(57)【要約】      （修正有）【課題】極限環境、例えば高温環境、高圧環境、および／または腐食性ガスを含有する環境において持続した操作を可能にするセンサを提供する。【解決手段】真空状態が維持される放出チャンバを少なくとも部分的に規定するセンサハウジング内に熱電子センサを配置した熱電子素子１００が開示される。放出チャンバ内にはカソード１１０とカソード１１０と間隔をあけたアノード１２０ならびアノード１２０およびこのカソード１１０に面した電気伝導性層をもつ熱電子センサが配設される。熱電子センサはアノード１２０およびカソード１１０が実質的に同じ温度にある場合に、検出シグナルをアウトプットするように構成される。【選択図】図１
2016118542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空状態が維持される放出チャンバを少なくとも部分的に規定するセンサハウジング；
前記放出チャンバに配設されたカソード；
前記放出チャンバに配設され、前記カソードから間隔をあけたアノード；ならびに
前記アノードおよびカソードに面する前記放出チャンバに配設された電気伝導性層、
を含む熱電子センサであって、
ここで前記熱電子センサが、アノードおよびカソードが実質的に同じ温度である場合に検出シグナルをアウトプットするように構成される、熱電子センサ。
【請求項２】
前記センサハウジングが実質的に非多孔性のセラミック材料を含む、請求項１に記載の熱電子センサ。
【請求項３】
前記放出チャンバが約１００マイクロＴｏｒｒ未満の圧力にて維持される、請求項１に記載の熱電子センサ。
【請求項４】
前記カソードが、前記カソードの総重量に基づいて、約０．２重量％〜約５．０重量％のレアアース元素で合金化されたタングステンを含む、請求項１に記載の熱電子センサ。
【請求項５】
前記レアアース元素がランタンを含む、請求項４に記載の熱電子センサ。
【請求項６】
前記アノードが実質的に純粋なタングステンを含む、請求項１に記載の熱電子センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の熱電子センサであって：
前記センサハウジングが、前記センサハウジングに適用される周囲圧力の量に応答して曲がるように構成される可撓性部分を含み；
前記電気伝導性層が、前記可撓性部分に取り付けられ、こうして前記電気伝導性層と、前記カソードおよびアノードとの間の距離が、周囲圧力の量に従って変化する、熱電子センサ。
【請求項８】
センサハウジングをケースに入れる耐火性金属をさらに含む、請求項１に記載の熱電子センサ。
【請求項９】
実質的に非多孔性セラミック材料を含み、約１００マイクロＴｏｒｒ未満の圧力にて維持される放出チャンバを少なくとも部分的に規定するセンサハウジング；
前記放出チャンバに配設されたカソード；
前記放出チャンバに配設され、前記カソードから間隔をあけたアノード；ならびに
前記アノードおよびカソードに対向する前記放出チャンバに配設された電気伝導性層
を含む熱電子センサ。
【請求項１０】
前記熱電子センサが、前記アノードおよびカソードが実質的に同じ温度である場合に、検出シグナルをアウトプットするように構成される、請求項９に記載の熱電子センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱電子センサおよびこれを用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
極限環境は、周囲環境におけるパラメータをモニターするように構成されたセンサに対して課題をもたらす。例えば高温環境、高圧環境、および／または腐食性ガスを含有する環境はすべて、こうした極限環境における持続した操作を可能にするセンサを設計するために課題をもたらす。これらの課題を考慮して、従来のセンサの使用はこうした環境において実行不可能であるか、または例えば周囲の極限環境からセンサを保護するための１つ以上の周囲層による大きく面倒なサイズといった変更を必要とする。例えば、高温で使用するための従来のセンサは、例えば周囲高温環境からセンサへの熱のフローを最小限にすることによって、センサに対する高温の作用を緩和するように設計されることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱電子放出は、熱が金属表面からの電子の発生およびフローを誘導する現象である。電子のフローは、電子の熱エネルギーが電子の金属に対する結合力よりも大きくなる場合に生じる（すなわち熱エネルギーが金属の仕事関数を超える）。現象としての熱電子放出は、従来のデバイス、例えば真空管において利用されており、ここでは放出された電子が正に帯電されたアノードに回収される。例えば、一部の従来のデバイスは、熱電子放出が生じるのに十分な温度に金属表面を加熱するための加熱コイルを含む。例えば、カソードは、外部電源で加熱されるが、アノードは加熱されない。エンクロージャは、通常の低温周囲状態にある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
故に、その機能を促進するために周囲環境の利点を活用できるセンサを提供することが有用であり、これにより、例えば温度、圧力、歪、フラックスまたは流量のような広範囲の関連プロセス状態をセンシングできる。極限環境における持続した使用のためのセンサを提供することによって、極限環境に曝されるシステムのために、向上したモニタリングおよび制御が提供できる。
【０００５】
本開示の種々の例示的な実施形態によれば、真空状態が維持される放出チャンバを少なくとも部分的に規定するセンサハウジング；この放出チャンバに配設されたカソード；この放出チャンバに配設され、このカソードと間隔をあけたアノード；ならびにこのアノードおよびこのカソードに面した放出チャンバ中に配設された電気伝導性層を含む熱電子センサが提供される。熱電子センサは、アノードおよびカソードが実質的に同じ温度にある場合に、検出シグナルをアウトプットするように構成される。
【０００６】
さらなる例示的な実施形態によれば、基板；基板に配設され、真空状態が維持されるパッケージチャンバを少なくとも部分的に規定するパッケージハウジング；パッケージチャンバに配設された熱電子センサ；および基板に配設され、センサシグナルを外部デバイスにワイヤレス伝送するように構成された第１のワイヤレス伝送デバイスを含むセンサパッケージも提供される。
【０００７】
なおさらなる例示的な実施形態によれば、熱電子センサパッケージを用いる方法であって、この方法が、高温環境にセンサパッケージを曝し、こうしてセンサパッケージのセンサのアノードおよびカソードの両方が少なくとも約６００℃に加熱される工程；カソードとアノードとの間の熱電子放出を用いてセンサシグナルを発生させる工程；およびセンサシグナルを外部デバイスにワイヤレス伝送する工程を含む方法も提供される。
【０００８】
記載されるように、本明細書に記載される種々の例示的な実施形態に従うセンサは、高温環境からの熱を使用して、天然に熱電子放出を可能にし、従って周囲環境の１つ以上のパラメータを測定するために使用される。センサは、例えば温度、圧力、歪、フラックスまたは流量のような広範囲の関連プロセス状態をセンシングするために使用されてもよい。極限環境での持続した使用のためのセンサを提供することによって、極限環境に曝されるシステムのために向上したモニタリングおよび制御を提供する。
