JP4595745B2 - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、赤外光を利用してガス濃度を測定する赤外線ガス分析計に関し、特に、組み立て容易で、コストを低減できる赤外線ガス分析計に関するものである。

赤外線ガス分析計とこれに使用されるフローセンサに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

横河電機株式会社発行、General Specifications、「ＩＲ４００形赤外線ガス分析計」、２００２年５月 初版、Ｐ５。 特開２００２−１３１２３０号公報 特開２００２−０８１９８２号公報

図８は従来より一般に使用されている従来例の構成説明図、図９は図８の概念説明図、図１０は図８のブリッジ回路の説明図、図１１は図８の要部構成説明図、図１２は図１１の要部構成説明図である。

図８において、赤外線光源１から発せられた赤外光は、分配セル２により２つに分割され、それぞれ基準セル３および試料セル４に入射する。
基準セル３には不活性ガスなど、測定対象成分を含まないガスが封入されている。また、試料セル４には試料ガスが流通する。
このため、分配セル２で２つに分けられた赤外光は、試料セル４側でのみ測定対象成分による吸収を受け、検出器５に到達する。

検出器５は、基準セル３からの光を受ける基準側室５０１と試料セル４からの光を受ける試料側室５０２の２室からなり、その２室を連絡するガス流通路には、ガスの行き来を検出するためのサーマルフローセンサ５１が取り付けられている。

また、検出器５内には、測定対象と同じ成分を含むガス（検出ガス）が封入されており、基準セル３および試料セル４からの赤外光が入射すると、検出ガス中の測定対象成分が赤外光を吸収することで、基準側室５０１内および試料側室５０２内で、それぞれ検出ガスが熱膨張する。

基準セル３内の基準ガスは測定対象成分を含まないので、基準セル３を通過する赤外光に対しては測定対象成分による吸収はなく、試料セル４内の試料ガスに測定対象成分が含まれると、赤外光の一部はそこで吸収されるために、検出器５では試料側室５０２に入射する赤外光が減少し、基準側室５０１内の検出ガスの熱膨張が試料側室５０２内の検出ガスの熱膨張より大きくなる。

赤外光は回転セクタ６で断続されて、遮断および照射を繰り返しており、遮断されたときは基準側室５０１および試料側室５０２ともに赤外光が入射しないので、検出ガスは膨張しない。

このため、基準側室５０１および試料側室５０２においては、試料ガス中の測定対象成分濃度に応じて、両室の間に周期的に差圧が生じ、両室間に設けられたガス流通路を検出ガスが行き来することとなる。その検出ガスの挙動はサーマルフローセンサ５１により検出され、信号処理回路７により交流電圧増幅されて、測定対象成分濃度に対応した信号として出力される。
８は回転セクタ６を駆動する同期モータ、９は基準セル３および試料セル４に入射する赤外光のバランスを調整するトリマである。

このように、試料ガス中の測定対象成分濃度が変化すると、検出器５（試料側室５０２）に入射する赤外光の光量が変化するので、信号処理回路７を介して測定対象成分濃度に対応した出力信号を得ることができる。

図９は、図８の概念説明図である。
図において、矢印Ｕｓｉｇを赤外光の吸収によりガス流通路内に発生する検出ガスの移動方向とすると、サーマルフローセンサ５１を構成する第１のヒータ線５１１および第２のヒータ線５１２は、所定の間隔をおいて、この移動（流通）方向Ｕｓｉｇに沿って配列され、検出ガスの移動に応じた温度（抵抗値）変化を発生する。

すなわち、ガス流通路内の検出ガスが移動すると、上流側のヒータ線は検出ガスにより冷却され、下流側のヒータ線は上流側のヒータ線の熱で加熱されるので、２つのヒータ線の間には温度差が生じる。
この２つのヒータ線５１１、５１２における温度変化（抵抗値変化）は、図１０の如きブリッジ回路を使用して検出される。

