JPH08210977A - Infrared ray type gas analyzing device - Google Patents
Infrared ray type gas analyzing deviceInfo
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- JPH08210977A JPH08210977A JP1532895A JP1532895A JPH08210977A JP H08210977 A JPH08210977 A JP H08210977A JP 1532895 A JP1532895 A JP 1532895A JP 1532895 A JP1532895 A JP 1532895A JP H08210977 A JPH08210977 A JP H08210977A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、小型化しても分析精度
が高く、かつ分析応答性の良い赤外線式ガス分析装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared gas analyzer which has a high analysis accuracy and a good analysis response even if it is downsized.
【0002】[0002]
【従来の技術及びその問題点】従来、一般に、公害ガス
の分析や工業炉のガス分析に赤外線式ガス分析装置が用
いられている。CO、CO2 、CH4 、SO4 あるいは
NOx 等の異なる原子からなるガス分子は、各々固有の
振動をしている。そのような分子に波長を連続的に変化
させて赤外線を照射してゆくと、分子の固有振動と同じ
周波数の赤外線が吸収され、分子の構造に応じたスペク
トルが得られる。このスペクトルから分子の構造を解析
する方法を赤外線吸収スペクトル法といい、赤外線式ガ
ス分析はこの方法に基づき前記したような異なる原子か
らなるガス分子の定量、定性分析を行う。2. Description of the Related Art Conventionally, an infrared gas analyzer is generally used for analysis of pollution gas and gas analysis of industrial furnaces. Gas molecules composed of different atoms such as CO, CO 2 , CH 4 , SO 4 and NO x have their own vibrations. When such a molecule is irradiated with infrared rays by continuously changing the wavelength, infrared rays having the same frequency as the natural vibration of the molecule are absorbed and a spectrum corresponding to the structure of the molecule is obtained. A method of analyzing the structure of a molecule from this spectrum is called an infrared absorption spectrum method, and the infrared gas analysis is based on this method, and quantitatively and qualitatively analyzes gas molecules composed of different atoms as described above.
【0003】従来の赤外線式ガス分析装置としては、例
えば図3の概略縦断面図に示されるような構造のものが
広く知られている。このガス分析装置は、基本的に光源
54A,54Bと、試料セル51と、検出器56とから
なる。前記試料セルは、通常アルミニウム製本体51A
内に長さ方向に所定間隔をもって2本のステンレス鋼製
管材51Bを縦貫して平行配設させ、前記管材の一方を
測定ガス通路52Aとし、他方を比較ガス通路52Bと
し、この本体の両端面には弗化カルシウムまたはサファ
イヤ製の赤外線透過窓部53、53´が取り付けられた
構造を有する。また検出器56は、アルミニウムないし
アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属により形成
された測定側検出室60Aおよび比較側検出室60Bの
2つの検出室を有し、これらの間に金属薄膜のコンデン
サ59が設けられている。また双方の検出室60A、6
0B内には、測定成分またはその成分と同じ赤外線吸収
帯を持つガスが封入されている。なお、図中符号58は
赤外線透過窓部、符号55は光チョッパである。As a conventional infrared gas analyzer, for example, one having a structure shown in a schematic vertical sectional view of FIG. 3 is widely known. This gas analyzer basically includes light sources 54A and 54B, a sample cell 51, and a detector 56. The sample cell is usually an aluminum body 51A.
Two stainless steel pipes 51B are longitudinally arranged in parallel with each other at predetermined intervals in the longitudinal direction, one of the pipes is used as a measurement gas passage 52A, and the other is used as a reference gas passage 52B. Has a structure in which infrared transmitting windows 53 and 53 'made of calcium fluoride or sapphire are attached. Further, the detector 56 has two detection chambers, a measurement side detection chamber 60A and a comparison side detection chamber 60B, which are formed of a metal such as aluminum or an aluminum alloy or stainless steel, and a metal thin film capacitor 59 is provided between them. It is provided. In addition, both detection chambers 60A and 6A
A measurement component or a gas having the same infrared absorption band as that component is enclosed in 0B. In the figure, reference numeral 58 is an infrared transmitting window portion, and reference numeral 55 is an optical chopper.