【０００９】
追加の目的、特徴、および／または利点は、以下の説明において部分的に示され、説明から部分的に明らかになり、あるいは本開示および／または特許請求の範囲の実施によって理解され得る。これらの目的および利点の少なくとも一部は、開示および特許請求の範囲の範囲内に必ずしもあるとは限らないが、添付の特許請求の範囲において特に示される要素および組み合わせによって実現され、成し遂げられ得る。
【００１０】
前述の一般的な記載および以下の詳細な説明の両方は、例示および説明に過ぎず、特許請求の範囲の制限ではないことが理解されるべきである；それどころか、特許請求の範囲は、それらの全範囲（等価物を含む）に対して権利が付与されるべきである。
【００１１】
本開示は、単独でまたは添付の図面と共に以下の詳細な説明から理解できる。図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本開示の１つ以上の例示的な実施形態を示し、説明と共に、特定の原理および操作を説明するために役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示の種々の実施形態に従う熱電子素子の側部断面図を示す。
【図２】図２は、本開示の種々の実施形態に従う熱電子センサパッケージの側部断面図を示す。
【図３】図３は、本開示の種々の実施形態に従うカソードおよびアノードペアの熱電子性能のプロットを示す。
【図４】図４は、本開示の種々の実施形態に従う明らかになったセンサの内部コンポーネントを伴う熱電子温度センサの概略斜視図を示す。
【図５】図５は、図４の熱電子センサの頂部プレートおよび等ポテンシャル表面の底面図を示す。
【図６】図６は、図４の線６−６に沿った、図４の熱電子センサの側面図を示す。
【図７】図７は、図４の熱電子センサの底部プレート、アノード、およびカソードの上面図を示す。
【図８】図８は、本開示の種々の実施形態に従う温度センサ性能のプロットを示す。
【図９】図９は、本開示の種々の実施形態に従う明らかになったセンサの内部コンポーネントを伴う熱電子圧力センサの概略斜視図を示す。
【図１０】図１０は、本開示の種々の実施形態に従う圧力センサの頂部プレートの底面図である。
【図１１】図１１は、本開示の種々の実施形態に従う圧力センサの基板の上面図である。
【図１２】図１２は、図９の線１２−１２に沿った側部断面図である。
【図１３】図１３は、外部圧力がセンサに適用された場合の図１２の圧力センサを示す。
【図１４】図１４は、本開示の種々の実施形態に従う圧力センサ性能のプロットを示す。
【図１５】図１５は、本開示の種々の実施形態に従う明らかになった増幅器の内部コンポーネントを伴う増幅器の概略斜視図を示す。
【図１６】図１６は、図１５の線１６−１６に沿った側部断面図である。
【図１７】図１７は、図１５の圧力センサの基板の上面図である。
【図１８】図１８は、本開示の種々の実施形態に従うワイヤレス伝送デバイスの概略図である。
【図１９】図１９は、本開示の種々の実施形態に従う電力デバイスの側部断面図である。
【図２０】図２０は、本開示の種々の実施形態に従う熱電子センサの側部断面図である。
【図２１】図２１は、本開示の種々の実施形態に従うセンサパッケージを用いる方法を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に記載される例示的な実施形態は、極限環境における持続した使用が可能なワイヤレス熱電子センサに関する。例えば、本明細書に記載される例示的な実施形態に従うセンサは、高温、例えば約１８００℃まで、例えば約７５０℃〜約１６００℃または約１０００℃〜約１５００℃；高圧、例えば約１２５０ｐｓｉまで、例えば約１０００ｐｓｉまでまたは約７５０ｐｓｉまでの圧力；および／またはガス状環境、例えば炭化水素、酸素、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、酸化硫黄、および／または亜酸化窒素ガスを含む環境にて使用されてもよく、ここでガス状環境は、約１７５０ｍｐｈまで、例えば約１５００ｍｐｈまでまたは約１２５０ｍｐｈまでの流量を提供し得る。
【００１４】
１つの実施形態によれば、例示的な熱電子センサは、少なくとも１つの環境パラメータを測定できるパッケージ中の少なくとも１つの熱電子素子を含む。センサは、温度センサ、圧力センサ、歪センサ、フラックスセンサ、流量センサ、および／または１つ以上の他のパラメータを測定するためのセンサであってもよい。１つの例示的な実施形態によれば、センサは、場合により、センサのアウトプットシグナルを向上させるための１つ以上の増幅器を含んでいてもよい。センサは、場合により、少なくとも１つの例示的な実施形態に従ってワイヤレスであってもよいが、少なくとも１つの実施形態において、センサはワイヤレスではない。センサは、１つの例示的な実施形態に従って、熱電子発電機を含んでいてもよい。センサは、少なくとも１つの例示的な実施形態に従って、センサ内において真空または部分真空を実質的に維持するためにゲッター材料を含んでいてもよい。
【００１５】
図１は、本開示の例示的な実施形態に従う熱電子素子１００の概略図である。図１を参照すれば、熱電子素子１００は、カソード１１０およびアノード１２０を含む。ここで、カソードはまた、「放出電極」または「電子エミッタ」と称されてもよく、アノードは、「回収電極」または「電子コレクタ」と称されてもよい。熱電子素子１００が熱電子放出を誘導するのに十分な温度に加熱される場合、電子１４０は、カソード１１０からアノード１２０へ放出される。電圧源１３０は、カソード１１０からアノード１２０への電子のフローを補助するためにカソード１１０とアノード１２０との間に低バイアス電圧、例えば約５Ｖを誘導するように提供されてもよい。カソード１１０とアノード１２０との間の電流の大きさは、カソード１１０およびアノード１２０の温度およびデバイスの幾何学形状に直接関連する。この関係により、熱電子素子１００を含ませること、およびカソード１１０とアノード１２０との間の電流を測定することによって、比較的単純であるが、有効な温度センサが提供され得る。他の状態は、以下に記載される追加の例示的な実施形態において議論されるように、熱電子素子１００を用いて、例えば測定されるべきプロセス状態でカソード１１０とアノード１２０との間の電流フローを調節することによって、測定されてもよい。さらに、熱電子素子１００は、以下でさらに詳細に議論されるが、他のコンポーネントに使用されてもよい。
【００１６】
図２は、本開示の例示的な実施形態に従うセンサパッケージ２００を示す。図２を参照すれば、センサパッケージ２００は、基板２１４、基板２１４に配設されるハウジング２１０、およびハウジング２１０を囲むエンケースメント２１２を含む。ここで、ハウジング２１０は、「パッケージハウジング」と称され得る。ハウジング２１０内において、センサパッケージ２００は、センサ２２０；センサ２３０；増幅器２２２、２３２；ワイヤレス伝送デバイス２４０、２４２；捕捉材料２６０；および電力デバイス２５０（電源）を含む。しかしながら、少なくとも特定の例示的な実施形態によれば、これらの要素の１つ以上は、場合により、以下に議論されるように、省略されてもよい。
