(57)【要約】多機能センサーが記載されている。シリコンを基材とするセンサーは、中央のレジスタのうちの一つがヒーターである湿度感知ポリマーによって分離されている場合には、中央の対の近くのレジスタとして配置されている金属層を使用している。これは、温度、湿度、風速及び風向が測定されるのを可能にする。もう一つ別の実施形態においては、レジスタアレイが可撓性の基板上に印刷されて、センサーアレイが可撓性の基部に形成されている。葉の湿り気センサーとしても有用な土壌水分センサーは、新規な自己校正容量型センサー構造を組み入れられている。可撓性基板が、土壌内に挿入できる杭状に巻き込まれて、紙面の下ではセンサーが土壌水分を測定し、地面の上では、センサーは、温度、光、湿度、風速及び風向を測定することができるようになされている。
2006527356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
園芸及び農業用途のためのセンサーアレイであって、
ａ）可撓性の基板と、
ｂ）前記可撓性の基板上に印刷されるか又は取り付けられた温度センサー、湿度センサー、光センサー、風量センサー及び葉の湿り気センサーから選択された少なくとも１つのセンサーと、
ｃ）前記可撓性の基板上において前記少なくとも１つのセンサーから離れた位置に印刷された容量型の水分センサーと、
ｄ）前記可撓性の基板上に取り付けられ及び／又は印刷されたセンサーａ）及びｂ）のための支援電子部品と、
ｅ）前記可撓性の基板上に印刷されたアンテナと、を含んでいるセンサーアレイ。
【請求項２】
土壌水分又は葉の湿り気を測定するために使用することができる容量型センサーであって、各対のうちの一つが誘電層によって覆われた導電体からなり、各対の他方が頂部導電層を備えた同じ絶縁層によって覆われている導電体からなる少なくとも１つのセンサーパッドの対を含んでいる容量型センサー。
【請求項３】
土壌水分センサーであって、
ａ）土壌内へ挿入するための本体部分と、
ｂ）土壌と接触するようになされた前記本体部分の表面と、
ｃ）導電層によって連結された前記表面上の複数のセンサー位置とを含み、
ｄ）各センサーは、前記表面上に設けられた導電層と、該導電層上に設けられた誘電層とを含んでおり、
ｅ）キャパシタンスの上限値及び下限値を決定するために、一対のセンサーが使用され、
ｆ）各センサーに呼び掛け信号パルスを送り且つ戻り信号を記録する電子支援回路を更に含んでいる土壌水分センサー。
【請求項４】
環境センサーであって、
ａ）前面及び裏面が誘電層によってコーティングされたシリコンからなる基板と、
ｂ）前記基板上に設けられた第１の金属層と、
ｃ）前記第１の金属層上に設けられた水蒸気感知ポリマー層と、
ｄ）容量型湿度センサーを形成するために前記水蒸気感知ポリマー上に設けられた第２の金属層と、
ｅ）前記第２の金属層を覆っている絶縁層と、
ｆ）加熱要素と組み合わせた風量センサーを形成するために前記絶縁層上に対称的に配置された複数の抵抗とを含む環境センサー。
【請求項５】
請求項４に記載の環境センサーであって、
熱的に絶縁された膜を形成しているセンサー層の下方のシリコン層内にエッチピットをも含んでいる環境センサー。
【請求項６】
請求項４に記載の環境センサーであって、
前記誘電層が窒化珪素又は酸窒化珪素である環境センサー。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、マイクロセンサーを使用して温度、湿度、空気流及び土壌水分を含む環境パラメータを測定するためのセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第５０２９１０１号及び第５１１７３５９号は、温度、湿度及び風速を測定するための非一体性のセンサーアセンブリを開示している。
風量を測定するために加熱抵抗及び温度センサーを使用している風量センサーが公知であり且つ典型的には米国特許第５１０８１９３号及び第５７０８２０５号に開示されている。
【０００３】
米国特許第６０３５７１１号は、２つの測定回路と４つの加熱要素とを使用している風量センサーを開示している。
米国特許第４９６５６９８号及び第５０５４４３４号に開示されているように、湿度は、ポリイミドフィルムを使用してキャパシタンスの変化を測定することによって測定されて来た。
【０００４】
結合センサーもまた提案されて来た。米国特許第５９１８１１０号は、結合圧力及び電子化学センサーを開示している。米国特許第５９２９３４４号は、使用されるコンダクタの数を最少化する多数の抵抗温度センサーを開示している。
【０００５】
