도 6은 유입 에어-스트림의 각도 방향(φ)과 속도를 측정하기 위한 센서 조립체(210)의 실시예를 사시도로 도시하고 있다. 도 5는 상기 센서 조립체(210)의 대칭축(214)에 거의 평행한 유입 에어-스트림의 각도 방향(φ)을 갖는 상기 센서 조립체(210)를 도시하고 있고, 도 6은 상기 대칭축(214)에 대한 유입 에어-스트림(212)의 각도방향(φ252)을 갖춘 동일한 센서 조립체(210)를 도시하고 있다.
본 실시예의 센서 조립체(210)는 제1 센서(216)와 제2 센서(220)를 포함한다, 상기 제1 센서(216)와 제2 센서(220)는 마이크로브리지(micribridge) 타입의 센서일 수 있는데, 각각은 상기 유입 에어 스트림(212)과 열적으로 관련된 적어도 하나의 신장되는 열 회로(serpentine)와 적어도 하나의 신장되는 센서회로(serpentine)를 구비하고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 센서(216)의 신장된 열 및 센서 회로(215)는 바람직하게는 상기 제1 센서축(218)과 수직하게 신장되고, 상기 제2 센서(220)의 신장된 열 및 센서 회로(217)는 상기 제2 센서축(222)에 수직하게 신장되는 것이다.
상기 제1 센서(216)와 제2 센서(220)는 바람직하게는 상기 제1 센서축(218)과 제2 센서축(222)이 교차하는 어느 한 점(224)에 위치되도록 하는 것이다. 본 실시예에서, 상기 제1 센서(216)와 제2 센서(220)는 상기 제1 센서축(218)과 제2 센서축(222)이 대략 90도의 각도로 교차하는 지점에 위치된다. 또한 바람직하게는 상기 제1 센서(216)와 제2 센서(220)는 상기 센서 조립체(210)의 대칭축(214)에 대칭적으로 위치되도록 하는 것이다.
도 5에서, 상기 유입 에어-스트림(212)이 상기 센서 조립체(210)의 대칭축(214)에 대하여 거의 평행하게 흐르는 것을 도시하고 있다. 상기 조립체는 (적어도 도시된 실시예에서) 제로(zero)의 각도방향(φ)을 갖는 에어-스트림(212)에 대응한다. 상기 유입 에어-스트림(212)의 속도에 대한 속도벡터는 도 5에서 참조번호(226)로 나타내는데, 이는 대칭축(214)에 실질적으로 평행하게 신장하고 있다.
상기 제1 센서(216)는 그 센서축(218)이 상기 대칭축(214)으로부터 45도인 지점에 위치된다. 따라서, 상기 에어-스트림(212)의 속도벡터(226)와 제1 센서축(218) 사이의 각도 "A" (230)는 45도이다. 마찬가지로, 상기 제2 센서(220)는 그 축(222)이 상기 대칭축(214)으로부터 45 각도이고, 어느 한 점(224)에서 상기 제1 센서축(218)과 교차하는 지점에 위치된다. 따라서, 상기 에어-스트림(212)의 속도 벡터(226)와 상기 제2 센서축(222) 사이의 각도 "B" (236)은 45도이다.
도 6에서, 상기 유입 에어-스트림(212)은 상기 센서 조립체(210)의 대칭축(214)에 대하여 각도방향(φ)으로 흐르는 것을 도시하고 있다. 상기 유입 에어-스트림(212)의 속도에 따른 속도 벡터는 지금부터는 참조번호(262)로 나타낸다. 도 5에서와 마찬가지로, 상기 제1 센서(216)는 그 축(218)이 상기 대칭축(214)으로부터 45도인 지점에 위치된다. 따라서, 상기 에어-스트림(212)의 속도 벡터(262)와 상기 제1 센서축(218) 사이의 각도"A" (254)는 도 5의 각도"A" (230)보다 작다. 마찬가지로, 상기 제2 센서(220)는 그 축(222)이 상기 대칭축(214)으로부터 45도 각도이고, 어느 한 점(224)에서 상기 제1 센서축(218)과 교차하는 지점에 위치된다. 따라서, 상기 에어-스트림(212)의 속도 벡터(262)와 상기 제2 센서축(222) 사이의 각도 "B" (236)는 도 5의 각도 "B"보다 더 크다. 그러나 상기 두 각도 "A"와 "B"의 합한 각도는 90도가 된다.