図１１は図８の要部構成説明図で、従来の検出器の例を示す構成説明図、図１２は図１１の要部構成説明図で、フローセンサユニットの例を示す構成説明図である。
図１１において、図の左右に密閉された基準側室５０１と試料側室５０２とが設けられている。
基準側室５０１と試料側室５０２とからガス流通路５０３を通じて、図の中央に埋め込まれたフローセンサユニット５０４に連通している。

フローセンサユニット５０４は、基準側室５０１と試料側室５０２とに入射する赤外光量の差分量がある場合に、対応したガスの流動を検出する構造を有する。
５０５は、検出器５からのフローセンサユニット５０４の気密を保つためのカバーである。

図１２は、フローセンサユニット５０４の詳細説明図である。
フローセンサユニットボデイ５０４１内には、チップ用ベース部品５０４２が設けられている。
チップ用ベース部品５０４２には、半導体技術の同一プロセスにより形成された２つの金属薄膜ヒータ部６１０，６２０を２段重ねて、フローセンサが構成されている。

金属薄膜ヒータ部６１０，６２０は、それぞれのシリコン基板部６１１，６２１の表面に金属薄膜よりなるヒータ線６１２，６２２が形成されると共に、ヒータ線６１２，６２２の下部に位置するシリコン基板を異方性エッチングにより除去して、ガス流通用の貫通孔６１３、６２３が形成されている。

したがって、このような金属薄膜ヒータ部６１０，６２０を２段重ねることにより、２つのヒータ線６１２，６２２をシリコン基板部６１１，６２１の厚みに応じた間隔をもって保持し、ガスの流通路６３０内に配置することができる。
５０４３は、金属薄膜ヒータ部６１０，６２０を貫通して流れるガス流通路６３０の気密性を保つためのカバー部品である。

しかしながら、このような装置においては、組み付け性、シール性に関し、以下の間題点がある。
（１）ガス気密を保持すべきシール面が多く構造的に複雑である。
（２）基準側室５０１と試料側室５０２との間に、フローセンサユニット５０４を収納する部屋が配置され、ガス流通路５０３とガス流通路６３０とが連通するように位置を合わせる必要があり、且つ、ガス流通路５０３とガス流通路６３０とからガスが漏れないように、シールする必要があり、組み付け工程（実際には接着工程）が複雑となる。
（３）これらを通して、組み付け部品が増え、組み付け工数を要するために、コスト上昇の要因となっていた。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、組み立て容易で、コストを低減できる赤外線ガス分析計を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の赤外線ガス分析計においては、
２個の発熱抵抗体が一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置されたフローセンサを具備する赤外線ガス分析計において、基準側室と試料側室とが設けられた検出器の外側の表面の一面に平行に設けられ前記基準側室と前記試料側室とを連通するガスの流通路と、この流通路内に設けられガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、この基板の前記平面に設けられた孔と、前記ガスの流通方向と交わるように前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体とを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項２の赤外線ガス分析計においては、請求項１記載の赤外線ガス分析計において、
前記ガスの流通路は、前記検出器の一面に設けられたガスケットに形成された貫通路により構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項３の赤外線ガス分析計においては、請求項１記載の赤外線ガス分析計において、
前記ガスの流通路は、前記検出器の一面を掘り込んで設けられた第１の凹部により構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項４の赤外線ガス分析計においては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の赤外線ガス分析計において、
前記発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたことを特徴とする。

本発明の請求項５の赤外線ガス分析計においては、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の赤外線ガス分析計において、
前記発熱抵抗体は、半導体基板にエッチングにより掘り込んで設けられた第２の凹部を形成して構成されたことを特徴とする。

本発明の請求項６の赤外線ガス分析計においては、請求項５記載の赤外線ガス分析計において、
前記第２の凹部が前記ガスの流通路として使用されたことを特徴とする。

本発明の請求項７の赤外線ガス分析計においては、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の赤外線ガス分析計において、
前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体を具備したことを特徴とする。

本発明の請求項８の赤外線ガス分析計においては、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の赤外線ガス分析計において、
前記基板に設けられ前記発熱抵抗体を接続する配線パターンを具備したことを特徴とする。

