JP4666252B2 - Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer - Google Patents
Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- JP4666252B2 JP4666252B2 JP2005159062A JP2005159062A JP4666252B2 JP 4666252 B2 JP4666252 B2 JP 4666252B2 JP 2005159062 A JP2005159062 A JP 2005159062A JP 2005159062 A JP2005159062 A JP 2005159062A JP 4666252 B2 JP4666252 B2 JP 4666252B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- flow
- flow sensor
- resistor
- silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
本発明は、熱線式流量センサ及び赤外線ガス分析計に関し、詳しくは微小ガス流量を計測するセンサデバイスの基本センサ技術に関し、具体的には赤外線ガス分析計におけるガスセル吸収方式の検出器の微小ガス流量を計測するフローセンサ、熱磁気式酸素センサの微小ガス移動を検出するフローセンサ、その他の微小ガス流量を検出する計測器のフローセンサの改良に関する。 The present invention relates to a hot-wire flow sensor and an infrared gas analyzer, and more particularly to a basic sensor technology of a sensor device that measures a minute gas flow rate, and specifically to a minute gas flow rate of a gas cell absorption type detector in an infrared gas analyzer. The present invention relates to an improvement in a flow sensor for measuring gas, a flow sensor for detecting minute gas movement of a thermomagnetic oxygen sensor, and a flow sensor for other measuring devices for detecting a minute gas flow rate.
従来技術における赤外線ガス分析計は、測定対象ガスの赤外線吸収によって生じる基準セルと試料セルの赤外線の光量差を、ガスセル吸収方式の検出器、即ち、干渉補償検出器の内部に発生する圧力差で発生する流量をフローセンサで検出して、測定対象ガスの濃度を測定するというものである。 In the conventional infrared gas analyzer, the difference in the amount of light between the reference cell and the sample cell caused by the infrared absorption of the gas to be measured is determined by the pressure difference generated inside the gas cell absorption detector, that is, the interference compensation detector. The generated flow rate is detected by a flow sensor, and the concentration of the measurement target gas is measured.
その構成は、図９に示すように、赤外線を出射させる赤外線光源１１１と、この赤外線光源１１１から発せられる赤外線光束を周期的に同時に、若しくは交互に断続させるモータ１２０で回転駆動される回転セクタ１２１と、回転セクタ１２１で断続されている赤外線光束を分配する分配セル１１２と、分配セル１１２の一方側に接続され測定光源として案内して測定光線路を形成する試料セル１１４と、分配セル１１２の他方側に接続され比較光源として案内して比較光線路を形成する基準セル１１３と、試料セル１１４及び基準セル１１３の出力側に配置され、両者の光線を受け入れる測定室１１７及び比較室１１６を持つ干渉補償検出器１１５と、測定室１１７及び比較室１１６の連通した流通路１１８に備えたガスの流通を検出するガス検出手段を形成するサーマルフローセンサ１１９と、このサーマルフローセンサ１１９で検出した信号を増幅して濃度信号を生成する交流電圧増幅器１２２と、から大略構成されている。
As shown in FIG. 9, an infrared light source 111 that emits infrared light and a
サーマルフローセンサ１１９は、図１０に示すように、熱線式のもので、その構成はブリッジ回路を組込み、流路に対向する熱線のフローセンサである抵抗体Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ２を２個配置し、他の参照抵抗Ｒ１、Ｒ２を流路外に配置した構成のものがある。 As shown in FIG. 10, the thermal flow sensor 119 is of a hot wire type, and the configuration thereof incorporates a bridge circuit, two resistors Rth1 and Rth2 that are flow sensors of the hot wire facing the flow path, and the other The reference resistors R1 and R2 are arranged outside the flow path.
他の例としてのフローセンサは、図１１に示すように、熱線式のもので、熱線式フローセンサでブリッジ回路を組み込み、４つの熱線式フローセンサである抵抗体Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ２、Ｒｔｈ３、Ｒｔｈ４を流路に配置した構成のものがある。 As shown in FIG. 11, the flow sensor as another example is a hot-wire type, and a bridge circuit is incorporated in the hot-wire flow sensor, and resistors Rth1, Rth2, Rth3, and Rth4, which are four hot-wire flow sensors, are included. Some are arranged in a flow path.