【００１７】
センサ２２０は、センサパッケージ２００の周囲温度を測定するように構成されてもよく、温度センサと称されてもよい。センサ２３０は、センサパッケージ２００の周囲圧力を測定するように構成されてもよく、圧力センサと称されてもよい。しかしながら、種々の実施形態によれば、センサ２２０および２３０は、他のタイプのセンサであってもよい。温度センサ２２０および圧力センサ２３０は、例えば図１の概略熱電子素子１００に基づいてもよい。
【００１８】
他のセンサデバイスとは対照的に、センサパッケージ２００は、場合によりワイヤレスであってもよい。例えばセンサパッケージ２００は、外部電源またはトランスミッタへの電力接続がなくてもよく、センサパッケージ２００の内部において真空または部分真空を維持するために外部真空源への真空接続がなくてもよい。少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、センサパッケージ２００の外側表面は連続的であってもよい。例えば、外側表面は密閉シールされていてもよく、センサパッケージ２００の外部とセンサパッケージ２００の内部との間から、センサパッケージ２００のハウジングを通って、センサパッケージ２００に直接は取り付けられていないいずれかのデバイスまたはコンポーネントまで延びたアパーチャ、接続または経路はない。一部の実施形態によれば、電力デバイス２５０は、センサパッケージ２００の外側表面に取り付けられてもよい。しかしながら、センサパッケージ２００は、センサパッケージ２００が内蔵型となるように、外部電源への接続がなくてもよい。
【００１９】
ワイヤレス伝送デバイス２４０、２４２はそれぞれ、センサ２２０、２３０によって１つ以上の外部デバイスにシグナルアウトプットを伝送する。例えばシグナルは、アウトプットシグナルに対応するパラメータを制御する外部制御システムに伝送されてもよい。増幅器２２２、２３２はそれぞれ、センサ２２０、２３０によるシグナルアウトプットを増幅する。しかしながら、一部の実施形態によれば、増幅器２２２、２３２は省略されてもよく、センサ２２０、２３０は、ワイヤレス伝送デバイス２４０、２４２に直接接続されてもよい。
【００２０】
電力デバイス２５０は、センサパッケージ２００のコンポーネントに電力を提供する。電力デバイス２５０の詳細は、以下の例示的な実施形態において議論される。電力デバイス２５０は図２のセンサパッケージ２００の内部に図示されるが、電力デバイス２５０は、代わりに、センサパッケージ２００の外側表面に配設されてもよい。さらに、電力デバイス２５０は、センサ２２０、２３０に接続されてもよい。電力デバイス２５０はまた、増幅器２２２、２３２に接続されてもよい。電力デバイス２５０は、図１の例示的な実施形態の電圧源１３０と同様に、センサ２２０、２３０の熱電子素子にバイアス電圧を供給し得る。
【００２１】
センサパッケージ２００のコンポーネント、例えば温度センサ２２０および／または圧力センサ２３０によって利用される熱電子放出を促進するために、ハウジング２１０は、真空状態、すなわち完全または部分真空下に維持されてもよい。種々の実施形態によれば、センサパッケージ２００の内部は、例えば約１００マイクロＴｏｒｒ以下の圧力にて、例えば約３０００時間以上の操作の期間維持されてもよい。センサパッケージ２００が内蔵型となるので、真空状態は、センサパッケージ２００の内部とセンサパッケージ２００の外部の真空源との間の真空接続なしに維持されてもよい。故に、センサパッケージ２００は、外部真空源なしに操作されてもよい。
【００２２】
図２に示されるように、エンケースメント２１２は、ハウジング２１０を囲む。エンケースメント２１２は、例えばセンサパッケージ２００の内部において真空状態を実質的に維持するために、ハウジング２１０のシーリングを促進する密閉パッケージであってもよい。ハウジング２１０およびエンケースメント２１２を含むセンサパッケージ２００は、少なくとも特定の例示実施形態によれば、約１０−８ｃｍ３ａｔｍ／ｓｅｃ未満の漏出割合を有していてもよい。
【００２３】
エンケースメント２１２は、例えば耐火性材料、例えば耐火性金属を含んでいてもよい。耐火性金属は、例えばチタン、白金、パラジウム、タングステン、タンタル、これらの合金、または他の好適な耐火性金属を含んでいてもよい。一部の実施形態によれば、エンケースメント２１２は、タングステンを含んでいてもよい。エンケースメント２１２は、ハウジング２１０を囲む単一層の形態であってもよい。しかしながら、一部の実施形態によれば、エンケースメント２１２は、複数の層を含んでいてもよい。例えば、エンケースメント２１２は、第１の層、例えば耐火性金属の層、および少なくとも第２の層を含んでいてもよい。エンケースメント２１２の第２の層は、第１の層、例えば金属性層またはセラミック層上にコーティングを含んでいてもよい。故に、エンケースメント２１２の最外層はセンサパッケージ２００の外側表面を形成してもよい。エンケースメント２１２の第２の層が金属性である場合、第２の層は、例えばチタン、白金またはこれらの合金を含んでいてもよい。エンケースメント２１２の第２の層が金属性である場合、第２の層は、例えば酸化ジルコニウムを含んでいてもよい。エンケースメント２１２は、複数の第１および第２の層を含んでいてもよく、これらは別の方法として互いに積層される。
【００２４】
捕捉材料２６０は、ハウジング２１０の内部に浸み込むガス状分子を捕捉するためのゲッター材料として作動する。そのようなものとして、捕捉材料２６０は、ハウジング２１０において真空または部分真空を維持するのに役立つ。ハウジング２１０は実質的にシールされ得るが、ガス状分子のハウジング２１０への一部の拡散または漏出が生じ得る。従って、捕捉材料２６０は、センサパッケージ２００の内部に浸み込むガス状分子と反応するゲッター材料として作用し得る。捕捉材料２６０は、低い蒸気圧および酸素に対して高い親和性を有する材料および／または高温での他のガス状分子、例えばジルコニウムであってもよい。
【００２５】
極限環境において持続した操作が可能な熱電気素子を提供するために、熱電気素子の材料は、注意深く選択されるべきである。例えば、材料は、例えば高温、例えば約７５０℃〜約１６００℃、高圧、例えば約１０００ｐｓｉまでの圧力を有する極限環境、および／またはガス状環境（例えば炭化水素、酸素、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、酸化硫黄、および／または亜酸化窒素ガスを含む）に供され得る。ガス状環境は、例えば約１５００ｍｐｈまでの流量を有していてもよい。
【００２６】
