JP3109089U - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程が簡単で歩留まりの良い赤外線ガス分析計を提供する。
【解決手段】 センサ基板２の櫛形抵抗体５形成面を上にして、リード取り出し部１２、１３と接続するためのピン１７、１８とが近接するようにしてセンサ基板２を絶縁性基板２１に接着剤３７により接着する。次にセンサ基板１の櫛形抵抗体４形成面を上にしてリード取り出し部１０、１１と接続するためのピン１５、１６とが近接するように、センサ基板２の上に重ねて接着剤３８により接着する。次にリード取り出し部１０、１１、１２、１３と接続するためのピン１５、１６、１７、１８間を、ＩｎＳｎハンダ２７、２８、２９、３０により電気的に接続を取る。外部端子ピン２３、２４、２５とピン１５、１６、１７、１８とを金ワイヤ３２、３３、３４、３５でワイヤボンディングの技術により電気的に接続をする。
【選択図】 図１

Description

本考案は、ガス中の赤外吸収特性を利用して、試料ガス中の特定成分のガス濃度を測定する赤外線ガス分析計に関する。

ガス成分の定量分析に用いる赤外線ガス分析計用検出素子は、抵抗の温度係数の大きい感温抵抗金属箔をガスフロー中に前後して配置し、それらの感温抵抗金属箔をブリッジ接続しそれら金属箔の抵抗変化からフロー中のガス成分の定量分析を行うようになっている（特許文献１、２参照）。

従来の非分散赤外分析計に用いられている赤外線ガス分析計用検出素子の構成を図５、６に示す。図５は赤外線ガス分析計用検出素子の平面図であり、図６は赤外線ガス分析計用検出素子の側面図である。赤外線ガス分析計用検出素子４１は中央にガス流通開口部１４１を有するセンサ基板４２の裏表両面に、抵抗の温度係数の大きい櫛形抵抗体４４、４５が形成されている。櫛形抵抗体４４、４５には抵抗の温度係数の大きな金属、例えばニッケルが使用される。櫛形抵抗体４４、４５は、例えば幅２０ミクロン、厚さ４ミクロン、長さ３０mmの細幅電極が２０ミクロン間隔で２０個程度直列に連なっているパターンが向かいあった構造を持っており、ガス流通開口部１４１において露出している。センサ基板４２は、中央にガス流通開口部１４２を有する絶縁性基板５０に導電性を有する銀ペースト５２、５４により接着固定されている。櫛形抵抗体４４、４５の両端の端子５５にはワイヤ６１、６２、６３がそれぞれ銀ペースト５４、５３、５１により電気的に接続されている。素子側のワイヤ６２、６３と反対側のワイヤ６１の終端はガスをフローさせるディテクタに設けられた外部端子ピン(図示せず)にハンダもしくは銀ペーストで接続されており、ブリッジ回路（図示せず）に接続されている。端子５５は櫛形抵抗体４４、４５でブリッジ回路を形成するための共通端子となっている。赤外線ガス分析計用検出素子４１はガスフロー中に配置され、流れによる熱の授受により生じる裏表両面の櫛形抵抗体４４、４５の抵抗値のずれをブリッジ回路により検出することによりその流れを検知し、フロー中のガス成分の定量分析を行う。

銀ペースト５２、５４は、センサ基板４２と絶縁性基板５０とを固定するとともに、櫛形抵抗体４４、４５の抵抗変化の測定を行うため、ワイヤ６１、６３と絶縁性基板５０上の配線用パターン５６、５７とを接続する機能も有している。
特開２００１−２５５２６９号公報 特開２００１−６６２７２号公報

従来の赤外線ガス分析計用検出素子においては、１枚のセンサ基板の裏表両面に櫛形抵抗体を形成している。櫛形抵抗体の抵抗値は２５〜３５Ωの範囲に設定することにより、出力信号が外周温度変化で変動するという温度依存性が極めて少なくなり、安定したガス流量の測定が行えるということが判明しており、この櫛形抵抗体を形成する際には、裏表の櫛形抵抗体の各抵抗値の差を数オーム以内に抑える必要がある。また、櫛形抵抗体のパターン形成状態が裏表ともにそろって良好である必要がある。これらの必要条件のために、赤外線ガス分析計用検出素子の製作における歩留まりを向上させることは困難である。

また、１枚のセンサ基板の裏表に櫛形抵抗体を形成した場合、その裏表の櫛形抵抗体より電気的な接続を得るためにリード線を取り付けなければならないが、その方法としてセンサ基板を固定するための、ガス流通開口部を有する絶縁性基板に何らかのリード取り出し可能な金属パターニングを施しておく必要があり、製造工程が複雑になりコストの上昇、歩留まりの低下の原因となる。