更に、振動対策を施したフローセンサは、図１２に示すように、４つの熱線でブリッジ回路を組み込み、測定対象となるガスの流れで発生する抵抗変化係数をａ、振動によるガス慣性で発生する抵抗変化係数をｂ、各々の熱線の抵抗値をＲとすると、第１抵抗体１３１ａはＲ（１−ｂ）、第２抵抗体１３１ｂはＲ（１＋ｂ）、第３抵抗体１３１ｃはＲ（１−ａ−ｂ）、第４抵抗体１３１ｄはＲ（１＋ａ＋ｂ）で表すことができる。そして、第１抵抗体１３１ａ及び第２抵抗体１３１ｂが流路から外れた位置に配置され、第３抵抗体１３１ｃ及び第４抵抗体１３１ｄが流路に配置されている。 Further, as shown in FIG. 12, the flow sensor with countermeasures against vibration incorporates a bridge circuit with four hot wires, and a resistance change coefficient generated by the flow of the gas to be measured is generated by a, and gas inertia due to vibration is generated. If the resistance change coefficient is b, and the resistance value of each heat ray is R, the first resistor 131a is R (1-b), the second resistor 131b is R (1 + b), and the third resistor 131c is R (1). −a−b), the fourth resistor 131d can be represented by R (1 + a + b). And the 1st resistor 131a and the 2nd resistor 131b are arrange | positioned in the position which remove | deviated from the flow path, and the 3rd resistor 131c and the 4th resistor 131d are arrange | positioned at the flow path.
このような構成からなる赤外線ガス分析計において、先ず、赤外線光源１１１から発せられた赤外線が分配セル１１２により２つに分割され、それぞれ基準セル１１３、試料セル１１４に入射する。基準セル１１３には不活性ガスなど測定対象成分を含まないガスが充填されている。また、試料セル１１４には測定試料が流通する。分配セル１１２で２つに分けられた赤外線は試料セル１１４でのみ測定対象成分による吸収を受け干渉補償検出器１１５に到達する。
In the infrared gas analyzer having such a configuration, first, the infrared light emitted from the infrared light source 111 is divided into two by the
干渉補償検出器１１５は、基準セル１１３からの赤外光と試料セル１１４からの赤外光を受ける２室（比較室１１６、試料室１１７）からなっており、その２室が流通路１１８でつながる構造をしており、その流通路１１８にガスの行き来を検出するためのサーマルフローセンサ１１９が取り付けられている。干渉補償検出器１１５内には測定対象と同じ成分を含むガスが充填されており、基準セル１１３、試料セル１１４からの赤外線が照射されると測定対象成分ガスが赤外線を吸収することで、その中でガスが熱膨張する。
The interference compensation detector 115 includes two chambers (comparison chamber 116 and sample chamber 117) that receive the infrared light from the
試料セル１１４内の測定試料に測定対象成分が多く含まれると、赤外線はそこで多くが吸収されるため、干渉補償検出器１１５では比較室１１６に多くの赤外線が照射され、よりガスが膨張する。赤外線は回転セクタ１２１で遮断、照射を繰り返しており、遮断されたときは比較室１１６、測定室１１７とも赤外線が照射されないのでガスは膨張せず、赤外線が照射されると干渉補償検出器１１５の測定室１１７には試料セル１１４内の測定対象成分濃度に応じた赤外線が照射され、測定室１１７には試料中の測定対象成分濃度に応じた赤外線が照射されるため、試料中の測定対象成分の濃度に応じて両室の間に差圧が生じ、両室間の間に設けられた流通器１１８をガスが行き来することとなる。そのガスの挙動をサーマルフローセンサ１１９で検出し、交流電圧増幅器１２２で交流電圧増幅し、濃度信号として出力する。
If the measurement sample in the sample cell 114 contains a large amount of the measurement target component, a large amount of infrared light is absorbed there. Therefore, the interference compensation detector 115 irradiates the comparison chamber 116 with more infrared light, and the gas expands more. Infrared rays are repeatedly blocked and irradiated by the rotating
しかし、従来技術で説明した赤外線ガス分析計においては、マイクロフローセンサの発熱体は、ニッケル、白金などが用いられてきた。微小流量を検出するために流速径が小さい領域で熱線を作成する必要があり、熱線の長さは長く、熱線の幅は小さくする必要がある。 However, in the infrared gas analyzer described in the prior art, nickel, platinum or the like has been used as the heating element of the microflow sensor. In order to detect a minute flow rate, it is necessary to create a hot wire in a region where the flow velocity diameter is small, the length of the hot wire is long, and the width of the hot wire needs to be small.