土壌センサーも提案されている。米国特許第５４２６４９号は、土壌水分センサーを開示している。米国特許第５８４１２８２号は、土壌導電率を測定するためのクールターのような地面係合装置に取り付けられる装置を開示している。米国特許第５９３３０１５号は、土壌密度及び水分を測定するために時間領域反射光測定を使用している。
【０００６】
マイクロデバイスにおいて一般的である容量センサーは、校正に関する問題点を有している。米国特許第６２０１３９９号は、校正のための直接測定センサーを使用することによってこの問題点を解決することを目的としている。ＷＯ９９／１０７１４号においては、異なる液体のために再校正を必要としない液体レベルを測定するために、２つのセンサー装置が開示されている。
【０００７】
農業、園芸及び建築のような用途においてワイヤレス形態で使用することができる低廉で控えめなセンサーの必要性がある。上に開示したセンサーは、通常は高価すぎてこのような用途に適していない。本発明は、種々のパラメータを検知するために使用することができ且つ配備及び維持を低廉に行うことができるセンサーを提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明は、
ａ）シリコン基板と、
ｂ）前記シリコン基板上に設けられた第１の金属層と、
ｃ）前記第１の金属層上に設けられた水蒸気感知ポリマー層と、
ｄ）容量型湿度センサーを形成するために前記水蒸気感知ポリマー上に設けられた第２の金属層と、
ｅ）前記第２の金属層を覆っている絶縁層と、
ｆ）風量センサーを形成するために前記絶縁層上に対称的に配置された４つの抵抗と、
を含んでいる環境センサーを提供している。
【０００９】
好ましくは、窒化珪素のような絶縁層がシリコン基板の表面にコーティングされ、前記第１の金属層が前記絶縁層上に蒸着される。好ましくは、前記第２の金属層はまた、ヒーターとしても機能する。この結合センサーは、温度、風向き、風速及び湿度を測定することができる。抵抗は、温度センサー及び加熱要素として機能することができる。環境温度は、ヒーター内を流れる電流が自己加熱を防止するほど十分に低いときに、センサーの幾つか又は全ての抵抗を測定することによって測定される。ヒーター内を流れる電流値が高い場合には、ヒーター温度は、雰囲気よりも著しく高くなり、ヒーターの抵抗変化が風速及び風向きの測定値を提供するデータを付与するヒーターアレイを横切る風量の測定値を提供する。２つの中心金属層間のキャパシタンスは、水蒸気感知ポリマー好ましくはポリイミド誘電層に影響を及ぼす湿度の変化に従って変化する。センサーの作動を制御し且つデータを補正する電子部品は、シリコンウェーハの裏面に配置され且つポリイミド又はポリカーボネートのような絶縁体によって封止されるのが好ましい。別の方法として、制御及びインターフェース電子部品をセンサーに接して配置させることができるが、窒化珪素及び／又はポリイミドのようなキャッピング層によって保護される。光センサー又はガスセンサーを含む他のセンサーをシリコン基板上に取り付けても良い。光センサーは、キャッピング層が可視光に対して透明である限り、フォトダイオードの形態のＣＭＯＳ回路に組み込んでも良い。
【００１０】
電子部品モジュールは、センサーからのデータが中央制御モジュールに伝えられるのを可能にするトランスミッタを含んでいるのが好ましい。このことは、センサー要素が再配線する必要なく再度位置決めすることができることを意味している。センサーは、バッテリ電源を含んでいても良く又はバッテリを再充電するか若しくは必要な電力を提供するために環境エネルギ採取装置を使用しても良い。このエネルギ採取装置は、光電セル又は電流を発生するために磁石若しくは圧電装置を使用している動作感知発電機又は渦電流を発生するために電力線に隣接して取り付けられている誘導装置を含んでいても良い。
【００１１】
このマイクロセンサーは、温度、光及び湿度を検知するための再配置可能な環境センサーとしてビルディングにおいて有用である。これはまた、収穫物内の環境条件を補正するために園芸及び農業においても有用である。このセンサーは、土壌水分センサー及び葉の湿り気センサーと組み合わせるのが好ましい。土壌水分又は葉の湿り気センサーは容量型センサーであっても良い。
【００１２】
本発明のもう一つ別の特徴においては、土壌水分又は葉の湿り気を測定するために使用しても良く、これは、各対のうちの一つが誘電層によって覆われた導電体からなり、各対の他方が頂部導電層を備えた同じ絶縁層によって覆われている導電体からなる少なくとも１つのセンサーパッドの対を含んでいる。この構造は、センサーの手動による校正が不要であるように基準キャパシタとして第２のセンサーパッドを提供するという利点を有している。
【００１３】
本発明の更に別の特徴においては、土壌水分センサーが提供され、該土壌水分センサーは、
