JP3226715B2 - 計測装置 - Google Patents

計測装置

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JP3226715B2
JP3226715B2 JP11368094A JP11368094A JP3226715B2 JP 3226715 B2 JP3226715 B2 JP 3226715B2 JP 11368094 A JP11368094 A JP 11368094A JP 11368094 A JP11368094 A JP 11368094A JP 3226715 B2 JP3226715 B2 JP 3226715B2
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    • G01K7/028—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples using microstructures, e.g. made of silicon
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は以下に挙げる計測を行な
うことができる計測装置に関する。 ・流体の流量の計測 ・流体の種類の識別 ・流体の温度の計測 ・流体中に含まれる不純物の計測や検出 ・熱的な環境の評価 ・熱的な影響の評価
【０００２】
【従来の技術】流量を計測する装置として、サーミスタ
を利用したものが知られている。これは、流体によって
熱量が奪われることによって、サーミスタ部分の温度が
低下することを利用したものである。一般にサーミスタ
部分が流体に接していると、サーミスタ部分から奪われ
る熱量は、流量（または流速）に依存するため、サーミ
スタからの出力と流量とはある相関関係を持つ。このこ
とを利用して、サーミスタの出力より、流量を算出する
ことができる。
【０００３】流量は流体の断面積と流速との積で与えら
れる。例えば、内径ｒの円形パイプ内を流速ｖの流体が
流れているとするならば、ｖπｒ2 が流量になる。以下
においては流量を中心として話を進めるが、流体の断面
積が分かっているのならば、流量と流速は同時に求める
ことができる。
【０００４】一般にサーミスタとは、大きな負の温度係
数を有する半導体のことをいう。しかし、本来サーミス
タとは、熱に敏感な抵抗体（Thermally Sensitive Resi
stor）のことであり、特に温度係数の正負や材料によっ
て限定されるものではない。従って、正の温度係数を有
する白金等の金属をサーミスタと称してもよい。
【０００５】サーミスタのように、温度によって抵抗が
変化する材料を用いた素子を総称して、測温抵抗体や温
度感知素子、さらには感温素子や抵抗温度計という。逆
に温度によって抵抗が変化する材料のことをサーミスタ
機能を有する材料ということもできる。以下において
は、温度によって抵抗が変化する材料のことを測温抵抗
体という。
【０００６】また、上記構成の他には、ジュール熱によ
って発熱させた抵抗発熱体を流体に曝し、流量に依存し
て、当該抵抗発熱体から熱量が奪われることを利用する
方式もある。この方式では、抵抗発熱体に流れる電流を
計測することによって、流量を算出することができる。
【０００７】また、流体に接した発熱体から熱量を流体
に奪わせ、流体によって運ばれる熱量を別に設けられた
測温抵抗体（例えば白金サーミスタ）によって計測し、
流量を算出する方式もある。
【０００８】これらの方式において、高い感度を得るた
めには、流体によって奪われる熱量を多くすることが有
効である。また、応答速度を高めるためには、測温抵抗
体部分の熱容量を極力小さくすることが必要である。
【０００９】上述した構成を用いた流量計測装置は、計
測できる流量の範囲が狭いという問題がある。即ち、ダ
イナミックレンジが狭いという問題がある。具体的に
は、２０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ〜
２０００ｓｃｃｍといった範囲でしか正確な流量計測が
できないという問題がある。
【００１０】これらの問題は、主に以下のような理由に
よるものであると考えられる。 （１）測温抵抗体が熱的に極めて不安定な状態におかれ
ているので、熱に対する応答の線型性が悪く、広い範囲
の熱的変化に追従できない。 （２）上記（１）に関連して、特に加熱の方法が難し
く、広い流量範囲に渡って有効な加熱を行うことができ
ない。 （３）応答速度を速くするために測温抵抗体の熱容量を
小さくすると、大きな熱量を扱うことができない。
【００１１】上記（１）の原因は、広い流量範囲に渡っ
て、測温抵抗体から効果的に流体に熱量を奪わせ、同時
に測温抵抗体に効果的に熱量を供給する構造を採ること
が困難であることによる。
【００１２】また測温抵抗体は、流量のみではなく、流
体の温度変化や環境の温度変化をも敏感に検出してしま
うので、温度変化がある環境での使用には問題があっ
た。この問題を解決する方法も数々提案されているが、
実際の使用においては、計測環境あるいは流体の温度に
よって流量の計測に大きなバラツキが出てしまうのが現
状である。
【００１３】また、バッテリーで駆動することを考えた
場合、その消費電力を極力抑えることが必要となる。例
えば、流量計測装置を家庭のガスメータ等に利用しよう
とする場合、バッテリーを電源として数年以上の動作を
行わす必要がある。このような場合、低い消費電力で動
作する流量計測装置が求められる。しかしながら、消費
電力を下げた場合、計測感度や計測精度が犠牲となり、
必要とする特性が得られないという新たな問題が生じ
る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以下に挙げ
る課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。 ・高い計測感度や計測精度を有し、かつ消費電力の小さ
い流量計測装置を得る。 ・高い計測感度と低消費電力を有する流量計測装置を得
る。 ・高い計測感度を有する流量計測装置を得る。 ・低消費電力を有する流量計測装置を得る。 ・薄膜材料が受ける熱的な影響を計測する装置におい
て、その計測感度を高くし、その消費電力を小さくす
る。 ・薄膜材料が受ける熱的な影響を計測する装置におい
て、その計測感度を高くする。 ・薄膜材料が受ける熱的な影響を計測する装置におい
て、その消費電力を小さくする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本明細書で開示する主要
な発明は、ダイヤモンド薄膜の表面に熱起電力素子が設
けられており、前記ダイヤモンド薄膜が周囲から受ける
熱的な影響が前記熱起電力素子から出力されることを特
徴とする。
【００１６】上記構成において、ダイヤモンド薄膜とし
ては、天然ダイヤモンド、高圧合成法で得られるダイヤ
モンド、気相合成法で得られるダイヤモンドを用いるこ
とができる。
【００１７】熱起電力素子とは熱起電力効果（ゼーベッ
ク効果）を利用した素子である。熱起電力効果というの
は、２種類の金属を輪につなぎ、２つの継ぎ目を別々の
温度に保つと、この回路内に起電力が生じる現象をい
う。この現象は、特定の金属−金属、または金属−半導
体という組み合わせにおいて生じる。
【００１８】熱起電力素子として例えば、図１に示す構
成を挙げることができる。図１に示すのは、プラズマＣ
ＶＤ法で気相合成されたダイヤモンド薄膜１０１の表面
に白金の薄膜パターン１０３と鉄の薄膜パターン１０４
とからなる熱起電力素子である。図１に示す熱起電力素
子は、３段に直列接続されており、単体の場合に比較し
て３倍の起電力を得られる構成となっている。図１に示
