流体プローブ
流体の特性を検出するためのデバイスおよび関連する方法である。デバイスは本体領域と、第１端部および第２端部を有する第１フレキシブル素子とを備える。第１端部は本体領域上に固定して配置される。フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層とを少なくとも備える。電気ヒータ素子は、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成される。第１端部に隣接する電気ヒータ素子の第１部分の抵抗は、第１端部から離れた電気ヒータ素子の第２部分の抵抗よりも大きくしてもよい。デバイスは、５ミリ秒よりも小さい持続時間を有する電気パルスを電気ヒータに供給するよう構成されるヒータコントローラを備えてもよい。デバイスは、第１端部と第２端部を有し、第１端部が本体領域上に固定配置される第２の基準フレキシブル素子を備えてもよい。各フレキシブル素子は、そのフレキシブル素子の動きを示す信号を提供するよう構成されるセンサをそれぞれ備えてもよい。基準フレキシブル素子のセンサは、第１フレキシブル素子のセンサとは異なる構成を有しており、フレキシブル素子の少なくとも一つは、二つのフレキシブル素子の熱伝導率の分布を一様にするために少なくとも一つの追加材料部分を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の特性を求めるためのプローブ、およびこのようなプローブの製造方法および使用方法に関する。本発明の実施形態は、限定されるわけではないが血液などの流体の粘度の測定に適しており、特にこの種の流体の粘度の変化（例えば凝固による）を監視することに適している。
【背景技術】
【０００２】
微小なチャンバ内に統合された微小でフレキシブルな機械的構造、例えばマイクロカンチレバー、マイクロブリッジ、またはマイクロメンブレン等を用いるセンサが知られている。例えば、米国特許第６，５７５，０２０号は、種々のマイクロカンチレバーを微小なチャンバ内に統合可能にする方法を記載している。微小なマイクロカンチレバーの機械的特性の変化を使用して、マイクロカンチレバーの環境における変化を検出することができる。米国特許第６，５７５，０２０号は、この種のマイクロカンチレバーが典型的に長さ１００ミクロン、幅１０ミクロン、厚さ１ミクロンのオーダーであり、シリコン、窒化ケイ素、ガラス、金属またはこのような材料の組合せで製造できることを述べている。この種のセンサは、相互作用チャンバに対してカンチレバーを動かすためのアクチュエータを備えてもよい。アクチュエータはいくつかの方法で実装することができる。例えば、圧電素子、静電気または磁場誘起の移動を与える手段、または熱誘起の移動を与える手段、例えばマイクロカンチレバーの発熱素子などである。
【０００３】
このようなマイクロカンチレバー構成の欠点の一つは、カンチレバーが比較的硬い材料で形成され、したがってセンサのたわみ範囲（したがって潜在的な検出感度）が限定されることである。
【０００４】
ＷＯ ２００５／０５４８１７号として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９は、流体の特性を検出する第１素子を有するデバイスを記載している。フレキシブル素子は、シリコンに比べて比較的柔軟なポリマーなどの材料で形成することができる。フレキシブル素子は、長さが１００ミクロンから１ｍｍであり、二つの形状の間で曲げることができる。フレキシブル素子の端部の対応する移動は、３０ミクロンから６５０ミクロンの距離にわたる。フレキシブル素子は、異なる熱膨張係数を有する二つの層で形成される。フレキシブル素子にはヒータが組み込まれており、第１の形状から第２の形状に素子を移動させる。熱が取り除かれると、素子は第１の形状に復帰する。適切なピエゾ抵抗材料を使用して、素子のたわみの度合いまたは割合を定めることができる。ＷＯ ２００５／５４８１７号の図４は、素子を駆動するためにヒータに与えられる矩形波パルス列と、その後ピエゾ抵抗センサ素子に変化が生じることが例示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態の目的は、本明細書で述べられているかいないかにかかわらず、従来技術に伴う一つ以上の課題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、電気ヒータに対して８ミリ秒より少ない持続時間を有する電気パルスを供給するように構成されたヒータコントローラをさらに備える。
【０００７】
８ミリ秒未満の持続時間を有するパルスは、血液、水およびグリセロールなどの液体を含む流体の特性を測定するとき、特にこのような流体の粘度を求めるときに用いるのに特に適している。パルスは、フレキシブル素子を屈曲させるために用いられる熱パルスとは時間的に別個であるフレキシブル素子の測定可能な機械的屈曲（真っ直ぐに戻る（unbend）ことを含む）を起こす。このような短いパルスは、ヒータに電力を与えるために用いられる電気パルスが取り除かれた後でもフレキシブル素子を曲げ続けることができる。機械的屈曲の測定または検出は、屈曲がピーク振幅に達したときの機械的屈曲の特性を検出することを含んでもよい。測定は、屈曲のピーク振幅のタイミングやピーク振幅の大きさなどのピーク振幅の特性を測定することを含んでもよい。
【０００８】
さらに、このような短いパルスは測定可能な機械的振動を引き起こし、フレキシブル素子は真っ直ぐになるときに振動をする。このような測定可能な機械的振動では、機械的振動の比較的小さな振幅は、曲げられていない位置から曲げられた位置に動くとき、および元に戻る動きをするとき（フレキシブル素子が加熱されその後冷却されるとき）のフレキシブル素子のより期間の長い動きと重なる。より長いパルスはフレキシブル素子に機械的振動を発生させるが、フレキシブル素子を加熱し続けているときに振動を読み取るのは非常に困難である。それゆえ、機械的振動の測定を始める前に、加熱パルスを終了することが望ましい。フレキシブル素子の機械的振動は、センサが真っ直ぐになるときの速度に加えて、少なくとも一つの余分なパラメータを与える。このパラメータは、フレキシブル素子を取り囲む流体のパラメータ（例えば粘度）を求めるためにフィッティングされるか、または他の手段で解析あるいは決定可能である。この場合、屈曲の速度、または機械的振動中の極限たわみに到達するまでに要する時間のうち少なくとも一つを測定するか、あるいは機械的振動中の屈曲の程度を測定してもよい。
【０００９】
フレキシブル素子の共振周波数と同期する複数のパルスを生成する必要はない。パルスは互いに対して任意のタイミングで生成してよく、時間的にリンクさせる必要はない（すなわち、パルスは時間的に別個のものであり、規則的な間隔で発生させたり、または任意の繰り返しパターンで発生させる必要はない）。
【００１０】
パルスの持続時間は５ミリ秒未満でもよい。パルスの持続時間は、フレキシブル素子の機械的振動と、フレキシブル素子の温度による屈曲とを区別可能であるように十分に短くてもよい。
【００１１】
電気パルスの持続時間は１．５ミリ秒未満でもよい。電気パルスの持続時間は１ミリ秒未満でもよい。電気パルスの持続時間は１００マイクロ秒より大きくてもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合には、パルスは５０マイクロ秒であることが望ましい場合がある。コントローラは、フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さい周波数で一連の電気パルスを提供するように構成されてもよい。例えば、１００Ｈｚよりも小さい周波数で一連のパルスを生成してもよい。例えば５％、１０％または２０％のデューティサイクルを用いてもよい。
【００１２】
パルス持続時間および第１層と第２層の熱膨張率は、パルス後にフレキシブル素子が曲がり続けるようにされてもよい。
【００１３】
パルス持続時間およびパルスエネルギーは、パルス後にフレキシブル素子が約５０％曲がるようにされてもよい。
【００１４】
パルス持続時間は、フレキシブル素子の周囲の環境を十分に加熱することなしに、フレキシブル素子を効率的に加熱できるような十分な短さであってもよい。パルス持続時間は、デバイスが損傷を受けるなどデバイスの任意の部分を過度に熱することなしに、フレキシブル素子を所望の程度屈曲させるのに十分なエネルギー（熱の形態で）をフレキシブル素子に伝達するのに十分な長さであってもよい。
【００１５】
例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは１μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が１センチポアズの流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは５０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が２センチポアズよりも大きい流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは１００μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる最小エネルギーは、フレキシブル素子を屈曲させ測定可能な機械的オーバーシュートを生じさせるのに十分なものであってもよい。
【００１６】
例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは１０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が１センチポアズの流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは６０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が２センチポアズよりも大きい流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは１５０μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは、２５０μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは、フレキシブル素子に損傷を与えたり、またはフレキシブル素子が熱屈曲を起こして屈曲により発生する機械的オーバーシュートを隠したりしないようにしなければならない。
【００１７】
デバイスは、第１フレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたセンサをさらに備える。
【００１８】
第２の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを操作する方法を提供する。デバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備える。方法は、電気ヒータに８ミリ秒より小さい持続時間を有する電気パルスを与えてフレキシブル素子の屈曲を引き起こすことを含む。
【００１９】
電気パルスは５ミリ秒より小さい持続時間でもよい。方法は、フレキシブル素子の動きを検出し、それによってフレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を示す値を求めることをさらに含む。フレキシブル素子の移動中の特定ポイントでフレキシブル素子の動きの大きさを検出してもよい。これは、熱で引き起こされた動きと機械的な動きの成分を含んでもよい。代替的に、電気パルスを与えた後に、フレキシブル素子が所定の動きを完了するために要する時間を検出してもよい。このような動きは、機械的振動などから起こるフレキシブル素子の極限位置への移動、およびその後に平衡位置に向けて戻る移動であってもよい。
【００２０】
方法は、フレキシブル素子の移動を追跡してある期間にわたる移動を表すデータを取得し、そのデータを用いてフレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を示す少なくとも一つの値を求めることをさらに含んでもよい。
【００２１】
第３の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第２フレキシブル素子と、を備え、各フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、それぞれのフレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたそれぞれのセンサとを少なくとも備え、基準フレキシブル素子のセンサは第１フレキシブル素子のセンサとは異なる構成を有しており、フレキシブル素子の少なくとも一方は、フレキシブル素子の熱伝導率分布を実質的に一様にするための少なくとも一つの追加材料部分を含む。
【００２２】
第１および第２フレキシブル素子の両方の温度応答が同様であることを保証するために、一つ以上の材料の追加部分をフレキシブル素子のいずれか一方（必要に応じて両方）の内部に設けることができる。各フレキシブル素子内の熱伝導率分布（すなわち、特定の熱伝導率値または熱伝導特性を有する材料の分布）を一様にすることで、フレキシブル素子が異なる構成のセンサを有しているにもかかわらず、同じ程度に加熱したとき、各フレキシブル素子が同様の熱交換特性を持ちほぼ一様の温度分布を有することができる。したがって、第２フレキシブル素子は、第１フレキシブル素子の基準としてより良好に機能することができる。少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同様の熱伝導率を有していてもよい。
【００２３】
少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同様の熱伝導率を有してもよい。
【００２４】
少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同じ材料で形成されてもよい。
【００２５】
センサは熱導体で形成されてもよい。
【００２６】
各センサは金属を含んでもよい。
【００２７】
少なくとも一つの追加材料部分も金属で形成され、各フレキシブル素子の金属成分と非金属成分の比率は実質的に同一であってもよい。
【００２８】
第２の基準フレキシブル素子のセンサは、第１フレキシブル素子のセンサよりも、それぞれのフレキシブル素子の屈曲によって引き起こされる機械的歪みに対する検出感度が低いように構成されてもよい。
【００２９】
第１フレキシブル素子は第１フレキシブル部材内に配置され、第２フレキシブル素子は別個の第２フレキシブル素子内に配置されてもよい。
【００３０】
第１および第２のフレキシブル素子は単一のフレキシブル部材の内部に配置されてもよい。
【００３１】
センサはコンスタンタンを含んでもよい。
【００３２】
第１フレキシブル素子のセンサからの信号を処理して、第１フレキシブル素子を取り囲む媒質の粘度を示す信号を提供するように構成されるプロセッサをさらに備えてもよい。
【００３３】
第１フレキシブル素子は、１Ｎ／ｍ未満の定数のばねを有してもよい。
【００３４】
第１フレキシブル素子は、第１端部から第２端部の長さが１０ミクロンから２ｍｍの間であってもよい。
【００３５】
層の熱膨張係数の違いは、少なくとも１０×１０−６／°Ｃであってもよい。
【００３６】
第１層と第２層の熱膨張係数の比率は、少なくとも１０であってもよい。
【００３７】
層は、１０ＧＰａ未満のヤング率を有する材料で形成されてもよい。
【００３８】
第４の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、第１端部に隣接するヒータ素子の第１部分の抵抗が、第１端部から離れたヒータ素子の第２部分の抵抗よりも大きく、使用時に、ヒータ素子の第１部分を含むフレキシブル素子の第１区画が、ヒータ素子の第２部分を含むフレキシブル素子の第２区画よりも、単位時間当たりより多くの熱を受け取り、第２区画は第１区画と寸法が等しい。
【００３９】
このような構成を有するヒータ素子を設けることで、フレキシブル素子のさらなる加熱が、第１端部、すなわちフレキシブル素子が本体領域に接続されているポイントに近接する区画で発生することが保証される。したがって、その領域におけるフレキシブル素子のたわみを最大化することができ、その結果、他の方法よりもフレキシブル素子のたわみが大きくなり、デバイスの検出感度をより高めることができる。
【００４０】
ヒータ素子の第１部分は、ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さくてもよい。ヒータ素子の第１部分は、ヒータ素子の第２部分よりも長くてもよい。
【００４１】
第１部分は、第１端部と第２端部の間のフレキシブル素子の中間区画に配置されてもよい。
【００４２】
第１部分は、フレキシブル素子の第１端部にあってもよい。
【００４３】
ヒータ素子の少なくとも別の部分が第１端部と第２端部の間にあるフレキシブル素子の中間区画に配置され、ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さくてもよい。
【００４４】
ヒータ素子が実質的に均一の抵抗率を有する材料で形成されてもよい。
