JP5427178B2 - 水素炎イオン化検出器 - Google Patents

Description

本発明は、可燃性ガスの供給口および点火デバイス、サンプルガスの供給口、サンプルガスを火炎によりイオン化する燃焼チャンバ、ならびにイオン電流を発生させ、測定するために電圧が印加される電極を含む水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）に関する。

水素炎イオン化検出器は、ガス状サンプルの揮発性有機化合物を検出および測定するために使用される。測定は、酸水素ガス炎中にて熱分解される有機物質の化学イオン化に基づく。物質に含まれる炭素原子のイオン化反応は：
ＣＨ＋Ｏ→ＣＨＯ^＋＋ｅ⁻
で生じる。

火炎縁部に配置された電極対に電圧を印加したとき、イオン電流が流れ、このイオン電流を測定し、有機化合物の検出のために使用できる。まず初めにガスをガスクロマトグラフ、例えばキャピラリー・ガス・クロマトグラフに通過させると、サンプルガス中の種々の化合物は、分子量によって分類されて連続的に水素炎イオン化検出器に入り、その結果様々な成分の濃度を確立できる。

水素炎イオン化検出器に関する問題は、酸素および水素の爆発性の高い混合物である酸水素ガスを供給する必要があることである。したがって、水素炎イオン化検出器をできるだけ小さくすることで、ごく少量の酸水素ガスだけを必要とし、それにより爆発の危険性を低減することが所望される。さらに、そのような小さい水素炎イオン化検出器は、輸送が容易であり、場所をとらないことからも有利であることは間違いない。加えて、酸水素ガスの消費量が少ないことは、貯蔵形態で使用される代わりに酸水素ガスをこの場で電気分解により生成でき、爆発の危険性をさらに低減する。そのような利点を活した水素炎イオン化検出器の１つは、マイクロシステム技術の方法に従って製造される構成要素からなる（Ｓ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎら、「Ｍｉｃｒｏｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｆｌａｍｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ６３（２０００），ｐｐ．１５９−１６６；Ｓ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎら、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ」，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ８３（２０００），ｐｐ．２８５−２８９）。この場合酸水素炎は、開放空間で燃焼し、ケイ素基板と共に電極対を形成する金属化ガラス管によってのみ囲まれている。火炎が開放空間で燃焼するので、結果は、乱流および混入の影響を受けることがある。さらに熱が放出されるので、比較的多量の可燃性ガスが必要である。さらなる欠点は、ガラス管を接着接合させなければならず、したがって検出器はマイクロシステム技術の方法によっては完全に製造できず、この構造は複雑で、高価であり、大量生産には不向きである。

以前から知られている小型設計の他の水素炎イオン化検出器は、これらがマイクロシステム技術の方法によっては製造できない、または完全には製造できないという欠点を有する（ＵＳ５５７６６２６、ＷＯ２００６／００００９９Ａ１）。

米国特許第５５７６６２６号明細書 国際公開第２００６／００００９９号

Ｓ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎら、「Ｍｉｃｒｏｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｆｌａｍｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ６３（２０００），ｐｐ．１５９−１６６ Ｓ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎら、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｆｌａｍｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ」，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ８３（２０００），ｐｐ．２８５−２８９）

本発明の目的は、サイズが小さく、マイクロシステム技術の方法によって完全に製造できる水素炎イオン化検出器を提供することである。

本発明によれば、水素炎イオン化検出器は、マイクロシステム技術の方法により加工される互いに接続された少なくとも３つの平行なプレートレット様基板の一体化平面システムとして構築され、中央基板はガス用ノズルおよび点火デバイスならびに燃焼チャンバの一部を形成するリセスを含み、この水素炎イオン化検出器は、隣接基板のリセスによって完成し、本質的にこれらの基板によってノズル領域と共に閉じられ、隣接基板はガス用供給チャンネルを含むことを特徴とする。

したがって、本発明に従う水素炎イオン化検出器は、さらなる基板を備えていてもよいが、本質的に３つのプレートレット様基板からなる。これらの基板は、フォトエッチングなどによるマイクロシステム技術手段を用いるだけで製造される。中央基板は、ガス用ノズルおよび点火デバイス、ならびに燃焼チャンバの一部を形成するリセスを含む。燃焼チャンバは、隣接する基板のリセスによって完成する。中央基板は、燃焼チャンバ領域全体にわたって開かれていてもよいが、隣接基板は、組立後に燃焼チャンバを閉じる壁を含む。したがって燃焼チャンバは本質的に閉じている。「本質的に閉じている」とは、燃焼チャンバが単に、ガスが外側へ飛散し得る小さな開口部を含んでいるだけであることを意味する。唯一の燃焼生成物、即ち水を凝結できる冷却デバイスが備えられる場合、燃焼チャンバを完全に閉じることもさえも想定可能である。この場合は、水を除去できる好適な手段を提供することだけが必要となる。