す構成においては、白金の薄膜パターンからなる発熱体
１０２の発熱によって、１０９で示される複数の接合部
分が加熱され、１０６で示される複数の接合部分に対し
て高い温度になる。そして、熱起電力が生じることにな
る。
【００１９】熱起電力素子の構成としては、Ｐｔ−Ｃ
ｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−コンスタンタン、Ｐｔ−コンス
タンタン、Ｐｄ−Ｃｒ、Ｐｄ−コンスタンタン等の組み
合わせを挙げることができる。これらの組み合わせは、
極力高い熱起電力を得られる構成とすることが重要であ
る。
【００２０】ダイヤモンド薄膜に接して設けられた熱起
電力素子は、ダイヤモンド薄膜の温度変化に従った起電
力を発生する。ダイヤモンド薄膜が受ける熱的な影響
は、ダイヤモンド薄膜の温度変化として現れるから、熱
起電力素子は、ダイヤモンド薄膜が受ける熱的な影響を
起電力として出力することになる。
【００２１】ダイヤモンド薄膜は、熱的に極めて高い応
答を示すので、その温度変化は、ダイヤモンド薄膜周囲
の熱的な環境を高い忠実性で反映したものとなる。従っ
て、熱起電力素子からの出力もダイヤモンド薄膜が置か
れている熱的な環境を正確に反映したものとなる。
【００２２】このような構成は、流量計測装置、温度計
測装置、流体検出装置（例えばガスセンサー）、湿度セ
ンサー等に利用することができる。
【００２３】他の発明の構成は、ダイヤモンド薄膜の表
面に熱起電力素子が設けられており、前記ダイヤモンド
薄膜の温度変化が前記熱起電力素子から電圧変化として
出力されることを特徴とする。
【００２４】上記構成は、熱起電力素子の起電力が、ダ
イヤモンド薄膜の温度変化に対応した電圧変化となるこ
とを特徴とするものである。
【００２５】他の発明の構成は、ダイヤモンド薄膜の表
面に熱起電力素子が設けられており、前記ダイヤモンド
薄膜は周囲の熱的な影響を検出する素子として機能し、
前記熱起電力素子は前記熱的な影響を出力する素子とし
て機能することを特徴とする。
【００２６】ダイヤモンド薄膜は、その置かれた環境か
ら受ける熱的な影響に極めて敏感に応答する。そしてこ
の応答は、ダイヤモンド薄膜の温度変化として現れる。
このような場合、ダイヤモンド薄膜を熱的な受動素子と
て見なすことができる。そして、ダイヤモンド薄膜の温
度変化を検出して熱起電力として出力する熱起電力素子
は、ダイヤモンド薄膜が受けた熱的な影響を出力する素
子と見なすことができる。
【００２７】周囲の熱的な影響としては、ダイヤモンド
薄膜に接して流れる流体の流量に依るもの、ダイヤモン
ド薄膜に接する流体の種類の違いに依るもの、ダイヤモ
ンド薄膜に接する流体中に含まれる不純物の濃度の違い
に依るもの、湿度の違いに依るもの等を挙げることがで
きる。
【００２８】他の発明の構成は、熱量変化を電圧変化に
変換する機能を有する計測装置であって、ダイヤモンド
薄膜と、前記ダイヤモンド薄膜の表面に形成された熱起
電力素子と、を有し、前記ダイヤモンド薄膜を介して移
動した熱量の変化に対応した出力を前記熱起電力素子か
ら得ることを特徴とする。
【００２９】上記構成において、熱量変化を電圧変化に
変換する機能を有する計測装置というのは、ダイヤモン
ド薄膜を介して移動した熱量に対応した出力を、熱起電
力素子から電気信号（電圧変化）として出力する機能を
有するこという。
【００３０】ダイヤモンド薄膜を介して移動した熱量と
いうのは、ダイヤモンド薄膜に流入し流出していく熱量
のこという。
【００３１】このダイヤモンド薄膜に流入し流出してい
く熱量は、ダイヤモンド薄膜の置かれた環境の熱的な状
況を正確に反映したものであり、この熱量の出入りを定
量的に評価することで、ダイヤモンド薄膜に接して流れ
る流体の流量の計測、ダイヤモンド薄膜に接する流体の
種類の計測（例えばガス検出）、ダイヤモンド薄膜に接
する流体中に含めれる不純物の濃度の違いの計測（例え
ばガス濃度検出）、湿度の計測等を行うことができる
【００３２】他の発明の構成は、ダイヤモンド薄膜と、
前記ダイヤモンド薄膜の表面に形成された熱起電力素子
と、を有し、前記ダイヤモンド薄膜の温度変化が前記熱
起電力素子によって電気信号に変換されることを特徴と
する。
【００３３】他の発明の構成は、ダイヤモンド薄膜と、
前記ダイヤモンド薄膜の表面に形成された熱起電力素子
と、前記ダイヤモンド薄膜にパルス状の加熱を行う手段
と、前記熱起電力素子からの出力を処理する手段と、を
有し、前記パルス状の加熱を行う手段からの加熱に従う
前記ダイヤモンド薄膜の温度変化が前記熱起電力素子に
よって電気信号に変換されることを特徴とする。
【００３４】上記構成において、ダイヤモンド薄膜にパ
ルス状の加熱を行う手段としては、例えばダイヤモンド
薄膜に接して設けられた抵抗発熱体を挙げることができ
る。これは、ダイヤモンド薄膜の表面にスパッタ法や蒸
着法によって、白金等の金属薄膜材料を形成し、該薄膜
に所定の電圧または電流を所定の時間で印加することに
より、パルス状のジュール熱を発生させる構成である。
【００３５】パルス状の加熱を行う他の手段としては、
レーザー光や電磁波をダイヤモンド薄膜に照射すること
により、ダイヤモンド薄膜を加熱する構成を挙げること
ができる。このような構成を採用した場合、計測対象や
計測環境の温度によらず、一定の熱量でダイヤモンド薄
膜を加熱することができるという有意性を得ることがで
きる。
【００３６】上記構成は、パルス状の加熱を行う手段か
らの加熱に従う前記ダイヤモンド薄膜の温度変化が前記
熱起電力素子によって電気信号に変換されることを特徴
とする。
【００３７】ダイヤモンド薄膜に対してパルス状の加熱
を行ったした場合、ダイヤモンド薄膜の温度は急激に上
昇し、加熱終了後に冷却される。これはダイヤモンド薄
膜に対するパルス状の加熱に際して熱量が流入し、加熱
終了後にこの熱量がダイヤモンド薄膜の表面から流出し
ていくプロセスに対応している。
【００３８】この加熱と冷却のプロセスは、パルス状の
加熱に対するダイヤモンド薄膜の応答特性を示すものと
いえる。この応答は、図３に示されるような波形として
観察することができる。図３に示すのは、縦軸に熱起電
力素子の出力をアンプで増幅した値（電圧値）ｆを示
し、横軸は経過時間ｔを示す。縦軸ｆの値は、ダイヤモ
ンド薄膜の温度に対応するものであり、ｆの値が大きい
ことがダイヤモンド薄膜の温度が高いことを示す。図３
に示されているのは、Δｔ1Sの間に行われたパルス状の
加熱に際して、波形関数ｆ（ｔ）で示されるように、急
激にダイヤモンド薄膜の温度が上昇し、加熱終了後に急
激に冷却される状態が示されている。
【００３９】図３のｆ（ｔ）で示される応答特性は、ダ
イヤモンド薄膜が周囲から受けている熱的な影響を反映
したものである。例えば、ダイヤモンド薄膜に接して流
体（例えば窒素ガス流体）が流れている場合、この流体
によってダイヤモンド薄膜のから熱量が奪われる。この
流体によって奪われていく熱量は、流体の流量または流
速に依存する。
【００４０】このような状況において、ダイヤモンド薄
膜に対して所定の時間、所定の熱量でパルス状の加熱を
行った場合、図３のｆ（ｔ）で示されるような応答波形
は、流量に従って異なることになる。例えば、流量が大
きくなると、ダイヤモンド薄膜から流体に奪われていく
熱量がそれだけ多くなるので、図３のｆ（ｔ）で示され
るような応答波形は小さくなる。これは、ダイヤモンド
薄膜の温度上昇がお抑えられ、同時にその冷却速度が速
くなるからである。
【００４１】図３のｆ（ｔ）で示されるようなパルス状
の加熱に対する応答波形が、流量に依存したものとなる
ことを利用して、流量の計測を行うことができる。例え
ば、ｆ（ｔ）で示される応答波形の面積を計算すること
で流量値を算出することができる。またこの値は、流体
の温度や流体の種類や流体中の不純物濃度等にも対応す
