JP2007155502A - Detector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detector having improved accuracy for detecting the thermophysical values of a medium. <P>SOLUTION: The detector has a heater 300 for producing heat by power supply and a support part 500 for supporting the heater 300, and detects the thermophysical values of the medium by the heat exchange between the heater 300 and the medium. This detector has a crosslinked structure wherein the heater 300 is arranged to a cavity part 600 provided to the support part 500 and detection is performed during a period reaching a thermal equilibrium state after the start of power supply. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、気体・液体等の媒体の熱伝導度等の熱物性値を検出する検出器に関するものであり、特に電熱器として機能する検出器に関するものである。   The present invention relates to a detector that detects a thermal property value such as thermal conductivity of a medium such as a gas or a liquid, and more particularly to a detector that functions as an electric heater.

特許文献1の「電熱器の製造方法」は、第5(b)図においてヒータ部が電熱材料のみで直線形状のヒータについて開示したものであるが、ヒータ周囲の気体への熱伝導を開示したものではないので、伝導効率も考慮されていない。   Patent Document 1 “Method for Manufacturing Electric Heater” discloses a linear heater in which the heater portion is only an electrothermal material in FIG. 5 (b), but disclosed heat conduction to gas around the heater. Since it is not a thing, conduction efficiency is not considered.

特許文献2の「電熱器」は、電極部へのヒータからの熱放散を低減する方法について開示したものであり、第12図にその効果が示されている。しかし、温度差と検出量との関係において、電極部の温度をヒータ温度に近づけた考慮はされていない。   The “electric heater” of Patent Document 2 discloses a method for reducing heat dissipation from the heater to the electrode portion, and the effect is shown in FIG. However, in the relationship between the temperature difference and the detected amount, no consideration is given to bringing the temperature of the electrode portion close to the heater temperature.

特許文献3の「雰囲気センサの構造」は、熱温度分布の均一化を図る(段落0018)ためヒータのパターンの間隔を広くすることについて開示している。しかし、ヒータと熱物性の異なる薄膜絶縁体12と一体であるため、ヒータと雰囲気の熱伝導のみを効率よく検出する考慮はなされていない。   Patent document 3 “Atmosphere sensor structure” discloses widening the interval between heater patterns in order to achieve uniform thermal temperature distribution (paragraph 0018). However, since the heater and the thin film insulator 12 having different thermal properties are integrated, no consideration is given to efficiently detecting only the heat conduction between the heater and the atmosphere.

特許文献4の「流量検出素子および流量センサ」は、支持部への熱伝導量を低減させるために、発熱抵抗の間隔を調整することについて記述されている(段落0025)が、流体の熱伝導について考慮しても、発熱抵抗自身の熱伝導の効率について考慮されたものではない。   Patent Document 4 describes a flow rate detecting element and a flow rate sensor that adjust the interval between heating resistors to reduce the amount of heat conduction to the support (paragraph 0025). However, the efficiency of heat conduction of the heating resistor itself is not considered.

特許文献5の「熱交換器」は、熱交換器のフィンピッチ等と熱伝導率の関係を示した技術内容について開示してあるが、センサに適用するには短時間経過における過渡現象の考慮が必要である。
特公平2−13739号公報 特公平6−32267号公報 特許第3086314号公報 特開平11−201792号広報 特公平5−77959号公報
The “heat exchanger” of Patent Document 5 discloses the technical contents showing the relationship between the fin pitch and the like of the heat exchanger and the thermal conductivity. is required.
Japanese Patent Publication No. 2-13739 Japanese Patent Publication No. 6-32267 Japanese Patent No. 3086314 JP 11-201792 A Japanese Examined Patent Publication No. 5-77959

従来の検出器の構造を図15に図示する。この検出器は基板100(Si)上に電気絶縁層200(SiO2)を積層し、さらに電気導電性材料(Pt)からなるヒータ300、電極P1、P2、接続リード400のパターンを配し、さらに電気絶縁層200を積層し、ヒータ300と接する近傍の電気絶縁層200をエッチング除去した後、基板100をエッチングして空洞部600を形成する微細加工工程を経て、ヒータ300が空洞部600に架橋する構造である。支持部500は架橋しているヒータ300を支える機能を有している。図15の検出器の電極P1、P2、にボンディングワイヤ等の集積回路パッケージング手段により適宜電気配線をつなげ、図16に図示した定温度制御駆動回路に組み込み、電極P1、P2、接続リード400を通じてヒータ300へ、図16の定温度設定抵抗によりヒータ300が所望の温度になるように電力を印加する。ヒータ300が所望の温度になるまで、ヒータ300と周囲空間700の気体・液体等の媒質との温度勾配、周囲空間700の気体・液体等の媒質の熱伝導率に応じて、ヒータ300から周囲空間700の気体・液体等の媒質へ熱伝導するため、ヒータ300自身の温度は周囲空間700と温度勾配を持ちつつ熱平衡状態に達するまで過渡的に上昇していく。その過渡的に上昇していく温度変化は電極P2で検出する出力電圧に反映される。よって、その出力電圧の推移を、つまり、ヒータ300の消費電力の推移を測定することにより熱伝導する媒質への熱伝導量を検出することができる。図16に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置を電極P1、P2に接続することにより、ヒータ300の所望の温度において、ヒータ300と周囲空間700の気体・液体等の媒質との温度勾配に応じて、熱伝導する量をこの装置により消費電力の推移として測定することができる。これによって周囲空間700の気体・液体等の媒質の熱伝導率が求められ、あるいは前もって所定の熱伝導率である媒質で検量しておけば、測定した値と比較することによって、その媒質と他の媒質との混合比率(濃度)として求めることが出来る。 The structure of a conventional detector is shown in FIG. In this detector, an electric insulating layer 200 (SiO 2 ) is laminated on a substrate 100 (Si), and a pattern of a heater 300 made of an electrically conductive material (Pt), electrodes P1 and P2, and connection leads 400 is arranged. Further, the electrical insulating layer 200 is stacked, and the electrical insulating layer 200 in contact with the heater 300 is removed by etching. Then, the substrate 300 is etched to form a cavity 600, and the heater 300 is formed in the cavity 600. It is a structure that crosslinks. The support portion 500 has a function of supporting the heater 300 that is cross-linked. Electrical wiring is appropriately connected to the electrodes P1 and P2 of the detector of FIG. 15 by means of integrated circuit packaging means such as bonding wires, and is incorporated into the constant temperature control drive circuit shown in FIG. 16 through the electrodes P1 and P2 and connection leads 400. Electric power is applied to the heater 300 so that the heater 300 reaches a desired temperature by the constant temperature setting resistor of FIG. Depending on the temperature gradient between the heater 300 and the medium such as gas / liquid in the surrounding space 700 and the thermal conductivity of the medium such as gas / liquid in the surrounding space 700 until the heater 300 reaches a desired temperature, In order to conduct heat to a medium such as gas or liquid in the space 700, the temperature of the heater 300 itself rises transiently until reaching a thermal equilibrium state with a temperature gradient with the surrounding space 700. The temperature change that rises transiently is reflected in the output voltage detected by the electrode P2. Therefore, the amount of heat conduction to the heat conducting medium can be detected by measuring the transition of the output voltage, that is, the transition of the power consumption of the heater 300. By connecting a device equipped with the constant temperature control driving circuit shown in FIG. 16 to the electrodes P 1 and P 2, the temperature gradient between the heater 300 and a medium such as gas or liquid in the surrounding space 700 at the desired temperature of the heater 300. Accordingly, the amount of heat conduction can be measured by this apparatus as a transition of power consumption. As a result, the thermal conductivity of the medium such as gas or liquid in the surrounding space 700 is obtained, or if it is calibrated in advance with a medium having a predetermined thermal conductivity, the medium and others can be compared with the measured values. The mixing ratio (concentration) with the medium can be obtained.