ａ）土壌内へ挿入するための本体部分と、
ｂ）土壌と接触するようになされた前記本体部分の表面と、
ｃ）導電層によって連結された前記表面上の複数のセンサー位置とを含み、
ｄ）各センサーは、前記表面上に設けられた導電層と、該導電層上に設けられた誘電層とを含んでおり、
ｅ）キャパシタンスの上限値及び下限値を決定するために一対のセンサーが使用され、
ｆ）各センサーに呼び掛け信号パルスを送り且つ戻り信号を記録する電子支援回路を更に含んでいる。
【００１４】
このセンサーは、少なくとも第１及び第２の電極と、少なくとも１つの共通の基準電極とを含んでいるのが好ましい。第１及び第２のセンサー電極は、両方とも、誘電層によって覆われている導電領域によって構成されており、前記第２の電極は、次いで、該共通の電極に結合されるか又はそれに連続する部分であってもよい頂部導電層によって完全に覆われている。第２のセンサー電極は、誘電体の厚みの変化及び電子部品の変動のような製造変数に対して第１のセンサー電極を校正する自動校正を可能にするための基準キャパシタとして機能する。
【００１５】
理想的には、センサーは、基板上に導電性の電極を印刷し、次いで、両方の導電性電極を覆うように誘電層を印刷することによって可撓性のポリマー基板上に形成される。次いで、更に別の導電層が、測定のために使用される第１の電極のすぐ上の領域以外のセンサー全体の両面上に印刷される。この導電性領域はまた、センサー連結部（配線部）の全てをも完全に覆われなければならない。ダミーセンサーの配線を付加することによって更なる改良をなすことができる。配線は、他の２つのセンサーの配線（電極自体が存在しない）のものと表面領域において似ているべきである。この３つの部分からなるセンサーは、次いで、連結部と電子部品との寄生キャパシタンスについての情報を提供し、これは、次いで測定の質を更に改良するために使用することができる。第２の及び３つの部品からなるセンサーは、第１のセンサーのレンジの上限値及び下限値を設定するために使用することができる。これらの２つのセンサーは、多数の第１のセンサーを校正するために使用することができる。電極構造を再配置することによって、キャパシタンスの変化に依存する他のセンサーを作ることができる。例として、葉の湿り気センサーは、櫛型電極構造を使用することによって作ることができる。
【００１６】
結合土壌及び環境センサーは可撓性フィルム上に形成しても良い。
本発明の更に別の特徴においては、園芸及び農業用途のためのセンサーアレイが提供され、このセンサーアレイは、
ａ）可撓性の基板と、
ｂ）前記可撓性の基板上に印刷されるか又は取り付けられた温度センサー、湿度センサー、光センサー、風量センサー及び葉の湿り気センサーから選択された少なくとも１つのセンサーと、
ｃ）前記可撓性の基板上において前記少なくとも１つのセンサーから離れた位置に印刷された容量型の湿度センサーと、
ｄ）前記可撓性の基板上に取り付けられ及び／又は印刷されたセンサーａ）及びｂ）のための支援電子部品と、
ｅ）前記可撓性の基板上に印刷されたアンテナと、を含んでいる。
【００１７】
可撓性の基板は、支持構造上に取り付けることができ、又は別の方法として、地面に挿入することができる自己支持型杭状に折り畳み又は巻くことができ、その結果、土壌水分の容量型センサーが土壌と接触するようにし、その他のセンサーは地面の上へ持ち上げられるようにしても良い。他の種々のセンサーを基板と一体化するか又は別個に基板上に印刷しても良い。風量センサーは、垂直方向を向けられた基板の上で空気を動かす力及び方向を検知するように配置された一組の歪みゲージであっても良い。葉の湿り気センサーは、凝縮を受け入れるように配向され、一方、結合状態では、環境センサーは、土壌水分、温度、風量、湿度、光の状態及び葉の湿り気を含む収穫物の生産性に影響を及ぼし得る全ての関連するパラメータの規則正しい伝達された読み取り値を農業家又は園芸家に提供するであろう。
【００１８】
これらのセンサーはまた、火災警告センサーとして、森林地又は火災が起きやすい領域において使用しても良い。
本発明の結合された環境センサーはまた、これらのセンサーが容易に再配置することができるビルディング内で使用するようにすることもできる。
【００１９】
可撓性の基板によって支持されているセンサーは、スクリーン印刷技術によって製造することができるので、これらのセンサーは、それら自体が低廉な大量生産を援助し、結果的に比較的低コストであるという利点を有する。このことは、センサーを使い捨てにすることができることを意味している。
【００２０】