るので、このことを利用して、温度センサーや流体セン
サー（例えばガスセンサー）さらには不純物濃度センサ
ー、さらには湿度センサーを実現することができる。
【００４２】図３に示すような応答波形を定量的に評価
するには、熱起電力素子からの出力を処理する手段にお
いて、パルス状の加熱以前に熱起電力素子からの出力の
積算と、パルス状の加熱以後に熱起電力素子からの出力
の積算と、前記２つの積算値の差の算出と、を行う必要
がある。
【００４３】上記の演算を行うことで、図３にｆ（ｔ）
で示す応答波形の面積を正確に算出することができる。
熱起電力素子からの出力を処理する手段としては、例え
ば熱起電力素子からの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコン
バータとＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を処理するＣＰ
Ｕとでなる構成を挙げることができる。勿論、この熱起
電力素子からの出力を処理する手段として、Ａ／Ｄコン
バータとＣＰＵとが一体となった構成を用いることもで
きる。
【００４４】以下に熱起電力素子からの出力を処理する
手段で行われる動作の例を示す。まず、パルス状の加熱
以前に熱起電力素子からの出力の積算を行う。ここで
は、Ａ／Ｄ変換された熱起電力素子からの出力ｆ（一般
にはアンプで増幅される）を下記〔数１〕で示される計
算式に従って、ＣＰＵで計算する。
【００４５】
【数１】
【００４６】この演算を行うことで、図３のｆ（ｔ）で
示される応答波形の面積を算出するための基準を設定す
ることができる。この基準を設定することで、応答波形
のみを評価することができる。
【００４７】次にパルス状の加熱以後に熱起電力素子か
らの出力の積算を行う。この演算もＡ／Ｄ変換された熱
起電力素子からの出力ｆ（一般にはアンプで増幅され
る）に対して行われる。この演算は下記〔数２〕を実行
することによって行われる。
【００４８】
【数２】
【００４９】上記演算は、図３に示されるように、Δｔ
1Sの時間内に行われるパルス状の加熱の開始直後に行わ
れる。なおｔ2Sは、ｔ1S＜ｔ2Sの条件を満たしているこ
とが必要である。これは、出力にスパイク状のノイズが
現れることを避けるためである。
【００５０】上記〔数１〕及び〔数２〕で示される演算
の終了後に、上記２つの積算値の差を算出する。この動
作はＣＰＵにおいて行われる。この演算は、例えば、
（Ｓ0S／Δｔ0S）と（Ｓ2S／Δｔ2S）との差を算出する
ことで行われる。
【００５１】上記演算を行うことで、図３のｆ（ｔ）で
示される応答波形のみを評価することができる。即ち、
ダイヤモンド薄膜のパルス状の加熱に対する熱的な応答
のみを評価することができる。
【００５２】他の発明の構成は、ダイヤモンド薄膜の表
面に一導電型を有する層が設けられており、前記一導電
型を有する層に接して金属電極が設けられており、前記
ダイヤモンド薄膜が受ける熱的な影響を、前記一導電型
を有する層と前記金属電極との間で生じる熱起電力によ
って計測することを特徴とする。
【００５３】上記構成は、ダイヤモンド薄膜の表面にボ
ロンのイオン注入等により、Ｐ型半導体層を形成し、こ
のＰ型半導体層とその表面に接して形成された金属電極
とで熱起電力素子を構成するものである。この場合、金
属電極として、スパッタ法で形成された白金薄膜等を用
いることができる。
【００５４】上記のような構成を採用した場合にも、ダ
イヤモンド薄膜が受ける熱的な影響をＰ型ダイヤモンド
半導体層と金属電極とで構成される熱起電力素子の熱起
電力として出力することができる。
【００５５】上記構成は、本明細書で開示する他の発明
の熱起電力素子の構成として利用することができる。
【００５６】他の発明の構成は、その表面に一導電型を
有する層が設けられたダイヤモンド薄膜と、前記一導電
型を有する層に接して設けられた金属電極と、前記ダイ
ヤモンド薄膜に対してパルス状の加熱を行なう手段と、
該手段によるパルス状の加熱に従う前記ダイヤモンド薄
膜の応答特性を前記一導電型を有する層と前記金属電極
との間における熱起電力によって計測する手段と、を有
することを特徴とする。
【００５７】上記構成において、パルス状の加熱を行う
手段としては、前述したダイヤモンド薄膜の表面に形成
された抵抗発熱体や、レーザー光の照射による加熱手段
を挙げることができる。
【００５８】パルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜
の応答特性は、ダイヤモンド薄膜の表面に形成された一
導電型を有する半導体層（一般にＰ型半導体層）と該半
導体層上に接して設けられた金属電極とで構成される熱
起電力素子によって熱起電力として出力される。
【００５９】他の発明の構成は、薄膜材料を用いた計測
装置であって、前記薄膜材料は、３００Ｋにおけるその
熱伝導率をＫS 、比熱をＣS 、密度をρS 、その寸法を
Ｌ＝１ｍｍ角として、 τ＝（ＣS ρS Ｌ2 ／ＫS π2) で示される時定数τが１ミリ秒以下であり、前記薄膜材
料表面には、熱起電力素子が設けられていることを特徴
とする。
【００６０】本明細書において開示する発明において
は、ダイヤモンド薄膜の代わりとして、他の薄膜材料を
用いることも可能である。この場合における薄膜材料と
しては、高熱伝導率を有する材料である単結晶珪素、多
結晶珪素、炭化珪素、窒化アルミニューム、窒化ほう
そ、窒化アルミ等を用いることが原理的には可能であ
る。
【００６１】本発明者らの知見によれば、薄膜材料とし
ては、以下に示す条件を満たしているものを用いること
が望ましい。まず、厚さを無視した薄膜材料の加熱に対
する応答時間（時定数）を示す式を下記〔数３〕に示
す。
【００６２】
【数３】
【００６３】上記〔数３〕は、流体によって熱量を奪わ
れる薄膜材料の温度分布が定常状態になるまでの時間を
評価するパラメータ（τ）を与えるものである。上記
〔数３〕は、２次元モデルを基にして導かれたものであ
り、薄膜材料の厚さはパラメータとして入っていない。
また、その答えが薄膜材料の応答時間を直接示すもので
もない。しかし、各種薄膜材料の加熱に対する相対的な
応答時間を評価する指標として用いることができる。
【００６４】上記〔数３〕を用いて各種材料の加熱に対
する応答時間（τ）を求めた一覧表を〔表１〕に示す。
【００６５】
【表１】
【００６６】〔表１〕に示す各種材料の物性値は、出来
る限り薄膜材料のものを用いてある。しかし、ｃ−ＢＮ
のように、薄膜材料の物性値が不明なものは、理論値ま
たはバルク材料のものを用いてある。またその値は基本
的に室温（３００Ｋ）におけるものを選んである。
【００６７】〔表１〕を見ると、ダイヤモンド薄膜と立
方晶窒化ホウ素の応答時間τが桁違いに小さいことが分
かる。しかし、実測された多結晶の立方晶窒化ホウ素熱
伝導率は、６００（Ｗ／ｍＫ）（人造ダイヤモンド技術
ハンドブック，サイエンスフォーラム）程度であり、こ
の場合、〔表１〕の時定数は１．５（ミリｓ）程度とな
る。また、気相合成されたダイヤモンド薄膜の熱伝導率
としては、１７００（Ｗ／ｍＫ）（ダイヤモンド薄膜，
産業図書，犬塚著）という大きな値も報告されており、
このようなダイヤモンド薄膜を用いた場合、上記〔表
１〕の時定数はさらに小さなものとなる。
【００６８】本明細書で開示する発明の基本的な構成
は、薄膜材料の加熱に対する応答特性を計測することに
ある。従って、薄膜材料の熱的な応答特性の速さ、換言
すれば、薄膜材料の熱に対する反応の速さが重要な要素
となる。
【００６９】例えば〔式３〕を用いて求められるτが
０．６（ミリｓ）以下であれば、本明細書で開示する流
量計測センサーと同程度またはそれ以上の特性を得るこ
とができる。
【００７０】一般的には、〔数３〕で示されるτが１