이러한 실시예에서, 제1 센서(216)는 상기 제1 센서축(218)을 따라 연장되는 유입 에어 스트림(the incoming air stream)(212)의 속도성분을 측정한다. 상기 제2 센서(220)는 상기 제2 센서축(222)을 따라 연장되는 유입 에어 스트림(212)의 속도성분을 측정한다. 상기 제1 마이크로브리지 센서(microbridge senor)의 제1 센서 출력 신호, ΔGA 는 하기 식(1)으로 표현될 수 있다.
Figure 112003007383301-pct00001
...........(1)
여기서, ΔGA 는 상기 에어-스트림(212)이 0°의 각도방향(φ252)을 가질 때(대칭축과 평형할 때) 존재하는 센서 출력 신호에 관련하여 상기 센서 출력 신호에서의 변화를 나타낸다; "v" 는 상기 유입 에어 스트림(212)의 속도벡터이고, "A" 는 상기 에어-스트림의 속도벡터(212)와 제1 센서축(218) 사이의 각도이며, "n" 는 커브피트인자(a curve fit factor)이다. 식 (1)은 도 5-6에 도시된 상대적인 기하도형적 배열에서 얻어질 수 있다. 명백하게 위해서, ΔGA = a ΔG'A 에서 교정인자 "a" 는 생략되었다. 여기서, ΔG'A 는 원 센서 출력 신호를 나타낸다. 보여지는 바와 같이, 제1 센서 출력 신호 ΔGA, 는 코사인 함수에 의해서 제1 센서축(218)을 따라 연장되는 상기 유입 에어 스트림(212)의 속도벡터의 속도성분에 관련된다.
상기 제2 센서(220)의 제2 센서 출력 신호, ΔGB 는 식(2)으로 표현된다.
Figure 112003007383301-pct00002
................... 식(2)
상기에 표시한 바와 같이 각도 "A" 더하기 "B" 는 상기 유입 에어 스트림(212)의 각도방향(φ252)에 관계없이 90°와 동일하다.( 적어도 -45 ≤ φ≤ 45).
A + B 일때, 하기 식(3)임을 알고 있다.
Figure 112003007383301-pct00003
.............식(3)
식(1)-(3)을 혼합하여 속도벡터와 각도 "A" 와 "B"에 대해서 풀면 식(4)(5)(6)을 얻는다.
Figure 112003007383301-pct00004
............... 식(4)
Figure 112003007383301-pct00005
............... 식(5)
Figure 112003007383301-pct00006
............... 식(6)
이것으로부터 상기 유입 에어 스트림(212)의 각도방향(φ252)은 하기 식(7)을 이용하여 계산된다.
Figure 112003007383301-pct00007
................ 식(7)
상기 식들은 제1 센서(216)의 제1 센서축(218)과 제2 센서의 제2 센서축(222)이 직교할 때 유효하다(즉, 90°로 교차). 그러나, 이러한 경우 예를 들면, 방향각도(φ)의 주어진 범위에 대한 소음 대 잡음비를 최대화하기 위하여, 제1 센서축(218)과 제2 센서축 사이의 각도를 90° 이하로 갖는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 센서 어셈블리의 개략도이며, 상기 제1 센서(318)는 대칭축 314 +R °에 대하여 회전된다. 그리고, 상기 제2 센서(320)는 대칭축 -R °에 대하여 회전된다. 따라서, 상기 제1 센서(318)는 " X"°에 의해 상기 제2 센서(320)로부터 오프셋(offset)되며, 여기서 X=2R이다. 이러한 형태에서, 상기 제1 센서(318)는 상기 제1 센서축(322)이 상기 대칭축(314)으로부터 45-R°로 오프셋하도록 위치되며, 상기 에어스트림(312)의 속도벡터(326)와 제1 센서축(318) 사이의 각도 "A" (330)는 45+R 이다. 상기와 같이 제2 센서(320)는 상기 제2 센서축(322)이 상기 대칭축(314)으로부터 45-R°로 오프셋하도록 위치되며, 상기 에어스트림(312)의 속도벡터(326)와 제2 센서축(322) 사이의 각도 "B" (336)는 45+R 이다.
상기 에어-스트림(312)의 각도방향(φ352)을 확인하기 위하여, 식(1)-(7)의 세트(set)는 A + B + X = 90으로 풀려진다. 이는 상기 유입 에어 스트림(312)의 속도와 각도방향(φ352)을 결정하기 위하여 보다 일반적인 해결법을 제공한다. 반복 없는 직접적인 해결법은 식(8)으로 제공된다.
