(57)【要約】入射気流の速度および角度方向の両方を測定する堅牢性の高いマイクロセンサアセンブリを開示する。マイクロセンサアセンブリは、少なくとも２つのフローセンサを備え、それぞれ入射気流の異なる速度成分を測定するように向き付られている。速度成分は、センサ間の幾何形状により関係づけられ、入射気流の角度方向および速度は測定された速度成分を調べることにより決定される。好ましいセンサは、苛酷な環境で動作するように設計された、バック接点を有する完全不動態化熱差マイクロアネモメータである。
2004507753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度を有する入射流体流の角度方向を検出するセンサアセンブリであって、
第１のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分に関係する出力信号を供給する第１のセンサ軸を有する第１のセンサと、
第２のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分に関係する出力信号を供給する第２のセンサ軸を有する第２のセンサと、
第１のセンサ軸が第２のセンサ軸とある点で交差するように配置されている第１のセンサおよび第２のセンサを備え、
第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から入射流体流の角度方向を決定する決定手段を備えるセンサアセンブリ。
【請求項２】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から入射流体流の速度をさらに決定する、請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が約９０度の角度で交差する請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から関係、
【数１】
2004507753.tif 000011
ただし、
ΔＧＡ＝第１のセンサ出力信号、
ΔＧＢ＝第２のセンサ出力信号、
ｎ＝カーブフィット係数、
を使用して入射流体流の速度を決定する、請求項３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項５】
ｎがほぼ１に等しい、請求項４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項６】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から関係、
【数２】
2004507753.tif 000012
ただし、
【数３】
2004507753.tif 000013
Ｂ＝９０−Ａ、
ｖ＝入射流体流の速度、
を使用して入射流体流の角度方向を決定する、請求項４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項７】
入射流体流の角度方向が、センサアセンブリを垂直平面に沿って装着することにより航空機の飛行姿勢に関係づけられる、請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項８】
入射流体流の速度が航空機の飛行速度に関係づけられる、請求項２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項９】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が９０度未満の角度で交差する請求項１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１０】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が、０よりも大きいＸについて９０−Ｘの角度で交差する請求項９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１１】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から関係、
【数４】
2004507753.tif 000014
を使用して入射流体流の速度を決定する、請求項９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１２】
速度を有する入射する流体の流れの角度方向を検出するセンサアセンブリにおいて、
共に入射流体流と熱連絡している少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板を備え、少なくとも１つの細長いセンサ板は少なくとも１つの細長いヒータ帯から横方向に離間され、少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板は共に第１のセンサ軸に少なくとも実質的に垂直に延びている、第１のマイクロブリッジフローセンサであって、第１のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分に関係する出力信号を供給する第１のマイクロブリッジフローセンサと、
共に入射流体流と熱連絡している少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板を備え、少なくとも１つの細長いセンサ板は少なくとも１つの細長いヒータ帯から横方向に離間され、少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板は共に第２のセンサ軸に少なくとも実質的に垂直に延びている、第２のマイクロブリッジフローセンサであって、第２のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分に関係する出力信号を供給する第２のマイクロブリッジフローセンサとを備え、
第１のマイクロブリッジフローセンサおよび第２のマイクロブリッジフローセンサが、第１のセンサ軸が第２のセンサ軸とある点で交差するように配置され、
第１のマイクロブリッジフローセンサの出力信号と第２のマイクロブリッジフローセンサの出力信号から入射流体流の角度方向を決定する決定手段を備えるセンサアセンブリ。
【請求項１３】
決定手段が、第１のマイクロブリッジフローセンサの出力信号と第２のマイクロブリッジフローセンサの出力信号から入射流体流の速度をさらに決定する、請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１４】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が約９０度の角度で交差する請求項１３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１５】
決定手段が、第１のマイクロブリッジフローセンサの出力信号と第２のマイクロブリッジフローセンサの出力信号から関係、
【数５】
2004507753.tif 000015
ただし、
ΔＧＡ＝第１のマイクロブリッジフローセンサ出力信号、
ΔＧＢ＝第２のマイクロブリッジフローセンサ出力信号、
ｎ＝倍率、
を使用して入射流体流の速度を決定する、請求項１４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１６】
ｎ＝２である、請求項１５に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１７】
決定手段が、第１のマイクロブリッジフローセンサの出力信号と第２のマイクロブリッジフローセンサの出力信号から関係、
【数６】
2004507753.tif 000016
ただし、
【数７】
2004507753.tif 000017
Ｂ＝９０−Ａ、
を使用して入射流体流の角度方向を決定する、請求項１６に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１８】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が９０度未満の角度で交差する請求項１３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項１９】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が、０よりも大きいＸについて９０−Ｘの角度で交差する請求項１８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２０】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から関係、