【００４５】
ヒータ素子は、断面積の大きな部分から断面積の小さな部分に向けてテーパー状になっていてもよい。
【００４６】
第５の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスの製造方法であって、デバイスの構成部品を提供することによって、上記請求項のいずれかに記載のデバイスを形成することを含む方法を提供する。
【００４７】
以下、添付の図面を参照して、例示のみを目的として、本発明の実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】第１構成および第２構成における、本発明の一実施形態による単一のフレキシブル部材を有するデバイスの斜視図である。
【図１Ｂ】第１構成および第２構成における、本発明の一実施形態による単一のフレキシブル部材を有するデバイスの斜視図である。
【図２】関連するセンサおよび加熱素子を示す、二つのフレキシブル素子を有するデバイスの模式的な平面図である。
【図３Ａ】図２の加熱素子とセンサの構成をそれぞれ示す図である。
【図３Ｂ】図２の加熱素子とセンサの構成をそれぞれ示す図である。
【図４】材料の追加部分の位置を表した本発明の一実施形態によるフレキシブル部材の模式的な平面図である。
【図５Ａ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｂ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｃ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｄ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図６Ａ】それぞれ０％および３０％のグリセロールと混合された塩水および水溶液中でのフレキシブル部材のたわみ振幅を時間の関数として表したピエゾ抵抗センサ電圧を示す図である。
【図６Ｂ】それぞれ０％および３０％のグリセロールと混合された塩水および水溶液中でのフレキシブル部材のたわみ振幅を時間の関数として表したピエゾ抵抗センサ電圧を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態によるデバイスの模式図である。
【図８】図１および図７のデバイスの、初期励起パルスに続く相対的なたわみ振幅を時間の関数として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の一実施形態による気体や液体などの流体の特性を検出するデバイス１００を示す。
【００５０】
デバイス１００は、本体領域１１０に結合された３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。各フレキシブル素子の第１端部は、本体領域１１０に接続される。
【００５１】
各フレキシブル素子の第１端部から離れた第２端部は自由端であり、本体領域に対して移動する。各フレキシブル素子は、長方形の表面領域を持つ棒状であり、本体領域１１０から延びる長方形の長い側面を持つ。各フレキシブル素子１０２、１０４、１０６は、少なくとも二つの層１０８ａ、１０８ｂからなる積層構造である。各層の材料は、異なる熱膨張係数を有する。
【００５２】
層は、異なる材料で形成することができる。代替的に、各層を同じ材料で形成し、異なる熱膨張係数を呈するように異なる方法で材料を処理してもよい（例えば、特定の方向に圧力を加える、および／またはフレキシブル素子内で別の材料に結合する）。例えば、異なる方向で材料に圧力を加えると、方向依存性を有する熱膨張係数を与えることができる。したがって、別々の層が同一の材料で形成されていても、別々の層が異なる方向で圧力を加えられていれば、別々の層は事実上異なる熱膨張係数を有するようになる。第１の層は、第２の層の熱膨張係数の２倍（または５倍、または１０倍）の熱膨張係数を有していてもよい。熱膨張係数の違いは、少なくとも１０×１０−６／°Ｃであってもよい。層は、１０ＧＰａよりも小さいヤング率を有する材料で形成されてもよい。
【００５３】
各層を構成する適切な材料は、ポリマー、ポリイミド、ポリアミドおよびアクリルポリマーを含む。
【００５４】
熱を与えられると、同じ温度上昇に対して一方の層が他方の層よりも膨張し、したがって加熱されているフレキシブル素子は低い膨張係数を有する層（例えば、図１Ａに示す位置）の方向に曲がる。フレキシブル素子が冷えると、同一の温度低下に対して一方の層が他方の層よりも大きく収縮し、したがってフレキシブル素子は大きい熱膨張係数を有する材料の方向（例えば、図１Ｂに示すように）に真っ直ぐに戻る。３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６のそれぞれは、実質的に同一の長さ、幅および厚さを持つ。結合部材１２０は、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６の自由端（すなわち、フレキシブル素子の本体領域１１０から離れている第２端部）のそれぞれに接続される。
【００５５】
フレキシブル素子のそれぞれは、隣接するフレキシブル素子から横方向に離れていてもよく、すなわち、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６のそれぞれの間にギャップがあってもよい。このようなギャップは、フレキシブル素子間の熱伝導を制限する。典型的に、結合部材１２０は熱絶縁材料で形成される。
【００５６】
また、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６と結合部材１２０とは、フレキシブル部材１２５を形成する。フレキシブル部材は、約１Ｎ／ｍの定数のばねを有してもよい。フレキシブル部材は長さが１０ミクロンまたはそれ以上であってもよい。長さが２ｍｍまたはそれ以下であってもよい。
【００５７】
フレキシブル部材１２５は、ヒータを含む少なくとも一つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。ヒータは例えば電気発熱素子であり、フレキシブル部材１２５を動かすためにフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を加熱する。例えば、電気加熱素子は、金属または金属合金で形成されることができる。加熱素子は、実質的に一様な抵抗率を有する材料で形成されてもよい。電気加熱素子は、コンスタンタンで形成されてもよい。コンスタンタンのような材料は、比較的低い抵抗の温度係数を有する。すなわち、その抵抗は温度により顕著には変化しない。電気加熱素子は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕやそれに類する導電性が高く比較的弾性のある材料（例えば、金属または金属合金）で形成されてもよい。
【００５８】
フレキシブル部材１２５はまた、センサを含む少なくとも一つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。センサは、関連するフレキシブル素子１０２、１０４、１０６の移動を検出し、それを示す信号（したがって、フレキシブル部材１２５の対応する移動を示す信号）を提供する。センサは、フレキシブル素子の屈曲の度合いを示す信号を提供するように構成される。従来技術において述べたように種々の動作センサが知られており、全てを本発明の実施形態において実装することができる。この特定の実施形態では、動作センサはピエゾ抵抗材料の形をとる。ピエゾ抵抗材料は、機械的歪みを与えるとその電気抵抗が変化する材料である。例えば、センサのピエゾ抵抗材料は、ニクロム、クロム−銅合金、Ａｕ、Ｐｔまたはポリマーで形成することができる。センサはコンスタンタンで形成されてもよく、その抵抗は比較的温度に対する感度が低い。コンスタンタンのように比較的温度の影響を受けない材料を用いることで、ヒータとセンサの間のクロストークが低減される。
【００５９】
センサからの信号出力は、熱成分（センサ／フレキシブル素子の温度による膨張のため）と歪み成分（センサ／フレキシブル素子の移動のため）を含むものとみなすことができる。粘度のような流体特性の測定のためには、フレキシブル部材の励振に応答するセンサ信号の歪み成分をみるだけで、熱成分を最小化することが望ましい。歪み成分は、フレキシブル素子の曲げ挙動を表している。
【００６０】
フレキシブル部材１２５は３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備えており、中心のフレキシブル素子１０４がセンサを備え、二つの外側のフレキシブル素子１０２、１０６が移動を引き起こすヒータをそれぞれ備えていてもよい。両方のヒータは、ねじれ動作を与えずにフレキシブル部材（センサを含む中心のフレキシブル素子１０４を含む）を曲げるために、同時に作動されてもよい（例えば、同一の／等しい電気信号を各ヒータ素子に与えることによって）。センサからの信号は監視され、続いてプロセッサにより分析される。プロセッサは、所望の流体特性を示す信号を与える。例えば、時間の関数としてたわみの動きを解析することによって、フレキシブル素子が内部に配置されている流体の粘度を求めることができる。
【００６１】
デバイス１００はコントローラ１３０を備える。コントローラ１３０は、フレキシブル素子内の電気加熱素子に対して電気パルスを供給するよう構成されたヒートコントローラを備える。図５Ａ〜図５Ｄを参照して後述するように、パルスは比較的短くてよく、例えば持続時間が８ミリ秒より短く、一部の実施形態では５ミリ秒より短い。パルスは、例えば１００マイクロ秒以上であってもよい。パルスは１００マイクロ秒より短くてもよく、例えば少なくとも５０マイクロ秒である。
【００６２】
コントローラ１３０はまた、センサからの信号を受け取り処理し、これによってフレキシブル素子を取り囲む流体の特性（例えば粘度）を示す値を求めるように構成されたプロセッサを備えてもよい。コントローラ１３０は、求められた特性を示す出力信号を、例えば時間の関数として提供するように構成される。
【００６３】
フレキシブル部材、センサ、およびフレキシブル素子内の加熱素子の取り得る構成について、図２〜図４を参照して述べる。
【００６４】
図１に示したような一つのフレキシブル部材１２５を備えるデバイス１００の代わりに、デバイス１００は、図２に示すように二つのフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂを備えてもよい。こうする場合、フレキシブル部材の一方（１２５ｂ）は基準として機能する。
【００６５】
各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは、図１に示したフレキシブル部材１２５に概して対応する。フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂはそれぞれ、単一の共通本体領域に接続される。図示の例では、フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは並んでおり、共通平面（例えば、図を表す紙のシートの平面）内に延びている。代替的な構成では、フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂが平行する平面内に延びてもよく、例えば一方のフレキシブル部材の上部に他方のフレキシブル部材があるように互いに重なっていてもよい。
【００６６】
特に、この実施形態における各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは、それぞれ３つのフレキシブル素子（１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ）を備える。それぞれの結合部材１２０ａ、１２０ｂは、各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂ内のフレキシブル素子を結びつける。
【００６７】
各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂの外側の二つのフレキシブル素子１０２ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０６ｂは、一体の電気抵抗加熱素子１０３ａ、１０３ｂを備える。加熱素子は、異なる熱膨張係数を有する材料からなる二つの層のうち一方の内部に形成されることができ、または二つの層の間に形成されることができる。全てのフレキシブル素子（１０２ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０６ｂ）の内部に形成される各加熱素子の構成（すなわち、形状、位置および寸法）は同一である。これにより、全てのヒータ素子が関連するそれぞれのフレキシブル素子に類似の加熱影響を与えること、すなわち、両方のフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂが類似の加熱の影響を受け、したがって類似の量だけの曲げが引き起こされることが保証される。
【００６８】
図２から、両方のフレキシブル素子１０２ａ、１０６ａにおける電気ヒータ素子１０３ａが直列に電気接続され、第２フレキシブル部材１２５ｂにおける電気ヒータ素子１０３ｂも同じであることが分かる。簡便のために、フレキシブルヒータ素子１０３ａが第２フレキシブル部材１２５ｂにおける電気ヒータ素子１０３ｂと接続されてもよい。このような接続により、各ヒータ素子に対して類似の励起パルスを与えることが容易になる。すなわち、同様のパワーレベル、同様の形状および持続時間のパルスを、各個別のフレキシブル部材上に形成された各個別のヒータ素子に与えることが容易になる。
【００６９】
中心のフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ、センサ素子１０５ａ、１０５ｂの形状でそれぞれのセンサを備える。センサ素子１０５ａ、１０５ｂの構成は異なることに注意する。各センサ素子１０５ａ、１０５ｂはフレキシブル素子の全長にほぼ沿って延びるが、各センサ素子１０５ａ、１０５ｂの特定の形状は異なる。この異なる構成を用いて、異なる機能を提供する。特に、第１フレキシブル部材１２５ａ上のセンサ素子１０５ａは、第２フレキシブル部材１２５ｂ上のセンサ素子１０５ｂよりも歪みに対する感度が高い。典型的に、第２フレキシブル部材は基準として機能する。すなわち、センサ素子１０５ｂは基準信号を提供する。
【００７０】
基準センサ素子１０５ｂは、全体の材料組成および材料の厚み／量に関してはアクティブセンサ素子１０５ａと実質的に同一である。したがって、センサ素子１０５ａおよび１０５ｂは同様の抵抗を有する。さらに、後に説明するように、センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、実質的に同一の熱伝導率を有するフレキシブル素子の一部により包囲されるか、フレキシブル素子の一部である（図４を参照して後述するように、追加の材料２５０を使用するために）。したがって、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号出力は、実質的に同じ熱成分を有するはずである。言い換えると、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号の熱成分は、各センサに対して実質的に等しい。
【００７１】
しかしながら、センサ素子１０５ａと１０５ｂの間の構成の違い（例えば、センサの設置面積または形状）のために、それぞれの出力信号の歪み成分は異なるであろう。特に、センサ素子１０５ａの一方は、他方のセンサ素子１０５ｂよりも大きな歪み成分を有するために設けられている。これらのセンサ素子は、それぞれアクティブセンサ素子１０５ａと基準センサ素子１０５ｂであるとみなすことができる。したがって、便利なことに、基準センサ素子１０５ｂからの出力信号をアクティブセンサ素子１０５ａからの出力信号から減じて、実質的に歪み成分のみを有する正味信号を残すことができる。言い換えると、アクティブセンサ素子１０５ａの出力信号から基準センサ素子１０５ｂの出力信号を演じることで、正味（全体）信号の熱成分を最小化（および中和）し、単純に歪み成分が残る。ホイートストン・ブリッジ構成の適切なアームに両方のセンサを結合することによって、信号を都合良く減じることができる。その結果、ホイートストン・ブリッジ構成において、基準センサ素子１０５ｂからの電圧出力がアクティブセンサ素子１０５ａからの電圧出力から差し引かれる。
【００７２】
両方のフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂに共通コントローラ（例えば１３０）を結合することができる。コントローラは、各部材１２５ａ、１２５ｂのヒータ素子１０３ａ、１０３ｂを励起（すなわち、加熱）する同一の電気パルスを提供するように構成される。さらに、コントローラは、各流体の粘度を求めるために、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号を処理するように構成される。
【００７３】
