【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）の検出器などに組み込まれるフローセンサ素子およびフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−８１９８２号公報
従来の赤外線ガス検出器用のフローセンサとして、前記特許文献１に記載されるものがある。このフローセンサは、それぞれシリコン基板上にパターン成形されたヒータと、このヒータが位置する部分のシリコン基板を異方性エッチングによって取り除いて形成した貫通孔とを有する２枚の金属薄膜ヒータ基板を互いの貫通孔が連通するように重ねてなり、各金属薄膜ヒータ基板の貫通孔を通って流れる気体の流量を測定可能としたものである。
【０００３】上記従来のフローセンサにおいては、金属薄膜ヒータ基板を２枚重ねて形成されているので、特性のばらつきが少なくなり、安価であるといった優れた利点を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来のフローセンサは、ヒータが形成されている面に対して直交するようにガス流通路を形成しているので、当該ガス流通路の断面積が大きくなり、その結果、この流通路を通過するサンプルガスの流速としてはそれほど速いものが得られなかった。一般に、フローセンサの出力信号の大きさは、ガスの流速に比例するところから、上記従来のフローセンサは、高感度測定を行うような場合には、好適に用いることはできなかった。また、従来のフローセンサは、シリコン基板を異方性エッチングによって取り除いて形成した貫通孔を有する２枚の金属薄膜ヒータ基板を、互いの貫通孔が連通するように重ねるようにしているため、構造が複雑であり、異方性エッチングなど複雑な工程も必要であった。
【０００５】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、構造が簡単で容易に製作することができ、ガスの流量変化を高感度に検出することのできるフローセンサ素子およびフローセンサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明のフローセンサ素子は、半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、このガス流通路に沿うようにして感熱素子として形成されるヒータを備えてなることを特徴としている（請求項１）。
【０００７】そして、この発明のフローセンサは、半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、前記半導体基板上に前記ガス流通路に対して平行となるように互いに独立してパターン形成される２個の感熱素子としてのヒータを備えてなることを特徴としている（請求項２）。
【０００８】上記フローセンサ素子およびフローセンサにおいては、ガスが流れる方向に沿って感熱素子としてのヒータが形成されており、しかも、ガス流通路は、その断面積を可及的に小さく形成されているので、このガス流通路を通過するサンプルガスの流速を速くすることができる。したがって、フローセンサ素子およびフローセンサにおける出力信号として大きなものが得られ、高感度な測定が可能になる。
【０００９】
【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。まず、図１および図２は、この発明の第１の実施の形態を示すもので、図１（Ａ），（Ｂ）はこの発明のフローセンサ素子１０の構成の一例を示すものである。前記フローセンサ素子１０は、半導体基板１１の表面に感熱素子としてのヒータ１２をパターン形成してヒータ基板１３とし、このヒータ基板１３に前記ヒータ１２の形成面に沿うようにして断面積が可及的に小さいガス流通路１４を形成してなるもので、この実施の形態においては、前記ヒータ基板１３として同じ構成のものを２つ用意し、これらの２つのヒータ基板１３を、ヒータ１２同士が近くなるようにかつヒータ１２がガス流通路１４に臨むように接合したものである。以下、このフローセンサ素子１０の構成の詳細をその製作方法とともに、図２（Ａ），（Ｂ）をも参照しながら説明する。
【００１０】先ず、例えばＭｇＯやＳｉなどからなる適宜の大きさ（例えば０．５ｍｍ厚×３〜４インチ径）の半導体基板１１を用意し、この上面に絶縁膜１５を適宜の厚さ（例えば５０００Å程度）に形成し、例えば２〜３ｍｍ角にカッティングする。前記絶縁膜１５としては、ＳｉＯ２ 膜、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜をこの順で積層してもよく、また、ＳｉＯ２ 膜のみであってもよい。
