JP2003057087A - 赤外線ガス分析計用流量検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より大きな出力を得ることができる赤外線ガ
ス分析計用流量検出素子を提供すること。 【解決手段】 測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガス
が充填された二つのガス室と、両ガス室を連通させるガ
ス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように設けら
れた熱式流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用検
出器の前記流量検出素子において、ガス室に充填された
ガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、一定
電圧が印加されるヒータ１を、前記ガス通路を遮るよう
に設けられる絶縁体薄膜３によって蛇行した状態に保持
するとともに、前記絶縁体薄膜３の前記ヒータ１によっ
て囲まれた内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分１ａに
よって挟まれた部分の面積よりも狭い流路面積に設定し
た複数のガス流通孔６を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、非分散型赤外線
ガス分析計（ＮＤＩＲ）の検出器として用いられる赤外
線ガス分析計用流量検出素子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガス
が充填されるとともに、測定セルに対して互いに直列的
または並列的に配置される二つのガス室と、両ガス室を
連通させるガス通路と、このガス通路にガス通路を遮る
ように設けられた流量検出素子とを備えた赤外線ガス分
析計用検出器には、例えば、実公昭５９−２６２７８号
公報、実公昭５９−２４９９３号公報、実開昭５６−９
９４６２号公報等に開示された熱式流量検出素子を用い
たものがある。

【０００３】この熱式流量検出素子は、図５および図６
に示すように、ニッケル等の金属箔でできた蛇行状の２
枚のヒータ５１と、これらのヒータ５１を対向して配置
しかつ固定するためのガラス等の絶縁材料でできた板材
５２とから構成されている。そして、この板材５２には
開口５３が形成されており、この開口５３内に位置する
ヒータ５１の隙間５４がガス流通路に形成されている。

【０００４】そして、ヒータ５１がガス室に充填された
ガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、ヒー
タ５１に一定電圧を印加しておくと、無風状態では、二
つのヒータ５１は、図６において符号ａで示すような温
度分布を示すが、前記隙間５４に矢印５５で示すような
ガスの流れがあると、上流側のヒータ（図６において左
側に位置する）５１は、ガスの流速に応じて冷却され、
逆に、下流側のヒータ（図６において左側に位置する）
５１は、上流側のヒータ５１から奪われた熱により加熱
されて、図６において符号ｂで示すような温度分布を示
す。この温度変化によりヒータ５１の抵抗値が変化する
ので、この抵抗値の変化量をホイートストンブリッジを
用いて検出することにより、流量が検出される。なお、
検出されたガスの流量は、非分散型赤外線ガス分析計の
測定セル（図示していない）に流通させた測定対象ガス
による赤外線吸収量（測定対象ガスの濃度）に対応して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ヒータ
５１は、一般的にはすだれ状であるので、前記ホイート
ストーンブリッジに電圧を印加した場合、ヒータ５１の
中心部が周辺より温度が高くなる。その結果、ガスが流
れた場合、ヒータ５１の中心部の温度変化は大きくなる
が、周辺部の温度変化は小さい。そして、最終的な出力
は前記温度変化の平均となるため、結果として得られる
出力は小さなものとなってしまうという課題がある。

【０００６】これに対して、センサにおけるガス流路
（前記隙間５４）を狭くして、前記最終出力を増大する
ことが試みられているが、この場合も、ヒータ全面に流
路を設けているため、上述した課題を解決することがで
きてない。

【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、より大きな出力を得ることがで
きる赤外線ガス分析計用流量検出素子を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガ
スが充填された二つのガス室と、両ガス室を連通させる
ガス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように設け
られた熱式流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用
検出器の前記流量検出素子において、ガス室に充填され
たガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、一
定電圧が印加されるヒータを、前記ガス通路を遮るよう
に設けられる絶縁体薄膜によって蛇行した状態に保持す
るとともに、前記絶縁体薄膜の前記ヒータによって囲ま
れた内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分によって挟ま
れた部分の面積よりも狭い流路面積に設定した複数のガ
ス流通孔を形成したことを特徴としている（請求項
１）。

【０００９】上記の構成によれば、一定電圧が印加され
るヒータをガス通路を遮るように設けられる絶縁体薄膜
によって蛇行した状態に保持するとともに、前記絶縁体
薄膜の前記ヒータによって囲まれた内部位置にのみ、蛇
行するヒータ部分によって挟まれた部分の面積よりも狭
い流路面積に設定した複数のガス流通孔を形成している
ので、通路を通過するガスとヒータとにおける熱の授受
が、ヒータの中心部近傍においてのみ行われるようにな
り、それだけ、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出
力を得ることができ、高感度および応答性に優れた赤外
線ガス分析計用流量検出素子を得ることができる。

【００１０】そして、ヒータがガス通路の中央部に可及
的に近くに位置するように形成されている場合（請求項
２）、前記熱の授受をより効率的に行わせることがで
き、より高感度かつ応答性に優れた赤外線ガス分析計用
流量検出素子が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参
照しながら説明する。図１は、この発明の赤外線ガス分
析計用流量検出素子（以下、単に流量検出素子という）
Ａの一例を示す。この流量検出素子Ａは、図５および図
６に示された従来例と同様に、測定対象ガスと同じ吸収
特性を示すガスが充填された二つのガス室を連通させる
ガス通路にこれを遮るように設けられるものであって、
１はガス室に充填されたガスの温度よりも一定の温度だ
け高くなるように、一定電圧が印加されるヒータであ
り、蛇行状のパターン形状とされている。２はヒータ１
に通電するための引き出し電極（パット部）、３はヒー
タ１を保持する絶縁体薄膜である。