Figure 112003007383301-pct00008
.............. 식(8)
X 값이 증가하는 것에 대해, 적어도 상기 에어스트림(312)이 ±20°의 각도방향 φ352을 가질 때, ΔGA 와 ΔGB 에 대한 값이 증가한다. 이는 보다 높은 신호 대 잡음비를 초래할 수 있고 센서오프셋(sensor offset)의 영향을 감소시킬 수 있다. 또한, 직접적인 감도를 특히 약 25°보다 큰 X 값에 대해 감소시킬 수 있다. 상기 센서들의 상대적인 방향과 X값은 바람직한 적용에 대해 바람직하게 최적화되어진다. 실시예에서, 상기 센서들은 X가 약 20°가 되도록 맞추어진다.
도 8은 도 5의 제1 센서 어셈블리(216)와 제2 센서 어셈블리(220)의 블록다이아그램이다. 상기 제1 센서 어셈블리(216)는 참조번호(215)로서 도시한 바와 같이 하나 또는 그 이상의 히터와 센서를 포함한다. 실시예에서, 제1 센서 어셈블리(216)는 상류센서 (362)와 하류센서(364)에 의해서 에워싸여진 중심위치형 히터요소(360)를 포함한다.
상기 에어 스트림 속도는 에어 스트림의 순환온도 이상의 설정량을 히터 에너자이저(heater energizer)(366)로서 상기 히터요소(360)를 가열하는 것에 의해서 결정된다. 실시예에서, 상기 히터 에너자이저(366)는 저항과 상기 히터요소(368)의 온도를 모니터링하기 위한 피드백 루프(a feedback loop)(368)를 포함한다. 에어스트림이 존재하면, 상류센서요소(362)는 냉각되고, 하류센서요소(364)는 가열된다. 그 결과, 상기 상류 및 하류센서요소(362, 364) 사이에 온도차이가 발생한다. 전자회로(370)는 상기 상류 및 하류센서요소(362, 364) 양측의 저항과 온도를 결정하고, 출력 신호(372)로서 차이(difference)를 제공한다. 상기 제2 센서 어셈블리(220)도 유사한 방법으로 작동되고, 차이신호(374)를 제공한다.
도 9는 도 8의 제1 센서 어셈블리(216)와 제2 센서 어셈블리(220)에 의해 제공되는 차이신호(372, 374)를 처리하기 위한 데이터 프로세싱 블록(data processing block)의 블록 다이아그램이다. 상기 데이터 프로세싱 블록(380)은 차이신호(372, 374)를 수신하고, 식 (4)-(8)을 이용하여 유입 에어 스트림의 각도방향(384) 및 속도(382)를 계산한다.
도 8에 관련하여, 상기 제1,2 센서 어셈블리(216, 220)의 히터 에너자이저는 피드백을 갖는 활성회로이며, 상기 유입 에어 스트림의 순환온도 이상의 고정량인 히터온도를 유지하기 위하여 히터요소에 필요한 어떠한 전원(또는 전압)이라도 제공한다. 이는 각각의 센서에 대해 적당한 소음 대 잡음비(signal to noise ratio)를 유지하는데 도움이 되는 것을 포함하는 유리한 수를 갖는다.
센서의 신뢰성과 정확성을 증가시키기 위하여, 상기 히터요소들에 적용되는 전원(또는 전원)은 모니터링된다. 실시예에 도시한 바와 같이, 제1 센서 어셈블리(216)의 히터 에너자이저(366)는 바람직한 히터온도레벨에서 히터요소(360)의 온도를 유지하기 위하여 일반적으로 요구되는 전원을 표시하는 전원신호(390)를 제공한다. 제2 센서 어셈블리(220)도 전원신호(392)를 제공한다.
도 9에서, 상기 데이터 프로세싱 블록은 전원신호(390, 392)를 수신할 수 있으며, 에어스트림 속도에 대해 여분신호를 계산한다. 에어스트림의 속도가 증가할 때, 바람직한 히터온도레벨을 유지하기 위하여 요구되는 전원 또는 전압의 량도 증가된다. 또한, 히터요소들에 적용되는 전원(또는 전압)과 에어-스트림의 속도 사이에 관련성이 있다. 상기 관련성이 유입 에어 스트림의 방향에 대하여 상대적으로 독립한다. 상기 에어스트림의 속도가 전원(또는 전압)신호(390 및/또는 392)를 사용하는 것을 결정하고, 상기 센서요소들로부터의 차이 신호(373 또는 274)를 사용하는 것에 의해 정해지는 속도와 비교될 수 있다는 것을 예상한다. 실질적인 차이가 있다면 에러플래그(error flag) 400는 설정된다.
