(57)【要約】  音響センサは、端壁によって各端部が閉じられて、使用時に流体を収容するキャビティを形成する側壁を備える。少なくとも１つの送信機および少なくとも１つの受信機が、端壁のうちの１つと連動する。キャビティの最大半幅ａと、キャビティの高さｈとが、次の不等式：ａ／ｈが１．２よりも大きい；を満たす。使用時には、送信機が、送信機に連動する端壁の領域に、端壁の平面に対して略垂直方向の振動運動を引き起こすことで、端壁の垂直振動がキャビティ内の流体圧の略面内振動を励振する。流体圧の略面内振動は、受信機と連動する端壁の領域の略垂直方向の振動運動を励振し、その結果として受信機が電気信号を生成する。
2018507390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端壁によって各端部が閉じられており、使用時に流体を収容するキャビティを形成する側壁と、
前記端壁のうちの１つと連動する、少なくとも１つの送信機および少なくとも１つの受信機とを備え、
前記キャビティの最大半幅ａおよび前記キャビティの高さｈが次の不等式を満たし：
【数１】
2018507390.tif 000008
使用時に前記送信機が、前記送信機に連動する前記端壁の領域に、前記端壁の平面に対して略垂直方向の振動運動を引き起こすことで、前記端壁の前記垂直振動が前記キャビティ内の流体圧の略面内振動を励振し、さらに前記流体圧の前記略面内振動が、前記受信機と連動する前記端壁の領域の略垂直方向の振動運動を励振し、その結果として前記受信機が電気信号を生成する、
音響センサ。
【請求項２】
【数２】
2018507390.tif 000009
請求項１または２に記載の音響センサ。
【請求項３】
前記キャビティ内の流体が気体であり、
【数３】
2018507390.tif 000010
請求項１または２に記載の音響センサ。
【請求項４】
前記送信機および前記受信機の位置が、前記キャビティの半径方向音響モードにおける波腹に対応する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項５】
断面が略円形のキャビティを備える、
請求項１から４のいずれかに記載の音響センサ。
【請求項６】
前記端壁の前記平面における断面が楕円形のキャビティを備える、
請求項１から５のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記流体圧における前記面内振動が半径方向の圧力振動である、
請求項１から６のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項８】
前記送信機と前記受信機とが互いに機械的に分離されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項９】
前記送信機および前記受信機の前記端壁に関連する固定支持によって、前記送信機が前記受信機から分離されている、請求項８に記載の音響センサ。
【請求項１０】
前記送信機および前記受信機の前記端壁に関連付けられた可撓性要素によって、前記送信機が前記受信機から分離されている、
請求項８に記載の音響センサ。
【請求項１１】
音響センサであって、
端壁によって各端部が閉じられており、使用時に流体を収容する略円筒状のキャビティを形成する側壁、および
少なくとも１つが送信機であり、少なくとも１つが受信機である少なくとも２つのトランスデューサと連動する２つの端壁、
を備え、
前記キャビティの最大半幅ａと、前記キャビティの高さｈが次の不等式を満たし：
【数４】
2018507390.tif 000011
使用時に前記送信機が、前記送信機に連動する一方の前記端壁の領域に、前記端壁の平面に対して略垂直方向の振動運動を引き起こすことで、前記端壁の前記垂直振動が前記キャビティ内の流体圧の略面内振動を励振し、さらに前記流体圧の前記略面内振動が、前記受信機と連動する一方の前記端壁の領域の略垂直方向の振動運動を励振し、その結果として前記受信機が電気信号を生成する、
音響センサと、
振動信号を供給するように構成された前記送信機と作動連結する駆動回路と、
前記キャビティでのガスの変化に対する、前記センサの応答を示す信号を供給するように構成された前記受信機と作動連結する測定回路と、
を備え、
前記側壁、前記端壁、前記送信機、および前記受信機が、厚み１ｍｍ未満の１つまたは複数の略平面の材料層から構成され、
ａが５ｍｍよりも小さい、
ＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１２】
少なくとも１つの平面層がウエハの一部であって、製作中は、前記ウエハが複数の音響デバイスに共通である、
請求項１１に記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１３】
前記ａが２ｍｍ以下である、
請求項１１に記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１４】
前記側壁および前記端壁が、エッチング剤に対して化学的に活性な材料と、同じ前記エッチング剤に対して化学的に不活性な材料とによって構成される、