図３Ａは、ヒータ素子１０３ａ、１０３ｂのみを示す。各ヒータ素子１０３ａ、１０３ｂは同一の構成（すなわち、大きさと形状）を有するので、ヒータ素子の一方（１０３ａ）について構成を説明する。しかしながら、他方のヒータ素子１０３ｂについても同一の詳細な構成が当てはまることを理解すべきである。
【００７４】
図２から分かるように、各ヒータ素子は、（本体領域に隣接する）それぞれのフレキシブル素子の第１端部に隣接する位置から、フレキシブル素子（すなわち、２０５）の第２の離れた端部を介して第１端部に戻る回路内に延びる。第１端部では、ヒータ素子はデバイスの本体領域（１１０）上の対応する電気導電部に電気的に接続され、そこからコントローラ１３０（例えば、図１を参照）に接続される。
【００７５】
典型的に、各ヒータ素子は厚みが均一であり、単一の蒸着層の内部に容易に素子が形成される。典型的に、各ヒータ素子を形成する材料は実質的に均一の抵抗率を有する。しかしながら、有利なことに、ヒータ素子に沿った距離の関数としての抵抗は異なる。
【００７６】
長さｌ、断面積Ａの電気伝導材料の断面の抵抗Ｒは、次式で計算することができる
Ｒ＝ρｌ／Ａ
ここで、ρは材料の抵抗率である。言い換えると、材料の断面の抵抗はその断面の断面積に反比例する。
【００７７】
電気加熱素子１０３ａは二つの機能を実行する。関係するフレキシブル素子を加熱する他、電気加熱素子１０３ａは、ヒータ素子を駆動する電気パルスの停止後にフレキシブル素子内で熱エネルギーを拡散する熱導体としても機能する。したがって、フレキシブル素子内での熱エネルギーの分散を補助するために、比較的断面積の大きい加熱素子を有することが望ましい。他方、高いＲを提供するためには比較的狭い加熱素子を有することが望ましいが、これは、熱エネルギーの可能な限り最大の量を加熱素子内に放散させてフレキシブル素子の屈曲を確実に引き起こすためである。さらに、電気ヒータ素子１０３ａは金属などの比較的硬い材料で形成されることが多いが、これはフレキシブル素子内で望ましくない比較的固い層となりうる。
【００７８】
これらのパラメータの全ての相互作用、および電気ヒータ素子１０３ａの性能は、従来技術のデバイスと比較して改善されている。これは、第１端部に隣接するヒータ素子の比較的狭い部分２０１を提供して、その部分内での柔軟さおよび加熱効果を最大化することによるものである。さらに、ヒータ素子の比較的狭い部分２０３は、フレキシブル素子の中間部分／位置に配置されているが、これはその位置の周りの加熱／フレキシブル素子の柔軟性を最大化するためであり、したがって、加熱時にフレキシブル素子が曲がる度合いがさらに強化される。必要に応じて、ヒータ素子のこのような狭められた「ウエスト」部分を複数設けることができる。ヒータ素子内のあらゆる部分への熱の配分を補助するために、これらの狭い部分２０１、２０３が広い部分２０２、２０４の間に形成される。ヒータ素子の幅は、広い部分から隣接する狭められた部分へとテーパー状にされる。
【００７９】
したがって、金属化の比較的大きな設置面積（例えば、ヒータ素子がより広い部分を追跡する）が設けられ、熱の迅速な分配およびカンチレバーのより良好な応答が可能になる。さらに、狭い部分（２０１、２０３）が設けられ、それらの部分での機械的剛性が減じられ、それらの部分での加熱効果が増大される。
【００８０】
「狭い部分」という用語は、広い部分よりも幅が狭い部分のことを意味している。同様に、「広い部分」という用語は、狭い部分よりも幅が広い部分を意味している。
【００８１】
一部の実施形態では、狭い部分２０１、２０３の機能の少なくともいくつかは、加熱素子の経路の蛇行部分として形成されてもよい。経路の蛇行部分は、フレキシブル素子に沿って直接進まないが、例えば蛇のように（serpentine）前後に曲がり、フレキシブル素子の所与の長さに対する加熱素子の長さをより大きくする。この結果、蛇行部分を含むフレキシブル素子の区画に対してより多くの熱を与えることになる。加熱素子経路の蛇行部分を備える実施形態では、経路の断面は、加熱素子経路の長さに沿って均一であってもよい。
【００８２】
以下、図２および図３Ｂを参照して、センサ素子１０５ａ、１０５ｂの構成について、間単に説明をする。
【００８３】
典型的に、センサ素子１０５ａは、基準センサ素子１０５ｂよりも、フレキシブル素子に沿った長手方向の歪みに対する検出感度が高くなるように構成される。このような感度は、形状、および各センサを形成する異なるセンサ経路の相対的な寸法を変化させることによって実現できる。各センサは同じ厚さであってもよく、その場合、各フレキシブル素子内でのセンサ経路は単一の処理ステップで容易に形成される。
【００８４】
各センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、各フレキシブル素子（例えば、フレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂ）に沿って長手方向に延びる素子として形成される。センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、フレキシブル素子の全長にわたって動きを求めるために、フレキシブル素子の全長に沿って延びてもよい。
【００８５】
しかしながら、線形歪みに対する検出感度を最大化するために、センサ素子１０５ａは、対応する基準センサ素子１０５ｂよりも、フレキシブル素子に沿って長手方向に延びる長さの割合が大きい。図３Ｂに示す特定の構成では、センサ素子１０５ａは、四つの長手方向に延びる部分を形成するとみることができ、長手方向に延びる部分のそれぞれは、端部で隣接する部分に結合される。したがって、長手方向に延びる部分の端部でのみ、経路の横断方向に延びる部分（すなわち、フレキシブル素子に沿って長手方向には延びない部分）が存在する。
【００８６】
対比のために、基準センサ素子１０５ｂの経路はフレキシブル素子に沿って蛇行して延び、長手方向に延びる部分によって横断方向に延びる部分が分離されている。その結果、経路の全長のうちより多くの割合が、フレキシブル素子を横切って延びている。
【００８７】
したがって、基準センサ素子１０５ｂは、センサ素子１０５ａよりも長手方向歪みに対する検出感度が低いが、温度に対する感度は同様である。加えて、経路のうち長手方向に延びる部分の幅を横断方向に延びる部分と比較して相対的に広くする（すなわち、より幅が広い）ことによって、基準センサ素子１０５ｂの歪みに対する検出感度をさらに低下させることができる。
【００８８】
したがって、基準センサ素子１０５ｂよりも、アクティブセンサ素子１０５ａの歪みに対する検出感度を高くすることができる。上述したように、基準センサ素子１０５ｂからの出力信号を、アクティブセンサ素子１０５ａからの出力信号から減じることで、実質的に歪み成分のみ（すなわち、顕著な温度成分を含まない）の正味出力信号を求めることができる。
【００８９】
異なる構成を有する異なるセンサ素子１０５ａ、１０５ｂのために、センサを形成する材料の相対的な配分は、それぞれのフレキシブル素子１０４ａ、１０４内で異なる。図３Ｂに示す特定の構成に関して、基準センサ素子１０５ｂは、対応するアクティブセンサ素子１０５ａよりも多くの材料で形成される。このような構造上の違いは望ましくないことがある。
【００９０】
各フレキシブル素子（例えば１０４ａ、１０４ｂ）が同じ機械的特性および温度特性を有することが望ましい場合がある。典型的に、センサはピエゾ抵抗材料、例えば熱導体であるが比較的硬い金属で形成される。したがって、各フレキシブル素子は同じ材料比率を有する、例えば金属と非金属の比率が等しく、このような材料の配分がほぼ等しいことが望ましい場合がある。その結果、基準センサ素子１０５ｂで使用されるより多くの材料を補うために、アクティブセンサ素子１０５ａを含むフレキシブル素子１０４ａは、追加の材料の一つ以上の不活性（passive）部分２５０で埋められる。
【００９１】
図４は、フレキシブル素子１０４ａの拡大図であり、追加材料部分２５０をフレキシブル素子１０４ａに沿って配分してフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂの熱伝導率の配分を均一化する方法を示す。
【００９２】
追加材料部分２５０は、センサ素子１０５ａの材料と同様の熱伝導率を呈してもよい。追加材料部分は、センサ素子１０５ａと同じ材料で形成されてもよい（製造の容易さ、および特性の均一化を保証するため）。これがなされた場合、追加材料部分は、両方のフレキシブル素子の硬さの対応する均等化を実現する。追加材料２５０が金属である場合、追加材料２５０は、基準フレキシブル素子１０４ａにおける金属成分と非金属成分の比率を変更し、二つのフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂにおける比率を等しくする。
【００９３】
上で示したように、コントローラ１３０は、電気ヒータ素子に電気パルスを与え、それによってフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成される。
【００９４】
パルスは、フレキシブル素子に引き起こされる曲げが最大値に到達する前にパルスが終了するほどの短さであってもよく、または、フレキシブル素子の著しい機械的オーバーシュートが起きるような短さであってもよい。パルスは、パルスの停止後に、フレキシブル素子の著しい機械的なたわみが起きるのに十分な短さであってもよい。機械的なたわみは、測定できるように十分な大きさであってもよい。
【００９５】
パルスは、フレキシブル素子を測定可能な量だけ機械的に振動させる十分な速さで、フレキシブル素子のたわみを引き起こすようなものであってもよい（これらの機械的振動については後述する）。これは、例えば、十分に短くかつ測定可能な量の機械的振動を始めるのに十分な大きさのインパルスをフレキシブル素子に与えるエネルギーのパルスによって達成することができる。パルスは、そのパルスと、その後の機械的振動の測定とが時間的に分かれているように十分に短くてもよい。
【００９６】
パルスは、いわゆるトップハット（top-hat）関数であってもよいし、またはそのような関数の近似であってもよい。フレキシブル素子の柔軟性のために（例えばシリコンで製造されるプローブと比較して）、例えば共振周波数でサイン波の電気信号を用いてフレキシブル素子を励振する必要はない。トップハット関数またはその近似は、様々な異なる周波数を含み、したがって、例えばフレキシブル素子内の測定可能な機械的振動を励起するのを助けることができる。例えば５％、１０％または２０％のデューティサイクルを使用することができる。パルスは時間的に分離していてもよい。規則的なデューティサイクルよりも、パルス間に不規則な量の時間が残されてもよい。電気パルスの周波数は、フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さくてもよく、例えば１００Ｈｚ以下であってもよい。
【００９７】
パルスは、例えば持続時間が８ミリ秒未満、５ミリ秒以下、２ミリ秒以下、１ミリ秒以下、または０．５ミリ秒以下であってもよい。
【００９８】
パルスを用いて所定の必要な量のエネルギーを伝えるとき、パルスの持続時間が短縮される場合、パルスの強度（すなわち、ピーク電圧）を増加しなければならない。パルスが短すぎると、パルスの強度は、加熱素子および／またはその周囲のフレキシブル素子に損傷を与えるほど高くなることがある。これは、加熱素子に十分なエネルギーを伝えるために十分な長さのパルスを用いて、加熱素子に損傷を与えることなくフレキシブル素子に必要な程度の屈曲を引き起こすことによって実現することができる。パルスは、例えば持続時間が少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも２５０マイクロ秒、および０．５ミリ秒であってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合には、パルスは持続時間が少なくとも５０マイクロ秒であってもよい。
【００９９】
図５Ａ〜図５Ｄは、持続時間の異なるパルスを利用する効果を示しており、図５Ａは０．５ミリ秒のパルスを、図５Ｂは１．０ミリ秒のパルスを、図５Ｃは２．０ミリ秒のパルスを、図５Ｄは４．０ミリ秒のパルスを示している。いずれの場合も、パルスエネルギーの合計が等しくなるように、与えられたパルス電圧は調整されている。
【０１００】
例えば、プローブが約１センチポアズの流体の中に置かれるとき、加熱素子に与えられる最小エネルギーは５０μＪであってもよい。例えば約１センチポアズの流体に対して、加熱素子に与えられる最大エネルギーは６０μＪであってもよい。より粘性のある流体に対しては、最小または最大エネルギーはより高くてもよく、より粘性の少ない流体に対しては、最小または最大エネルギーはより低くてもよい。最小エネルギーは、フレキシブル素子に測定可能な機械的オーバーシュートを引き起こすのに十分なものである必要がある。最大エネルギーは、フレキシブル素子に損傷を与えたり、または機械的オーバーシュートを隠すほどであってはならない。加熱素子に与えられる最小エネルギーは、１μＪであっても、または１００μＪであってもよい。加熱素子に与えられる最大エネルギーは、１０μＪ、１５０μＪ、または２５０μＪであってもよい。
【０１０１】
図５Ａ〜図５Ｄは、フレキシブル素子内の測定センサの応答を示す。これらの測定を実行するために利用されるデバイス１００は、図１に示したタイプのものものである。図５Ａ〜図５Ｄは、センサの電気抵抗の変化から生じる電圧振幅を示している（センサはホイートストン・ブリッジの一部を形成する）。したがって、振幅は、センサを含んでいるフレキシブル素子のたわみを示している。各図において、初期に信号が負の方向に行く部分が観察される。この初期の負の方向に行く部分の開始は、関連する電気パルスに対応する。各図において、パルスが停止する期間が示されている。
【０１０２】
各グラフの初期の負の方向に行く部分は、電気的な寄生効果およびフレキシブル素子が曲がる前のフレキシブル素子の初期座屈のためであると信じられている（後に続く電圧振幅の増加により示されるように）。電圧振幅はピークに上昇し、これはフレキシブル素子の最大たわみ、すなわち熱パルスにより引き起こされたフレキシブル素子の最大限の屈曲に対応する。続いてフレキシブル素子は緩和、すなわち真っ直ぐに戻り、振幅は比較的ゆっくりと減少する。
【０１０３】
より短いパルスに対しては、それに対応するより大きな機械的オーバーシュートが観察される。「機械的オーバーシュート」という用語は、電気パルスが終了した後にフレキシブル素子が曲がり続ける場合のことをいう。機械的オーバーシュートは、最大たわみ点（ピーク振幅）に到達するまで、フレキシブル素子の機械的慣性のためにフレキシブル素子が曲がることである。この効果は、０．５ｍｓおよび１．０ミリ秒の電気パルスの場合に最も発生するが、２．０ミリ秒および４．０ミリ秒の電気パルスの場合でもより少ない程度だが存在する。
【０１０４】
０．５ミリ秒および１．０ミリ秒の電気パルスは、測定可能な量の機械的振動を生じさせる（図中「機械的振動」とラベルが付けられている）。機械的振動は小さな振幅の振動であり、これはフレキシブル素子の曲がりが戻り元の形状に復帰するときに形成される、より長期間の曲線（減衰曲線に似ている）に重ね合わされる。機械的振動は、フレキシブル素子がパルスにより励起されている結果として発生する（任意の構造は、パルスにより励起された場合、機械的振動をする）。２．０ミリ秒および４．０ミリ秒の電気パルスを使用するとき、一部の機械的振動は生じることができるが、これらの振動の大きさは、図５Ｃおよび図５Ｄで見えるほど十分ではなく、測定可能でない場合がある。
【０１０５】
機械的オーバーシュートおよび機械的振動の両方とも有用である。なぜなら、それらは粘度（または流体の他のパラメータ）を求めるために利用できるからである。加えて、これはフレキシブル素子が真っ直ぐに戻るときに生じる比較的長期間の減衰のような関数である。短い電気パルスに対しては、（全体の振幅に関して）機械的オーバーシュートがより大きくなり、加えて、長いパルスよりも短いパルスに対して機械的振動がより顕著になることが観察される。したがって、測定可能な機械的オーバーシュートおよび／または測定可能な機械的振動を生じさせるために、十分に短いパルスを用いることが望ましいことがある。
【０１０６】
上述した例示的なパルス持続時間は、プローブが例えば１センチポアズの流体中に配置されているときに用いてもよい。しかしながら、プローブが異なるセンチポアズを有する流体中に配置されているときは、他のパルス持続時間が適切であることもある（フレキシブル素子は、異なる流体中では異なる振る舞いをする）。
【０１０７】
測定された機械的オーバーシュート形状は、流体によって異なる。加えて、機械的振動の期間および振幅は、流体によって異なる。したがって、これらの測定を使用して、流体についての情報を得ることができる。例えば、流体の粘度が高いほど、その流体中での機械的オーバーシュートのピークは遅れて生じる。加えて、流体の粘度が高いほど、機械的オーバーシュートのピークははっきりしなくなる。これに関して、ピークの大きさおよび質の両方を測定することができる。さらに、流体の粘度が高いほど、機械的振動の期間は長くなり、また機械的振動の振幅は小さくなる。
【０１０８】