이에 더하여, 상기 전원(또는 전압)신호(390 및/또는 392)는 상기 히터요소(360)의 열전달 부하(heat transfer load)에서의 변화를 감지하도록 사용될 수 있다. 이러한 변화는 예를 들면, 비(rain), 진눈깨비(sleet) 및 얼음(ice) 또는 다른 이물질 또는 센서 상의 물질에 의해서 유발된다. 상기 열전달 부하가 변화하면, 유량 보정인자(a flow rate correction factor)가 상기 열전달 부하에서의 변화를 보상하기 위하여 산출될 수 있다는 것이 예상된다. 선택적으로, 상기 센서장치는 상기 열전달 부하가 예측범위로 되돌아올 때까지 기능이 억제된다.
선택적으로 그리고 또다른 실시예에서, 도 8의 상기 히터 에너자이저(366)는 히터요소(360)에서 일시상승온도상태를 제공할 수 있으며, 이는 교대로 상기 에어스트림에서 일시상승온도상태를 유발시킨다. 각 센서요소(362, 364)는 상기 에어스트림에서의 일시상승온도상태가 상응하는 센서요소에 도달할 때를 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 히터요소에서의 일시상승온도상태와 상기 센서요소들에서의 결과적인 일시상승온도상태사이의 시간지체는 상응하는 센서축을 따르는 에어스트림의 속도성분과 관련될 수 있다.
본 실시예에서, 각 마이크로브리지 플로우 센서(microbridge flow sensor)는 시간지체(time lag)값을 결정하기 위한 통신시간지연 콘트롤러(370)를 가질 수 있다. 하나의 시간지체 값은 히터요소(360)에서의 일시상승온도상태와 상기 상류센서요소(362)에서의 결과적인 일시상승온도상태 사이에서 시간지체 또는 지연(delay)에 대응할 수 있다. 또다른 시간지체 값은 히터요소(360)에서의 단기상승온도와 상기 하류센서요소(364)에서의 결과적인 단기상승온도 사이에서 시간지체 또는 지연(delay)에 대응할 수 있다.
제1 센서축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도 성분은 제1 마이크로브리지 유동 센서의 두 개의 시간지체 값을 사용하여 결정될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 센서축을 따라 연장되는 유입 에어 스트림의 속도 성분은 제2 마이크로브리지 유동 센서의 두 개의 시간지체 값을 사용하여 결정할 수 있다. 대응하는 센서축을 따라 유입 에어 스트림의 속도 성분을 결정하는 다른 기법 및 센서 구조들이 미국 특허 4,478,076, 미국 특허 4,478,077, 미국 특허 4,501,144, 미국 특허 4,651,564, 미국 특허 4,683,159, 미국 특허 5,050,429, "유체 속도를 측정하기 위한 시간지체 기법"의 제목으로 1997년 13월 31일 출원된 미국 특허 출원 09/002,157, "자기-오실레이션 유체센서"의 제목으로 1997년 12월 31일 출원된 미국 특허 출원 09/001,735, 및 "평 주파수 발진기와 FFT를 통한 유체 성질 및 흐름 측정방법"라는 제목의 1997년 12월 31일 미국 특허 출원 09/001,453 등에 개시되어 있다.
센서축을 따라 속도 성분을 결정하기 위해 사용되는 방법은 논외로 하고, 센서는 부가 전자기기 내에 드리프트(drift) 및 오프셋(offset)을 감소하기 위하여 주기적으로 영점 조절된다. 이는 예를 들어, 영 히터 입력 파워가 제공될 때 주기적으로 센서 출력을 기록하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이러한 센서 출력은 센서에 새로운 "영" 점을 확인하는데 사용된다.
도 10은 에어 스트림의 법선 방향 벗어남 각도(φ252)에 대한 유입 에어 스트림의 측정된 속도 성분, ΔGA 를 도시한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 유입 에어 스트림의 측정된 속도 성분, ΔGA 는 에어 스트림의 법선 방향 벗어남 각도(φ252)와 상기 식 1 및 2에서의 코사인 함수에 의해 관계되어 있다.
통상적인 마이크로브리지 유동 센서는 기판 및 브리지를 갖고, 브리지는 기판에 형성되는 캐비티를 넘어 연장된다. 상기 브리지는 상술한 바와 같이 통상적으로 히터 및 센서 요소를 지지한다. 통상적인 마이크로브리지 유동 타입 센서의 감도는 통상적으로 0.01에서 30 m/s (0.02 에서 60 knots) 범위의 유동에 적합하게 된다. 그러나, 비행 제어 적용과 같은, 몇몇 적용예에서 마이크로브리지 유동 타입 센서의 감도는 600m/s(1200 knots)의 범위까지의 유동에 적합해야 한다. 따라서, 몇몇 적용예에서는, 마이크로브리지 유동 센서의 감도는 감소되어야 하거나, 또는 그의 최고 유동 제한이 때로는 120배 또는 그 이상으로 확장되어야 한다. 이에 더하여, 많은 통상적인 마이크로브리지 유동 타입 센서가 가혹한 환경에서 견디기 충분할 정도로 내구성이 있지 않게 된다. 예를 들어, 많은 비행 제어 환경에서, 마이크로브리지 유동 타입 센서는 종종 강한 바람, 우박, 비 등을 포함하는 환경에서 견디어야 한다.
