JP6217119B2

JP6217119B2 - 熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP6217119B2
Application number: JP2013083719A
Authority: JP
Inventors: 藤井　淳; 淳藤井; 山田　実; 実山田; 宣之西居
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: JP2014206439A

Description

本発明は、熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計に関する。

従来、ガス流の中に置かれる抵抗体の抵抗値の変化によりガス流を検知するフローセンサが知られている。また、ガスに赤外線を照射することにより生じたガス流の中に置いたフローセンサによりガス流を検知し、ガス中の赤外線吸収物質を分析する赤外線ガス分析計が知られている（特許文献１，２）。

また、上述した赤外線ガス分析計のディテクタの感度を向上させる技術として、感受室内面を鏡面に仕上げることで入射赤外線の反射効率を上げる方法がある。また、フローセンサの抵抗体の温度上昇による抵抗値変化を軽減するために、抵抗基板を保持するセラミック基板のガス取入通気孔に遮光板を設けることで、感受室内面で反射した赤外線のフローセンサへの入射を排除し、ディテクタの感度をさらに向上させたものが知られている（特許文献３）。

また、従来の技術として、蛇行状に形成された発熱抵抗体を有し且つ気体の流速や流量を計測するために使用される高感度な熱型流量センサが知られている（特許文献４）。

特開２００２−１０７２９８号公報特許第３９０９３９６号公報特開２０１２−９３０９９号公報特開平９−２１０７４８号公報

しかしながら、特許文献３では、ノイズ成分を排除してセンサの感度を向上させているが、遮光板を設けなければならず、高価なセンサとなっていた。また、特許文献４の熱型流量センサでは、センサの感度が十分ではなかった。

本発明の課題は、安価で且つ信号成分の感度を向上させることによりセンサの感度を向上させることができる熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計を提供することにある。

本発明に係る熱線式フローセンサは、上記課題を解決するために、ガスが流れるためのガス流通開口部が形成された抵抗基板と、前記抵抗基板上に配置され且つ前記ガス流通開口部から流入されるガスにより抵抗値が変化することによりガスを検知する平板状の抵抗体とを有し、前記抵抗体は、前記ガス流通開口部の位置と対向する位置で且つ所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターンを形成し、所定区間以外の抵抗体の幅における断面積よりも前記所定区間における抵抗体の幅における断面積を減らしたことを特徴とする。

本発明によれば、抵抗体は、ガス流通開口部の位置と対向する位置で且つ所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターンを形成し、所定区間以外の抵抗体の幅における断面積よりも所定区間における抵抗体の幅における断面積を減らしたので、安価で且つ信号成分の感度を向上させることによりセンサの感度を向上させることができる熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計を提供することができる。

実施例１の熱線式フローセンサの断面図である。実施例１の熱線式フローセンサの平面図である。実施例１の赤外線ガス分析計の検出回路の構成を示す図である。実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）櫛形抵抗体の拡大図である。実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）櫛形抵抗体の変形例を示す図である。実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の製作処理を示す図である。実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理のフローチャートである。実施例１の熱線式フローセンサに設けられたレジストのパターンを示す図である。実施例２の熱線式フローセンサに設けられたガス流通開口部を亙る下流（上流）櫛形抵抗体の側面図である。実施例２の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理を示す図である。実施例２の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理のフローチャートである。

以下、本発明の熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１の熱線式フローセンサの断面図である。図２は、実施例１の熱線式フローセンサの平面図である。なお、図１に示す断面図は、図２のＡ−Ａ´間の断面を示す図である。

図１に示す実施例１の熱線式フローセンサは、下流抵抗基板１、上流抵抗基板２、絶縁基板からなる絶縁性土台４とを有している。上流抵抗基板２は、下流抵抗基板１と絶縁性土台４とで挟まれている。上流抵抗基板２と下流抵抗基板１との間、及び上流抵抗基板２と絶縁性土台４とは、接着材３により固定されている。

下流抵抗基板１には、略中央部分にガスが流れるための下流ガス流通開口部１ａが形成されている。下流抵抗基板１上には、下流ガス流通開口部１ａから流入されるガスにより抵抗値が変化することによりガスを検知する下流櫛形抵抗体１ｂが配置されている。下流櫛形抵抗体１ｂは、下流ガス流通開口部１ａの位置と対向する位置で且つ所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターンを形成している。

上流抵抗基板２には、略中央部分にガスが流れるための上流ガス流通開口部２ａが形成されている。上流抵抗基板２上には、上流ガス流通開口部２ａから流入されるガスにより抵抗値が変化することによりガスを検知する上流櫛形抵抗体２ｂが形成されている。上流櫛形抵抗体２ｂは、上流ガス流通開口部２ａの位置と対向する位置で且つ所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターンを形成している。