材料は、実質的な期間、上記で記述された極限状態下、周囲環境に耐えることができるセンサパッケージ２００のハウジング２１０のために選択されてもよい。種々の実施形態によれば、ハウジング２１０は、セラミック、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含む。典型的なセラミック、例えばアルミナは、少量の多孔率を含有し、高温酸素伝導率を有し、これは高温での真空バリアとして使用するには不向きである。これに対処するために、ハウジング２１０は、セラミック、例えばアルミナを含んでいてもよく、ナノサイズ粒子から焼結され、結果として得られたセラミックは、実質的に０の多孔率を有する。例示的な実施形態によれば、実質的に０の多孔率を有するアルミナは、実質的に純粋なアルミナ、例えば約９９．９％以上の純度を有するアルミナを含む。さらに、アルミナは非常に強力である。例えば、１６００℃で１５０ＭＰａを超える曲げ強度を有するアルミナは、１．５ｍｍの厚さを有するハウジングの１ｃｍ２のルーフ構造に関して１６００ｐｓｉを超える圧力に耐えることができ、これは、例えば約１０００ｐｓｉであり得る所望のターゲットを十分超える。加えて、アルミナは、例えば酸素、蒸気、炭化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、ＳＯｘおよびＮＯｘを含む多くの化学物質およびガスに対して、有利なことには耐性である。
【００２７】
実質的に非多孔性のアルミナは、Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃ  ｏｆ  Ｃｈｅｓｈｉｒｅ，ＵＫからのＤｙｎａｌｌｏｘ  ＨＰ，９９．９％Ａｌ２Ｏ３、およびＭｏｒｇａｎ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｏｆ  Ｆａｉｒｆｉｅｌｄ，ＮＪ．からのＨＩＰ  Ｖｉｔｏｘ，９９．９％Ａｌ２Ｏ３として入手可能である。Ｄｙｎａｌｌｏｘ  ＨＰ，９９．９％Ａｌ２Ｏ３は、約０％の多孔率、室温での約３５０ＧＰａおよび１６００℃で３００ＧＰａの弾性、約１８００℃の最大操作温度、約８．５ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率、室温で約３５０ＭＰａおよび１６００℃で約１５０ＭＰａの曲げ強度を有し、１６００℃において二酸化炭素、酸素、炭化水素、一酸化炭素、蒸気、ＮＯｘおよびＳＯｘと化学的に適合性である。ＨＩＰ  Ｖｉｔｏｘ，９９．９％Ａｌ２Ｏ３は、約０％の多孔率、室温で約４０７ＧＰａおよび１６００℃で約３５０ＧＰａの弾性、約１７５０℃の最大操作温度、約６．８ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率、室温で約５５０ＭＰａおよび１６００℃で約２１０ＭＰａの曲げ強度を有し、１６００℃で二酸化炭素、酸素、炭化水素、一酸化炭素、蒸気、ＮＯｘおよびＳＯｘと化学的に適合性である。
【００２８】
少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、ハウジング２１０は、共に接合された複数のピースを含んでいてもよい。ピースは、例えば１つの例示的な実施形態に従って適合性セラミック材料のペーストを介して共に接合されてもよい。例えば、グリーン形態のペーストは、接合されるべきピース間に適用されてもよく、次いで高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）プロセスにおいて焼成されてもよい。ペーストは、ハウジング２１０が製造される材料と適合性でなければならず、ハウジング２１０の真空能を実質的に妥協することなく、持続した期間にわたって極限環境内で操作可能でなければならない。
【００２９】
例示的な実施形態によれば、ペーストは、アルミナ（すなわちアルミナ系ペースト）を含む。例えば、ペーストは、Ａｒｅｍｃｏ  ｏｆ  Ｖａｌｌｅｙ  Ｃｏｔｔａｇｅ，ＮＹからのＣｅｒａｍａｂｏｎｄ  ５６９アルミナベースペーストであってもよく、これは１６５０℃の最大操作温度、７．６ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有し、少なくともアルミナ、タングステンおよびモリブデンと適合性である。他の例示的な実施形態において、ペーストは、Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ  ｏｆ  Ｂｒｏｏｋｌｙｎ，ＮＹからのＲｅｓｂｏｎｄ（登録商標）９０３ＨＰ  アルミナベースペーストであってもよく、これは１７８０℃の最大操作温度、４．０ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率を有し、少なくともアルミナ、タングステンおよびモリブデンと適合性である。
【００３０】
熱電子素子、例えば熱電子素子１００のカソードおよびアノードのための材料は、極限環境の状態に耐えるように選択され得る。さらに、カソードおよびアノードのための材料は、材料がセンサ内の真空または部分真空下で高い割合で劣化しないように選択されるべきである。材料はまた、センサのハウジング材料と実質的に適合性であるように選択されてもよい。材料は、高温にて、例えば、ハウジング材料、例えばセラミックおよび／またはペーストと同様の熱膨張率を有するように選択されてもよく、こうしてカソードおよびアノードの材料は最小の湾曲を有し、高温でのハウジング材料からのカソードまたはアノード材料のポップオフが最小限にまたは削減される。一般に、カソード材料は、電気伝導性であり、地面または別の電圧と繋がってもよく、結果として電子はカソードを離れた電子を補充できる。
【００３１】
カソードおよびアノードの材料についてさらに考慮することは、材料の仕事関数である。本明細書に記載される種々の実施形態において、カソードおよびアノードは、実質的に同じ温度である。結果として、カソードおよびアノード材料は、ターゲット操作範囲にわたるそれらの仕事関数が適切な電流密度を生じるのに十分異なるように選択されるべきである。例えば、熱電子放出はリチャードソン方程式によって支配される：
Ｊ＝ＡＴ２ｅ−Ｐｈｉ／ｋＴ
式中、Ｊ＝熱電子電流密度（Ａ／ｍ２）、Ａ＝材料特性に依存する熱電子定数、Ｔ＝電極温度（Ｋ）、ｐｈｉ＝材料の仕事関数、ｋ＝ボルツマン定数。
【００３２】
種々の例示的な実施形態によれば、カソードは、タングステンおよび別の材料を含んでいてもよい。タングステンはセンサが曝される高温に耐えることができるので、カソードのためのベース材料として使用されてもよく、真空状態にて実質的な期間にわたって実質的な割合では劣化せず、センサハウジングの材料と十分に適合性の熱膨張率を有する。
【００３３】
一般に、カソード材料の仕事関数は、センサに所望の熱電子挙動に依存して、アノード材料の仕事関数と同じであることも、低いことも、または高いこともある。
【００３４】
種々の例示的な実施形態によれば、カソードは、金属材料、例えばタングステンに加えて低仕事関数の材料を含んでいてもよい。カソードの金属は、１つ以上の低仕事関数材料、例えばトリウム（Ｔｈ）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）、バリウム（Ｂａ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、ランタン（Ｌａ）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、イットリウム、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、セシウム（Ｃｅ）、酸化セシウム（ＣｅＯ２）、およびこれらの組み合わせから選択される材料でコーティングされ、混合され、および／または含浸されてもよい。好適なコーティング／含浸低仕事関数材料としては、例えばＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｌａ、Ｌａ２Ｏ３、および／またはこれらの組み合わせが挙げられる。特定の実施形態において、低仕事関数材料は、電気伝導性でなくてもよく、ＲＦスパッタリングが使用されてもよい。
