JP3831524B2 - 赤外線ガス分析計用流量検出素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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共に、測定セルに対して互いに直列的又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、当該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。
【０００３】
この熱式流量検出素子は、図５、図６に示すように、ニッケル等の金属箔で出来た蛇行状をなす２枚のヒータａと、当該ヒータａを対向して配置し且つ固定するためのガラス等の絶縁材料で出来た３枚の板材ｂとから構成されている。各板材ｂには開口ｃが形成されており、開口ｃ内に位置する各ヒータａの隙間ｄがガス流通路に形成されている。
【０００４】
そして、ヒータａ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ａに一定電圧を印加しておくと、無風状態では、二つのヒータａは、図６の（イ）で示すような温度分布を呈するが、前記隙間ｄにガスの流れ（矢印で示す）があると、上流側のヒータａはガスの流速に応じて冷却され、逆に、下流側のヒータａは、上流側のヒータａからうばった熱により加熱されるから、図６の（ロ）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ａ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し流量を検出している。尚、検出したガスの流量は、非分散型赤外線ガス分析計の測定セル（図示せず）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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例では、次のような問題点があった。
（１）開口ｃ内に位置するヒータａの隙間ｄの全域がガス流通路に形成されているので、検出素子面積の割に流路面積が広くて、ガスの流速が遅くなり、ガスの流れによるヒータａの温度変化が小さくて、感度が低い。
（２）開口ｃ内に位置するヒータ（板材ｂで支持されていない部分）ａが、ヒータａ自体の強度によって形状を保持する構造であるから、ヒータａを構成する金属箔として肉厚の厚いものが必要とされており、ヒータａが厚くなると、それだけ熱容量が大きくなるため、応答速度が遅くなることになる。
【０００６】
本発明は、上記の事柄に留意してなされたものであって、赤外線ガス分析計用流量検出素子の感度を増大させ、応答速度を速くすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明が講じた技術的手段は、次の通りである。即ち、請求項１に記載の発明による赤外線ガス分析計用流量検出素子は、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共に、測定セルに対して互いに直列的又は並列的に配置された二つのガス室と、両ガス室を連通させるガス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように２段重ね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の前記流量検出素子であって、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、一定電圧が印加されるヒータを蛇行状のパターン形状として絶縁体薄膜に保持させ、この蛇行状のパターン形状をなすヒータの隣接ヒータ部分間の絶縁体薄膜部分には、その隣接ヒータ部分の間隔に比して幅狭なガス流通孔が前記ヒータ部分に沿って複数個形成されて、これら複数個のガス流通孔による流路面積が前記隣接ヒータ部分間の面積よりも狭く設定されていることを特徴としている。
【０００８】
尚、請求項１に記載の発明において、前記流量検出素子は、請求項２に記載の通り、熱式流量検出素子を用いる。
【０００９】
上記の構成によれば、一定電圧が印加される蛇行状パターン形状のヒータの隣接ヒータ部分間の絶縁体薄膜部分に形成された幅狭な複数個のガス流通孔により隣接ヒータ部分間の面積よりも狭い流路面積に設定しているので、ガス流通孔を流れるガスの流速が速くなり、ヒータの温度変化が大きくなるため、感度が増大し、応答速度が速くなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明による赤外線ガス分析計用流量検出素子の製造方法は、基板の上に絶縁体薄膜を堆積させ、当該絶縁体薄膜にガス流通孔を形成し、その上に蛇行状のパターン形状のヒータ用電極膜を、隣接ヒータ用電極膜部分間に当該隣接ヒータ用電極膜部分の間隔に比して幅狭な前記ガス流通孔がヒータ用電極膜部分に沿って複数個位置してそれら複数個のガス流通孔による流路面積が隣接ヒータ用電極膜部分間の面積よりも狭く設定されるように形成し、次いで、前記基板を除去して開口を形成することにより検出素子単位体を製造し、しかる後、当該検出素子単位体を２段重ねに接着して、熱式流量検出素子を製造することを特徴としている。
【００１１】
【００１２】
上記の構成によれば、ヒータの線径やパターンと関係なくガス流通孔を形成することができ、ガス流通孔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、ヒータが絶縁体薄膜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、熱式流量検出素子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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１と図２は、本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Ａを示す。この熱式流量検出素子Ａは、図５、図６で示した従来例と同様に、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当該ガス通路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、一定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に通電するための配線、３はヒータ１を保持する絶縁体薄膜である。