前述の金属材料では、自立支持させる長さと幅に制限があり、金属は比抵抗が小さいことなどから、抵抗幅を大きくできない課題があった。 In the metal material described above, there are limitations on the length and width of the metal material to be self-supported, and there is a problem that the resistance width cannot be increased because the metal has a small specific resistance.
単結晶シリコンマイクロフローセンサである２つの抵抗体Ｒｔｈ１、Ｒｔｈ２をガスセルの流路に配置した図１０の構成は、外付けの抵抗器とブリッジ回路を構成するので、ガスセル内部（フローセンサ）の温度とガスセル外部（参照用の外付け抵抗器）が異なるため、フローセンサと抵抗器の抵抗温度係数の違いと温度の違いから影響を受けやすいという問題点があった。 The configuration of FIG. 10 in which two resistors Rth1 and Rth2 that are single crystal silicon microflow sensors are arranged in the flow path of the gas cell constitutes a bridge circuit with an external resistor, so the temperature inside the gas cell (flow sensor) And the outside of the gas cell (external resistor for reference) are different, and there is a problem that the flow sensor and the resistor are easily affected by the difference in the temperature coefficient of resistance and the difference in temperature.
又、図１１のような構成は、フローセンサと参照抵抗は同じ材質で作成でき、抵抗温度係数の違いが発生しにくく、周囲温度の影響を除去できる利点があるが、振動によって発生するガス慣性によるノイズに弱い。 The configuration shown in FIG. 11 is advantageous in that the flow sensor and the reference resistance can be made of the same material, the difference in resistance temperature coefficient hardly occurs, and the influence of the ambient temperature can be eliminated. Sensitive to noise.
従って、マイクロフローセンサの熱線として、金属材料にかわる比抵抗が大きく不純物導入技術により比抵抗制御が容易な単結晶シリコンを用いた４つのシリコン抵抗体をフローセンサとして用い、流路基板とフローセンサ基板を貼り合わせることにより流れがＵ字に拘束し、Ｕ字の各並行部分に等しい性能を持つ熱線を所定距離を保って２つずつ、計４つ配置し、Ｕ字を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成し、外部温度の影響、ガスセルの内圧変動による熱伝導の影響、振動によって発生するガス慣性によるノイズの影響を低減することによって、流量ゼロ付近の微小ガス流量測定のＳ／Ｎを改善することに解決しなければならない課題を有する。 Therefore, as the heat ray of the micro flow sensor, four silicon resistors using single crystal silicon, which has a large specific resistance instead of a metal material and can be easily controlled by an impurity introduction technique, are used as a flow sensor. The flow is constrained to the U-shape by bonding the substrates, and two heat wires with the same performance are arranged at each parallel portion of the U-shape at a predetermined distance, four in total, and the flow to be measured flowing through the U-shape Emphasize and configure the bridge circuit to cancel the relative flow due to gas inertia due to external vibration, reduce the influence of external temperature, the influence of heat conduction due to the internal pressure fluctuation of the gas cell, and the influence of noise due to the gas inertia generated by vibration Thus, there is a problem to be solved by improving the S / N of the minute gas flow rate measurement near the flow rate of zero.