ヒータ300より生じる熱は周囲の媒質へ熱伝導するだけでなく、ヒータ300の支持部500に対しても熱伝導してしまう。検出値の精度を高めるためには、できるだけ接触する支持部500の領域は少なくした方が良い。そのために空洞部600を設けた構造をとっている。さらに、ヒータ300の発熱量を過不足なく検出量に効率よく反映させるために、ヒータ300の温度をできるだけ高くし、媒質の温度はできるだけ低くすることが望ましい。ニュートンの冷却の法則で示されているように、物体の温度Tが単位時間内に変化する割合は、現在の物体の温度Tと物体を取り囲む周囲との温度差に比例するので、温度差が大きいほど、熱伝導量は多くなるという熱伝導原理によるものである。 The heat generated from the heater 300 not only conducts heat to the surrounding medium but also conducts heat to the support portion 500 of the heater 300. In order to increase the accuracy of the detection value, it is preferable to reduce the area of the support portion 500 that contacts as much as possible. Therefore, a structure in which a cavity portion 600 is provided is employed. Furthermore, in order to efficiently reflect the amount of heat generated by the heater 300 in the detected amount without excess or deficiency, it is desirable to make the temperature of the heater 300 as high as possible and the temperature of the medium as low as possible. As indicated by Newton's law of cooling, the rate at which the temperature T of the object changes within a unit time is proportional to the temperature difference between the current temperature T of the object and the surrounding surrounding the object, so that the temperature difference is This is due to the heat conduction principle that the larger the value, the greater the amount of heat conduction.

ただ、図15のように複線配置されたヒータ300の場合では、複線配置した隣接したヒータ300同士(間隔D1)の影響による周囲の媒質の温度上昇が検出値の精度に影響を及ぼす点について懸念される。従って、電圧を印加し続ければ、経過と共にやがてはヒータ300によって周囲の媒質の温度が急激に上昇してしまうおそれがある。この点についてはそもそも空洞部600に対し1直線に配置したヒータを用いれば隣接したヒータが存在しないので、複線配置した隣接したヒータ同士の影響による周囲の媒質の温度上昇は無くなるところである。しかし、ヒータを1直線に配置した構造は検出する出力電圧の値が小さすぎて精度の良い検出が困難になる。また、出力電圧の値を大きくするためにヒータが1直線であるとヒータを細く長くしなければならない。さらに、通常はヒータ自身の耐久性に支障をきたすので、検出器の作り易さを鑑みてヒータ自身を補強する被覆手段が用いられていた。しかし、ヒータ自身を補強する被覆手段の分が熱容量となり、ヒータと周囲の媒質への熱伝導量を検出することにおいて伝導時間、伝導量を余分に消費してしまうため、そこで図15のようなヒータ300のような被覆手段を用いない構造が採用されていた。   However, in the case of the heater 300 arranged with double lines as shown in FIG. 15, the concern is that the temperature rise of the surrounding medium due to the influence of the adjacent heaters 300 (interval D1) arranged with double lines affects the accuracy of the detected value. Is done. Therefore, if the voltage is continuously applied, the temperature of the surrounding medium may be rapidly increased by the heater 300 over time. In this respect, if heaters arranged in a straight line with respect to the cavity portion 600 are used, there is no adjacent heater, so the temperature rise of the surrounding medium due to the influence of adjacent heaters arranged in multiple lines is eliminated. However, the structure in which the heaters are arranged in a straight line makes it difficult to detect with high accuracy because the value of the output voltage to be detected is too small. Further, in order to increase the value of the output voltage, if the heater is a straight line, the heater must be made thin and long. In addition, since the durability of the heater itself is usually hindered, a covering means for reinforcing the heater itself has been used in view of the ease of manufacturing the detector. However, since the portion of the covering means that reinforces the heater itself has a heat capacity, detecting the amount of heat conduction to the heater and the surrounding medium consumes extra conduction time and amount of conduction. A structure that does not use covering means such as the heater 300 has been adopted.

図15に示す従来の構造では(b)に示すように、ヒータ間隔D1が4μmと狭まっている場合、(c)に示すように、ヒータ表面位置S1及びヒータ近傍位置S2(S1から2μm離れている)の温度を、通電開始時刻から測定すると図17のグラフに示すようになる。位置S1では11msecで200℃の熱平衡状態に達し、位置S2では熱伝導のため徐々に昇温し、S1とS2の温度差が11msecでは140℃のところ30msecでは110℃に減少する。すると、図18のグラフに示すように、ヒータ隣接間隔D1が4μmの場合、11msec経過後の出力電圧Voutは7.8Vにまで低下してしまう。ヒータ隣接間隔が小さすぎるため温度差が小さく、隣接ヒータの影響が大きいためである。   In the conventional structure shown in FIG. 15, when the heater interval D1 is as narrow as 4 μm as shown in (b), as shown in (c), the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2 (2 μm apart from S1) 17) is measured from the energization start time, the result is shown in the graph of FIG. At the position S1, a thermal equilibrium state of 200 ° C. is reached at 11 msec, the temperature gradually increases due to heat conduction at the position S2, and the temperature difference between S1 and S2 decreases from 140 ° C. at 11 msec to 110 ° C. at 30 msec. Then, as shown in the graph of FIG. 18, when the heater adjacent interval D1 is 4 μm, the output voltage Vout after 11 msec has decreased to 7.8V. This is because the heater gap is too small, so the temperature difference is small, and the influence of the adjacent heater is large.

一方、検出は所定の時間間隔で行わなければならないが、ヒータ300から生じる熱によって周囲の媒質の温度が上昇しないようにしなければならない。ヒータ300の熱によって周囲の媒質の温度が上昇してしまうことによりヒータ300と周囲の媒質との温度差が小さくなり、ヒータ300からの熱伝導量は減少して検出量が低下する、というヒータ300による周囲の媒質への熱影響のことを考慮しなければならない。   On the other hand, the detection must be performed at predetermined time intervals, but the temperature of the surrounding medium must not be increased by the heat generated from the heater 300. A heater in which the temperature of the surrounding medium rises due to the heat of the heater 300, so that the temperature difference between the heater 300 and the surrounding medium becomes small, the amount of heat conduction from the heater 300 decreases, and the detection amount decreases. The thermal effect on the surrounding medium by 300 must be taken into account.

また、媒質自体が高温度である場合、ヒータ300と周囲の媒質の温度差は当然小さくなり、熱伝導率が小さくなる。このとき検出する出力電圧が媒質の温度変化に対して非直線性を示してしまうので、高精度に温度補償するための温度を検量して補正する手間をかけたり、複雑な補償回路を使用しなければならない。このような事態を解消するには、ヒータによって周囲の媒質の温度が上昇しないような、ヒータの配置、形状や通電、検出方法を考えることは当然であるが、特に検出タイミングについて考慮する必要がある。   In addition, when the medium itself is at a high temperature, the temperature difference between the heater 300 and the surrounding medium is naturally small, and the thermal conductivity is small. Since the output voltage detected at this time shows non-linearity with respect to the temperature change of the medium, it takes time to calibrate and correct the temperature for temperature compensation with high accuracy, or use a complicated compensation circuit. There must be. In order to eliminate such a situation, it is natural to consider the arrangement, shape, energization, and detection method of the heater so that the temperature of the surrounding medium is not increased by the heater, but it is particularly necessary to consider the detection timing. is there.