一つの好ましい実施形態においては、基板は、生分解性であって、農業において使用されるときに成長期の終わりに地面内へ鋤込まれ得るようにする。適切な材料としては、生分解性ポリエステル又は生分解性合成ポリマーとでんぷんとの混合物がある。適切なポリエステルとしては、ＮａｖａｍｏｎｔによるＭａｔｅｒ−Ｂｉ、ＢＡＳＦによるＥｃｏｆｌｅｘ及び昭和電工によるＢｉｏｎｅｌｌｅがある。多数のセンサーが使用される場合には、中央制御装置は、結合されたセンサーユニットの各々における個々のセンサーからの読み取り値を連続的に集めるための処理プロトコルを使用するようにプログラムすることができる。
【好ましい実施形態の説明】
【００２１】
以下、本発明のいくつかの好ましい実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１及び２に示されているように、導電層が可撓性のポリマー基板上に印刷されており、他の構成部品はこれに接着されている。このセンサーは、種々のセンサーのためのトランスミッタ及び回路を備えた一体化された電子部品マイクロコントローラ１１によって制御される。下面センサー１６は、土壌水分を評価するための容量型センサーと、塩分及び栄養分のためのセンサーとを含んでいる。上記の基本センサーとしては、光センサー１２、葉の湿り気センサー１３、湿度センサー１４及び代替的なマイクロエレクトロニック風量センサー１５がある。４つの基本方向に位置するように配列された歪みゲージ２０は、風速及び風向きを検知するために使用される。基板の頂部にはアンテナ２３が配置されており、巻き上げられた基板の内側には、バッテリ及び電源ユニットが保持されており且つ電源コネクタ２５を介してコントローラが接続されている。
【００２２】
センサーと支援電子部品とのアレイは、可撓性基板上に組み立てられている。基板上に形成されると共に連結部を提供する回路もまた、センサー電子部品及び検知面のいくつかをも形成している。センサーの一部を形成している能動材料は、接着、印刷、さもなければ蒸着によって基板に取り付けられている。フレキシブル回路は、製造され、試験され、平らな状態で供給されるか、巻き上げられるか、さもなければ使用時に能動的な形状に形成される。キャパシタ、インダクタ、トランスフォーマ、トランジスタ、バッテリ、アンテナを含む多くの構成部品を基板表面に形成することができる。土壌内に挿入されるセンサーアレイの場合には、特別な挿入工具がセンサーアレイを形成し且つ土壌内に挿入することができる。
【００２３】
図３においては、校正のために使用される付加的な電極は示されていない。図３を参照すると、土壌水分センサーのキャパシタンスは以下のように機能する。
・  Ｃ３はＣ２と直列に帯電され、その電荷はＲ２において消費される。
・  Ｒ２は、土壌の導電率に依存するが、通常の導電率の土壌に対しては無関係になる。
・  Ｃ３は、通常の導電率の土壌内では、Ｒ２によって効率良く消費される。
・  Ｃ１は、センサーの配線による固定キャパシタンスである。
・  Ｃ２は、土壌水分に応じて変化する。
種々の土壌水分に対して種々の帯電／放電が観測される。土壌内の水分の測定に対する容量の作用に依存する絶縁電極センサーは、製造及びその他の変数を補償するために何らかの方法を必要とする。このような変数の幾つかは、電極を覆っている絶縁体の厚みの変化及びシュミットトリガー入力回路におけるヒステリシスのレベルの変化である。変化は温度によっても起こる。土壌センサーにおいては、センサーの周囲の土壌内の（空隙のような）小さな局部的な変化は、誤った結果につながり得る。土壌水分センサー及び同じセンサーの葉の湿り気用の態様の場合には、適用される誘電体コーティングの変化もまたセンサーの感度及び水分に対する読み取りを生じるかも知れない。２つのセンサーを相互に近接して配置することによって、一方のセンサーは、両方のセンサーの共通の誘電体コーティングの頂面にそのプローブを覆うように配置された導電体の層を有することができる。この誘電体層は両方のセンサーに対して共通であるので、誘電体における如何なる変化も両方のセンサーに対して同様に影響を及ぼすであろう。このセンサーは、他のセンサーのための校正基準として機能する。
【００２４】
本発明において提案される使い捨てセンサーにおいては、製造コストは最少化されて各センサーの個々の校正は除外する必要がある。
本発明は、センサーによって測定されるキャパシタンス値の範囲を設定するために、多数のセンサーと基準センサーとを結合した使用によってこれらの問題点を解決している。
【００２５】