機械的オーバーシュートの上昇部分における時定数に関するパラメータ、機械的振動の期間、または機械的振動の振幅は、標準的な数値フィッティング技術によって求めることができる。これらのパラメータを用いて、流体の特性の指標を得ることができる。例えば、パラメータは流体の粘度に応じて異なり、したがってパラメータを用いて時間にわたる流体の粘度を監視することができる。このようなパラメータを複数用いると、粘度測定（または流体の他の特性の測定）の精度を上げることができるが、これは測定を平均化および／または照合検査が可能になるからである。機械的オーバーシュートの形状または機械的振動の期間および振幅などのパラメータは、フレキシブル素子が屈曲／元に戻るための期間よりも迅速に測定することができ、これによって、測定対象の流体の瞬間的な粘度をよりよく表すことが可能になる。
【０１０９】
図６Ａおよび図６Ｂは、異なる流体に対して応答関数が変わる様子を示す。両図とも、０．５ミリ秒の電気パルスがヒータに加えられるときのセンサの電圧振幅を示しており、それによりセンサを含むフレキシブル素子が屈曲しその後元に戻っている。図６Ａおよび図６Ｂは、水媒質（Ｗ）および塩水（Ｂ）媒質（すなわち、塩水溶液）における応答を示す。図６Ａは、水および塩水の純粋溶液における応答形状を示す一方、図６Ｂは溶液が３０％のグリセロールを含むとき（すなわち、図６Ａの溶液と比較して相対的に粘度が高い）の結果を示す。
【０１１０】
応答曲線は、二つの図で異なる。より粘度の高い媒質（図６Ｂ）では上昇時間がより遅くなっている。これは、粘度の低い媒質（図６Ａ）における電圧振幅のピークよりも、電圧振幅のピークの発生時間が遅くなっていることにより明らかであり、また、機械的オーバーシュートの上昇部分の時定数によって明らかである。加えて、より粘度の高い媒質（図６Ｂ）で生じている機械的振動は、より粘度の低い媒質（図６Ａ）で生じている機械的振動よりも、期間が長く振幅が小さい。
【０１１１】
図６Ａおよび図６Ｂは、水媒質（Ｗ）と塩水媒質（Ｂ）とを区別することの可能なセンサを実証している。塩水媒質での電圧振幅のピークは、水媒質での電圧振幅のピークよりも発生時間が遅くなっている（図６Ａおよび図６Ｂ）。加えて、塩水媒質で生じる機械的振動は、水媒質で生じる機械的振動よりも期間が長くなっている。電圧振幅のピークの移動および機械的振動の期間の変化は、塩水媒質が水媒質よりも粘度が高いことを示している。塩水媒質で生じる機械的振動の振幅は、水媒質で生じる機械的振動の振幅よりもわずかに小さいことがあり、これが間違いなくそのケースであるか否かを決定するためには曲線適合解析を行う必要がある。
【０１１２】
上記の実施形態は例示を目的としてのみ述べられており、本発明の範囲内に収まる種々の変形態様が当業者には明らかであろう。
【０１１３】
例えば、フレキシブル部材内のフレキシブル素子の特定の構成を参照して実施形態を説明してきた。電気パルスおよびヒータ経路の形状に関する本発明の態様は、デバイスが単一のフレキシブル素子のみを含む（すなわち、単一のフレキシブル部材）実施形態においても実装できることを理解すべきである。さらに、電気パルス、加熱経路および基準フレキシブル素子に関する態様などの本発明の任意の態様の任意の望ましい組合せが可能である。
【０１１４】
このようなデバイスの例が図７に示されている。図７はフレキシブル素子２５を備え、フレキシブル素子内にはヒータ素子３とセンサ素子５の両方が配置される。このようなフレキシブル素子デバイスの一般的な概念は、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９に開示されているものと同じであってよく、その内容は参照により本発明に援用される。しかしながら、図１〜４（デバイスがフレキシブル部材を備え、検出および加熱用に別個のフレキシブル素子を有する）に示したデバイスの応答は、図７に示すデバイス構成よりも良好な結果を与えることがある。例えば、図８は図１のデバイスの応答曲線Ａと、図７のデバイスの応答曲線Ｂとを示す。図８の応答曲線Ａの方がピークが大きいことが分かる。この大きいピークによって、関連するフレキシブル素子が浸されていた流体の特性を決定するためのパラメータのフィッティングがより簡単になる。
【０１１５】
本明細書に記載のフレキシブル素子は、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９に記載のフレキシブル素子と同様の特性を有することができる。例えば、フレキシブル素子の端部の移動距離は、３０ミクロンから６５０ミクロンの間であることができる。同様に、移動は異なる範囲をとることができる。例えば、移動範囲は１ミクロンと３０ミクロンの間でもよいし、または１ミクロンと６５０ミクロンの間でもよい。
【０１１６】
上述の実施形態では、フレキシブル素子は互いに並んでいるものとして、すなわち共通の平面内で各素子が隣り合って延びているものとして説明した。しかしながら、デバイスは、平行する平面、例えば一方の上に他方が積層されている平面に延びるフレキシブル素子で形成されてもよい。このようなフレキシブル素子は、単一のフレキシブル部材の一部として形成することができる。例えば、フレキシブル部材は、フレキシブル部材内の第１位置（例えば、第１レベルまたは「高さ」）でセンサを備える第１のフレキシブル素子が延び、同じフレキシブル部材内の異なる位置でセンサを有する第２フレキシブル素子が延びるように形成することができる。例えば、基準センサは、他のセンサよりも歪みに対する検出感度の低いフレキシブル部材内のある位置に配置することができる。例えば、基準センサは、フレキシブル部材の中立軸に近接して配置されて、基準センサが他のセンサと同じだけの曲げを受けないようにしてもよい。したがって、基準センサは他のセンサ（例えばアクティブセンサ）よりも歪みが少なくなる。
【０１１７】
上述の実施形態では、加熱されたときにフレキシブル素子がより大きく曲がるようにプローブが構成された（例えば図１を参照）。しかしながら、プローブが顕著に曲がった状態で開始し、加熱時に曲がりが少なくなるようにプローブを構成してもよい。この文脈では、上記で用いた「屈曲」という用語は、フレキシブル素子が平衡形態から非平衡形態へと移動することを意味するように解釈され、必ずしもフレキシブル素子がさらに曲がることを意味するものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の特性を求めるためのプローブ、およびこのようなプローブの製造方法および使用方法に関する。本発明の実施形態は、限定されるわけではないが血液などの流体の粘度の測定に適しており、特にこの種の流体の粘度の変化（例えば凝固による）を監視することに適している。
【背景技術】
【０００２】
微小なチャンバ内に統合された微小でフレキシブルな機械的構造、例えばマイクロカンチレバー、マイクロブリッジ、またはマイクロメンブレン等を用いるセンサが知られている。例えば、米国特許第６，５７５，０２０号は、種々のマイクロカンチレバーを微小なチャンバ内に統合可能にする方法を記載している。微小なマイクロカンチレバーの機械的特性の変化を使用して、マイクロカンチレバーの環境における変化を検出することができる。米国特許第６，５７５，０２０号は、この種のマイクロカンチレバーが典型的に長さ１００ミクロン、幅１０ミクロン、厚さ１ミクロンのオーダーであり、シリコン、窒化ケイ素、ガラス、金属またはこのような材料の組合せで製造できることを述べている。この種のセンサは、相互作用チャンバに対してカンチレバーを動かすためのアクチュエータを備えてもよい。アクチュエータはいくつかの方法で実装することができる。例えば、圧電素子、静電気または磁場誘起の移動を与える手段、または熱誘起の移動を与える手段、例えばマイクロカンチレバーの発熱素子などである。
【０００３】
このようなマイクロカンチレバー構成の欠点の一つは、カンチレバーが比較的硬い材料で形成され、したがってセンサのたわみ範囲（したがって潜在的な検出感度）が限定されることである。
【０００４】
ＷＯ ２００５／０５４８１７号として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９は、流体の特性を検出する第１素子を有するデバイスを記載している。フレキシブル素子は、シリコンに比べて比較的柔軟なポリマーなどの材料で形成することができる。フレキシブル素子は、長さが１００ミクロンから１ｍｍであり、二つの形状の間で曲げることができる。フレキシブル素子の端部の対応する移動は、３０ミクロンから６５０ミクロンの距離にわたる。フレキシブル素子は、異なる熱膨張係数を有する二つの層で形成される。フレキシブル素子にはヒータが組み込まれており、第１の形状から第２の形状に素子を移動させる。熱が取り除かれると、素子は第１の形状に復帰する。適切なピエゾ抵抗材料を使用して、素子のたわみの度合いまたは割合を定めることができる。ＷＯ ２００５／５４８１７号の図４は、素子を駆動するためにヒータに与えられる矩形波パルス列と、その後ピエゾ抵抗センサ素子に変化が生じることが例示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態の目的は、本明細書で述べられているかいないかにかかわらず、従来技術に伴う一つ以上の課題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、電気ヒータに対して８ミリ秒より少ない持続時間を有する電気パルスを供給するように構成されたヒータコントローラをさらに備える。
【０００７】
８ミリ秒未満の持続時間を有するパルスは、血液、水およびグリセロールなどの液体を含む流体の特性を測定するとき、特にこのような流体の粘度を求めるときに用いるのに特に適している。パルスは、フレキシブル素子を屈曲させるために用いられる熱パルスとは時間的に別個であるフレキシブル素子の測定可能な機械的屈曲（真っ直ぐに戻る（unbend）ことを含む）を起こす。このような短いパルスは、ヒータに電力を与えるために用いられる電気パルスが取り除かれた後でもフレキシブル素子を曲げ続けることができる。機械的屈曲の測定または検出は、屈曲がピーク振幅に達したときの機械的屈曲の特性を検出することを含んでもよい。測定は、屈曲のピーク振幅のタイミングやピーク振幅の大きさなどのピーク振幅の特性を測定することを含んでもよい。
【０００８】
さらに、このような短いパルスは測定可能な機械的振動を引き起こし、フレキシブル素子は真っ直ぐになるときに振動をする。このような測定可能な機械的振動では、機械的振動の比較的小さな振幅は、曲げられていない位置から曲げられた位置に動くとき、および元に戻る動きをするとき（フレキシブル素子が加熱されその後冷却されるとき）のフレキシブル素子のより期間の長い動きと重なる。より長いパルスはフレキシブル素子に機械的振動を発生させるが、フレキシブル素子を加熱し続けているときに振動を読み取るのは非常に困難である。それゆえ、機械的振動の測定を始める前に、加熱パルスを終了することが望ましい。フレキシブル素子の機械的振動は、センサが真っ直ぐになるときの速度に加えて、少なくとも一つの余分なパラメータを与える。このパラメータは、フレキシブル素子を取り囲む流体のパラメータ（例えば粘度）を求めるためにフィッティングされるか、または他の手段で解析あるいは決定可能である。この場合、屈曲の速度、または機械的振動中の極限たわみに到達するまでに要する時間のうち少なくとも一つを測定するか、あるいは機械的振動中の屈曲の程度を測定してもよい。
【０００９】
フレキシブル素子の共振周波数と同期する複数のパルスを生成する必要はない。パルスは互いに対して任意のタイミングで生成してよく、時間的にリンクさせる必要はない（すなわち、パルスは時間的に別個のものであり、規則的な間隔で発生させたり、または任意の繰り返しパターンで発生させる必要はない）。
【００１０】
パルスの持続時間は５ミリ秒未満でもよい。パルスの持続時間は、フレキシブル素子の機械的振動と、フレキシブル素子の温度による屈曲とを区別可能であるように十分に短くてもよい。
【００１１】
電気パルスの持続時間は１．５ミリ秒未満でもよい。電気パルスの持続時間は１ミリ秒未満でもよい。電気パルスの持続時間は１００マイクロ秒より大きくてもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合には、パルスは５０マイクロ秒であることが望ましい場合がある。コントローラは、フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さい周波数で一連の電気パルスを提供するように構成されてもよい。例えば、１００Ｈｚよりも小さい周波数で一連のパルスを生成してもよい。例えば５％、１０％または２０％のデューティサイクルを用いてもよい。
【００１２】
パルス持続時間および第１層と第２層の熱膨張率は、パルス後にフレキシブル素子が曲がり続けるようにされてもよい。
【００１３】
パルス持続時間およびパルスエネルギーは、パルス後にフレキシブル素子が約５０％曲がるようにされてもよい。
【００１４】
パルス持続時間は、フレキシブル素子の周囲の環境を十分に加熱することなしに、フレキシブル素子を効率的に加熱できるような十分な短さであってもよい。パルス持続時間は、デバイスが損傷を受けるなどデバイスの任意の部分を過度に熱することなしに、フレキシブル素子を所望の程度屈曲させるのに十分なエネルギー（熱の形態で）をフレキシブル素子に伝達するのに十分な長さであってもよい。
【００１５】
例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは１μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が１センチポアズの流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは５０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が２センチポアズよりも大きい流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最小エネルギーは１００μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる最小エネルギーは、フレキシブル素子を屈曲させ測定可能な機械的オーバーシュートを生じさせるのに十分なものであってもよい。
【００１６】
例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは１０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が１センチポアズの流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは６０μＪであってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が２センチポアズよりも大きい流体である場合、フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは１５０μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは、２５０μＪであってもよい。フレキシブル素子に与えられる熱形態の最大エネルギーは、フレキシブル素子に損傷を与えたり、またはフレキシブル素子が熱屈曲を起こして屈曲により発生する機械的オーバーシュートを隠したりしないようにしなければならない。
【００１７】
デバイスは、第１フレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたセンサをさらに備える。
【００１８】
第２の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを操作する方法を提供する。デバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備える。方法は、電気ヒータに８ミリ秒より小さい持続時間を有する電気パルスを与えてフレキシブル素子の屈曲を引き起こすことを含む。
【００１９】
電気パルスは５ミリ秒より小さい持続時間でもよい。方法は、フレキシブル素子の動きを検出し、それによってフレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を示す値を求めることをさらに含む。フレキシブル素子の移動中の特定ポイントでフレキシブル素子の動きの大きさを検出してもよい。これは、熱で引き起こされた動きと機械的な動きの成分を含んでもよい。代替的に、電気パルスを与えた後に、フレキシブル素子が所定の動きを完了するために要する時間を検出してもよい。このような動きは、機械的振動などから起こるフレキシブル素子の極限位置への移動、およびその後に平衡位置に向けて戻る移動であってもよい。
【００２０】
方法は、フレキシブル素子の移動を追跡してある期間にわたる移動を表すデータを取得し、そのデータを用いてフレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を示す少なくとも一つの値を求めることをさらに含んでもよい。
【００２１】