【００３５】
カソードは、レアアース元素、例えばランタンを含んでタングステンを含んでいてもよい。レアアース元素は、カソードの総重量に基づいて、例えば約０．２重量％以上の量で存在してもよい。レアアース元素は、タングステンと共に合金を形成してもよく、これは１つ以上の相を含んでいてもよく、または酸化物形態で、例えばタングステンに分散した酸化物粒子で存在してもよい。例示的な実施形態によれば、カソードは、ランタンタングステンを含んでいてもよい。ランタンタングステンの例は、ランタンタングステンの総重量に基づいて、例えば約０．２重量％〜約５重量％の量で、酸化ランタン（すなわちＬａ２Ｏ３）を含むタングステンである。他の例示的な実施形態によれば、ランタンタングステンは、ランタンタングステンの総重量に基づいて、例えば約１重量％の量で酸化ランタンを含む。ランタンタングステンは、６×１０Ｅ５Ａ／ｍ２のリチャードソン熱電子定数（Ａ）、約４．５ｅＶの仕事関数（ｐｈｉ）、室温で約４．７ｐｐｍ／Ｋおよび１６００℃で約５．８ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率、室温で約２００ＧＰａおよび１６００℃で約４００ＧＰａの弾性率、ならびに室温で約３００ＭＰａおよび１６００℃で約１０００ＭＰａの引張強度を有していてもよい。
【００３６】
種々の例示的な実施形態によれば、アノードは、実質的に純粋なタングステンを含んでいてもよい。実質的に純粋なタングステンは、例えば約９９．９９％の純度を有していてもよい。換言すれば、アノードは、純粋なタングステンの特性、例えばタングステンの仕事関数および／または熱膨張率を変更する不純物および元素を避けるために、高純度のタングステン、例えば約９９．９９％純度のタングステンで形成されてもよい。実質的に純粋なタングステンは、６×１０Ｅ５Ａ／ｍ２のリチャードソン熱電子定数（Ａ）、約２．５〜約２．８ｅＶの仕事関数（ｐｈｉ）、室温で約４．５ｐｐｍ／Ｋおよび１６００℃で約５．５ｐｐｍ／Ｋの熱膨張率、室温で約２００ＧＰａおよび１６００℃で約４００ＧＰａの弾性率、ならびに室温で約３００ＭＰａおよび１６００℃で約１０００ＭＰａの引張強度を有していてもよい。他の例示的な実施形態によれば、アノードは、白金（ｐｌａｔｉｎａｔｅｄ）タングステン（すなわち白金および／または酸化白金を含むタングステン）を含んでいてもよい。例えばアノードは、アノードの総重量に基づいて約０．０１〜約１０重量％の白金を含んでいてもよい。別の実施形態によれば、アノードは、カソード材料よりも低い仕事関数を有する異なる好適な材料で構成されてもよい。
【００３７】
カソードおよびアノード材料は、上記で記載される先の例示的な実施形態のいずれかからの材料を選択することによって対にしてもよい。例示的な実施形態によれば、カソードは、ランタンタングステンを含んでいてもよく、アノードは、上記で記載される例示的な実施形態によれば実質的に純粋なタングステンを含んでいてもよい。図３は、ランタンタングステンカソードおよび実質的に純粋なタングステンアノードについての熱電子性能のプロットを、温度に対してプロットされた熱電子電流について示す。これらの仕事関数の大きい差異により、ランタンタングステンカソードは、図３に示されるように、実質的に純粋なタングステンアノードよりも５倍を超える大きさの活性を有し、結果として機能性熱電子デバイスに必要とされる電流密度を十分超える電流密度が得られる。しかしながら、カソードおよびアノード材料のペアリングは、ランタンタングステンおよび実質的に純粋なタングステンに限定されないが、カソードおよびアノードのそれぞれの材料は、上記で記載される例示的な実施形態のいずれかから選択されてもよい。
【００３８】
センサパッケージの他のコンポーネントまたは部品の材料はまた、極限環境の状態に耐えるように選択されてもよい。例示的な実施形態によれば、センサパッケージ内のカソードおよび／またはアノードに電気的に接続するためのボンドパッドは、カソードまたはアノードと同じ材料を含んでいてもよい。他の例示的な実施形態によれば、ボンドパッドは、カソードまたはアノードがタングステンで製造されるかどうかにかかわらず、タングステンで製造されてもよい。
【００３９】
図４は、本開示の例示的な実施形態に従う熱電子温度センサ３００を示す。図４を参照すると、温度センサ３００は、ハウジング３１０、アノード３２０、およびカソード３３０を含む。ハウジング３１０、アノード３２０、およびカソード３３０は、上記の例示的な実施形態に議論される材料のいずれかで製造されてもよい。本明細書において、ハウジング３１０は、「センサハウジング」と称されてもよい。ハウジング３１０は、アノード３２０およびカソード３３０が位置する放出チャンバ３１２を形成するように協働するトッププレート３１６およびボトムプレート３１８を含む。図２の例示的な実施形態に関して上記で議論されたように、ハウジング３１０の放出チャンバ３１２は、カソード３３０とアノード３２０との間の電子の実質的に妨げられない放出を促進するために、真空状態下、例えば約１００マイクロＴｏｒｒ以下の圧力で維持されてもよい。
【００４０】
温度センサ３００は、スタンドアローン温度センサであるように図４に示される。しかしながら、温度センサ３００は、センサパッケージに含まれていてもよい。例えば温度センサ３００は、一部の実施形態によれば、図２のセンサパッケージ２００の温度センサ２２０として利用されてもよい。
【００４１】
ハウジング３１０は、以下に議論されるように、トッププレート３１６およびボトムプレート３１８と共にチャンバ３１２を形成するために、トッププレート３１６とボトムプレート３１８との間に他のコンポーネント、例えばスペーサ（図示せず）を含んでいてもよい。しかしながら、ハウジング３１０は、この構成に限定されず、他の配置を有していてもよい。例えば、チャンバ３１２を形成するために、トッププレート３１６、ボトムプレート３１８、またはトッププレート３１６およびボトムプレート３１８の両方の表面にくぼみが形成されてもよい。ハウジング３１０はさらに、ボトムプレート３１８およびトッププレート３１６が配設された基板３１４を含んでいてもよい。しかしながら、一部の実施形態によれば、基板３１４は省略されてもよい。センサパッケージ２００に含まれる場合、基板２１４は、基板３１４として使用されてもよい。
【００４２】
アノード３２０は、例示的な実施形態において、「Ｃ」形状であってもよい。カソード３３０は、例示的な実施形態において、円形であってもよく、アノード３２０の内側に配設されてもよい。特に、カソード３３０およびアノード３２０の対向縁部は、場合により、実質的に一貫した最小距離によって間隔があけられていてもよい。換言すれば、実質的に一貫したギャップは、アノード３２０とカソード３３０との間に形成されてもよい。アノード３２０およびカソード３３０は、例示的な実施形態によれば、例えばアノード３２０およびカソード３３０の材料をボトムプレート３１８上に堆積させることによって形成されてもよい。温度センサ３００はさらに、アノード３２０およびカソード３３０からハウジング３１０の外側へそれぞれ延びるリード３２２および３３２を含んでいてもよい。リード３３２は、アノード３２０の開放部を通してカソード３３０から延びる。アノード３２０とリード３３２との間の最小距離は、アノード３２０とカソード３３０との間の最小距離と実質的に同じであってもよい。