下流（上流）抵抗基板１，２に使用される材料としては、感光性ガラスやシリコン基板、セラミック基板を例示できる。下流（上流）櫛形抵抗体１ｂ（２ｂ）には、抵抗値の温度変化が大きい導電性金属（例えば、ニッケル、白金）が使用される。

絶縁性土台４には略中央部分に、ガスを取り入れるためのガス取入開口部４ａが形成されている。ガスは、上流側から下流側へ流れるようになっていて、ガス取入開口部４ａから上流ガス流通開口部２ａを介して下流ガス流通開口部１ａに流れる。

ガス取入開口部４ａの開口径は、上流ガス流通開口部２ａの開口径および下流ガス流通開口部１ａの開口径よりも小径である。ガス取入開口部４ａは、流通するガスが上流櫛形抵抗体２ｂおよび下流櫛形抵抗体１ｂの中央付近に形成された微細構造の凹凸パターンを通るように配置されている。

このため、上流櫛形抵抗体２ｂおよび下流櫛形抵抗体１ｂの最も発熱する凹凸パターンの領域をガスが流通し、上流櫛形抵抗体２ｂおよび下流櫛形抵抗体１ｂとガスとの熱交換が行われるので、上流櫛形抵抗体２ｂおよび下流櫛形抵抗体１ｂから下流（上流）抵抗基板１，２への熱の逃げを軽減することができる。

（赤外線ガス分析計の検出回路）
次に、赤外線ガス分析計の検出回路の構成を図３を参照して説明する。図３に示す検出回路は、上流櫛形抵抗体２ｂの一端と下流櫛形抵抗体１ｂの一端とを接続し、下流櫛形抵抗体１ｂの他端と第１抵抗器Ｒ１の一端とを接続し、第１抵抗器Ｒ１の他端と第２抵抗器Ｒ２の一端とを接続し、第２抵抗器Ｒ２の他端と上流櫛形抵抗体２ｂの他端を接続して、ブリッジ回路を構成する。上流櫛形抵抗体２ｂと下流櫛形抵抗体１ｂとで熱線式フローセンサ１０を構成する。

第１抵抗器Ｒ１の他端と第２抵抗器Ｒ２の一端とが接続された接続点ｂと、上流櫛形抵抗体２ｂの一端と下流櫛形抵抗体１ｂの一端とが接続された接続点ｄの間には基準電圧Ｖｃｃが印加される。下流櫛形抵抗体１ｂの他端と第１抵抗器Ｒ１の一端とが接続された接続点ａと、第２抵抗器Ｒ２の他端と上流櫛形抵抗体２ｂの他端とが接続された接続点ｃの間から出力が取り出される。

次に、図４を参照して、下流（上流）櫛形抵抗体の詳細について説明する。上流ガス流通開口部２ａの上面部分には、上流櫛形抵抗体２ｂとして、長さ、幅、深さが例えば、１０００μｍ、１０μｍ、４μｍからなる抵抗線６が２０本配列されている。なお、図４では、抵抗線６は、２本のみを示している。

図４に示すように、各抵抗線６の中央部分に対して、幅３．５μｍ、長さ１．５μｍ程度の凹部５ａ，５ｂが１．５μｍ等間隔で１６６個形成されている。即ち、下流（上流）櫛形抵抗体１ｂ（２ｂ）は、図４に示すように、抵抗線６の所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターン（凹部５ａ，５ｂ）を形成し、所定区間以外の抵抗体の幅における断面積よりも所定区間における抵抗体の幅における断面積を減らしている。

なお、上流櫛形抵抗体２ｂの側面には、微細構造の凹凸の代わりに、矩形又は楔形の切欠きを形成しても良い。

凹部５ａ，５ｂが形成されている抵抗線６の表面積は、以下のようになる。まず、抵抗体の表面積を計算する。ガスとの熱交換領域（実効有感領域）が中心から±４００μｍ程度であるとする。凹部５ａ，５ｂを形成した時の表面積は、
１０μｍ×８００μｍ−凹部形成により減少した表面積；１．５μｍ×３．５μｍ×凹部の数：１６６×２＝６２５７μｍ^２
全体の表面積は、
６２５７μｍ^２×２＋７８４８μｍ^２×２＝２８２１０μｍ^２
凹部５ａ，５ｂを未形成時の表面積は、
１０μｍ×８００μｍ×２＋４μｍ×８００μｍ×２＝２２４００μｍ^２
従って、凹部５ａ，５ｂを形成した時の表面積は、凹部５ａ，５ｂを形成しない時の表面積よりも２５％程度大きくなる。