【００１１】次いで、前記絶縁膜１５の上面に、例えばフォトリソグラフィ−技術を用いてＰｔ膜などＴＣＲ（抵抗温度係数）が比較的大きい金属薄膜をパターン成形することによって、図２（Ａ），（Ｂ）に示すような適宜幅ｗ（例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）の蛇行状のヒータ１２と、このヒータ１２の両端に接続された引出し電極１２ａ，１２ｂを形成する。
【００１２】そして、前記ヒータ１２の下方の半導体基板１１を異方性エッチングによって除去して、前記絶縁膜１５のみを残すことによって放熱空間１６を形成する（図１（Ａ）および図２（Ａ）参照）。
【００１３】次いで、ヒータ１２の両側の絶縁膜１５上に、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、数１０００Å程度厚みのＡｕ膜１７を、ヒータ１２の引出し電極１２ａ，１２ｂと電気的に接続された状態で形成する。この場合、それぞれのＡｕ膜１７においては、ヒータ１２の二つの引出し電極１２ａ，１２ｂが直接導通することがないように、絶縁膜１５の一部が絶縁帯となり、２つの部分１７ａ，１７ｂに分割されている。そして、Ａｕ膜１７は、その厚みｔが少なくともパターン形成されているヒータ１２の厚みより大きくなるように、かつその厚みｔを適切な範囲とすることにより最大の流速が得られるように形成される。なお、１８ａ，１８ｂはワイヤーボンディング用孔である。
【００１４】以上のようにして、ヒータ基板１３が形成される。このようなヒータ基板１３を、図２（Ｂ）に示すように、線分１９を中心にして線対称的に２枚配置し、この状態で、同図において線分１９を中心にして、例えば下方のヒータ基板１３を上方のヒータ基板１３側に折り返して重ね、その状態で強く押圧すると、２枚のヒータ基板１３は、前記Ａｕ膜１７同士が互いに接合し、これによって、２枚のヒータ基板１３の間には、図１（Ａ）に示すように、ヒータ１２の形成面に平行な孔、つまり、ガス流通路１４が形成される。このガス流通路１４の断面積は、ヒータ１２のパターンの幅ｗと接合部であるＡｕ膜１７の厚みｔの２倍（２ｔ）との積、つまり、２×ｗ×ｔの大きさであり、きわめて小さい。そして、同図（Ｂ）に示すように、前記ガス流通路１４の一端側からガスＧを流通させることにより、前記ガス流通路１４に沿うように形成されたヒータ１２にガスＧが接触し、ヒータ１２に電流を流してこれを発熱させていると、前記ガスＧの流量に比例してヒータ１２から熱が奪われる。この奪われる熱の大きさを測定することにより、ガスＧの流量を連続的に得ることができる。
【００１５】そして、上述のように、上記構成のフローセンサ素子１０においては、ヒータ１２が臨むガス流通路１４の断面積がきわめて小さいので、フローセンサ素子１０の感度が飛躍的に改善され、ガスＧの流量を高感度に検出することができる。
【００１６】次に、図３および図４は、この発明の第２の実施の形態を示すもので、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はこの発明のフローセンサ２０の構成の一例を示す図であり、図４はこのフローセンサ２０を用いて流量測定を行うときの電気的等価回路を示す図である。前記フローセンサ２０は、半導体基板２１上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路２２と、前記半導体基板２１上に前記ガス流通路２２に対して平行となるように互いに独立してパターン形成される２個の感熱素子としてのヒータ２３，２４を備えている。以下、このフローセンサ２０の構成の詳細をその製作方法とともに説明する。
【００１７】前記フローセンサ２０の製作方法は、フローセンサ素子１０の製作方法とほぼ同じである。まず、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、２１は適宜大きさ（例えば厚さ０．５ｍｍ×２〜３ｍｍ角）の半導体基板で、この上面に適宜の厚さ（例えば５０００Å程度）の絶縁膜２５が形成されている。この絶縁膜２５は、前記第１の実施の形態における絶縁膜１５と同様に形成される。
【００１８】次いで、前記絶縁膜２５の上面に、例えばフォトリソグラフィ−技術を用いてＰｔ膜などＴＣＲ（抵抗温度係数）が比較的大きい金属薄膜をパターン成形することによって、図３（Ｂ）に示すような適宜幅ｗ（例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）の蛇行状のヒータ２３，２４を適宜の間隔をおいて形成する。２３ａ，２３ｂおよび２４ａ，２４ｂは、各ヒータ２３，２４の引出し電極である。
【００１９】そして、前記ヒータ２３，２４の下方の半導体基板２１を異方性エッチングによって除去して、前記絶縁膜２５のみを残すことによって放熱空間２６を形成する（図３（Ａ），（Ｃ）参照）。