【００４３】
図５は、トッププレート３１６の底面図である。図６は、図４の線６−６に沿った温度センサ３００の側面図であり、ここで基板３１４は省略される。図７は、ボトムプレート３１８の上面図である。図４から７を参照して、温度センサ３００はさらに、チャンバ３１２内においてトッププレート３１６上に配設された電気伝導性層３４０を含んでいてもよい。層３４０は、例えばトッププレート３１６上に配設されたタングステンの層であってもよい。層３４０は、トッププレート３１６の底部側に配設されてもよく、結果として層３４０がボトムプレート３１８に配設されたアノード３２０およびカソード３３０に面する。例示的な実施形態によれば、層３４０は、セミパッシブシーリング（すなわち等ポテンシャル表面）として作用し得る。例えば、層３４０の電圧がフロートされる間は、小さいバイアス電圧（例えば約５Ｖ）が、アノード３２０とカソード３３０との間に提供され得る。
【００４４】
カソード３３０とアノード３２０との間の熱電子放出の割合がカソード３３０およびアノード３２０の温度の一次関数であるので、アノード３２０およびカソード３３０から、例えばリード３２２、３３２を介して得られる電流シグナルは、温度に直接相関し得る。本発明者らは、その性能を見積もるために温度センサ３００のシミュレーションを準備した。１０ｍｍ２のカソード面積および２０ｍｍ２のアノード面積、５Ｖのカソードからアノードへのバイアス電圧、および５ｍｍの層３４０とアノード３２０およびカソード３３０との間の間隔を用いて、温度センサ３００の計算された応答を決定したが、これを図８に示す。応答すべき法則に従い、これは温度センサ３００を較正するために使用され得る。温度センサ３００は、１０００℃での環境で約１０℃（約１％）の解像度および１６００℃の環境で約１℃未満（約０．０６％）の解像度を有することが予想される。
【００４５】
図９は、本開示の種々の実施形態に従う熱電子圧力センサ４００を示す。図９を参照すると、圧力センサ４００は、放出チャンバ４１６を形成するように協働するトッププレート４１２および基板４１４を含んでいてもよいハウジング４１０を含み、ここでカソード４２０、内側アノード４３０、および外側アノード４３４が配設される。本明細書において、ハウジング４１０は、「センサハウジング」と称され得る。カソード４２０、内側アノード４３０、および外側アノード４３４は、上記で議論される例示的な実施形態の材料のいずれかで製造されてもよく、例えば基板４１４上にこうした材料を堆積させることによって形成されてもよい。
【００４６】
カソード４２０は、例えば実質的に円形であってもよい。内側および外側アノード４３０および４３４は、例えば「Ｃ」形状であってもよい。外側アノード４３４は、場合により、内側アノード４３０よりも広くてもよい。カソード４２０および内側アノード４３０の対向縁部は、場合により、実質的に一貫した第１の最小距離によって間隔をあけられてもよい。内側アノード４３０および外側アノード４３４の対向縁部は、場合により、実質的に一貫した第２の最小距離によって間隔をあけられてもよい。第１および第２の最小距離は、実質的に同じであってもよい。
【００４７】
図２の例示的な実施形態に関して上記で議論されるように、ハウジング４１０の放出チャンバ４１６は、真空状態下、例えば約１００マイクロＴｏｒｒ以下の圧力にて維持されて、電子の実質的に妨げられない放出を促進してもよい。
【００４８】
圧力センサ４００は、センサパッケージ、例えばセンサパッケージ２００に組み込まれてもよい。センサパッケージ２００の外側の圧力を決定するために、ハウジング４１０は、ハウジング４１０およびハウジング２１０が単一ハウジングの異なる部分を形成するように、図２のハウジング２１０の一部であってもよい。ハウジング４１０の少なくとも一部が周囲環境圧力に曝される限り、他の構成も可能である。加えて、基板４１４は、基板２１４と置き換えられてもよい。
【００４９】
ハウジング４１０は、図９に図示され、他のコンポーネント、例えばトッププレート４１２と基板４１４との間に配設され、少なくとも部分的にチャンバ４１６を形成するスペーサ（図示せず）を含んでいてもよい。しかしながら、ハウジング４１０は、この構成に限定されず、例えばチャンバ４１６を形成するように、トッププレート４１２、基板４１４またはトッププレート４１２および基板４１４のそれぞれにおいてくぼみを提供することによって、他の配置を有していてもよい。さらに、図９の例示的な実施形態に示されるように、基板４１４がトッププレート４１２よりも大きい場合があるが、基板４１４は、トッププレート４１２と実質的に同じサイズであってもよい。
【００５０】
圧力センサ４００はさらに、チャンバ４１６内においてトッププレート４１２に配設された電気伝導性層４４０を含んでいてもよい。層３４０は、例えば層４４０を有するトッププレート４１２の底面図である図１０に示されるように、トッププレート４１２に配設されたタングステンの層であってもよい。図１１は、基板４１４の上面図を示し、そこに配設された、カソード４２０、内側アノード４３０、および外側アノード４３４を有していてもよい。図９の線１２−１２に沿った温度センサ４００の側面図である図１２に示されるように、層４４０は、トッププレート４１２の底部側に位置してもよく、結果として層４４０は、カソード４２０、内側アノード４３０、および外側アノード４３４に面する。
【００５１】
層４４０は、セミパッシブシーリング（すなわち等ポテンシャル表面）として作用し得る。例えば、層４４０の電圧がフロートされる間は、小さい別のバイアス電圧（例えば約５Ｖ）がカソード４２０と内側アノード４３０との間およびカソード４２０と外側アノード４３４との間に提供されてもよい。スプリットアノード構成（すなわち、内側アノード４３０および外側アノード４３４）は、例えば結果として分離アノードがいずれかの操作温度において等しい電流を受容するように提供されてもよい。
【００５２】
種々の例示的な実施形態によれば、ハウジング４１０の少なくとも１つの表面は、周囲環境からの外部圧力に供される場合に曲がるように構成される。ハウジング４１０の一部は、チャンバ４１６内の真空または部分真空を維持しながら、例えば約１６００ｐｓｉまでの圧力下で曲がるように構成されてもよい。種々の非限定の例示的な実施形態によれば、ハウジング４１０の残りの表面が曲がらない状態で外部圧力に供される場合にハウジング４１０の１つの表面のみが曲がるように構成され得る。換言すれば、ハウジング４１０は、可撓性部分および非可撓性部分を含んでいてもよい。ハウジング４１０の可撓性部分は、例えば１つの例示的な実施形態によれば、トッププレート４１２のような層４４０が取り付けられた部分であってもよい。これは、図１２の図を示すが、外部圧力４５０がトッププレート４１２に適用されている図１３の例示的な実施形態に示され、圧力４５０下で曲がるように構成されており、結果としてトッププレート４１２が基板４１４の方へ曲がるおよびたわむ。トッププレート４１２がこのように曲がる場合、トッププレート４１２とアノード４３０、４３４とカソード４２０との間の相対距離が変更される。相対距離が変化するとき、例えばそれぞれのリード４３２、４３６を介して各アノード４３０、４３４に検出される電流も変化する。この電流の変化は、トッププレート４１２の曲がりを生じる外部圧力４５０に相関し得る。