本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
ガスの流通路が、ガスセル本体の一面に平行に設けられたので、赤外ガス分析計の検出器に求められるガス流路が少ない工程で容易に形成でき、製造コストが低減できる赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
ガスの流通路は、検出器の一面に設けられたガスケットに形成された貫通路により構成されたので、ガスケットを打ち抜くことにより、複雑な形状をしたガスの流通路が容易に形成できる赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
ガスの流通路は、検出器の一面に設けられた凹部により構成されたので、検出器の一面を掘り込めばよく、容易に構成でき、また、流通路の周囲の側面は検出器の一面で構成されるので、シールが不要となり、安価な赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたので、半導体プロセスを適用することで、よりいっそう容易に、かつ寸法精度が良い発熱抵抗体を有する赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
発熱抵抗体は、半導体基板にエッチングにより凹部を形成して構成されたので、発熱抵抗体を覆うカバー部品が不要となる赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項６によれば、次のような効果がある。
凹部がガスの流通路として使用されたので、半導体プロセスにより形成された寸法精度が良い流通路を有する赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項７によれば、次のような効果がある。
２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体が設けられたので、信号量が増え、感度が向上された赤外線ガス分析計が得られる。
本発明では、製作工程が増大することなく、また複雑になることもなく実現できる赤外線ガス分析計が得られる。一方、従来例では、同様の構成を実現しようとすると、多数枚の基板を、気密保持しつつ積層する技術を要し、実現は困難もしくは不可能である。

本発明の請求項８によれば、次のような効果がある。
基板に設けられ発熱抵抗体を接続する配線パターンが半導体プロセスにより形成された。
従って、従来は手作業によるハンダ付け作業で、各発熱線抵抗体の配線作業を行っていたが、組数が増すごとにその作業は膨大となった。本発明では半導体プロセスで多用される配線パターン形成技術により、一括に安定して形成できる赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項９によれば、次のような効果がある。
発熱抵抗体によりブリッジ回路が構成されたので、配線パターンにおいて、必要なブリッジ検出回路をこのパターン上に設計して形成しておくことで、工程が少なく、簡便に、ブリッジ検出回路が実現できる赤外線ガス分析計が得られる。

本発明の請求項１０によれば、次のような効果がある。
基板の孔は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されたので、半導体プロセスの適用により、多数のフローセンサの孔加工を、一括に形成でき、ローコスト化に寄与できる赤外線ガス分析計が得られる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２は図１の要部詳細説明図で２組の発熱抵抗体が使用されている。
図３は図２の側面図、図４は図２の使用例を示す図、図５は図２の動作説明図である。
図において、図８、図１１と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図８、図１１との相違部分のみ説明する。

ガスの流通路７１は、検出器５の一面に平行に設けられている。
基板７２は、流通路７１のガスの流通方向に平行に平面が配置されている。
図２に示す如く、孔７３は基板７２の平面に設けられている。
２本の発熱抵抗体７４，７５は、ガスの流通方向に直交して、孔７３を跨いで基板に所定の間隔を置いて設けられている。

シール部品７６は、検出器５の一面と基板７２との間に設けられ、ガスの流通路７１の側面周囲をシールする。この場合は、ガスケットが使用されている。
カバー部品７７は、基板７２を覆って設けられ、ガスの流通路７１の上面をシールする。

この場合は、２本の発熱抵抗体７４，７５を１組として、２組の発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂが設けられている。
また、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂは、この場合は、半導体プロセスにより形成されている。

また、半導体プロセスにより、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂを電気的に接続する配線パターン（図示せず。）が基板７２に形成されている。
そして、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂにより、図５に示す如く、ブリッジ回路が構成されている。

また、この場合は、基板７２の孔７３は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されている。
この場合は、シリコン基板７２と発熱抵抗体７４，７５との間には、絶縁層７８が設けられている。

なお、Ａは上流側発熱抵抗体７４と下流側発熱抵抗体７５との距離、Ｂは発熱抵抗体間距離を示す。
図５において、８１，８２は比較抵抗、８３はブリッジ出力端子、８４はブリッジ電圧Ｖｂ，８５はＣＯＭ電位を示す。