【００２０】次いで、予めコ字上に形成された所定大きさのガラスよりなる流路部材２７を半導体基板２１に対して、ヒータ２３，２４をカバーするように接着して、半導体基板２１上にガス流通路２２を形成する。このガス流通路２２は、その断面積が可及的に小さくなるように形成される。
【００２１】そして、前記フローセンサ２０を用いて、ガス流通路２２内を流れるガスＧの流量を測定する場合には、図４に示すように、ヒータ２３，２４と、固定抵抗２８，２９によってブリッジ回路３０を構成する。そして、このブリッジ回路３０に直流電源３１を接続すると、前記ヒータ２３，２４はともに加熱されて温度が上昇し、その抵抗値も同様に上昇する。この状態では、ヒータ２３，２４の抵抗値に差が生じず、ブリッジ回路３０におけるバランスは保持され、出力端子３２，３３間に電圧が生ずることはない。そして、この状態で、ガス流通路２２の一端側からガス流通路２２内にガスＧが入り、このガス流通路２２内を、ヒータ２３，２４の順に接触するように流れると、このガスＧによって上流側のヒータ２３から熱が奪われてその温度が下がり、下流側のヒータ２４には前記熱が与えられることによってその温度が上昇する。これによって、ヒータ２３，２４の抵抗値に差が生じ、ブリッジ回路３０におけるバランスが崩れ、出力端子３２，３３間に電圧が生ずる。この電圧の大きさは、前記ガス流通路２２を流れるガスＧの流量に比例している。したがって、この信号を処理することにより、前記ガスＧの流量が連続的に得られる。
【００２２】上記構成のフローセンサ２０においては、ヒータ２３，２４が臨むガス流通路２２の断面積がきわめて小さいので、その感度は飛躍的に改善され、ガスＧの流量を高感度に検出することができる。しかも、フローセンサ２０を構成するヒータ２３，２４やガス流通路２２などが小型であり、全体にコンパクトであるといった優れた特長を有する。
【００２３】上記図３の実施の形態においては、ガス流通路２２の下部側（底部側）にヒータ２３，２４を適宜の間隔をおいて上流側、下流側に配置していたが、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガス流通路２２の上部側および底部側に分けて設けてもよい。すなわち、同図（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガスＧの流れる方向の上流側、下流側に位置するヒータ２３，２４を、それぞれ、図３に示したものと同様の手法で、半導体基板２１Ａ，２１Ｂに形成する。この場合、ヒータ２３，２４は、図５（Ｂ）に示すように、ガスＧの流れる方向３４において、ヒータ２３，２４を所定の間隔をおいてずらせて設け、それぞれの半導体基板２１Ａ，２１Ｂのヒータ２３，２４が形成されていない部分に、ガス流のロスを防止するための絶縁体ダミー部２５を形成する。そして、前記半導体基板２１Ａ，２１Ｂを互いに接着し、ヒータ２３，２４に臨むガス流通路２２を形成するのである。
【００２４】ところで、この発明のフローセンサ素子１０およびフローセンサ２０は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。すなわち、フローセンサ素子１０においても、図３に示したようなガラスよりなる流路部材２７を、図２に示したヒータ基板１３の上部に設け、ヒータ１２に臨むガス流通路を形成してもよい。つまり、一つのヒータ基板１３と流路部材２７とによって、フローセンサ素子１０を構成してもよい。
【００２５】また、図３に示したフローセンサ２０において、流路部材２７を設ける代わりに、図１および図２に示したフローセンサ素子１０と同様に、ヒータ２３，２４を形成した２つの半導体基板２１を、それらの間にガス流通路が形成され、かつ２つの半導体基板２１におけるヒータ２３，２４が対向するように接合してもよい。
【００２６】上述したところから明らかなように、この発明のフローセンサ素子１０およびフローセンサ２０は、各種のガスＧの流量を高感度で検出することができるが、特にフローセンサ２０は、その全体構成がきわめて小型でありコンパクトであるので、赤外線ガス分析計の検出器に好適に用いることができる。以下、これについて、図６を参照しながら説明する。
【００２７】図６は、この発明のフローセンサを用いた赤外線ガス分析計４０の構成を概略的に示す図で、この実施の形態における赤外線ガス分析計４０は、所謂シングルビーム（シングルセル）タイプのものである。図６において、４１は筒状の測定セルで、その両端が赤外線透過性材料よりなるセル窓４２，４３で封止されているとともに、サンプルガスＳの導入口部４４、導出口部４５が形成されている。４６は一方のセル窓４２に対向して設けられる赤外光源で、この赤外光源４６を発した赤外線ＩＲは、赤外光源４６とセル窓４２との間に介装され、図示していないモータによって回転駆動される光チョッパ４７によって所定周波数の断続光とされる。