【００５３】
圧力センサ４００のシミュレーションを、その性能を見積もるために準備した。１０ｍｍ２のカソード面積、２０ｍｍ２の内側アノード面積、１００ｍｍ２の外側アノード面積、５Ｖのカソードからアノードへのバイアス電圧ならびに５ｍｍの層４４０と、カソード４２０および内側アノード４３０および外側アノード４３４との間の間隔、ならびに０．２ｍｍのトッププレート４１２の厚さを用いて、圧力センサの計算された性能をプロットしたが、これを図１４の例示的な実施形態に示す。圧力センサの見積もられた圧力解像度は、約２０〜約７０ｐｓｉ（そのフルスケールの約２％〜約７％）である。
【００５４】
カソードとアノードとの間の熱電子放出の全体割合が温度の関数であるので、圧力センサ応答も温度に依存する。例示的な実施形態によれば、圧力センサ４００は、温度センサ３００と共に使用されて、温度変化を測定し、温度を真の周囲圧力と相関させる。例えば、圧力センサ４００は、図２の例示的な実施形態に示されるように、温度センサ２２０を伴う圧力センサ２３０として提供されてもよい。例示的な実施形態によれば、追加のコンポーネント、例えば温度センサ２２０のための増幅器２３２、および／または増幅器２２２が同様に含まれてもよい。
【００５５】
他のタイプの熱電子センサが、熱電子素子の他の構成を用いることによって提供されてもよい。例示的な実施形態によれば、温度センサ３００に従ってそれぞれ構成されてもよい温度センサアレイは、熱流束を検出するために既知の位置にて配置されてもよい。アレイは、種々の座標配置、例えば球面座標、円筒座標、またはセンサが配置され得る他の座標系で熱流速を測定するために既知の位置にて配置されてもよい。種々の例示的な実施形態によれば、２つ以上の圧力センサ４００は、流量を測定するために、温度センサ３００と共に配置されてもよい。
【００５６】
図１５は、本開示の種々の実施形態に従う増幅器５００を示す。図１５を参照して、増幅器５００は、図４〜８の例示的な実施形態の温度センサおよび／または図９〜１４の例示的な実施形態の圧力センサと共に使用されてもよい。例えば、増幅器５００は、増幅器２２２または増幅器２３２としてセンサパッケージ２００に提供されて、温度センサ２２０および／または圧力センサ２３０のアウトプットシグナルを向上させてもよい。
【００５７】
増幅器５００は、基板５１４に配設されたハウジング５１０を含む。ハウジング５１０は、カソード５２０およびアノード５３０が配設された内部チャンバ５１６を少なくとも部分的に規定する。図２の例示的な実施形態に関して上記で議論されるように、内部チャンバ５１６は、真空または部分真空下、例えば約１００ミクロンＴｏｒｒ以下の圧力に維持されてもよい。基板５１４は、増幅器５００がセンサパッケージ２００に含まれる場合、基板２１４であってもよい。リード５２２、５３２は、それぞれカソード５２０およびアノード５３０に接続されて、インプット／アウトプット管として作用してもよい。
【００５８】
図１６は、図１５の線１６−１６に沿った断面図である。図１５および１６を参照して、ハウジング５１０は、電気伝導性層５４０がチャンバ５１６内でその上に配設されるトッププレート５１２を含んでいてもよい。しかしながら、一部の実施形態によれば、チャンバ５１６は、ハウジング５１０内で完全に形成されてもよく、基板５１４は省略されてもよい。例えば、ハウジング５１０は、図４に示されるように、トッププレートおよびボトムプレートを含んでいてもよい。層５４０は、例示的な実施形態によれば、例えばトッププレート５１２に配設されたタングステンの層であってもよい。図１７は、基板５１４の上面図を示し、この上にカソード５２０およびアノード５３０が配設される。図１６に示されるように、層５４０は、トッププレート５１２の底部側に配設されてもよく、結果として層５４０は、カソード５２０およびアノード５３０に面する。
【００５９】
図４〜１４のセンサ実施形態とは対照的に、増幅器５００の層５４０は、図１５の例示的な実施形態において電気的に活性である。制御電圧は、層５４０に適用されてもよく、これは従って層５４０のポテンシャルを変更し、カソード５２０とアノード５３０との間の電流フローを変更する。層５４０に制御電圧を供給するために、電気的接続５５０が提供されてもよい。図１５および１６に示されるように、電気的接続５５０が、基板５１４からトッププレート５１２に延びてもよい。コンタクト５４２は、図１６および１７に示されるように、電気的接続５５０に電圧を供給するために基板５１４に提供されてもよい。例示的な実施形態によれば、電気的接続５５０は、例えばトッププレート５１２と基板５１４との間の相対的な動作に適応するために、図１６に示されるように、バネであってもよい。
【００６０】
図２の例示的な実施形態に関して上記で議論されるように、ワイヤレス伝送デバイスは、開示の種々の実施形態に従ってセンサの外部のデバイスにデータをワイヤレス伝送するように提供されてもよい。例えば、図１８は、種々の実施形態によれば、ワイヤレス伝送デバイス６００の図示である。図１８を参照して、ワイヤレス伝送デバイス６００は、熱電子発振器、例えばレジスタ−インダクタ（ＲＬ）緩和発振器として作動する。
【００６１】
図１８の例示的な実施形態に示されるように、ワイヤレス伝送デバイス６００は、図４の例示的な実施形態のセンサ６１０、例えば温度センサ、および／または図９の例示的な実施形態の圧力センサ、電極と同じ基板上のタングステンまたは白金のフィルムとして製作されてもよいレジスタ、第１および第２の増幅器６２０、６２２およびアンテナ６３０に接続されてもよい。増幅器６２０、６２２は、図１５〜１７の例示的な実施形態に従って構成されてもよい。故に、ワイヤレス伝送デバイス６００は、熱電子素子を含んでいてもよい。
【００６２】
ワイヤレス伝送デバイス６００の周波数は、センサ６１０からのシグナルの大きさ（すなわち電圧の周波数への転換）によって作動されてもよく、シグナルは、アンテナ６３０を介してワイヤレス伝送デバイス６００からワイヤレス伝送される。従って、シグナルは、シグナルを受信するセンサの外部のデバイスによって転換されてもよい。こうした外部受信デバイスはまた、極限環境の外部にあってもよく、結果として外部デバイスが極限環境に耐えるように設計される必要がない。
【００６３】
図１９は、本開示の種々の実施形態に従う、熱電子出力デバイス７００の断面図を示す。図１９を参照して、電力デバイス７００は、図２のセンサパッケージ２００に含まれる出力デバイス２５０の具体例である。電力デバイス７００は、第１の基板７１０および対向する第２の基板７２０を含む熱電子発電機である。熱電子出力デバイス７００は、センサパッケージ内に少なくとも部分的に配設されてもよく、またはセンサパッケージの外部表面に配設されてもよい。出力デバイス７００がセンサパッケージの内側に配設される場合、第１の基板７１０は、極限環境、例えば高温環境に曝されるセンサパッケージのハウジングの少なくとも一部であってもよい。出力デバイス７００がセンサパッケージの外部表面上に配設される場合、第２の基板７２０は、例えば極限環境に対する境界として作用する壁、例えば極限環境を含み、出力デバイス７００を含むセンサパッケージが取り付けられた部屋または容器の壁であってもよい。