（ミリｓ）以下の材料であれば、実用上十分な特性を有
する流量計測センサーを得ることができる。しかし、感
度の低下、ダイナミックレンジの低下、消費電力の増
大、計測間隔の増大といった問題を許容するのであれ
ば、τが５（ミリｓ）以下の材料を用いることができ
る。
【００７１】勿論、必要とする特性やコストの問題によ
っては、τの大きなアルミナや窒化珪素を利用できるこ
とはいうまでもない。
【００７２】以上の議論より、パルス状の加熱に対する
薄膜材料の応答特性より、当該薄膜材料が周囲から受け
る熱的影響を計測する構成において、当該薄膜材料は、
その寸法を１ｍｍ角として、下記〔数３〕で示されるパ
ラメータτが１（ミリｓ）以下である。との構成が、高
い特性を得るためには重要であるとの結論が導かれる。
【００７３】
【数３】
【００７４】この〔数３〕を用いた薄膜材料の満足すべ
き規定は、本明細書に開示される他の発明の構成に適用
できることはいうまでもない。
【００７５】例えば上記〔数３〕を用いた条件を満足し
た薄膜材料にパルス状の加熱を行う手段を配置し、さら
に該手段によるパルス状の加熱に対する前記薄膜の応答
特性を計測するための熱起電力素子を設ける構成を採る
ことができる。
【００７６】そして熱起電力素子からの出力を処理する
手段を備え、該手段において、パルス状の加熱を行う手
段からの加熱以前に行われる熱起電力素子からの出力の
積算と、前記パルス状の加熱を行う手段からの加熱以後
に行われる熱起電力素子からの出力の積算と、前記２つ
の積算値の差の算出と、を行い、図３を用いて前述した
動作を行わすことができる。
【００７７】上記動作を行わすことで、当該薄膜材料に
接して流れる流体の流量または流速や、当該薄膜材料に
接する流体の種類や、当該薄膜材料に接する流体中の不
純物濃度や、当該薄膜材料に接する流体の温度等を計測
することができる。
【００７８】本明細書で開示する発明においては、被計
測物質として、第一に流体を挙げることができる。流体
としては、気体、液体、霧状の流体、粉体を含んだ気体
や液体を挙げることができる。
【００７９】また被計測物質として、固体材料を選ぶこ
ともできる。被計測物質が固体である場合は、この固体
の熱電導率の違いや比熱の違い、さらには熱容量の違い
によって、薄膜材料の加熱に対する当該薄膜材料の温度
変化の仕方が異なるので、このことを利用して、固体材
料の種類の判別やその大きさや体積の違いを計測するこ
とができる。
【００８０】他の発明の構成は、α1,α2 ・・・αn で
示されるパラメータに依存した第１の応答特性を得る手
段と、α1,α2 ・・・αn+1 で示されるパラメータに依
存した第２の応答特性を得る手段と、前記第１の応答特
性と前記第２の応答特性とを比較しαn+1 で示されるパ
ラメータに依存した出力を得る手段と、を有し、前記第
１の応答特性を得る手段と前記第２の応答特性を得る手
段とは、熱起電力素子を有し、前記第１及び第２の応答
特性は、パルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の温
度変化として検出されることを特徴とする。
【００８１】α1,α2 ・・・αn で示されるパラメータ
に依存した第１の応答特性を得る手段としては、例え
ば、図４の４０６で示される構成を挙げることができ
る。図４の４０６は熱起電力素子であり、発熱体４０５
からのパルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜４０７
の応答特性をその温度変化として検出する。
【００８２】α1,α2 ・・・αn+1 で示されるパラメー
タに依存した第２の応答特性を得る手段としては、例え
ば、図４の４０２で示される構成を挙げることができ
る。図４の４０２は熱起電力素子であり、発熱体４０１
からのパルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜４０３
の応答特性をその温度変化として検出する。
【００８３】第１の応答特性と前記第２の応答特性とを
比較しαn+1 で示されるパラメータに依存した出力を得
る手段としては、図４に示されるＣＰＵ４１０を挙げる
ことができる。ＣＰＵ４１０は、各センサーの熱起電力
素子４０２、４０６から出力され、アンプ４０４、４０
８で増幅されたダイヤモンド薄膜のパルス状の加熱に対
するそれぞれの応答特性を比較し、αn+1 で示されるパ
ラメータのみに依存した出力を算出する機能を有する。
【００８４】上記構成は、同じ特性を有するセンサーを
２つまたはそれ以上用い、その内の少なくとも一つのセ
ンサーでα1,α2 ・・・αn で示されるパラメータに依
存した第１の応答を得、他の少なくとの一つのセンサー
でα1,α2 ・・・αn+1 で示されるパラメータに依存し
た出力を得るものである。なお、ｎは１，２，３・・・
・・で示される自然数である。
【００８５】例えば、流量を計測せんとする場合、パル
ス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の応答特性は、流
量、流体の温度、流体の密度、流体の比熱、流体の動粘
性率、等の諸パラメータに関する情報を含んでいる。一
般に流体に密度、流体の比熱、流体の動粘性率、等のパ
ラメータの影響は小さく、大きな計測公差が許容される
場合は問題とならない。しかし、計測公差が数パーセン
ト以下となる場合には、これら諸パラメータが問題とな
る。
【００８６】上記構成は、これら諸パラメータの影響を
２つのセンサーの出力を比較することで打ち消し、必要
とするパラメータのみに関係した出力を得ることを特徴
とする。
【００８７】例えば一番簡単な例としては、上記構成に
おいてｎ＝１として、α1 を流体の温度に、α2 を流体
の流量に対応させた場合を挙げることができる。この場
合、１つのセンサーがα1 、即ち流体の温度に依存した
応答を示す。そして、他の１つのセンサーが流体のα1
とα2 、即ち流体の温度と流量とに依存した応答を示
す。そしてこれら２つの応答を比較することで、流体の
流量のみに依存した出力を得ることができる。
【００８８】それぞれの応答は、熱起電力素子からの出
力をＤ／Ａコンバータでデジタル信号とし、その出力変
化をＣＰＵで積算することによって評価される。即ち、
応答波形の面積を計算することで応答特性は評価され
る。そして２つの応答の比較は、その応答波形の積算値
の差を計算するか、比を計算するかすればよい。なお、
ＣＰＵで行われる計算は、図３を用いて前述した方法に
従って行われる。
【００８９】この構成においては、ダイヤモンド薄膜の
代わりに、下記〔数３〕で示される変数τが５ミリ秒以
下、好ましくは１ミリ秒以下の薄膜材料を用いることが
できる。
【００９０】
【作用】ダイヤモンド薄膜表面に発熱体と熱起電力素子
とを設けた構成において、発熱体からダイヤモンド薄膜
にパルス状の加熱を行い、その際におけるダイヤモンド
薄膜の温度変化を熱起電力素子で検出することで、パル
ス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の応答特性を低消
費電力でもって正確に評価することができる。そして、
例えばダイヤモンド薄膜に接して流れる流体の流量を正
確に計測することができる。
【００９１】また、ダイヤモンド薄膜の代わりに、〔数
３〕で与えられるτが１ミリ秒以下の薄膜材料を用いる
ことで、ダイヤモンド薄膜を用いる場合と同様な特性を
得ることができる。
【００９２】
【実施例】
〔実施例１〕本実施例では、図１に示すセンサーの作製
方法について説明する。このセンサーは気相合成された
ダイヤモンド薄膜の表面に白金（Ｐｔ）薄膜とＦｅ
（鉄）とでなる熱起電力素子を形成した構成を有する。
このような構成においては、ダイヤモンド薄膜が周囲環