내구성을 향상시키고 통상적인 마이크로브리지 유동 센서의 감도를 감소시키는 하나의 방법은 브리지의 두께 "d" (162)(도 3 참조)를 증가시키는 것이다. 통상적인 마이크로브리지 유동 타입 센서에서, 브리지의 두께(162)는 1마이크론(micron) 정도 크기이다. 이러한 센서의 내구성을 향상시키기 위하여, 브리지의 두께 "d" (162)는 15 마이크론(micron) 또는 그 이상으로 증가될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 브리지의 두께 "d"(162)는 약 10 마이크론(micron)까지 증가할 수 있다.
브리지의 두께 "d"(162)가 증가할 때, 센서의 감도는 감소하고, 내구성이 증가하며, 응답 시간이 감소한다. 상술한 바와 같이, 비행 제어 응용과 같은 많은 적용예에서, 센서의 응답 시간은 10 밀리세컨드(ms)보다 작은 것처럼 상대적으로 낮게 남아있다. 그러므로, 이러한 열 센서는 상기와 같은 적용예에서 원하는 내구성과 응답 속도 모두를 제공하는데 잘 들어맞게 된다.
내구성을 높이고 브리지 센서의 감도를 줄이기 위한 다른 시도는 적어도 부분적으로 통상적인 마이크로브리지 유동 센서(752)의 캐비티(750)를 충전재(filler, 754)로 채우는 것이다. 이러한 실시예 중의 하나가 도 11에 도시되어 있다. 상기 충전재(754)는 바람직하게는 기판 재질(예를들어, 실리콘)과 거의 유사한 열팽창 계수를 갖고, 낮은 열 전도 계수를 갖는다. 일 실시예에서, 상기 충전재는 UV(자외선) 경화성 에폭시이다. 상기 충전재는 바람직하게는 벌집형, 늑재(肋材)로 보강된 형상 또는 양각형성된 형상 구조를 포함할 수 있다.
충전재(754)가 캐비티에 제공될 때, 센서의 감도는 낮아지고, 내구성은 증가하고, 응답시간은 증가한다. 많은 적용예에서, 응답 시간은 20 밀리세컨드(ms)보다 작도록 상대적으로 낮게 된다. 그러므로, 센서의 감도 및 내구성과 원하는 응답 시간 사이에서 균형을 이루게 된다.
도 12는 두개의 에폭시 충진 및 비충진 마이크로브리지 타입 유동 센서의 유동률에 대한 마이크로브리지 센서 출력을 도시한 그래프이다. 곡선(400)은 표준의 마이크로브리지 유동 센서를 사용하여 얻을 수 있었다. 곡선(402)은 에폭시를 충진한 마이크로브리지 유동 센서를 사용하여 얻을 수 있었다. 두 가지 경우에서, 히터 온도 상승은 약 30℃ 정도였다. 상기 그래프는 에폭시 충진이 신호 출력을 4배의 계수로 감소시키고, 그러므로 출력 커브를 높은 유동으로 옮기게 된다는 것을 보여준다. 이는 또한 4배 이상으로 전체 노이즈 레벨을 감소시키는 경향이 있다. 예로써 본 바와 같이, S/N 비는 비교할 수 있는 유동들보다 약 20%정도 증가된다.
도 13은 또한 내구성을 증가시키고 센서 어셈블리의 감도를 감소시키는 다른 시도를 보여준다. 이러한 시도에서, 히터(710) 및 센서 요소(712, 714)는 실리콘, Pylex 글라스, 세라믹, 또는 다른 가능한 기판과 같은 기판(716) 상에 직접 형성된다. 이러한 구성은 여기에서 마이크로 브릭(MicrobrickTM) 타입 유동 센서라고 언급된다. 상기 MicrobrickTM 타입 유동 센서는 통상적인 마이크로브리지 타입 센서의 캐비티 및 브리지가 없는 것이다. 에어 스트림이 히터 및 센서 요소의 양측면 주위로 흐르지 않기 때문에, 감도가 감소된다. 히터(710) 및 센서 요소(712, 714) 모두의 후방면이 기판에 의해 지지되기 때문에, 센서는 통상적인 마이크로브리지 타입 센서보다 좀더 내구성이 있게 된다. 상기 실시예에서, 보호층(도시하지 않음)이 히터 및 센서 요소의 상부 표면 위에 형성되어 감도를 감소시키고 센서의 내구성을 증가시키것을 추가적으로 도울 수 있다.