そこで本発明では上記事情を考慮して媒質の熱物性値の検出の精度を向上させることができる検出器を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a detector capable of improving the accuracy of detection of a thermophysical property value of a medium in consideration of the above circumstances.

上記目的を達成する本発明の態様は、通電により発熱する第1の発熱手段と、前記第1の発熱手段を支持する支持手段を有し、前記第1の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、前記支持手段に設けられた空洞部に前記第1の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする。   An aspect of the present invention that achieves the above object includes a first heat generating means that generates heat by energization, and a support means that supports the first heat generating means, by heat exchange between the first heat generating means and the medium. In the detector for detecting the thermophysical value of the medium, the detector has a bridging structure in which the first heat generating unit is arranged in a cavity provided in the supporting unit, and after the start of energization until the thermal equilibrium state is reached. The detection is performed.

ここで、前記第1の発熱手段を二以上有し、隣接した第1の発熱手段同士の間隔を、当該第1の発熱手段による発熱の拡散長の2倍以上にすることを特徴とする。   Here, there are two or more first heat generating means, and an interval between adjacent first heat generating means is set to be twice or more of a diffusion length of heat generated by the first heat generating means.

また、通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第2の発熱手段を有し、前記第1の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第2の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする。   Also, there is a second heat generating means that generates heat by energization and adjusts the temperature of the support means, and the timing of heat generation by the first heat generating means is substantially the same as the timing of heat generation by the second heat generating means. It is characterized by doing.

また、前記第1の発熱手段を通電するために、当該第1の発熱手段と電極を接続している接続手段と、前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする。   Further, in order to energize the first heat generating means, there is provided a connecting means for connecting the first heat generating means and the electrode, and a covering means for covering the connecting means.

また、前記第1の発熱手段は立体的形状を有し、前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする。   Further, the first heat generating means has a three-dimensional shape, and has a temperature sensing means for detecting the amount of heat of the medium.

本発明の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度を向上させることができる。簡便な手段故、通電に要する電圧は必要最小限で済み、発熱手段へのオーバーロード低減化、再現性の安定性が向上する。また、短時間で検出することになるので、周囲の媒質における過渡変動を詳細にとらえることができる。   The detector of the present invention can increase the amount of detection and improve the measurement accuracy by simple means considering the detection timing. Due to the simple means, the voltage required for energization is minimized, and the overload to the heat generating means is reduced and the stability of reproducibility is improved. Further, since the detection is performed in a short time, the transient fluctuation in the surrounding medium can be grasped in detail.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。説明する際には本明細書と同時に提出する図面を参照する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described. In the description, reference is made to the drawings submitted at the same time as this specification.

本形態の検出器の構造を図1に図示する。この検出器は基板100(Si)上に電気絶縁層200(SiO2)を積層し、さらに電気導電性材料(Pt)からなるヒータ300、電極P1、P2、接続リード400のパターンを図1のように1直線上に配し、さらに電気絶縁層200を積層し、ヒータ300と接する近傍の電気絶縁層200をエッチング除去した後、基板100をエッチングして空洞部600を形成する微細加工工程を経て、ヒータ300が空洞部600に架橋する構造である。支持部500は架橋しているヒータ300を支える機能を有している。媒質の熱伝導量を測定する原理は上述の通りである。図16に図示した定温度制御駆動回路を搭載した装置が電極P1、P2に接続されており、この装置により消費電力の推移を測定する。 The structure of the detector of this embodiment is shown in FIG. In this detector, an electric insulating layer 200 (SiO 2 ) is laminated on a substrate 100 (Si), and a pattern of a heater 300 made of an electrically conductive material (Pt), electrodes P1 and P2, and connection leads 400 is shown in FIG. In this way, a microfabrication process is performed in which the electrical insulating layer 200 is further stacked, and the electrical insulating layer 200 in contact with the heater 300 is removed by etching, and then the substrate 100 is etched to form the cavity 600. As a result, the heater 300 is cross-linked to the cavity 600. The support portion 500 has a function of supporting the heater 300 that is cross-linked. The principle of measuring the thermal conductivity of the medium is as described above. A device equipped with the constant temperature control drive circuit shown in FIG. 16 is connected to the electrodes P1 and P2, and the transition of power consumption is measured by this device.

ヒータ300の材料がPtである場合は、検出量と微細加工の歩留まりを考慮すると、ヒータは厚さ0.1〜1μm、幅1〜5μmである。この場合、ヒータ300の断面積が小さいほど内部で発生する熱の、外部への熱伝導に対する効率が良い。ヒータ300の断面積が大きいと、ヒータ300内部の熱が外部に伝わりにくく、内部の熱がロスになるからである。   When the material of the heater 300 is Pt, the heater has a thickness of 0.1 to 1 μm and a width of 1 to 5 μm in consideration of the detection amount and the yield of microfabrication. In this case, the smaller the cross-sectional area of the heater 300, the better the efficiency of heat generated inside to heat conduction to the outside. This is because if the cross-sectional area of the heater 300 is large, the heat inside the heater 300 is not easily transmitted to the outside, and the internal heat is lost.

空洞部600上に1直線に沿って配置したヒータ300は長さ1〜5mmであって、長いほど熱伝導量は多く検出量も大きいが、あまりにも長い場合、材料、厚さ、幅、温度を考慮するとおおよそ1.5mmを越える場合、は中間位置で強度や変形を防ぐために支持部を設ける場合がある。   The heater 300 arranged along a straight line on the cavity 600 has a length of 1 to 5 mm. The longer the heater 300, the larger the amount of heat conduction and the larger the detected amount, but if it is too long, the material, thickness, width, temperature In consideration of the above, if it exceeds approximately 1.5 mm, a support portion may be provided at an intermediate position to prevent strength and deformation.

また、ヒータの支持部500は強度や変形を防ぐためにヒータ300となる電熱材料以外の電気絶縁膜(電気絶縁層200を覆う膜でありSiO2、Si3N4、Al2O3を使用する。)によるブリッジやダイヤフラムで支える構造であることが多いが、ヒータ300の支持部500への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部500は少なくした方が良い。ゆえに、ブリッジやダイヤフラムで電熱材料を支えることなく、できるだけ電熱材料のみであることがより好ましい。なお、基板100の外形は厚さ0.2〜0.4mm、横0.5〜1mm、縦1.5〜6mmであり、ヒータ300が長いほど基板100の外形は縦長になる。 In addition, the heater support portion 500 is an electric insulating film other than the electrothermal material used as the heater 300 to prevent strength and deformation (a film covering the electric insulating layer 200, and uses SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 . .) Is often supported by a bridge or a diaphragm. However, since heat dissipation to the support portion 500 of the heater 300 is not heat dissipation to the surrounding medium, it is preferable to reduce the support portion 500 as much as possible. Therefore, it is more preferable to use only the electrothermal material as much as possible without supporting the electrothermal material with a bridge or a diaphragm. The outer shape of the substrate 100 is 0.2 to 0.4 mm in thickness, 0.5 to 1 mm in width, and 1.5 to 6 mm in length. The longer the heater 300 is, the longer the outer shape of the substrate 100 is.