上記課題を解決するために、本願発明の熱線式流量センサ及び赤外線ガス分析計は、次に示す構成にしたことである。 In order to solve the above problems, the hot-wire flow sensor and infrared gas analyzer of the present invention have the following configuration.
（１）熱線式流量センサは、発熱する抵抗体がガスの流れによって冷却又は加熱されることで生じる抵抗値変化を利用した熱線式流量センサにおいて、ガスの流路となる２つの開口部を備えた基板に、前記開口部を跨ぐようにシリコン抵抗体を配置したエアブリッジ構造のフローセンサチップであり、前記フローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を２つ重ね合わせ、流路基板を貼り合わせることによりガスの流れをＵ字に拘束し、Ｕ字の流路の各平行部分に等しい性能を持つ前記シリコン抵抗体を所定距離をもって２つずつ、計４個配置し、Ｕ字の流路を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成することである。 (1) A hot-wire flow sensor is a hot-wire flow sensor that uses a resistance value change that occurs when a resistor that generates heat is cooled or heated by a gas flow, and includes two openings that serve as gas flow paths. A flow sensor chip having an air bridge structure in which a silicon resistor is disposed so as to straddle the opening, and two flow sensor substrates on which the flow sensor chip is mounted are overlapped and a flow path substrate is bonded. The gas flow is constrained to a U-shape, and a total of four silicon resistors having a performance equal to each parallel portion of the U-shaped flow channel are arranged at a predetermined distance, and flow through the U-shaped flow channel. The bridge circuit is configured to emphasize the flow to be measured and cancel the relative flow due to gas inertia due to external vibration.
（２）前記ブリッジ回路は、前記一方のフローセンサ基板の２つのシリコン抵抗体を直列接続し、前記もう一つのフローセンサ基板の２つのシリコン抵抗体を直列接続してブリッジを構成することである（１）に記載の熱線式流量センサ。 (2) The bridge circuit is configured such that two silicon resistors of the one flow sensor substrate are connected in series, and two silicon resistors of the other flow sensor substrate are connected in series to form a bridge. The hot-wire flow sensor according to (1).
（３）前記シリコン抵抗体はミアンダ状に形成されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の熱線式流量センサ。 (3) The hot wire flow sensor according to (1) or (2), wherein the silicon resistor is formed in a meander shape.
（４）赤外線ガス分析計は、測定光線路に配置され、赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する測定室と、比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する比較室と、前記測定室及び比較室を連通するガス通路と、前記ガス通路に設置されたフローセンサと、前記測定室及び比較室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記測定室及び比較室にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記測定室及び比較室の圧力変動に基づくガスの流れ方向によりガスを検出するガス検出手段と、からなり、前記フローセンサは、流路となる２つの開口部を備えた基板に、前記開口部を跨ぐようにシリコン抵抗体を配置したエアブリッジ構造のフローセンサチップで形成され、前記フローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を２つ重ね合わせ、流路基板を貼り合わせることによりガスの流れをＵ字に拘束し、Ｕ字の流路の各平行部分に等しい性能を持つ前記シリコン抵抗体を所定距離をもって２つずつ、計４個配置し、Ｕ字の流路を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成することである。 (4) The infrared gas analyzer is disposed in the measurement optical line and is disposed in the measurement chamber in which the measurement light beam that has passed through the sample gas including the gas to be analyzed that absorbs infrared rays is incident, and the comparison optical line, and absorbs infrared radiation. A comparison chamber in which a comparative light beam that is not substantially received is incident, a gas passage communicating with the measurement chamber and the comparison chamber, a flow sensor installed in the gas passage, and the gas to be analyzed in the measurement chamber and the comparison chamber The gas of the same type is filled, and the measurement beam and the comparison beam are periodically interrupted to enter the measurement chamber and the comparison chamber, respectively. Gas detection means for detecting gas according to the flow direction. The flow sensor is an air bridge in which a silicon resistor is disposed on a substrate having two openings serving as flow paths so as to straddle the openings. A flow sensor chip having a structure, two flow sensor substrates on which the flow sensor chip is mounted are overlapped, and a flow path substrate is bonded to restrain the gas flow in a U shape. Four silicon resistors having the same performance as parallel parts are arranged at a predetermined distance, two in total, emphasizing the flow to be measured flowing through the U-shaped flow path, and canceling the relative flow due to gas inertia caused by external vibration The bridge circuit is configured as described above.
