JP2006119003A - Flow rate detection element for infrared gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非分散型の赤外線ガス分析計(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に関する。詳しくは、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填され、測定セルに対して直列的または並列的に配置される二つのガス室を連通させるガス通路内に配置されるものであって、ガス流通路としての空洞部を有する基板と、この基板上に前記空洞部を遮るように設けられる絶縁膜を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータとを備え、この蛇行状ヒータを保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子に関する。 The present invention relates to a flow rate detecting element for an infrared gas analyzer used as a detector of a non-dispersive infrared gas analyzer (NDIR). Specifically, the gas having the same absorption characteristics as the measurement target gas is filled, and is disposed in a gas passage that connects two gas chambers disposed in series or in parallel to the measurement cell, A substrate having a cavity as a gas flow path, and a heater which is held in a meandering state and is applied with a constant voltage via an insulating film provided on the substrate so as to block the cavity. The present invention relates to a flow rate detection element for an infrared gas analyzer in which a plurality of gas flow holes are formed in an insulating film portion excluding a portion for holding a heater.
この種の一般的な赤外線ガス分析計用流量検出素子は、図6および図7に示すように、ニッケル等の金属箔からジグザク蛇行状に形成された二枚のヒータ51a,51bと、これらのヒータ51a,51bを相対向させて配置しかつ固定するためのガラス等の絶縁材料製の板材52a,52bとからなり、これら板材52a,52bに形成された開口53a,53b内に蛇行状ヒータ51a,51bを位置させてそれら蛇行状ヒータ51a,51bの隣接する直線ヒータ部分間の隙間をガス流通路54に形成して構成されていた。
As shown in FIGS. 6 and 7, this type of flow detector for a general infrared gas analyzer includes two
このような赤外線ガス分析計用流量検出素子は、ヒータ51a,51bに一定電圧を印加して前記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温度制御して使用される。そして、赤外線が照射されない非検出状態では、二つのヒータ51a,51bは、図7中に符号aで示すような温度分布を呈しているが、一方のガス室に赤外線を照射する検出状態では、そのガス室内に充填されたガスが膨張して前記ガス流通路54に他方のガス室に向かうガスの流れ55が発生する。このガスの流れ55によって、上流側(図7の左側に位置する)のヒータ51aは、ガスの流速に応じて冷却され、逆に、下流側(図7の右側に位置する)のヒータ51bは、上流側のヒータ51aから奪われた熱により加熱されて、図7中に符号bで示すような温度分布を呈することになる。このような温度分布の変化によりヒータ51a,51b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回路を用いて電圧値として出力させることによってガス流量が検出される。この検出されたガス流量は、非分散型赤外線ガス分析計の測定セル(周知であるるため、図示省略する)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)に対応しており、したがって、ガス流量を検出することで測定対象ガスの濃度を測定し分析を行なう。
Such an infrared gas analyzer flow rate detecting element is used by applying a constant voltage to the
ところで、上記した構成の一般的な赤外線ガス分析計用流量検出素子においては、ヒータ51a,51bが単に蛇行状に形成されているものであるから、ホイートストーンブリッジ回路に電圧を印加した場合、ヒータ51a,51bの中心部が周辺部より温度が高くなる。その結果、ガスが流れた場合、ヒータ51a,51bの中心部の温度変化、即ち、感度と周辺部の温度に差が生じ、結果として得られる感度は小さいものとなってしまうという課題がある。
By the way, in the flow rate detecting element for a general infrared gas analyzer having the above-described configuration, since the
このような課題を解消するものとして、従来、絶縁膜を介して蛇行状に保持されるヒータにより囲まれる内部位置においてのみ、隣接する直線ヒータ部分で挟まれた隙間部分にその隙間面積よりも小さい流路面積に設定されるように複数のガス流通孔からなるガス流通路を形成することにより、ガス流通路を通過するガスとヒータとの間での熱授受がヒータの中央部分においてのみ行われ、その結果、熱授受の効率上昇により大きな出力を得て、検出感度及び応答性の向上を図らんとしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve such a problem, conventionally, only at an internal position surrounded by a heater held in a meandering manner through an insulating film, the gap area sandwiched between adjacent linear heater parts is smaller than the gap area. By forming a gas flow path composed of a plurality of gas flow holes so as to be set to a flow path area, heat transfer between the gas passing through the gas flow path and the heater is performed only in the central portion of the heater. As a result, there has been proposed a device which has obtained a large output due to an increase in efficiency of heat transfer, and has aimed to improve detection sensitivity and responsiveness (see, for example, Patent Document 1).