検出器として周囲の媒質の熱物性の情報を得るためには、図16の定温度駆動制御回路による一定抵抗値制御によってヒータ300の温度を50〜500℃の適当な値に設定し、媒質への熱伝導による熱供給量を、定温度設定抵抗(一定抵抗値)への消費電力等の電気信号増大量として得るようにする。乾燥空気25℃の媒質においては、室温25℃から50〜500℃へのヒータ熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して0.1〜50msecとなる。   In order to obtain information on the thermophysical properties of the surrounding medium as a detector, the temperature of the heater 300 is set to an appropriate value of 50 to 500 ° C. by constant resistance control by the constant temperature drive control circuit of FIG. The heat supply amount due to the heat conduction is obtained as an increase amount of an electric signal such as power consumption to the constant temperature setting resistor (constant resistance value). In a medium with a dry air of 25 ° C., the time for reaching the heater thermal equilibrium state from 25 ° C. to 50 to 500 ° C. is 0.1 to 50 msec corresponding to the temperature for reaching the heater thermal equilibrium state.

一例として、乾燥空気25℃の媒質において、材料をPt、厚さ0.5μm、幅3μm、長さ1mmのヒータ300を使用し、基板100の外形を厚さ0.3mm、横0.7mm、縦2mmとして、図16の定温度駆動制御回路によってヒータ300を200℃定温度制御した。その結果を図2〜図5のグラフに示す。   As an example, in a medium of dry air at 25 ° C., a heater 300 having a material of Pt, a thickness of 0.5 μm, a width of 3 μm, and a length of 1 mm is used, and the outer shape of the substrate 100 is 0.3 mm in thickness, 0.7 mm in width, The heater 300 was controlled at a constant temperature of 200 ° C. by a constant temperature drive control circuit of FIG. The results are shown in the graphs of FIGS.

まず、図2に示すように、室温25℃から200℃へのヒータ熱平衡到達の時間は10msecとなる。次に、図1(c)のヒータ表面位置S1とヒータ近傍位置S2(S1から2μm離れている)位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置S1では10msecで200℃の熱平衡状態に達し、位置S2では熱伝導のため徐々に昇温し、S1とS2の温度差が10msecでは150℃のところ30msecでは125℃に減少する。すると図3グラフに示すように10msec出力電圧Voutがでは4.0Vのところ、30msecでは3.8Vになり、約5%減少してしまう。   First, as shown in FIG. 2, the time for reaching the heater thermal equilibrium from room temperature 25 ° C. to 200 ° C. is 10 msec. Next, when the temperatures of the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2 (2 μm away from S1) in FIG. 1C are measured from the energization start time, a thermal equilibrium state of 200 ° C. is reached at position S1 in 10 msec. At position S2, the temperature gradually increases due to heat conduction, and the temperature difference between S1 and S2 is 150 ° C. at 10 msec and decreases to 125 ° C. at 30 msec. Then, as shown in the graph of FIG. 3, when the output voltage Vout of 10 msec is 4.0 V, it becomes 3.8 V at 30 msec, which is reduced by about 5%.

熱平衡状態に到達以後はヒータ300の温度は上昇しないが、周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少して検出量が下がってゆく。従って、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多くし、検出量を大きくすることができる。   After reaching the thermal equilibrium state, the temperature of the heater 300 does not rise, but the temperature of the surrounding medium rises, so the temperature difference becomes smaller, the amount of heat conduction decreases, and the detection amount decreases. Therefore, the amount of heat conduction can be increased by detecting by the time when the thermal equilibrium state is reached, and the detected amount can be increased.

ここで図4に示すように、位置S2の温度が低下するように休止時間を設け駆動して図中の「検出タイミング」において検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できる。また、図1の検出器を複数設置して互いにタイミングをずらして駆動することによって、それぞれの検出をあわせれば、温度が低下できる休止時間を保って検出間欠時間の短い測定をすることも可能である。   Here, as shown in FIG. 4, if a stop time is provided so as to decrease the temperature at the position S2 and driving is performed and detection is performed at the “detection timing” in the figure, the measurement can be continuously performed with high repeatability. In addition, by installing a plurality of the detectors of FIG. 1 and driving them at different timings, it is possible to perform a measurement with a short detection intermittent time while maintaining a pause time in which the temperature can be lowered if the respective detections are combined. is there.

さらに、例えば媒質が乾燥空気と水素の混合媒質である場合は、図5に示すように、出力電圧Voutの温度依存性で温度について見ると、検出タイミングが30msecでは検出タイミングが10msecのときと比べて混合媒質が高温度になるほど出力電圧の変化が小さくなる。つまり、検出タイミング30msecでは10msecにおいてよりも混合媒質の温度について1次の比例関係にないことがわかる。従って、検出する出力電圧は熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって媒質の高温度領域までの直線性が改善され、測定範囲を広げることできるがわかる。例えば、燃料電池システムにおいて空気中に漏洩する水素の濃度測定では−20〜60℃の温度範囲であり、燃料電池セル内の水素に対する水蒸気濃度を測定することにおいては0〜100℃である。このように広範囲かつ高温度の条件のもとに高精度に測定することができる。   Further, for example, when the medium is a mixed medium of dry air and hydrogen, as shown in FIG. 5, when the temperature is seen by the temperature dependency of the output voltage Vout, the detection timing is 30 msec as compared with the detection timing of 10 msec. Thus, the higher the temperature of the mixed medium, the smaller the change in output voltage. That is, it can be seen that at the detection timing 30 msec, the temperature of the mixed medium is not in a first-order proportional relationship than at 10 msec. Therefore, it can be seen that by detecting the output voltage to be detected by the time when the thermal equilibrium state is reached, the linearity to the high temperature region of the medium is improved and the measurement range can be expanded. For example, in the measurement of the concentration of hydrogen leaking into the air in the fuel cell system, the temperature range is -20 to 60 ° C, and in the measurement of the water vapor concentration with respect to hydrogen in the fuel cell, the temperature is 0 to 100 ° C. Thus, measurement can be performed with high accuracy under a wide range and high temperature conditions.

以上の説明から、本形態の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。   From the above description, the detector of this embodiment has a large detection amount and improved measurement accuracy by a simple means considering the detection timing. Moreover, useless voltage application is eliminated by detecting with the minimum necessary power application. As a result, the overload to the heater can be reduced and stable reproducibility can be obtained. Moreover, the transient fluctuations of the surrounding medium could be grasped in detail by detecting in a short time. Moreover, it was possible to measure intermittently with good repeatability by driving and detecting the temperature to decrease. Further, the temperature dependency is improved by improving the temperature dependence, and the labor for acquiring the temperature calibration is simplified, and no compensation circuit is required. And the use of a detector is expanded by extending a measurement range.

本形態の検出器の他の構造を図6に図示する。基本的な構造は図1のものと同様であるのでその説明を省略する。相違するところはヒータ300、電極P1、P2、ヒータ300間を連結する接続リード400のパターンがコの字状に配置されているところと、当該パターンが折り返している箇所が支持部500により支持されている点である。その結果、空洞部600にヒータ300が2本配置されている。微小サイズの検出器を大量生産ができるように半導体微細加工技術を活用して集積度を向上させるのであれば尚更である。そのため、微小なサイズのチップ内にできるだけ大きく検出領域を設ける必要があり、つまり、ヒータを複線配置する必要がある。   Another structure of the detector of this embodiment is shown in FIG. Since the basic structure is the same as that of FIG. 1, the description thereof is omitted. The difference is that the heater 300, the electrodes P1, P2, and the connection lead 400 pattern connecting the heaters 300 are arranged in a U-shape, and the portion where the pattern is folded is supported by the support portion 500. It is a point. As a result, two heaters 300 are disposed in the cavity 600. This is especially true if the degree of integration is improved by utilizing semiconductor microfabrication technology so that small-sized detectors can be mass-produced. For this reason, it is necessary to provide a detection region as large as possible in a very small chip, that is, it is necessary to arrange a double-line heater.

