(57)【要約】  センサデバイスは、基板上のパターン内に離間して配置される。各センサ素子は、電気的に接続され、各センサ素子によって独立して測定される物理的変数は、外部機器によって記録及び／又は表示可能である。センサ素子が、負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタ等の温度検出素子である場合、センサデバイスは、温度検出デバイスである。あるいは、センサ素子が、ピエゾ抵抗素子又はフォトレジスタを含む場合、センサデバイスは、歪み若しくは圧力検出デバイス、又は光学イメージングデバイスである。センサ素子は、共通ソースに接続される、即ちライト・オール−リード・ワン構成に接続されてもよく、共通出力に接続される、即ちライト・ワン−リード・オール構成に接続されてもよく、ライトＸ−リードＹ構成において、Ｘ行とＹ列とを備えるアレイに接続されてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上のパターン内に配置された離間したセンサ素子のアレイを備え、
各センサ素子は、抵抗部品を備えると共に、電気的に接続され、各センサ素子によって独立して測定された物理的変数が、外部機器によって記録及び／又は表示可能である、センサデバイス。
【請求項２】
前記センサ素子は、温度検出素子であり、
前記センサデバイスは、温度検出デバイスである、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項３】
前記温度検出素子は、温度依存抵抗器である、請求項２に記載のセンサデバイス。
【請求項４】
前記温度検出素子は、負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタである、請求項３に記載のセンサデバイス。
【請求項５】
前記センサ素子は、ピエゾ抵抗素子を含み、
前記センサデバイスは、歪み又は圧力検出デバイスである、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項６】
前記センサ素子は、フォトレジスタを含み、
前記センサデバイスは、光学イメージングデバイスである、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項７】
少なくとも１つのセンサ素子は、直列の温度に依存しない測定抵抗器を含む、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセンサ素子は、直列の温度に依存しない負荷抵抗器と、並列の温度に依存しないシャント抵抗器と、を含む、請求項７に記載のセンサデバイス。
【請求項９】
前記センサ素子は、共通ソースに接続される、即ちライト・オール−リード・ワン構成で接続される、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１０】
前記センサ素子は、共通出力に接続される、即ちライト・ワン−リード・オール構成で接続される、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１１】
前記センサ素子は、ライトＸ−リードＹ構成において、Ｘ行とＹ列とを備えるアレイに接続される、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１２】
個々の前記センサ素子の位置及び／又はサイズは、前記センサデバイスが、温度プロフィール、又は別の物理的変数のプロフィールが測定されるべき対象物のサイズ、形状及び形態に適合できるように選択される、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１３】
前記基板は、フレキシブルであるか、又は測定されるべき対象物の形状に適合する、請求項１２に記載のセンサデバイス。
【請求項１４】
前記センサ素子は、測定された物理的変数の表示において、使用中に、マッピングされたパターン内に配置されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１５】
基板上に印刷されたセンサ素子を含むセンサアレイを備える、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１６】
温度に依存しない抵抗器、導電体トラック及び絶縁体を含むがこれらに限定されるものではない前記センサアレイの他の部品はまた、前記基板上に印刷される、請求項１５に記載のセンサデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、温度検出デバイス等のセンサデバイス、及びそのセンサデバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