このセンサーは、種々の基板に対して導電性コーティング及び絶縁コーティングの自動印刷又は配置に対して適応したスクリーン印刷又はその他の技術を使用して製造することができる。図４に示されているように、導電層３１及び３２のスクリーン印刷塗料（銀３２及び添加されたグラファイト３１）及びポリエステルフィルム３５上のＵＶ硬化絶縁層３３のスクリーン印刷がセンサーを構成するために使用される。導電性塗料／インクの領域はセンサーキャパシタ電極のうちの一つを形成している。一方の側面のポリエステル基材３５によって及びセンサー電極及び連結部を覆ってスクリーン印刷されたＵＶ硬化絶縁体３３によって各々が土壌から絶縁されている。グラファイトが添加された塗料３１の導電層が、銀からなるメッシュ３２を覆うように適用されて大きな接地導電層を形成し且つ第１のセンサー電極３４の上を除くセンサーの前面及び後面に適用される。この層は、土壌から絶縁されていない状態のままとして、土壌がキャパシタの他方のプレートを形成するようにしても良いし又は土壌から絶縁しても良い。
【００２６】
上方及び下方の限界センサー電極／連結部３７，３８は、導電性インクによって印刷され且つその値が絶縁体の厚みに依存し且つ最大及び最少の可能なキャパシタンスの測定を可能にする基準キャパシタを形成している。
【００２７】
全てのセンサー電極連結線の面積が相互に類似するのを確実にするように注意が払われる。このことは、他の線に沿って印刷されるべき同様の大きさの余分の線の使用を可能にする。これは、漂遊配線キャパシタンス従って最小の起こり得るキャパシタンスを測定するために使用することができる。従って、最小値及び最大値は、実際のセンサーの読み取り値を調整し且つ評価するために使用することができる。この技術は、多数のセンサーの工場での校正の必要性を排除する。
【００２８】
一つの測定のために付加的なセンサーを使用することによって、各センサー電極からの読みを比較して、感知でき且つ比較可能な読みを有するもののみを使用して最終的な出力を形成することができる。
【００２９】
別の方法として、付加的なセンサー電極又はセンサー電極の群を土壌水分又はその他の変数のプロフィルを形成するように配列することができる。土壌水分センサーの場合には、６個の別個のセンサーを使用して土壌水分を測定することによって、土壌内の空隙及びその他の不連続部分の作用を補償することができる。この方法を使用すると、校正されたセンサーの列を整備することが容易である。更に別の変形例は、校正センサープローブか充電用レジスタを実際のセンサープローブよりも遙かに大きくするが、その他の回路を全て備えるようにしても良い。両方のセンサーを同時に作動させることによって、校正センサーのキャパシタは、その充電曲線の比較的真っ直ぐな領域内にとどまるであろう。センサーのキャパシタが何らかの予め設定された値に達すると、校正用キャパシタの値はサンプリングされ且つ読み取り値として出力されるために保持される。これは、両方のセンサーに作用する何らかの製造又はその他の変数を取り出すもう一つ別の方法である。
【００３０】
土壌水分を検知するために使用されるセンサーは、図１における参照符号１３のような葉の湿り気センサーとして容易に使用できるようにされる。
ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）論理は、特に、論理状態が変化しつつあるときにその下限電力条件として公知である。ＣＭＯＳ論理を使用することは、センサーを設計する際に利点を有する。呼び掛け（又はストローブ）パルスをこのようなセンサーに送ることによって、センサーは、測定期間に亘って電流を引き出し、次いで、ゼロ入力状態に戻るだけである。更に、使用していない間、センサーから電力を除去することによって最小化が可能であるが、複雑さが増すという不利な点を有し且つセンサーが安定するまで読み取りを遅らせる必要がある。
【００３１】
配線を節約するために、２以上のセンサーは共通の出力ラインを共有することができる。各センサーは、呼び掛けられたときに、共通の出力ラインにおけるそれ自体の出力状態を主張するために通常のゼロ入力状態へと反対状態に出力ラインを引っ張るであろう（コンピュータ論理におけるワイヤードＯＲと似ている）。唯一のセンサーを確保する適切な方法は、必要とされる如何なるときにも能動状態である。
【００３２】
センサーを起動させる方法：
・  結合状態のラインが特定のセンサーを特有の方法で特定する場合に、幾つかの入力ラインを一緒に使用することができる。センサーは、ライン上でそのコードを認識すると起動する。
【００３３】
・  各センサーのための特有の連続コード番号を担持することによって、特別なセンサーを起動させるために共通の連続入力ラインを使用することができる。
・  単一の入力ライン上のパルスをカウンタの入力に適用した。適用された入力パルスの各々がカウンタを増分させ、各センサーを順に起動させる。
【００３４】
・  第１のセンサーへの入力ライン上の単一のパルスが、当該パルスを起動させ、完了時に、次のセンサーに適用されて次のセンサー等を起動する新しいパルスを発生する。