【数８】
2004507753.tif 000018
を使用して入射流体流の速度を決定する、請求項１９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２１】
第１のマイクロブリッジフローセンサが、少なくとも１つの細長いヒータ帯のそれぞれにおいて過渡的温度上昇状態をもたらすために少なくとも１つの細長いヒータ帯のそれぞれに接続されたヒータ手段を備える、請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２２】
第１のマイクロブリッジフローセンサの少なくとも２つの細長いセンサ板が温度とともに変化する抵抗を有する請求項２１に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２３】
第１のマイクロブリッジフローセンサがさらに、
それぞれ選択された細長いヒータ帯内の過渡的温度上昇状態から少なくとも２つの対応する細長いセンサ板内の得られる過渡的温度上昇状態までの遅延に対応する少なくとも２つのタイムラグ値を決定するタイムラグ手段と、
少なくとも２つのタイムラグ値を使用して第１のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分ΔＧＡを決定する決定手段を備える請求項２２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２４】
第２のマイクロブリッジフローセンサが、少なくとも１つの細長いヒータ帯のそれぞれにおいて過渡的温度上昇状態をもたらすために少なくとも１つの細長いヒータ帯のそれぞれに接続されたヒータ手段を備える、請求項２３に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２５】
第２のマイクロブリッジフローセンサの少なくとも２つの細長いセンサ板が温度とともに変化する抵抗を有する請求項２４に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２６】
第２のマイクロブリッジフローセンサがさらに、
それぞれ選択された細長いヒータ帯内の過渡的温度上昇状態から少なくとも２つの対応する細長いセンサ板内の得られる過渡的温度上昇状態までの遅延に対応する少なくとも２つのタイムラグ値を決定するタイムラグ手段と、
少なくとも２つのタイムラグ値を使用して第２のセンサ軸に沿って延びる入射流体流の速度の成分ΔＧＢを決定する決定手段を備える請求項２５に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２７】
第１のマイクロブリッジセンサが基板とブリッジを備え、ブリッジは少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板を備え、基板にはブリッジを基板から分離するためブリッジの下に空洞が形成されている、請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２８】
ブリッジが少なくとも一部は基板とから断熱されている請求項２７に記載のセンサアセンブリ。
【請求項２９】
ブリッジが１〜１５ミクロンの範囲の厚さを有する請求項２８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３０】
空洞が少なくとも実質的に充填物で埋められている請求項２７に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３１】
充填物が、基板と実質的類似した熱膨張係数を有する請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３２】
充填物が、不十分な熱伝導体である、請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３３】
充填物がＵＶ硬化エポキシである請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３４】
充填物がハニカム形状である請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３５】
充填物がリブ付きまたはエンボス形状である請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３６】
センサおよびヒータ帯がガラスなど熱伝導が低い材料の固体基板上に蒸着されている請求項３０に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３７】
第１のマイクロブリッジセンサが保護コーティングを少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板の上に施している請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３８】
スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点を介して第１のマイクロブリッジセンサの少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板に接触する請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項３９】
スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点が、ヘッダ上の対合する羽目合い接点支柱と対合する請求項３８に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４０】
ヘッダがシールを含む請求項３９に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４１】
ワイヤボンドを介して第１のマイクロブリッジセンサの少なくとも１つの細長いヒータ帯と少なくとも１つの細長いセンサ板に接触する請求項１２に記載のセンサアセンブリ。
【請求項４２】
流体が気体である請求項１２に記載のセンサ。
【請求項４３】
流体が空気である請求項１２に記載のセンサ。
【請求項４４】
速度を有する入射する流体流の角度方向を検出する方法であって、
第１の軸に沿って延びる入射流体流の速度の第１の成分を測定するステップと、
第２の軸に沿って延びる入射流体流の速度の第２の成分を測定するステップと、
第１の軸がある点で第２の軸と交差するステップと、
入射流体流の速度の第１の成分と第２の成分から入射流体流の角度方向を決定するステップを含む方法。
【請求項４５】
さらに入射流体流の速度を決定するステップを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
第１の軸および第２の軸が約９０度の角度で交差する請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
入射流体流の速度が、
【数９】
2004507753.tif 000019
ただし、
ΔＧＡ＝第１の熱マイクロアネモメータ出力信号、
ΔＧＢ＝第２の熱マイクロアネモメータ出力信号、
ｎ＝カーブフィット係数、
の関係を使用して決定される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４７】
ｎがほぼ１に等しい、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
入射流体流の角度方向が、
【数１０】
2004507753.tif 000020
ただし、
【数１１】
2004507753.tif 000021
Ｂ＝９０−Ａ
ｖ＝入射流体流の速度、
の関係を使用して決定される、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が９０度未満の角度で交差する請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
第１のセンサ軸および第２のセンサ軸が、０よりも大きいＸについて９０−Ｘの角度で交差する請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