第３の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第２フレキシブル素子と、を備え、各フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、それぞれのフレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたそれぞれのセンサとを少なくとも備え、基準フレキシブル素子のセンサは第１フレキシブル素子のセンサとは異なる構成を有しており、フレキシブル素子の少なくとも一方は、フレキシブル素子の熱伝導率分布を実質的に一様にするための少なくとも一つの追加材料部分を含む。
【００２２】
第１および第２フレキシブル素子の両方の温度応答が同様であることを保証するために、一つ以上の材料の追加部分をフレキシブル素子のいずれか一方（必要に応じて両方）の内部に設けることができる。各フレキシブル素子内の熱伝導率分布（すなわち、特定の熱伝導率値または熱伝導特性を有する材料の分布）を一様にすることで、フレキシブル素子が異なる構成のセンサを有しているにもかかわらず、同じ程度に加熱したとき、各フレキシブル素子が同様の熱交換特性を持ちほぼ一様の温度分布を有することができる。したがって、第２フレキシブル素子は、第１フレキシブル素子の基準としてより良好に機能することができる。少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同様の熱伝導率を有していてもよい。
【００２３】
少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同様の熱伝導率を有してもよい。
【００２４】
少なくとも一つの追加材料部分は、センサと同じ材料で形成されてもよい。
【００２５】
センサは熱導体で形成されてもよい。
【００２６】
各センサは金属を含んでもよい。
【００２７】
少なくとも一つの追加材料部分も金属で形成され、各フレキシブル素子の金属成分と非金属成分の比率は実質的に同一であってもよい。
【００２８】
第２の基準フレキシブル素子のセンサは、第１フレキシブル素子のセンサよりも、それぞれのフレキシブル素子の屈曲によって引き起こされる機械的歪みに対する検出感度が低いように構成されてもよい。
【００２９】
第１フレキシブル素子は第１フレキシブル部材内に配置され、第２フレキシブル素子は別個の第２フレキシブル素子内に配置されてもよい。
【００３０】
第１および第２のフレキシブル素子は単一のフレキシブル部材の内部に配置されてもよい。
【００３１】
センサはコンスタンタンを含んでもよい。
【００３２】
第１フレキシブル素子のセンサからの信号を処理して、第１フレキシブル素子を取り囲む媒質の粘度を示す信号を提供するように構成されるプロセッサをさらに備えてもよい。
【００３３】
第１フレキシブル素子は、１Ｎ／ｍ未満の定数のばねを有してもよい。
【００３４】
第１フレキシブル素子は、第１端部から第２端部の長さが１０ミクロンから２ｍｍの間であってもよい。
【００３５】
層の熱膨張係数の違いは、少なくとも１０×１０−６／°Ｃであってもよい。
【００３６】
第１層と第２層の熱膨張係数の比率は、少なくとも１０であってもよい。
【００３７】
層は、１０ＧＰａ未満のヤング率を有する材料で形成されてもよい。
【００３８】
第４の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスを提供する。このデバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、第１端部が本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、第１端部に隣接するヒータ素子の第１部分の抵抗が、第１端部から離れたヒータ素子の第２部分の抵抗よりも大きく、使用時に、ヒータ素子の第１部分を含むフレキシブル素子の第１区画が、ヒータ素子の第２部分を含むフレキシブル素子の第２区画よりも、単位時間当たりより多くの熱を受け取り、第２区画は第１区画と寸法が等しい。
【００３９】
このような構成を有するヒータ素子を設けることで、フレキシブル素子のさらなる加熱が、第１端部、すなわちフレキシブル素子が本体領域に接続されているポイントに近接する区画で発生することが保証される。したがって、その領域におけるフレキシブル素子のたわみを最大化することができ、その結果、他の方法よりもフレキシブル素子のたわみが大きくなり、デバイスの検出感度をより高めることができる。
【００４０】
ヒータ素子の第１部分は、ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さくてもよい。ヒータ素子の第１部分は、ヒータ素子の第２部分よりも長くてもよい。
【００４１】
第１部分は、第１端部と第２端部の間のフレキシブル素子の中間区画に配置されてもよい。
【００４２】
第１部分は、フレキシブル素子の第１端部にあってもよい。
【００４３】
ヒータ素子の少なくとも別の部分が第１端部と第２端部の間にあるフレキシブル素子の中間区画に配置され、ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さくてもよい。
【００４４】
ヒータ素子が実質的に均一の抵抗率を有する材料で形成されてもよい。
【００４５】
ヒータ素子は、断面積の大きな部分から断面積の小さな部分に向けてテーパー状になっていてもよい。
【００４６】
第５の態様では、本発明は流体の特性を検出するデバイスの製造方法であって、デバイスの構成部品を提供することによって、上記請求項のいずれかに記載のデバイスを形成することを含む方法を提供する。
【００４７】
以下、添付の図面を参照して、例示のみを目的として、本発明の実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】第１構成および第２構成における、本発明の一実施形態による単一のフレキシブル部材を有するデバイスの斜視図である。
【図１Ｂ】第１構成および第２構成における、本発明の一実施形態による単一のフレキシブル部材を有するデバイスの斜視図である。
【図２】関連するセンサおよび加熱素子を示す、二つのフレキシブル素子を有するデバイスの模式的な平面図である。
【図３Ａ】図２の加熱素子とセンサの構成をそれぞれ示す図である。
【図３Ｂ】図２の加熱素子とセンサの構成をそれぞれ示す図である。
【図４】材料の追加部分の位置を表した本発明の一実施形態によるフレキシブル部材の模式的な平面図である。
【図５Ａ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｂ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｃ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図５Ｄ】同一の所定エネルギーのパルスに応答したフレキシブル部材のたわみ振幅を時間関数として示すグラフであり、０．５ｍｓ、１．０ｍｓ、２．０ｍｓ、４．００ｍｓのパルス持続時間を示す。
【図６Ａ】それぞれ０％および３０％のグリセロールと混合された塩水および水溶液中でのフレキシブル部材のたわみ振幅を時間の関数として表したピエゾ抵抗センサ電圧を示す図である。
【図６Ｂ】それぞれ０％および３０％のグリセロールと混合された塩水および水溶液中でのフレキシブル部材のたわみ振幅を時間の関数として表したピエゾ抵抗センサ電圧を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態によるデバイスの模式図である。
【図８】図１および図７のデバイスの、初期励起パルスに続く相対的なたわみ振幅を時間の関数として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の一実施形態による気体や液体などの流体の特性を検出するデバイス１００を示す。
【００５０】
デバイス１００は、本体領域１１０に結合された３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。各フレキシブル素子の第１端部は、本体領域１１０に接続される。
【００５１】
各フレキシブル素子の第１端部から離れた第２端部は自由端であり、本体領域に対して移動する。各フレキシブル素子は、長方形の表面領域を持つ棒状であり、本体領域１１０から延びる長方形の長い側面を持つ。各フレキシブル素子１０２、１０４、１０６は、少なくとも二つの層１０８ａ、１０８ｂからなる積層構造である。各層の材料は、異なる熱膨張係数を有する。
【００５２】
層は、異なる材料で形成することができる。代替的に、各層を同じ材料で形成し、異なる熱膨張係数を呈するように異なる方法で材料を処理してもよい（例えば、特定の方向に圧力を加える、および／またはフレキシブル素子内で別の材料に結合する）。例えば、異なる方向で材料に圧力を加えると、方向依存性を有する熱膨張係数を与えることができる。したがって、別々の層が同一の材料で形成されていても、別々の層が異なる方向で圧力を加えられていれば、別々の層は事実上異なる熱膨張係数を有するようになる。第１の層は、第２の層の熱膨張係数の２倍（または５倍、または１０倍）の熱膨張係数を有していてもよい。熱膨張係数の違いは、少なくとも１０×１０−６／°Ｃであってもよい。層は、１０ＧＰａよりも小さいヤング率を有する材料で形成されてもよい。
【００５３】
各層を構成する適切な材料は、ポリマー、ポリイミド、ポリアミドおよびアクリルポリマーを含む。
【００５４】
熱を与えられると、同じ温度上昇に対して一方の層が他方の層よりも膨張し、したがって加熱されているフレキシブル素子は低い膨張係数を有する層（例えば、図１Ａに示す位置）の方向に曲がる。フレキシブル素子が冷えると、同一の温度低下に対して一方の層が他方の層よりも大きく収縮し、したがってフレキシブル素子は大きい熱膨張係数を有する材料の方向（例えば、図１Ｂに示すように）に真っ直ぐに戻る。３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６のそれぞれは、実質的に同一の長さ、幅および厚さを持つ。結合部材１２０は、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６の自由端（すなわち、フレキシブル素子の本体領域１１０から離れている第２端部）のそれぞれに接続される。
【００５５】
フレキシブル素子のそれぞれは、隣接するフレキシブル素子から横方向に離れていてもよく、すなわち、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６のそれぞれの間にギャップがあってもよい。このようなギャップは、フレキシブル素子間の熱伝導を制限する。典型的に、結合部材１２０は熱絶縁材料で形成される。
【００５６】
また、フレキシブル素子１０２、１０４、１０６と結合部材１２０とは、フレキシブル部材１２５を形成する。フレキシブル部材は、約１Ｎ／ｍの定数のばねを有してもよい。フレキシブル部材は長さが１０ミクロンまたはそれ以上であってもよい。長さが２ｍｍまたはそれ以下であってもよい。
【００５７】
フレキシブル部材１２５は、ヒータを含む少なくとも一つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。ヒータは例えば電気発熱素子であり、フレキシブル部材１２５を動かすためにフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を加熱する。例えば、電気加熱素子は、金属または金属合金で形成されることができる。加熱素子は、実質的に一様な抵抗率を有する材料で形成されてもよい。電気加熱素子は、コンスタンタンで形成されてもよい。コンスタンタンのような材料は、比較的低い抵抗の温度係数を有する。すなわち、その抵抗は温度により顕著には変化しない。電気加熱素子は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕやそれに類する導電性が高く比較的弾性のある材料（例えば、金属または金属合金）で形成されてもよい。
【００５８】
フレキシブル部材１２５はまた、センサを含む少なくとも一つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備える。センサは、関連するフレキシブル素子１０２、１０４、１０６の移動を検出し、それを示す信号（したがって、フレキシブル部材１２５の対応する移動を示す信号）を提供する。センサは、フレキシブル素子の屈曲の度合いを示す信号を提供するように構成される。従来技術において述べたように種々の動作センサが知られており、全てを本発明の実施形態において実装することができる。この特定の実施形態では、動作センサはピエゾ抵抗材料の形をとる。ピエゾ抵抗材料は、機械的歪みを与えるとその電気抵抗が変化する材料である。例えば、センサのピエゾ抵抗材料は、ニクロム、クロム−銅合金、Ａｕ、Ｐｔまたはポリマーで形成することができる。センサはコンスタンタンで形成されてもよく、その抵抗は比較的温度に対する感度が低い。コンスタンタンのように比較的温度の影響を受けない材料を用いることで、ヒータとセンサの間のクロストークが低減される。
【００５９】
センサからの信号出力は、熱成分（センサ／フレキシブル素子の温度による膨張のため）と歪み成分（センサ／フレキシブル素子の移動のため）を含むものとみなすことができる。粘度のような流体特性の測定のためには、フレキシブル部材の励振に応答するセンサ信号の歪み成分をみるだけで、熱成分を最小化することが望ましい。歪み成分は、フレキシブル素子の曲げ挙動を表している。
【００６０】
フレキシブル部材１２５は３つのフレキシブル素子１０２、１０４、１０６を備えており、中心のフレキシブル素子１０４がセンサを備え、二つの外側のフレキシブル素子１０２、１０６が移動を引き起こすヒータをそれぞれ備えていてもよい。両方のヒータは、ねじれ動作を与えずにフレキシブル部材（センサを含む中心のフレキシブル素子１０４を含む）を曲げるために、同時に作動されてもよい（例えば、同一の／等しい電気信号を各ヒータ素子に与えることによって）。センサからの信号は監視され、続いてプロセッサにより分析される。プロセッサは、所望の流体特性を示す信号を与える。例えば、時間の関数としてたわみの動きを解析することによって、フレキシブル素子が内部に配置されている流体の粘度を求めることができる。
【００６１】
デバイス１００はコントローラ１３０を備える。コントローラ１３０は、フレキシブル素子内の電気加熱素子に対して電気パルスを供給するよう構成されたヒートコントローラを備える。図５Ａ〜図５Ｄを参照して後述するように、パルスは比較的短くてよく、例えば持続時間が８ミリ秒より短く、一部の実施形態では５ミリ秒より短い。パルスは、例えば１００マイクロ秒以上であってもよい。パルスは１００マイクロ秒より短くてもよく、例えば少なくとも５０マイクロ秒である。
【００６２】
コントローラ１３０はまた、センサからの信号を受け取り処理し、これによってフレキシブル素子を取り囲む流体の特性（例えば粘度）を示す値を求めるように構成されたプロセッサを備えてもよい。コントローラ１３０は、求められた特性を示す出力信号を、例えば時間の関数として提供するように構成される。
【００６３】
フレキシブル部材、センサ、およびフレキシブル素子内の加熱素子の取り得る構成について、図２〜図４を参照して述べる。
【００６４】
図１に示したような一つのフレキシブル部材１２５を備えるデバイス１００の代わりに、デバイス１００は、図２に示すように二つのフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂを備えてもよい。こうする場合、フレキシブル部材の一方（１２５ｂ）は基準として機能する。
【００６５】
各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは、図１に示したフレキシブル部材１２５に概して対応する。フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂはそれぞれ、単一の共通本体領域に接続される。図示の例では、フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは並んでおり、共通平面（例えば、図を表す紙のシートの平面）内に延びている。代替的な構成では、フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂが平行する平面内に延びてもよく、例えば一方のフレキシブル部材の上部に他方のフレキシブル部材があるように互いに重なっていてもよい。
【００６６】
特に、この実施形態における各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂは、それぞれ３つのフレキシブル素子（１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ）を備える。それぞれの結合部材１２０ａ、１２０ｂは、各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂ内のフレキシブル素子を結びつける。
【００６７】
各フレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂの外側の二つのフレキシブル素子１０２ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０６ｂは、一体の電気抵抗加熱素子１０３ａ、１０３ｂを備える。加熱素子は、異なる熱膨張係数を有する材料からなる二つの層のうち一方の内部に形成されることができ、または二つの層の間に形成されることができる。全てのフレキシブル素子（１０２ａ、１０６ａ、１０２ｂ、１０６ｂ）の内部に形成される各加熱素子の構成（すなわち、形状、位置および寸法）は同一である。これにより、全てのヒータ素子が関連するそれぞれのフレキシブル素子に類似の加熱影響を与えること、すなわち、両方のフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂが類似の加熱の影響を受け、したがって類似の量だけの曲げが引き起こされることが保証される。
【００６８】
図２から、両方のフレキシブル素子１０２ａ、１０６ａにおける電気ヒータ素子１０３ａが直列に電気接続され、第２フレキシブル部材１２５ｂにおける電気ヒータ素子１０３ｂも同じであることが分かる。簡便のために、フレキシブルヒータ素子１０３ａが第２フレキシブル部材１２５ｂにおける電気ヒータ素子１０３ｂと接続されてもよい。このような接続により、各ヒータ素子に対して類似の励起パルスを与えることが容易になる。すなわち、同様のパワーレベル、同様の形状および持続時間のパルスを、各個別のフレキシブル部材上に形成された各個別のヒータ素子に与えることが容易になる。
【００６９】
中心のフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂはそれぞれ、センサ素子１０５ａ、１０５ｂの形状でそれぞれのセンサを備える。センサ素子１０５ａ、１０５ｂの構成は異なることに注意する。各センサ素子１０５ａ、１０５ｂはフレキシブル素子の全長にほぼ沿って延びるが、各センサ素子１０５ａ、１０５ｂの特定の形状は異なる。この異なる構成を用いて、異なる機能を提供する。特に、第１フレキシブル部材１２５ａ上のセンサ素子１０５ａは、第２フレキシブル部材１２５ｂ上のセンサ素子１０５ｂよりも歪みに対する感度が高い。典型的に、第２フレキシブル部材は基準として機能する。すなわち、センサ素子１０５ｂは基準信号を提供する。
【００７０】
基準センサ素子１０５ｂは、全体の材料組成および材料の厚み／量に関してはアクティブセンサ素子１０５ａと実質的に同一である。したがって、センサ素子１０５ａおよび１０５ｂは同様の抵抗を有する。さらに、後に説明するように、センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、実質的に同一の熱伝導率を有するフレキシブル素子の一部により包囲されるか、フレキシブル素子の一部である（図４を参照して後述するように、追加の材料２５０を使用するために）。したがって、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号出力は、実質的に同じ熱成分を有するはずである。言い換えると、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号の熱成分は、各センサに対して実質的に等しい。
【００７１】
しかしながら、センサ素子１０５ａと１０５ｂの間の構成の違い（例えば、センサの設置面積または形状）のために、それぞれの出力信号の歪み成分は異なるであろう。特に、センサ素子１０５ａの一方は、他方のセンサ素子１０５ｂよりも大きな歪み成分を有するために設けられている。これらのセンサ素子は、それぞれアクティブセンサ素子１０５ａと基準センサ素子１０５ｂであるとみなすことができる。したがって、便利なことに、基準センサ素子１０５ｂからの出力信号をアクティブセンサ素子１０５ａからの出力信号から減じて、実質的に歪み成分のみを有する正味信号を残すことができる。言い換えると、アクティブセンサ素子１０５ａの出力信号から基準センサ素子１０５ｂの出力信号を演じることで、正味（全体）信号の熱成分を最小化（および中和）し、単純に歪み成分が残る。ホイートストン・ブリッジ構成の適切なアームに両方のセンサを結合することによって、信号を都合良く減じることができる。その結果、ホイートストン・ブリッジ構成において、基準センサ素子１０５ｂからの電圧出力がアクティブセンサ素子１０５ａからの電圧出力から差し引かれる。
【００７２】
両方のフレキシブル部材１２５ａ、１２５ｂに共通コントローラ（例えば１３０）を結合することができる。コントローラは、各部材１２５ａ、１２５ｂのヒータ素子１０３ａ、１０３ｂを励起（すなわち、加熱）する同一の電気パルスを提供するように構成される。さらに、コントローラは、各流体の粘度を求めるために、センサ素子１０５ａ、１０５ｂからの信号を処理するように構成される。
【００７３】
図３Ａは、ヒータ素子１０３ａ、１０３ｂのみを示す。各ヒータ素子１０３ａ、１０３ｂは同一の構成（すなわち、大きさと形状）を有するので、ヒータ素子の一方（１０３ａ）について構成を説明する。しかしながら、他方のヒータ素子１０３ｂについても同一の詳細な構成が当てはまることを理解すべきである。
【００７４】
図２から分かるように、各ヒータ素子は、（本体領域に隣接する）それぞれのフレキシブル素子の第１端部に隣接する位置から、フレキシブル素子（すなわち、２０５）の第２の離れた端部を介して第１端部に戻る回路内に延びる。第１端部では、ヒータ素子はデバイスの本体領域（１１０）上の対応する電気導電部に電気的に接続され、そこからコントローラ１３０（例えば、図１を参照）に接続される。
【００７５】
典型的に、各ヒータ素子は厚みが均一であり、単一の蒸着層の内部に容易に素子が形成される。典型的に、各ヒータ素子を形成する材料は実質的に均一の抵抗率を有する。しかしながら、有利なことに、ヒータ素子に沿った距離の関数としての抵抗は異なる。
【００７６】
長さｌ、断面積Ａの電気伝導材料の断面の抵抗Ｒは、次式で計算することができる
Ｒ＝ρｌ／Ａ
ここで、ρは材料の抵抗率である。言い換えると、材料の断面の抵抗はその断面の断面積に反比例する。
【００７７】
電気加熱素子１０３ａは二つの機能を実行する。関係するフレキシブル素子を加熱する他、電気加熱素子１０３ａは、ヒータ素子を駆動する電気パルスの停止後にフレキシブル素子内で熱エネルギーを拡散する熱導体としても機能する。したがって、フレキシブル素子内での熱エネルギーの分散を補助するために、比較的断面積の大きい加熱素子を有することが望ましい。他方、高いＲを提供するためには比較的狭い加熱素子を有することが望ましいが、これは、熱エネルギーの可能な限り最大の量を加熱素子内に放散させてフレキシブル素子の屈曲を確実に引き起こすためである。さらに、電気ヒータ素子１０３ａは金属などの比較的硬い材料で形成されることが多いが、これはフレキシブル素子内で望ましくない比較的固い層となりうる。
【００７８】
これらのパラメータの全ての相互作用、および電気ヒータ素子１０３ａの性能は、従来技術のデバイスと比較して改善されている。これは、第１端部に隣接するヒータ素子の比較的狭い部分２０１を提供して、その部分内での柔軟さおよび加熱効果を最大化することによるものである。さらに、ヒータ素子の比較的狭い部分２０３は、フレキシブル素子の中間部分／位置に配置されているが、これはその位置の周りの加熱／フレキシブル素子の柔軟性を最大化するためであり、したがって、加熱時にフレキシブル素子が曲がる度合いがさらに強化される。必要に応じて、ヒータ素子のこのような狭められた「ウエスト」部分を複数設けることができる。ヒータ素子内のあらゆる部分への熱の配分を補助するために、これらの狭い部分２０１、２０３が広い部分２０２、２０４の間に形成される。ヒータ素子の幅は、広い部分から隣接する狭められた部分へとテーパー状にされる。
【００７９】
したがって、金属化の比較的大きな設置面積（例えば、ヒータ素子がより広い部分を追跡する）が設けられ、熱の迅速な分配およびカンチレバーのより良好な応答が可能になる。さらに、狭い部分（２０１、２０３）が設けられ、それらの部分での機械的剛性が減じられ、それらの部分での加熱効果が増大される。
【００８０】
「狭い部分」という用語は、広い部分よりも幅が狭い部分のことを意味している。同様に、「広い部分」という用語は、狭い部分よりも幅が広い部分を意味している。
【００８１】
一部の実施形態では、狭い部分２０１、２０３の機能の少なくともいくつかは、加熱素子の経路の蛇行部分として形成されてもよい。経路の蛇行部分は、フレキシブル素子に沿って直接進まないが、例えば蛇のように（serpentine）前後に曲がり、フレキシブル素子の所与の長さに対する加熱素子の長さをより大きくする。この結果、蛇行部分を含むフレキシブル素子の区画に対してより多くの熱を与えることになる。加熱素子経路の蛇行部分を備える実施形態では、経路の断面は、加熱素子経路の長さに沿って均一であってもよい。
【００８２】
以下、図２および図３Ｂを参照して、センサ素子１０５ａ、１０５ｂの構成について、間単に説明をする。
【００８３】
典型的に、センサ素子１０５ａは、基準センサ素子１０５ｂよりも、フレキシブル素子に沿った長手方向の歪みに対する検出感度が高くなるように構成される。このような感度は、形状、および各センサを形成する異なるセンサ経路の相対的な寸法を変化させることによって実現できる。各センサは同じ厚さであってもよく、その場合、各フレキシブル素子内でのセンサ経路は単一の処理ステップで容易に形成される。
【００８４】
各センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、各フレキシブル素子（例えば、フレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂ）に沿って長手方向に延びる素子として形成される。センサ素子１０５ａ、１０５ｂは、フレキシブル素子の全長にわたって動きを求めるために、フレキシブル素子の全長に沿って延びてもよい。
【００８５】
しかしながら、線形歪みに対する検出感度を最大化するために、センサ素子１０５ａは、対応する基準センサ素子１０５ｂよりも、フレキシブル素子に沿って長手方向に延びる長さの割合が大きい。図３Ｂに示す特定の構成では、センサ素子１０５ａは、四つの長手方向に延びる部分を形成するとみることができ、長手方向に延びる部分のそれぞれは、端部で隣接する部分に結合される。したがって、長手方向に延びる部分の端部でのみ、経路の横断方向に延びる部分（すなわち、フレキシブル素子に沿って長手方向には延びない部分）が存在する。
【００８６】
対比のために、基準センサ素子１０５ｂの経路はフレキシブル素子に沿って蛇行して延び、長手方向に延びる部分によって横断方向に延びる部分が分離されている。その結果、経路の全長のうちより多くの割合が、フレキシブル素子を横切って延びている。
【００８７】
したがって、基準センサ素子１０５ｂは、センサ素子１０５ａよりも長手方向歪みに対する検出感度が低いが、温度に対する感度は同様である。加えて、経路のうち長手方向に延びる部分の幅を横断方向に延びる部分と比較して相対的に広くする（すなわち、より幅が広い）ことによって、基準センサ素子１０５ｂの歪みに対する検出感度をさらに低下させることができる。
【００８８】
したがって、基準センサ素子１０５ｂよりも、アクティブセンサ素子１０５ａの歪みに対する検出感度を高くすることができる。上述したように、基準センサ素子１０５ｂからの出力信号を、アクティブセンサ素子１０５ａからの出力信号から減じることで、実質的に歪み成分のみ（すなわち、顕著な温度成分を含まない）の正味出力信号を求めることができる。
【００８９】
異なる構成を有する異なるセンサ素子１０５ａ、１０５ｂのために、センサを形成する材料の相対的な配分は、それぞれのフレキシブル素子１０４ａ、１０４内で異なる。図３Ｂに示す特定の構成に関して、基準センサ素子１０５ｂは、対応するアクティブセンサ素子１０５ａよりも多くの材料で形成される。このような構造上の違いは望ましくないことがある。
【００９０】
各フレキシブル素子（例えば１０４ａ、１０４ｂ）が同じ機械的特性および温度特性を有することが望ましい場合がある。典型的に、センサはピエゾ抵抗材料、例えば熱導体であるが比較的硬い金属で形成される。したがって、各フレキシブル素子は同じ材料比率を有する、例えば金属と非金属の比率が等しく、このような材料の配分がほぼ等しいことが望ましい場合がある。その結果、基準センサ素子１０５ｂで使用されるより多くの材料を補うために、アクティブセンサ素子１０５ａを含むフレキシブル素子１０４ａは、追加の材料の一つ以上の不活性（passive）部分２５０で埋められる。
【００９１】
図４は、フレキシブル素子１０４ａの拡大図であり、追加材料部分２５０をフレキシブル素子１０４ａに沿って配分してフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂの熱伝導率の配分を均一化する方法を示す。
【００９２】
追加材料部分２５０は、センサ素子１０５ａの材料と同様の熱伝導率を呈してもよい。追加材料部分は、センサ素子１０５ａと同じ材料で形成されてもよい（製造の容易さ、および特性の均一化を保証するため）。これがなされた場合、追加材料部分は、両方のフレキシブル素子の硬さの対応する均等化を実現する。追加材料２５０が金属である場合、追加材料２５０は、基準フレキシブル素子１０４ａにおける金属成分と非金属成分の比率を変更し、二つのフレキシブル素子１０４ａ、１０４ｂにおける比率を等しくする。
【００９３】
上で示したように、コントローラ１３０は、電気ヒータ素子に電気パルスを与え、それによってフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成される。
【００９４】
パルスは、フレキシブル素子に引き起こされる曲げが最大値に到達する前にパルスが終了するほどの短さであってもよく、または、フレキシブル素子の著しい機械的オーバーシュートが起きるような短さであってもよい。パルスは、パルスの停止後に、フレキシブル素子の著しい機械的なたわみが起きるのに十分な短さであってもよい。機械的なたわみは、測定できるように十分な大きさであってもよい。
【００９５】
パルスは、フレキシブル素子を測定可能な量だけ機械的に振動させる十分な速さで、フレキシブル素子のたわみを引き起こすようなものであってもよい（これらの機械的振動については後述する）。これは、例えば、十分に短くかつ測定可能な量の機械的振動を始めるのに十分な大きさのインパルスをフレキシブル素子に与えるエネルギーのパルスによって達成することができる。パルスは、そのパルスと、その後の機械的振動の測定とが時間的に分かれているように十分に短くてもよい。
【００９６】
パルスは、いわゆるトップハット（top-hat）関数であってもよいし、またはそのような関数の近似であってもよい。フレキシブル素子の柔軟性のために（例えばシリコンで製造されるプローブと比較して）、例えば共振周波数でサイン波の電気信号を用いてフレキシブル素子を励振する必要はない。トップハット関数またはその近似は、様々な異なる周波数を含み、したがって、例えばフレキシブル素子内の測定可能な機械的振動を励起するのを助けることができる。例えば５％、１０％または２０％のデューティサイクルを使用することができる。パルスは時間的に分離していてもよい。規則的なデューティサイクルよりも、パルス間に不規則な量の時間が残されてもよい。電気パルスの周波数は、フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さくてもよく、例えば１００Ｈｚ以下であってもよい。
【００９７】
パルスは、例えば持続時間が８ミリ秒未満、５ミリ秒以下、２ミリ秒以下、１ミリ秒以下、または０．５ミリ秒以下であってもよい。
【００９８】
パルスを用いて所定の必要な量のエネルギーを伝えるとき、パルスの持続時間が短縮される場合、パルスの強度（すなわち、ピーク電圧）を増加しなければならない。パルスが短すぎると、パルスの強度は、加熱素子および／またはその周囲のフレキシブル素子に損傷を与えるほど高くなることがある。これは、加熱素子に十分なエネルギーを伝えるために十分な長さのパルスを用いて、加熱素子に損傷を与えることなくフレキシブル素子に必要な程度の屈曲を引き起こすことによって実現することができる。パルスは、例えば持続時間が少なくとも１００マイクロ秒、少なくとも２５０マイクロ秒、および０．５ミリ秒であってもよい。例えばフレキシブル素子の周囲が気体である場合には、パルスは持続時間が少なくとも５０マイクロ秒であってもよい。
【００９９】
図５Ａ〜図５Ｄは、持続時間の異なるパルスを利用する効果を示しており、図５Ａは０．５ミリ秒のパルスを、図５Ｂは１．０ミリ秒のパルスを、図５Ｃは２．０ミリ秒のパルスを、図５Ｄは４．０ミリ秒のパルスを示している。いずれの場合も、パルスエネルギーの合計が等しくなるように、与えられたパルス電圧は調整されている。
【０１００】
例えば、プローブが約１センチポアズの流体の中に置かれるとき、加熱素子に与えられる最小エネルギーは５０μＪであってもよい。例えば約１センチポアズの流体に対して、加熱素子に与えられる最大エネルギーは６０μＪであってもよい。より粘性のある流体に対しては、最小または最大エネルギーはより高くてもよく、より粘性の少ない流体に対しては、最小または最大エネルギーはより低くてもよい。最小エネルギーは、フレキシブル素子に測定可能な機械的オーバーシュートを引き起こすのに十分なものである必要がある。最大エネルギーは、フレキシブル素子に損傷を与えたり、または機械的オーバーシュートを隠すほどであってはならない。加熱素子に与えられる最小エネルギーは、１μＪであっても、または１００μＪであってもよい。加熱素子に与えられる最大エネルギーは、１０μＪ、１５０μＪ、または２５０μＪであってもよい。