【0004】このような構造を有する赤外線式ガス分析
装置においては、2つの光源54A、54Bから放射さ
れた赤外線が、チョッパ55により断続光となり、試料
セル51の赤外線透過窓部53と、ガス通路52A、5
2Bを経て、検出器56に達する。比較ガス通路52B
には不活性ガスが存在しており、この比較ガス通路52
Bでは照射赤外線の吸収は生じない。一方、測定ガス通
路52を流れる測定ガスに被測定成分が含まれている場
合、この成分による赤外線吸収が生じている。従って、
前記したように測定成分またはその成分と同じ赤外線吸
収帯を持つガスが封入されている測定側検出室60Aお
よび比較側検出室60Bでの赤外線の吸収は測定側が比
較側より小さくなり、このときの熱エネルギーの差は、
両室の圧力差となり、上記膜状コンデンサ59に変位が
生じる。この容量変化を検出し、信号処理の後出力信号
として取り出すものである。In the infrared gas analyzer having such a structure, the infrared rays emitted from the two light sources 54A and 54B become intermittent light by the chopper 55, and the infrared ray transmitting window portion 53 of the sample cell 51 and the gas passage. 52A, 5
The detector 56 is reached via 2B. Comparative gas passage 52B
Inert gas is present in the reference gas passage 52.
In B, irradiation infrared rays are not absorbed. On the other hand, when the measurement gas flowing through the measurement gas passage 52 contains the component to be measured, infrared absorption is caused by this component. Therefore,
As described above, the absorption of infrared rays in the measurement side detection chamber 60A and the comparison side detection chamber 60B in which the measurement component or the gas having the same infrared absorption band as that component is sealed becomes smaller on the measurement side than on the comparison side. The difference in heat energy is
The pressure difference between the two chambers results in the displacement of the membrane capacitor 59. This capacitance change is detected, and after signal processing, it is taken out as an output signal.
【0005】しかしながら、このように試料セルおよび
検出器をアルミニウムないしアルミニウム合金、ステン
レス鋼などの金属により構成する場合には、溶接技術等
が必要であり、小型化が構造上の困難であり、仮に小型
化できても性能の低下が生じる虞れが高いものであっ
た。However, when the sample cell and the detector are made of metal such as aluminum or aluminum alloy and stainless steel as described above, a welding technique or the like is required, and downsizing is structurally difficult. Even if the size can be reduced, there is a high possibility that the performance will be deteriorated.
【0006】本発明は、小型化しても分析精度が高く、
かつ分析応答性の良い赤外線式ガス分析装置を提供する
ことをその目的とする。The present invention has high analysis accuracy even if it is downsized,
It is an object of the present invention to provide an infrared gas analyzer having a good analysis response.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る赤外線式ガス分析装置は、試料セルお
よび検出器の少なくともいずれか一方を、加工されたシ
リコン製板材を積層接合してなる接合体により形成し、
厚さ方向に、測定側のガス通路ないし検出室と、比較側
のガス通路ないし検出室とを並列して設けることを特徴
とする。In order to achieve the above object, an infrared gas analyzer according to the present invention comprises at least one of a sample cell and a detector in which processed silicon plate materials are laminated and joined. Formed by the joined body,
It is characterized in that a gas passage or detection chamber on the measurement side and a gas passage or detection chamber on the comparison side are provided in parallel in the thickness direction.
【0008】前記赤外線式ガス分析装置としては、特
に、試料セルと検出器とを、加工された三枚のシリコン
単結晶板材を積層接合して構成し、この接合体の中心部
の板材の両側面に形成される2つの接合面部に、測定ガ
ス通路および測定側検出室と、比較ガス通路および比較
側検出室とを、中心部の板材の両側にそれぞれ形成し、
かつ隔壁となる中心部の板材に、測定側検出室と比較側
検出室との差圧を測定可能な圧力センサを形成したもの
が好ましい。In the infrared gas analyzer, in particular, a sample cell and a detector are constructed by laminating and bonding three processed silicon single crystal plate materials, and both sides of the plate material at the center of the bonded body are joined. A measurement gas passage and a measurement-side detection chamber, and a comparison gas passage and a comparison-side detection chamber are formed on the two joint surface portions formed on the surfaces, on both sides of the central plate member,
Moreover, it is preferable that a pressure sensor capable of measuring the differential pressure between the measurement side detection chamber and the comparison side detection chamber is formed on the plate material at the central portion which becomes the partition wall.
【0009】[0009]
【作用】本発明においては、試料セルおよび検出器の少
なくともいずれか一方を、加工されたシリコン製板材を
積層接合することにより形成し、厚さ方向に測定側のガ
ス通路ないし検出室と比較側のガス通路ないし検出室と
を並列して設けるものである。例えば、1mm程度の厚
さの単結晶シリコンチップ(シリコンウェーハ)の表面
に、異方性エッチング等により、断面がコの字型あるい
は半楕円形状等の凹部を形成し、同じ形状の2枚のシリ
コンチップを、隔壁となる別のシリコンチップを中央部
に挾んで貼り合せることにより、より小型で軽量な試料
セルないし検出室を得ることができる。In the present invention, at least one of the sample cell and the detector is formed by laminating and joining the processed silicon plate materials, and the gas passage on the measurement side or the detection chamber and the comparison side are formed in the thickness direction. The gas passage or the detection chamber is provided in parallel. For example, on a surface of a single crystal silicon chip (silicon wafer) having a thickness of about 1 mm, a recess having a U-shaped or semi-elliptical cross section is formed by anisotropic etching or the like, and two pieces of the same shape are formed. By bonding another silicon chip, which serves as a partition, to the central portion of the silicon chip, the sample cell or detection chamber can be obtained which is smaller and lighter.
