JP5230883B2 - 赤外線ガス分析計用流量検出素子 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
この発明は、非分散型赤外線ガス分析計（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。

測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されるとともに、測定セルに対して互いに直列的または並列的に配置される二つのガス室と、両ガス室を連通させるガス通路と、このガス通路にガス通路を遮るように設けられた流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用検出器には、例えば、実公昭５９−２６２７８号公報、実公昭５９−２４９９３号公報、実開昭５６−９９４６２号公報等に開示された熱式流量検出素子を用いたものがある。

この熱式流量検出素子は、図５および図６に示すように、ニッケル等の金属箔でできた蛇行状の２枚のヒータ５１と、これらのヒータ５１を対向して配置しかつ固定するためのガラス等の絶縁材料でできた板材５２とから構成されている。そして、この板材５２には開口５３が形成されており、この開口５３内に位置するヒータ５１の隙間５４がガス流通路に形成されている。

そして、ヒータ５１が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、ヒータ５１に電圧を印加しておくと、無風状態では、二つのヒータ５１は、図６において符号ａで示すような温度分布を示すが、前記隙間５４に矢印５５で示すようなガスの流れがあると、上流側のヒータ（図６において左側に位置する）５１は、ガスの流速に応じて冷却され、逆に、下流側のヒータ（図６において右側に位置する）５１は、上流側のヒータ５１から奪われた熱により加熱されて、図６において符号ｂで示すような温度分布を示す。この温度変化によりヒータ５１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を用いて検出することにより、流量が検出される。なお、検出されたガスの流量は、非分散型赤外線ガス分析計の測定セル（図示していない）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）に対応している。

発明が解決しようとする課題

ところで、上記ヒータ５１は、一般的にはすだれ状であるので、前記ホイートストーンブリッジに電圧を印加した場合、ヒータ５１の中心部が周辺より温度が高くなる。その結果、ガスが流れた場合、ヒータ５１の中心部の温度変化は大きくなるが、周辺部の温度変化は小さい。そして、最終的な出力は前記温度変化の平均となるため、結果として得られる出力は小さなものとなってしまうという課題がある。

これに対して、センサにおけるガス流路（前記隙間５４）を狭くして、前記最終出力を増大することが試みられているが、この場合も、ヒータ全面に流路を設けているため、上述した課題を解決することができてない。

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、より大きな出力を得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である。

課題を解決するための手段

【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と、基板に形成され両ガス室を連通させるガス通路となる開口と、当該ガス通路にガス通路を遮るように設けられた熱式流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用検出器の前記流量検出素子において、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、電圧が印加されるヒータを、前記ガス通路を遮るように基板上に設けられる絶縁体薄膜によって保持するとともに、前記絶縁体薄膜の前記ヒータによって囲まれた内部位置にのみ、複数のガス流通孔を設け、前記ヒータは、それら複数のガス流通孔が設けられる部分において細くなり、それら複数のガス流通孔が設けられる外側周辺部分で前記開口に対応する部分において太くなるよう線幅を変化させかつ、その線幅の細い部分と太い部分が複数繰り返し形成されていることを特徴としている（請求項１）。

上記の構成によれば、電圧が印加されるヒータを、前記ガス通路を遮るように基板上に設けられる絶縁体薄膜によって保持するとともに、前記絶縁体薄膜の前記ヒータによって囲まれた内部位置にのみ、複数のガス流通孔を設け、前記ヒータは、それら複数のガス流通孔が設けられる部分において細くなり、それら複数のガス流通孔が設けられる外側周辺部分で前記開口に対応する部分において太くなるよう線幅を変化させかつ、その線幅の細い部分と太い部分が複数繰り返し形成されているので、通路を通過するガスとヒータとにおける熱の授受が、ヒータの中心部近傍においてのみ行われるようになり、それだけ、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることができ、高感度および応答性に優れた赤外線ガス分析計用流量検出素子を得ることができる。

そして、ヒータがガス通路の中央部に可及的に近くに位置するように形成されている場合（請求項２）、前記熱の授受をより効率的に行わせることができ、より高感度かつ応答性に優れた赤外線ガス分析計用流量検出素子が得られる。また、この発明は、前記複数のガス流通孔の集積パターン形状は、平面視において略円形状である請求項１または２に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子を提供する（請求項３）。

【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。図１は、この発明の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の一例を示す。この流量検出素子Ａは、図５および図６に示された従来例と同様に、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れを遮るように設けられるものであって、１は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、電圧が印加されるヒータであり、蛇行状のパターン形状とされている。２はヒータ１に通電するための引き出し電極（パット部）、３はヒータ１を保持する絶縁体薄膜である。