（５）前記ブリッジ回路は、前記一方のフローセンサ基板の２つのシリコン抵抗体を直列接続し、前記もう一つのフローセンサ基板の２つのシリコン抵抗体を直列接続してブリッジを構成することである（４）に記載の赤外線ガス分析計。 (5) The bridge circuit is configured such that two silicon resistors of the one flow sensor substrate are connected in series, and two silicon resistors of the other flow sensor substrate are connected in series to form a bridge. The infrared gas analyzer according to (4).
（６）前記シリコン抵抗体はミアンダ状に形成されていることを特徴とする（４）又は（５）に記載の赤外線ガス分析計。 (6) The infrared gas analyzer according to (4) or (5), wherein the silicon resistor is formed in a meander shape.
本提案によれば、単結晶シリコンを用いた４つのシリコン抵抗体をフローセンサとして用い、Ｕ字の流路を形成する流路基板とフローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を貼り合わせることによりガスの流れがＵ字に拘束し、Ｕ字の各並行部分に等しい性能を持つ熱線であるシリコン抵抗体をある距離を保って２つずつ、計４つ配置し、Ｕ字を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成し、外部温度の影響、ガスセルの内圧変動による熱伝導の影響、振動によって発生するガス慣性によるノイズの影響を低減することによって、流量ゼロ付近の微小ガス流量測定のＳ／Ｎを改善することができる。 According to this proposal, four silicon resistors using single crystal silicon are used as flow sensors, and gas flow is achieved by bonding a flow path substrate that forms a U-shaped flow path and a flow sensor substrate on which a flow sensor chip is mounted. The flow of current is constrained to the U-shape, and two silicon resistors, which are heat rays having the same performance in each parallel part of the U-shape, are arranged at a certain distance, two in total, and the flow to be measured flowing through the U-shape Emphasize and configure the bridge circuit to cancel the relative flow due to gas inertia due to external vibration, reduce the influence of external temperature, the influence of heat conduction due to the internal pressure fluctuation of the gas cell, and the influence of noise due to the gas inertia generated by vibration As a result, the S / N ratio of the minute gas flow rate measurement near zero flow rate can be improved.
次に、本願発明に係る熱線式流量センサ及び赤外線ガス分析計の実施形態について、図面を参照して説明する。 Next, embodiments of a hot-wire flow sensor and an infrared gas analyzer according to the present invention will be described with reference to the drawings.
本願発明に係る熱線式流量センサを具現化できる赤外線ガス分析計は、従来技術で説明したものと同じく、赤外線光源から出射された赤外線が、試料セルに入射する前、及び透過後の光量変化（試料ガス吸収による赤外線の減衰）のみを、直接ガスセル検出器（干渉補償検出器）で検出するよう構成したものである。 The infrared gas analyzer that can embody the hot-wire flow sensor according to the present invention is the same as that described in the prior art, in which the infrared light emitted from the infrared light source changes before the light enters the sample cell and after the transmission ( Only infrared cell attenuation due to sample gas absorption) is directly detected by a gas cell detector (interference compensation detector).