【0010】このように加工されたシリコン製板材の積
層接合体を用いることにより、従来の検出器に比べ精度
良く小型化でき、また試料セルおよび検出室の形成と圧
力センサー等の形成を半導体技術及び異方性エッチング
を中心としたマイクロマシニング技術によって同時に行
なうことができるので、小形化に有利なだけでなく、量
産性にも優れる。By using the laminated joined body of the silicon plate materials processed in this way, the size can be reduced more accurately than the conventional detector, and the formation of the sample cell and the detection chamber and the formation of the pressure sensor etc. can be performed by the semiconductor technology. Since it can be performed simultaneously by the micromachining technology centering on the anisotropic etching, it is advantageous not only for downsizing but also for mass productivity.
【0011】また、前記試料セルおよび検出器を三枚の
加工したシリコン製基板の積層接合体により形成し、試
料セル部と検出器を一体化した構成とすれば、さらに小
型化することが可能となり、しかも製作工数を大幅に減
らすことができる。さらに、隔壁となる中心部の板材
に、測定側と比較側の検出室の差圧を測定可能な圧力セ
ンサを形成すると、より単純な構成で高精度な分析計と
することができる。Further, if the sample cell and the detector are formed by a laminated assembly of three processed silicon substrates, and the sample cell portion and the detector are integrated, the size can be further reduced. Moreover, the number of manufacturing steps can be significantly reduced. Further, when a pressure sensor capable of measuring the differential pressure between the measurement chamber on the measurement side and the detection chamber on the comparison side is formed on the plate member at the central portion which becomes the partition wall, a highly accurate analyzer can be obtained with a simpler configuration.
【0012】[0012]
【実施例】以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。図1は本発明の一実施例に係る赤外線式ガス分析装
置の試料セルおよび検出器の構成を示すものであり、図
1(a)は斜視図、図1(b)は長手方向断面図、図1
(c)は幅方向断面図である。EXAMPLES The present invention will be described in detail below based on examples. 1A and 1B show the configurations of a sample cell and a detector of an infrared gas analyzer according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view. Figure 1
(C) is a cross-sectional view in the width direction.
【0013】このガス分析装置は、ダブルビーム方式の
赤外線式ガス分析装置であって、基本的に光源14A,
14Bと、試料セル11と、検出器16とからなる。図
1に示すように、この装置における試料セル11および
検出室16は、それぞれ所定形状に加工された、例えば
長さ60mm×幅30mm×厚さ1.0mm程度の3枚
の単結晶シリコンウェハ1、2、3を積層接合して形成
されている。 詳述すれば、これらの3枚の単結晶シリ
コンウェハのうち、外方に位置する第1のシリコンウェ
ハ1および第3のシリコンウェハ3は、それぞれその表
面の結晶面を(100)面とし、中心部に位置する第2
のシリコンウェハ2と対峙する鏡面加工した貼り合せ面
のそれぞれには、長さ方向に沿って延在する2つの異方
性凹状溝4Aおよび4Bないし5Aおよび5Bが、例え
ば異方性エッチング等のマイクロマシニング技術によ
り、それぞれ一体形成されている。なお、前記異方性凹
状溝のうち、試料セルのガス通路部12A、12Bを形
成することとなる溝4Aおよび5Aの長手方向の両端部
付近には、ウェハの肉厚方向に貫通する貫通孔6A、6
Bないし7A、7Bが形成されている。これらは、それ
ぞれ、試料セルの各ガス通路部に対するガス導入口およ
びガス導出口を構成することとなる。また、第1のシリ
コンウェハ1には、さらに、検出室を構成することとな
る溝4Bの長手方向後方に、配線形成のためのフィード
スルー穴8が形成してある。This gas analyzer is a double-beam type infrared gas analyzer, and is basically a light source 14A,
14B, the sample cell 11, and the detector 16. As shown in FIG. 1, the sample cell 11 and the detection chamber 16 in this apparatus are each processed into a predetermined shape, for example, three single crystal silicon wafers 1 each having a length of 60 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 1.0 mm. It is formed by laminating and joining 2 and 3. More specifically, among these three single-crystal silicon wafers, the first silicon wafer 1 and the third silicon wafer 3 located outside each have the crystal plane of the surface as the (100) plane, Second located in the center
On each of the mirror-finished bonding surfaces facing the silicon wafer 2 of FIG. 1, two anisotropic concave grooves 4A and 4B to 5A and 5B extending along the length direction are formed, for example, by anisotropic etching. They are integrally formed by micromachining technology. In addition, among the anisotropic concave grooves, through holes penetrating in the thickness direction of the wafer are formed in the vicinity of both longitudinal end portions of the grooves 4A and 5A that will form the gas passage portions 12A and 12B of the sample cell. 6A, 6
B to 7A and 7B are formed. These will respectively constitute a gas inlet and a gas outlet for each gas passage of the sample cell. Further, in the first silicon wafer 1, a feedthrough hole 8 for forming a wiring is further formed behind the groove 4B which constitutes the detection chamber in the longitudinal direction.