도 14는 마이크로브리지 및 MicrobrickTM 센서 어셈블리의 응답 시간을 도시한 그래프이다. 마이크로브리지 및 MicrobrickTM 타입 유동 센서들의 응답 시간은 상부 축 상에 도시된 에어 속도로 감소한다. MicrobrickTM 타입 유동 센서의 응답 시간은 마이크로브리지 타입 유동 센서보다 작으나, 이들 모두는 상대적으로 낮은 유동률에서도 빠른 응답 시간을 갖게 된다.
센서 어셈블리의 내구성을 보다 증가시키기 위해, 마이크로브리지 또는 MicrobrickTM 타입 유동 센서들의 I/O패드를 칩 외부의 요소 또는 패키지와 와이어 연결하는데 사용되는 골드(gold) 본딩 와이어가 웨이퍼 관통 접합(through-the-wafer(TTW) contact)으로 대체될 수 있다. 도 15A는 센서 칩을 헤더와 연결하는 골드 본딩 와이어를 사용하는 센서 어셈블리의 측 단면도이다. 유동 센서는 참조번호(700)이고, 이는 헤더(702)에 장착되어 있다. 구멍이 히터 또는 센서 요소(704)에 도달하도록 센서의 실리콘 질화물 층의 상부를 관통하여 절개된다. 이와 같이, 헤더(702)는 도시한 바와 같이 그를 통하여 연장되는 접촉부(706)를 가질 수 있다. 접촉부(706)를 히터 또는 센서 요소(704)와 연결하기 위하여, 골드 본딩 와이어(708)가 히터 또는 센서 요소(704) 및 접촉부(706)에 납땜 연결 공정을 사용하여 납땜 연결될 수 있다. 이러한 시도의 한정요소는 상기 골드 본딩 와이어(708)가 특히 가혹한 환경 하에서, 상대적으로 취약할 수 있다. 진동, 충격, 오염 및 다른 요인들이 상기 골드 본딩 와이어의 피로에 모두 기여할 수 있다.
도 15B에는 보다 향상된 시도가 도시되어 있다. 이 시도에서, 유동 센서는 참조번호(800)이고, 헤더(802)에 장착되어 있다. 골드 본딩 와이어를 사용하기보다, 본 실시예에서는 웨이퍼 관통(through-the-wafer, TTW) 접점(812)을 사용한다. 웨이퍼 관통(TTW) 접점은 센서 칩의 기판(814)을 관통하여 연장되는 접촉이 된다. 웨이퍼 관통(TTW) 접점(812)을 헤더(802)에 연결하기 위하여, 솔더 범프 또는 이와 유사한 것들이 제공된다. 솔더 범프는 바람직하게는 웨이퍼 관통(TTW) 접점(812) 및 접촉부(706)와 일치한다. 이는 센서 어셈블리들과 칩 외부의 요소들 사이의 높은 신뢰성 있는 연결을 제공한다. 또한 웨이퍼 관통(TTW) 접점(812)은 센서 칩의 모서리와 떨어져 있는 센서 요소들에 연결하는 것을 보다 용이하게 한다. 웨이퍼 관통(TTW)에 대한 추가적인 논의는 본 출원에서 참고문헌으로 제공한 미국 출원에서 찾아볼 수 있다.
상기 헤더(802)는 도시한 바와 같이 측벽(816)을 포함할 수 있다. 상기 측벽(816)은 바람직하게는 센서 칩(800)의 측면들을 따라 연장되어, 측벽(816)의 상부면(820)이 센서 칩(800)의 상부 표면과 실질적으로 정렬되어 있다. 이는 센서 칩(800)의 중요한 보호수단을 제공하게 된다.