【００１４】
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でも、ＳｉＯ2やＳｉ3 Ｎ4等の無機系絶縁体薄膜でもよいが、この実施の形態では、感光性ポリイミドを使用している。４は非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料で出来た基板、４ａは基板４に形成された開口である。ヒータ１の近傍部で且つ前記開口４ａに対応する絶縁体薄膜３部分には、蛇行状ヒータ１の隣接ヒータ部分間の面積よりも狭い流路面積に設定したガス流通孔５が形成されている。すなわち、蛇行状をなすヒータ１の隣接ヒータ部分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５が、ヒータ１の各ヒータ部分に沿って形成されている。
【００１５】
前記熱式流量検出素子Ａの製造方法の一例を、図３、図４を参照しながら説明する。
（１） 図３の（Ａ），（Ｂ）に示すように、非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料で出来た基板４の上に、感光性ポリイミドによる絶縁体薄膜３を約０．５〜２μｍ厚に堆積させ、フォトレジスト工程により当該絶縁体薄膜３の所定位置に複数個のガス流通孔５を形成する。
【００１６】
（２）その上に、図３の（Ｃ）に示すように、ヒータ用電極膜（例えば、Ｐｔ又はＮｉ又はＮｉＣｒ）６を、例えばスパッタ法によって、約０．１〜０．３μｍ厚に堆積させる。
【００１７】
（３）図３の（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３の（Ｅ）に示すように、エッチングによってヒータ用電極膜６を図１に示す蛇行状のパターン形状にする。７はパターン形状のレジストである。
【００１８】
（４）次いで、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記レジスト７を除去すると共に、基板４を裏面からエッチング除去して開口４ａを形成することにより検出素子単位体Ａ1 を製造する。
【００１９】
（５）しかる後、図４の（Ｃ）に示すように、前記検出素子単位体Ａ1 を２段重ねに接着して、図１，図２に示した熱式流量検出素子Ａを製造するのである。
【００２０】
上記の構成によれば、ヒータ１の線径やパターンと関係なくガス流通孔５を形成することができ、ガス流通孔５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、熱式流量検出素子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。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、赤外線ガス分析計用流量検出素子の感度を増大させ、応答速度を速くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本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の平面図である。
【図２】 図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】 熱式流量検出素子の製造方法の説明図である。
【図４】 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。
【図５】 従来の熱式流量検出素子の平面図である。
【図６】 図５のＺ−Ｚ線断面図である。
【符号の説明】
１…ヒータ、３…絶縁体薄膜、４…基板、４ａ…開口、５…ガス流通孔、６…ヒータ用電極膜、Ａ…熱式流量検出素子、Ａ 1 …検出素子単位体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、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とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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共に、測定セルに対して互いに直列的又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、当該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。
【０００３】
この熱式流量検出素子は、図５、図６に示すように、ニッケル等の金属箔で出来た蛇行状をなす２枚のヒータａと、当該ヒータａを対向して配置し且つ固定するためのガラス等の絶縁材料で出来た３枚の板材ｂとから構成されている。各板材ｂには開口ｃが形成されており、開口ｃ内に位置する各ヒータａの隙間ｄがガス流通路に形成されている。
【０００４】
そして、ヒータａ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ａに一定電圧を印加しておくと、無風状態では、二つのヒータａは、図６の（イ）で示すような温度分布を呈するが、前記隙間ｄにガスの流れ（矢印で示す）があると、上流側のヒータａはガスの流速に応じて冷却され、逆に、下流側のヒータａは、上流側のヒータａからうばった熱により加熱されるから、図６の（ロ）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ａ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し流量を検出している。尚、検出したガスの流量は、非分散型赤外線ガス分析計の測定セル（図示せず）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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例では、次のような問題点があった。