センサ基板の裏表両面の櫛形抵抗体の抵抗値の差が大きくなることによる歩留まりの低下を防ぐため、ガス流通開口部を有するセンサ基板の片面にのみ必要な金属パターニングした櫛形抵抗体を形成したセンサ基板を作製し、このセンサ基板２個を櫛形抵抗体を形成した面と櫛形抵抗体を形成していない面とを積み重ねて貼り合わせることにより赤外線ガス分析計用検出素子を作製する方法がある。しかしながら、この場合には張り合わさった面の櫛形抵抗体より電気的に接続を取るためのリード線取り付け方法として、櫛形抵抗体形成面からコンタクトをとる場合には、貼り付ける相手側の基板にリード線を避けるための溝加工が必要となり、製造工程が複雑になってしまう。

さらに、従来の赤外線ガス分析用検出素子のリードの取り方は、櫛形抵抗体のリード取り付け部に、金属ワイヤ状のリード線を取り付けることでなしており、赤外線ガス分析用検出素子をその外形寸法程度の空間に組み込む際に邪魔になる。また、その狭い空間内でリード線と素子外部との接続を取らなければならず、工程が複雑で長時間を要し、コスト上昇の原因となっている。

赤外線ガス分析用検出素子は、測定に使用するガスを密封した検出容器内で使用される。そのガスが赤外線を吸収することにより、容器内でガスの体積の膨張が起こり、赤外線ガス分析用検出素子のガス流通開口部を通してガスの流れが発生する。このガスの流れが、電圧をかけることによりヒータとして作用している抵抗体の温度変化を生じさせ、その温度変化が抵抗体の抵抗値変化を生じさせる。この抵抗変化をブリッジ回路で検出している。赤外線ガス分析用検出素子の性能は、ある大きさのガスの流れに対して抵抗体の温度変化が大きいほど良い。温度変化を大きくするには、一つには体積膨張によるガスの流れが、ガス流通開口部のみを通して流れるようにすることである。もう一つはガスの流れが抵抗体に与える熱量変化が抵抗体以外の他の場所へ伝わりにくくすることである。熱量が抵抗体以外の場所へ伝わりにくくするには、センサ基板と絶縁性基板の接触面積を極力少なくすれば良い。ところが、接触面積を極力少なくするためにセンサ基板を絶縁性基板より浮かせる構造とすると、絶縁性基板のガス流通開口部を通ってきたガスの流れは、絶縁性基板とセンサ基板との間の隙間も通るため、センサ基板の抵抗体に与える熱量が少なくなってしまう。逆に絶縁性基板とセンサ基板との間の隙間や、センサ基板２枚を張り合わせた場合のその隙間を接着剤により埋めてしまうと、ガスの流れはガス流通開口部のみとなるが、熱量の抵抗体以外の場所への逃げが大きくなってしまう。

本考案は、上記問題を解決するためになされたものであり、製造工程が簡単で歩留まりの良い赤外線ガス分析用検出素子を提供することを目的とする。さらに、検出ガスの感度および出力の高い赤外線ガス分析用検出素子を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本考案の赤外線ガス分析用検出素子は、ガス流通開口部を有し、ガス流通開口部の開口面の一方の面にヒータとして機能する抵抗体を形成した２枚の基板を、一方の基板の抵抗体を形成した面と他方の基板の抵抗体を形成しない面とを貼り合わせることにより作製したセンサ基板と、このセンサ基板を接着固定しセンサ基板のガス流通開口部に連続するように形成したガス流通開口部を有する絶縁性基板として構成し、この両基板の素子外部との電気的接続に必要な端子を備えた赤外線ガス分析計用検出素子において、絶縁性基板に抵抗体と端子とを電気的に接続可能なピンを設けたものである。

さらに、センサ基板と絶縁性基板とをガス流通開口部より大きい内径を有するリング状部材によりガス流通開口部を包囲する形で接着するものである。

ガス流通開口部を有し、ガス流通開口部の片面に形成されたヒータとして作用する抵抗体を有する基板２枚を、一方の基板の抵抗体を形成した面と他方の基板の抵抗体を形成しない面とを貼り合わせる際に、リード取り出し分が露出するように加工しておく。センサ基板を固定するためのガス流通開口部を有する絶縁性基板には、垂直にピンを立てたものを用い、そのピン近傍にリード部が露出したセンサ基板を配置し、ピンとリード部をハンダ金属もしくは銀ペーストで電気的に接続をとる。ピンの頂上部を水平に加工しておき、この頂上部と素子外部との接続に必要とされる端子も水平に加工しておき、両者をワイヤボンディングで接続を行う。