몇몇 적용예에서, 센서(800)는 가혹한 환경에 노출된다. 이러한 적용예에서, 헤더(802)는 센서의 가혹한 환경과 헤더(802)의 다른 측면에의 보다 덜 가혹한 환경 사이에서의 도관(conduit) 또는 장벽으로써 사용될 수 있다. 도 15B에 도시된 실시예에서, 헤더(802)는 내강(lumen, 도시하지 않음)의 내부 벽에 대하여 밀봉하도록 장착된 O-링 밀봉재(822)를 포함한다. 이러한 구성에서, 헤더(802)는 센서의 가혹한 환경과 헤더(802)의 다른 측면의 덜 가혹한 환경 사이에서 장벽을 제공하며, 그 반면에 센서 신호를 헤더를 통하여 계속 제공하게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (52)

  1. 속도를 갖는 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 검출하기 위한 센서 어셈블리(210)에 있어서,
    제1 센서축(218)을 갖고, 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖는 제1 센서(216)로서, 상기 제1 센서축(218)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림의 속도 성분과 관련된 출력 신호를 제공하는, 상기 제1 센서(216);
    제2 센서축(222)을 갖고, 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖는 제2 센서(220)로서, 상기 제2 센서축(222)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림의 속도 성분과 관련된 출력 신호를 제공하는, 상기 제2 센서(220); 및
    상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372)와 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 결정하는 데이터 프로세서(380);를 포함하며,
    상기 제1 센서(216) 및 상기 제2 센서(220)는 상기 제1 센서축(218)이 상기 제2 센서축(222)과 한 점(224)에서 교차하도록 배치되는 센서 어셈블리.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 추가적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90도의 각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 관계식을 사용하여 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00009
    여기서, ΔGA = 제1 센서 출력 신호;
    ΔGB = 제2 센서 출력 신호; 및
    n = 커브 핏(fit) 계수
  5. 제 4항에 있어서,
    n은 1인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 식을 사용하여 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00010
    여기서
    Figure 112007081080705-pct00011
    ;
    B = 90 - A ; 및
    v = 유입 유체 스트림의 속도
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90도보다 작은 각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90-X 도의 각도로 교차하고, 여기서 X는 0보다 큰 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 식에 의해 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00012
  12. 속도를 갖는 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 결정하기 위한 센서 어셈블리에 있어서,
    상기 유입 유체 스트림(212)과 열적으로 연결된 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154)과 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖고, 상기 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)은 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154)의 측방향으로 이격되고, 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 상기 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152) 모두는 제1 센서축(218)에 수직으로 연장되고, 상기 제1 센서축(218)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도 성분과 관련되는 출력 신호를 제공하는 제1 마이크로브리지 유체 센서(216);
    상기 유입 유체 스트림(212)과 열적으로 연결된 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154)과 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖고, 상기 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)은 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154)의 측방향으로 이격되고, 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 상기 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152) 모두는 제2 센서축(222)에 수직으로 연장되고, 상기 제2 센서축(222)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도 성분과 관련되는 출력 신호를 제공하는 제2 마이크로브리지 유체 센서(220); 및
    상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)로부터의 출력 신호(372) 및 상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 결정하는 데이터 프로세서(380);를 포함하며,
    상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216) 및 상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)는 상기 제1 센서축(218)이 상기 제2 센서축(222)과 한 점(224)에서 교차하도록 위치하는 센서 어셈블리.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도를 추가적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90도의 각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 식을 사용하여 상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00013
    여기서, ΔGA = 제1 마이크로브리지 유동 센서 출력 신호;
    ΔGB = 제2 마이크로브리지 유동 센서 출력 신호; 및
    n = 비례(scaling) 계수
  16. 제 15항에 있어서,
    n=2인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 식을 사용하여 상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00014
    여기서
    Figure 112007081080705-pct00015
    ; 및
    B = 90 - A
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90도보다 작은 각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제1 센서축(218) 및 상기 제2 센서축(222)은 90-X도의 각도로 교차하며, 여기서 X는 0보다 큰 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서(380)는 하기의 식을 사용하여 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도(382)를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
    Figure 112007081080705-pct00016
  21. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)는, 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 각각에 일시적으로 상승된 온도를 제공하기 위해 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 각각에 연결된 히터 수단(360)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)의 상기 적어도 두 개의 신장된 센서 스트립(150, 152)들은 온도에 따라 변하는 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 유체 센서(216)는,
    선택된 신장된 히터 스트립(154)의 일시적으로 상승된 온도 상태와 그에 따른 적어도 두 개의 대응하는 신장된 센서 스트립(150, 152)의 일시적으로 상승된 온도 상태 사이의 지연값에 각각 대응하는 적어도 두 개의 시간지체 값을 결정하는 시간지체 수단(370); 및