請求項１１から１３のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１５】
前記側壁はシリコン層を含み、前記端壁は酸化物層を含む、
請求項１１から１４のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１６】
前記側壁が、共晶接合により結合されたウエハ材料の２つの層からなる、
請求項１１から１５のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１７】
前記送信機および／または前記受信機が、圧電材料の層を含む、
請求項１１から１６のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１８】
前記送信機および／または前記受信機が、静電容量型トランスデューサまたは静電型トランスデューサを含む、
請求項１１から１７のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項１９】
前記駆動回路および／または前記測定回路が、前記音響センサと共通の層に集積される、
請求項１１から１８のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項２０】
温度測定手段が、前記音響センサと共通の層に集積される、
請求項１１から１９のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項２１】
前記温度測定手段が第２の音響センサを備え、前記第２の音響センサが、前記第２の音響センサのキャビティ内に封入されたガスの温度変化に応答する、
請求項２０に記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項２２】
第１の前記音響センサおよび前記第２の音響センサが共通の端壁を共有する、
請求項２１に記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項２３】
前記温度センサが、前記ＭＥＭＳガス測定システムの出力を補償するために使用される、
請求項２０から２２のいずれかに記載のＭＥＭＳガス測定システム。
【請求項２４】
請求項１から２３のいずれかに記載の音響センサまたはＭＥＭＳガス測定システムと、
前記ＭＥＭＳガス測定システムを、実質的に呼吸気の気流内で支持する手段と
を備える呼吸監視システム。
【請求項２５】
キャビティの半径が２ｍｍよりも小さい、
請求項２４に記載の呼吸監視システム。
【請求項２６】
呼吸気の温度を測定する手段と、前記呼吸気の前記温度から、呼吸サイクル全体の前記呼吸気の水蒸気量を推定するアルゴリズムとをさらに備える、
請求項２４から２５のいずれかに記載の呼吸監視システム。
【請求項２７】
電源をさらに備え、前記呼吸監視システムが自己充足式であり、ユーザの頭部に装着するのに十分に小型で軽量である、
請求項２４から２６のいずれかに記載の呼吸監視システム。
【請求項２８】
前記呼吸監視システムの質量が３０ｇ未満である、
請求項２７に記載の呼吸監視システム。
【請求項２９】
前記電源が、前記呼吸気または環境からエネルギーを取り入れる手段を含む、
請求項２７から２８のいずれかに記載の呼吸監視システム。
【請求項３０】
無線送信機をさらに備える、
請求項２４から２９のいずれかに記載の呼吸監視システム。
【請求項３１】
前記キャビティに液体または固体が入ることを防ぎ、かつ／または前記キャビティ内への拡散を遮断する手段をさらに有する、
請求項２４から３０のいずれかに記載の呼吸監視システム。
【請求項３２】
請求項１から２３のいずれかに記載の音響センサまたはＭＥＭＳガス測定システムを備え、前記キャビティが既知の基準ガスを収容する、温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円盤状の音響キャビティ内のガスの特性を測定するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス混合物の音速を測定することによって、そのガス混合物の組成を決定するデバイスが、よく知られている。最も広く普及している音響学的技術として、飛行時間型技術および共振空洞技術の２つがある。欧州特許第０８１３０６０号明細書には、デバイスの種類ごとの短所および限界が記載されている。
【０００３】
国際公開第２０１３／０８３９７８号パンフレットは、送信機（駆動）と受信機（受動）とが、円盤状のキャビティの対向する端壁のそれぞれに連動する、共振型音響センサの設計に関するものである。この形状により、動作にあたっては、このようなデバイスの送信機および受信機の両方の機械的剛性と、キャビティにおける流体の円盤形の体積の音響インピーダンスとの整合が良くなる。この円盤状の形状は、送信機および受信機の変位の特徴と、キャビティ内における面内の、好ましくは半径方向の流体圧振動との間の空間的な整合を良くするためにも好適である。これらの特性を組み合わせることで、送信機が効率的に圧力振動を発生させることができ、受信機が効率的に電気出力信号を生成することができる。
【０００４】