多くのアプリケーションでは、工学、医療、包装、輸送などの多様な分野において、比較的大きな対象物（例えば、液体用のコンテナ又は食料品を含むパッケージ）の温度分布に関する定量的情報を得ることが望ましい。
【０００３】
現在、この目的のために用いられている最も一般的な方法は、対象物から放射される熱放射をデジタルカメラによって記録する赤外線又は可視のサーモグラフィである。いくつかのアプリケーションにとって、非接触の測定法は、利点を有しているが、これは、例えば、外部放射、視界の悪さ、及び視野の曖昧さ、材料の透明性、放射率の変化、及び反射率の変化等の要因によって、不利になることがある。したがって、対象物に良好に直接熱接触するセンサを使用することが好ましい場合がある。通常、このセンサは、平坦でない面に取り付け可能なフレキシブルな又は形状適合するセンサアレイのいずれかが求められている。
【０００４】
現在、対象物を直接温度測定する必要があるとき、個々の個別部品が、対象物に取り付けられるか、又は接触して保持される。使用されるセンサは、熱電対か、又はより多くの場合、サーミスタ等の抵抗デバイスのいずれかである。構成で、等しく重要なことは、例えば、シェーンベルガー（Ｓｃｈｏｎｂｅｒｇｅｒ）の米国特許第６０７７２２８号で述べられている装置のように、フレキシブルマルチセンサアレイの電気接続が複雑かつ高価になり得ることである。
【０００５】
本発明の目的は、代替のマルチセンサ温度検出デバイスを提供することである。
【発明の概要】
【０００６】
本発明によれば、基板上のパターン内に配置された離間したセンサ素子のアレイを備え、各センサ素子は、抵抗部品を備えると共に、電気的に接続され、各センサによって独立して測定される物理的変数が、外部機器によって記録及び／又は表示可能である、センサデバイスを提供する。
【０００７】
センサデバイスは、センサ素子が温度検出素子である場合、温度検出デバイスであってもよい。
【０００８】
温度検出素子は、温度依存抵抗器を備えてもよい。
【０００９】
好ましくは、温度検出素子は、負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタを備えてもよい。
【００１０】
あるいは、センサデバイスは、センサ素子がピエゾ抵抗素子又はフォトレジスタを含むことができる場合、歪み若しくは圧力検出デバイス、又は光学イメージングデバイスであってもよい。
【００１１】
前述の少なくとも１つのセンサ素子は、少なくとも１つの直列の温度に依存しない測定抵抗器を含んでいてもよい。
【００１２】
前述の少なくとも１つのセンサ素子は、直列の温度に依存しない負荷抵抗器と、並列の温度に依存しないシャント抵抗器と、を含んでもよい。
【００１３】
一実施形態において、センサ素子は、共通ソースに接続される、即ちライト・オール−リード・ワン構成で接続されてもよい。
【００１４】
別の実施形態において、センサ素子は、共通出力に接続される、即ちライト・ワン−リード・オール構成で接続されてもよい。
【００１５】
さらに別の実施形態において、センサ素子は、ライトＸ−リードＹ構成において、Ｘ行とＹ列とを備えるアレイに接続されてもよい。
【００１６】
個々のセンサの位置及び／又はサイズは、センサデバイスが、温度プロフィール（又は別の物理的変数のプロフィール）が測定されるべき対象物のサイズ、形状及び形態に適合可能なように選択されてもよい。
【００１７】
基板は、フレキシブルであるか、又は測定される対象物の形状に適合してもよい。
【００１８】
センサ素子は、測定された物理的変数の表示において、使用中に、マッピングされたパターン内に配置されてもよい。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態は、センサアレイが、基板上に印刷されたセンサ素子を含むことである。
【００２０】
好ましくは、温度に依存しない抵抗器、導電体トラック及び絶縁体を含むがこれらに限定されるものではないセンサアレイの他の素子は、また、基板上に印刷される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明に係る温度検出デバイスの単一の抵抗検出素子回路の動作原理を示す概略図である。
【図２】図２は、共通ソース又は共通出力のいずれかに接続することができる個別の複数のセンサ素子を備える温度検出アレイの例示的な実施形態の平面図である。
【図３】図３は、各センサのための共通電位源と１つの出力とを有し、個々にアドレス指定された抵抗センサのアレイを備える例示的な実施形態の概略図である。
【図４】図４は、各センサのための共通出力と別々の電位源とを有し、個別にアドレス指定された抵抗センサのアレイを備える例示的な実施形態の概略図である。