【００２８】４８は他方のセル窓４３に対向して設けられる検出器で、耐腐食性の金属よりなる本体ブロック４９の両端部が赤外線透過性材料よりなる窓５０，５１によって封止されるとともに、その内部が赤外線透過性材料よりなる窓５２によって二つのガス室５３，５４に区画され、これらのガス室５３，５４が赤外線光路（矢印ＩＲで示す）に順次直列となるように測定セル４１に対して配置されている。そして、ガス室５３，５４には、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガス（または測定対象ガスそのもの）ｇが封入されている。
【００２９】５５はガス室５３，５４を連通させるガス通路で、この実施の形態においては、本体ブロック４９内の赤外線光路から外れた部位に形成されている。５５ａ，５５ｂはガス通路５５のガス室５３，５４に臨む開口である。そして、このガス通路５５には、これを流れるガスｇの流量を検出するフローセンサ５６が設けられている。このフローセンサ５６は、例えば図３に示したフローセンサ２０と同様の構成で、フローセンサ２０のガス流通路２２の一端側（ヒータ２３側）が前記開口５５ａに接続され、前記ガス流通路２２の他端側（ヒータ２４側）が前記開口５５ｂに接続されている。そして、５７，５８は前記フローセンサ５６のヒータ２３，２４とブリッジ回路５９を構成する外部抵抗で、６０は直流電源、６１は演算制御回路である。
【００３０】上記構成の検出器４８の基本的な動作について説明すると、今、ブリッジ回路５９に所定のブリッジ電圧が印加されるとともに、ガス室５３，５４に測定対象と同じガスｇ（例えばＣＯ２ ）が封入されているものとする。この状態において、測定セル４１にＣＯ２ を含んだサンプルガスＳを供給しながら、赤外光源４６から赤外線ＩＲを測定セル４１に照射すると、前記赤外線ＩＲは、サンプルガスＳ中のＣＯ２ によって吸収を受けた後、検出器４８の測定セル４１側のガス室５３に入射する。このガス室５３に封入されているガスｇが赤外線ＩＲの一部を吸収して温度上昇し、膨張する。この膨張したガスｇは、開口５５ａを経てフローセンサ２０のガス流通路２２に入り、開口５５ｂを経てガス室５４に流入する。
【００３１】このとき、前記ガス流通路２２内を流れるガスｇの流速（流量）に応じて、ヒータ２３から熱を奪う。このため、ヒータ２３はガスｇの流速に応じて冷却され、その温度は無風状態のときに比べて低下する。そして、前記ガスｇは奪った熱により加温され、この加温されたガスｇは、流れの下流側のヒータ２４を温める。そして、ヒータ２３，２４は、温度変化によってその電気的抵抗値が一定の割合で変化するため、この抵抗変化を利用して温度変化をブリッジ回路５９の出力として得ることができる。
【００３２】上述のように、検出器４８のガス室５３，５４内に封入されたガスｇの膨張の度合いが異なり、ガス通路５５内でガスｇの流れが生じたときのガス流量が測定される。この測定値は、赤外線ガス分析計４０の測定セル４１に供給されたサンプルガスＳ中に含まれる測定対象成分（この場合、ＣＯ２ ）の濃度に対して一定の関係を有するから、前記測定対象成分の濃度が測定されることとなる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のフローセンサ素子およびフローセンサは、構造が簡単で容易に製作することができ、ガスの流量変化を高感度に検出することができる。特に、小型コンパクトであるので、赤外線ガス分析計の検出器に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフローセンサ素子の一例を示すもので、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図２】
前記フローセンサ素子の製作方法を説明するための図である。
【図３】この発明のフローセンサの一例を示すもので、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面断面図である。
【図４】前記フローセンサを用いて流量測定を行うときの電気的等価回路を示す図である。
【図５】この発明のフローセンサの他の例を説明するための図である。
【図６】この発明のフローセンサの適用例を示す図である。
【符号の説明】１０…フローセンサ素子、１１…半導体基板、１２…ヒータ、１３…ヒータ基板、１４…ガス流通路、２０…フローセンサ、２１…半導体基板、２２…ガス流通路、２３，２４…ヒータ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor element and a flow sensor incorporated in, for example, a detector of a non-dispersive infrared gas analyzer (NDIR).