しかしながら、２つの隣接または外側基板は、燃焼チャンバを囲むだけでなく、ノズル領域も囲む。可燃性ガスおよびサンプルガスのノズルは中央基板に与えられるが、これらのガスは、隣接外側基板に通じる供給チャンネルを通って供給される。

有利な実施形態において、中央基板は電気伝導性であり、隣接基板は本質的に非伝導性である。「本質的に非伝導性」とは、伝導率が高温でも低いが、実際は構成要素の特定の伝導率を前提としている基板の陽極接合を可能にする程度には依然として十分高いことを意味する。しかしながら、こうした伝導率は、測定されることを目的とするイオン電流に加えて、測定結果を損なうことがあるリーク電流を生じることがあるので、高過ぎてはいけない。

有利には、中央基板はケイ素からなり、隣接基板はガラス、特にガラスとして特に有利であることが証明されているボロシリカートガラスからなる。

有利な実施形態において、電極は、燃焼チャンバ領域にある隣接基板それぞれに配置される。したがって、燃焼チャンバの両側には電極が存在する。このことに関連する欠点は、電圧が２つの電極に印加された場合にイオン電流が測定されるだけでなく、外側基板の０でない伝導率のために一方の電極から他方の電極および凝結した水に流れる電流も測定されることである。

この欠点は、本発明に従う遮蔽電極によって回避でき、それにより、こうした電流が集められる。有利な実施形態において、一方の電極は中央基板によって形成されるが、第２の電極に加えて他方の遮蔽電極が、２つの電極の間にて、２つの隣接基板のうち一方に位置する。一方の隣接基板から他方の隣接基板へ流れる電流は、この場合、遮蔽電極によって集められ、測定もされない。

高温の火炎のため（２７００℃まで）、水素炎イオン化検出器は強く加熱される。応力亀裂を回避するために、全ての部品は丸い形状を有するのが好都合である。

隣接基板上の電極が反射性である場合、火炎からの熱が燃焼チャンバ内に反射して戻る。一方で、可燃性ガスが少なく済む。一方は検出器はあまり加熱されない。

有利な実施形態において、ガス用ノズルは埋設構造として形成され、少なくとも１つのさらなる基板によって覆われる。このようにして、ノズルの対照配置を達成できる。

有利には、中央基板は、ノズルのすぐ後ろにある少なくとも１つの電極先端部を含む。この電極先端部および２つの隣接基板の一方上にある電極を介して、火炎を点火するために高電圧パルスを適用できる。このような高電圧パルスは、例えばピエゾ結晶によって発生させることができる。水素炎イオン化検出器はまた、２つの高誘導磁石を備え付けることにより、電磁流体力学発電機を形成することによって電気エネルギーを発生させるために使用できる。

添付の図面を参照して、有利な実施形態を用いて本発明を以下にて説明する。

本発明に従う水素炎イオン化検出器の実施形態の分解図を示す。 図１の角のある線Ａ−Ａ’−Ａ’’に沿った断面図である。 図２に対応する表示における断面での測定配置を示す。 図２に対応する表示における断面での測定配置の第２の特に有利な実施形態を示す。 有利な実施形態において印加電圧に対するイオン電流の依存性を示す。 サンプルガスの流量に対するイオン電流の依存性を示す。

図１は、水素炎イオン化検出器の本発明の実施形態の分解図を示す。水素炎イオン化検出器は、３つの基板：ケイ素製の中央基板１、ならびにパイレックス（登録商標）ガラス製の下方基板２および上方基板３を含む。燃焼チャンバ４の一部、サンプルガスのノズル５および可燃性ガスノズル６は、既知のマイクロシステム技術方法によって中央基板１に掘削される。ノズル５、６の近位にある燃焼チャンバ４に延びた鋭角の突起７には、点火用に高電圧パルスを印加できる。