国際公開第２０１３／０８３９７８号パンフレットに記載のセンサ等、共通の材料層からいくつかのデバイスを同時に製作するバッチ処理を使用した小型の電気機械的デバイスの製造は、経済的であることが多い。デバイスはその後、製造工程の終盤で、結合したバッチから分離される。この手法によって、多くのデバイスに対して製造手順を並行して実行することができるため、製造時間を削減し、小型部品の管理に関連する問題を避けることができる。簡単にいえば、デバイスで使用するウエハの数を制限することで、デバイスの複雑さおよびコストを最小限に抑えることができる。
【０００５】
上記のバッチ処理は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造において一般的なものであり、ここでは層をウエハと呼ぶこともある。ガスセンサは、ガスがセンサキャビティ内に拡散する時間を削減し、それによってセンサ応答時間を削減するために、ＭＥＭＳで典型的な小型のものであることが望ましいことがあり、その結果、バッチ処理での製造を通して経済的利点および性能的利点の両方を得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
国際公開第２０１３／０８３９７８号パンフレットに開示されるセンサは、対向する端壁上に送信機および受信機を備える。送信機および受信機は同じ種類の材料から構成できるが、同一平面上ではないため、共通の材料層から形成することはできない。さらに、送信機および受信機は通常、電気回路と接続されなければならない。送信機および受信機が対向する端壁上に位置することで、この電気的接続が複雑なものとなる。したがって、国際公開第２０１３／０８３９７８号パンフレットのセンサに開示される種類の高性能な特徴を備えながら、低コストで製造でき、構成が簡単なセンサを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が提供する音響センサは、端壁によって各端部が閉じられており、使用時に流体を収容するキャビティを形成する側壁と、端壁のうちの１つと連動する、少なくとも１つの送信機および少なくとも１つの受信機とを備え、キャビティの最大半幅ａおよびキャビ
ティの高さｈが次の不等式：
【数１】
2018507390.tif 000003
を満たし、使用時に送信機が、送信機に連動する端壁の領域に、端壁の平面に対して略垂直方向の振動運動を引き起こすことで、端壁の垂直振動がキャビティ内の流体圧の略面内振動を励振し、さらに流体圧の略面内振動が、受信機と連動する端壁の領域の略垂直方向の振動運動を励振し、その結果として受信機が電気信号を生成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、センサの端壁のうちの１つに送信機および受信機を設けることで、センサの作成に伴う製造手順を削減することができ、さらに、送信機および受信機への電気的接続を簡略化できる。この結果、センサの生産におけるコスト効率を高めることができる。
【０００９】
使用時には、送信機が、キャビティ内の流体圧の振動を端壁の平面で引き起こし、それにより受信機が、振動性の電気信号を生成する。送信機の駆動に使用される信号と、受信機が生成する信号とを比較することで、音響キャビティ内の流体の特性を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施例を、添付図面を参照してここに説明する。
【００１１】
【図１】図１Ａは、本発明によるセンサの側断面図であり、図１Ｂは、図１Ａのデバイスにおける通常音響モードの平面図であり、図１Ｃは、図１Ａのデバイスのキャビティにおける圧力振動を示す。
【図２】図１Ａのセンサの、周波数に対する位相特性およびゲイン特性を示す。
【図３】本発明による別の例示的なセンサの側断面図である。
【図４】高次半径方向音響モード、およびこのような高次半径方向音響モードを採用する音響センサの断面図を示す。
【図５】本発明によるセンサにおいて採用可能な、いくつかの代替の高次半径方向音響モードを示す
【図６】音響センサの実施形態に関する、拡散速度とキャビティの大きさとの間の関係を示す。
【図７】ＭＥＭＳプロセスを使用して製作された音響センサの実施例の態様を示す。
【図８】圧電トランスデューサおよび静電型トランスデューサを備えた音響センサの実施例の態様を示す。
【図９】多くのＭＥＭＳガス測定システムが共通のウエハを共有する、製作工程の例を示す。
【図１０】温度を測定する手段を備えたＭＥＭＳガスセンサの実施例の態様を示す。
【図１１】呼吸監視システムの実施形態を示す。
【図１２】湿度補償を伴う呼吸監視システムの実施形態のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書の一部を成す添付図面を参照して、いくつかの例示的な実施形態をより詳細に説明し、さらに説明のためのものとして、本発明が実施され得る特定の好ましい実施形態を示す。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できる程度に十分に詳細な説明が記載され、また、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態が利用可能であり、さらに論理構造的、機械的、電気的、および化学的な変更が可能であること