貼り合わさった側のリードを取り出すための抵抗体部が露出しており、かつその抵抗体部とピンとが近接しているので、抵抗体部とピンとが直接にハンダもしくは銀ペーストで電気的な接続を取ることができる。よって、従来必要であった金属ワイヤ状のリードが不要になり、赤外線ガス分析用検出素子をその外形寸法程度の空間への組み込みが容易となる。さらに、赤外線ガス分析用検出素子側のピンと素子外部との接続に必要とされる端子ピンとの電気的な接続をワイヤボンディングで行うため、狭い空間での作業が簡便となり、確実な作業が可能となる。

さらに、センサ基板と絶縁性基板とをガス流通開口部より大きい内径を有するリング状部材を介してガス流通開口部を囲むように接着することにより、センサ基板と絶縁性基板の接触面積が減少することにより、その間での熱抵抗が増加し、センサ基板から絶縁性基板への熱の逃げが減少する。また、ガス流通開口部はリングにより囲われているため、ガスがガス流通開口部以外に漏れ出すことがない。

本考案によれば、絶縁性基板にピンを設け、このピンにより絶縁性基板、センサ基板、端子間の必要な電気的接続を行うようにしたので、電気的接続工程および赤外線ガス分析用検出素子の組み込み工程が簡単で短時間に行うことができ、歩留まりの向上、コストの低減が可能になる。さらに、センサ基板と絶縁性基板とをガス流通開口部より大きい内径を有するリング状部材を介してガス流通開口部を囲むように接着することにより高感度、高出力の赤外線ガス分析用検出素子の作製が可能となる。

以下、本考案の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。図１に本考案の赤外線ガス分析用検出素子の第一実施例の概略平面図を、図２に側面図を示す。本考案の赤外線ガス分析用検出素子は櫛形抵抗体４、５が形成されたガス流通開口部７、８を有するセンサ基板１、２と、センサ基板１、２のリード取り出し部１０、１１、１２、１３と、センサ基板１、２のリード取り出し部１０、１１、１２、１３と接続するためのピン１５、１６、１７、１８と、ガス流通開口部２０を有する絶縁性基板２１と、外部端子ピン２３、２４、２５と、センサ基板１、２のリード取り出し部１０、１１、１２、１３と絶縁性基板２１に設けられたピン１５、１６、１７、１８との電気的な接続を取るためのＩｎＳｎハンダ２７、２８、２９、３０と絶縁性基板２１に設けられたピン１５、１６、１７、１８と外部端子ピン２３、２４、２５との電気的な接続を行う金ワイヤ３２、３３、３４、３５および接着剤３７、３８から構成されている。

次に、本考案の赤外線ガス分析用検出素子の作製方法を説明する。まず、ガス流通開口部７、８が開いていない状態の感光性ガラス板の片面に、抵抗の温度係数の大きな導電性金属、たとえばニッケル製の金属薄膜を、蒸着、スパッタ、めっき等の手段により、厚さ２〜３ミクロン程度に成膜する。この金属膜をフォトリソ技術により、たとえば幅２０ミクロン、間隔２０ミクロンで３０本程度並べられた細幅パターンを含むような櫛形抵抗体４、５を形成する。次に、ガス流通開口部７、８の形成とセンサ基板１、２が図１に示すような外形となるように感光性ガラスに選択的なエッチングを施すことにより、センサ基板１、２を作製する。また、別個にガス流通開口部２０を有するアルミナ等のセラミックス製の絶縁性基板２１に金メッキが施されているピン１５、１６、１７、１８を接着剤(図示せず)により絶縁性基板２１に対して垂直となるように接着する。

次に、センサ基板２の櫛形抵抗体５形成面を上にして、リード取り出し部１２、１３と接続するためのピン１７、１８とが近接するようにしてセンサ基板２を絶縁性基板２１に接着剤３７により接着する。次にセンサ基板１の櫛形抵抗体４形成面を上にしてリード取り出し部１０、１１と接続するためのピン１５、１６とが近接するように、センサ基板２の上に重ねて接着剤３８により接着する。これらの接着後、リード取り出し部１０、１１、１２、１３と接続するためのピン１５、１６、１７、１８間を、ＩｎＳｎハンダ２７、２８、２９、３０により電気的に接続を取る。この電気的な接続にはＩｎＳｎハンダ以外のハンダ金属を用いてもいいし、あるいは銀ペーストなどの導電性の接着剤を用いてもいい。センサ基板１、２には絶縁性基板２１に設けたピン１５、１６、１７、１８の径にあわせて切込みがあるように加工しておく。これにより、絶縁性基板２１に対するセンサ基板１、２の位置を簡単に決めることが可能となる。