（１）開口ｃ内に位置するヒータａの隙間ｄの全域がガス流通路に形成されているので、検出素子面積の割に流路面積が広くて、ガスの流速が遅くなり、ガスの流れによるヒータａの温度変化が小さくて、感度が低い。
（２）開口ｃ内に位置するヒータ（板材ｂで支持されていない部分）ａが、ヒータａ自体の強度によって形状を保持する構造であるから、ヒータａを構成する金属箔として肉厚の厚いものが必要とされており、ヒータａが厚くなると、それだけ熱容量が大きくなるため、応答速度が遅くなることになる。
【０００６】
本発明は、上記の事柄に留意してなされたものであって、赤外線ガス分析計用流量検出素子の感度を増大させ、応答速度を速くすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明が講じた技術的手段は、次の通りである。即ち、請求項１に記載の発明による赤外線ガス分析計用流量検出素子は、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共に、測定セルに対して互いに直列的又は並列的に配置された二つのガス室と、両ガス室を連通させるガス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように２段重ね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の前記流量検出素子であって、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、一定電圧が印加されるヒータを蛇行状のパターン形状として絶縁体薄膜に保持させ、この蛇行状のパターン形状をなすヒータの隣接ヒータ部分間の絶縁体薄膜部分には、その隣接ヒータ部分の間隔に比して幅狭なガス流通孔が前記ヒータ部分に沿って複数個形成されて、これら複数個のガス流通孔による流路面積が前記隣接ヒータ部分間の面積よりも狭く設定されていることを特徴としている。
【０００８】
尚、請求項１に記載の発明において、前記流量検出素子は、請求項２に記載の通り、熱式流量検出素子を用いる。
【０００９】
上記の構成によれば、一定電圧が印加される蛇行状パターン形状のヒータの隣接ヒータ部分間の絶縁体薄膜部分に形成された幅狭な複数個のガス流通孔により隣接ヒータ部分間の面積よりも狭い流路面積に設定しているので、ガス流通孔を流れるガスの流速が速くなり、ヒータの温度変化が大きくなるため、感度が増大し、応答速度が速くなる。
【００１０】
請求項３に記載の発明による赤外線ガス分析計用流量検出素子の製造方法は、基板の上に絶縁体薄膜を堆積させ、当該絶縁体薄膜にガス流通孔を形成し、その上に蛇行状のパターン形状のヒータ用電極膜を、隣接ヒータ用電極膜部分間に当該隣接ヒータ用電極膜部分の間隔に比して幅狭な前記ガス流通孔がヒータ用電極膜部分に沿って複数個位置してそれら複数個のガス流通孔による流路面積が隣接ヒータ用電極膜部分間の面積よりも狭く設定されるように形成し、次いで、前記基板を除去して開口を形成することにより検出素子単位体を製造し、しかる後、当該検出素子単位体を２段重ねに接着して、熱式流量検出素子を製造することを特徴としている。
【００１１】
【００１２】
上記の構成によれば、ヒータの線径やパターンと関係なくガス流通孔を形成することができ、ガス流通孔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、ヒータが絶縁体薄膜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、熱式流量検出素子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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１と図２は、本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Ａを示す。この熱式流量検出素子Ａは、図５、図６で示した従来例と同様に、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当該ガス通路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、一定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に通電するための配線、３はヒータ１を保持する絶縁体薄膜である。
【００１４】
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でも、ＳｉＯ2やＳｉ3 Ｎ4等の無機系絶縁体薄膜でもよいが、この実施の形態では、感光性ポリイミドを使用している。４は非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料で出来た基板、４ａは基板４に形成された開口である。ヒータ１の近傍部で且つ前記開口４ａに対応する絶縁体薄膜３部分には、蛇行状ヒータ１の隣接ヒータ部分間の面積よりも狭い流路面積に設定したガス流通孔５が形成されている。すなわち、蛇行状をなすヒータ１の隣接ヒータ部分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５が、ヒータ１の各ヒータ部分に沿って形成されている。
【００１５】
前記熱式流量検出素子Ａの製造方法の一例を、図３、図４を参照しながら説明する。
（１） 図３の（Ａ），（Ｂ）に示すように、非晶質のガラスやＳｉ、ＭｇＯ等の結晶性の材料で出来た基板４の上に、感光性ポリイミドによる絶縁体薄膜３を約０．５〜２μｍ厚に堆積させ、フォトレジスト工程により当該絶縁体薄膜３の所定位置に複数個のガス流通孔５を形成する。
【００１６】