決定手段が、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号から関係、
【数１２】
2004507753.tif 000022
を使用して入射流体流の速度を決定する、請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（同時係属出願の相互参照）
本出願は、すべて本発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれる「Ｔｉｍｅ　Ｌａｇ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００２１５７号、「Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１７３５号、「Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｖｉａ　ａ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ＦＦＴ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１４５３号、「Ｒｕｇｇｅｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ」という名称の１９９８年１２月７日に出願された米国特許出願第０９／２０７１６５号に関連している。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は一般に、入射気流の特性の測定に関するものであり、より詳細には、入射気流の速度と入射角度の測定に関するものである。
【０００３】
入射気流の速度および入射角度の測定には、多数の応用分野があり、たとえば、航空管制応用分野、工業プロセスの流れに関する応用分野、燃焼制御、天候監視応用分野などがある。航空管制応用分野では、入射気流に関する航空機の正確な向きまたは姿勢、さらに空気の速度が、現代のフライト制御システムで使用される総合的な「エアデータ」情報パッケージの重要な構成要素となっている。
【０００４】
大抵の場合、空気の速度は上部圧力と静圧との差を感知することによって検出され、ピトー管を使用することが多い。この手法は、かなりの費用をかけて非常に正確な差圧センサまたは２つの絶対圧力センサを使用した場合に、約６０キロノットを超える速度のときにうまく機能する。通常、航空機の向きまたは姿勢を検出するには、さらにセンサを追加する必要がある。
【０００５】
航空機の姿勢を検出する方法の１つに、ベイントランスデューサを使用する方法があり、これは、羽根の両側で圧力または空気速度が釣り合う向きを検出する複数の機械式回転羽根を備えている。得られた羽根の向きを検出することにより、航空機の姿勢を求めることができる。このようなセンサシステムの限界は、機械式回転羽根によりセンサの信頼性および応答時間が低下することが多いことである。さらに、ほとんどのベイントランスデューサは、比較的大きなレーダー横断面を有し、これは軍事的応用分野などの多くの応用分野では望ましくない。
【０００６】
（発明の概要）
本発明は、入射気流の速度と角度方向の両方を測定できる堅牢なマイクロセンサアセンブリを備えることにより従来技術の欠点の多くを克服する。マイクロセンサアセンブリは、それぞれ入射気流の異なる速度成分を測定するように向けられている少なくとも２つのフローセンサを備えることが好ましい。速度成分には、センサ間の幾何形状が関係する。入射気流の角度方向および速度は、測定済みの速度成分を調べることにより決定することができる。このようなマイクロセンサは、応答時間が短く、比較的小さなレーダー横断面を備えることができる。本発明のマイクロセンサにはさまざまな応用分野があり、たとえば航空管制応用分野、工業応用分野、天候監視応用分野などがあると考えられる。
【０００７】
本発明の例示的な一実施形態では、センサアセンブリは第１のセンサと第２のセンサを備える。第１のセンサは、第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定する。第２のセンサは、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定し、第１のセンサ軸は第２のセンサ軸から回転され、第２のセンサ軸とある交点で交差する。
【０００８】
第１のセンサおよび第２のセンサの出力から、入射気流の角度方向および速度を求めることができる。動作中、気流の角度方向が１つの方向で逸れた場合、第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分が上昇し、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は低下する。同様に、気流の角度方向が反対方向に逸れた場合、第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は低下し、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は上昇する。第１のセンサと第２のセンサによって測定した速度成分を調べ、センサ間の相対的なジオメトリを使用することにより、気流の角度方向を求めることができる。
【０００９】
好ましくは、第１のセンサおよび第２のセンサは共に、入手可能なマイクロブリッジフロータイプセンサなどの薄膜マイクロアネモメータであり、それぞれ少なくとも１つの長いヒータ素子と少なくとも１つの長いセンサ素子を備え、共に入射気流と熱連絡している。長いヒータ素子およびセンサ素子は、関連するセンサ軸に対し垂直方向に配置されるのが好ましい。たとえば、第１のマイクロブリッジフローセンサの長いヒータ素子およびセンサ素子は第１のセンサ軸に対して垂直方向に配置され、第２のマイクロブリッジフローセンサの長いヒータ素子およびセンサ素子は第２のセンサ軸に対して垂直方向に配置されるのが好ましい。
【００１０】
第１および第２のマイクロブリッジフローセンサのヒータ素子は、共通または別個のヒータエネルギー源によって付勢される。ヒータエネルギー供給源により、それぞれの長いヒータ素子に高温状態が発生し、次に、隣接する上流および下流センサ素子に高温状態が発生し、さらに気流内にも高温状態が発生することが好ましい。薄膜ブリッジ付近の温度分布は、空気の流れがない場合、ヒータ素子を中心に対称的に伝達され、空気の流れがある場合には外乱される。外乱の大きさは、対応するセンサ軸に沿った気流の速度に比例する。
【００１１】
第１および第２のマイクロブリッジフローセンサのセンサ素子は、温度とともに変化する抵抗を有することが好ましい。したがって、第１のマイクロブリッジフローセンサのセンサ素子を使用して、第１のマイクロブリッジフローセンサのヒータ素子によってもたらされる温度分布を感知することができる。同様に、第２のマイクロブリッジフローセンサのセンサ素子を使用して、第２のマイクロブリッジフローセンサのヒータ素子によってもたらされる温度分布を感知することができる。
【００１２】
より具体的には、また例示的な一実施形態では、一方のセンサ素子をヒータ素子の上流に配置し、他方のセンサ素子を下流に配置する。次に、ヒータ素子を、気流の周囲温度を超えるあらかじめ定められた量だけ加熱する。気流が正である場合、上流センサ素子は冷却され、ヒータ素子から下流のセンサ素子への熱伝導が促進される。その結果、下流のセンサ素子の温度は上昇し、センサ素子間の温度差が現れる。この温度差は、対応するセンサ軸に沿った気流の速度成分に比例する。
【００１３】
別法として、また例示的な他の実施形態では、ヒータエネルギー供給源により、それぞれの長いヒータ素子に過渡的高温状態が発生し、次に、気流内に過渡的高温状態を発生する。それぞれのセンサ素子は、温度とともに変化する抵抗を有することが好ましいか、これを使用して、対応するセンサ素子に気流内の過渡的高温状態が到達したときにそのことを感知することができる。ヒータ素子内の過渡的高温状態からセンサ素子内の得られる過渡的高温状態までのタイムラグは、対応するセンサ軸に沿った気流の速度成分に比例する。
【００１４】
この実施形態では、それぞれのマイクロブリッジフローセンサはタイムラグ値を求めるための対応するタイムラグ検出器を備えることができる。ヒータ素子の過渡的高温状態から第１の（たとえば、上流の）センサ素子の得られる過渡的高温状態までのタイムラグつまり遅延に対応するタイムラグ値がありえる。また、ヒータ素子の過渡的高温状態から第２の（たとえば、下流の）センサ素子の得られる過渡的高温状態までのタイムラグに対応するタイムラグ値もありえる。