境の熱的な影響を検出する検出部分として機能する。具
体的にはダイヤモンド薄膜の温度が周囲環境の熱的な影
響を反映したものとなり、このダイヤモンド薄膜の温度
変化が熱起電力素子の出力変化として得られる。
【００９３】図１に示すセンサーは、寸法が５ｍｍ×５
ｍｍで厚さが５μｍの多結晶ダイヤモンド薄膜１０１の
表面上に白金(Pt)の薄膜よりなる発熱体１０２と熱起電
力素子を構成する白金１０３の薄膜パターンと鉄１０４
の薄膜パターンとが形成されている。また、１０５と１
０６とは発熱体１０２の電極であり、１０７と１０８と
は熱起電力素子の電極である。なお、各パターンの線幅
は１００μｍであり、電極部分の大きさは６００μｍ角
であり、パターンの直線部分の長さは３ｍｍである。
【００９４】図１に示す熱起電力素子は、３段に直列接
続されており、単体の場合に比較して３倍の起電力を得
られる構成となっている。図１に示す構成においては、
白金の薄膜パターンからなる発熱体１０２の発熱によっ
て、１０９で示される複数の接合部分が加熱され、この
１０９で示される複数の接合部分が１１０で示される複
数の接合部分に対して高い温度になる。そして、１０７
と１０８との電極間で熱起電力が生じることになる。
【００９５】以下に図１に示すセンサーの作製工程につ
いて説明する。まず、直径４インチの珪素基板を用意す
る。そして、この珪素基板の被形成面表面にダイヤモン
ドパウダーによる傷つけ処理を行う。このダイヤモンド
薄膜上に有磁場マイクロ波ＣＶＤ法によりダイヤモンド
薄膜を５μｍの厚さに気相合成する。この有磁場マイク
ロ波ＣＶＤ法は、強力な磁場と２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を用いて、高密度プラズマを形成し、気相合成を行
うものである。
【００９６】成膜条件を以下に示す。 基板温度 ８００度 反応圧力 ０．２５Ｔｏｒｒ マイクロ波電力 ４ＫＷ 反応ガス ＣＨ3 ＯＨ：Ｈ2 ＝１：４ 成膜時間 １０時間 膜厚 ５μｍ 珪素基板は８７５ガウスの磁場強度の位置に配置し成膜
を行った。上記成膜条件で得られたダイヤモンド薄膜
は、多結晶ダイヤモンド薄膜であり、基板から垂直方向
に結晶成長した構造を有していた。
【００９７】ダイヤモンド薄膜を得る成膜方法は、上記
方法に限定されるものではなく、他の気相合成法を用い
てもよい。また天然ダイヤモンドや高圧合成したダイヤ
モンドを用いてもよい。またダイヤモンド薄膜中に不純
物をドーピングし、熱特性や電気特性を制御してもよ
い。また結晶構造も多結晶に限定されるものではなく、
単結晶ダイヤモンド薄膜を用いてもよい。
【００９８】ダイヤモンド薄膜としては、不純物の含有
量の少ない出来うるかぎり高い熱伝導率を有するものが
好ましい。またダイヤモンド薄膜の厚さは、生産性を考
慮するならば、機械的強度の許す限り薄い方がよい。
【００９９】上記珪素基板上に成膜されたダイヤモンド
薄膜は、珪素基板より剥離することで、ダイヤモンド薄
膜単体として得ることができる。この工程は、機械的に
剥離させるか、フッ酸等によって珪素基板を溶かすこと
によって容易に行われる。
【０１００】このようにして得られたダイヤモンド薄膜
を５ｍｍ角に裁断する。こうして得られたダイヤモンド
薄膜１０１上にスパッタリング法や蒸着法によって、鉄
の薄膜パターン１０４を形成し、しかる後にスパッタリ
ング法や蒸着法によって白金の薄膜パターン１０３を形
成する。また白金の薄膜パターンの形成と同時に発熱体
１０２を形成する。これらの薄膜は２０００Å〜３００
０Åの厚さに成膜する。こうして、発熱体の電極１０５
と１０６、熱起電力素子の電極１０７と１０８、を有す
るセンサーを得ることができる。
【０１０１】このセンサーの動作について説明する。こ
のセンサーを動作させるのは、発熱体１０２に電流を流
すことにより発熱させ、１０９で示される接合部分を１
１０で示される接合部分に対して高温状態とする。この
際、１０９で示される接合部分と１１０で示される接合
部分との温度差は、ダイヤモンド薄膜１０１を伝導する
熱量によって決まる。
【０１０２】ダイヤモンド薄膜が流体に接している場合
には、流体の流量に対応してダイヤモンド薄膜を伝導す
る熱量は決まる。従って、発熱体１０２を加熱した場合
には、１０９で示される接合部分と１１０で示される接
合部分との温度差は、ダイヤモンド薄膜に接して流れる
流体の流量に対応したものとなる。よって電極１０７と
１０８との間に生じる熱起電力は、ダイヤモンド薄膜１
０１に接して流れる流体の流量（または流速）に対応し
たものとなる。なお流体は、ダイヤモンド薄膜の何方か
一方の面、または両方の面に接して流れていればよい。
【０１０３】上記の場合は、単に発熱体１０２から発熱
させる場合の例であるが、計測値としてドリフトの無
い、正確なものを得るためには、発熱体１０２からパル
ス状の発熱を行わせればよい。この場合、パルス状の加
熱が行われたダイヤモンド薄膜の温度変化は、接合部１
０９と１１０との温度差という形で熱起電力素子に検出
され、電極１０７と１０８との間に熱起電力として出力
されることになる。
【０１０４】発熱体１０２からのパルス状の加熱に対す
るダイヤモンド薄膜１０１の温度変化は、パルス状の加
熱に対するダイヤモンド薄膜１０１の熱的な応答特性で
あると理解することができる。
【０１０５】図１に示す構成において重要なのは、ダイ
ヤモンド薄膜上に発熱体と熱起電力素子を設け、発熱体
よりの加熱（特にパルス状の加熱）に対するダイヤモン
ド薄膜の応答特性を、熱起電力素子から熱起電力として
出力する点である。
【０１０６】また、熱起電力素子の形状や材料の組み合
わせ、さらには発熱体の材料や形状、さらにはそれらの
配置は、実施態様に合わせて適時変更可能である。
【０１０７】本実施例に示すように、ダイヤモンド薄膜
の熱的な応答特性を検出するための素子として、熱起電
力素子を用いることにより、消費電力を大きく低減させ
ることができる。
【０１０８】上記においては図１に示すセンサーを流量
センサーとして用いる場合を示したが、他に温度センサ
ー、ガスセンサー等に利用することができる。
【０１０９】〔実施例２〕本実施例は、図１に示すセン
サーの動作方法に関する。本実施例で説明する動作方法
は、ダイヤモンド薄膜に対してパルス状の加熱を行い、
このパルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の温度変
化をダイヤモンド薄膜表面に形成された熱起電力素子で
検出することを特徴とする。
【０１１０】本実施例のような構成を採用した場合、パ
ルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の温度変化がダ
イヤモンド薄膜が周囲環境から受ける熱的な影響を反映
したものとなる。従って、ダイヤモンド薄膜の温度変化
に対応した熱起電力素子の出力よりダイヤモンド薄膜が
周囲から受ける熱的な影響を知ることができる。パルス
状の加熱に対するダイヤモンド薄膜の温度変化は、ダイ
ヤモンド薄膜のパルス状の加熱に対する応答特性である
と理解することができるので、上記のような動作は、ダ
イヤモンド薄膜のパルス状の加熱に対する応答特性か
ら、ダイヤモンド薄膜が周囲から受ける熱的な影響を計
測することと理解することができる。
【０１１１】ダイヤモンド薄膜が周囲から受ける熱的な
影響としては、当該ダイヤモンド薄膜に接して流れる流
体の流量または流速によるものを挙げることができる。
この場合、当該ダイヤモンド薄膜に接して流れる流体の
流量によって、ダイヤモンド薄膜から奪われていく熱量
が異なるので、ダイヤモンド薄膜の受ける熱的な影響が
流量によって異なり、それに対応してパルス状の加熱に
対するダイヤモンド薄膜の応答特性が異なることにな
る。