このように作製した赤外線ガス分析用検出素子を、ガスをフローさせるディテクタに組み込んだ後、外部端子ピン２３、２４、２５の水平に加工されている頂上部と絶縁性基板２１に設けたピン１５、１６、１７、１８の頂上部とを直径３０ミクロン程度の金ワイヤ３２、３３、３４、３５をワイヤボンディングの技術により電気的に接続をする。

上記のように本考案の赤外線ガス分析用検出素子は、ピン１５、１６、１７、１８を設けたことにより、電気的に接続を取るためのリード線を必要とせず、また絶縁性基板２１に対するセンサ基板１、２の位置を簡単に決めることができ、製造工程を簡単にできるとともに素子を狭い空間に容易に組み込むことができ、歩留まりの向上、コスト低減が可能となる。

図３に本発明による赤外線ガス分析用検出素子の第二の実施例の概略平面図を、図４に側面図を示す。センサ基板１の櫛形抵抗体４形成面を上にしてセンサ基板２の上に重ねて接着剤３８により接着する。次に、センサ基板１、２と絶縁性基板２１との間に厚さ０．０５ｍｍ、幅０．１ｍｍ程度でガス流通開口部７、８、２０より大きい内径を有するコバール製のリング３９を、リング３９がガス流通開口部８、２０を包囲するように挟み込み、リード取り出し部１０、１１、１２、１３と接続するためのピン１５、１６、１７、１８とが近接するようにしてリング３９と絶縁性基板２１とを接着剤４０により接着する。

センサ基板１、２と絶縁性基板２１とをガス流通開口部７、８、２０より大きい径の穴を有する肉厚の薄いリング３９を介してガス流通開口部８、２０を囲むように接着することにより、センサ基板１、２と絶縁性基板２１の接触面積を減少させることができ、その間での熱抵抗が増加し、センサ基板１、２から絶縁性基板２１への熱の逃げが減少する。また、ガス流通開口部８、２０はリング３９により囲われているため、ガスがガス流通開口部８、２０以外に漏れ出すことがなく、絶縁性基板２１とセンサ基板１、２との間の隙間はなく、センサ基板１、２の抵抗体に与える熱量が少なくなることはない。これにより、高感度、高出力の赤外線ガス分析用検出素子の製作が可能となる。

絶縁性基板２１として用いられているアルミナおよびセンサ基板１、２として用いられているガラスと熱膨張係数が近いコバールをリング３９として用いることから、接着の信頼性を高くすることができ、歩留まりの向上、コストの低減が可能になる。もちろんこのリング３９の材質はコバールに限定されない。

複数の部品をリード線により電気的な接続を取る必要のある装置、部品に適用可能である。

本考案の赤外線ガス分析計用検出素子の第一の実施例の概略平面図である。 本考案の赤外線ガス分析計用検出素子の第一の実施例の概略側面図である。 本考案の赤外線ガス分析計用検出素子の第二の実施例の概略平面図である。 本考案の赤外線ガス分析計用検出素子の第二の実施例の概略側面図である。 従来の赤外線ガス分析計用検出素子の一実施例の概略平面図である。 従来の赤外線ガス分析計用検出素子の一実施例の概略側面図である。

符号の説明

１、２ センサ基板
４、５ 櫛形抵抗体
７、８ ガス流通開口部
１０、１１、１２、１３ リード取り出し部
１５、１６、１７、１８ ピン
２０ ガス流通開口部
２１ 絶縁性基板
２３、２４、２５ 外部端子ピン
２７、２８、２９、３０ ＩｎＳｎハンダ
３２、３３、３４、３５ 金ワイヤ
３７、３８、４０ 接着剤
３９ リング
４１ 赤外線ガス分析計用検出素子
４２ センサ基板
４４、４５ 櫛形抵抗体
５０ 絶縁性基板
５１、５２、５３、５４ 銀ペースト
５５ 端子
５６、５７ 配線用パターン
６１、６２、６３ ワイヤ

Claims (2)

1. ガス流通開口部を有し、ガス流通開口部の開口面の一方の面にヒータとして機能する抵抗体を形成した２枚の基板を、一方の基板の抵抗体を形成した面と他方の基板の抵抗体を形成しない面とを貼り合わせることにより作製したセンサ基板と、このセンサ基板を接着固定しセンサ基板のガス流通開口部に連続するように形成したガス流通開口部を有する絶縁性基板として構成し、この両基板の素子外部との電気的接続に必要な端子を備えた赤外線ガス分析計用検出素子において、前記絶縁性基板に前記抵抗体と前記端子とを電気的に接続可能なピンを設けたことを特徴とする赤外線ガス分析計用検出素子。
2. 前記センサ基板と絶縁性基板とを前記ガス流通開口部より大きい内径を有するリング状部材にて前記ガス流通開口部を包囲する形で接着したことを特徴とする請求項１記載の赤外線ガス分析計用検出素子。

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