JP6912042B2

JP6912042B2 - 熱伝導式センサ

Info

Publication number: JP6912042B2
Application number: JP2017018226A
Authority: JP
Inventors: 克久豊島
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018124225A

Description

本発明は、熱伝導式センサに関する。

熱伝導式センサは、高温に加熱された白金等の抵抗体からなるセンサ素子の熱伝導性が、雰囲気の状態に応じて変化することを利用したセンサであり、例えば湿度センサが知られている（特許文献１）。該抵抗体は抵抗体パターンの形態で基板上に備えられるが、該パターン端部では温度勾配が生じるためにセンシング感度が低下するという問題がある。そこで、特許文献１では、該抵抗体パターンの両端付近にそれぞれ接続された引き出し配線パターンを設け、該引き出し配線パターン間で信号を検出することで温度勾配の影響を解消することが提案されている。

上記のとおり抵抗体は高温に加熱して使用されるが、例えば人工呼吸器の呼吸回路内等の湿度が高い雰囲気中では抵抗体に水滴が付着して、適切な測定ができなくなる場合がある。また、測定終了後、抵抗体が自然冷却される際に、雰囲気中の水蒸気によって結露が発生する場合がある。このように抵抗体上に水滴が残った状態で、抵抗体が再び加熱されると、急激な水の蒸発により抵抗体が損傷する場合がある。そこで、抵抗体を高温に加熱する前に弱い電流を流して、抵抗体に水滴が付着していないか等を調べる方法が提案されている（特許文献２）。

特開平８−２９２２０２号公報特開２０１５−２２７８１８号公報

特許文献１に記載の引き出し線を設けることによって温度勾配が緩和され結露も起こり難くなるものの、何らかの原因で抵抗体に水滴が付着した場合に、抵抗体が損傷し得る問題は残る。また、特許文献２記載の方法は結露等が起こった後で行う方法であって、結露の発生等を予防することはできない。

そこで本発明は、結露の発生を防止し、より適切な測定をすることができる熱伝導式センサを提供することを目的とする。

即ち、本発明に係る熱伝導式センサは、センサ本体と、前記センサ本体の一端に気体入口と、前記一端に対向した他端に気体出口と、前記気体入口から前記センサ本体内部を通って前記気体出口へ繋ぐ気体流路とを備えるフローセル型の熱伝導式センサであって、前記センサ本体から熱的に分離された状態で、前記気体流路の、前記気体入口側に第１熱伝導式センサ素子と、前記気体出口側に第２熱伝導式センサ素子と、前記第１熱伝導式センサ素子及び前記第２熱伝導式センサ素子の間に第１発熱手段と、前記センサ本体内の下部を加熱する第２発熱手段と、前記センサ本体内の上部を加熱する第３発熱手段とを備えることを特徴とする。

本発明の熱伝導式センサは、センサ本体内部において、気体を加熱する第１発熱手段、センサ内部を加熱する第２発熱手段及び第３発熱手段を備えるので、熱伝導式センサ内部での結露の発生を防止し、より適切な測定をすることができる。

本発明の第１実施形態の熱伝導式センサの端面図である。熱伝導式センサの分解斜視図である。センサ素子保持基板の分解斜視図である。変形例における、熱均一化基板と底面基板の斜視図である。変形例における、センサ素子保持基板とブリッジヒータ保持基板の積層体の斜視図である。図５に示すセンサ素子保持基板とブリッジヒータ保持基板の積層体の分解斜視図である。センサ素子保持基板の上側にブリッジヒータを備える形態の分解斜視図である。第２実施形態における、ＭＥＭＳチップ保持基板の斜視図である。ＭＥＭＳチップ保持基板の分解斜視図と、ＭＥＭＳチップ保持基板に対応させて使用される流路形成チップ保持基板の分解斜視図である。第３実施形態における、ＭＥＭＳチップ保持基板とブリッジヒータ保持基板の積層体の斜視図である。図１０に示すＭＥＭＳチップ保持基板とブリッジヒータ保持基板の積層体の分解斜視図である。ＭＥＭＳチップの上側の気体流路中にブリッジヒータを備える形態を示す分解斜視図である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
（全体構成）
図１に示す熱伝導式センサ１は、センサ本体２として、順に積層された底面基板１０、センサ素子保持基板１１、流路形成基板１２、上面基板１３を備える。熱伝導式センサ１は、センサ本体２の一端に気体入口４と、前記一端に対向した他端に気体出口５と、気体入口４から前記センサ本体２内部を通って気体出口５へ繋ぐ気体流路６とを備えるフローセルである。これらの基板は、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、又はポリイミドシート基板であってよく、好ましくはセラミック基板である。測定対象は空気、排ガス等の気体であるが、霧状の液体、煙霧状の微小固体が含まれていてもよい。該気体は、気体入口４から入って、気体流路６を通って、気体出口５から出る。