【0014】また中心部に位置する第2のシリコンウェ
ハ2には、積層接合された際に、前記第1および第3の
シリコンウェハにおける異方性凹状溝4B、5Bによっ
て形成されることとなる検出室20A、20Bの内部に
位置する部位に、同様に異方性エッチング等により異方
性貫通穴が形成され、この部位に一般的な半導体プロセ
スを用いて、測定側と比較側の検出室の差圧を測定可能
な圧力センサの感圧部(差圧センサ)19が形成されて
いる。Further, the second silicon wafer 2 located at the central portion is formed by the anisotropic concave grooves 4B and 5B in the first and third silicon wafers when laminated and bonded. Similarly, anisotropic through holes are formed in the detection chambers 20A and 20B by anisotropic etching or the like, and a general semiconductor process is used for the detection chambers on the measurement side and the comparison side. A pressure-sensitive portion (differential pressure sensor) 19 of a pressure sensor capable of measuring the differential pressure is formed.
【0015】そして、これらのシリコンウェハ1,2,
3を、それぞれの端部が整合するように積層して貼り合
せて、前記したような2つのガス通路部12A、12B
が接合体の厚さ方向に並列に配置された試料セル11
と、2つの検出室20A、20Bが接合体の厚さ方向に
並列に配置された検出室16とが、一体的に形成された
積層構造体が得られる。シリコン基板同士の貼り合せ
は、それらの界面に熱酸化によって生成したSiO2 層
同士を、測定対象ガス雰囲気中で陽極接合すればよい。
あるいは、シリコン基板の貼り合せ面にAu薄膜を蒸着
し、測定対象ガス雰囲気中で拡散接合処理を行なうこと
も可能である。Then, these silicon wafers 1, 2,
3 are laminated and bonded so that their ends are aligned, and the two gas passage portions 12A and 12B as described above are attached.
Sample cells 11 in which are arranged in parallel in the thickness direction of the joined body
A laminated structure in which the detection chamber 16 in which the two detection chambers 20A and 20B are arranged in parallel in the thickness direction of the bonded body is integrally formed is obtained. The silicon substrates may be bonded to each other by anodic bonding of SiO 2 layers generated by thermal oxidation at their interfaces in a measurement target gas atmosphere.
Alternatively, it is also possible to deposit an Au thin film on the bonding surface of the silicon substrate and perform the diffusion bonding process in the measurement target gas atmosphere.
【0016】第2のシリコンウェハ2の第1のシリコン
ウェハ1と対峙する側の表面には、前記圧力センサー感
圧部19と前記第1のシリコンウェハ1のフィードスル
ー穴8に設けられる信号出力端子および電源入力端子と
を結ぶ配線が、一般的な半導体プロセスを用いて形成さ
れている。On the surface of the second silicon wafer 2 facing the first silicon wafer 1, a signal output provided in the pressure sensor pressure sensitive portion 19 and the feedthrough hole 8 of the first silicon wafer 1. The wiring connecting the terminal and the power input terminal is formed using a general semiconductor process.