（２）その上に、図３の（Ｃ）に示すように、ヒータ用電極膜（例えば、Ｐｔ又はＮｉ又はＮｉＣｒ）６を、例えばスパッタ法によって、約０．１〜０．３μｍ厚に堆積させる。
【００１７】
（３）図３の（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３の（Ｅ）に示すように、エッチングによってヒータ用電極膜６を図１に示す蛇行状のパターン形状にする。７はパターン形状のレジストである。
【００１８】
（４）次いで、図４の（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記レジスト７を除去すると共に、基板４を裏面からエッチング除去して開口４ａを形成することにより検出素子単位体Ａ1 を製造する。
【００１９】
（５）しかる後、図４の（Ｃ）に示すように、前記検出素子単位体Ａ1 を２段重ねに接着して、図１，図２に示した熱式流量検出素子Ａを製造するのである。
【００２０】
上記の構成によれば、ヒータ１の線径やパターンと関係なくガス流通孔５を形成することができ、ガス流通孔５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、熱式流量検出素子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。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、赤外線ガス分析計用流量検出素子の感度を増大させ、応答速度を速くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本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の平面図である。
【図２】 図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】 熱式流量検出素子の製造方法の説明図である。
【図４】 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。
【図５】 従来の熱式流量検出素子の平面図である。
【図６】 図５のＺ−Ｚ線断面図である。
【符号の説明】
１…ヒータ、３…絶縁体薄膜、４…基板、４ａ…開口、５…ガス流通孔、６…ヒータ用電極膜、Ａ…熱式流量検出素子、Ａ 1 …検出素子単位体。
Claims (3)
- 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共に、測定セルに対して互いに直列的又は並列的に配置された二つのガス室と、両ガス室を連通させるガス通路と、当該ガス通路にガス通路を遮るように２段重ね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の前記流量検出素子であって、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、一定電圧が印加されるヒータを蛇行状のパターン形状として絶縁体薄膜に保持させ、この蛇行状のパターン形状をなすヒータの隣接ヒータ部分間の絶縁体薄膜部分には、その隣接ヒータ部分の間隔に比して幅狭なガス流通孔が前記ヒータ部分に沿って複数個形成されて、これら複数個のガス流通孔による流路面積が前記隣接ヒータ部分間の面積よりも狭く設定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。
- 前記流量検出素子が熱式流量検出素子である請求項１に記載の赤外線ガス分析計用流量検出素子。
- 基板の上に絶縁体薄膜を堆積させ、当該絶縁体薄膜にガス流通孔を形成し、その上に蛇行状のパターン形状のヒータ用電極膜を、隣接ヒータ用電極膜部分間に当該隣接ヒータ用電極膜部分の間隔に比して幅狭な前記ガス流通孔がヒータ用電極膜部分に沿って複数個位置してそれら複数個のガス流通孔による流路面積が隣接ヒータ用電極膜部分間の面積よりも狭く設定されるように形成し、次いで、前記基板を除去して開口を形成することにより検出素子単位体を製造し、しかる後、当該検出素子単位体を２段重ねに接着して、熱式流量検出素子を製造することを特徴とする赤外線ガス分析計用流量検出素子の製造方法。
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| JP18117298A JP3831524B2 (ja) | 1998-06-26 | 1998-06-26 | 赤外線ガス分析計用流量検出素子とその製造方法 |
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| US09/321,735 US6425287B1 (en) | 1998-06-26 | 1999-05-28 | Microflow sensor element and manufacturing method thereof |
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Publications (2)
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ID=16096154
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| JP18117298A Expired - Fee Related JP3831524B2 (ja) | 1998-05-29 | 1998-06-26 | 赤外線ガス分析計用流量検出素子とその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP3831524B2 (ja) |
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| JP5230883B2 (ja) * | 2001-08-10 | 2013-07-10 | 株式会社堀場製作所 | 赤外線ガス分析計用流量検出素子 |
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