気体流路６の、前記気体入口４側に第１熱伝導式センサ素子１６、前記気体出口５側に第２熱伝導式センサ素子１７、前記第１熱伝導式センサ素子１６及び前記第２熱伝導式センサ素子１７の間に第１発熱手段１８がそれぞれ配置されている。第１熱伝導式センサ素子１６、第２熱伝導式センサ素子１７、及び第１発熱手段１８は、センサ素子保持基板１１に架橋支持又は片持ち支持され、センサ素子保持基板１１から熱的に分離されている。第１発熱手段１８は、気体流路６において結露等により多量の水滴が浸入した場合でも、気体流路６及び該気体流路６内の気体を直接加熱することで、熱伝導式センサ１を復帰することができる。熱伝導式センサ１は、自然乾燥に比べて復帰時間を短縮できる。第１熱伝導式センサ素子１６、第２熱伝導式センサ素子１７は、Ｐｔ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群より選ばれる金属の細線であってもよく、好ましくはＰｔの細線からなる。第１発熱手段１８は、レーザ加工又は放電加工等されたニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、又はカンタル（Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ａｌ‐Ｃｏ合金）の薄板からなることが好ましい。

底面基板１０のセンサ素子保持基板１１側の面上には、底面基板１０を加熱する第２発熱手段１９が設けられている。上面基板１３のセンサ素子保持基板１１側の面上には、上面基板１３を加熱する第３発熱手段２０が設けられている。第２発熱手段１９及び第３発熱手段２０は、底面基板１０及び上面基板１３における結露を防止する。

図２に示すように、底面基板１０は、四角形状の基板本体２２と、当該基板本体２２の表面に設けられた第２発熱手段１９とを有する。基板本体２２の４隅には、積層用貫通孔２４が設けられている。第２発熱手段１９は、基板本体２２の略全面を覆うサーペンタイン形状を有し、基板本体２２と一体化されている。第２発熱手段１９の両端はリード２５に接続される。リード２５は、リード取り出し側１０ｆに引き出される。

センサ素子保持基板１１は、保持基板本体２６、保持基板本体２６上に設けられた第１発熱手段１８、第１熱伝導式センサ素子１６及び第２熱伝導式センサ素子１７を有する。保持基板本体２６は、表面に気体入口側端部２７と気体出口側端部２８を結ぶ帯状の第１溝部２９と、当該第１溝部２９の略中央に厚さ方向に貫通した矩形状の第１開口部３０と、４隅に積層用貫通孔２４とを有する。第１発熱手段１８、第１熱伝導式センサ素子１６及び第２熱伝導式センサ素子１７は、その長手方向が、第１溝部２９の長手方向と直交するように配置されている。第１発熱手段１８は、第１開口部３０の中央であって、第１溝部２９を挟んで両側の岸部３１、３２に架橋支持されている。第１発熱手段１８はサーペンタイン形状を有する。第１熱伝導式センサ素子１６及び第２熱伝導式センサ素子１７は、第１発熱手段１８を挟んで両側に、第１発熱手段１８と平行して、岸部３１、３２に架橋支持されている。