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-81982 A conventional flow sensor for an infrared gas detector is disclosed in Patent Document 1. In this flow sensor, two metal thin film heater substrates each having a heater patterned on a silicon substrate and a through hole formed by removing the silicon substrate in a portion where the heater is located by anisotropic etching are used. Are laminated so that the through holes communicate with each other, and the flow rate of the gas flowing through the through holes of each metal thin film heater substrate can be measured.
[0003] In the above-mentioned conventional flow sensor, since two metal thin film heater substrates are formed so as to overlap with each other, there is an excellent advantage that characteristics variation is reduced and the cost is low.
[0004]
However, in the above-mentioned conventional flow sensor, the gas flow passage is formed so as to be orthogonal to the surface on which the heater is formed. As a result, the flow rate of the sample gas passing through the flow passage was not so high. In general, the magnitude of the output signal of the flow sensor is proportional to the gas flow rate, and thus the conventional flow sensor cannot be suitably used when performing high-sensitivity measurement. Further, the conventional flow sensor has a structure in which two metal thin film heater substrates having through holes formed by removing a silicon substrate by anisotropic etching are overlapped so that the through holes communicate with each other. However, a complicated process such as anisotropic etching was required.
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters, and has as its object to provide a flow sensor which has a simple structure, can be easily manufactured, and can detect a change in gas flow rate with high sensitivity. It is to provide an element and a flow sensor.
[0006]
In order to achieve the above object, a flow sensor element according to the present invention comprises a gas flow passage formed on a semiconductor substrate so as to have a cross-sectional area as small as possible; It is characterized by comprising a heater formed as a heat-sensitive element along the road (claim 1).
In the flow sensor of the present invention, a gas flow passage formed on the semiconductor substrate so as to have a cross-sectional area as small as possible is provided on the semiconductor substrate in parallel with the gas flow passage. As described above, the heater is provided with two heaters which are formed independently of each other as a pattern.
In the flow sensor element and the flow sensor, a heater as a heat-sensitive element is formed along the direction in which the gas flows, and the gas flow passage is formed to have a cross-sectional area as small as possible. Therefore, the flow rate of the sample gas passing through the gas flow passage can be increased. Therefore, a large output signal can be obtained as the flow sensor element and the flow sensor, and high-sensitivity measurement can be performed.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of the present invention, and FIGS. 1A and 1B show an example of the configuration of a flow sensor element 10 of the present invention. The flow sensor element 10 forms a heater substrate 13 by patterning a heater 12 as a thermal element on the surface of a semiconductor substrate 11, and has a cross-sectional area on the heater substrate 13 along the surface on which the heater 12 is formed. In this embodiment, two heater substrates 13 having the same configuration are prepared, and these two heater substrates 13 are connected to each other by the heaters 12. The heater 12 is joined so as to be close to the gas flow passage 14. Hereinafter, the configuration of the flow sensor element 10 will be described in detail with reference to FIGS.
First, a semiconductor substrate 11 of an appropriate size (for example, 0.5 mm thick × 3 to 4 inches in diameter) made of, for example, MgO or Si is prepared, and an insulating film 15 is formed on this upper surface with an appropriate thickness (for example, (About 5000 °) and cut into, for example, 2 to 3 mm square. As the insulating film 15, an SiO 2 film and a Si 3 N 4 film may be laminated in this order, or only the SiO 2 film may be used.
Next, a metal thin film such as a Pt film having a relatively large TCR (resistance temperature coefficient) such as a Pt film is pattern-formed on the upper surface of the insulating film 15 using, for example, a photolithography technique. As shown in B), a meandering heater 12 having an appropriate width w (for example, about 0.1 mm to several mm) and extraction electrodes 12a and 12b connected to both ends of the heater 12 are formed.