空洞部600上に配置したヒータ300は1本あたり長さ0.2〜0.8mmであって、ヒータ間隔D2は10〜20μmである。基板100の外形は厚さ0.2〜0.4mm、横0.5〜1mm、縦0.5〜1.5mmとなる。室温25℃から50〜500℃へのヒータ300による熱平衡状態到達の時間はヒータ熱平衡状態到達の温度に対応して0.1〜50msecとなる。   Each heater 300 disposed on the cavity 600 has a length of 0.2 to 0.8 mm, and the heater interval D2 is 10 to 20 μm. The outer shape of the substrate 100 is 0.2 to 0.4 mm in thickness, 0.5 to 1 mm in width, and 0.5 to 1.5 mm in length. The time for reaching the thermal equilibrium state by the heater 300 from room temperature 25 ° C. to 50 to 500 ° C. is 0.1 to 50 msec corresponding to the temperature at which the heater thermal equilibrium state is reached.

検出器周囲の媒質の熱物性の情報を得る方法も図16の定温度駆動制御回路を用いる点は同様であるが、ヒータ300が複線なので、ヒータの抵抗値は多くなり出力電圧が大きくなる点に留意する。   The method for obtaining information on the thermophysical properties of the medium around the detector is the same in that the constant temperature drive control circuit of FIG. 16 is used. However, since the heater 300 is a double line, the resistance value of the heater increases and the output voltage increases. Keep in mind.

一例として、乾燥空気25℃の媒質において、材料をPt、厚さ0.5μm、幅3μm、長さ1mm、ヒータ隣接間隔D2は15μm、基板100の外形を厚さ0.3mm、横0.7mm、縦1.5mmとして、図16の定温度駆動制御回路によってヒータ300を200℃定温度制御した。その結果を図7〜図9のグラフに示す。   As an example, in a medium of dry air at 25 ° C., the material is Pt, the thickness is 0.5 μm, the width is 3 μm, the length is 1 mm, the heater adjacent distance D2 is 15 μm, the outer shape of the substrate 100 is 0.3 mm in thickness, and 0.7 mm in width. The heater 300 was controlled at a constant temperature of 200 ° C. by a constant temperature drive control circuit of FIG. The results are shown in the graphs of FIGS.

まず、図7に示すように、室温25℃から200℃へのヒータ300熱平衡到達の時間は11msecとなる。次に、図6(c)のヒータ表面位置S1とヒータ近傍位置S2(S1から2μm離れている)位置の温度を、通電開始時刻から測定すると、位置S1では11msecで200℃の熱平衡状態に達し、位置S2では熱伝導のため徐々に昇温し、S1とS2の温度差が11msecでは150℃のところ30msecでは125℃に減少する。この値は、隣接ヒータがない場合の検出器の経過時刻−温度差特性(図2)とほぼ同一であって、隣接ヒータの影響が少ないものと判断できる。   First, as shown in FIG. 7, the time for the heater 300 to reach thermal equilibrium from 25 ° C. to 200 ° C. is 11 msec. Next, when the temperatures of the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2 (2 μm away from S1) in FIG. 6C are measured from the energization start time, a thermal equilibrium state of 200 ° C. is reached at position S1 in 11 msec. At position S2, the temperature gradually increases due to heat conduction, and the temperature difference between S1 and S2 decreases to 150 ° C. at 11 msec and to 125 ° C. at 30 msec. This value is substantially the same as the elapsed time-temperature difference characteristic of the detector when there is no adjacent heater (FIG. 2), and it can be determined that the influence of the adjacent heater is small.

また、従来のようにヒータ間隔D1が4μmと狭い場合(図15)、図17に示すように、位置S1とS2の温度差が140℃(11msec)から110℃(30msec)であったので、図6の構造の検出器は温度差が大きい状態を維持している。また、図8の出力電圧Voutの推移を比較してみると、ヒータ隣接間隔D2が15μmの場合は7.9V(11msec)のところヒータ隣接間隔D1では7.8Vであり約2%減少してしまう。よって、ヒータ隣接間隔を4μmより広げたほうが良い。   Further, when the heater interval D1 is as narrow as 4 μm as in the prior art (FIG. 15), as shown in FIG. 17, the temperature difference between the positions S1 and S2 was 140 ° C. (11 msec) to 110 ° C. (30 msec). The detector having the structure shown in FIG. 6 maintains a state where the temperature difference is large. Further, when the transition of the output voltage Vout in FIG. 8 is compared, when the heater adjacent interval D2 is 15 μm, it is 7.9 V (11 msec), and the heater adjacent interval D1 is 7.8 V, which is reduced by about 2%. End up. Therefore, it is better to make the heater adjacent interval wider than 4 μm.

その条件は、図9のヒータ表面の温度と媒質の温度の関係からすれば、隣接ヒータ間の中央位置での媒質の温度が、ヒータからの熱伝導によって上昇しないようにすればよい。即ち、ヒータを一定温度に維持するときのヒータ表面からの熱伝導距離をヒータの熱拡散長(=熱伝導速度×時間)として、隣接するヒータからの影響を考慮すると、隣接間隔は拡散長の2倍以上必要である。拡散長は温度差、時間、媒質の熱伝導率によって依存する。さらには、通電時間が短いほうが隣接ヒータ間距離を短くすることが出来ることがわかる。すなわち、媒質への拡散長個所でヒータからの温度上昇を受けない期間で、温度差がもっとも大きくなるタイミングは、ヒータの最高温度時に到達する通電開始後熱平衡状態に達するまでの間である。   The condition is that the temperature of the medium at the central position between adjacent heaters should not be increased by the heat conduction from the heater, considering the relationship between the temperature of the heater surface and the temperature of the medium in FIG. In other words, the heat conduction distance from the heater surface when the heater is maintained at a constant temperature is the heat diffusion length of the heater (= heat conduction speed × time), and considering the influence from adjacent heaters, the adjacent distance is the diffusion length. Two times or more are necessary. The diffusion length depends on the temperature difference, time, and thermal conductivity of the medium. Furthermore, it can be seen that the shorter the energization time, the shorter the distance between adjacent heaters. That is, the timing at which the temperature difference becomes the largest in a period where the temperature from the heater is not increased at the diffusion length to the medium is from the start of energization that reaches the maximum temperature of the heater until the thermal equilibrium state is reached.

一例として、大気中の水蒸気量を計測する検出器の場合を想定すると、25℃の空気の熱伝導率26.1mW/mK、温度勾配150K、時間11msecとして熱拡散長は6μmであるので、熱平衡に至るヒータ加熱時間の熱量を含めてもヒータ間隔は10〜20μm以上あれば良いことになる。ヒータ隣接間隔15μmは、室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合、ほぼ最適な間隔といえる。   As an example, assuming a detector that measures the amount of water vapor in the atmosphere, the thermal diffusion length is 6 μm with a thermal conductivity of 26.1 mW / mK at 25 ° C., a temperature gradient of 150 K, and a time of 11 msec. Even if the amount of heat of the heater heating time to reach is included, the heater interval may be 10 to 20 μm or more. The heater adjacent interval of 15 μm can be said to be a substantially optimal interval when measuring the amount of water vapor in a normal living atmosphere near room temperature.