流路形成基板１２は、センサ素子保持基板１１側の面の、第１溝部２９に対応する箇所に第２溝部３３と、前記第１開口部３０に対応する箇所に厚さ方向に貫通した第２開口部３４と、４隅に積層用貫通孔２４とを有する。流路形成基板１２とセンサ素子保持基板１１を積層したとき、第２溝部３３と第１溝部２９により気体流路６が形成される。第２溝部３３は第１熱伝導式センサ素子１６と前記第２熱伝導式センサ素子１７の上側の流路を、第１溝部２９は第１熱伝導式センサ素子１６と第２熱伝導式センサ素子１７の下側の流路となる。第１溝部２９と第２溝部３３の溝の深さを調整することによって、気体流路６の体積を調整することができ、これによって気体の流速を調整することができる。なお、第１開口部３０と第２開口部３４は、後述するブリッジヒータにより測定対象の気体を直接加熱する場合においてのみ必須要素であり、凹部であってもよい。

上面基板１３は、四角形状の基板本体３５と、当該基板本体３５の表面に設けられた第３発熱手段２０とを有する。基板本体３５の４隅には、積層用貫通孔２４が設けられている。第３発熱手段２０は、第２発熱手段１９と同じである。第３発熱手段２０の両端はリード３６に接続される。リード３６は、リード取り出し側１３ｆに引き出される。

図３に示すように、保持基板本体２６は、リード取り出し側１１ｆの岸部３２に、第１熱伝導式センサ素子１６及び前記第２熱伝導式センサ素子１７を支持するセンサ用凹部３７と、第１発熱手段１８を支持する発熱手段用に２つの端子用溝３８とを有する。リード取り出し側１１ｆに対向した岸部３１にはセンサ用のスルーホール３９と、発熱手段用凹部４０が設けられている。当該スルーホール３９は、図示しないが、底面基板１０の基板本体２２の対応箇所に設けられたスルーホールを介して、基板本体２２の裏側へと通じており、基板本体２２の裏面に設けられた配線を通じてリード取り出し側１０ｆへ引き出されたリードに接続されている。但し、センサ素子保持基板１１が第１開口部３０に代えて、凹部を備える場合には、保持基板本体２６の裏面に配線を設けて、リード取り出し側１１ｆへ引き出されたリードに接続してもよい。図２に示した第２発熱手段１９からのリード２５及び第３発熱手段２０からのリード３６と共に、同じリード取り出し側１０ｆ、１１ｆ、１３ｆにリードを集中させることで、例えば人工呼吸器等の配管内に熱伝導式センサ１を挿入して、配管内を流れる呼気中の湿度等の計測を行う際に、一方向にまとめてリードを取り出せるため、作業性に優れる。

（製造方法）
底面基板１０及び上面基板１３の加工は、例えばセラミック基板のグリーンシート上にＰｔ、Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ａｇ−Ｐｄ合金等の白金系又は銀パラジウム系発熱体ペーストを所定のパターンに印刷し、基板とヒータを同時焼成して行うことができる。

センサ素子保持基板１１は、まず、機械加工又はドライエッチング加工等により、第１溝部２９、第１開口部３０、センサ用凹部３７、端子用溝３８、スルーホール３９、発熱手段用凹部４０を形成する。端子用溝３８に導電ペーストを塗布して薄膜電極を形成する。第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７は、好ましくはＰｔの細線を、第１発熱手段１８はレーザ加工又は放電加工等された、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金）、又はカンタル（Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ａｌ‐Ｃｏ合金）の薄板を、夫々、対応する薄膜電極に接続することによって形成することができる。流路形成基板１２は、機械加工又はドライエッチング加工等により、第２溝部３３、第２開口部３４を形成することにより作製できる。

底面基板１０、センサ素子保持基板１１、流路形成基板１２、上面基板１３は、各基板の４隅の対応する箇所に設けられた積層用貫通孔２４に、例えばセラミック製のボルトを挿入し、当該ボルトにナットを締め込むことにより固定することによって積層される。基板間の熱伝導性を高めるために、各基板上に放熱グリスを塗布してから積層してもよい。上記のようにして熱伝導式センサ１を作製することができる。

（作用・効果）
次に、上記熱伝導式センサ１の作用及び効果について説明する。熱伝導式センサ１は、例えば５００℃に加熱された白金製熱伝導式センサ素子から雰囲気への熱伝導が雰囲気の湿度に応じて変化することを利用して気体中の絶対湿度、即ち空気の単位体積当たりの水蒸気の質量（ｇ／ｍ^３）を測定するのに適する。気体中の湿度が高くなると熱伝導式センサ素子から気体への熱伝導性が高くなるので、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７に流す電流が一定の場合には、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の温度が下がって出力電圧が低くなる。一方、気体中の湿度が低くなると熱伝導式センサ素子から気体への熱伝導性が低くなるので、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７に流す電流が一定の場合には、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の温度が高くなり、出力電圧が高くなる。