The heat radiation space 16 is formed by removing the semiconductor substrate 11 below the heater 12 by anisotropic etching and leaving only the insulating film 15 (FIGS. 1A and 2A). )reference).
Next, as shown in FIGS. 2A and 2B, an Au film 17 having a thickness of about several thousand degrees is electrically connected to the extraction electrodes 12a and 12b of the heater 12 on the insulating film 15 on both sides of the heater 12. It is formed in a state where it is electrically connected. In this case, in each Au film 17, a part of the insulating film 15 becomes an insulating band so that the two extraction electrodes 12a and 12b of the heater 12 do not directly conduct, and is divided into two parts 17a and 17b. Have been. The Au film 17 is formed so that its thickness t is at least larger than the thickness of the heater 12 on which the pattern is formed, and by setting the thickness t in an appropriate range to obtain the maximum flow rate. . 18a and 18b are holes for wire bonding.
As described above, the heater substrate 13 is formed. As shown in FIG. 2B, two such heater substrates 13 are arranged symmetrically with respect to a line segment 19, and in this state, for example, with respect to the line segment 19 in FIG. When the lower heater substrate 13 is folded back on the upper heater substrate 13 side and pressed strongly in this state, the two heater substrates 13 are joined together by the Au films 17, whereby the two heater substrates 13 are joined together. As shown in FIG. 1A, a hole parallel to the surface on which the heater 12 is formed, that is, a gas flow passage 14 is formed between the holes 13. The cross-sectional area of the gas flow passage 14 is a product of the width w of the pattern of the heater 12 and twice (2t) the thickness t of the Au film 17 serving as a joint, that is, 2 × w × t. , Very small. Then, as shown in FIG. 2B, by flowing the gas G from one end side of the gas flow passage 14, the gas G comes into contact with the heater 12 formed along the gas flow passage 14, When a current is supplied to the heater 12 to generate heat, heat is taken from the heater 12 in proportion to the flow rate of the gas G. By measuring the magnitude of this deprived heat, the flow rate of the gas G can be continuously obtained.
As described above, in the flow sensor element 10 having the above-described structure, the cross-sectional area of the gas flow passage 14 facing the heater 12 is extremely small, so that the sensitivity of the flow sensor element 10 is significantly improved, The flow rate of G can be detected with high sensitivity.
FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of the present invention. FIGS. 3A, 3B and 3C show the structure of a flow sensor 20 of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an example, and FIG. 4 is a diagram showing an electrical equivalent circuit when a flow rate is measured using the flow sensor 20. The flow sensor 20 includes a gas passage 22 formed on the semiconductor substrate 21 so as to have a cross-sectional area as small as possible, and a gas passage 22 on the semiconductor substrate 21 so as to be parallel to the gas passage 22. Heaters 23 and 24 are provided as two heat-sensitive elements that are patterned independently of each other. Hereinafter, the details of the configuration of the flow sensor 20 will be described together with the manufacturing method thereof.
The method of manufacturing the flow sensor 20 is substantially the same as the method of manufacturing the flow sensor element 10. First, in FIGS. 3A, 3B, and 3C, reference numeral 21 denotes a semiconductor substrate having an appropriate size (for example, 0.5 mm × 2 to 3 mm square), and an appropriate thickness (for example, 5000 mm) on the upper surface thereof. ) Insulating film 25 is formed. This insulating film 25 is formed in the same manner as the insulating film 15 in the first embodiment.
Next, a metal thin film having a relatively large TCR (temperature coefficient of resistance) such as a Pt film is formed on the upper surface of the insulating film 25 by photolithography, for example, as shown in FIG. 3B. Such meandering heaters 23 and 24 having an appropriate width w (for example, about 0.1 mm to several mm) are formed at appropriate intervals. 23a, 23b and 24a, 24b are extraction electrodes of the heaters 23, 24.
Then, the semiconductor substrate 21 below the heaters 23 and 24 is removed by anisotropic etching to leave only the insulating film 25, thereby forming a heat radiation space 26 (FIGS. 3A and 3C). )reference).
Next, a flow path member 27 made of glass of a predetermined size formed in a U-shape is adhered to the semiconductor substrate 21 so as to cover the heaters 23 and 24, and is placed on the semiconductor substrate 21. A gas passage 22 is formed. The gas flow passage 22 is formed such that its cross-sectional area is as small as possible.