さらに図8のグラフを見ると、ヒータ隣接間隔D2が15μmの場合の出力電圧Voutは、11msecでは7.9Vのところ30msecでは7.5Vになり約5%減少してしまう。熱平衡状態に到達した後はヒータの温度は上昇しないが周囲の媒質の温度は上昇するので、温度差は小さくなり熱伝導量は減少し検出量が下がってゆく。従って、上記のヒータ隣接間隔は拡散長の2倍以上必要であることに加えて、熱平衡状態に達する時刻までに検出することによって熱伝導量を多く、検出量を大きくできる。   Further, when viewing the graph of FIG. 8, the output voltage Vout when the heater adjacent interval D2 is 15 μm is 7.9 V at 11 msec and 7.5 V at 30 msec, which is reduced by about 5%. After reaching the thermal equilibrium state, the temperature of the heater does not rise, but the temperature of the surrounding medium rises, so the temperature difference becomes smaller, the amount of heat conduction decreases, and the detection amount decreases. Therefore, in addition to the above-mentioned heater adjacent interval being required to be twice or more the diffusion length, the amount of heat conduction can be increased by detecting by the time when the thermal equilibrium state is reached, and the detected amount can be increased.

これによって、例えば室温付近の通常居住雰囲気の水蒸気量を計測する場合には、ヒータ隣接間隔が15μmであって、ヒータ加熱時間を11msecにして11msecまでに検出すれば、ほぼ最適な条件といえる。さらに、図4を用いて説明したように、位置S2の温度が低下するように休止時間を設け駆動して検出すれば、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できるし、他のヒータを設置して交互に駆動すれば、より時間間隔の短い測定ができる。   Thus, for example, when measuring the amount of water vapor in a normal living atmosphere near room temperature, the heater adjacent interval is 15 μm, and if the heater heating time is 11 msec and detected by 11 msec, it can be said that the condition is almost optimal. Furthermore, as described with reference to FIG. 4, if a pause time is provided so that the temperature at the position S <b> 2 is lowered and driven and detected, the measurement can be repeated intermittently with high accuracy, and other heaters are installed. If they are driven alternately, measurement with a shorter time interval can be performed.

なお、図6では複線のヒータを2本のヒータで示したが、図10に示すようにそれ以上の本数も可能である。この場合、空洞部600を上下に2箇所設けるようにし、ヒータ300の中間位置を支持部500で支持するようにすることでヒータ300の安定性を保つ。   In FIG. 6, the double-line heater is shown as two heaters. However, as shown in FIG. In this case, the stability of the heater 300 is maintained by providing two hollow portions 600 at the top and bottom and supporting the intermediate position of the heater 300 by the support portion 500.

以上の説明から、図6の検出器は検出タイミングを考慮した簡便な手段により、検出量も多くなり計測精度が向上した。また、必要最小限の電力印加で検出することにより無駄な電圧印加が無くなった。これにより、ヒータへのオーバーロードが低減でき安定良く再現性がえられた。また、短時間で検出することにより周囲の媒質の過渡変動を詳細にとらえることができた。また、温度が低下するように駆動して検出することにより、繰り返し精度よく間欠的に継続して測定できた。また、熱伝導量が多くなることにより検出量も多くなり計測精度が向上した。また精度が向上することによりさらに基板の寸法が微小になり、微小個所に装着できた。また、温度依存性が改善されることにより温度補償精度が向上するとともに、温度検量取得の手間が簡単になり、補償回路も不要である。そして、測定範囲が広がることにより検出器の用途が広げられる。   From the above description, the detector shown in FIG. 6 has a large detection amount and improved measurement accuracy by simple means considering the detection timing. Moreover, useless voltage application is eliminated by detecting with the minimum necessary power application. As a result, the overload to the heater can be reduced and stable reproducibility can be obtained. Moreover, the transient fluctuations of the surrounding medium could be grasped in detail by detecting in a short time. Moreover, it was possible to measure intermittently with good repeatability by driving and detecting the temperature to decrease. In addition, the amount of detection increased as the amount of heat conduction increased, and the measurement accuracy improved. Moreover, the accuracy of the substrate has further reduced the size of the substrate, so that it can be mounted at a minute location. Further, the temperature dependency is improved by improving the temperature dependence, and the labor for acquiring the temperature calibration is simplified, and no compensation circuit is required. And the use of a detector is expanded by extending a measurement range.

また、本形態の検出器の他の構造を図11に図示する。基本的な構造は図1のものと共通するのでその説明を省略する。相違するところは空洞部600を設ける際に、それらの間に支持部500を設けたこと、つまり、電気絶縁層200をエッチングする箇所を一部省略したことと、電極P3、P4、支持部ヒータ800のパターンが配置されている点である。その結果、一直線上に配置されたヒータ300、電極P1、P2、接続リード400のパターンが中央位置で支持部500により支持されている。電極P3において電圧を印加し支持部ヒータ800を発熱させると、この熱は支持部500の温度を調節するように機能する。そして、電圧P4により出力電圧を検出し、支持部ヒータ800における消費電力の推移を測定する。   Another structure of the detector of this embodiment is shown in FIG. The basic structure is the same as that shown in FIG. The difference is that when the cavity portion 600 is provided, the support portion 500 is provided between them, that is, a part where the electrical insulating layer 200 is etched is omitted, and the electrodes P3 and P4, the support portion heater are omitted. The point is that 800 patterns are arranged. As a result, the pattern of the heater 300, the electrodes P1 and P2, and the connection lead 400 arranged on a straight line is supported by the support portion 500 at the center position. When a voltage is applied to the electrode P3 to generate heat in the support portion heater 800, this heat functions to adjust the temperature of the support portion 500. Then, the output voltage is detected by the voltage P4, and the transition of the power consumption in the support portion heater 800 is measured.

ヒータ300から支持部500への熱放散は周囲の媒質への熱放散ではないので、できるだけ支持部500の領域は少なくした方が良い。その上、周囲空間700の媒質の熱伝導率と比較してヒータ300の熱伝導率が無視できない場合、支持部500もヒータ300の温度に近づけてヒータ300から支持部500への熱流を少なくする必要がある。また、支持部500の温度が上昇すると、支持部500周囲の媒質への熱伝導が生じ、その分の検出量が障害となるので、支持部500から媒質への熱伝導を少なくする必要がある。   Since heat dissipation from the heater 300 to the support portion 500 is not heat dissipation to the surrounding medium, it is better to reduce the area of the support portion 500 as much as possible. In addition, when the thermal conductivity of the heater 300 is not negligible compared to the thermal conductivity of the medium in the surrounding space 700, the support unit 500 is also brought close to the temperature of the heater 300 to reduce the heat flow from the heater 300 to the support unit 500. There is a need. In addition, when the temperature of the support unit 500 rises, heat conduction to the medium around the support unit 500 occurs, and the detected amount becomes an obstacle, so it is necessary to reduce the heat conduction from the support unit 500 to the medium. .