熱伝導式センサ１において、気体入口４から入った気体は、第１発熱手段１８、第２発熱手段１９、第３発熱手段２０によって、３５〜１１０℃、好ましくは１００〜１１０℃に加熱される。米国呼吸療法学会（ＡＡＲＣ：ＡｍｅｒｉｃａｎＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆＲｅｓｐｉｒａｔｏｒｙＣａｒｅ）により、人工呼吸器の加温加湿器の設定温度は３３℃±２、相対湿度１００％が目安とされており、３５℃未満では十分な結露防止効果が得られない。一方、１１０℃を超えても結露を防止する上でのさらなる効果は無く、却って人工呼吸器の安全性の点で問題となる可能性があり、また熱伝導式センサ素子の校正を適切に行うことが難しくなる。当該気体は第１熱伝導式センサ素子１６の近傍を通過した後、第１発熱手段１８によって加熱されて第２熱伝導式センサ素子１７の近傍を通過するため、第２熱伝導式センサ素子１７の近傍の周囲温度は、第１熱伝導式センサ素子１６の近傍の周囲温度よりも高くなる。その結果、第２熱伝導式センサ素子１７の出力電圧が、第１熱伝導式センサ素子１６の出力電圧よりも高くなる。第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の出力の平均を検出することによって、気体の流速の影響を打ち消して気体中の絶対湿度を求めることができる。但し、気体の流れが激しい乱流である場合や、流速が非常に速い場合は、出力の平均を検出するだけでは流速の影響を打ち消すことが難しくなる場合がある。そこで、センサ本体２の大きさ、気体入口４と気体出口５の断面積等を調整して気体の流速を制御し、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の少なくとも周辺においては層流になるようにすることが好ましい。また、予め、種々の流速及び湿度について測定データを蓄積しておき、これらのデータに基づき第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の出力を校正するようにしてもよい。

第１及び第２熱伝導式センサ素子１６，１７は、熱時定数の少なくとも５倍以上のパルス幅、例えば熱時定数が１０ｍｓｅｃの場合にはパルス幅５０ｍｓｅｃ以上、のパルスを印加して加熱することにより、絶対湿度を検出することができる。また、パルス電流は、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の所望の感度が得られる温度、例えば５００℃〜６００℃、に応じて適宜設定することができる。

熱伝導式センサ１は、第１発熱手段１８、第２発熱手段１９、第３発熱手段２０によって、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７及び各基板上での結露を防止するので、より適切な測定をすることができる。

熱伝導式センサ１は、上記のように第１発熱手段１８、第２発熱手段１９、第３発熱手段２０が気体を迅速に加熱することによって、応答速度を向上することができる。応答速度をより高めるためには、熱伝導式センサ１を構成する気体流路６、底面基板１０、センサ素子保持基板１１、流路形成基板１２および上面基板１３の寸法をより小さくし、基板材料としてはセラミックなどの熱伝導率の大きな絶縁材料を選ぶことが望ましい。

熱伝導式センサ１は、内部に水滴が浸入した場合でも、第１発熱手段１８、第２発熱手段１９、第３発熱手段２０がより水滴を迅速に除去することにより、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の損傷を予防すると共に、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７が正常に動作するまでに要する復帰時間を短縮することができる。復帰時間をより短縮するためには、熱伝導式センサ１を構成する気体流路６、底面基板１０、センサ素子保持基板１１、流路形成基板１２および上面基板１３の寸法をより小さくし、基板材料としてはセラミックなどの熱伝導率の大きな絶縁材料を選ぶことにより熱応答速度を向上させることが望ましい。