が理解される。当業者が本明細書に記載の実施形態を実施できるために必要ではない詳細を避けるために、当業者に既知の一定の情報の説明は省略されることがある。したがって、以下の詳細な説明は、限定的に理解されるべきではなく、例示的な実施形態の範囲は、添付の請求項によってのみ規定される。
【００１３】
図１Ａは、本発明による音響センサ（acoustic sensor）の実施例の、直径を通る断面
図である。キャビティ１０は、端壁（end wall）１１および１２と、側壁（side wall）
１３とによって形成される。キャビティ１０は、端壁１１および１２の平面において円形断面を有するものとして図に示される。本実施例ではキャビティが円形断面を有するが、他の形状を使用できることは、当業者には明らかとなろう。国際公開第２０１３／０８３９７８号パンフレットに記載されるように、略円形断面形状とすることで、共振時における、端壁の変位とキャビティ内の流体のモード形状との間の整合が良好になるという利点が得られる。断面が楕円、準楕円（hypoellipse）、または超楕円（hyperellipse）形状
のキャビティ等、これらに限定されないが、同様の形状がこれらの利点の多くを共有している。断面が正方形であるキャビティを有する音響センサの実施例では、ウエハダイシング等の処理を使用する製造が簡略化されるという利点があるが、これらのキャビティには、より多くの共振音響モードが存在するため、センサの効果が低下する可能性がある。
【００１４】
図１Ａの実施形態では、送信機１４および受信機１５はそれぞれ、端壁１１に取り付けられた圧電トランスデューサである。この実施形態では、送信機１４は、円盤状の受信機１５と同心のリング状である。送信機１４と受信機１５とは、破線１６で示されるように、互いに機械的に分離している。送信機１４および受信機１５は、円盤状またはリング状に限定されないことは理解されよう。さらにそれぞれが、複合トランスデューサ内の複数の素子であってもよい。図１Ａ〜１Ｃでは、送信機１４および受信機１５として圧電素子を示しているが、電気エネルギーを運動に変換でき、かつ運動を電気エネルギーに変換できるトランスデューサであれば任意のものを使用してもよい。当技術分野では、例えば磁気トランスデューサや静電型トランスデューサなどこの種のトランスデューサが数多く知られている。
【００１５】
適切に電気駆動されると、送信機１４は、キャビティ１０の平面に対して略垂直方向（矢印で示す）に振動する。送信機１４の位置は、キャビティ内の流体の、音響共鳴の半径方向モード（radial mode）の波腹（最大振幅が現れる領域）に実質的に重なる。
【００１６】
キャビティの半径ａが、キャビティの高さｈの１．２倍よりも大きいとき、すなわち、ａ／ｈ＞１．２であるとき、キャビティ内の流体の振動の最低周波数半径方向モード（lowest frequency radial mode）における周波数は、キャビティの縦モード（longitudinal
mode）のいずれのものよりも低くなる。円形の場合の半径と同等である最大半幅（maximum half width）としてａを定義することによって、この制限を、非円形の断面を有する
キャビティへの応用を拡大することができる。
【００１７】
上記の数式によってキャビティの高さの上限が定められ、共振キャビティの音響損失によって下限が規定される。キャビティ内の流体の粘性損失が高いことによる非効率な作動を避けるために、キャビティの高さは、流体の粘性境界層の厚さの少なくとも２倍にするべきである。
【数２】
2018507390.tif 000004
【００１８】
ここで、μは流体の粘度、ρは流体の密度、ｃは流体の音速、ｋ０は１次の第１種ベッ
セル関数の導関数の第１の根であって、最低周波数半径方向モードの圧力振動の形状を表現するものであり、一定である。上記の数式を再構成し、密度および粘度の基準値に代入すると、ｈ２／ａは、キャビティ内の流体が気体である場合には１×１０−７ｍよりも大きくなり、キャビティ内の流体が液体である場合には４×１０−１０ｍよりも大きくなる。流体の温度境界層からも同様の制限が生じることは、当業者によって理解されよう。
【００１９】
図１Ｂは、同じキャビティ１０における、この半径方向音響モードの平面図である。ここでは、斜線のある領域１７および斜線のない領域１８が、圧力の逆位相を現している。送信機１４の運動によって、キャビティ１０内の流体に共振振動が生じる。図１Ｃは、このモードで流体が振動しているときの、キャビティの直径に沿ったキャビティの圧力を示す。実線の曲線および矢印が、ある一時点における圧力を示し、破線の曲線が、半周期後の圧力を示す。この圧力振動の径方向依存性ｐ（ｒ）は、ベッセル関数の形式に近似する。
【数３】
2018507390.tif 000005
【００２０】
ここでｐ０は圧力振動の最大振幅、Ｊ０は１次の第１種ベッセル関数、ｋ０はこの関数の導関数の第１の根、ｒはキャビティ内の半径方向位置、ａはキャビティの半径である。
【００２１】