従って、上流櫛形抵抗体２ｂの表面積が増加することで開口部を流通するガスとの接触面積が増加し、熱交換効率が上昇し、センサの感度を向上させることができる。また、凹部５ａ，５ｂを形成した部分の抵抗値が凹部５ａ，５ｂを形成しない部分の抵抗値よりも大きくなるため、発熱領域が凹部５ａ，５ｂの領域に集中し、抵抗体からガラスへの熱の逃げが軽減され、フローセンサの感度を向上させることができる。

また、抵抗線６の左端側に形成された各々の凹部５ａと抵抗線６の右端側に形成された各々の凹部５ｂとが左右交互に配置されている。即ち、抵抗線６の左端側に凹部５ａが形成されている場合には、その位置に対応する抵抗線６の右端側には凹部５ｂは形成されていない。抵抗線６の右端側に凹部５ｂが形成されている場合には、その位置に対応する抵抗線６の左端側には凹部５ａは形成されていない。即ち、凹部５ａと凹部５ｂとが左右交互に設けられた区間においては抵抗線６の断面積が均一で抵抗値も等しくなるので、特に、均一な温度分布が得られる。

また、下流櫛形抵抗体１ｂの表面及び側面にも、上流櫛形抵抗体２ｂと同様に、図１及び図２に示すように、下流ガス流通開口部１ａの上面部分の中央付近において微細構造の凹凸が形成されている。従って、抵抗体からガラスへの熱の逃げが軽減され、フローセンサの感度を向上させることができる。
図５は、実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）櫛形抵抗体の変形例を示す図である。図５（ａ）に示す下流（上流）櫛形抵抗体１Ａｂ（１Ｂｂ）は、凹部６ａ，６ｂが左右交互に配置されるとともに、凹部６ａ，６ｂの溝の深さが大きくなっている。このため、抵抗値がさらに大きくなり、発熱がさらに大きくなるので、その効果がさらに大となる。図５（ｂ）に示すように、下流（上流）櫛形抵抗体１Ｃｂ（１Ｄｂ）の所定区間にＶ溝部７を形成しても実施例１の熱線式フローセンサの効果と同様な効果が得られる。

図６は、実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理を示す図である。図７は、実施例１の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理のフローチャートである。

図６及び図７を参照しながら、下流（上流）抵抗基板の作製処理について説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、感光性ガラス１１を用意し（ステップＳ１１）、図６（ｂ）に示すように、感光性ガラス１１に紫外線を照射して、抵抗基板１（２）のパターンを作成する（ステップＳ１２）。

次に、図６（ｃ）に示すように、パターンが生成された抵抗基板１（２）の表面に、抵抗体材料である例えばニッケル１２をスパッタにより成膜する（ステップＳ１３）。ニッケル１２の厚みは、例えば４μｍとする。

次に、図６（ｄ）に示すように、ニッケル１２が成膜された抵抗基板１（２）にレジスト１３を塗布し（ステップＳ１４）、図６（ｅ）に示すように、抵抗体のパターンを生成する（ステップＳ１５）。

次に、図６（ｆ）に示すように、抵抗基板１（２）のニッケル１２をエッチングし、レジスト１３を除去する（ステップＳ１６）。これにより、図８に示すような、レジストパターンを有するニッケル面が作製される。さらに、図６（ｇ）に示すように、ガラスをフッ酸によりエッチングすることにより下流（上流）抵抗基板が作製される（ステップＳ１７）。

このように実施例１の熱線式フローセンサによれば、抵抗体の表面又は側面に凹凸を形成することにより、抵抗体とガスとの接触面積が増加し、熱交換効率が従来のものよりも良好となり、フローセンサの感度を向上することができる。また、従来のように、遮光板を用いていないため、安価なフローセンサを提供することができる。

また、抵抗体の断面積を所定区間、中央付近について減らすことにより、抵抗値が周辺の抵抗値よりも大きくなり、発熱領域が中央付近に集中する。このため、抵抗体からガラスへの熱の逃げが軽減され、フローセンサの感度を向上させることができる。

また、電流が抵抗線６をジグザグ状に流れるので、抵抗値が大きくなるため、より多くの熱が発生し、抵抗体からガラス基板への熱の逃げを軽減することできる。

図９は、実施例２の熱線式フローセンサに設けられたガス流通開口部を亙る下流（上流）櫛形抵抗体の側面図である。図９に示す実施例２では、下流（上流）抵抗基板１（２）の略中央部分に形成されたガス流通開口部１５の上部に下流（上流）櫛形抵抗体１４が形成されている。