熱伝導式センサ１は、第１発熱手段１８、第２発熱手段１９、第３発熱手段２０により被測定対象である気体の温度がほぼ一定となるので、第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７に流す電流を一定にした場合に、これらの素子の絶対湿度に対する感度がほぼ一定の条件で測定できる。しかしながら、絶対湿度に対する感度、つまり絶対湿度の変化量に対する熱伝導率の変化量は、温度依存性を持っており１１０℃付近を境に温度が高くなればなるほど大きくなる。そのため、気体の流速の影響により、第１熱伝導式センサ素子１６の近傍の周囲温度に比べて、第２熱伝導式センサ素子１７の近傍の周囲温度が高くなるにつれて、絶対湿度に対する感度は一定ではなくなる。さらには、気体流路６の加熱温度つまり周囲温度を３５〜１１０℃に設定できるようにした場合には、周囲温度の変化に対して感度は一定ではなくなる。絶対湿度に対して一定の感度が得られるようにするためには、電流一定条件ではなく、温度が一定となるように熱伝導式センサ素子に印加する電圧を制御して、印加電圧をセンサの出力電圧として測定する必要がある。具体的には、絶対湿度に対して不感帯となる１１０℃付近と特定温度（例えば５００℃）の２点において検出を行い、１１０℃付近では周囲温度に対するセンサ出力の校正（キャリブレーション）を行うことが望ましい。

熱伝導式センサは、例えば人工呼吸器の吸気又は呼気配管等の湿度が高い流路に挿入して湿度をモニターするのに大変有用である。

（変形例）
上記実施形態の場合、センサ本体２が順に積層された底面基板１０、センサ素子保持基板１１、流路形成基板１２、上面基板１３を備える場合について説明したが、本発明はこれに限らない。センサ本体２は壁面で囲まれた気体流路を備える任意の形態であってよい。例えばセラミック製、金属製の筒状体、箱状体、又はこれらと基板との複合体であってよい。例えば筒状体である場合、該筒状体の一の端面の略中央部に気体入口４と、該端面に対向する他の端面に気体出口５と、該筒状体内部に第１熱伝導式センサ素子１６、第２熱伝導式センサ素子１７、及び第１発熱手段１８を気体流路６に略直交して保持するための保持手段と、該内部下部に第２発熱手段１９と、該内部上部に第３発熱手段２０とを備えることとしてもよい。

第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の出力の平均を検出することによって、気体の流速の影響を打ち消して気体中の絶対湿度を求める場合について説明したが、本発明はこれに限らない。第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の出力の差電圧を検出することによって、流速を測定することもできる。

熱伝導式センサ１は、図４に示すように、熱均一化基板４２をさらに備えることとしてもよい。熱均一化基板４２はセンサ素子保持基板１１と底面基板１０の間に備えられる。熱均一化基板４２は、四角形状であって、底面基板１０側表面にリード用溝４３と、４隅に積層用貫通孔２４とを有する。熱均一化基板４２は、第２発熱手段１９の熱を底面基板１０全面に亘って均一化することにより、底面基板１０の端部においても結露を防止することができる。図示しないが、熱均一化基板４２は、さらに流路形成基板１２と上面基板１３の間に設けてもよい。

熱伝導式センサ１は、図５に示すようにセンサ素子保持基板１１の裏側に、ブリッジヒータ４４を備えることとしてもよい。本図の場合、センサ素子保持基板１１と底面基板１０の間に、第１ブリッジヒータ保持基板４５が設けられる。

図６に示すように、第１ブリッジヒータ保持基板４５は、保持基板本体２６の第１開口部３０に対応する部分に第１ブリッジヒータ用凹部４６と、第１ブリッジヒータ用凹部４６に架橋支持されたブリッジヒータ４４とを備える。なお、上記第１発熱手段１８も、架橋支持される場合にはブリッジヒータと称し得るが、第１発熱手段１８は第１及び第２熱伝導式センサ素子１６、１７の形態に応じて片持ち支持であってもよい。なお、第１ブリッジヒータ用凹部４６に代えて、厚さ方向に貫通したブリッジヒータ用開口部を設けてもよい。

熱伝導式センサ１は、図７に示すようにセンサ素子保持基板１１の表側に、ブリッジヒータ４４を備えることとしてもよい。本図の場合、流路形成基板１２の直上に第２ブリッジヒータ保持基板４７が備えられる。第２ブリッジヒータ保持基板４７は、流路形成基板１２の第２開口部３４に対応する部分に第２ブリッジヒータ用凹部４８と、第２ブリッジヒータ用凹部４８に架橋支持されたブリッジヒータ４４とを備える。なお、第２ブリッジヒータ用凹部４８に代えて、厚さ方向に貫通したブリッジヒータ用開口部を設けてもよい。