【０１０１】
図５Ａ〜図５Ｄは、フレキシブル素子内の測定センサの応答を示す。これらの測定を実行するために利用されるデバイス１００は、図１に示したタイプのものものである。図５Ａ〜図５Ｄは、センサの電気抵抗の変化から生じる電圧振幅を示している（センサはホイートストン・ブリッジの一部を形成する）。したがって、振幅は、センサを含んでいるフレキシブル素子のたわみを示している。各図において、初期に信号が負の方向に行く部分が観察される。この初期の負の方向に行く部分の開始は、関連する電気パルスに対応する。各図において、パルスが停止する期間が示されている。
【０１０２】
各グラフの初期の負の方向に行く部分は、電気的な寄生効果およびフレキシブル素子が曲がる前のフレキシブル素子の初期座屈のためであると信じられている（後に続く電圧振幅の増加により示されるように）。電圧振幅はピークに上昇し、これはフレキシブル素子の最大たわみ、すなわち熱パルスにより引き起こされたフレキシブル素子の最大限の屈曲に対応する。続いてフレキシブル素子は緩和、すなわち真っ直ぐに戻り、振幅は比較的ゆっくりと減少する。
【０１０３】
より短いパルスに対しては、それに対応するより大きな機械的オーバーシュートが観察される。「機械的オーバーシュート」という用語は、電気パルスが終了した後にフレキシブル素子が曲がり続ける場合のことをいう。機械的オーバーシュートは、最大たわみ点（ピーク振幅）に到達するまで、フレキシブル素子の機械的慣性のためにフレキシブル素子が曲がることである。この効果は、０．５ｍｓおよび１．０ミリ秒の電気パルスの場合に最も発生するが、２．０ミリ秒および４．０ミリ秒の電気パルスの場合でもより少ない程度だが存在する。
【０１０４】
０．５ミリ秒および１．０ミリ秒の電気パルスは、測定可能な量の機械的振動を生じさせる（図中「機械的振動」とラベルが付けられている）。機械的振動は小さな振幅の振動であり、これはフレキシブル素子の曲がりが戻り元の形状に復帰するときに形成される、より長期間の曲線（減衰曲線に似ている）に重ね合わされる。機械的振動は、フレキシブル素子がパルスにより励起されている結果として発生する（任意の構造は、パルスにより励起された場合、機械的振動をする）。２．０ミリ秒および４．０ミリ秒の電気パルスを使用するとき、一部の機械的振動は生じることができるが、これらの振動の大きさは、図５Ｃおよび図５Ｄで見えるほど十分ではなく、測定可能でない場合がある。
【０１０５】
機械的オーバーシュートおよび機械的振動の両方とも有用である。なぜなら、それらは粘度（または流体の他のパラメータ）を求めるために利用できるからである。加えて、これはフレキシブル素子が真っ直ぐに戻るときに生じる比較的長期間の減衰のような関数である。短い電気パルスに対しては、（全体の振幅に関して）機械的オーバーシュートがより大きくなり、加えて、長いパルスよりも短いパルスに対して機械的振動がより顕著になることが観察される。したがって、測定可能な機械的オーバーシュートおよび／または測定可能な機械的振動を生じさせるために、十分に短いパルスを用いることが望ましいことがある。
【０１０６】
上述した例示的なパルス持続時間は、プローブが例えば１センチポアズの流体中に配置されているときに用いてもよい。しかしながら、プローブが異なるセンチポアズを有する流体中に配置されているときは、他のパルス持続時間が適切であることもある（フレキシブル素子は、異なる流体中では異なる振る舞いをする）。
【０１０７】
測定された機械的オーバーシュート形状は、流体によって異なる。加えて、機械的振動の期間および振幅は、流体によって異なる。したがって、これらの測定を使用して、流体についての情報を得ることができる。例えば、流体の粘度が高いほど、その流体中での機械的オーバーシュートのピークは遅れて生じる。加えて、流体の粘度が高いほど、機械的オーバーシュートのピークははっきりしなくなる。これに関して、ピークの大きさおよび質の両方を測定することができる。さらに、流体の粘度が高いほど、機械的振動の期間は長くなり、また機械的振動の振幅は小さくなる。
【０１０８】
機械的オーバーシュートの上昇部分における時定数に関するパラメータ、機械的振動の期間、または機械的振動の振幅は、標準的な数値フィッティング技術によって求めることができる。これらのパラメータを用いて、流体の特性の指標を得ることができる。例えば、パラメータは流体の粘度に応じて異なり、したがってパラメータを用いて時間にわたる流体の粘度を監視することができる。このようなパラメータを複数用いると、粘度測定（または流体の他の特性の測定）の精度を上げることができるが、これは測定を平均化および／または照合検査が可能になるからである。機械的オーバーシュートの形状または機械的振動の期間および振幅などのパラメータは、フレキシブル素子が屈曲／元に戻るための期間よりも迅速に測定することができ、これによって、測定対象の流体の瞬間的な粘度をよりよく表すことが可能になる。
【０１０９】
図６Ａおよび図６Ｂは、異なる流体に対して応答関数が変わる様子を示す。両図とも、０．５ミリ秒の電気パルスがヒータに加えられるときのセンサの電圧振幅を示しており、それによりセンサを含むフレキシブル素子が屈曲しその後元に戻っている。図６Ａおよび図６Ｂは、水媒質（Ｗ）および塩水（Ｂ）媒質（すなわち、塩水溶液）における応答を示す。図６Ａは、水および塩水の純粋溶液における応答形状を示す一方、図６Ｂは溶液が３０％のグリセロールを含むとき（すなわち、図６Ａの溶液と比較して相対的に粘度が高い）の結果を示す。
【０１１０】
応答曲線は、二つの図で異なる。より粘度の高い媒質（図６Ｂ）では上昇時間がより遅くなっている。これは、粘度の低い媒質（図６Ａ）における電圧振幅のピークよりも、電圧振幅のピークの発生時間が遅くなっていることにより明らかであり、また、機械的オーバーシュートの上昇部分の時定数によって明らかである。加えて、より粘度の高い媒質（図６Ｂ）で生じている機械的振動は、より粘度の低い媒質（図６Ａ）で生じている機械的振動よりも、期間が長く振幅が小さい。
【０１１１】
図６Ａおよび図６Ｂは、水媒質（Ｗ）と塩水媒質（Ｂ）とを区別することの可能なセンサを実証している。塩水媒質での電圧振幅のピークは、水媒質での電圧振幅のピークよりも発生時間が遅くなっている（図６Ａおよび図６Ｂ）。加えて、塩水媒質で生じる機械的振動は、水媒質で生じる機械的振動よりも期間が長くなっている。電圧振幅のピークの移動および機械的振動の期間の変化は、塩水媒質が水媒質よりも粘度が高いことを示している。塩水媒質で生じる機械的振動の振幅は、水媒質で生じる機械的振動の振幅よりもわずかに小さいことがあり、これが間違いなくそのケースであるか否かを決定するためには曲線適合解析を行う必要がある。
【０１１２】
上記の実施形態は例示を目的としてのみ述べられており、本発明の範囲内に収まる種々の変形態様が当業者には明らかであろう。
【０１１３】
例えば、フレキシブル部材内のフレキシブル素子の特定の構成を参照して実施形態を説明してきた。電気パルスおよびヒータ経路の形状に関する本発明の態様は、デバイスが単一のフレキシブル素子のみを含む（すなわち、単一のフレキシブル部材）実施形態においても実装できることを理解すべきである。さらに、電気パルス、加熱経路および基準フレキシブル素子に関する態様などの本発明の任意の態様の任意の望ましい組合せが可能である。
【０１１４】
このようなデバイスの例が図７に示されている。図７はフレキシブル素子２５を備え、フレキシブル素子内にはヒータ素子３とセンサ素子５の両方が配置される。このようなフレキシブル素子デバイスの一般的な概念は、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９に開示されているものと同じであってよく、その内容は参照により本発明に援用される。しかしながら、図１〜４（デバイスがフレキシブル部材を備え、検出および加熱用に別個のフレキシブル素子を有する）に示したデバイスの応答は、図７に示すデバイス構成よりも良好な結果を与えることがある。例えば、図８は図１のデバイスの応答曲線Ａと、図７のデバイスの応答曲線Ｂとを示す。図８の応答曲線Ａの方がピークが大きいことが分かる。この大きいピークによって、関連するフレキシブル素子が浸されていた流体の特性を決定するためのパラメータのフィッティングがより簡単になる。
【０１１５】
本明細書に記載のフレキシブル素子は、ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００５０７９に記載のフレキシブル素子と同様の特性を有することができる。例えば、フレキシブル素子の端部の移動距離は、３０ミクロンから６５０ミクロンの間であることができる。同様に、移動は異なる範囲をとることができる。例えば、移動範囲は１ミクロンと３０ミクロンの間でもよいし、または１ミクロンと６５０ミクロンの間でもよい。
【０１１６】
上述の実施形態では、フレキシブル素子は互いに並んでいるものとして、すなわち共通の平面内で各素子が隣り合って延びているものとして説明した。しかしながら、デバイスは、平行する平面、例えば一方の上に他方が積層されている平面に延びるフレキシブル素子で形成されてもよい。このようなフレキシブル素子は、単一のフレキシブル部材の一部として形成することができる。例えば、フレキシブル部材は、フレキシブル部材内の第１位置（例えば、第１レベルまたは「高さ」）でセンサを備える第１のフレキシブル素子が延び、同じフレキシブル部材内の異なる位置でセンサを有する第２フレキシブル素子が延びるように形成することができる。例えば、基準センサは、他のセンサよりも歪みに対する検出感度の低いフレキシブル部材内のある位置に配置することができる。例えば、基準センサは、フレキシブル部材の中立軸に近接して配置されて、基準センサが他のセンサと同じだけの曲げを受けないようにしてもよい。したがって、基準センサは他のセンサ（例えばアクティブセンサ）よりも歪みが少なくなる。
【０１１７】
上述の実施形態では、加熱されたときにフレキシブル素子がより大きく曲がるようにプローブが構成された（例えば図１を参照）。しかしながら、プローブが顕著に曲がった状態で開始し、加熱時に曲がりが少なくなるようにプローブを構成してもよい。この文脈では、上記で用いた「屈曲」という用語は、フレキシブル素子が平衡形態から非平衡形態へと移動することを意味するように解釈され、必ずしもフレキシブル素子がさらに曲がることを意味するものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記電気ヒータに対して８ミリ秒より少ない持続時間を有する電気パルスを供給するように構成されたヒータコントローラをさらに備えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記パルス持続時間が５ミリ秒より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さい周波数で一連の前記電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記コントローラは、１００Ｈｚよりも小さい周波数で一連の前記電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記パルス持続時間および前記パルスエネルギーは、前記電気パルスが停止された後に前記フレキシブル素子が約５０％屈曲するようにされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子に測定可能な機械的振動をさせる電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子が測定可能な機械的オーバーシュートを起こす十分に短い持続時間の電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子または周囲のフレキシブル素子に損傷を与えることがない十分に長い持続時間の電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイス
【請求項９】
前記コントローラは、少なくとも５０マイクロ秒の持続時間を有する電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１フレキシブル素子の移動を示す信号を提供するよう構成されるセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
流体の特性を検出するデバイスを操作する方法であって、
前記デバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記電気ヒータに８ミリ秒より小さい持続時間を有する電気パルスを与えて前記フレキシブル素子の屈曲を引き起こすことを含む方法。
【請求項１２】
前記電気パルスが５ミリ秒より小さい持続時間を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フレキシブル素子の移動を検知し、これによって前記フレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を表す値を求めることをさらに含む請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記求められた値は、前記フレキシブル素子の屈曲時の機械的オーバーシュートの特性に基づくことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記機械的オーバーシュートの特性は、前記フレキシブル素子の機械的屈曲のピーク振幅に関係する特性を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
機械的オーバーシュートの特性は、機械的屈曲のピーク振幅のタイミングを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
機械的オーバーシュートの特性は、機械的屈曲のピーク振幅の大きさを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記求められた値は、前記フレキシブル素子の屈曲により引き起こされるフレキシブル素子の機械的振動の特性に基づくことを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第２フレキシブル素子と、を備え、
各フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、それぞれのフレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたそれぞれのセンサとを少なくとも備え、
前記基準フレキシブル素子のセンサは前記第１フレキシブル素子のセンサとは異なる構成を有しており、前記フレキシブル素子の少なくとも一方は、前記フレキシブル素子の熱伝導率分布を実質的に一様にするための少なくとも一つの追加材料部分を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも一つの追加材料部分は、前記センサと同様の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記少なくとも一つの追加材料部分は、前記センサと同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１９または２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記センサは熱導体で形成されることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２３】
各センサは金属を含むことを特徴とする請求項１９ないし２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの追加材料部分も金属で形成され、各フレキシブル素子の金属成分と非金属成分の比率は実質的に同一であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記第２の基準フレキシブル素子のセンサは、前記第１フレキシブル素子のセンサよりも、それぞれのフレキシブル素子の屈曲によって引き起こされる機械的歪みに対する検出感度が低いように構成されることを特徴とする請求項１９ないし２４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２６】
前記第１フレキシブル素子は第１フレキシブル部材内に配置され、前記第２フレキシブル素子は別個の第２フレキシブル素子内に配置されることを特徴とする請求項１９ないし２５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２７】
前記第１および第２のフレキシブル素子は単一のフレキシブル部材の内部に配置されることを特徴とする請求項１９ないし２６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２８】