受信機１５の位置は、キャビティ内の流体の音響共鳴の半径方向モードの第２の波腹に実質的に重なる。図１Ａ〜１Ｃに開示される実施形態では、送信機１４および受信機１５の位置は交換可能である。図１Ｃに示すキャビティ内の圧力振動によって、受信機１５が変位する。受信機の変位によって、電気信号が生成される。送信機の駆動に使用される信号と、受信機が生成する信号とを比較することで、二成分ガス混合物（binary mixture of gases）の組成、既知の流体の温度、流体の密度、または流体の粘度等、音響キャビテ
ィ内の流体の特性を決定することができる。
【００２２】
本明細書に開示される音響センサは、流体または流体混合物の音速を測定するために使用できる。図１Ｃに示す圧力振動の共振周波数は、次式で表現できる。
【数４】
2018507390.tif 000006
【００２３】
ここでｋ０は１次の第１種ベッセル関数の導関数の第１の根、ｃはキャビティ内の音速、ａはキャビティの半径である。圧力振動の共振周波数は、送信機と受信機との間の電気的振幅ゲインまたは電気的パワーゲインが最大となるときの周波数を観察することで、決定することができる。このための方法の一つは、送信機への電気的駆動信号の周波数を掃引し、各周波数のゲインを記録することである。同様に、送信機の入力信号の位相を受信機の出力信号と比較することで、共振周波数を決定することができる。これは、駆動信号の周波数を掃引し、送信機の駆動波形と受信機の信号波形との間の位相差が、一定である特定の値を有するときの周波数を記録することで、行うことができる。
【００２４】
図２は、本明細書に記載のセンサの実施例の、送信機の駆動波形と受信機の信号波形との間の位相差、および電気的ゲインの両方を示す。流体の音速を正確に測定することによって、二成分ガス混合物の組成の決定に応用できる。二成分ガスの組成と流体の音速とを関連づける方程式はよく知られており、欧州特許第０８１３０６０明細書に要約されている。
【００２５】
図３Ａ〜３Ｃは、本発明の２つの実施例を示し、それぞれ、送信機と受信機とを機械的に分離するための手段が異なる。運動（motion）は、送信機からキャビティ内の流体を介して受信機へ伝わることが望ましく、これはセンサの「信号」を意味するものである。運動が他の手段によって送信機から受信機へと伝わることは、この運動によって電気的応答が生じ、センサの所望の信号に干渉するため、望ましくない。信号対雑音比は、センサの利点の要点となるものである。送信機を受信機から機械的に分離することで、雑音を低減させることができる。
【００２６】
図３Ａは、固定支持構造（rigid supporting structure）３０を有する音響センサの実施例の、直径を通る断面図であり、固定支持構造３０は、端壁１１の運動を局部的に抑制し、送信機１４を受信機１５から分離する。図３Ｂは、端壁１１の可撓部３１を有する音響センサの実施例の、直径を通る断面図であり、可撓部３１は、端壁１１を介した運動の伝達を低減し、送信機１４を受信機１５から分離する。図３Ｃは、薄い可撓性膜３２を有する音響センサの実施形態の、直径を通る断面図であり、可撓性膜３２は、端壁１１の間隙をブリッジし、送信機１４を受信機１５から分離する。
【００２７】
流体が充填された円盤状のキャビティは、複数の半径方向音響モードに対応可能である。本発明によれば、いわゆる「高次」モードを利用する音響センサが実現する。図４Ａ〜４Ｄは、一実施例を示す。図４Ａは、音響センサの円盤状のキャビティにおける高次半径方向音響モードの平面図である。ここでは、斜線のある領域４０および斜線のない領域４１が、圧力の逆位相を表している。図４Ｂは、図４Ａの音響センサの線４−４に沿った断面図である。送信機４２および受信機４３の位置は、キャビティ４４の音響モードの波腹に対応している。この場合も、送信機４２および受信機４３の位置は交換可能であり、互いに機械的に分離している４５。図４Ｃは、図４Ａの音響センサの線４−４に沿った断面図であり、送信機および受信機の位置が代替のものとなっている。ここでは、送信機４２および受信機４３が、図４Ａに示す音響モードの外側の波腹に対応するように位置決めされている。図４Ｃは、図４Ａの音響センサの線４−４に沿った断面図であり、トランスデューサとして総称される、１つの送信機４２と３つの受信機４３を備える。トランスデューサの位置は全て、図４Ａに示す音響モードの波腹に対応する。１つまたは複数のトランスデューサが送信機として作動し、かつ１つまたは複数のトランスデューサが受信機として作動することを条件として、これらの機能および位置は交換可能である。
【００２８】
図５は、本発明のセンサに採用できる、いくつかのさらなる代替の高次半径方向音響モードを示し、このようなモードの活用のためにトランスデューサを設置できる位置については、当業者によって理解されよう。
【００２９】
上記の説明から理解されるように、本発明によれば、精度の高い読み取りと、高レベルの機能性および信頼性が得られながらも、比較的低コストでの設計および製造が容易な、一連の例示的な音響センサが提供される。
【００３０】
上述した特徴をミリメートルまたはサブミリメートルの長さスケールで形成することには、低消費電力、ならびに携帯機器へのさらに広い用途に適合した体積および質量等のさらなる利点がある。この長さスケールでの動作による予期しなかった利点は、センサの応答時間を大幅に向上させることができる点である。