要するに、本実施例では、赤外線ガスセンサは一枚のシリコン基板７２上に形成されている。シリコン基板７２の一部には、異方性エッチングなどの手法により加工されたエッチング孔７３が形成されている。

シリコン基板７２の表面は、電気的分離層として絶縁層７８が形成され、絶縁層７８の上に抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂがパターニングされている。抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの一部はエッチング孔７３の空間部に橋渡しされ、支持部を持たず浮いている。浮いた部分が加熱され流量検出部として機能する。

要するに、
（１）ガスの流通路７１を、検出器５の一面に設けるようにした。
（２）抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの形成法として、半導体パターニング工程を応用し、従来例では別個に形成して積み重ねて組立てられた上流６１２および下流６１１の熱線を、同じ基板７２面上に形成するようにした。

（３）ガス上流側に位置する熱線抵抗体７４ａ，７４ｂとそのすぐ下流に配置される熱線抵抗体７５ａ，７５ｂが対をなして、基板７２上に形成される。以下この対の熱線抵抗体を「差動抵抗体」と称す。
上下流の熱線間７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの距離は流速感度および測定レンジに大きく影響する。ガスセルの特性からこのパラメータは決定される。

（４）「差動抵抗体」が少なくとも１対以上、同一基板７２上に形成され相互に結線される。
複数の「差動抵抗体」の配置としては、代表的な一例としては、ガス流方向に列を成して形成する方法がある。

（５）ガス線速を計測するためのブリッジ検出回路の例を図５に示す。この例では、それぞれ対７４，７５となった差動抵抗体のうちガスの上流側に位置するもの同士７４ａ，７４ｂ、下流側に位置するもの同士７５ａ，７５ｂが結線され、全体がハーフブリッジ回路を形成する。

以上の構成において、基準側室５０１と試料側室５０２とは、ガス流通路５０３とガス流通路７１とを介して連通され、ガスの流動を発熱抵抗体７４，７５により検出する。

この結果、基準側室５０１と試料側室５０２から発生するガスの流れを検出するためのガス流通路７１を、基準側室５０１と試料側室５０２が設けられた検出器５の一方の面に設け、アレイ状フローセンサをこの表面部分に平行に設けることで、赤外ガス分析計のガスセルに求められる流通路７１が少ない工程で容易に形成でき、安価な赤外ガス分析計が得られる。

面同士の組立てのため、ガス流通路７１のシール方法として、接着剤だけでなく、シール部材（ガスケット、Ｏリングなど）をはさんでネジで締結するなど、組立ての選択の自由が広がる赤外ガス分析計が得られる。

ガスの流通路７１は、検出器の一面に設けられたガスケット７６に打ち抜き形成された貫通路により構成されたので、ガスケット７６を打ち抜くことにより、複雑な形状をしたガスの流通路が容易に形成できる赤外線ガス分析計が得られる。

発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂは、半導体プロセスにより形成されたので、半導体プロセスを適用することで、よりいっそう容易に、かつ寸法精度が良い発熱抵抗体を有する赤外線ガス分析計が得られる。

２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂが設けられたので、信号量が増え、感度が向上された赤外線ガス分析計が得られる。
本発明では、製作工程が増大することなく、また複雑になることもなく実現できる赤外線ガス分析計が得られる。一方、従来例では、同様の構成を実現しようとすると、多数枚の基板を、気密保持しつつ積層する技術を要し、実現は困難もしくは不可能である。

基板７２に設けられ発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂを接続する配線パターンが半導体プロセスにより形成された。
従って、従来は手作業によるハンダ付け作業で、各発熱線抵抗体の配線作業を行っていたが、組数が増すごとにその作業は膨大となった。本発明では半導体プロセスで多用される配線パターン形成技術により、一括に安定して形成できる赤外線ガス分析計が得られる。

発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂによりブリッジ回路が構成されたので、配線パターンにおいて、必要なブリッジ検出回路をこのパターン上に設計して形成しておくことで、工程が少なく、簡便に、ブリッジ検出回路が実現できる赤外線ガス分析計が得られる。