ヒータ300の材料がPtなどの金属材料の場合、周囲空間700の気体などの媒質と比較し熱伝導率がはるかに大きいため、支持部500への熱伝導量が周囲の気体などの媒質へ伝導するよりも大きくなる傾向にある。そこで、支持部500や電極P1、P2に接続する接続リード400近傍の温度がヒータ300と近い温度であれば、ヒータ300と温度差が少ないので熱伝導量は少なく、検出量は小さくなるので、これらを傍熱する電極P3、P4、支持部ヒータ800のパターンを併設した。   When the material of the heater 300 is a metal material such as Pt, the thermal conductivity is much larger than that of a medium such as a gas in the surrounding space 700, so that the amount of heat conduction to the support portion 500 is conducted to a medium such as a surrounding gas. It tends to be bigger than it does. Therefore, if the temperature in the vicinity of the connection lead 400 connected to the support unit 500 and the electrodes P1 and P2 is close to that of the heater 300, since the temperature difference with the heater 300 is small, the amount of heat conduction is small and the detection amount is small. The patterns of the electrodes P3 and P4 and the support heater 800 that indirectly heat them are also provided.

媒質の熱伝導量の検出を行う際には、ヒータ300による加熱のタイミングと支持部500を傍熱するためのタイミングは基本的にはほぼ同一に行えばよい。ただ、支持部500は空洞部600に架橋したヒータ300よりも熱容量が大きいので同一のタイミングに加熱するには、ヒータ300より熱平衡到達時間を要するので、ヒータの通電開始時刻より適宜早めか投入電力を多くするとより効果がある(図12のグラフ参照)。   When detecting the heat conduction amount of the medium, the heating timing by the heater 300 and the timing for side-heating the support portion 500 may be basically made substantially the same. However, since the support portion 500 has a larger heat capacity than the heater 300 bridged to the cavity portion 600, it takes time to reach thermal equilibrium from the heater 300 in order to heat it at the same timing. Increasing the value is more effective (see the graph of FIG. 12).

しかし、支持部500の温度が上昇すると、支持部500周囲の媒質への熱伝導が生じる。支持部500や電極P1、P2に接続する接続リード400近傍は、周囲の媒質と異なる熱物性であって、周囲の媒質の状態のみを計測するときには障害となるので、その影響を除外する必要がある。そのために、接続リード400をヒータ300に比較して幅を広げるか厚くするか短くして接続リード400分の抵抗値を小さくし、接続リード分の検出量を減じるようにすると良い。また、接続リード400をヒータ300より熱絶縁性の高いSiO2等の被覆を施すことによって、周囲の媒質への熱伝導をさらに低減させることによって影響は小さくすることができる。さらには、熱絶縁性の高いSiO2等の被覆よりも一層断熱性に優れている樹脂材料等の高分子有機材料膜や多孔質構造のAl2O3膜を被覆することにより、効果は増す。 However, when the temperature of the support part 500 rises, heat conduction to the medium around the support part 500 occurs. The vicinity of the connection lead 400 connected to the support unit 500 and the electrodes P1 and P2 has different thermophysical properties from the surrounding medium, and becomes an obstacle when measuring only the state of the surrounding medium. Therefore, it is necessary to exclude the influence. is there. For this purpose, the connection lead 400 may be made wider or thicker or shorter than the heater 300 to reduce the resistance value of the connection lead 400 and reduce the detection amount of the connection lead. Further, by applying a coating such as SiO 2 having a higher thermal insulation than the heater 300 to the connection lead 400, the influence can be reduced by further reducing the heat conduction to the surrounding medium. Furthermore, the effect is enhanced by coating a polymer organic material film such as a resin material that has a better thermal insulation than a coating of SiO 2 or the like with a high thermal insulation property or a porous Al 2 O 3 film. .

また、図13は図11の変形例であり、図1の検出器に支持部ヒータ800、電極P3、P4を併設したパターンを図示したものである。温度差の大きい領域だけ選択的に効率が高くなり、周囲の媒質の熱伝導だけに限られることにより、基板100の材料の熱伝導情報を取り除いて周囲の媒質の情報を得ることができる。   FIG. 13 is a modification of FIG. 11 and shows a pattern in which the detector heater of FIG. 1 is provided with a support heater 800 and electrodes P3 and P4. The efficiency is selectively increased only in the region where the temperature difference is large, and the heat conduction information of the material of the substrate 100 can be removed to obtain information on the surrounding medium by being limited only to the heat conduction of the surrounding medium.

以上の説明から、上述した効果に加え、さらに接続リード400近傍の温度をヒータ300の温度に近づけ、接続リード400近傍の周囲の媒質への熱伝導量を減じたことにより、周囲の媒質の熱伝導情報だけを測定することができ、高精度な測定ができた。   From the above description, in addition to the effects described above, the temperature of the surrounding medium is further reduced by bringing the temperature near the connection lead 400 closer to the temperature of the heater 300 and reducing the amount of heat conduction to the surrounding medium near the connection lead 400. Only conduction information could be measured, and high-precision measurement was possible.

図14は上述した検出器に使用されたヒータ300を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。上述した検出器は、発熱時の放熱量を消費電力相当で測定する方式であったが、熱伝導量を測定する媒質が一定速度で流れるものである場合、上述した検出器に係る発明の発明特定事項を利用して、熱が媒質を伝わって伝導する熱量を感温部900で測定する方式を採ったほうが良い。感温部900はコイルのような形状であり、ヒータ300の両端において同心軸上に配置されている。このとき周囲の媒質の温度が上昇しないようにヒータ300の配置、形状や通電方法を工夫した。   FIG. 14 illustrates a configuration of a heat conduction type flow sensor in which the heater 300 used in the above-described detector has a three-dimensional shape. The above-described detector is a method for measuring the amount of heat released when heat is generated, corresponding to power consumption. However, when the medium for measuring the amount of heat conduction flows at a constant speed, the invention of the invention related to the above-described detector. It is better to use a method in which the temperature sensing unit 900 measures the amount of heat that is transmitted through the medium and conducted using specific matters. The temperature sensing unit 900 has a coil-like shape and is disposed on the concentric axes at both ends of the heater 300. At this time, the arrangement, shape and energization method of the heater 300 are devised so that the temperature of the surrounding medium does not rise.

つまり、ヒータ300は熱平衡状態に達する時刻以前で通電を止め、ヒータ300が複線配置されている場合、各ヒータ300の隣接間隔は1つのヒータの熱拡散長の少なくとも2倍以上になるようにした。また、図14には図示していないが、支持部ヒータ800を使用し、支持部500の接続リード400の近傍を加熱し、断熱材料を付加しても良い。   That is, the heater 300 is de-energized before the time of reaching the thermal equilibrium state, and when the heaters 300 are arranged in multiple lines, the interval between adjacent heaters 300 is set to be at least twice the thermal diffusion length of one heater. . Although not shown in FIG. 14, the support heater 800 may be used to heat the vicinity of the connection lead 400 of the support 500 and add a heat insulating material.

このような構成により、上述した効果に加え、流体への熱伝導に無駄が無くなることにより、より小さな電力で微小流量や高温度流体の流量が高精度に測定できた。   With such a configuration, in addition to the effects described above, there is no waste in heat conduction to the fluid, so that a minute flow rate and a high-temperature fluid flow rate can be measured with high accuracy with a smaller electric power.