【００１２】前記絶縁体薄膜３としては、ポリイミドや
エポキシ系の有機系絶縁体薄膜やＳｉＯ₂ やＳｉ₃ Ｎ₄
等の無機系絶縁体薄膜でもよいが、この実施の形態で
は、感光性ポリイミドよりなる。４は非晶質のガラスや
Ｓｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料よりなる基板で、図１
（Ｂ）に示すように、開口４ａが形成されている。この
開口４ａはガス通路となるものである。

【００１３】そして、図１（Ａ）に示すように、絶縁体
薄膜３のヒータ１によって囲まれた内部位置にのみ、蛇
行するヒータ部分１ａによって挟まれた部分５の面積よ
りも狭い流路面積に設定した複数のガス流通孔６が形成
されている。この実施の形態では、蛇行状をなすヒータ
１の間隔に比して幅狭な長円状に設定された複数個の微
細なガス流通孔６が、ヒータ部分１ａに沿って形成され
ている。

【００１４】前記流量検出素子Ａの製造方法の一例を、
図２および図３を参照しながら説明する。 （１）図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、非晶質のガラ
スやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性材料よりなる基板４の上
に、感光性ポリイミドよりなる絶縁体薄膜３を０．５〜
２μｍ厚に堆積させ、フォトレジスト工程により絶縁体
薄膜３の所定位置にガス流通孔６を形成する。

【００１５】（２）そして、絶縁体薄膜３の上に、図２
（Ｃ）に示すように、ヒータ用電極膜（例えば、Ｐｔ、
ＮｉまたはＮｉＣｒ）７を、例えばスパッタ法によっ
て、０．１〜０．５μｍ厚に堆積させる。

【００１６】（３）次いで、図２（Ｄ）に示すように、
フォトレジスト工程によるパターン形成後、図２（Ｅ）
に示すように、エッチングによってヒータ用電極膜をパ
ターン形状にする。８はパターン形状のレジストであ
る。

【００１７】（４）次いで、図３（Ａ），（Ｂ）に示す
ように、前記レジスト８を除去するとともに、基板４を
裏面からエッチング除去してガス通路としての開口４ａ
を形成することにより検出素子単位体Ａ₁ を製造する。

【００１８】（５）その後、前記検出素子単位体Ａ₁ を
２段重ねに接着して、図１に示した熱式流量検出素子Ａ
を製造するのである。

【００１９】上記構成によれば、ヒータ１の線径やパタ
ーンと関係なくガス流通孔６を形成することができ、ガ
ス流通孔６の流路面積を絞ることによって、ガスの流速
を速くし、感度を増大させ得るだけでなく、ヒータ１が
絶縁体薄膜３で支持されているので、ヒータ用電極膜と
して厚いものが必要とされず、流量検出素子Ａを薄膜状
に形成できるので、熱容量を小さくして、応答速度を速
くさせることができる。

【００２０】そして、前記絶縁体薄膜３のヒータ１によ
って囲まれた内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分１ａ
によって挟まれた部分５の面積よりも狭い流路面積に設
定した複数のガス流通孔６を形成しているので、通路を
通過するガスとヒータ１とにおける熱の授受が、ヒータ
１の中心部近傍においてのみ行われようになり、それだ
け、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得るこ
とができる。

【００２１】図４は、この発明の他の実施の形態を示す
もので、この実施の形態における赤流量検出素子Ａは、
ヒータ１を、ガス通路としての開口４ａの中央部に集中
して設けられてなるもので、この構成によれば、前記熱
の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、通路
を通過するガスとヒータとにおける熱の授受が、ヒータ
の中心部近傍においてのみ行われるので、それだけ、前
記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることがで
き、高感度かつ応答性に優れた赤外線ガス分析計用流量
検出素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素
子の一例である熱式流量検出素子を示し、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

【図２】前記熱式流量検出素子の製造方法の説明図であ
る。

【図３】図３に続く熱式流量検出素子の製造方法の説明
図である。

【図４】他の熱式流量検出素子の例を示す平面図であ
る。

【図５】従来の熱式流量検出素子を示す平面図である。

【図６】図５のＶ−Ｖ線断面図である。

【符号の説明】

Ａ…赤外線ガス分析計用流量検出素子、１…ヒータ、３
…絶縁体薄膜、６…ガス流通孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガス
   が充填された二つのガス室と、両ガス室を連通させるガ
   ス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように設けら
   れた熱式流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用検
   出器の前記流量検出素子において、ガス室に充填された
   ガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、一定
   電圧が印加されるヒータを、前記ガス通路を遮るように
   設けられる絶縁体薄膜によって蛇行した状態に保持する
   とともに、前記絶縁体薄膜の前記ヒータによって囲まれ
   た内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分によって挟まれ
   た部分の面積よりも狭い流路面積に設定した複数のガス
   流通孔を形成したことを特徴とする赤外線ガス分析計用
   流量検出素子。
2. 【請求項２】 ヒータがガス通路の中央部に可及的に近
   くに位置するように形成されてなる請求項１に記載の赤
   外線ガス分析計用流量検出素子。