【０１１２】この場合、ダイヤモンド薄膜に接して流れ
る流体の流量に従って、パルス状の加熱に対するダイヤ
モンド薄膜の温度変化、即ちパルス状の加熱に対するダ
イヤモンド薄膜の応答特性が異なることとなる。従っ
て、この応答特性を定量的に評価することによって、流
量を算出することができる。
【０１１３】図２に流量計測を行うシステム（流量計測
装置）を示す。図２において２３で示されるのがダイヤ
モンド薄膜であり、その表面に熱起電力素子２４と発熱
体２２とが設けられている。センサー自体の構造は図１
に示すものと同様である。即ち、熱起電力素子２４と発
熱体２２との構成は、図１に示すものと同様である。
【０１１４】発熱体２２によるパルス状の加熱に従うダ
イヤモンド薄膜の応答特性（ダイヤモンド薄膜の温度変
化）は、熱起電力素子２４によって起電力に変換され、
電圧変化として出力される。この出力はアンプ２５によ
って電圧増幅され、さらにＤ／Ａコンバータ２６によっ
て、デジタル信号に変換される。このデジタル信号をＣ
ＰＵ２７において所定の演算処理方法に従って演算処理
する。演算処理された信号はＤ／Ａコンバータ２８にお
いてアナログ信号に変換され、計測した流量値に対応し
た値として出力される。
【０１１５】Ｄ／Ａコンバータ２１は、発熱体２２から
パルス状の発熱をさせるためのもので、ＣＰＵ２７によ
って制御される。このＤ／Ａコンバータ２１は、発熱体
２２に必要とされるタイミングで所定の電圧または電流
を所定の時間で加える機能を有する。
【０１１６】以下に図２のシステムの動作例を示す。ま
ずダイヤモンド薄膜が流体に接した状態とする。この場
合、流体がダイヤモンド薄膜のいずれか一方の面または
両方の面に接する状態とすればよい。流体としては、気
体、液体、気体と流体の混合流体、粉体を含んだ気体、
霧状の流体等を対象とすることができる。
【０１１７】図３に一回の動作におけるアンプ２５から
の出力変化を示す。アンプ２５からの出力ｆは、ダイヤ
モンド薄膜２３の温度を示すパラメータといえる。よっ
て図３に示すのは、一回の動作において、ダイヤモンド
薄膜の温度がどのように変化するのかを示したものとい
える。
【０１１８】まず、ダイヤモンド薄膜に流体が接してい
る状態において、Ａ／Ｄコンバータ２６でデジタル信号
に変換されたアンプ２５の出力ｆをＣＰＵ２７において
下記の〔数１〕に従って演算処理する。
【０１１９】
【数１】
【０１２０】上記演算は、一回の動作における計測の基
準点を決めるために行われる。これは時間の経過に従う
ダイヤモンド薄膜の温度変化（温度ドリフト）を計測の
度にキャンセルするために行われる。
【０１２１】次に、Ａ／Ｄコンバータ２１から発熱体２
２に対してΔｔ1Sの時間で電圧を供給し、発熱体２２を
Δｔ1Sの時間においてパルス状の発熱をさせる。このパ
ルス状の発熱を発熱体２２にさせることによって、ダイ
ヤモンド薄膜２３は急速に加熱され、加熱終了後は流体
によって急速に冷却される。このダイヤモンド薄膜２３
の温度変化は、熱起電力素子２４によって検出され、電
圧変化として出力される。熱起電力素子２４からの出力
はアンプ２５によって電圧増幅され出力ｆとなる。この
場合、ダイヤモンド薄膜の温度変化に対応して、図３に
示すような形でアンプ２６からの出力ｆは変化する。
【０１２２】発熱体２２からの加熱開始直後にＡ／Ｄコ
ンバータ２６でデジタル信号に変換されたアンプ２５の
出力ｆをＣＰＵ２７において下記の〔数２〕に従って演
算処理する。
【０１２３】
【数２】
【０１２４】上記演算処理において、Δｔ1S＜Δｔ2Sと
する。これは、Δｔ1S＝Δｔ2Sとすると、出力ｆにノイ
ズが現れるからである。
【０１２５】次に上記〔数１〕の積算値Ｓ0Sと〔数２〕
の積算値Ｓ2Sとの差を算出する。この演算は、（Δｔ0S
／Δｔ2S）Ｓ2S−Ｓ0S、または（Δｔ2S／Δｔ0S）Ｓ0S
−Ｓ2Sを行うことによって行われる。これらの演算は、
その差を求めることが重要であるので、その順序は逆で
もよい。
【０１２６】上記積算値Ｓ0Sと積算値Ｓ2Sとの差を求め
ることで、図３の斜線で示す応答波形の面積を求めるこ
とができる。図３の斜線部分で示すのは、Δｔ1Sにおけ
るパルス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜２３の応答
のみに依存するものであり、この面積を求めることで、
ダイヤモンド薄膜の正確な応答を評価することができ
る。
【０１２７】この応答波形の面積の値は、ダイヤモンド
薄膜に接して流れる流体の流量に依存するものであり、
この値からダイヤモンド薄膜に接して流れる流体の流量
を算出することができる。
【０１２８】〔実施例３〕本実施例は、図２に示す構成
を基本的に利用した温度補償が可能な流量計測装置の構
成に関する。
【０１２９】図２に示す装置において、ダイヤモンド薄
膜２３に接する流体の流量が変化せずに、流体の温度の
みが変化した場合、装置の出力もまた変化してしまう。
これは、発熱体２２の抵抗が流体の温度によって変化
し、その発熱量が流体に温度に依存して変化してしまう
ことに起因する。
【０１３０】上記問題を解決するためには、流体および
／または計測環境の温度変化によらず、発熱体２２から
の発熱量が変化しない構成とすればよい。本発明者らの
知見によれば、ダイヤモンド薄膜に一定の流量を供給す
るならば、パルス状の加熱に対してダイヤモンド薄膜が
示す応答特性は、流体の温度に依らず流体の流量または
流速のみにほぼ依存する。
【０１３１】上記の構成を図２に示す構成で実現するに
は、発熱体として、その抵抗値の温度依存性が極力小さ
い材料（温度係数が極力小さい材料）を用いればよい。
このような材料としては、コンスタンタン（ニッケル４
５％−銅５５％の合金）を挙げることができる。コンス
タンタンは、その温度係数（温度変化に対して変化する
抵抗値の割合）が極めて小さいので、流体および／また
は計測環境の温度変化において、その抵抗値がほとんど
変化しない。従って、一定の電圧を一定の時間で加えた
場合、流体および／または計測環境の温度の影響に依ら
ず、ほとんど一定の発熱量を得ることができる。
【０１３２】従って、発熱体２２からのパルス状の加熱
に際して得られるダイヤモンド薄膜２３の温度変化（応
答特性）は、ダイヤモンド薄膜２３に接して流れる流体
の流量にほぼ正確に依存したものとなる。
【０１３３】本実施例の構成を採用した場合の装置の動
作方法（計測方法）は、実施例２において示した方法と
全く同様である。
【０１３４】〔実施例４〕本実施例は、図２に示す構成
を基本的に利用した温度補償が可能な流量計測装置の構
成に関する。図４の本実施例の概略のブロック図を示
す。図４に示すのは、同じ構成を有した２つのセンサー
を容易し、一方のセンサーを流量計測センサー（Ｓで表
記される）として用い、他方のセンサーを温度計測セン
サー（Ｒと表記される）として用い、両者の出力を比較
することで、正確な流量計測を行う構成に関する。
【０１３５】それぞれのセンサーは、図１に示すものと
同様な構成を有しているものを用いることができる。ま
た個々のセンサーの動作も実施例２において説明したも
のと同様である。
【０１３６】図４に示す構成で重要なのは、温度計測セ
ンサーを流体の流れに接しない状態とし、流量計測セン
サーを流体の流れに直接接する状態とする点である。こ
のような構成とした場合、温度計測センサーからの出力
と、流量計測センサーからの出力との違いは、流体の流
れに触れているか否かということになる。
【０１３７】このことは以下のように考えることができ
る。即ち、温度計測センサーからの出力は、諸々のパラ
メータα1,α2 ・・・αn に依存し、流体計測センサー
からの出力は、諸々のパラメータα1,α2 ・・・αn+1
に依存すると考えることができる。ここでパラメータα