【００３１】
本明細書に記載の種類のガス測定システムの、その周囲のガスの組成変化に対する応答時間は、キャビティ内のガスと周囲のガスとの間における拡散の速度の影響を受ける。キャビティの大きさ、キャビティ内への開口の数および配置、ならびにキャビティの大きさに対する開口の大きさ等、種々のパラメータが拡散速度に影響を及ぼす。
【００３２】
共振周波数を使用してキャビティ内のガスの音速を決定する上述の実施形態には、Ｑ値の高い音響共鳴（high quality factor acoustic resonance）に対応可能なキャビティが望ましい。Ｑ値が高いことにより、さらに精度良く音速を決定することができる。キャビティの大きさに対してキャビティの開口のサイズを大きくすること、またはキャビティの開口の数を増やすことは、このＱ値を低下させることにつながるため、望ましくない。しかしながら、キャビティサイズに対して開口サイズが所定の大きさであり、開口の所定の数であれば、キャビティを小さくすることで拡散速度が上昇する。
【００３３】
図６は、キャビティの半径と拡散速度との間の関係を表すグラフを示す。示されているデータは、市販の有限要素解析ソフトウェアからの計算モデルの結果である。このモデルは、図１Ａ〜１Ｃに示すキャビティと同形状の円盤状のキャビティから始まり、初期状態では複数の開口に空気が充填されており、初期状態で二酸化炭素が充填されている大きな体積に取り囲まれている。図６において、横軸は時間を示し、縦軸はキャビティ内の二酸化炭素の平均濃度を示す。曲線の勾配は、時間の経過に伴って拡散が発生することと、キャビティ内の二酸化炭素濃度が増加することとを示す。
【００３４】
図６における各曲線は、異なるキャビティ半径を表す。他の全ての幾何学的パラメータは、キャビティの半径に対してスケーリングされる。キャビティの半径が小さい方が、濃度の変化が早くなる。ガス測定システムの応答時間はＴ９０値によって表現されることが多く、これは採用されるガス濃度での変化が９０％を記録するまでにシステムが要する時間である。多くの潜在的用途に対しては、Ｔ９０が１秒よりも短くなければならない。図４Ａ〜４Ｄを参照すると、ガス測定システムの好ましい実施形態におけるキャビティの半径は５ｍｍよりも小さくなる。呼吸監視等の別の潜在的用途では、Ｔ９０が１００ミリ秒以下である必要がある。このような用途には、キャビティの直径が２ｍｍよりも小さい実施形態が有利である。
【００３５】
図７は、さらに本発明による、ＭＥＭＳプロセスを使用して製作された例示的な音響センサの態様を示す。ミリメートルまたはサブミリメートルの長さスケールでの実用的な製作を可能にするために、ＭＥＭＳガス測定システムの側壁、端壁、送信機および受信機は、異なる材料による薄層の積層を備える。この構造は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製法に適合し、これによって実用的な製造が可能となる。
【００３６】
ＭＥＭＳプロセスは、マイクロメートルのスケールでの３Ｄ構造の構築を伴う。既存の半導体製造プロセスと重複する部分がある一方で、ＭＥＭＳは、機械的変形の能力を有する構造体を製造する点で差別化される。さまざまなＭＥＭＳ加工技術が存在するが、その全てが、通常、平面で円盤状の材料ウエハに応用される。プロセスとしては、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）、シリコンエッチング、
レーザ加工、およびLithographie, Galvanoformung, Abformung（ＬＩＧＡ）がある。Ｍ
ＥＭＳ技術は、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、およびマイクロフォン等、広い範囲のセンサを生産するために使用される。
【００３７】
ＭＥＭＳプロセスは、本明細書に記載の共振型音響センサに使用される形状と同様の、３Ｄ構造体を製造するのによく適している。例えばＬＩＧＡおよびＤＲＩＥの両方によって、ウエハに近垂直壁（near-vertical wall）を厚さ１ｍｍまで作ることができる。これらの壁の表面仕上げは、プロセスパラメータの操作によって調整でき、その機械的特性を精度良く制御することができる。エッチングされたこれらの構造体の全体的な外形は、先行するリソグラフィ工程によって制御されるため、慣性センサで使用されるような、さらに複雑な櫛状構造体（comb-like structure）、および円筒状チャンバ（cylindrical chamber）等、さまざまな形状を生産する融通性が得られる。
【００３８】
３Ｄ構造体は、通常、ウエハスケールで複数の材料層を組み立てて選択的に接合することで作られる。これらは、組み立てる前または後にエッチングを行うことができるため、組立構造体の最終形状における融通性がさらに高くなる。ウエハ層の厚さは、バルク研磨工程を通して精度良く制御することができる。ナノメートルスケールの耐エッチングの酸化層と組み合わせることで、エッチングされた構造体の厚さを、バルクウエハの厚さに一致するように正確に制御することができる。さらに、これらの酸化層を三次元構造体に堆積させて、次のエッチング処理中に材料が除去されるのを防ぐこともができる。