【0017】図2は、図1における実施例における差圧
センサ19の構成を詳細に示す図面である。図2に示す
ように、この実施例における差圧センサ19は、4本の
多結晶シリコン製ひずみゲージを用いた薄膜型圧力セン
サーである。このセンサー19では、第2のシリコンウ
ェハ2に形成された前記異方性貫通穴より形成される矩
形の圧力導入穴23を覆うように4本のひずみゲージ2
5を積載した円形の薄膜型ダイアフラム24が設けてあ
る。このセンサーは、シリコンウェハ2の所定部分表面
に、例えばSiO2 等により厚さ約1μm程度の円形の
犠牲層(図示せず)を形成し、この上部に厚さ0.2μ
m程度のSi3 N4 膜24a等の絶縁膜を例えばLPC
VD法により形成し、さらに、Si3 N4 膜24a上部
の所定部位に多結晶シリコンからなる4本のひずみゲー
ジ25を形成し、その上部をさらに例えばプラズマCV
D法により形成した厚さ1μm程度のSi3 N4 膜24
b等の絶縁膜により覆い、異方性エッチングによりシリ
コン製基板をエッチングして、矩形の圧力導入穴23を
形成し、さらに犠牲層の選択的エッチングにより空隙部
26を設けて形成される。このように円形ダイアフラム
を形成する場合、異方性エッチングにより矩形のダイア
フラムを作製する場合に比べ高精度でセンサ部を作製で
き、高精度化が達成でき、また円形であるため応力集中
も起きにくいものとなる。しかしながら、もちろんこの
ダイアフラムは矩形のものであっても構わない。そし
て、このダイアフラム上に形成された4本の多結晶シリ
コンからなるひずみゲージ25は、信号処理回路の一部
であるブリッジ回路におけるピエゾ抵抗RA、RB、RC
およびRDを構成して、差圧を出力することができるよ
うに結線される。FIG. 2 is a drawing showing in detail the construction of the differential pressure sensor 19 in the embodiment shown in FIG. As shown in FIG. 2, the differential pressure sensor 19 in this embodiment is a thin film type pressure sensor using four polycrystalline silicon strain gauges. In this sensor 19, four strain gauges 2 are provided so as to cover the rectangular pressure introduction hole 23 formed by the anisotropic through hole formed in the second silicon wafer 2.
A circular thin film diaphragm 24 on which 5 is loaded is provided. In this sensor, a circular sacrifice layer (not shown) having a thickness of about 1 μm is formed on the surface of a predetermined portion of the silicon wafer 2 with SiO 2 or the like, and a thickness of 0.2 μ is formed on the sacrificial layer.
An insulating film such as a Si 3 N 4 film 24a having a thickness of about m
It is formed by the VD method, and further four strain gauges 25 made of polycrystalline silicon are formed on a predetermined portion of the upper portion of the Si 3 N 4 film 24a, and the upper portion thereof is further covered with, for example, a plasma CV.
Si 3 N 4 film 24 having a thickness of about 1 μm formed by the D method
The silicon substrate is covered with an insulating film such as b, and the silicon substrate is etched by anisotropic etching to form a rectangular pressure introduction hole 23, and a void portion 26 is formed by selective etching of the sacrificial layer. When a circular diaphragm is formed in this way, the sensor part can be manufactured with higher accuracy than when a rectangular diaphragm is manufactured by anisotropic etching, high accuracy can be achieved, and stress concentration is less likely to occur due to the circular shape. Will be things. However, of course, this diaphragm may be rectangular. The strain gauges 25 formed on the diaphragm and made of four polycrystalline silicon are piezoresistors RA, RB, RC in the bridge circuit which is a part of the signal processing circuit.
And RD are connected so that the differential pressure can be output.
【0018】本発明の赤外線式ガス分析装置において、
測定側と比較側の検出室の差圧を測定するための差圧セ
ンサ19の感圧部は、上記したように接合体の中心部に
位置する第2のシリコンウェハ2に必ずしも設ける必要
はなく、外方に位置する第1のシリコンウェハ1および
第3のシリコンウェハ3のそれぞれの表面に、このよう
なダイアフラム上に積載された4本ないしは2本のひず
みゲージを有する圧力センサの感圧部を設け、これらの
ひずみゲージを結線して信号処理回路のブリッジ回路を
形成するようにすることももちろん可能である。しかし
ながら、このように圧力センサの感圧部を接合体の外部
側に設けると、感圧部を2つ形成しなければならず、ま
た検出される信号が温度依存性を有することとなるため
に温度補償回路を設ける必要が生じ信号処理回路が複雑
になってしまう等の問題が生じるため、好ましくは、上
記したように接合体の中心部に位置する第2のシリコン
ウェハ2、すなわち接合体の内部に、測定側と比較側の
検出室差圧を測定可能な圧力センサの感圧部を形成する
ことが望ましい。In the infrared gas analyzer of the present invention,
The pressure-sensitive portion of the differential pressure sensor 19 for measuring the differential pressure between the measurement chamber on the measurement side and the detection chamber on the comparison side does not necessarily have to be provided on the second silicon wafer 2 located at the center of the bonded body as described above. , A pressure sensitive portion of a pressure sensor having four or two strain gauges mounted on such a diaphragm on the surface of each of the first silicon wafer 1 and the third silicon wafer 3 located outside. It is also possible, of course, to provide these and to connect these strain gauges to form a bridge circuit of the signal processing circuit. However, if the pressure-sensitive portion of the pressure sensor is provided on the outside of the bonded body in this way, two pressure-sensitive portions must be formed, and the detected signal will have temperature dependence. Since it becomes necessary to provide a temperature compensating circuit and a signal processing circuit becomes complicated, it is preferable that the second silicon wafer 2 located at the center of the bonded body, that is, the bonded body as described above. It is desirable to form a pressure sensitive portion of the pressure sensor capable of measuring the differential pressure of the detection chambers on the measurement side and the comparison side inside.