【００１５】
第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は、第１のマイクロブリッジフローセンサの２つのタイムラグ値を使用して求めることができる。同様に、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は、第２のマイクロブリッジフローセンサの２つのタイムラグ値を使用して求めることができる。対応するセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を求めるための例示的な他の方法およびセンサ構成は、すべて本発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込む米国特許第４４７８０７６号、４４７８０７７号、４５０１１４４号、４６５１５６４号、４６８３１５９号、５０５０４２９号、「Ｔｉｍｅ　Ｌａｇ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００２１５７号、「Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１７３５号、「Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｖｉａ　ａ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ＦＦＴ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１４５３号で開示されている。
【００１６】
ヒータエネルギー源は、入射気流の周囲温度よりも一定温度だけ高くヒータ温度を維持するためにヒータ素子に必要な電力または電圧を供給するフィードバック付の能動回路であることが好ましい。これにより、マイクロブリッジセンサのそれぞれの適切な信号対雑音比を維持することができる。
【００１７】
センサの信頼性および精度を高めるために、ヒータ素子に加える電力または電圧を監視することができる。ヒータ素子用の電力または電圧を使用して、気流速度の冗長信号を送ることができる。気流の速度が上昇するにつれ、ヒータ素子の温度を気流の周囲温度よりも一定温度だけ高く維持するために必要な電力または電圧の量も増加する。したがって、ヒータ素子に加えられる電圧または電力と気流の速度との間には何らかの関係がある。この関係は、入射気流の方向には比較的依存しない。ヒータ素子の電力または電圧信号を使用して気流の速度を求めた後、これをセンサ素子を使用して求めた速度と比較することができる。かなりの違いがある場合、エラーフラグが立てられる。
【００１８】
さらに、それぞれのヒータ素子に供給される電力または電圧を使用して、ヒータ素子の熱伝達負荷の変化を検出することができる。このような変化は、たとえば、雨、みぞれ、氷、埃、その他の異物または物質がセンサに付着することで生じることがある。熱伝達負荷が変化した場合、熱伝達負荷の変化を補正するため流量補正係数を計算できると考えられる。それとは別に、熱伝達負荷が予想される範囲に戻るまでセンサ装置を無効にしておくこともできる。
【００１９】
従来のマイクロブリッジフローセンサの堅牢性を高め脆弱性を低減するために、ブリッジおよび／またはブリッジとして適用できる保護コーティングを厚くすることが考えられる。従来のマイクロブリッジフローセンサのブリッジの厚さは１ミクロン程度であることが多い。このようなセンサの堅牢性を増すために、ブリッジの厚さを１５ミクロン以上に引き上げることが考えられる。一実施形態では、「ブリッジ」の厚さを約１０ミクロンにする。「ブリッジ」が厚くなるにつれ、センサの脆弱性と応答時間が悪化し、出力信号が減少するが、Ｓ／Ｎ（信号対雑音）比は実質的に同じままである。したがって、センサの堅牢性の度合い、応答時間、感度にはバランスがある。熱アネモメータの飽和信号に達することなく高質量流体を感知するには、フローセンサの「感度を下げる」か、または測定可能流速または質量流速を高いほうの値に効果的に移動することが望ましい。
【００２０】
従来のマイクロブリッジフローセンサの堅牢性を高めるとともに、高質量の流れの感度を上げる方法として他に、従来のマイクロブリッジフローセンサの空洞を少なくとも一部は充填物で埋めるという方法がある。充填物により、気流はヒータ素子およびセンサ素子の両側の回りを流れることがなくなり、ヒータ素子とセンサ素子との熱接触が増え、その両方のため、フローセンサの感度が下がる。また充填物は、ブリッジを支える機能も有し、したがって、従来のマイクロブリッジタイプのセンサに比べて堅牢な構造にすることができる。
【００２１】
充填物は、その熱膨張係数が基板の材料（多くの場合シリコン）の熱膨張係数と実質的に似た値であることが好ましい。充填物はまた、不十分な熱伝導体であるのが好ましい。一実施形態では、充填物は紫外線硬化エポキシである。充填物は、必要ならばその形状をハニカム、リブ付き、またはエンボスとすることも考えられる。
【００２２】
従来のマイクロブリッジフローセンサの堅牢性を高め、感度を下げる他の方法として、ヒータ素子とセンサ素子を直接基板（たとえば、パレイックスガラス）に形成する方法がある。これにより、従来のマイクロブリッジタイプのセンサの空洞およびブリッジがなくなり、これをＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプのフローセンサと呼ぶ。入射気流はヒータ素子とセンサ素子の両側の回りを流れないので、感度が下がる。さらに、ヒータ素子とセンサ素子の両方の後ろ側が基板によって支えられているため、センサは従来のマイクロブリッジタイプのセンサに比べて堅牢性が高まっている。
【００２３】
最後に、従来のマイクロブリッジフローセンサの要素を外付けコンポーネントに接続するために使用する細いトロリ線をスルーザウェハ（ＴＴＷ）接点で置き換えることが考えられる。これにより、脆弱な導電性のワイヤまたはパッドを場合によっては伝導性である汚染流体または流体流剪断力に晒す必要がなくなるためセンサの信頼性が向上する。
【００２４】
本発明の他の目的および本発明の付随する利点の多くは、類似の参照番号が図全体を通して類似の部分を示す付属の図面に関して考察したときに以下の詳細な説明を参照することで理解しやすくなることは容易に分かるであろう。
【００２５】
（発明の詳細な説明）
そこで本発明は、入射気流の速度および／または角度方向を測定することができるマイクロセンサシステムを対象とする。マイクロセンサシステムは、応答時間が短く、比較的小さなレーダー横断面を備える。本発明のマイクロセンサシステムにはさまざまな応用分野があり、たとえば航空管制応用分野、工業応用分野、天候監視応用分野などがあると考えられる。本発明の好ましい実施形態では、入射気流内に少なくとも２つのセンサを配置することを考案している。第１のセンサは第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定し、第２のセンサは第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定する。第１のセンサおよび第２のセンサの出力から、入射気流の角度方向および速度を求めることができる。
【００２６】
第１のセンサおよび第２のセンサは、顕微サイズのヒータおよび曲がりくねったセンサストリップを備えるマイクロセンサであることが好ましい。このようなマイクロセンサまたは「マイクロブリッジ」は、ここでそう呼んでいるように、ただしそれには限られないが、今のところ好ましいものであり、それは反応が高速で、正確で、小さく、さまざまな構成に対応できるからである。
【００２７】
マイクロブリッジセンサ
たとえば、本発明の好ましい特定の実施形態において考察されているマイクロブリッジ半導体チップセンサは、すべてが本発明による共通の譲受人のものである米国特許第４４７８０７６号、４４７８０７７号、４５０１１４４号、４６５１５６４号、４６８３１５９号、４９９４０３５号、および５０５０４２９号に示されている１つはまたは複数のマイクロブリッジシステムの形態に似ている。
【００２８】
このようなシステムの例は、Ａａｇａｒｄ　ｅｔ　ａｌの米国特許第４９９４０３５号から抜粋した図１、２に示されている。その例は、本発明を理解するうえで役立つのでここで説明する。この説明は必要な範囲において十分であると思うが、引用したマイクロブリッジ関連特許に含まれる追加資料は、参照により本発明に組み込まれるものとみなす。