n+1 が流体の流れ、即ち流量に対応するパラメータであ
る。
【０１３８】即ち、２つのセンサーは同じものであり、
その置かれている状況が、流体の流れに接しているかど
うか、換言すれば流体の流れの影響を受けているかどう
かという点のみが異なるのであるから、この流れに対応
するパラメータαn+1 に関してのみ、それぞれのセンサ
ーの出力は異なるということである。
【０１３９】上記において諸々のパラメータというの
は、流体の流量や流速、流体の粘性、流体の密度、流体
の比熱、流体の動粘性率等々の流体に関する数々のパラ
メータのことである。
【０１４０】ここで、２つのセンサーの出力を比較する
と、αn+1 に関する出力のみが打ち消されずに残ること
になる。即ち、諸々のパラメータの値には関係なく、流
量に対応する出力のみを得ることができる。
【０１４１】上記２つのセンサーの出力の比較は、それ
ぞれのセンサーからの出力の差やそれぞれのセンサーか
らの出力の比をとればよい。
【０１４２】図４に示す構成において、流量計測センサ
ーは、ダイヤモンド薄膜４０３上に形成された熱起電力
素子４０２と発熱体４０１とを有している。温度計測セ
ンサーからの出力（即ち、熱起電力素子４０２からの出
力）は、アンプ４０４で増幅される。
【０１４３】温度計測センサーは、ダイヤモンド薄膜４
０７上に形成された熱起電力素子４０６と発熱体４０５
とを有している。温度計測センサーからの出力（即ち、
熱起電力素子４０６からの出力）は、アンプ４０８で増
幅される。
【０１４４】２つのセンサーからの出力は、スイッチ４
００を経て、Ａ／Ｄコンバータ４０９に入力される。Ａ
／Ｄコンバータ４０９では入力された信号をデジタル信
号に変換する。デジタル信号に変換された信号は、ＣＰ
Ｕ４１０に入力され、所定の演算が行われる。この所定
の演算は、実施例２に示したものと基本的に同じであ
る。また、温度計測センサーの動作と流量計測センサー
の動作は同じものとし、またその出力の処理方法も全く
同じものとする。
【０１４５】図４に示す構成における動作において、実
施例２に示した場合と異なるのは、１回の流量計測にお
いて、温度計測センサーからの出力を処理する動作と、
流体計測センサーからの出力を処理する動作とを行う点
である。即ち、実施例２の場合と比較して、２倍の処理
を行う点である。
【０１４６】またＤ／Ａコンバータ４１２は、流量計測
センサーの発熱体４０１と流量計測センサーの発熱体４
０５とに適時電流を流すために機能する。なお、各発熱
体に流す電流は定電流モードとすることが好ましい。こ
れは、温度の上昇に伴って、発熱量を多くし、計測感度
を高めるためである。
【０１４７】ＣＰＵ４１０は、２つのセンサーからの出
力を比較して、流量計測センサーに接して流れる流体の
流量のみに依存した出力を算出する。そして、Ｄ／Ａコ
ンバータ４１１から流量に対応したアナログ出力を得
る。
【０１４８】本実施例の構成を採用した場合、流体の温
度変化や含有する不純物の変化に係わらず、正確な流量
計測を行うことができる。例えば、空調ダクト中を流れ
る空気の流量を計測するような場合、ダクト中を流れる
空気の温度や湿度に左右されずにその流量を計測するこ
とができる。
【０１４９】〔実施例５〕本実施例は、実施例４に示し
た構成を実際に流体が流れるパイプに配置した構成を示
す。図５に本実施例の概略の構成を示す。図５に示す構
成は、等価的に図４に示すものと同じである。図５に示
すのは、プラスチックや金属のパイプ５０２内を流れる
流体の流れ５０３の流量を計測するためのものである。
パイプ５０２の一部には、流量計測センサーを構成する
ダイヤモンド薄膜４０３が嵌め込まれている。また５０
４に示すように一部の流体は５０１で外部から密閉され
ている空間５０５に流入する構成となっている。従っ
て、温度計測センサーを構成するダイヤモンド薄膜４０
７は流体の流れには接しないが、流体には接することと
なる。
【０１５０】図５に示すような構成を採用することによ
り、流量計測センサーからの出力と温度計測センサーか
らの出力とにおいて、異なるのは、流量に対応する成分
のみとなる。
【０１５１】即ち、それぞれのセンサーが検出する熱的
な影響で異なるのは、流体の流れに関するもののみのと
することができる。
【０１５２】なお、ダイヤモンド薄膜４０３と４０７
は、熱的に絶縁物と見なせる材料で保持する必要があ
る。
【０１５３】〔実施例６〕本実施例は、実施例２で示し
た流量計測装置を温度補償が行えるように改良した構成
に関する。流体および／または計測環境の温度が変化す
ると、発熱体の抵抗値もまた変化するので、発熱量が変
化し、正確な流量計測が行えなくなってしまう。この問
題を解決するには、実施例３に示したように、ダイヤモ
ンド薄膜にパルス状の加熱を行う発熱体として、温度依
存性の極力小さい材料を用いる方法がある。本実施例
は、流体および／または計測環境の温度に対応させて、
発熱体に供給する電圧を変化させ、常に一定に熱量、ま
たは前記温度に対応した熱量をダイヤモンド薄膜に供給
できる構成を提供するものである。
【０１５４】温度に依存せず常に一定に熱量を供給する
という概念と、温度に対応した熱量を供給するという概
念とは、互いに矛盾するものであるが、本発明者らの知
見によれば、何れの考え方に従っても、一定レベル以上
の計測精度を得ることができる。これは、流体の諸パラ
メータについて全てを考慮した形で理論が完成されてい
ないためであると考えられる。
【０１５５】図６に本実施例の概略の構成を示す。図６
において、流量を計測するのは、ダイヤモンド薄膜４０
３の表面に図１に示すような形状で発熱体４０１と熱起
電力素子４０２とが形成された構成を有する流量計測セ
ンサーである。この流量計測センサーの発熱体４０１
は、ダイヤモンド薄膜５０１の表面に形成された発熱体
４０１と同じ材料で構成された測温抵抗体５０２と抵抗
５０３〜５０５で構成されるブリッジの出力によって駆
動される。また、測温抵抗体５０２が形成されたダイヤ
モンド薄膜５０１は、流体に接する必要がある。この場
合、流体の流れに直接接しているのでもよく、また図５
に示す温度計測センサーのような形で流体に接している
のでもよい。
【０１５６】熱起電力素子５０２の出力はアンプ４０４
で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ４０９に入力される。Ａ
／Ｄコンバータ４０９でデジタル信号に変換された信号
は、ＣＰＵ４１０で所定の演算処理がなされる。そし
て、Ｄ／Ａコンバータ４１１から流量値または流量に対
応したアナログ信号として出力される。ＣＰＵ４１０で
行われる演算は、実施例２において示したのと同じであ
る。
【０１５７】図６に示す構成でどのように温度補償がな
されるか説明する。例えば、発熱体４０１と測温抵抗体
５０２とが白金の薄膜で構成されている場合において、
流体の温度が上昇した状況を考える。この場合、測温抵
抗体５０２の抵抗が流体の温度の上昇に従って上昇す
る。するとアンプ５０６で増幅される電圧もそれに従っ
て大きなものとなる。一方、発熱体４０１の抵抗は流体
の温度上昇に伴って大きくなる。結果として、発熱体４
０１で発熱される熱量は流体の温度によらず概略同じも
の、あるいは流体の温度に対応したものとすることがで
きる。
【０１５８】〔実施例７〕本実施例は、ダイヤモンド薄
膜表面に半導体と金属とを用いた熱起電力素子を設ける
例に関する。熱起電力素子は、金属−半導体という組合
せを用いても実現することができる。本実施例は、シリ
コン珪素半導体と白金との組合せを示す。
【０１５９】まず実施例１に示した方法によりダイヤモ
ンド薄膜を用意し、このダイヤモンド薄膜表面にアモル
ファスシリコン半導体膜をプラズマＣＶＤ法で形成す
る。アモルファスシリコン半導体膜は、図１の１０４で
示されるようなパターンに形成すればよい。アモルファ