When measuring the flow rate of the gas G flowing in the gas flow passage 22 using the flow sensor 20, as shown in FIG. 4, the heaters 23 and 24 and the fixed resistors 28 and 29 are used. The bridge circuit 30 is configured. When a DC power supply 31 is connected to the bridge circuit 30, the heaters 23 and 24 are both heated, the temperature rises, and the resistance value also rises. In this state, there is no difference between the resistance values of the heaters 23 and 24, the balance in the bridge circuit 30 is maintained, and no voltage is generated between the output terminals 32 and 33. In this state, the gas G enters the gas flow passage 22 from one end side of the gas flow passage 22 and flows through the gas flow passage 22 so as to contact the heaters 23 and 24 in this order. Heat is taken from the upstream heater 23 and its temperature is lowered, and the temperature is raised by the heat given to the downstream heater 24. As a result, a difference occurs between the resistance values of the heaters 23 and 24, the balance in the bridge circuit 30 is lost, and a voltage is generated between the output terminals 32 and 33. The magnitude of this voltage is proportional to the flow rate of the gas G flowing through the gas flow passage 22. Therefore, by processing this signal, the flow rate of the gas G can be continuously obtained.
In the flow sensor 20 having the above-described structure, since the cross-sectional area of the gas flow passage 22 facing the heaters 23 and 24 is extremely small, the sensitivity is greatly improved, and the flow rate of the gas G can be detected with high sensitivity. Can be. In addition, the heaters 23 and 24 and the gas flow passage 22 constituting the flow sensor 20 are small and have an excellent feature that they are compact as a whole.
In the embodiment shown in FIG. 3, the heaters 23 and 24 are arranged on the upstream side and the downstream side at an appropriate interval below the gas flow passage 22 (bottom side). As shown in (A) and (B), the gas flow passage 22 may be provided separately on the upper side and the bottom side. That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, the heaters 23 and 24 located on the upstream side and the downstream side in the flow direction of the gas G are respectively operated in the same manner as that shown in FIG. It is formed on semiconductor substrates 21A and 21B. In this case, as shown in FIG. 5B, the heaters 23 and 24 are provided at predetermined intervals in the direction 34 in which the gas G flows, and the heaters 23 and 24 are provided at predetermined intervals. An insulator dummy portion 25 for preventing loss of gas flow is formed in a portion where the heaters 23 and 24 are not formed. Then, the semiconductor substrates 21A and 21B are bonded to each other to form a gas flow passage 22 facing the heaters 23 and 24.
Incidentally, the flow sensor element 10 and the flow sensor 20 of the present invention are not limited to the above-described embodiment, but can be implemented in various modifications. That is, also in the flow sensor element 10, the flow path member 27 made of glass as shown in FIG. 3 may be provided on the heater substrate 13 shown in FIG. Good. That is, the flow sensor element 10 may be configured by one heater substrate 13 and the flow path member 27.
In the flow sensor 20 shown in FIG. 3, instead of providing the flow path member 27, two semiconductors in which heaters 23 and 24 are formed as in the flow sensor element 10 shown in FIGS. The substrates 21 may be joined so that a gas flow passage is formed therebetween and the heaters 23 and 24 of the two semiconductor substrates 21 face each other.
As is apparent from the above description, the flow sensor element 10 and the flow sensor 20 of the present invention can detect the flow rates of various gases G with high sensitivity. Since the configuration is extremely small and compact, it can be suitably used for a detector of an infrared gas analyzer. Hereinafter, this will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of an infrared gas analyzer 40 using the flow sensor of the present invention. The infrared gas analyzer 40 in this embodiment is of a so-called single beam (single cell) type. belongs to. In FIG. 6, reference numeral 41 denotes a cylindrical measuring cell, both ends of which are sealed by cell windows 42 and 43 made of an infrared transmitting material, and an inlet 44 and an outlet 45 for the sample gas S are formed. Have been. Reference numeral 46 denotes an infrared light source provided to face one of the cell windows 42. An infrared ray IR emitted from the infrared light source 46 is interposed between the infrared light source 46 and the cell window 42 and is not shown. The light is converted into intermittent light having a predetermined frequency by an optical chopper 47 that is driven to rotate by a motor.