【００２９】
図１、２の従来技術のシステムでは、薄膜温度センサ２２および２４のペア、薄膜ヒータ２６、および底部基板に接触しないようにセンサとヒータを支える支持部材２０を考察している。センサ２２および２４はヒータ２６の反対側に配置されている。支持部材２０は、高精度のエッチング手法に適応をできることと、電子チップ生産の容易さから選択した半導体、好ましくはシリコンとする。実施形態では、温度センサとして機能する２つの同一の蛇行薄膜温度感知抵抗２２および２４、ヒータとして動作する中央に配置された蛇行薄膜ヒータ抵抗器２６を使用する。
【００３０】
センサ２２および２４およびヒータ２６は、適当な安定した金属または合金膜で作成できる。使用する金属は、白金または組成がニッケル８０％、鉄２０％のパーマロイとも呼ばれるニッケル鉄合金とすることができる。センサおよび蛇行ヒータは、通常、膜部材を形成するため層２８および２９からなる誘電体、好ましくは、窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４の薄膜にカプセル化される。
【００３１】
図１および２で、センサは２つの薄膜部材３２および３４を備え、部材３２はセンサ２２を備え部材３４はセンサ２４を備え、各部材はヒータ２６の半分を備え、好ましい寸法は幅約５０ミクロンおよび長さ４００ミクロンである。
【００３２】
さらにシステムは、素子２２、２４、および２６を効果的に囲む正確に定義された流体空間または空洞３０を記述し、このシステムはシリコン面３６上に構造を作成することにより実現される。図に示されている従来技術の構造については、薄膜素子２２、２４、および２６は厚さが約０．０５から０．１２ミクロンで、線幅は５ミクロン程度であり、線間領域は５ミクロン程度である。窒化珪素膜カプセル化を有する素子は全体の厚さが約０．８ミクロン以下である。流体領域３０は、その後、部材３２および３４の下のシリコン本体または基板２０の中に約１００ミクロンの深さで正確に定義された流体領域をエッチングすることにより製作することができる。
【００３３】
部材３２および３４は、半導体本体２０の上面３６の空洞または流体領域３０の１つまたは複数のエッジに接続する。部材３２および３４を空洞３０の上に差し渡すことができ、またそれとは別に、たとえば、部材３２および３４を空洞３０の上に片持ちばりにできる。
【００３４】
図１、２に示されているシステムでは、固体および流体カップリングの両方を間に入れることにより熱がヒータからセンサに流れる。注目すべきは、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）は、良い電気絶縁体であるが、効果的な固体熱絶縁体でもあるという事実である。部材３２および３４内の接続している窒化シリコン膜は良い絶縁体なので、固体を通る熱の伝達はヒータ２６からの熱の伝播を左右しない。このためさらに、支持している窒化物膜を通るのではなく周囲流体を通る流れによりヒータの抵抗器２６から感知抵抗器２２および２４へに伝導する熱の相対量が高まる。さらに、支持窒化シリコン膜は、熱伝導率が十分に低く、蛇行感知抵抗器２２および２４は蛇行発熱抵抗器２６のすぐ隣にまたは並列して配置することができる。したがって、蛇行感知抵抗器２２および２４は実際には、流体領域の近似的ヒータ抵抗器２６内に堅く釣り下げられ、熱プローブとして動作して、蛇行ヒータ抵抗器２６の近くおよび平面内の空気の温度を測定する。
【００３５】
図３は、気流がセンサ上を通過しない、図１、２のマイクロブリッジセンサの概略断面図である。上のように、蛇行ヒータ１５４、第１の蛇行センサ１５０、および第２の蛇行センサ１５２は基板１５８の上のブリッジに釣り下げられる。簡単のため、蛇行ヒータ１５４、第１の蛇行センサ１５０、および第２の蛇行センサ１５２は単一の細長い板としてすべて示されている。しかし、これらの要素はそれぞれ、グリッドまたは蛇行領域として構成できることが考えられる。
【００３６】
図からわかるように図３には空気の流れが示されていない。そこで、ヒータ素子１５４を周囲温度よりも高い温度に加熱すると、薄膜ブリッジ部分近くの温度分布がヒータ素子１５４を中心に対称的に伝達される。しかし、図４に示されているように、気流１６０が存在する場合、図の矢印で示されているように対称的な分布が乱される。外乱の大きさは、気流１６０の速度に比例する。
【００３７】
例示的な一実施形態では、気流１６０の速度は、ヒータ素子１５４を気流１６０の周囲温度よりもあらかじめ定められた温度だけ高く加熱することにより求められる。気流１６０が存在する場合、上流センサ素子１５０は冷却され、ヒータ素子１５４から下流のセンサ素子１５２への熱伝導が促進される。その結果、上流センサ素子１５０および下流センサ素子１５２の間に温度差が現れる。この温度差は、センサ軸に沿った気流１６０の速度成分に比例する。このような方法の詳細な説明は、参照により本発明に組み込まれているＢｏｈｒｅｒ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第４４７８０７７号にある。
【００３８】
例示的な他の実施形態では、センサ軸に沿う気流１６０の速度は、ヒータ素子１５４内の過渡的温度上昇状態を設定することにより決定され、次にこれにより、気流１６０内に過渡的温度上昇状態が生じる。非０の気流１６０が存在する場合、上流センサ素子１５０は下流側センサ１５２よりも後になって過渡的応答を受け取る。その後、センサ軸に沿う気流１６０の速度は、それぞれのタイムラグ値を使用して計算することができる。
【００３９】
主センサ軸に沿う入射気流の速度成分を求める図に示されている他の方法およびセンサ構成は、たとえば、すべて本発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込む米国特許第４４７８０７６号、４４７８０７７号、４５０１１４４号、４６５１５６４号、４６８３１５９号、５０５０４２９号、「Ｔｉｍｅ　Ｌａｇ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００２１５７号、「Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１７３５号、「Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｖｉａ　ａ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ＦＦＴ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１４５３号で開示されている。
【００４０】
角度方向および速度の決定
本発明は、入射気流の角度方向および速度の両方を測定することができる堅牢なマイクロセンサアセンブリを提示する。マイクロセンサは、応答時間が短く、比較的小さなレーダー横断面を備えることができる。本発明の例示的な一実施形態では、センサアセンブリは第１のセンサと第２のセンサを備える。第１のセンサは、第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定する。第２のセンサは、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を測定し、第１のセンサ軸は第２のセンサ軸とある点で交差する。速度成分には、センサ間の幾何形状が関係する。したがって、入射気流の角度方向は、測定された速度成分を調べることにより決定することができる。
【００４１】
図５、６は、入射気流の角度方向ψと速度を測定する説明しているセンサアセンブリ２１０の概略図を示している。図５は、センサアセンブリ２１０の対称軸２１４に実質的に平行な入射気流２１２の角度方向ψを有するセンサアセンブリ２１０を示し、図６は、対称軸２１４に関してずれている入射気流２１２の角度方向ψ２５２を有する同じセンサアセンブリ２１０を示している。
【００４２】
図のセンサアセンブリ２１０は、第１のセンサ２１６と第２のセンサ２２０を備える。第１のセンサ２１６および第２のセンサ２２０は、マイクロブリッジタイプフローセンサであり、それぞれ少なくとも１つの長い蛇行ヒータと少なくとも１つの長い蛇行センサを備え、入射気流２１２との熱連絡に使用される。図示されるように、第１のセンサ２１６の長い蛇行ヒータおよび長い蛇行センサ２１５は第１のセンサ軸２１８に垂直方向に延びるのが好ましく、第２のセンサ２２０の長い蛇行ヒータおよび長い蛇行センサ２１７は第２のセンサ軸２２２に垂直に延びるのが好ましい。