この下流（上流）櫛形抵抗体１４の表面（上面）には、ガス流通開口部１５の位置に対応した位置に凹凸パターンが形成されている。即ち、凹部８ａが形成されている。また、下流（上流）櫛形抵抗体１４の裏面（下面）には、ガス流通開口部１５の位置に対応した位置に凹凸パターンが形成されている。即ち、凹部８ｂが形成されている。凹部８ａと凹部８ｂとは、表面裏面（上面下面）交互に形成されている。
図１０は、実施例２の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理を示す図である。図１１は、実施例２の熱線式フローセンサに設けられた下流（上流）抵抗基板の作製処理のフローチャートである。

図１０及び図１１を参照しながら、下流（上流）抵抗基板の作製処理について説明する。

まず、図１１（ａ）に示すように、感光性ガラス１１を用意し（ステップＳ２１）、図１１（ｂ）に示すように、感光性ガラス１１に紫外線を照射して、抵抗基板１（２）のパターンを作成する（ステップＳ２２）。

次に、図１１（ｃ）に示すように、パターンが生成された抵抗基板１（２）の表面にレジスト１３ａを塗布し、抵抗基板１（２）の表面の凹凸パターンを生成する（ステップＳ２３）。

次に、図１１（ｄ）に示すように、レジスト１３ａにより凹凸パターンが生成された抵抗基板１（２）をエッチングして数μｍ程度の深さの凹構造を作製する（ステップＳ２４）。

次に、図１１（ｅ）に示すように、レジスト１３ａを除去する（ステップＳ２５）。さらに、図１１（ｆ）に示すように、レジスト１３ａが除去され凹構造が作製された抵抗基板１（２）の表面に、抵抗体材料である例えばニッケル１２をスパッタにより成膜する（ステップＳ２６）。ニッケル１２の厚みは、例えば４μｍとする。

次に、図１１（ｇ）に示すように、ニッケル１２が成膜された抵抗基板１（２）にレジスト１３ｂを塗布し（ステップＳ２７）、図１１（ｈ）に示すように、抵抗体のパターンを生成する（ステップＳ２８）。

次に、図１１（ｉ）に示すように、抵抗基板１（２）のニッケル１２をエッチングし、レジスト１３ｂを除去する（ステップＳ２９）。これにより、ニッケル１２の抵抗パターンが作製される。さらに、図１１（ｊ）に示すように、ガラスをフッ酸によりエッチングすることにより下流（上流）抵抗基板が作製される（ステップＳ３０）。

このように実施例２の熱線式フローセンサによれば、実施例１の熱線式フローセンサの効果と同様な効果が得られる。

なお、本発明は、実施例１及び実施例２の熱線式フローセンサに限定されるものではない。例えば、実施例１の熱線式フローセンサと実施例２の熱線式フローセンサとを組み合わせて良い。

本発明に係る熱線式フローセンサ及び赤外線ガス分析計は、ガス分析装置に利用可能である。

１下流抵抗基板
１ａ下流ガス流通開口部
１ｂ下流櫛形抵抗体
２上流抵抗基板
２ａ上流ガス流通開口部
２ｂ上流櫛形抵抗体
３接着剤
４絶縁性土台
４ａガス取入開口部
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ凹部
６抵抗線
７Ｖ溝部
１０熱線式フローセンサ
１１感光性ガラス
１２ニッケル
１３，１３ａ，１３ｂレジスト
１４下流（上流）櫛形抵抗体
１５ガス流通開口部

Claims

ガスが流れるためのガス流通開口部が形成された抵抗基板と、
前記抵抗基板上に配置され且つ前記ガス流通開口部から流入されるガスにより抵抗値が変化することによりガスを検知する平板状の抵抗体とを有し、
前記抵抗体は、前記ガス流通開口部の位置と対向する位置で且つ所定区間に亙って抵抗体表面に凹凸パターンを形成し、所定区間以外の抵抗体の幅における断面積よりも前記所定区間における抵抗体の幅における断面積を減らしたことを特徴とする熱線式フローセンサ。
前記抵抗体の凹凸パターンは、前記抵抗体表面の左右に形成され且つ凹部が左右交互に形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱線式フローセンサ。
前記抵抗体の凹凸パターンは、抵抗体側面に凹部を形成してなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱線式フローセンサ。
前記抵抗体の凹凸パターンは、前記抵抗体の表面と裏面とに形成され且つ凹部が前記表面と前記裏面とに交互に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱線式フローセンサ。
前記抵抗基板を保持し且つ前記ガス流通開口部の位置と対向する位置に設けられるとともに前記ガス流通開口部の開口径よりも小径のガス取入開口部が形成された絶縁基板を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の熱線式フローセンサ。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の熱線式フローセンサを有する
ことを赤外線ガス分析計。