【0019】この実施例の装置において、試料セル11
は、上記したように3枚のシリコンウェハを貼り合せる
ことにより構成され、測定ガス通路12Aと比較ガス通
路12Bとを有する。試料セル11の材質のシリコンは
赤外線に対して実質的に透明であるので、光源より照射
された赤外光はシリコン壁を透過してガス流路12A、
12Bを経て検出器16に到達する。したがって、ステ
ンレス製等の試料セルが従来必要とした赤外光透過窓
は、この試料セルにおいては省略することができる。ま
た、この試料セルと一体的に形成された検出器16の測
定側検出室20Aおよび比較側検出室20B内には、測
定成分またはその成分と同じ赤外線吸収帯を持つガスが
封入されている。なお、上記したと同様の理由から、本
発明に係る検出器16は、ステンレス製等の検出器が従
来必要とした赤外光透過窓は省略されている。図中、符
号15は光チョッパである。In the apparatus of this embodiment, the sample cell 11
Is configured by bonding three silicon wafers together as described above, and has a measurement gas passage 12A and a comparison gas passage 12B. Since the silicon of the material of the sample cell 11 is substantially transparent to infrared rays, the infrared light emitted from the light source passes through the silicon wall and passes through the gas channel 12A,
It reaches the detector 16 via 12B. Therefore, the infrared light transmitting window conventionally required for a sample cell made of stainless steel or the like can be omitted in this sample cell. Further, in the measurement side detection chamber 20A and the comparison side detection chamber 20B of the detector 16 formed integrally with this sample cell, a measurement component or a gas having the same infrared absorption band as that component is sealed. For the same reason as described above, the detector 16 according to the present invention does not include the infrared light transmitting window conventionally required for a detector made of stainless steel or the like. In the figure, reference numeral 15 is an optical chopper.
【0020】このような構造を有する赤外線式ガス分析
装置においては、2つの光源14A、14Bから放射さ
れた赤外線が、チョッパ15により断続光となり、試料
セル11のガス通路12A、12Bを経て、検出器16
に達する。比較ガス通路12Bには不活性ガスが存在し
ており、この比較ガス通路12Bでは照射赤外線の吸収
は生じない。一方、測定ガス通路12Aを流れる測定ガ
スに被測定成分が含まれている場合、この成分による赤
外線吸収が生じている。従って、前記したように測定成
分またはその成分と同じ赤外線吸収帯を持つガスが封入
されている測定側検出室20Aおよび比較側検出室20
Bでの赤外線の吸収は測定側が比較側より小さくなる。
吸収された熱エネルギーによって生ずる容量(圧力)変
化を差圧センサ19の各ひずみゲージ25により検知
し、信号処理回路によって差圧を出力することができ
る。In the infrared gas analyzer having such a structure, the infrared rays radiated from the two light sources 14A and 14B become intermittent light by the chopper 15 and are detected through the gas passages 12A and 12B of the sample cell 11. Bowl 16
Reach The reference gas passage 12B contains an inert gas, and the reference gas passage 12B does not absorb irradiation infrared rays. On the other hand, when the measurement gas flowing through the measurement gas passage 12A contains the component to be measured, infrared absorption due to this component occurs. Therefore, as described above, the measurement-side detection chamber 20A and the comparison-side detection chamber 20 in which the measurement component or the gas having the same infrared absorption band as that component is enclosed.
The absorption of infrared rays in B is smaller on the measurement side than on the comparison side.
A change in capacity (pressure) caused by the absorbed heat energy can be detected by the strain gauges 25 of the differential pressure sensor 19, and the differential pressure can be output by the signal processing circuit.