【図５】図５は、各センサが独立して切替可能な電圧源と出力とを有する抵抗センサのアドレス指定可能なパッシブ・マトリックス・アレイのライトＸ−リードＹを備える例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
説明の目的のため、本発明は、主に温度検出デバイスを参照して説明する。しかしながら、例えば、歪み、圧力、又は光検出デバイスのための検出デバイスが、本発明の他の実施例であることが理解される。
【００２３】
本明細書で述べられている本発明の温度検出デバイスは、一般にサーミスタとして知られている温度依存抵抗器、及び温度に依存しない固定抵抗器のネットワークから構成される比較的大きな面積の熱画像センサである。本明細書において、特に関連するものは、一般的にＮＴＣサーミスタとして知られている、抵抗の負温度係数を有するサーミスタであり、これは、温度の上昇に伴い、ほぼ指数関数的に電気抵抗値が減少するものである。
【００２４】
したがって、本発明の一態様は、温度検出アレイに配置された複数のサーミスタであって、センサが個別にアドレス指定されるか、又は行と列とのマトリックスにアドレス指定された、サーミスタを提供する。（同様に、本発明は、ピエゾ抵抗素子又はフォトレジスタに限定されることなく、他の抵抗センサを使用することもでき、歪み及び圧力マッピング又は光学イメージング等の他のアプリケーション用の類似のセンサアレイとすることも可能である。）
【００２５】
この一般的なタイプの既存のサーミスタは、化合物半導体材料と、ガラスフリット等のバインダ材料との粉末からなるペーストで構成されている。このペーストは、セラミック基板上に印刷されたスクリーンか、又は素地を形成するためのキャストのいずれかであり、その後、それが高温で焼結され、多数のレイヤー又は半導体材料のボディを形成する。常に、厚膜サーミスタの場合において、熱処理時の歪みがあるので、正確な抵抗値を得るために、メタライゼーション前に材料を更にトリミングすることが必要とされる。
【００２６】
使用される製造プロセスは、紙及びポリマーフィルムなどの軽く、フレキシブルな多くの材料の使用を排除し、使用可能な基板材料に制限を加える。従来においては、サーミスタの製造用に使用される厚膜インクは、硫化鉛などの重金属硫化物及び又はテルル化物で構成され、有害物質（ＲＯＨＳ）に関する欧州規制等の現代の法律に準拠していない。近年導入された代替材料は、マンガン酸化物等の希土類と遷移金属酸化物との混合物の組成物を含む。シリコンをベースにしたサーミスタは、通常、高濃度にドープされたシリコンウェハから切り出され、抵抗の正温度係数を有している。
【００２７】
これらの製造方法は、大面積の又はフレキシブルなセンサアレイにおける従来のサーミスタの使用に対応していない。したがって、ＰＣＴ／２０１１／０５４００１において我々によって述べられているタイプの印刷されたデバイスが好ましい。特に、印刷された負温度係数サーミスタの使用が期待される。
【００２８】
本発明は、個別電子部品のアレイに適用することができるが、多くのそのようなセンサのアレイの構成は、サイズ、柔軟性、及び消費電力（自己発熱につながる）に対する深刻な課題に直面する。
【００２９】
ＰＣＴ／ＩＢ２０１１／０５４００１に記載されているように、アプリケーションの要件に応じて、センサが印刷された基板は、剛性又は可撓性を有していてもよい。センサアレイの同様の他の要素が、温度に依存しない抵抗器、導電体トラック及び絶縁体に限定されずに含まれており、これらは基板材料の上に印刷されてもよい。いくつかの一般的に知られている印刷プロセス、例えば、プリント電子機器産業又は厚膜電子機器産業に適用されるスクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷及びインクジェット印刷等が用いられてもよい。あるいは、シェーンベルガー（Ｓｃｈｏｎｂｅｒｇｅｒ）の米国特許第６０７７２２８号に述べられているやり方と同様に電子部品アセンブリ産業で使用される任意の適切な方法によって、個別部品が基板材料に固定され、互いに接続されてもよい。
【００３０】
ＮＴＣサーミスタの代わりとして、正温度係数（ＰＴＣ）サーミスタ又は抵抗温度デバイス（ＲＴＤ）が、センサ素子として使用されてもよい。ＰＴＣサーミスタは、従来の無機半導体であってもよく、又は国際公開第２０１２／００１４６５号でパンダらによって述べられているように、半導体ポリマーから製造されてもよい。同様に、ＲＴＤは、例えば、ワイヤー又は金属の薄膜を適切な寸法に形成する等のいくつかの既知の方法によって製造されてもよい。あるいは、ＲＴＤは、高抵抗の印刷されたトラックから形成されてもよい。
【００３１】