このガスセル検出器のフローセンサに特徴があり、ガスの流路となる２つの開口部を備えた基板に、この開口部を跨ぐようにミアンダ状のシリコン抵抗体を配置したエアブリッジ構造のフローセンサチップで形成し、このフローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を２つ重ねると共に、その重ね合わせた両端に更にＵ字状の流路を形成する流路基板を貼り合わせることで開口部を利用したＵ字状の流路を作成する。そして、Ｕ字の各並行部分に等しい性能を持つシリコン抵抗体を所定距離を保って２つずつ、計４つ配置し、Ｕ字を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成し、外部温度の影響、ガスセルの内圧変動による熱伝導の影響、振動によって発生するガス慣性によるノイズの影響を低減する。 The flow sensor of this gas cell detector is characterized by an air bridge structure flow sensor in which a meander-like silicon resistor is disposed on a substrate having two openings serving as gas flow paths so as to straddle the openings. Two flow sensor substrates on which the flow sensor chip is mounted are overlapped with each other, and an opening is used by attaching a flow path substrate that forms a U-shaped flow path to both ends of the overlap. Create a U-shaped channel. Then, two silicon resistors having the same performance for each parallel part of the U-shape are arranged at a predetermined distance, two in total, emphasizing the flow to be measured flowing through the U-shape, and relative to the gas inertia due to external vibration The bridge circuit is configured to cancel the flow, and the influence of external temperature, the influence of heat conduction due to the internal pressure fluctuation of the gas cell, and the influence of noise due to gas inertia generated by vibration are reduced.
このようなフローセンサを備えた赤外線ガス分析計の構成は、図１に示すように、赤外線を出射させる赤外線光源１１と、この赤外線光源１１から発せられる赤外線光束を周期的に同時に、若しくは交互に断続させるモータ２０で回転駆動される回転セクタ２１と、回転セクタ２１で断続されている赤外線光束を分配する分配セル１２と、分配セル１２の一方側に接続され測定光源として案内して測定光線路を形成する試料セル１４と、分配セル１２の他方側に接続され比較光源として案内して比較光線路を形成する基準セル１３と、試料セル１４及び基準セル１３の出力側に配置され、両者の光線を受け入れる測定室１７及び比較室１６を持つ干渉補償検出器１５と、測定室１７及び比較室１６の連通した流通路１８に備えたガスの流通を検出するガス検出手段を形成するフローセンサ１９と、このフローセンサ１９で検出した信号を増幅して濃度信号を生成する交流電圧増幅器２２と、から大略構成されている。
As shown in FIG. 1, an infrared gas analyzer having such a flow sensor has an
また、図においては、干渉補償を行うためのペアの検出器部分の図示を省略しているが、前記図９の如く、同一構成の補償用検出器が直列に挿入されているものである。
なお、干渉補償を行わない場合には、補償用の検出器部分は、不要となる。
Further, in the figure, illustration of a pair of detector portions for performing interference compensation is omitted, but as shown in FIG. 9, compensation detectors having the same configuration are inserted in series.
When interference compensation is not performed, the compensation detector portion is not necessary.
フローセンサ１９は、後述するフローセンサチップを搭載したフローセンサ基板とＵ字の流路を形成する流路基板とで構成されている。 The flow sensor 19 includes a flow sensor substrate on which a later-described flow sensor chip is mounted and a flow path substrate that forms a U-shaped flow path.