図５は、植物管理システムを示している。このシステムは、個々の又は幾つかの群をなす植物に養分を与えている土壌内の水分及び栄養物のレベルを監視し且つ制御する。栄養分、温度及び湿度のための一体化されたセンサーが植物に隣接して土壌内に配置されている。使い捨て可能な又は使い捨てでなくても良い一体化されたセンサーが、それ自体の遠隔プログラム可能なマイクロコントローラを組み込んでいる供給微測測定弁ユニットを点滴／噴霧するように接続している。この植物管理ノードの各々は、土壌の状態を監視し且つ記憶されたプログラムに従って水分及び栄養分のレベルを調整する。通信、電力、水分及び幾つかの栄養分が、特別に形成されたケーブル／パイプを介して給送され、個々の管理ノードは単にケーブル／パイプ上にクランプして、全ての接続を一度に形成する。植物管理ノードの各々は、一体化し且つ遠隔制御されても良い中央制御ユニットからプログラムすることができる。
【００３５】
このシステムは、それ自体の組み込み電子部品及びマイクロ計量弁を介して個々の植物又は小群の植物に栄養分及び水分を供給することができる植物管理ノード（ＰＭＮ）に基づいている。これは、管理されている植物／植物類に隣接した土壌内に配置されたセンサーアレイを使用して、これらの養分のレベルを監視している。これは、栄養分及び水分条件は、多数のＰＭＮを監視する制御ユニットによって書き込まれ且つ読み取ることができるそれ自体のメモリ内に記憶される。電力及び通信は、各ＰＭＮに水分及び栄養分を給送するパイプ内に成形された唯一の配線の対によって送られる。このパイプはまた、水分及び別個の栄養分ばかりでなく上記した２つの配線のための幾つかのチャネルによって構成されている。
【００３６】
各ＰＭＮは、ケーブル上のユニットを閉じることによって水分及び栄養物のチャネルが適切なコネクタによって穿刺されて水分及び栄養分がＰＭＮに利用可能となるようにさせるように、クラムシェルとして構成されている。同様に、電力／通信の対もまた、適切なコネクタによって接続されている。ＰＭＮは、各々がそれ自体の入力に接続され且つ共通の出口につながっている幾つかの微測定弁又はポンプを組み入れている。このことによって、出口へ水分及び栄養分の制御された給送が可能になる。出口は、次いで、限定的ではないが、噴霧、点滴給送及び地下浸漬装置を含む種々の方法によってその植物に適用される。
【００３７】
各ＰＭＮは、製造時又は設置時に割り当てられるアドレスによって別個に特定される。これは、最初にパイプ／ケーブル上にクランプされたときか又は製造時に最初に始動されたときに、各ＰＭＮにアドレスを学習させることによって行うことができる。アドレスは、不揮発性のメモリ内に記憶することができる。別の方法として、アドレスは、製造時にマスクプログラムすることができる。このアドレスは、バーコード又は何らかの他の機械で読み取り可能なコードとしてばかりでなく人間特定符号を有する各ＰＭＮ上に表示すべきである。タイミング同期は、電力／通信ケーブルによって行うことができる。
【００３８】
土壌センサーは、各々が種々の化学物質及び水分のための特有のセンサーを収容している幾つかの形態とすることができる。これらの形態は、
・  果樹園及びブドウ園ばかりでなく、幾つかの育成用途のための長寿命の杭、
・  幾つかのインターフェース電子部品及びセンサースリップにつなぐ手段を収容している使い捨てでないペグ上にクリップされ、
・  水栽培のためには、センサーは、栄養液が循環するチューブ内に配置しても良い。
【００３９】
工場及び研究室内での使用のためには、センサーは、制御されているプロセスに適した種々の化学物質又は生物学的センサーを担持していても良い。ＰＭＮは、果樹園及びブドウ園用途における使用の容易性を高めるために及びＰＭＮのための支持部材を提供するためにクリップされるように土壌センサー杭のための設備を提供していても良い。ＰＭＮは、センサー杭上にクリップされており、パイプ／ケーブルにクランプされ及び地面内に押し込まれる。浸漬チューブを出口に接続し且つセンサーから離れているが植物の近くに配置されている。図６乃至８においては、一体化されたシリコンを基材とするセンサーが図示されている。多数センサーは、湿度、温度、風速（又は空気の流量）及び風向きを単一の基板上に結合している。センサーは、レジスタンス又はキャパシタンスの変化を観察することによって環境パラメータを測定し且つ低レベルの電力を使用する周期的な測定を容易にするためにマイクロプロセッサと直にインターフェースで連結されている。
【００４０】
湿度、温度及び風速センサー