【００４３】
第１のセンサ２１６と第２のセンサ２２０は、第１のセンサ軸２１８が第２のセンサ軸２２２とある点２２４で交差するように配置するのが好ましい。図に示されている実施形態では、第１のセンサ２１６と第２のセンサ２２０は、第１のセンサ軸２１８と第２のセンサ軸２２２が約９０度の角度で交差するように配置する。第１のセンサ２１６と第２のセンサ２２０も、センサアセンブリ２１０の対称軸２１４を中心に対称的に配置するのが好ましい。
【００４４】
図５では、入射気流２１２はセンサアセンブリ２１０の対称軸２１４に実質的に平行に流れるように示されている。これは、０度の角度方向ψ２５２を有する気流２１２に対応する（少なくとも図に示されている例では）。入射気流２１２の速度を表す速度ベクトルは２２６に示されており、図５では対称軸２１４に実質的に平行に延びている。
【００４５】
第１のセンサ２１６は、第１のセンサ軸２１８が対称軸２１４から４５度だけ外れているように配置する。したがって、気流２１２の速度ベクトル２２６と第１のセンサ軸２１８とがなす角度「Ａ」２３０は４５度である。同様に、第２のセンサ２２０は、第２のセンサ軸２２２が対称軸２１４から４５度だけ外れ、第１のセンサ軸２１８と点２２４で交差するように配置する。したがって、気流２１２の速度ベクトル２２６と第２のセンサ軸２２２とがなす角度「Ｂ」２３６も４５度である。
【００４６】
図６では、入射気流２１２はセンサアセンブリ２１０の対称軸２１４に対してある角度方向ψ２５２で流れるように示されている。入射気流２１２の速度を表す速度ベクトルが図の２６２に示されている。同様に、図５で、第１のセンサ２１６は、第１のセンサ軸６１８が対称軸２１４から４５度だけ外れるように配置する。したがって、気流２１２の速度ベクトル２６２と第１のセンサ軸２１８とがなす角度「Ａ」２５４は図５の角度「Ａ」２３０よりも小さい。同様に、第２のセンサ２２０は、第２のセンサ軸２２２が対称軸２１４から４５度だけ外れ、第１のセンサ軸２１８と点２２４で交差するように配置する。したがって、気流２１２の速度ベクトル２６２と第２のセンサ軸２２２とがなす角度「Ｂ」２５８は図５の角度「Ｂ」２３６よりも大きい。しかし、両方の場合において「Ａ」に「Ｂ」を加えた角度は９０度に等しいままである。
【００４７】
この構成では、第１のセンサ２１６は、第１のセンサ軸２１８に沿う入射気流２１２の速度成分を測定する。第２のセンサ２２０は、第２のセンサ軸２２２に沿う入射気流２１２の速度成分を測定する。第１のマイクロブリッジセンサ２１６の第１のセンサ出力信号ΔＧＡは以下の式で表される。
【００４８】
【数１３】
2004507753.tif 000003
【００４９】
ただし、ΔＧＡは気流２１２が０度の角度方向ψ２５２を有するときに存在するセンサ出力信号に関するセンサ出力信号の変化を表し（つまり、対称軸２１４が平行である）、「ｖ」は入射気流２１２の速度ベクトルであり、「Ａ」は気流２１２の速度ベクトルと第１のセンサ軸２１８とがなす角度であり、「ｎ」はカーブフィット係数である。式（１）は、図５、６に示されているセンサの相対的幾何形状から導くことができる。わかりやすくするため、ΔＧ’Ａが未処理センサ出力信号を表すときにはΔＧＡ＝ａΔＧ’Ａの中の較正係数「ａ」を省略した。わかるように、第１のセンサ出力信号ΔＧＡは、コサイン関数により第１のセンサ軸６１８に沿う入射気流２１２の速度ベクトルの速度成分に関連付けられる。
【００５０】
第２のセンサ２２０の第２のセンサ出力信号ΔＧＢも同様にして以下の式で表される。
【００５１】
【数１４】
2004507753.tif 000004
【００５２】
上で示したように、角度「Ａ」＋角度「Ｂ］は、入射気流２１２の角度方向ψ２５２に関係なく９０度に等しい（少なくとも−４５≦ψ≦４５）。Ａ＋Ｂ＝９０のとき、以下のことがわかる。
【００５３】
【数１５】
2004507753.tif 000005
【００５４】
式（１）〜（３）を組み合わせて、速度ベクトルおよび角度「Ａ」および「Ｂ」について解くと、以下の式が得られる。
【００５５】
【数１６】
2004507753.tif 000006
【００５６】
【数１７】
2004507753.tif 000007
【００５７】
【数１８】
2004507753.tif 000008
【００５８】
これから、入射気流２１２の角度方向ψ２５２を次の関係により計算することができる
【００５９】
【数１９】
2004507753.tif 000009
【００６０】
上の式は第１のセンサ２１６の第１のセンサ軸２１８と第２のセンサの第２のセンサ軸２２２が直交（つまり、９０度で交差）している場合に有効である。しかし、場合によっては、たとえば、与えられた範囲の方向角度ψに対するＳ／Ｎ比を最大にするために、第１のセンサ軸２１８と第２のセンサ軸２２２のなす角度を９０度未満にすることが望ましい。
【００６１】
図７は、第１のセンサ３１８を対称軸３１４に関して＋Ｒ度だけ回転し、第２のセンサ３２０を対称軸３１４に関して−Ｒ度だけ回転する場合の本発明の好ましいセンサアセンブリの概略図である。したがって、第１のセンサ３１８は、Ｘ＝２Ｒとして第２のセンサ３２０から「Ｘ」度だけ外れている。この構成では、第１のセンサ３１８は、第１のセンサ軸３２２が対称軸３１４から４５−Ｒ度だけ外れるように配置され、気流３１２の速度ベクトル３２６と第１のセンサ軸３１８とがなす角度「Ａ」３３０が４５＋Ｒ度となる。同様に、第２のセンサ３２０は、第２のセンサ軸３２２が対称軸３１４から４５−Ｒ度だけ外れるように配置され、気流３１２の速度ベクトル３２６と第２のセンサ軸３２２とがなす角度「Ｂ」３３６が４５＋Ｒ度となる。
【００６２】
気流３１２の角度方向ψ３５２を識別するために、Ａ＋Ｂ＋Ｘ＝９０の条件で方程式（１）〜（７）を解くことができる。これにより、入射気流３１２の速度および角度方向ψ３５２を求めるより一般的な解が得られる。反復を使用しない近似解は以下の式で与えられる。
【００６３】
【数２０】
2004507753.tif 000010
【００６４】
値Ｘを増やすと、少なくとも気流３１２が±２０度の角度方向ψ３５２を有するときにΔＧＡとΔＧＢの値も増える。この結果、Ｓ／Ｎ比が高くなり、センサオフセットの影響が低減する。また、方向感度が、特に約２５度よりも大きいＸの値について低減できる。センサの相対的向き、したがってＸの値は目的のアプリケーションについて最適化され好ましい。好ましい実施形態では、Ｘが約２０度となるようにセンサが向き付けられる。
【００６５】
図８は、図５の第１のセンサアセンブリ２１６と第２のセンサアセンブリ２２０のブロック図である。第１のセンサアセンブリ２１６は、一般的に２１５に示されているように、１つまたは複数のヒータおよびセンサ素子を備える。図の実施形態では、第１のセンサアセンブリ２１６は上流センサ３６２と下流センサ３６４により囲まれている中心に配置されたヒータ素子３６０を備える。
【００６６】
気流の速度は、ヒータエネルギー供給源３６６によりヒータ素子３６０を気流の周囲温度よりもあらかじめ定められた温度だけ高く加熱することにより求められる。図の実施形態では、ヒータエネルギー供給源３６６は抵抗、したがってヒータ素子３６８の温度を監視するフィードバックループ３６８を含む。気流が存在する場合、上流センサ素子３６２が冷却され、下流センサ素子３６４が加熱される。その結果、上流センサ素子３６２および下流センサ素子３６４の間に温度差が現れる。電子回路３７０は、上流センサ素子３６２および下流センサ素子３６４の両方の抵抗値、したがって温度を決定し、その差を出力信号３７２として供給する。第２のセンサアセンブリ２２０も同様に動作し、差信号３７４を供給する。
【００６７】
図９は、図８の第１のセンサアセンブリ２１６と第２のセンサアセンブリ２２０から供給される差信号３７２および３７４を処理するデータ処理ブロックのブロック図である。データ処理ブロック３８０は差信号３７２および３７４を受信し、入射気流の速度３８２および角度方向３８４の両方を計算し、その際に式（４）〜（８）を適宜使用するのが好ましい。
【００６８】
図８を再び参照すると、第１のセンサアセンブリ２１６および第２のセンサアセンブリ２２０のヒータエネルギー源は、フィードバック付きの能動回路であるのが好ましく、入射気流の周囲温度よりも一定温度だけ高くヒータ温度を維持するためにヒータ素子に必要な電力（または電圧）を供給する。これには、それぞれのセンサに対する適切な信号対雑音比を維持するのに役立つ利点が多数ある。