また、ガス流通路としての空洞部を有する基板上で蛇行状ヒータの周辺部に補助加熱手段を設けて流量検出素子自体を加熱することによって、ヒータから基板への熱移動、つまり、放熱を補って空洞部領域内の平均温度を上昇させ、検出感度の向上を図らんとしたものも従来より提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Further, by providing auxiliary heating means on the periphery of the meandering heater on the substrate having a hollow portion as a gas flow passage to heat the flow rate detecting element itself, heat transfer from the heater to the substrate, that is, heat dissipation is compensated. In order to improve the detection sensitivity by increasing the average temperature in the cavity region, there has been conventionally proposed (for example, see Patent Document 2).
しかし、上記した従来例はいずれも、蛇行状ヒータの一部が基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域、すなわち、ガス流通路より外側にはみ出して基板と重なり接触し、ヒータから基板への熱伝導による放熱ロスがあり、その結果、ガス流通路の温度分布が一様でなくなり、検出感度及び応答性を十分に向上させることができないという問題がある。 However, in all of the conventional examples described above, a part of the meandering heater is surrounded by the outline of the hollow portion of the substrate, that is, protrudes outside the gas flow path and overlaps with the substrate to contact the substrate from the heater. As a result, there is a problem that the temperature distribution of the gas flow path is not uniform, and the detection sensitivity and responsiveness cannot be sufficiently improved.
特に、特許文献2等にみられるような補助加熱手段を設ける場合は、流量検出素子自体の構造が複雑化かつ大型化し製造コストが高くなるだけでなく、基板への放熱ロス以外に補助加熱のための電力消費も加わるために、消費電力が非常に大きくてランニングコストの上昇は避けられないという問題があった。
In particular, when an auxiliary heating means such as that disclosed in
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、構造の複雑化、大型化並びにコストアップを招くことなく、検出感度及び応答性の向上を実現す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にある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is an infrared gas analyzer capable of improving detection sensitivity and responsiveness without causing a complicated structure, an increase in size, and an increase in cost. An object of the present invention is to provide a flow rate detecting element.
上記目的を達成するために、本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子は、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を連通させるガス通路内に配置される赤外線ガス分析計用流量検出素子であって、ガス流通路としての空洞部を有する基板と、この基板上に前記空洞部を遮るように設けられる絶縁膜を介して蛇行状態に保持されて一定電圧が印加されるヒータとを有し、この蛇行状ヒータを保持する部分を除く絶縁膜部分に複数のガス流通孔を形成してなる赤外線ガス分析計用流量検出素子において、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部が前記基板と重ならないように基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域内に配置していることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the flow rate detecting element for an infrared gas analyzer according to the present invention is disposed in a gas passage that connects two gas chambers filled with a gas having the same absorption characteristics as the gas to be measured. A flow rate detecting element for an infrared gas analyzer, which is held in a meandering state via a substrate having a cavity as a gas flow path and an insulating film provided on the substrate so as to block the cavity. In a flow rate detecting element for an infrared gas analyzer, in which a plurality of gas flow holes are formed in an insulating film portion excluding a portion holding the meandering heater. The meandering heater excluding the connection portion with the electrode is arranged in a region surrounded by the outline of the hollow portion of the substrate so that the full length portion does not overlap the substrate.
上記構成の本発明によれば、一定電圧が印加される蛇行状ヒータの全長部が基板と接触しない領域内に配置されているため、ヒータから基板への熱伝導による放熱ロスを抑制してガス流通部付近の温度分布を一様にすることができるので、検出感度及び応答性の向上を実現することができる。また、基板への放熱ロスをヒータの配置工夫のみによって抑えることが可能で、その放熱を抑制するための補助加熱手段の設置は不要であるから、流量検出素子自体の構造の簡単化、小型化及び消費電力の低減化を図ることができるという効果を奏する。 According to the present invention having the above-described configuration, the entire length of the meandering heater to which a constant voltage is applied is disposed in a region that does not contact the substrate. Since the temperature distribution near the circulation part can be made uniform, the detection sensitivity and the response can be improved. In addition, heat dissipation loss to the substrate can be suppressed only by the arrangement of the heater, and it is not necessary to install auxiliary heating means to suppress the heat dissipation, so the structure of the flow rate detection element itself is simplified and downsized In addition, the power consumption can be reduced.