【0021】以上、本発明を実施例に基づき説明した
が、本発明は上述した実施例に何ら限定されるものでは
なく、例えば前記図1に示す実施例においては、試料セ
ルと検出器とを同一のシリコンウェハ接合体に一体的に
形成したが、試料セルと検出器とを別々のシリコンウェ
ハ接合体により構成しても、またそのいずれかのみをシ
リコンウェハ接合体により形成してもよい。またこのよ
うな試料セルないし検出器を構成する接合体を4枚ない
しそれ以上のシリコン板材により形成することも可能で
ある。しかしながら、装置の薄肉化、小形化の観点か
ら、図1に示すように3枚のシリコンウェハの接合体に
より、試料セルと検出器とを一体的に形成する構造が最
も望ましい。また、上記実施例の差圧センサ19はひず
みゲージ式のものであったが、静電容量式のものとする
ことも可能である。さらに、このような差圧センサに代
えて、この検出器の両検出室を結ぶ連通管を形成し、そ
の連通管内の流速を検出することにより、圧力差または
容量差を検出するように構成することもできる。すなわ
ち、測定成分またはその成分と同じ赤外線吸収帯を持つ
ガスが封入されている測定側検出室および比較側検出室
で吸収された熱エネルギーによって、それぞれ加熱され
ることにより各検出室に封入されたガスが膨脹して、前
記連通管内に生じる被測定成分のガスの濃度に応じたガ
スの流れを、前記連通管部位に配された熱線素子により
電気信号に変換し検出するような構成とすることもでき
る。The present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments. For example, in the embodiment shown in FIG. 1, the sample cell and the detector are provided. Although they are integrally formed on the same silicon wafer bonded body, the sample cell and the detector may be formed by separate silicon wafer bonded bodies, or only one of them may be formed by the silicon wafer bonded body. It is also possible to form the bonded body constituting such a sample cell or detector by four or more silicon plate materials. However, from the viewpoint of thinning and downsizing the device, a structure in which the sample cell and the detector are integrally formed by a bonded body of three silicon wafers as shown in FIG. 1 is most desirable. Further, although the differential pressure sensor 19 of the above-described embodiment is of the strain gauge type, it may be of the electrostatic capacitance type. Further, instead of such a differential pressure sensor, a communication pipe that connects both detection chambers of this detector is formed, and the pressure difference or the capacity difference is detected by detecting the flow velocity in the communication pipe. You can also That is, the measurement component or the gas having the same infrared absorption band as that component is enclosed in each detection chamber by being heated by the thermal energy absorbed in the measurement side detection chamber and the comparison side detection chamber. A gas flow that expands and is generated in the communication tube according to the concentration of the gas of the component to be measured is converted into an electric signal by a heat ray element arranged in the communication tube portion and detected. You can also
【0022】また、上記実施例においては、シリコンが
赤外線透過性を有することから検出器の各検出室および
試料セルの各ガス通路の両端部に特別に赤外線透過窓部
を形成しなかったが、弗化カルシウム、サファイヤある
いはゲルマニウム等により構成される赤外線透過窓部を
形成することも任意である。さらに本発明においては、
小型化による感度の低下を防止するために、試料セルの
各ガス通路にAu、Ag、Pt、Alまたはこれらの金
属の合金等を用いた高反射膜を被覆するといった応用技
術を適用することも可能である。In addition, in the above-mentioned embodiment, since silicon has infrared transparency, no special infrared transmission windows were formed at both ends of each detection chamber of the detector and each gas passage of the sample cell. It is also optional to form an infrared transmitting window portion made of calcium fluoride, sapphire, germanium, or the like. Further in the present invention,
In order to prevent a decrease in sensitivity due to miniaturization, it is also possible to apply an application technique in which each gas passage of the sample cell is coated with a highly reflective film made of Au, Ag, Pt, Al or an alloy of these metals. It is possible.
【0023】このように作製された本発明の赤外線ガス
分析装置は、大型ボイラなどの煤煙発生施設の排ガス監
視、自動車排ガス監視、作業環境の監視、焼成炉の雰囲
気監視および制御、発電ボイラの省エネルギー、燃焼器
具の性能品質管理、および青果物の貯蔵庫の監視等の用
途に使用することができる。The infrared gas analyzer of the present invention thus manufactured is used for monitoring the exhaust gas of soot and smoke generating facilities such as large boilers, monitoring automobile exhaust gas, monitoring the working environment, monitoring and controlling the atmosphere of the firing furnace, and energy saving of the power generation boiler. It can be used for applications such as performance quality control of burning appliances, and monitoring of fruit and vegetable storage.
【0024】[0024]
【発明の効果】本発明の赤外線式ガス分析装置は、従来
の分析装置と比較して、精度良く小型化でき、従って、
場所的制限を受けず、携帯・設置が容易にできる小型化
および軽量化が可能であり、かつ優れた性能と簡便性を
発揮するものである。また、検出室の形成と圧力センサ
ーや熱線素子の形成を半導体技術及びマイクロマシニン
グ技術によって同時に行なうことができるので、小型化
に有利なだけでなく、量産性にも優れ、また前記検出器
と試料セル部とを同一のシリコン製板材の接合体に一体
的に形成した構成とすれば、さらに小型化が可能とな
り、しかも製作工数を大幅に減らすことができ、加えて
信号回路の一部をこの接合体を構成するシリコン製板材
上に構成すれば、さらに一段と小型化される。INDUSTRIAL APPLICABILITY The infrared gas analyzer of the present invention can be miniaturized with high accuracy as compared with the conventional analyzer, and therefore,
It is not limited in space, can be easily carried and installed, can be made compact and lightweight, and exhibits excellent performance and convenience. Further, since the formation of the detection chamber and the formation of the pressure sensor and the heat ray element can be performed simultaneously by the semiconductor technology and the micromachining technology, not only is it advantageous for downsizing, but also excellent in mass productivity, and the detector and the sample If the cell part and the same silicon plate material are formed integrally with each other, the size can be further reduced and the number of manufacturing steps can be significantly reduced. If it is formed on the silicon plate material that constitutes the bonded body, the size can be further reduced.