Reference numeral 48 denotes a detector provided opposite to the other cell window 43. Both ends of a main body block 49 made of a corrosion-resistant metal are sealed by windows 50 and 51 made of an infrared transmitting material. The interior of the measuring cell 41 is divided into two gas chambers 53 and 54 by a window 52 made of an infrared transmitting material, and these gas chambers 53 and 54 are sequentially connected in series with an infrared light path (indicated by an arrow IR). Is placed against. The gas chambers 53 and 54 are filled with a gas (or a gas to be measured) g having the same absorption characteristics as the gas to be measured.
Reference numeral 55 denotes a gas passage for communicating the gas chambers 53 and 54. In this embodiment, the gas passage 55 is formed at a position outside the infrared light path in the main body block 49. 55 a and 55 b are openings facing the gas chambers 53 and 54 of the gas passage 55. The gas passage 55 is provided with a flow sensor 56 for detecting the flow rate of the gas g flowing therethrough. The flow sensor 56 has, for example, the same configuration as the flow sensor 20 shown in FIG. 3. One end (the heater 23 side) of the gas flow passage 22 of the flow sensor 20 is connected to the opening 55 a, Is connected to the opening 55b. Reference numerals 57 and 58 denote external resistances constituting the heaters 23 and 24 of the flow sensor 56 and the bridge circuit 59, reference numeral 60 denotes a DC power supply, and reference numeral 61 denotes an arithmetic control circuit.
The basic operation of the detector 48 having the above configuration will be described. Now, a predetermined bridge voltage is applied to the bridge circuit 59 and the same gas g (for example, CO 2) as the object to be measured is supplied to the gas chambers 53 and 54. ) Is enclosed. In this state, when the measurement cell 41 is irradiated with infrared IR from the infrared light source 46 while supplying the sample gas S containing CO 2 to the measurement cell 41, the infrared IR is absorbed by CO 2 in the sample gas S. Then, the light enters the gas chamber 53 of the detector 48 on the measurement cell 41 side. The gas g enclosed in the gas chamber 53 absorbs a part of the infrared rays IR, rises in temperature, and expands. The expanded gas g enters the gas flow passage 22 of the flow sensor 20 via the opening 55a, and flows into the gas chamber 54 via the opening 55b.
At this time, heat is taken from the heater 23 in accordance with the flow rate (flow rate) of the gas g flowing in the gas flow passage 22. For this reason, the heater 23 is cooled in accordance with the flow rate of the gas g, and its temperature is lower than when there is no wind. Then, the gas g is heated by the heat taken, and the heated gas g heats the heater 24 on the downstream side of the flow. Since the electrical resistance of the heaters 23 and 24 changes at a constant rate due to the temperature change, the temperature change can be obtained as an output of the bridge circuit 59 using the resistance change.
As described above, the degree of expansion of the gas g sealed in the gas chambers 53 and 54 of the detector 48 differs, and the gas flow rate when the flow of the gas g occurs in the gas passage 55 is measured. You. Since the measured value has a certain relationship with the concentration of the measurement target component (in this case, CO 2 ) contained in the sample gas S supplied to the measurement cell 41 of the infrared gas analyzer 40, The concentration of the component will be measured.
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As described above, the flow sensor element and the flow sensor of the present invention have a simple structure, can be easily manufactured, and can detect a change in the gas flow rate with high sensitivity. In particular, since it is small and compact, it can be suitably used for a detector of an infrared gas analyzer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a flow sensor element of the present invention, wherein (A) is a front sectional view and (B) is a side sectional view.
FIG. 2
It is a figure for explaining the manufacturing method of the above-mentioned flow sensor element.
3A and 3B show an example of the flow sensor of the present invention, wherein FIG. 3A is a front sectional view, FIG. 3B is a plan view, and FIG. 3C is a side sectional view.
FIG. 4 is a diagram showing an electrical equivalent circuit when measuring a flow rate using the flow sensor.
FIG. 5 is a diagram for explaining another example of the flow sensor of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an application example of the flow sensor of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Flow sensor element, 11: Semiconductor substrate, 12: Heater, 13: Heater substrate, 14: Gas flow path, 20: Flow sensor, 21: Semiconductor substrate, 22: Gas flow path, 23, 24 …heater.