【００６４】
従って、第１の基板７１０は、第２の基板７２０よりも過酷な温度環境に近づいて配設されてもよい。そのようなものとして、第１の基板７１０は、第２の基板７２０よりも高い温度を有していてもよい。例えば、第１の基板７１０が、例えば約１６００℃の温度である場合、第２の基板７２０は、例えば約３００℃の温度であってもよい。こうした温度差が、熱勾配を与え、発電を促進する。種々の実施形態によれば、第２の基板７２０は、伝熱を促進するためにフィン７２１を含む加熱槽であってもよく、それによって熱勾配を促進する。
【００６５】
電力デバイス７００は、カソード７１２およびアノード７２２を含み、結果として電子７３０の熱電子放出は、カソード７１２とアノード７２２との間に生じ得る。カソード７１２は、例えばランタンタングステンまたは上記で議論された他の例示的なカソード材料を含んでいてもよい。アノード７２２は、例えば酸化バリウムまたは上記で議論された他のアノード材料を含んでいてもよい。電力デバイス７００は、複数のカソード７１２およびアノード７２２ペアを含んでいてもよい。各カソード７１２およびアノード７２２ペアは、約１．５Ｖを発生させることができてもよく、５Ａ／ｃｍ２までの電流のためのポテンシャルを有する。より高い電圧および電力アウトプットを達成するために、カソード７１２およびアノード７２２ペアは、カソード７１２とアノード７２２との接続を提供するコンダクタ７３２と共に直列に配置されてもよい。電子７３０の熱電子放出は、カソード７１２とアノード７２２とのペアの間に別の接続を提供する。コンダクタ７３２は、例えば熱膨張により、第１の基板７１０と第２の基板７２０との間の位置の変化に適応するためのバネであってもよい。例示的な実施形態によれば、電力デバイス７００は、約１５％以上の効率、および約１０Ｗ／ｃｍ２の電力密度を有していてもよい。
【００６６】
図２０は、本開示の種々の実施形態に従う、熱電子センサ８００の断面図を示す。図２０を参照すると、センサ８００は、基板８６２、基板８６２上に配設されたカソード８２０およびアノード８３０、基板８６２に面するトッププレート８６０、トッププレート８６０に配設された伝導層８０６、および基板８６２とトッププレート８６０との間に配設されたスペーサ８１０を含む。スペーサ８１０は、シーリングペースト８５０を用いて基板８６２およびトッププレート８６０に接続されてもよい。スペーサ８１０は、円形であってもよいが、本開示は、特定の形状に限定されない。
【００６７】
基板８６２、トッププレート８６０、およびスペーサ８１０は、センサハウジングについて上記で議論された材料のいずれか、例えば実質的に０の多孔率を有するアルミナで製造されてもよい。シーリングペースト８５０は、適合性ペーストであってもよく、図２の例示的な実施形態に関して上記で議論されるように、ＨＴＣＣプロセスに使用されてもよい。基板８６２、トッププレート８６０、およびスペーサ８１０の間に形成されたチャンバは、少なくとも部分的に排気され、シールされてもよい。エンケースメント（図示せず）は、トッププレート８６０、スペーサ８１０、およびボトムプレート８６２の外部に適用されて、シーリングを促進してもよい。
【００６８】
本明細書に記載される熱電子センサの例示的な実施形態の追加の利点は、それらのコンパクトサイズであるが、コンパクトサイズは、開示の実施形態によれば必要とされないことに留意すべきである。極限環境に使用される従来のセンサは、多くの場合、それらがセンサを保護し、センサコンポーネントに対する周囲環境の作用を軽減するように設計されるので、通常、嵩高い。しかしながら、本明細書に記載される少なくともある例示的な実施形態に従う熱電子センサは、周囲環境を使用し、そのためよりコンパクトなサイズを有していてもよい。センサハウジングのトッププレート（すなわち図４の例示的な実施形態のトッププレート３１６または図９の例示的な実施形態のトッププレート４１２）の上方表面における表面積は、例えば約０．５ｃｍ２〜約１．５ｃｍ２であってもよい。例えばこうしたセンサハウジングは、約０．７ｃｍ〜約１．２５ｃｍの範囲の長さおよび幅を有していてもよい。
【００６９】
図２１は、本開示の種々の実施形態に従うセンサパッケージを用いる方法を示すブロック図である。図２１を参照して、第１の操作１０において、センサパッケージは、高温環境に曝される。特に、センサパッケージの少なくとも一部は、少なくとも５００℃の温度、例えば少なくとも６００℃の温度に曝される。一部の実施形態によれば、センサパッケージは、約７５０℃〜約１６００℃の範囲の温度に曝されてもよい。さらに、センサパッケージは、高圧、例えば約１０００ｐｓｉまでの圧力に曝され得る。結果として、センサパッケージのセンサにおけるカソードおよびアノードの両方は、熱電子放出が生じるのに十分な温度に加熱される。
【００７０】
加えて、操作１０はまた、相対的に高温にセンサパッケージの発電機のカソードを加熱することを含んでいてもよいが、発電機のアノードは、相対的に低温に維持される。例えば、カソードは、アノードの温度より高い約７００℃〜１２００℃である温度に加熱できる。しかしながら、本開示は、いずれかの特定の温度変化に限定されない。結果として、発電機は、センサパッケージに電力を供給するのに十分な電流を生じる。そのため、センサパッケージは、完全に内蔵型であることができる。
【００７１】
操作２０において、センサパッケージが十分加熱されたら、センサは、熱電子放出を介してセンサシグナルを発生させる。操作３０において、センサシグナルは、場合によりセンサシグナルを増幅させるための増幅器に伝送されてもよい。しかしながら、一部の実施形態によれば、操作３０は省略されてもよい。
【００７２】
操作４０において、センサシグナルは、外部デバイスにシグナルを伝送するワイヤレス伝送デバイスに伝送される。例えばセンサシグナルは、無線周波数（ＲＦ）シグナルに転換でき、次いでＲＦシグナルを受信するように構成された外部デバイスにセンサパッケージのアンテナを用いて送信できる。
【００７３】
操作５０において、送信シグナルは、外部デバイスによって受信される。外部デバイスは、受信したシグナルからセンサデータを抽出し、メモリデバイスにおいてそれを保存してもよい。センサデータは、日時情報と共に保存されてもよい。センサデータは、温度データ、圧力データ、またはセンサパッケージのセンサによって検出されるいずれかの他のデータを含んでいてもよい。操作２０〜５０は、繰り返されてもよく、そうしてセンサパッケージの周囲環境の状態が経時的に追跡されてもよい。例えば、操作２０〜５０は、絶えず繰り返されてもよく、または選択された時間間隔で繰り返されてもよい。
【００７４】
加えて、複数のセンサからのデータは、同時に伝送されてもよい。例えば複数の圧力および温度センサからのデータは、外部デバイスに送信でき、こうしてセンサパッケージの周囲環境の流量が決定できる。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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