【図1】 本発明の一実施例に係る赤外線式ガス分析装
置の試料セルおよび検出器の構成を示すものであり、図
1(a)は斜視図、図1(b)は長手方向断面図、図1
(c)は幅方向断面図である。1A and 1B show configurations of a sample cell and a detector of an infrared gas analyzer according to an embodiment of the present invention, FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view. , Figure 1
(C) is a cross-sectional view in the width direction.
【図2】 図1に示す実施例の検出器における圧力セン
サー部の構成を詳細に示すものであり、(a)はその断
面図、(b)はその平面図である。2A and 2B show in detail the structure of a pressure sensor portion in the detector of the embodiment shown in FIG. 1, where FIG. 2A is a sectional view thereof, and FIG. 2B is a plan view thereof.
【図3】 従来の赤外線式ガス分析装置の一例の概略縦
断面である。FIG. 3 is a schematic vertical cross section of an example of a conventional infrared gas analyzer.
1,2,3…シリコンウェハ 4A,4B,5A,5B…異方性凹状溝 6A,6B,7A,7B…貫通穴 8…フィードスルー穴 11…試料セル 12A…測定ガス通路 12B…比較ガス通路 14A,14B…光源 15…光チョッパ 16…検出器 19…差圧センサ 20A、20B…検出室 23…圧力導入穴 24…薄膜型ダイアフラム 25…ひずみゲージ 1, 2, 3 ... Silicon wafer 4A, 4B, 5A, 5B ... Anisotropic concave groove 6A, 6B, 7A, 7B ... Through hole 8 ... Feed through hole 11 ... Sample cell 12A ... Measurement gas passage 12B ... Comparison gas passage 14A, 14B ... Light source 15 ... Optical chopper 16 ... Detector 19 ... Differential pressure sensor 20A, 20B ... Detection chamber 23 ... Pressure introduction hole 24 ... Thin film diaphragm 25 ... Strain gauge
Claims (2)
なる赤外線式ガス分析装置において、前記試料セルおよ
び検出器の少なくともいずれか一方を、加工されたシリ
コン製板材を積層接合してなる接合体により形成し、厚
さ方向に、測定側のガス通路ないし検出室と、比較側の
ガス通路ないし検出室とを並列して設けることを特徴と
する赤外線式ガス分析装置。1. An infrared gas analyzer comprising a light source, a sample cell, and a detector, wherein at least one of the sample cell and the detector is laminated and joined with a processed silicon plate material. An infrared gas analyzer, characterized in that the gas passage or detection chamber on the measurement side and the gas passage or detection chamber on the comparison side are provided in parallel in the thickness direction.
三枚のシリコン単結晶板材を積層接合して構成し、この
接合体の中心部の板材の両側面に形成される2つの接合
面部に、測定ガス通路および測定側検出室と、比較ガス
通路および比較側検出室とを、中心部の板材の両側にそ
れぞれ形成し、かつ隔壁となる中心部の板材に、測定側
検出室と比較側検出室との差圧を測定可能な圧力センサ
を形成することを特徴とする請求項1に記載の赤外線式
ガス分析装置。2. The sample cell and the detector are configured by laminating and joining three processed silicon single crystal plate materials, and two bondings are formed on both side surfaces of the plate material at the center of the bonded body. The measurement gas passage and the measurement side detection chamber, and the comparison gas passage and the comparison side detection chamber are formed on the surface portion on both sides of the central plate member, respectively, and the central plate member serving as a partition wall is provided with the measurement side detection chamber. The infrared gas analyzer according to claim 1, wherein a pressure sensor capable of measuring a differential pressure with respect to the comparison side detection chamber is formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1532895A JPH08210977A (en) | 1995-02-01 | 1995-02-01 | Infrared ray type gas analyzing device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1532895A JPH08210977A (en) | 1995-02-01 | 1995-02-01 | Infrared ray type gas analyzing device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08210977A true JPH08210977A (en) | 1996-08-20 |
Family
ID=11885719
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1532895A Withdrawn JPH08210977A (en) | 1995-02-01 | 1995-02-01 | Infrared ray type gas analyzing device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08210977A (en) |
-
1995
- 1995-02-01 JP JP1532895A patent/JPH08210977A/en not_active Withdrawn
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