図６に示されているように、シリコンウェーハは、最初に約１〜１．５ミクロンの厚みの低応力酸窒化珪素又は窒化珪素からなる誘電層１によって前面及び後面がコーティングされる。このウェーハの後面で誘電体内に窓が開けられている。容量型の湿度センサーの一つの電極として作用するように薄い金属膜が蒸着され且つパターンが形成される。次いで、湿度感知層６好ましくはポリイミドが蒸着され且つ光学的に規定される。次いで、第２の薄い金属膜が蒸着され且つ温度センサーの第２の電極を形成するようにパターンが形成される。次いで、第２の絶縁ポリマーフィルム好ましくはポリイミドが、蒸着され且つ光学的に規定される。次いで、第２の薄い金属膜が蒸着され且つ温度センサーの第２の電極を形成するようにパターン形成される。次いで、第２の絶縁ポリマーフィルム好ましくはポリイミドが、蒸着され且つ温度センサー電極と風量及び温度感知要素との間の絶縁を提供するように光学的に規定される。次いで、第３の金属膜が蒸着され且つ風量センサー及び雰囲気温度センサーのためのヒーターと温度検知レジスタとの両方として機能するようにパターン形成される。
【００４１】
酸窒化珪素又は窒化珪素によってコーティングされているシリコンが非等方的にエッチングされて、センサー層をアンダーカットしてこれらの層を熱的に絶縁された誘電層上に懸架されたままとするピットを形成する。裏面の誘電層は、その表面の如何なるエッチングをも防止する。
【００４２】
この装置は、中央ヒーター２と、第２の電極３と、一組の８つの周辺電極４と、窓５とを含んでいる。
この電極構造は、如何なる通常の形態をも採ることができる。採用される電極は、互いにかみ合った頂部及び底部の電極を備えた互いにかみ合った平行なプレート、頂部電極内に矩形穴の列を有する平行プレート、穴が開けられた頂部電極を備えた平行プレート、穴が開けられた頂部電極を備えた又は備えていない逆極と互いにかみ合わせられた平行プレートであっても良い。
【００４３】
温度は、雰囲気温度の測定値を付与するために、ヒーター電極の幾つか又は全ての抵抗を測定することによって検知される。これは、例えば、センサーを約０．５ｍＡの定電流源に接続すること及びレジスタの両端の電圧を測定することによって行うことができる。ニッケル及び白金のような金属が適切である。
【００４４】
湿度は、湿度によるポリイミドの誘電率の変化として２つの電極間のキャパシタンスの変化を測定することによって検知される。センサーは、発振器回路の一部分として接続されて、センサーのキャパシタンス値に従って周波数が変わる矩形波を形成する。
【００４５】
風速は、以下の２つの方法、すなわち、
（ａ）全てのヒーターの全レジスタンス及び結果的には平均温度を、一定の値好ましくは１００〜１５０℃に維持すること（この値を維持するのに必要とされる電力は風速を示す）によるか、
（ｂ）ヒーターに一定の電流を適用すること（ヒーターの両端の電圧低下は風速を示している）によるかのいずれかによって検知される。
【００４６】
風向きは、熱線風速計の原理に基づいている。電流がヒーターに流され、これらのヒーターの温度が雰囲気温度好ましくは１００〜１５０℃より高くまで上昇せしめられると、これは、風向きに依存して異なる温度に達するであろう。幾何学的に対向しているヒーター従ってレジスタンス、北−南及び東−西のヒーターの相対温度は、風向きを示すであろう。
【００４７】
図８Ａには若干異なる構造が示されている。熱的に絶縁された膜２を形成するために頂部の絶縁層１まで非等方的にエッチングされたシリコンウェーハ及びシリコンの裏面上の誘電層内に９つの窓が開けられている。中心膜上には、ポリイミドの層４及び次いで容量型の湿度センサーの頂部電極及び中心ヒーターの両方として機能する金属線５が続く金属プレートとして機能する８つの周辺膜上に蒸着されている。
【００４８】
図８Ｂは、風向センサーと、一連の接続部又はホイートストンブリッジとして配列されている４つの主要点センサーとを示している。
図６〜８のセンサーを製造するためのステップは、
ステップ１  マスク１
シリコン基板上の窒化珪素
・  シリコン基板全体の前面及び背面の両方に窒化珪素の層（≒１．５μｍの厚み）を蒸着する
・  前面に窒化物の膜を形成するために端部をエッチングして除去されるシリコンを露出させるために裏面に設けられた窒化珪素内に窓を開ける
ステップ２  マスク２  図９参照
湿度センサーの底部電極−ニッケル
スパッタリングによって（≒１．５μｍの厚み）のニッケルを蒸着する
・  写真印刷によってパターンを形成する
スピンフォトレジストは、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つフォトレジストを現像する。フォトレジストによって覆われていないニッケルをエッチングする。フォトレジストを剥ぎ取る。
ステップ３  マスク３  図１０参照
湿度検知誘電層−ポリイミド