なお上述した形態は本発明を実施するための最良のものであるがこれに限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形することがかのうである。   The above-described embodiment is the best for carrying out the present invention, but the present invention is not limited to this. Therefore, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

空気中の水蒸気量を計測する絶対湿度センサ、可燃性ガス漏れ検知器や燃料電池用水素ガス漏洩個所検知器のような空気中に漏洩する水素を検知してベース気体中に存在するベース気体以外の気体濃度を測定するガス濃度センサ、熱伝導率検出器方式のガスクロマトグラフに用いられるベース気体の熱伝導率と異なる熱伝導率の気体の熱伝導度ガス分析センサ、気体用のサーマルフローセンサ、液体用のサーマルフローセンサ、結露センサ等といった製品の開発が望まれる。   Other than the base gas present in the base gas by detecting hydrogen leaking into the air, such as an absolute humidity sensor that measures the amount of water vapor in the air, a flammable gas leak detector and a hydrogen gas leak point detector for fuel cells Gas concentration sensor for measuring the gas concentration of gas, thermal conductivity gas analysis sensor for gas with a thermal conductivity different from the thermal conductivity of the base gas used in the gas chromatograph of the thermal conductivity detector system, thermal flow sensor for gas, Development of products such as thermal flow sensors for liquids and dew condensation sensors is desired.

ヒータ温度を50〜500℃の適当な値に設定すると良い。媒質の熱伝導率や媒質の温度ならびに測定しようとする値にもよるが、気体や液体のサーマルフローセンサであれば50〜150℃、絶対湿度センサであれば150〜400℃、ガス濃度センサであれば200〜500℃、ガス分析センサであれば50〜500℃の範囲で温度を切り替えて用いることができる。   The heater temperature may be set to an appropriate value of 50 to 500 ° C. Depending on the thermal conductivity of the medium, the temperature of the medium, and the value to be measured, a gas or liquid thermal flow sensor is 50 to 150 ° C., an absolute humidity sensor is 150 to 400 ° C., and a gas concentration sensor is used. If it exists, it can be used by switching the temperature in the range of 200 to 500 ° C., and in the case of a gas analysis sensor in the range of 50 to 500 ° C.

本形態の検出器の構造を図示したものである。(a)は正面図であり、(b)(c)はBB断面図である。特に、(c)はヒータ表面位置S1、ヒータ近傍位置S2を図示したものである。The structure of the detector of this form is illustrated. (A) is a front view, (b) (c) is BB sectional drawing. In particular, (c) illustrates the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2. 図1の検出器の位置S1と位置S2における温度の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the temperature in position S1 and position S2 of the detector of FIG. 図1の検出器のヒータ300からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the output voltage from the heater 300 of the detector of FIG. 間欠駆動による位置S1と位置S2における温度の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the temperature in the position S1 by the intermittent drive, and the position S2. 空気中に含まれる水素濃度に対する出力電圧の温度依存性を表すグラフである。It is a graph showing the temperature dependence of the output voltage with respect to the hydrogen concentration contained in the air. 本形態の検出器の他の構造を図示したものである。(a)は正面図であり、(b)(c)はCC断面図である。特に、(c)はヒータ表面位置S1、ヒータ近傍位置S2を図示したものである。The other structure of the detector of this form is illustrated. (A) is a front view, (b) (c) is CC sectional drawing. In particular, (c) illustrates the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2. 図6の検出器の位置S1と位置S2における温度の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the temperature in position S1 and position S2 of the detector of FIG. 図6の検出器のヒータ300からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the output voltage from the heater 300 of the detector of FIG. ヒータ表面からの距離と温度差との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the distance from the heater surface, and a temperature difference. 本形態の検出器の他の構造を図示したものである。The other structure of the detector of this form is illustrated. 本形態の検出器の他の構造を図示したものである。(a)は正面図であり、(b)はDD断面図である。(c)はEE断面図である。The other structure of the detector of this form is illustrated. (A) is a front view, (b) is DD sectional drawing. (C) is EE sectional drawing. ヒータ300と支持部ヒータの駆動タイミングと検出タイミングを表したグラフである。It is the graph showing the drive timing and detection timing of the heater 300 and a support part heater. 本形態の検出器の他の構造を図示したものである。The other structure of the detector of this form is illustrated. ヒータ300を立体形状にした熱伝導型のフローセンサの構成を図示したものである。The configuration of a heat conduction type flow sensor having a three-dimensional heater 300 is illustrated. 従来の検出器の構造を図示したものである。(a)は正面図であり、(b)(c)はAA断面図である。特に、(c)はヒータ表面位置S1、ヒータ近傍位置S2を図示したものである。1 illustrates the structure of a conventional detector. (A) is a front view, (b) (c) is AA sectional drawing. In particular, (c) illustrates the heater surface position S1 and the heater vicinity position S2. 従来及び本形態の検出器を組み込んだ定温度制御駆動回路の回路図である。It is a circuit diagram of the constant temperature control drive circuit incorporating the detector of the past and this form. 従来の検出器の位置S1と位置S2における温度の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the temperature in position S1 and position S2 of the conventional detector. 従来の検出器のヒータ300からの出力電圧の時間変化を表すグラフである。It is a graph showing the time change of the output voltage from the heater 300 of the conventional detector.

符号の説明Explanation of symbols

100 基板
200 電気絶縁層
300 ヒータ
400 接続リード
500 支持部
600 空洞部
700 周囲空間
800 支持部ヒータ
900 感温部
P1 電極
P2 電極
P3 電極
P4 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Board | substrate 200 Electrical insulation layer 300 Heater 400 Connection lead 500 Support part 600 Cavity part 700 Ambient space 800 Support part heater 900 Temperature sensing part P1 electrode P2 electrode P3 electrode P4 electrode

Claims (5)

通電により発熱する第1の発熱手段と、
前記第1の発熱手段を支持する支持手段を有し、
前記第1の発熱手段と媒質との熱交換により、前記媒質の熱物性値を検出する検出器において、
前記支持手段に設けられた空洞部に前記第1の発熱手段を配置した架橋構造を有し、通電開始後熱平衡状態に達するまでの間に検出を行うことを特徴とする検出器。
A first heat generating means for generating heat by energization;
Supporting means for supporting the first heat generating means;
In the detector for detecting the thermal property value of the medium by heat exchange between the first heat generating means and the medium,
A detector having a bridging structure in which the first heat generating means is disposed in a hollow portion provided in the support means, and performing detection before the thermal equilibrium state is reached after the start of energization.
前記第1の発熱手段を二以上有し、
隣接した第1の発熱手段同士の間隔を、当該第1の発熱手段による発熱の拡散長の2倍以上にすることを特徴とする請求項1に記載の検出器。
Having two or more first heat generating means;
2. The detector according to claim 1, wherein an interval between adjacent first heat generating means is set to be twice or more of a diffusion length of heat generated by the first heat generating means.
通電により発熱し、前記支持手段の温度を調節する第2の発熱手段を有し、
前記第1の発熱手段による発熱のタイミングと、前記第2の発熱手段による発熱のタイミングを略同一にすることを特徴とする請求項1または2に記載の検出器。
A second heat generating means for generating heat by energization and adjusting the temperature of the support means;
3. The detector according to claim 1, wherein the timing of heat generation by the first heat generation unit is substantially the same as the timing of heat generation by the second heat generation unit.
前記第1の発熱手段を通電するために、当該第1の発熱手段と電極を接続している接続手段と、
前記接続手段を被覆する被覆手段を有することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の検出器。
Connection means for connecting the first heat generating means and the electrode to energize the first heat generating means;
The detector according to claim 1, further comprising a covering unit that covers the connection unit.
前記第1の発熱手段は立体的形状を有し、
前記媒質の熱量を検出する感温手段を有することを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の検出器。
The first heating means has a three-dimensional shape;
The detector according to any one of claims 1 to 4, further comprising a temperature sensing means for detecting the amount of heat of the medium.
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