下方基板２および上方基板３は、燃焼チャンバ４の領域に槽状のリセスを備え、これらの基板は反射性金属被覆８を備える。金属被覆８は、結合ランド９と接続され、結合ランド９を通って電気的な接続を生じさせることができる。図中にて下部にある基板２はまた、可燃性ガス入口１０を含むが、上方基板３はサンプルガス入口１１を含む。３つの基板を陽極接合により接続させた後、これらの入口はノズル５、６と連通する。

図２は、図１の角のある線Ａ−Ａ’−Ａ’’に沿った断面図を示す。可燃性ガスおよびサンプルガスは、対応するチャネルを通って、金属被覆８を備えた燃焼チャンバ４に入る。これらの金属被覆は、電極として使用でき、この電極上にて、図３に図示されるように電圧が印加され、電流が測定される。これに関する欠点は、電圧源Ｕが、２つの電極８間に、Ｉで測定されるイオン電流を発生するだけでなく、一方では基板１、２および３の制限伝導率による電流ならびに凝結水分によって生じる電流を生じることである。

図４による実施形態において、遮蔽電極１２により、こうした利点が回避される。金属被覆８の一方、即ち図では下方にある被覆１２だけが電気的に接続される。他の金属被覆は燃焼チャンバ４に熱を反射させて戻すためだけにあり、その結果可燃性ガスは少なく済む。基板１は、測定用の第２の電極として使用される。遮蔽電極１２は、基板１に電圧源Ｕを介して接続される。しかしながら、特に基板および凝結水の伝導率が原因で電圧源Ｕにより（ガスが燃焼チャンバに到達する前に）燃焼チャンバの外側を流れる電流は、電流計Ｉによって測定されない。代わりに、基板１と下方電極８との間の電流だけが測定され、即ち水素炎イオン化によって実際生じる電流だけが測定される。

本発明による水素炎イオン化検出器は非常に小さく製造できる。通常、これは１０×１０ｍｍの設置面積を占める。基板は、１００μｍ未満の厚さを有するだけでよい。可燃性ガスおよび測定されるべきガス用のノズル開口部は、可燃性ガスの消費を最小限にするため、またはガス混合を最適化するために、数１０から１００μｍ^２に低減できる。燃焼チャンバ４を図中の右側に向かって開いたように示すが、普通は、外部空気流による乱流および混入を避けるために小さい開口部以外は閉じている。周囲からの拡散は、例えば中央基板と一方もしくは両方の隣接被覆基板との間の狭いギャップ、または中央基板の狭いギャップを通してのみ周囲と連通する燃焼チャンバ４によって防ぐことができる。燃焼チャンバは、水と共に完全に閉じることができ、そこで燃焼生成物、即ち水が追加の冷却デバイス上で凝結される。

上述したように、水素炎イオン化検出器は、マイクロシステム技術およびフォトリソグラフィの従来技術を用いて製造できる。

本発明に従う代表的な水素炎イオン化検出器は、図６に示されるように比較的低電圧を用いて操作される。飽和は早くも±５０Ｖの電圧において生じる。測定結果は、高電圧値にて一定である。対応する曲線は、サンプルガス流が７ｍｌ／分の場合に記録された。１００Ｖの電圧を用いた場合のサンプルガスの流量に対するイオン電流の依存性を図７に示す。

Claims (4)

1. 可燃性ガスの供給口および点火デバイス（７）、サンプルガスの供給口、サンプルガスが火炎によりイオン化される燃焼チャンバ（４）、ならびにイオン電流を発生させ、測定するために電圧が印加される電極（８、１）を備える水素炎イオン化検出器であって、この水素炎イオン化検出器は、マイクロシステム技術の方法により加工される互いに接続された少なくとも３つの平行なプレートレット様基板（１、２、３）の一体化平面システムとして構築され、中央基板（１）がガス用ノズル（５、６）および点火デバイス（７）ならびに燃焼チャンバ（４）の一部を形成するリセスを含み、この水素炎イオン化検出器は、隣接基板（２、３）のリセスによって完成し、本質的にこれらの基板（２、３）によってノズル領域と共に閉じられ、隣接基板（２、３）はガス用供給チャンネル（１０、１１）を含むことを特徴とする、水素炎イオン化検出器。
2. 中央基板（１）が、電気伝導性であり、隣接基板（２、３）が本質的に非伝導性であることを特徴とする、請求項１に記載の水素炎イオン化検出器。
3. 中央基板（１）がケイ素からなり、隣接基板（２、３）がガラスからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の水素炎イオン化検出器。
4. ガラスが、ボロシリカートガラスであることを特徴とする、請求項３に記載の水素炎イオン化検出器。

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