サーミスタの代わりにＲＴＤを使用する欠点は、第一に、ＲＴＤの抵抗値とその温度依存性とが、アレイの検出素子に接続される導電体トラックのものと同等であること、第二に、温度に伴う抵抗値の相対的変化が、サーミスタのものと比べて小さいことである。
【００３２】
本発明は、センサ素子を形成するために用いられる材料の電気伝導性の変化を誘発するために使用できる任意の量の位置分解測定に同様に適用されてもよい。既知のパラメータとして、使用される材料がピエゾ抵抗素子であれば、力及び歪みを含み、材料が光導電性を示すのであれば、光を含む。あるいは、例えば、センサ内のナノ粒子への官能基の付加又は半導体ポリマーのドーピングレベルの変化によって、材料がその周辺環境の化学種と相互作用させることができる場合、センサアレイは、以下に記載するように、化学的マップを生成するために使用できる。
【００３３】
図１は、サーミスタ又はＲＴＤ１２を利用する単一のセンサ１０を備える最も一般的な電気回路を示している。回路は、測定された電圧範囲の絶対値と温度感度とを調整する温度依存抵抗値の決定を可能にするために直列に接続された固定抵抗器と、及び任意の追加の直列抵抗器及び並列抵抗器とを組み込んでいる。したがって、抵抗値ＲＴの温度依存抵抗器１２に加えて、回路は、抵抗値ＲＭの少なくとも１つの固定測定抵抗器１４、抵抗値ＲＬの任意の固定負荷抵抗器１６、及び抵抗値ＲＳの任意の固定シャント抵抗器１８を含む。後者の抵抗器は、温度に依存しない。
【００３４】
電位Ｖが端子２０に印加されたとき、測定抵抗器１４での電位差ＶＭは、中央端子２２で測定することができる。あるいは、サーミスタ１２での電位差ＶＴが２つの中央端子２４と２２との間で測定することもできる。負荷抵抗器１６が回路内に存在しない場合においては、端子２０及び２４は、回路内で等価点である。
【００３５】
印加電位Ｖを基準に測定された２つの電位差は、次のとおりです。
【００３６】
【数１】
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【００３７】
【数２】
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【００３８】
ＮＴＣサーミスタでは、温度が大きくなると、ＲＴが減少し、ＶＭが増大する。したがって、正の温度応答が、ＶＭの測定で得られる。同様に、ＰＴＣサーミスタでは、温度の増大に伴って、ＶＴが増大する。両方の場合において、固定抵抗器の存在は、電圧範囲及び出力感度を定義するために役立つ。固定抵抗器は、測定点におけるセンサ素子に含まれる温度に依存しない抵抗器であってもよいし、遠隔位置で一定温度に維持した他の抵抗器であってもよい。
【００３９】
印加電位の変動の影響を最小限に抑えるためには、入力に対する出力電位の比を測定することが好ましく、更に、予想される平均温度で、この比が約半分となるように、固定抵抗器を選択することが望ましい。
【００４０】
図２は、本発明に係る温度センサの例示的な実施形態の平面図である。センサは、２３個の温度センサ２８が印刷されたアレイを備え、これらの温度センサは、基板３０上に堆積され、基板３０の下端で、０．１”ピッチを有して、それぞれが共通端子３２に接続され、印刷された銀トラック３６を介して独立端子３４に接続され、カードエッジコネクタ３８に接続される。個々のセンサ２８は、それぞれ約２５ｍｍ角を有し、銀接点を有する櫛型デザインに印刷されたサーミスタであり、ＰＣＴ／ＩＢ２０１１／０５３９９９に開示されているように、活物質は、シリコンナノ粒子の印刷可能な組成物で構成されている。この例における基板は、１８０ｇｓｍの板紙であり、デバイスは、デバイス用の保護外層４０を定義するために１００ミクロンのＰＥＴフィルムでラミネートした。
【００４１】
しかしながら、個々のセンサの位置又はサイズに制限はなく、温度プロフィールを測定するべき対象物のサイズ、形状及び形態に適合させたデザインにすることができる。例として、異なる位置で異なる空間分解能を必要とする不規則な形状の容器又は反応容器の温度プロフィールの決定を検討する場合がある。
【００４２】
以下で説明する最初の２つの実施形態のそれぞれにおいて、入力端子（又は複数の入力端子）２０及び中央端子（又は複数の中央端子）２２での電位は、データ収集システム（ＤＡＱ）に統合されているアナログ−デジタル変換器を用いて測定される。同様に、ソース電位Ｖは、ＤＡＱのデジタル出力チャンネルから得られる。データの記録、温度の計算、及びそれらの視覚的表示は、ノートブック・パーソナル・コンピュータ及び、モバイル通信デバイス（例えば、携帯電話、タブレット・コンピュータ、及び個人情報端末）等のハンドヘルド・デバイスを含む任意の適切なタイプのコンピュータを用いて行われる。あるいは、任意の適切なマイクロプロセッサは、専用の記録装置に統合することができる。
【００４３】