特に、請求項2に記載のように、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部のうちの最も外周に位置する部分と前記基板における空洞部の外郭線との間に環状形の絶縁膜部分が存在するように前記空洞部の中央部付近に集約配置することにより、基板への放熱ロスを一層低減できるとともに、ヒータの全長が短くなり、同じ抵抗値の検出素子を形成する場合、ヒータ幅を細くして、より高密度にセンサを配置し、検出感度の一層の向上を図ることができる。
In particular, as described in
また、本発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子において、請求項3に記載のように、前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、該蛇行状ヒータで囲まれる領域の温度が一様になるように、その全長に亘り一定のヒータ線間隔のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線幅を、抵抗値を上げるために中央部分のヒータ線幅よりも細く形成する、もしくは、その全長に亘り一定のヒータ線幅のもとで、通電用電極部に近い両側部分のヒータ線間隔が中央部分のヒータ線間隔よりも小さく形成することによって、ガス流通部付近の中央部と周辺部との温度分布を一様にすることが可能となり、検出感度の一層の向上を図ることができる。
Further, in the flow rate detecting element for an infrared gas analyzer according to the present invention, as described in
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係る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の平面図、図2は図1のX−X線に沿った縦断面図、図3は図1のY−Y線に沿った縦断面図である。この流量検出素子Aは、図6および図7に示した一般的な流量検出素子と同様に、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、このガス通路と直交するように配置されるものであって、同一形状、同一構造の二つの検出素子単位体A1,A1を二段重ねに接着して構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of a flow rate detecting element (hereinafter simply referred to as a flow rate detecting element) A for an infrared gas analyzer according to the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line XX of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view along the YY line of FIG. This flow rate detection element A is similar to the general flow rate detection element shown in FIGS. 6 and 7 in a gas passage that connects two gas chambers filled with a gas having the same absorption characteristics as the measurement target gas. The two detection element units A1 and A1 having the same shape and the same structure are arranged in two layers so as to be orthogonal to the gas passage.
この流量検出素子Aの検出素子単位体A1は、ガス流通路としての空洞部1aを有する基板1と、この基板1上に前記空洞部1aを遮るように設けられた絶縁膜2を介して蛇行状のパターン形状に保持されて通電用電極3,3により一定電圧が印加されるヒータ4とを有し、この蛇行状ヒータ4を保持する部分を除く絶縁膜2部分で隣接する直線ヒータ部分4a,4aで挟まれた隙間部分5にそれぞれ、前記空洞部1aに連通接続される状態で複数の長円状ガス流通孔6が形成されている。
The detection element unit A1 of the flow rate detection element A meanders through a
ここで、前記検出素子単位体A1の製造方法の一例を簡単に説明すると、前記基板1は非晶質のガラスやSi、MgO等の結晶性材料から形成され、この基板1上に、例えば、Pt、NiまたはNiCrなどの温度係数の高い材料を例えばスパッタ法によって0.1〜0.5μm厚で蛇行状に堆積させ、かつ、露光して所定パターンのヒータ4を形成した後、前記基板1上に感光性ポリイミドやエポキシ系の有機系絶縁薄膜やSiO2 等の無機系絶縁薄膜を0.5〜3μm厚に堆積させ、かつ、露光することにより前記蛇行状パターンのヒータ4をその上部から保持する絶縁膜2を形成し、その後、基板1をその裏面側からエッチングすることにより、ガス流通路としての空洞部1aを形成する。
Here, an example of a manufacturing method of the detection element unit A1 will be briefly described. The