【００６９】
センサの信頼性および精度を高めるために、ヒータ素子に加える電力（または電圧）を監視する。図の実施形態では、第１のセンサアセンブリ２１６のヒータエネルギー供給源３６６は目的のヒータ温度レベルにヒータ素子３６０の温度を維持するために現在必要な電力を示す電力信号３９０を供給する。第２のセンサアセンブリ２２０も同様に電力信号３９２を供給することができる。
【００７０】
図９では、データ処理ブロックが電力信号３９０および３９２を受信し、気流速度に対する冗長信号を計算する。気流の速度が上昇するにつれ、目的のヒータ素子の温度レベルを維持するために必要な電力または電圧の量も増加する。したがって、ヒータ素子に加えられる電力（または電圧）と気流の速度との間には何らかの関係がある。この関係は、入射気流の方向には比較的依存しない。電力（または電圧）信号３９０および／または３９２を使用して気流の速度を求め、センサ素子からの差信号３７２と３７４を使用して求めた速度と比較することが考えられる。かなりの違いがある場合、エラーフラグ４００が立てられる。
【００７１】
さらに、電力（または電圧）信号３９０および／または３９２を使用して、ヒータ素子３６０の熱伝達負荷の変化を検出することができる。このような変化は、たとえば、雨、みぞれ、氷、埃、その他の異物または物質がセンサに付着することで生じることがある。熱伝達負荷が変化した場合、熱伝達負荷の変化を補正するため流量補正係数を計算できると考えられる。それとは別に、熱伝達負荷が予想される範囲に戻るまでセンサ装置を無効にしておくこともできる。
【００７２】
別法として、また例示的な他の実施形態では、図８のヒータエネルギー供給源３６６により、ヒータ素子３６０に過渡的高温状態が発生し、次に、これにより気流内に過渡的高温状態を発生する。それぞれのセンサ素子３６２および３６４を使用して、対応するセンサ素子に気流内の過渡的高温状態が到達したときにそのことを感知することができる。ヒータ素子内の過渡的高温状態からセンサ素子内の得られる過渡的高温状態までのタイムラグは、対応するセンサ軸に沿った気流の速度成分に比例する。
【００７３】
この実施形態では、それぞれのマイクロブリッジフローセンサはタイムラグ値を求めるための対応するタイムラグコントローラ３７０を備えることができる。ヒータ素子３６０の過渡的高温状態から上流センサ素子３６２の得られる過渡的高温状態までのタイムラグつまり遅延に対応するタイムラグ値がありえる。ヒータ素子３６０の過渡的高温状態から下流センサ素子３６４の得られる過渡的高温状態までのタイムラグに対応する他のタイムラグ値もある。
【００７４】
第１のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は、第１のマイクロブリッジフローセンサの２つのタイムラグ値を使用して求めることができる。同様に、第２のセンサ軸に沿う入射気流の速度成分は、第２のマイクロブリッジフローセンサの２つのタイムラグ値を使用して求めることができる。対応するセンサ軸に沿う入射気流の速度成分を求める図に示されている他の方法およびセンサ構成は、すべて本発明の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込む米国特許第４４７８０７６号、４４７８０７７号、４５０１１４４号、４６５１５６４号、４６８３１５９号、５０５０４２９号、「Ｔｉｍｅ　Ｌａｇ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　Ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００２１５７号、「Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄ　Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１７３５号、「Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｖｉａ　ａ　Ｃｏｍｍｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ＦＦＴ」という名称の１９９７年１２月３１日に出願された米国特許出願第０９／００１４５３号で開示されている。
【００７５】
センサ軸に沿う速度成分を求めるために使用する方法に関係なく、支援電子回路内のドリフトおよびオフセットを低減するため定期的にゼロ設定することも考えられる。これは、たとえば、供給するヒータ入力電力がゼロのときにセンサ出力を定期的に記録することで行える。これらのセンサ出力を使用して、センサの新しい「ゼロ」点を識別することができる。
【００７６】
図１０は、入射気流の測定速度成分ΔＧＡと気流の角度法線外れ方向ψ２５２との関係を示すグラフである。これからわかるように、入射気流の測定速度成分ΔＧＡと気流の角度法線外れ方向ψ２５２とは上の式（１）と（２）で表されるようにコサイン関数による関係を有する。
【００７７】
従来のマイクロブリッジフローセンサは、基板とブリッジを備え、ブリッジは基板内に形成された空洞の上に差し渡される。このブリッジは、通常、上述のようにヒータおよびセンサ素子を載せる。従来のマイクロブリッジフロータイプセンサの感度は、通常、０．０１〜３０ｍ／ｓ（０．０２〜６０キロノット）範囲の流れに対応することができる。しかし、航空管制応用分野など一部の応用分野では、マイクロブリッジフロータイプセンサの感度は６００ｍ／ｓ（１２００キロノット）範囲までの流れに対応できなければならない。したがって、応用分野によっては、マイクロブリッジフローセンサの感度を引き下げるか、または上限の流量を、ときには１２０ｘ以上延ばさなければならない。さらに、多くの従来のマイクロブリッジフロータイプセンサは余り堅牢でなく、苛酷な環境に耐えられない。たとえば、多くの航空管制環境では、マイクロブリッジフロータイプセンサはひどい風、雹、雨などを含む環境に耐えなければならないことが多い。
【００７８】
従来のマイクロブリッジフローセンサの堅牢性を高め、感度を下げるのに役立つ方法として、ブリッジの厚さ「ｄ」１６２（図３を参照）を増やす方法がある。従来のマイクロブリッジフロータイプセンサでは、ブリッジの厚さ１６２は１ミクロン程度である。このようなセンサの堅牢性を増すために、ブリッジの厚さ「ｄ」１６２を１５ミクロン以上に引き上げることが考えられる。好ましい実施形態では、「ブリッジ」の厚さ「ｄ」１６２を約１０ミクロンに上げることができる。
【００７９】
ブリッジの厚さ「ｄ」１６２を増やすと、センサの感度が低下し、堅牢性が増し、応答時間が短縮する。上で示したように、航空管制応用分野など多くの応用分野では、センサの応答時間を、比較的低い値に維持する、たとえば、１０ミリ秒未満に保持する必要がある。したがって、この熱センサはこのような応用分野に対する好ましい堅牢性向上と応答時間の短縮を達成するのに非常に適していることは明らかである。
【００８０】
ブリッジセンサの堅牢性を高め、感度を下げる方法として、他に、従来のマイクロブリッジフローセンサ７５２の空洞７５０を少なくとも一部は充填物７５４で埋める方法がある。このような一実施形態の１つが図１１に示されている。充填物７５４は、熱膨張係数が実質的に基板材料（たとえば、シリコン）の係数と似たものであり、熱伝導係数が低い。一実施形態では、充填物は紫外線硬化エポキシである。充填物は、必要ならばその形状をハニカム、リブ付き、またはエンボスを含むことも考えられる。
【００８１】
空洞に充填物７５４を入れると、センサの感度が低下し、堅牢性が増し、応答時間が減じる。多くの応用分野では、応答時間を比較的短くする、たとえば２０ミリ秒未満にしておく必要がある。したがって、センサの感度および堅牢性の度合いと望む応答時間との間にはバランスがある。
【００８２】
図１２は、エポキシの欠肉がある場合とない場合の２つのマイクロブリッジタイプフローセンサに対するマイクロブリッジセンサ出力と流量との関係を示すグラフである。曲線４００は、標準のマイクロブリッジフローセンサを使用して得られた。曲線４０２は、エポキシの欠肉とともにマイクロブリッジフローセンサを使用して得られた。両方の場合において、ヒータ温度上昇は約３０℃に設定された。グラフは、エポキシ欠肉が約４倍信号出力を下げ、したがって、出力曲線が高い流れの方に移動している。これはさらに、ノイズレベル全体を４倍以上下げる傾向がある。図の例では、匹敵する流れに関してＳ／Ｎ比は約２０％改善されている。