【００３９】
ＭＥＭＳプロセスが高精度であることによって、１マイクロメートルよりも優れた幾何公差で、サブミリメートルの構造体を生産することができる。これらの特徴を使用して、大規模な成形工程または加工工程では実現できない寸法で、本明細書で提案するもの等のキャビティの構造体を生産することができる。したがって、直径が５ｍｍよりも小さい構造体は、十分にＭＥＭＳプロセスの能力の範囲内である。
【００４０】
ＭＥＭＳ製造工程には、多種多様な材料が適合する。シリコン、ポリマー、金属、およびセラミックスは上述の手法を使用し、さらにそれらの電気的特性または加工特性に影響を与える被覆を施して、処理することができる。このように材料の幅が広いために、例えば音響共鳴への応答等、所望の電気的挙動および機械的挙動に応じて材料を選択し、組み合わせる自由度を得ることができる。
【００４１】
図７Ａは、本発明の製作に使用される平面の材料層の積層を示す。第１の材料の第１の層７３の上面は、第２の材料のパターン層７４によって選択的にマスキングされる。第１の層は他の２つの層の上に積層されており、その上層７５は第１の層とは異なる材料によるものであり、下層７６は第１の層と同じ材料によるものである。好ましい実施形態では、第１の材料がシリコンであり、第２の材料がポリマーであり、第３の材料が酸化物である。
【００４２】
図７Ｂは、エッチング処理の結果を示し、このエッチング処理では、第１の層の非マスク領域から材料を除去し、側壁７７の一部を形成することになる材料を残す。下方の層７５は、実質的にエッチング処理の影響を受けない。好ましい実施形態ではエッチング処理において、第１の層に対して活性が高いが、下層には不活性な化学物質が使用される。好ましい実施形態では、エッチング剤に塩素プラズマが含まれる。
【００４３】
ＭＥＭＳ製造では、いくつかの接合工程が使用される。それらの接合工程として、共晶接合（eutectic bonding）、拡散接合（diffusion bonding）、陽極接合（anoding bonding）、およびガラスフリット接合（glass frit bonding）が挙げられる。これらの接合工程は、例えば非対称の２つのチャンバを接合して、閉じられた中空のキャビティを生成するなど、いくつかの目的のために作用することができる。接合技術の選択は、その機械的特性によって左右され、閉じられたキャビティを密閉する必要がある場合には、さらに、キャビティ内に収容されるガスの拡散抵抗によって左右されることになる。図７Ｃは、図７Ｂに示す構造体２つからなる実施例を示し、一方が他方に対して逆転した状態で共晶接合７８によって結合されて、キャビティ７９を形成している。
【００４４】
ＭＥＭＳデバイスに対して、機械的作動および変換（mechanical actuation and transduction）のためのいくつかの技術が開発されている。これらの技術の多くが、音響共鳴
の励起および検出に適している。この用途として考えられる技術には、圧電（piezoelectric）アクチュエータ、静電型アクチュエータ、および静電容量型アクチュエータがある
。
【００４５】
図８Ａおよび８Ｂは、２つの異なる変換手段（means of transduction）を備えた、本
発明による別の音響センサを示す。図８Ａは、音響センサの一実施形態を説明するものであり、図７Ｃに記載のものと同じ層構造を備え、圧電材料の層８０が追加されて端壁の外縁に接合されている。この構成により、圧電材料の層の厚みにわたって生じる電界が端壁の平面の材料の寸法を変化させる、いわゆる「屈曲モード（bending mode）トランスデューサ」が得られる。端壁と接合していることで、端壁７５が、この寸法の変化によって端壁の平面に対して垂直に変位する。
【００４６】
図８Ｂは、図７Ｃに記載のものと同じ層構造を備えた別の音響センサ示し、第１の電極８１として使用される導電層と、平面エッチングされた別の層から形成され、ガスが充填または排気されたキャビティ８３を第１の電極の上に形成する絶縁または半導電構造体８２と、第２の電極８４を形成する第２の導電層とが追加されている。第１の通電電極と第２の通電電極との間に電位差が印加され、端壁７５が、端壁の平面に対して垂直方向に変位する。
【００４７】
ＭＥＭＳデバイスが、より大きなＭＥＭＳ構造体として、同じシリコンウエハ基板上に特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）を実装することは一般的である。これは、全体の小型化および低コストの可能性等、いくつかの利点をもたらすものである。
【００４８】
本発明によるセンサの消費電力は、トランスデューサの質量により左右され、これもまたデバイスの形状サイズに関連している。同じ材料から作られた小型のトランスデューサは、質量が小さくなるため、所定の速度で移動するために必要となる運動エネルギーも小さくなる。消費電力を低減することは、バッテリまたは環境発電（energy harvesting）
手段を電源とする携帯機器での用途において特に好ましい。