前記絶縁体薄膜３としては、ポリイミドやエポキシ系の有機系絶縁体薄膜やＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等の無機系絶縁体薄膜でもよいが、この実施の形態では、感光性ポリイミドよりなる。４は非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料よりなる基板で、図１（Ｂ）に示すように、開口４ａが形成されている。この開口４ａはガス通路となるものである。

そして、図１（Ａ）に示すように、絶縁体薄膜３のヒータ１によって囲まれた内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分１ａ，１ａによって挟まれた部分５の面積よりも狭い流路面積に設定した複数のガス流通孔６が形成されている。この実施の形態では、蛇行状をなすヒータ１の隣接するヒータ部分１ａ．１ａの間隔に比して幅狭な長円状に設定された複数個の微細なガス流通孔６が、ヒータ部分１ａに沿って形成されている。

前記流量検出素子Ａの製造方法の一例を、図２および図３を参照しながら説明する。
（１）図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性材料よりなる基板４の上に、感光性ポリイミドよりなる絶縁体薄膜３を０．５〜２μｍ厚に堆積させ、フォトレジスト工程により絶縁体薄膜３の所定位置にガス流通孔６を形成する。

（２）そして、絶縁体薄膜３の上に、図２（Ｃ）に示すように、ヒータ用電極膜（例えば、Ｐｔ、ＮｉまたはＮｉＣｒ）７を、例えばスパッタ法によって、０．１〜０．５μｍ厚に堆積させる。

（３）次いで、図２（Ｄ）に示すように、フォトレジスト工程によるパターン形成後、図２（Ｅ）に示すように、エッチングによってヒータ用電極膜をパターン形状にする。８はパターン形状のレジストである。

（４）次いで、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記レジスト８を除去するとともに、基板４を裏面からエッチング除去してガス通路としての開口４ａを形成することにより検出素子単位体Ａ₁を製造する。

（５）その後、前記検出素子単位体Ａ₁を２段重ねに接着して、図１に示した熱式流量検出素子Ａを製造するのである。

上記構成によれば、ヒータ１の線径やパターンと関係なくガス流通孔６を形成することができ、ガス流通孔６の流路面積を絞ることによって、ガスの流速を速くし、感度を増大させ得るだけでなく、ヒータ１が絶縁体薄膜３で支持されているので、ヒータ用電極膜として厚いものが必要とされず、流量検出素子Ａを薄膜状に形成できるので、熱容量を小さくして、応答速度を速くさせることができる。

そして、前記絶縁体薄膜３のヒータ１によって囲まれた内部位置にのみ、蛇行するヒータ部分１ａによって挟まれた部分５の面積よりも狭い流路面積に設定した複数のガス流通孔６を形成しているので、通路を通過するガスとヒータ１とにおける熱の授受が、ヒータ１の中心部近傍においてのみ行われようになり、それだけ、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることができる。

図４は、この発明の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態における赤流量検出素子Ａは、ヒータ１を、ガス通路としての開口４ａの中央部に集中して設けられてなるもので、この構成によれば、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることができる。

発明の効果

以上のように、この発明によれば、通路を通過するガスとヒータとにおける熱の授受が、ヒータの中心部近傍においてのみ行われるので、それだけ、前記熱の授受の効率が上昇し、大きな出力を得ることができ、高感度かつ応答性に優れた赤外線ガス分析計用流量検出素子を得ることができる。

この発明に係る赤外線ガス分析計用流量検出素子の一例である熱式流量検出素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。 前記熱式流量検出素子の製造方法の説明図である。 図３に続く熱式流量検出素子の製造方法の説明図である。 他の熱式流量検出素子の例を示す平面図である。 従来の熱式流量検出素子を示す平面図である。 図５のＶ−Ｖ線断面図である。

Ａ…赤外線ガス分析計用流量検出素子、１…ヒータ、３…絶縁体薄膜、６…ガス流通孔。

Claims (3)

1. 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と、基板に形成され両ガス室を連通させるガス通路となる開口と、当該ガス通路にガス通路を遮るように設けられた熱式流量検出素子とを備えた赤外線ガス分析計用検出器の前記流量検出素子において、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、電圧が印加されるヒータを、前記ガス通路を遮るように基板上に設けられる絶縁体薄膜によって保持するとともに、前記絶縁体薄膜の前記ヒータによって囲まれた内部位置にのみ、複数のガス流通孔を設け、前記ヒータは、それら複数のガス流通孔が設けられる部分において細くなり、それら複数のガス流通孔が設けられる外側周辺部分で前記開口に対応する部分において太くなるよう線幅を変化させかつ、その線幅の細い部分と太い部分が複数繰り返し形成され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。
   
2. ヒータがガス通路の中央部に可及的に近くに位置するように形成されてなる請求項１に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子。
   
3. 前記複数のガス流通孔の集積パターン形状は、平面視において略円形状である請求項１または２に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子。

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