【００８３】
図１３は、センサアセンブリの堅牢性を高め、感度を下げるさらに他の方法を示している。この方法では、ヒータ７１０およびセンサ素子７１２および７１４は、シリコン、パイレックスガラス、セラミックなど基板７１６または他の任意の適当な基板上に直接形成される。この構成を、本発明では、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプフローセンサと呼ぶ。Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプフローセンサを使用すると、従来のマイクロブリッジタイプのセンサの空洞およびブリッジが必要なくなる。気流はヒータ素子とセンサ素子の両側の周りを流れないので、感度が下がる。ヒータ素子７１０とセンサ素子７１２および７１４の両方の後ろ側が基板によって支えられているため、センサは従来のマイクロブリッジタイプのセンサに比べて堅牢性が高まっている。上の実施形態のいずれかにおいて、保護層（図には示されていない）をヒータ素子およびセンサ素子の上面に蒸着することでさらにセンサの感度を下げ、堅牢性を高めることができると考えられる。
【００８４】
図１４は、マイクロブリッジおよびＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）センサアセンブリの説明している応答時間を示すグラフである。これからわかるように、マイクロブリッジとＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプフローセンサの両方の応答時間は、空気の速度とともに短縮し、空気速度は上軸に示されている。Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプフローセンサの応答時間はマイクロブリッジタイプフローセンサよりも短いが、両方とも比較的流量が少なくても応答時間は短い。
【００８５】
センサアセンブリの堅牢性をさらに高めるために、通常マイクロブリッジまたはＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）タイプフローセンサのＩ／Ｏパッドをチップ外付けコンポーネントまたはパッケージにワイヤボンディングするために使用する金のボンディングワイヤをスルーザウェハ（ＴＴＷ）接点で置き換えることが考えられる。図１５Ａは、金のボンディングワイヤを使用してセンサチップをヘッダに接続するセンサアセンブリの概略側面断面図である。フローセンサは７００に示されており、これは、ヘッダ７０２に装着されている。ヒータまたはセンサ素子７０４に到達するようにセンサの窒化シリコン層の上に穴をあける。同様に、ヘッダ７０２は、図に示されているように、そこを通る接点支柱７０６を備えることができる。接点支柱７０６をヒータまたはセンサ素子７０４に接続するために、半田結合プロセスを使用して金のボンディングワイヤ７０８をヒータまたはセンサ素子７０４と接点支柱７０６にハンダ付けする。この方法の制限は、金のボンディングワイヤ７０８が比較的脆く、特に苛酷な環境ではそうである。振動、衝撃、汚染物、およびその他の要因はすべて、金のボンディングワイヤに影響を及ぼすと考えられる。
【００８６】
改善された方法が図１５Ｂに示されている。この方法では、フローセンサは８００に示されており、これは、ヘッダ８０２に装着されている。この実施形態では、金のボンディングワイヤを使用する代わりに、スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点８１２を使用している。スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点は、センサチップの基板８１４を通る接点である。スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点８１２をヘッダ８０２に接続するために、半田のこぶなどを付ける。半田こぶは、図に示されているように、スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点８１２および接点支柱７０６と一致しているのが好ましい。これにより、センサアセンブリとチップ外付けコンポーネントの間の接続の信頼性が高まる。さらに、スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点８１２を使用すると、センサチップのエッジから離れているセンサ素子に簡単に接続できるようになる。スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点の詳細な説明は、参照により本発明に組み込まれている米国同時係属出願第０９／２０７１６５号にある。
【００８７】
図に示されているように、ヘッダ８０２は側壁８１６を備えることが考えられる。側壁８１６は、センサチップ８００の側面にそって上に延び、側壁８１６の上面８２０がセンサチップ８００の上面と実質的に揃うようにするのが好ましい。これにより、センサチップ８００が大幅に保護される。
【００８８】
応用分野によっては、センサ８００は苛酷な環境に晒されることがある。このような応用分野では、ヘッダ８０２をセンサの苛酷な環境とヘッダ８０２の反対側のあまり苛酷でない環境との間のコンジットまたはバリアとして使用できる。図１５Ｂに示されている実施形態では、ヘッダ８０２はルーメン（図に示されていない）の内壁にあてがって密封するように形成されているＯリングシール８２２を備える。このような構成では、ヘッダ８０２はセンサの苛酷な環境とヘッダ８０２の反対側のあまり苛酷でない環境との間のバリアをなし、その一方でヘッダを通じてセンサ信号を送る。
【００８９】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、当業者であれば、付属の請求項の範囲内で本発明の教示を他の実施形態にも適用できることは容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
マイクロブリッジフローセンサの従来技術の実施形態を示す図である。
【図２】
マイクロブリッジフローセンサの従来技術の実施形態を示す図である。
【図３】
気流がセンサ上を通過しない、図１、２のマイクロブリッジセンサの概略断面図である。
【図４】
正の気流がセンサ上を通過する、図１、２のマイクロブリッジセンサの概略断面図である。
【図５】
入射気流の角度方向が実質的に対称軸に平行な、本発明の図解しているセンサアセンブリの概略図である。
【図６】
入射気流の角度方向が対称軸からずれている、図５の同じセンサアセンブリの概略図である。
【図７】
第１と第２のセンサのセンサ軸が非直交形状である本発明の好ましいセンサアセンブリの概略図である。
【図８】
図５の第１のセンサアセンブリと第２のセンサアセンブリのブロック図である。
【図９】
図８の第１のセンサアセンブリと第２のセンサアセンブリから供給される信号を処理するデータ処理ブロックのブロック図である。
【図１０】
入射気流の測定速度成分ΔＧＡと気流の角度法線外れ方向ψとの関係を示すグラフである。
【図１１】
ブリッジの下の空洞に充填物が埋められる本発明のマイクロブリッジセンサの概略側面断面図である。
【図１２】
エポキシの欠肉がある場合とない場合の２つのマイクロブリッジタイプフローセンサに対するマイクロブリッジセンサ出力と流量との関係を示すグラフである。
【図１３】
ヒータ素子およびセンサ素子が基板の上に直接形成される本発明のＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）センサの概略側面断面図である。
【図１４】
マイクロブリッジおよびＭｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（商標）センサアセンブリの実験的応答時間を示すグラフである。
【図１５】
図１５Ａは、金のボンディングワイヤを使用してセンサチップをヘッダに接続するセンサアセンブリの概略側面断面図である。
図１５Ｂは、スルーザウェハ（ＴＴＷ）接点を使用してセンサチップをヘッダに接続するセンサアセンブリの概略側面断面図である。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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