【００４９】
ＭＥＭＳデバイスが高いコスト効率で製造できる主な理由のひとつが、多くのデバイスが単一の材料ウエハから製造できることである。そのため上述の工程は、多くのデバイスに対して並行（バッチ）して適用され、生産時間および生産コストを大幅に低減することができる。
【００５０】
図９は、単一の材料ウエハ９０が多くのセンサ９１の製作に使用される、製造手順の一実施形態を示す。
【００５１】
以下の式に示されるように、理想気体の音速ｃは、その温度Ｔに依存している。
【数５】
2018507390.tif 000007
【００５２】
そのためガス組成を算出する場合は、測定されるガスの温度を正確に監視することが重要である。音響センサでは、ＭＥＭＳまたは半導体製造プロセスを使用する同じ構成要素内に、温度センサを組み込むことが有利であり、これは共振音響キャビティを形成する材料ウエハ上であってもよい。
【００５３】
図１０Ａは、本発明によるＭＥＭＳガス測定システムの態様を示すものであり、温度センサ１００が、図７Ｃに記載のものと同じ層構造を有する音響センサの、キャビティの側壁を形成するウエハ１０１上に堆積する。この実施形態では、キャビティ１０３への複数の開口１０２が設けられ、キャビティ１０３と周囲環境との間におけるガス拡散が可能となる。
【００５４】
上記の状況とは逆に、ガス組成が既知で一定である場合には、その音速の測定を使用してガス温度を決定することができる。これは、共振音響キャビティに、組成が既知である基準ガスを収容するように構成することで実現できる。これは、単独型の温度測定システムとしても、ガス測定システムを補償する手段としても使用できる。
【００５５】
基準キャビティと測定キャビティとを密接に熱接触させ、測定ガスの温度が基準ガスの温度と等しくなるように、これらの一体化を達成できる。これは例えば、これらのキャビティが共通の端壁を共有することで実現できる。ＭＥＭＳデバイスが小規模であることによって、環境との熱平衡に速やかに達することができる、低い熱質量のセンサが実現するという利点が得られる。
【００５６】
図１０Ｂは、図７Ａ〜７Ｃと同様の材料層を使用して構成されたＭＥＭＳガス測定システムの一実施形態の態様を示すものであり、複数の開口１０２を備えた第１の音響キャビティ１０３と、既知のガスを収容する密閉された基準キャビティ１０５とが、共通の端壁１０４を共有している。
【００５７】
図１１Ａ〜１１Ｃは、呼吸気流に音響センサが搭載された呼吸監視システムの実施例を示す。図１１Ａは、ヒト患者の口に近接するブーム上のセンサ１１０を示す。図１１Ｂは、マウスガード様構造体に搭載されたセンサ１１０を示す。矢印は、着用者の呼吸器系を出入りする空気の流れを示す。図１１Ｃは、フェイスマスクに搭載されたセンサ１１０を示す。
【００５８】
呼吸気の監視は、肺かん流（pulmonary lung perfusion）、肺胞換気（alveolar ventilation）、呼吸のパターンおよび速度、ならびに二酸化炭素の生成および排出に関する情報を提供するために使用することができる。呼吸監視によって、さらに、代謝および循環の働きに関する間接的な情報を得ることができる。呼気ガスを監視することで得られる情報は、人工呼吸によって呼吸が維持されている重症患者（ヒトおよび動物）、ならびに麻酔を受けている患者の治療成績（outcome）の改善のために使用することができる。救命
医療での別の重要な用途として、気管内チューブの正しい装着を査定することがある。さらに別の用途として、運動パフォーマンスモニタリング、喘息およびＣＯＰＤ等の慢性的な呼吸状態の監視、肺活量の測定、鎮痛薬を投与された患者の監視等が挙げられる。
【００５９】
本明細書に記載の音響センサの、数多くの用途のうちのひとつが、呼吸監視システムである。多くの呼吸監視デバイスが、呼吸サイクル全体（単一サンプルの測定ではない）のガス特性の変化を測定する。このためには時間分解が重要であり、センサ応答時間は１００ミリ秒以下であることが望ましい。図６は、Ｔ９０を１００ミリ秒とするために、キャビティの半径が２ｍｍ未満とすべきであることを示している。
【００６０】
呼気の水蒸気によって、ガス特性が変化する。呼吸監視システムの好ましい実施形態では、水蒸気の影響に対して、ＭＥＭＳガス測定システムの出力が補償される。典型的な低コストの水蒸気センサは、応答時間が１００ミリ秒よりもはるかに遅い。図１２は、呼吸サイクルにわたって呼気ガスの水蒸気量を推定するアルゴリズムを使用した、呼吸監視システムのさらに好ましい実施形態を説明するブロック図を示す。
【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８】
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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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【国際調査報告】
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