スピンポリイミド（≒０．４μｍの厚み）は、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つポリイミドを現像する。
ポリイミドを熱硬化させる（３５０℃）
ステップ４  マスク４  図１１参照
水分を拡散させるための穴を備えた第２番目の誘電層−ポリイミド  
スピンポリイミド（≒０．４μｍの厚み）は、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つポリイミドを現像する。
ポリイミドを熱硬化させる（３５０℃）
ステップ５  マスク５  図１２
湿度センサーの頂部電極−ニッケル
・  スパッタリングによってニッケルを蒸着する（≒０．１５μｍの厚み）
・  写真印刷によってパターンを形成する
スピンフォトレジストは、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つフォトレジストを現像する。フォトレジストによって覆われていないニッケルをエッチングする。フォトレジストを剥ぎ取る。
ステップ６  マスク３  図１３参照
絶縁層−ポリイミド  スピンポリイミド（≒０．４μｍの厚み）が、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つポリイミドを現像する。
【００４９】
・  ポリイミドを熱硬化させる（３５０℃）
ステップ７  マスク６  図１４参照
風速／風向センサーのためのヒーター−ニッケル
・  熱蒸発によってニッケルを蒸着する（≒０．４μｍの厚み）
・  写真印刷によってパターン形成する
スピンフォトレジストは、写真印刷によって示されたマスクによってパターンを形成し且つフォトレジストを現像する。フォトレジストによって覆われていないニッケルをエッチングする。フォトレジストを剥ぎ取る。
ステップ８  マスク１  図１５参照
裏面−見ることができる窒化珪素膜の下側にエッチングされた穴（背面図）
・  シリコンをエッチングして、最初に窓を開けることによって形成されるＴＭＡＨ又はＫＯＨとする
ＮＢ：前面構造はＯ−リング又は樹脂コーティングによって腐食液からシールされている。
上記から、当業者は、本発明は比較的低コストのセンサーを提供するために大量生産技術を使用して作ることができる環境センサーを提供することができることがわかるであろう。当業者は、本発明の中心的な教示から逸脱することなく想到することができる他の実施形態及び方法を実現できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、可撓性の基板上の多数センサーのレイアウトの概略図である。
【図２】図２は、杭形態に巻き込まれた形態の多数センサーを示している概略図である。
【図３】図３は、図１の多数センサーにおいて使用されている容量型の湿度センサーの動作を示す概略図である。
【図４】図４は、印刷された土壌センサーを形成している層の概略図である。
【図５】図５は、図１及び２のセンサーアレイを使用している植物管理装置の概略図である。
【図６】図６は、シリコンを基材とする温度、風量及び湿度センサーの概略図である。
【図７】図７は図５の側面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図５のセンサーの回路図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図５の風速／風向及び温度センサーのための代替的な電気回路の概略図である。
【図９】図９は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１０】図１０は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１１】図１１は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１２】図１２は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１３】図１３は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１４】図１４は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【図１５】図１５は、図６に図示されたセンサーを製造するために使用されるマスクを示している図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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