熱伝導式センサ１は、ブリッジヒータ４４が気体流路６中に存在する気体を直接加熱することによって、結露を防止するだけでなく、気体を迅速に加熱することによって応答速度をより向上することができる。応答速度を高めるためには、気体流路６の容積をより小さくすると共に、ブリッジヒータ４４の構造については、サーペンタイン形状をより微細にする等により表面積を大きくすることで、ブリッジヒータ４４の熱が気体に伝導しやすくすることが望ましい。

熱伝導式センサ１は、底面基板１０及び上面基板１３に上記熱均一化基板４２を設ける場合、センサ素子保持基板１１と熱均一化基板４２の間にそれぞれ第１ブリッジヒータ保持基板４５、第２ブリッジヒータ保持基板４７を備えることとしてもよい。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、例えば底面基板１０、上面基板１３等の共通部分については説明を省略する。

＜第２実施形態＞
第２実施形態のセンサ素子保持基板について説明する。図８に示すセンサ素子保持基板としてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム）チップ保持基板５０は、ＭＥＭＳチップ５１を備える。

図９に示すように、ＭＥＭＳチップ保持基板５０は、保持基板本体５２と、ＭＥＭＳチップ５１とを備え、流路形成チップ５３及び流路形成チップ保持基板５４が積層される。

保持基板本体５２は、一端から他端を結ぶ溝部５５と、厚さ方向に凹となる中央凹部５６と、当該中央凹部５６に設けられたスルーホール５７とを有する。

保持基板本体５２は、中央凹部５６にＭＥＭＳチップ５１を保持する。ＭＥＭＳチップ５１は、気体入口側端部５８と気体出口側端部５９を結ぶ第１溝部６０を備える。ＭＥＭＳチップ５１は、第１溝部６０の気体入口側端部５８側に架橋支持された第１熱伝導式センサ素子６１、気体出口側端部５９側に架橋支持された第２熱伝導式センサ素子６２、及び、前記第１熱伝導式センサ素子６１と前記第２熱伝導式センサ素子６２の間に架橋支持された第１発熱手段６３とを備える。第１熱伝導式センサ素子６１、第２熱伝導式センサ素子６２、及び第１発熱手段６３の両端子部にはスルーホール６４が設けられている。スルーホール６４は、保持基板本体５２の対応するスルーホール５７と電気的に接続されて、保持基板本体５２の裏面へ通じており、当該裏面に設けられた配線（図示しない）に接続されている。

流路形成チップ５３は、矩形の板状部材であり、ＭＥＭＳチップ５１の第１溝部６０に対応する第２溝部６５を有する。流路形成チップ５３とＭＥＭＳチップ５１を積層したとき、第２溝部６５と第１溝部６０により気体流路が形成される。このように、ＭＥＭＳチップ５１に対応したサイズの気体流路として微細化することで、熱伝導式センサ１の応答速度をより向上することができる。

流路形成チップ保持基板５４は、一端から他端を結ぶ溝部６６と、厚さ方向に凹となる中央凹部６７とを有する。流路形成チップ保持基板５４は、中央凹部６７に流路形成チップ５３を保持する。