基板の孔７３は、シリコン基板７２に異方性エッチングにより形成されたので、半導体プロセスの適用により、多数のフローセンサの孔加工を、一括に形成でき、ローコスト化に寄与できる赤外線ガス分析計が得られる。

図６は、本発明の他の実施例の要部構成説明である。
本実施例においては、ガスの流通路８６は、検出器５の一面に設けられた凹部５０６により構成されたものである。

この結果、ガス流通路８６は、検出器５の一面に設けられた凹部５０６により構成されたので、検出器５の一面を掘り込めばよく、容易に構成でき、また、流通路８６の周囲の側面は検出器５の一面で構成されるので、シールが不要となり、安価な赤外線ガス分析計が得られる。

図７は、本発明の他の実施例の要部構成説明である。
本実施例においては、熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂは、半導体基板８７にエッチングにより凹部８７１を形成して構成されている。
ガス流通路８８は、凹部８７１がガスの流通路として使用されている。

この結果、凹部８７１がガスの流通路として使用されたので、半導体プロセスにより形成された寸法精度が良いガス流通路８８を有する赤外線ガス分析計が得られる。

なお、図５では熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂ間の結線を、説明の都合上、外部から行う図で説明したが、半導体上の配線パターンで結線を行いこれら結線作業を省力化して、簡便化しても良いことは勿論である。

また、本発明の説明のために用いられた、熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７６ｃ，７４ｂは、説明を分かりやすくするために単純化したものであり、熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７６ｃ，７４ｂは多重に折り返した形状（ミアンダ形状）を含むものであることは勿論である。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 図１の要部詳細説明図である。 図２の側面図である。 図２の使用例を示す図である。 図２の動作説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明である。 本発明の他の実施例の要部構成説明である。 従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。 図８の概念説明図である。 図８のブリッジ回路の説明図である。 図８の要部構成説明図である。 図１１の要部構成説明図である。

符号の説明

５ 検出器
５０１ 基準側室
５０２ 試料側室
５０３ ガス流通路
５０４ フローセンサユニット
５０５ カバー
５０６ 凹部
７１ ガス流通路
７２ 基板
７３ 孔
７４ 発熱抵抗体
７５ 発熱抵抗体
７４ａ 発熱抵抗体
７５ａ 発熱抵抗体
７４ｂ 発熱抵抗体
７５ｂ 発熱抵抗体
７６ シール部品
７７ カバー部品
７８ 絶縁層
８１ 比較抵抗
８２ 比較抵抗
８３ ブリッジ出力端子
８４ ブリッジ電圧Ｖｂ
８５ ＣＯＭ電位
８６ ガス流通路
８７ 半導体基板
８７１ 凹部
８8 ガス流通路

Claims (10)

1. ２個の発熱抵抗体が一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置されたフローセンサを具備する赤外線ガス分析計において、
   基準側室と試料側室とが設けられた検出器の外側の表面の一面に平行に設けられ前記基準側室と前記試料側室とを連通するガスの流通路と、
   この流通路内に設けられガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、
   この基板の前記平面に設けられた孔と、
   前記ガスの流通方向と交わるように前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体と
   を具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 前記ガスの流通路は、前記検出器の一面に設けられたガスケットに形成された貫通路により構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載の赤外線ガス分析計。
3. 前記ガスの流通路は、前記検出器の一面を掘り込んで設けられた第１の凹部により構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載の赤外線ガス分析計。
4. 前記発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の赤外線ガス分析計。
5. 前記発熱抵抗体は、半導体基板にエッチングにより掘り込んで設けられた第２の凹部を形成して構成されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の赤外線ガス分析計。
6. 前記第２の凹部が前記ガスの流通路として使用されたこと
   を特徴とする請求項５記載の赤外線ガス分析計。
7. 前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体
   を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の赤外線ガス分析計。
8. 前記基板に設けられ前記発熱抵抗体を接続する配線パターン
   を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の赤外線ガス分析計。
9. 前記発熱抵抗体によりブリッジ回路が構成されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに記載の赤外線ガス分析計。
10. 前記基板の孔は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されたこと
    を特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の赤外線ガス分析計。

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