上例のような製造方法で製造される流量検出素子Aにおける各検出素子単位体A1において、前記蛇行状ヒータ4は、通電用電極3,3との接続部4b,4bを除く全長部が基板1と重ならないように、基板1における空洞部1aの外郭線OLで囲まれた領域内に配置されている。より具体的には、蛇行状ヒータ4の全長部のうち最も外周に位置する部分、即ち、隣接する直線ヒータ部分4a,4a間をそれぞれ繋ぐ各折返しヒータ部分4c及び通電用電極3,3との接続部4b,4bに連なる両側直線ヒータ部分4d,4dと基板1の空洞部1aの外郭線OLとの間に環状形の絶縁膜部分2aが存在するように空洞部1aの中央部付近に集約配置されている。
In each detection element unit A1 in the flow rate detection element A manufactured by the manufacturing method as in the above example, the
上記のように構成された流量検出素子Aによれば、蛇行状ヒータ4の全長部が基板1と重ならない領域内でガス流通路としての空洞部1aの中央部付近に集約的に配置されているために、ヒータ4から基板1への熱伝導による放熱ロスが抑制されガス流通部(空洞部1a及びガス流通孔6)付近の温度を一様に高めて大きな出力を得ることができる。また、ヒータ4の配置工夫のみによって基板1への放熱ロスを抑えることが可能で、放熱ロスを抑制するための補助加熱手段の設置は不要であるから、流量検出素子A自体の構造の簡単化、小型化並びに製造コストの低減化が図れるとともに、補助加熱のための余分な電力消費がないことと基板1への放熱ロスを抑制することが相俟って、全体としての消費電力を著しく低減することが可能でありながら、検出感度及び応答性の向上を実現することができる。
According to the flow rate detecting element A configured as described above, the
なお、上記の実施の形態では、蛇行状ヒータ4がその全長に亘って一定のヒータ線幅に形成されているもので示したが、図4に示すように、該蛇行状ヒータ4をその全長に亘り一定のヒータ線間隔としたうえで、通電用電極3,3に近い両側部分のヒータ線幅を中央部分のヒータ線幅よりも細く形成する、あるいは、図5に示すように、その全長に亘り一定のヒータ線幅としたうえで、通電用電極3,3に近い両側部分のヒータ線間隔を中央部分のヒータ線間隔よりも小さく形成することによって、ガス流通部の周辺部のジュール熱を中央部のジュール熱よりも大きくしてガス流通部付近の中央部と周辺部との温度分布を一様あるいはほぼ一様にすることが可能となり、その結果、中央部温度と周辺部温度の平均値として出力される電圧値を大きくし、検出感度の一層の向上を図ることができる。
In the above embodiment, the
A 赤外線ガス分析計用流量検出素子
1 基板
1a 空洞部
2 絶縁膜
3 通電用電極
4 蛇行状ヒータ
4a 直線ヒータ部分
4b 通電用電極との接続部
6 ガス流通孔
OL 空洞部の外郭線
A Flow detection element for
Claims (3)
前記ヒータへの通電用電極との接続部を除く蛇行状ヒータを、その全長部が前記基板と重ならないように基板における空洞部の外郭線で囲まれた領域内に配置していることを特徴とする赤外線ガス分析計用流量検出素子。 A flow rate detection element for an infrared gas analyzer disposed in a gas passage that connects two gas chambers filled with a gas having the same absorption characteristics as the measurement target gas, and a substrate having a cavity as a gas flow passage And a heater that is held in a meandering state and is applied with a constant voltage via an insulating film provided on the substrate so as to block the cavity, and an insulating film excluding a portion that holds the meandering heater In the flow detection element for an infrared gas analyzer formed by forming a plurality of gas flow holes in the part,
The meandering heater excluding the connection portion with the energization electrode to the heater is arranged in a region surrounded by the outline of the hollow portion of the substrate so that the full length portion does not overlap the substrate. A flow rate detecting element for an infrared gas analyzer.
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JP2000009641A (en) * | 1998-06-26 | 2000-01-14 | Horiba Ltd | Flow rate detection element for infrared gas analyzer and its manufacture |
JP2001153707A (en) * | 1999-11-30 | 2001-06-08 | Denso Corp | Flow sensor |
JP2003057087A (en) * | 2001-08-10 | 2003-02-26 | Horiba Ltd | Flow rate sensor for infrared gas analysis |
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