ＭＥＭＳチップ５１は、例えばＳＯＩ基板を用いて、下記方法により作ることができる。
（１）表面に熱酸化膜を有するＳＯＩ基板上の、第１熱伝導式センサ素子６１、第２熱伝導式センサ素子６２、及び、第１発熱手段６３の各形成部位にレジストパターンを形成した後、ウェット又はドライエッチングにより各形成部位と第１溝部６０の一部を形成する。さらに、レジストパターンを剥離した後、エッチングにより垂直面に露出するシリコン表面を保護するために、再度熱酸化膜を形成する。
（２）第１熱伝導式センサ素子６１、第２熱伝導式センサ素子６２、及び、第１発熱手段６３を、例えばＰｔ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群より選ばれる金属のスパッタ膜により形成する。又は、第１熱伝導式センサ素子６１及び第２熱伝導式センサ素子６２を、半導体拡散抵抗体で構成したブリッジヒータ上にＰＮ接合ダイオードからなる温度センサを搭載することによって形成し、第１発熱手段６３として半導体拡散抵抗体ヒータを形成する。
（３）定法に従いスルーホール及び電極パッドを形成する。
（４）埋め込み酸化膜層をウェットエッチングした後、アルカリ性エッチング液を用いてシリコン支持層に対して異方性エッチングを行い、第１溝部６０の残りの部分を形成する。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係るセンサ素子保持基板について説明する。図１０に示すセンサ素子保持基板としてのＭＥＭＳチップ保持基板７０は、ＭＥＭＳチップ７１を保持すると共に、裏側に第１ブリッジヒータ保持基板７２が積層される。

図１１に示すように、ＭＥＭＳチップ保持基板７０は、気体入口側溝部７３と気体出口側溝部７４、及びその間にＭＥＭＳチップ保持用開口部７５を備える。ＭＥＭＳチップ保持基板７０は、ＭＥＭＳチップ保持用開口部７５の略中央部にＭＥＭＳチップ７１を保持する。

本実施形態では、ＭＥＭＳチップ保持基板７０の直下に、第１ブリッジヒータ保持基板７２が積層される。第１ブリッジヒータ保持基板７２は、保持基板本体７６と、保持基板本体７６上にブリッジヒータ７７、７７とを有する。保持基板本体７６は、気体入口側溝部７３側と気体出口側溝部７４側とに、ブリッジヒータ用凹部７８、７９を左右一対有する。保持基板本体７６の表面には、ブリッジヒータ用凹部７８、７９の周囲にヒータ設置溝８０が形成されている。ブリッジヒータ用凹部７８、７９に代えて、厚さ方向に開口したブリッジヒータ用開口部を設けてもよい。

ブリッジヒータ７７、７７は、それぞれ、ブリッジヒータ用凹部７８、７９に対応してヒータ設置溝８０に設置される。ブリッジヒータ７７、７７は、ＭＥＭＳチップ７１を挟んで両側に配置される。ブリッジヒータ７７、７７同士は、接続溝８１において図示しない導体によって電気的に接続される。

図１２に示すように、ＭＥＭＳチップ保持基板７０の直上に、流路形成チップ保持基板８２及び第２ブリッジヒータ保持基板８３が順に積層される。流路形成チップ保持基板８２は、気体入口側溝部８４と気体出口側溝部８５、及びその間に厚さ方向に開口した流路形成チップ保持用開口部８６を備える。流路形成チップ保持基板８２は、流路形成チップ保持用開口部８６のＭＥＭＳチップ７１に対応する箇所に流路形成チップ８７を保持する。流路形成チップ８７は、ＭＥＭＳチップ７１の第１溝部８８に対応する第２溝部８９を備える。流路形成チップ保持基板８２とＭＥＭＳチップ保持基板７０を積層したとき、第１溝部８８と第２溝部８９によって気体流路が形成される。

第２ブリッジヒータ保持基板８３は、第１ブリッジヒータ保持基板７２と同様、保持基板本体９０と、保持基板本体９０上の凹部に備えられたブリッジヒータ７７、７７とを有する。ブリッジヒータ７７、７７は、ＭＥＭＳチップ７１を挟んで両側に配置される。

ブリッジヒータ７７、７７は、ＭＥＭＳチップ７１の周辺の気体を直接加熱することで、ＭＥＭＳチップ７１の気体流路中の気体を加熱する。これにより結露を防止するだけでなく、気体を迅速に加熱することによって応答速度をより向上することができる。より応答速度を高めるためには、ＭＥＭＳチップ保持用開口部７５及び流路形成チップ保持用開口部８６とその周辺の空洞部の容積をより小さくすると同時に、ブリッジヒータ７７、７７の構造については、サーペンタイン形状をより微細にするなどにより表面積を大きくすることで、ブリッジヒータ７７、７７の熱がＭＥＭＳチップ７１の周辺および気体流路に伝導しやすくすることが望ましい。