ソフトウェアキャリブレーションを用いれば、検出回路では固定測定抵抗器１４を含むことが必要なだけである。最初の２つの実施形態では、これらは、比較的一定温度の領域において、ＤＡＱへの入力に配置された標準１％の精度の１／４Ｗの金属膜抵抗器である。センサの温度依存抵抗値は、以下の通りである。
【００４４】
【数３】
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【００４５】
実施形態１では、図３に示すように、各サーミスタ１２の共通端子２０は、ソース電位Ｖに接続され、独立端子は、共通グランドへの独自の固定測定抵抗器１４と直列に接続されている。次に、各独立端子２２は、ＤＡＱのアナログ入力に接続される一方で、ソース電位が共通デジタル出力によって提供される。セットアップは、共通ソース、又はライト・オール−リード・ワンと表されている。
【００４６】
実施形態２では、共通出力、即ちライト・ワン−リード・オールで表すことができ、図４に示すように、各サーミスタ１２のそれぞれは、１つの独立した測定抵抗器１４に接続されている。この実施形態が実施形態１に勝る点は、異なるサーミスタの不規則なパターンに対して、測定抵抗器が、興味のあるその特定の温度で各センサの読み取りに最適な値、即ち、その特定の温度でＲＭがＲＴとほぼ等しい値に合わせることができ、それはセンサアレイによってモニタされる領域によって異なってもよい。
【００４７】
上記の実施形態の両方において、例えば、それぞれ個々に設けられたサーミスタが、共通グランドに加えて２つの独立した電気接続を必要とするシェーンベルガー（Ｓｃｈｏｎｂｅｒｇｅｒ）の公知の先行技術よりも配線をシンプルにしているという点だけでなく、製造容易さという点で、明らかな技術的利点を表している。
【００４８】
好ましい態様として、より高い解像度のイメージング用途にも適用可能である実施形態３が、図５に示されている。抵抗センサ１２のアレイは、前の実施形態と同様に、基板上の、台形又は六角形であってもよいが、好ましくは矩形又は正方形である規則的なパターン内に配置されていることが好ましい。さらに、パターンが、それぞれの個々のセンサの位置、サイズ、及び形状を含み、測定された温度の表示において正確にマッピングされている場合、この実施形態は、センサの不規則なアレイに等しく適用することができる。各センサは、規則的な矩形アレイにおけるＸ行に対応する、ＤＡＱの独立したデジタル出力２２の一方の側に接続されている。各センサの他方の側は、測定抵抗器１４を介して共通グランドに接続されており、各センサの中央端子２２は、ＤＡＱの独立したアナログ入力に接続されている。これらの接続は、長方形アレイにおけるＹ列に対応している。したがって、機械的セットアップは、パッシブ・マトリックス・アレイを形成する。パッシブ・マトリックス・アレイは、動作原理がライトＸ−リードＹとして表すことができる。この実施形態では、必須ではないが、印刷されたサーミスタのアレイと個別部品とを組み合わせるよりもむしろ測定抵抗器と導電体トレースの両方だけでなく温度依存抵抗器を印刷することが望ましい。
【００４９】
上記の３つの実施形態は、同様に、抵抗温度センサ、例えば、ＮＴＣサーミスタ、ＰＴＣサーミスタ若しくはＲＴＤ、又はいくつかの他の抵抗センサ等のいくつかの組み合わせに適用することができる。例えば、フレキシブルな又は形状に適合する基板上のピエゾ抵抗センサのアレイが、曲面上の圧力プロフィール又は複雑な形状を有する構造要素上の歪みプロフィールを決定し、表示するために使用され得る。同様に、光導電性素子のアレイは、光、赤外線又は紫外線撮像に使用することができる。
【００５０】
上記のようなセンサは、モニタされる対象物よりも熱い又は冷たい第２対象物の接近を検知することができるという更なる利点を有する。したがって、そのようなセンサは、アラーム機能又は、タッチパネルなどの制御機能等を提供する。
【００５１】
同じ動作原理は、出力が電位であるセンサ素子のアレイに拡張することができる。一例として、熱電電位が発生し、かつ金属インクを使用して印刷できる熱電対のアレイがある。他の例として、機械的及び光学的又は放射線検出のための圧電又は光起電力素子のアレイがある。この場合、各素子は電圧源であり、外部ソース及び固定抵抗器を必要としない。しかしながら、各素子は、静電容量の温度依存変化に基づく温度センサアレイに関する欧州特許出願公開第２３８５３５９号明細書でハドウィン（Ｈａｄｗｉｎ）らによって述べられた方法と同じ方法で、独立して、分離スイッチ（トランジスタであってもよい）に接続されなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2015513068.tif 000011
2015513068.tif 000012
2015513068.tif 000013