    상기 적어도 두 개의 시간지체 값을 사용하여, 상기 제1 센서축(218)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림(212)의 속도 성분 ΔGA 를 결정하는 결정 수단;을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)는, 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립 각각에 일시적으로 신장된 온도 상태를 제공하기 위하여 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립 각각에 연결된 히터 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)의 상기 적어도 두 개의 신장된 센서 스트립은 온도에 따라 변하는 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 제2 마이크로브리지 유체 센서(220)는,
    선택된 신장된 히터 스트립의 일시적으로 상승된 온도 상태와 그에 따른 적어도 두개의 대응하는 신장된 센서 스트립의 일시적으로 상승된 온도 상태 사이의 지연값에 각각 대응하는 적어도 두 개의 시간지체 값을 결정하는 시간지체 수단; 및
    상기 적어도 두 개의 시간지체 값을 사용하여, 상기 제2 센서축을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림의 속도 성분 ΔGB 를 결정하는 결정 수단;을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  27. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 센서(216)는 기판(158) 및 브리지를 갖고, 상기 브리지는 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 상기 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 지지하고, 상기 기판(158)은 상기 브리지를 상기 기판과 분리하도록 상기 브리지 아래에 형성되는 캐비티(cavity)를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 브리지는 상기 기판(158)으로부터 적어도 부분적으로 열적으로 단열되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 브리지는 1에서 15 마이크론(micron) 범위의 두께(162)를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  30. 제 27항에 있어서,
    상기 캐비티(750)는 충전재(754)로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 충전재(754)는 상기 기판과 실질적으로 유사한 열 팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  32. 제 30항에 있어서,
    상기 충전재(754)는 열전도성이 낮은 전도체인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  33. 제 30항에 있어서,
    상기 충전재(754)는 UV 경화성 에폭시인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  34. 제 30항에 있어서,
    상기 충전재(754)는 벌집 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  35. 제 30항에 있어서,
    상기 충전재(754)는 늑재(肋材)로 보강된 또는 양각형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  36. 제 30항에 있어서,
    상기 센서(714) 및 히터 스트립(710)은 유리와 같이 낮은 열전도성 재료의 고체 기판(716)에 놓여 지는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  37. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 센서는 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립 상의 보호 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  38. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 센서의 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립은 웨이퍼 관통(through-the-wafer, TTW) 접점(812)을 통해 접촉하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  39. 제 38항에 있어서,
    상기 웨이퍼 관통(TTW) 접점(812)은 대응하는 헤더 상의 접촉부(706)와 짝을 이루는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  40. 제 39항에 있어서,
    상기 헤더는 밀봉재(822)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  41. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 마이크로브리지 센서의 상기 적어도 하나의 신장된 히터 스트립 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립은 와이어 본딩(708)을 통해 접촉하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  42. 제 12항에 있어서,
    상기 유체는 가스인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  43. 제 12항에 있어서,
    상기 유체는 공기인 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리.
  44. 속도를 갖는 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 검출하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖는 제1 센서(216)의 제1 축(218)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림(212)의 제1 속도 성분을 측정하는 단계;
    적어도 하나의 신장된 히터 스트립(154) 및 적어도 하나의 신장된 센서 스트립(152)을 갖는 제2 센서(220)의 제2 축(222)을 따라 연장되는 상기 유입 유체 스트림(212)의 제2 속도 성분을 측정하는 단계; 및
    상기 유입 유체 스트림(212)의 제1 및 제2 속도 성분으로부터 상기 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향을 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 축(218)은 상기 제2 축(222)과 한 점(224)에서 교차하는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  45. 제 44항에 있어서,
    상기 유입 유체 스트림의 속도를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  46. 제 45항에 있어서,
    상기 제1 축(218) 및 상기 제2 축(222)은 90도의 각도로 교차하는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  47. 제 46항에 있어서,
    상기 유입 유체 스트림(212)의 속도는 아래의 관계식을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
    Figure 112007081080705-pct00017
    여기서, ΔGA = 제1 열 마이크로풍속계 출력 신호;
    ΔGB = 제2 열 마이크로풍속계 출력 신호; 및
    n = 커브 핏(fit) 계수
  48. 제 46항에 있어서,
    n은 1인 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  49. 제 46항에 있어서,
    상기 유입 유체 스트림(212)의 각도 방향은 하기의 식을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
    Figure 112007081080705-pct00018
    여기서
    Figure 112007081080705-pct00019
    ;
    B = 90 - A ; 및
    v = 유입 유체 스트림의 속도
  50. 제 44항에 있어서,
    상기 제1 축(218) 및 상기 제2 축(222)은 90도보다 작은 각도로 교차되는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  51. 제 50항에 있어서,
    상기 제1 축(218) 및 상기 제2 축(222)은 90-X도의 각도로 교차하고, 여기서 X는 영보다 큰 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
  52. 제 51항에 있어서,
    상기 결정 단계는 하기의 식을 사용하여 상기 제1 센서(216)의 출력 신호(372) 및 상기 제2 센서(220)의 출력 신호(374)로부터 상기 유입 유체 스트림의 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 속도를 갖는 유입 유체 스트림의 각도 방향을 검출하는 방법.
    Figure 112007081080705-pct00020
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