スシリコン半導体膜の変わりに結晶性を有する結晶性シ
リコン半導体膜を用いることは有用である。
【０１６０】そして、白金の薄膜を図１の１０３で示さ
れるようなパターンに形成する。さらにこの際、発熱体
１０２も白金の薄膜によって構成する。こうして、シリ
コン半導体と白金とで構成される熱起電力素子が構成さ
れる。
【０１６１】〔実施例８〕本実施例は、ダイヤモンド薄
膜表面にＰ型の半導体層を形成し、該半導体層と白金と
で熱起電力素子を構成する例である。まず実施例１で示
したようにプラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜を
用意する。そして、イオン注入法またはプラズマドーピ
ング法により、Ｂ（ボロン）のイオン注入を行い、ダイ
ヤモンド薄膜の表面にＰ型のダイヤモンド半導体層を形
成する。
【０１６２】このＰ型の半導体層は、図１の１０４で示
されるようなパターンに形成する。そして、１０３で示
されるようなパターンに白金薄膜を形成し、同時に１０
２で示される発熱体を白金薄膜で構成する。こうして、
Ｐ型のダイヤモンド半導体と白金とでなる熱起電力素子
を有したセンサーを得ることができる。
【０１６３】〔実施例９〕本実施例は、図１に示すよう
なセンサーとは異なるパターンで熱起電力素子を構成し
た例である。なお特に断らない限り、図１に示すものと
同一の符号は同一の箇所を示す。
【０１６４】図７に第１の例を示す。この例では、１１
０で示される接合部分が１０９で示される接合部分に対
して、接合箇所が１ヶ所少ない点が図１に示す構成との
相違点である。また図８に他の一例を示す。この例で
は、熱起電力素子を構成するパターンが簡単になるとい
う特徴を有する。
【０１６５】
【発明の効果】熱起電力素子を用いてダイヤモンド薄膜
の温度変化を検出することで、ダイヤモンド薄膜を用い
た熱的なセンサーの消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例のセンサーの構成を示す。
【図２】 実施例の流量計測装置の構成を示す。
【図３】 実施例の流量計測装置の動作における出力波
形を示す。
【図４】 実施例の流量計測装置の構成を示す。
【図５】 実施例の流量計測装置の構成を示す。
【図６】 実施例の流量計測装置の構成を示す。
【図７】 実施例のセンサーの構成を示す。
【図８】 実施例のセンサーの構成を示す。
【符号の説明】
１０１・・・・・・・ダイヤモンド薄膜 １０２・・・・・・・発熱体 １０３・・・・・・・白金の薄膜パターン １０４・・・・・・・鉄の薄膜パターン １０５、１０６・・・電極 １０７、１０８・・・電極 １０９・・・・・・・接合部分 １１０・・・・・・・接合部分 ４００・・・・・・・スイッチ ５０２・・・・・・・パイプ ５０３・・・・・・・流体の流れ ５０２・・・・・・・測温抵抗体 ５０３〜５０５・・・抵抗 ５０６・・・・・・・アンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−115125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−231174（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−283601（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−97201（ＪＰ，Ａ) Ｓｅｎｓｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ ｎｓ ｆｏｒ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｐ ｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｔｈｉ ｎ−Ｆｉｌｍ Ｄｉａｍａｎｄ，Ｓｅｎ ｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｓ，２，６（1991）ｐ329−346 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 5/10 G01F 1/68 - 1/699

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体に接すべく設けられたダイヤモンド
    薄膜と、 前記ダイヤモンド薄膜上に設けられた発熱体と、 前記ダイヤモンド薄膜上に設けられた前記発熱体から発
    生した熱を電力に変換する熱起電力素子とを有し、 前記ダイヤモンド薄膜は前記発熱体によりパルス状に加
    熱されることを特徴とする計測装置。
  2. 【請求項２】 流体に接すべく設けられた薄膜材料と、 前記薄膜材料上に設けられた発熱体と、 前記薄膜材料上に設けられた前記発熱体から発生した熱
    を電力に変換する熱起電力素子とを有し、 前記薄膜材料は、３００Ｋにおけるその熱伝導率を
    Ｋs、比熱をＣs、密度をρs、その寸法をＬ＝１ｍｍ角
    として、 τ＝（ＣsρsＬ2／Ｋsπ2） で示される時定数τが５ミリ秒以下であり、 前記発熱体によりパルス状に加熱されることを特徴とす
    る計測装置。
  3. 【請求項３】 前記薄膜材料は、ダイヤモンド薄膜、単
    結晶シリコン、炭化珪素、立方晶窒化ホウ素または窒化
    アルミであることを特徴とする請求項２に記載の計測装
    置。
  4. 【請求項４】 流体に接すべく設けられた薄膜材料と、 前記薄膜材料上に設けられた発熱体と、 前記薄膜材料上に設けられた前記発熱体から発生した熱
    を電力に変換する熱起電力素子とを有し、 前記薄膜材料は、３００Ｋにおけるその熱伝導率を
    Ｋs、比熱をＣs、密度をρs、その寸法をＬ＝１ｍｍ角
    として、 τ＝（ＣsρsＬ2／Ｋsπ2） で示される時定数τが１ミリ秒以下であり、 前記発熱体によりパルス状に加熱されることを特徴とす
    る計測装置。
  5. 【請求項５】 前記薄膜材料は、ダイヤモンド薄膜また
    は立方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項４に
    記載の計測装置。
  6. 【請求項６】 前記熱電力素子はＰｔ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃ
    ｒ、Ｎｉ―コンスタンタン、Ｐｔ―コンスタンタン、Ｐ
    ｄ―Ｃｒ、Ｐｄ―コンスタンタンまたは半導体―Ｐｔの
    組み合わせにより形成されていることを特徴とする請求
    項１乃至５のいずれか一に記載の計測装置。
  7. 【請求項７】 前記計測装置は流量計測装置または温度
    計測装置であることを特徴とする請求項１乃至６のいず
    れか一に記載の計測装置。
  8. 【請求項８】 前記パルス状の加熱以前に前記熱起電力
    素子からの出力を積算し、前記パルス状の加熱以後に前
    記熱起電力素子からの出力を積算し、 前記２つの積算値の差を算出することを特徴とする請求
    項１乃至７のいずれか一に記載の計測装置。
  9. 【請求項９】 α1、α2、・・・αnで示されるパラメ
    ータに依存した前記パルス状の加熱に対する薄膜材料の
    温度変化と、α1、α2、・・・αn+1で示されるパラメ
    ータに依存した前記パルス状の加熱に対する薄膜材料の
    温度変化とを計測し、αn+1で示されるパラメータに依
    存した出力を得ることを特徴とする請求項１乃至７のい
    ずれか一に記載の計測装置。
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