１熱伝導式センサ
２センサ本体
４気体入口
５気体出口
６気体流路
１０底面基板
１１センサ素子保持基板
１２流路形成基板
１３上面基板
１６第１熱伝導式センサ素子
１７第２熱伝導式センサ素子
１８第１発熱手段
１９第２発熱手段
２０第３発熱手段
２９第１溝部
３０第１開口部
３３第２溝部
３４第２開口部
４２熱均一化基板
４４ブリッジヒータ
５１、７１ＭＥＭＳチップ（微小電気機械システムチップ）
６１第１熱伝導式センサ素子
６２第２熱伝導式センサ素子
６３第１発熱手段
７７、７７ブリッジヒータ

Claims

フローセル型の熱伝導式センサであって、
順に積層された底面基板、センサ素子保持基板、流路形成基板、及び上面基板を有するセンサ本体と、
前記センサ本体の一端に気体入口と、
前記一端に対向した他端に気体出口と、
前記センサ素子保持基板の前記流路形成基板側の面に設けられ、前記センサ素子保持基板の気体入口側端部と気体出口側端部とを結ぶ第１溝部と、前記流路形成基板の前記センサ素子保持基板側の面の、前記第１溝部に対応する箇所に設けられた第２溝部と、により形成され、前記気体入口から前記センサ本体内部を通って前記気体出口へ繋ぐ気体流路と、
前記第１溝部の前記気体入口側に架橋支持又は片持ち支持された第１熱伝導式センサ素子と、
前記第１溝部の前記気体出口側に架橋支持又は片持ち支持された第２熱伝導式センサ素子と、
前記第１熱伝導式センサ素子と前記第２熱伝導式センサ素子との間に架橋支持又は片持ち支持され、前記気体流路及び前記気体流路内の気体を直接加熱する第１発熱手段と、
前記底面基板の前記センサ素子保持基板側の面を覆うように設けられた第２発熱手段と、
前記上面基板の前記センサ素子保持基板側の面を覆うように設けられた第３発熱手段と、
を備えることを特徴とする熱伝導式センサ。
前記第２発熱手段が前記底面基板と一体化されており、前記第３発熱手段が前記上面基板と一体化されていることを特徴とする請求項１記載の熱伝導式センサ。
前記センサ素子保持基板と前記底面基板の間、及び前記流路形成基板と前記上面基板の間の少なくとも一方に、熱均一化基板を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の熱伝導式センサ。
前記センサ素子保持基板の直下、及び前記流路形成基板の直上の少なくとも一方に、ブリッジヒータを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。
前記第１発熱手段がニクロム又はカンタルからなり、前記第２発熱手段、前記第３発熱手段が、白金系又は銀パラジウム系発熱体からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。
前記第１熱伝導式センサ素子及び前記第２熱伝導式センサ素子が、Ｐｔ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群より選ばれる金属の細線からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。
前記センサ素子保持基板は、微小電気機械システムチップを保持しており、
前記微小電気機械システムチップは、前記第１溝部と、前記第１熱伝導式センサ素子と、前記第２熱伝導式センサ素子と、前記第１発熱手段とを有する
ことを特徴とする請求項１記載の熱伝導式センサ。
前記第２発熱手段が前記底面基板と一体化されており、前記第３発熱手段が前記上面基板と一体化されていることを特徴とする請求項７記載の熱伝導式センサ。
前記センサ素子保持基板と前記底面基板の間、及び前記流路形成基板と前記上面基板の間の少なくとも一方に、熱均一化基板を備えることを特徴とする請求項７又は８記載の熱伝導式センサ。
前記センサ素子保持基板の直下であって、前記微小電気機械システムチップを挟んで気体入口側と気体出口側とにブリッジヒータを備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。
前記第１熱伝導式センサ素子及び前記第２熱伝導式センサ素子及び前記第１発熱手段が、Ｐｔ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群より選ばれる金属のスパッタ膜からなることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。
前記第１熱伝導式センサ素子及び前記第２熱伝導式センサ素子が、半導体拡散抵抗体で構成されたブリッジヒータ上にＰＮ接合ダイオードを搭載した熱伝導式センサ素子からなり、前記第１発熱手段が半導体拡散抵抗体で構成されたブリッジヒータからなることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項記載の熱伝導式センサ。