前記センサはコンスタンタンを含むことを特徴とする請求項１９ないし２７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１フレキシブル素子のセンサからの信号を処理して、前記第１フレキシブル素子を取り囲む媒質の粘度を示す信号を提供するように構成されるプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項１９ないし２８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３０】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記第１端部に隣接する前記ヒータ素子の第１部分の抵抗が、前記第１端部から離れた前記ヒータ素子の第２部分の抵抗よりも大きく、
使用時に、前記ヒータ素子の第１部分を含む前記フレキシブル素子の第１区画が、前記ヒータ素子の第２部分を含むフレキシブル素子の第２区画よりも、単位時間当たりより多くの熱を受け取り、前記第２区画は前記第１区画と寸法が等しいことを特徴とするデバイス。
【請求項３１】
前記ヒータ素子の前記第１部分は、前記ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さいことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記電気ヒータ素子の前記第１部分は、前記電気ヒータ素子の第２部分よりも長いことを特徴とする請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記第１部分は、前記第１端部と前記第２端部の間の前記フレキシブル素子の中間区画に配置されることを特徴とする請求項３０ないし３２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３４】
前記第１部分は、前記フレキシブル素子の第１端部にあることを特徴とする請求項３０ないし３２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３５】
前記ヒータ素子の少なくとも別の部分が前記第１端部と前記第２端部の間にある前記フレキシブル素子の中間区画に配置され、前記ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さいことを特徴とする請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ヒータ素子が実質的に均一の抵抗率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項３０ないし３５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３７】
前記ヒータ素子は、断面積の大きな部分から断面積の小さな部分に向けてテーパー状になっていることを特徴とする、請求項３１、３５、または請求項３１、３５に従属する請求項のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３８】
前記第１フレキシブル素子は、１Ｎ／ｍより小さい定数のばねを有することを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３９】
前記第１フレキシブル素子は、前記第１端部から前記第２端部までの長さが１０ミクロンから２ｍｍの間であることを特徴とする請求項３０ないし３８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４０】
前記層の熱膨張係数の差が少なくとも１０×１０−６／°Ｃであることを特徴とする請求項３０ないし３９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４１】
前記第１層と前記第２層の熱膨張係数の比率が少なくとも１０であることを特徴とする請求項３０ないし４０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４２】
前記層が１０ＧＰａよりも小さいヤング率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項３０ないし４１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４３】
流体の特性を検出するデバイスの製造方法であって、前記デバイスの構成部品を提供することによって、上記請求項のいずれかに記載のデバイスを形成することを含む方法。
【請求項１】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記電気ヒータに対して８ミリ秒より少ない持続時間を有する電気パルスを供給するように構成されたヒータコントローラをさらに備えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記パルス持続時間が５ミリ秒より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１フレキシブル素子の共振周波数よりも少なくとも二桁小さい周波数で一連の前記電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記コントローラは、１００Ｈｚよりも小さい周波数で一連の前記電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記パルス持続時間および前記パルスエネルギーは、前記電気パルスが停止された後に前記フレキシブル素子が約５０％屈曲するようにされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子に測定可能な機械的振動をさせる電気パルスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子が測定可能な機械的オーバーシュートを起こす十分に短い持続時間の電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記コントローラは、前記フレキシブル素子または周囲のフレキシブル素子に損傷を与えることがない十分に長い持続時間の電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイス
【請求項９】
前記コントローラは、少なくとも５０マイクロ秒の持続時間を有する電気パルスを供給するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１フレキシブル素子の移動を示す信号を提供するよう構成されるセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
流体の特性を検出するデバイスを操作する方法であって、
前記デバイスは、本体領域と、第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記電気ヒータに８ミリ秒より小さい持続時間を有する電気パルスを与えて前記フレキシブル素子の屈曲を引き起こすことを含む方法。
【請求項１２】
前記電気パルスが５ミリ秒より小さい持続時間を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フレキシブル素子の移動を検知し、これによって前記フレキシブル素子を取り囲む流体の粘度を表す値を求めることをさらに含む請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記求められた値は、前記フレキシブル素子の屈曲時の機械的オーバーシュートの特性に基づくことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記機械的オーバーシュートの特性は、前記フレキシブル素子の機械的屈曲のピーク振幅に関係する特性を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
機械的オーバーシュートの特性は、機械的屈曲のピーク振幅のタイミングを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
機械的オーバーシュートの特性は、機械的屈曲のピーク振幅の大きさを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記求められた値は、前記フレキシブル素子の屈曲により引き起こされるフレキシブル素子の機械的振動の特性に基づくことを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第２フレキシブル素子と、を備え、
各フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、それぞれのフレキシブル素子の移動を示す信号を提供するように構成されたそれぞれのセンサとを少なくとも備え、
前記基準フレキシブル素子のセンサは前記第１フレキシブル素子のセンサとは異なる構成を有しており、前記フレキシブル素子の少なくとも一方は、前記フレキシブル素子の熱伝導率分布を実質的に一様にするための少なくとも一つの追加材料部分を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも一つの追加材料部分は、前記センサと同様の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記少なくとも一つの追加材料部分は、前記センサと同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１９または２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記センサは熱導体で形成されることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２３】
各センサは金属を含むことを特徴とする請求項１９ないし２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの追加材料部分も金属で形成され、各フレキシブル素子の金属成分と非金属成分の比率は実質的に同一であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記第２の基準フレキシブル素子のセンサは、前記第１フレキシブル素子のセンサよりも、それぞれのフレキシブル素子の屈曲によって引き起こされる機械的歪みに対する検出感度が低いように構成されることを特徴とする請求項１９ないし２４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２６】
前記第１フレキシブル素子は第１フレキシブル部材内に配置され、前記第２フレキシブル素子は別個の第２フレキシブル素子内に配置されることを特徴とする請求項１９ないし２５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２７】
前記第１および第２のフレキシブル素子は単一のフレキシブル部材の内部に配置されることを特徴とする請求項１９ないし２６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２８】
前記センサはコンスタンタンを含むことを特徴とする請求項１９ないし２７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１フレキシブル素子のセンサからの信号を処理して、前記第１フレキシブル素子を取り囲む媒質の粘度を示す信号を提供するように構成されるプロセッサをさらに備えることを特徴とする請求項１９ないし２８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３０】
流体の特性を検出するデバイスであって、
本体領域と、
第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記本体領域上に固定配置されている第１フレキシブル素子と、を備え、
前記第１フレキシブル素子は、第１熱膨張係数を有する第１層と第２の異なる熱膨張係数を有する第２層と、前記フレキシブル素子を加熱してフレキシブル素子の屈曲を引き起こすように構成された電気ヒータと、を少なくとも備え、
前記第１端部に隣接する前記ヒータ素子の第１部分の抵抗が、前記第１端部から離れた前記ヒータ素子の第２部分の抵抗よりも大きく、
使用時に、前記ヒータ素子の第１部分を含む前記フレキシブル素子の第１区画が、前記ヒータ素子の第２部分を含むフレキシブル素子の第２区画よりも、単位時間当たりより多くの熱を受け取り、前記第２区画は前記第１区画と寸法が等しいことを特徴とするデバイス。
【請求項３１】
前記ヒータ素子の前記第１部分は、前記ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さいことを特徴とする請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記電気ヒータ素子の前記第１部分は、前記電気ヒータ素子の第２部分よりも長いことを特徴とする請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記第１部分は、前記第１端部と前記第２端部の間の前記フレキシブル素子の中間区画に配置されることを特徴とする請求項３０ないし３２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３４】
前記第１部分は、前記フレキシブル素子の第１端部にあることを特徴とする請求項３０ないし３２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３５】
前記ヒータ素子の少なくとも別の部分が前記第１端部と前記第２端部の間にある前記フレキシブル素子の中間区画に配置され、前記ヒータ素子の第２部分よりも断面積が小さいことを特徴とする請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ヒータ素子が実質的に均一の抵抗率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項３０ないし３５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３７】
前記ヒータ素子は、断面積の大きな部分から断面積の小さな部分に向けてテーパー状になっていることを特徴とする、請求項３１、３５、または請求項３１、３５に従属する請求項のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３８】
前記第１フレキシブル素子は、１Ｎ／ｍより小さい定数のばねを有することを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３９】
前記第１フレキシブル素子は、前記第１端部から前記第２端部までの長さが１０ミクロンから２ｍｍの間であることを特徴とする請求項３０ないし３８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４０】
前記層の熱膨張係数の差が少なくとも１０×１０−６／°Ｃであることを特徴とする請求項３０ないし３９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４１】
前記第１層と前記第２層の熱膨張係数の比率が少なくとも１０であることを特徴とする請求項３０ないし４０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４２】
前記層が１０ＧＰａよりも小さいヤング率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項３０ないし４１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４３】
流体の特性を検出するデバイスの製造方法であって、前記デバイスの構成部品を提供することによって、上記請求項のいずれかに記載のデバイスを形成することを含む方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１０−５３６０４９（Ｐ２０１０−５３６０４９Ａ）
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２０６１８（Ｐ２０１０−５２０６１８）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００２７１７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２２１２１
【国際公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（５１００３８０２７）マイクロヴィスク リミテッド (1)
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００２７１７
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２２１２１
【国際公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（５１００３８０２７）マイクロヴィスク リミテッド (1)
[ Back to top ]