フローセンサチップ３１は、図２及び図３に示すように、単結晶シリコン（ＳＯＩ基板）を用いて熱線式のフローセンサとなる抵抗体を形成したチップであり、このチップ３１は、シリコン基板３２に２つの開口部３３ａ、３３ｂを備え、この開口部３３ａ、３３ｂを跨ぐようにシリコン酸化膜３４上にシリコン活性層３５で形成された櫛歯状のシリコン抵抗体３６ａ、３６ｂを備え、このシリコン抵抗体３６ａ、３６ｂは開口部３３ａ、３３ｂに臨むように形成された、所謂、自立支持構造に構成されている。そして、このシリコン抵抗体３６ａ、３６ｂの基部に電極３７ａ、３７ｂ、３７ｃが備えられ、外部に接続できる構造となっている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the flow sensor chip 31 is a chip in which a resistor serving as a heat ray type flow sensor is formed using single crystal silicon (SOI substrate). Are provided with comb-like silicon resistors 36a and 36b formed of a silicon active layer 35 on the silicon oxide film 34 so as to straddle the
フローセンサ１９は、図５に示すように、上記説明したフローセンサチップ３１を搭載した第１及び第２フローセンサ基板４１、４２を重ね合わせ、開口部３３ａ、３３ｂを流路とすると共に、Ｕ字状の流路を形成するために、流路をターンさせるための陥没面４３を備えた第１流路基板４４、第２フローセンサ基板４２の開口部３３ａ、３３ｂに合わせた位置に貫通孔４５ａ、４５ｂを備えた第２流路基板４６、から構成されている。
As shown in FIG. 5, the flow sensor 19 includes the first and second flow sensor substrates 41 and 42 on which the above-described flow sensor chip 31 is mounted, and the
これらの構成からなるフローセンサ１９は、図６乃至図８に示すように、電極を支持する電極支持部４７を絶縁状態で支持するステム４８上に陥没面４３を上向きにして第１流路基板４４を搭載する。その上にフローセンサチップ３１を搭載した第１フローセンサ基板４１を載せ、やはりその上にフローセンサチップ３１を搭載してある第２フローセンサ基板４２を重ね合わせるようにして載せる。その上部に貫通孔４５ａ、４５ｂを開口部３３ａ、３３ｂに合わせるようにして第２流路基板４６を載せることで、Ｕ字状の流路に形成され、そのＵ字状流路の各平行な流路にシリコン抵抗体３６ａ、３６ｂが臨んだ状態で配置することができる。
As shown in FIGS. 6 to 8, the flow sensor 19 having these configurations includes a first flow path substrate with a depressed surface 43 facing upward on a stem 48 that supports an electrode support portion 47 that supports an electrode in an insulated state. 44 is installed. A first flow sensor substrate 41 on which the flow sensor chip 31 is mounted is placed thereon, and a second flow sensor substrate 42 on which the flow sensor chip 31 is mounted is also placed thereon. By placing the second flow path substrate 46 so that the through
即ち、図５に示すように、一方の流路４９ａには第１フローセンサ基板４１のシリコン抵抗体（第１抵抗体５０ａ）と第２フローセンサ基板４２のシリコン抵抗体（第２抵抗体５０ｂ）がガスの流れに対して上流と下流の関係で配置される。一方の流路４９ａと反対方向に流れる他方の流路４９ｂには第２フローセンサ基板４２のシリコン抵抗体（第３抵抗体５０ｃ）と第１フローセンサ基板４１のシリコン抵抗体（第４抵抗体５０ｄ）がガスの流れに対して上流と下流の関係で配置される。
That is, as shown in FIG. 5, in one flow path 49a, the silicon resistor (
この４つのシリコン抵抗体（第１〜第４抵抗体５０ａ〜５０ｄ）は、図４に示すブリッジ回路を構成しており、第１フローセンサ基板４１の第３抵抗体５０ｃと同一基板４１の第２抵抗体５０ｂが直列接続され、第２フローセンサ基板４２の第４抵抗体５０ｄと同一基板４２の第１抵抗体５０ａが直接接続され、第３抵抗体５０ｃと第４抵抗体５０ｄ側からブリッジ電圧が印加される。そして第３抵抗体５０ｃと第２抵抗体５０ｂとの接続点、第４抵抗体５０ｄと第１抵抗体５０ａとの接続点からブリッジ出力を得る構成になっている
The four silicon resistors (first to
このような構成のブリッジ回路において、第１抵抗体５０ａと第２抵抗体５０ｂのペア、第３抵抗体５０ｃと第４抵抗体５０ｄのペアはガスの流れに対し、それぞれ下流の抵抗体は冷やされ抵抗値が減少し、上流の抵抗体は加熱され抵抗値が増加する。例えば、図５に示すガス流路４９ａに矢印方向Ｐ１のガスであるときに、第１抵抗体５０ａが冷やされるとその分抵抗値が減少するため、直列接続の第３抵抗体５０ｃに流れる電流が多くなり、第３抵抗体５０ｃは加熱され抵抗値が増加する。
In the bridge circuit having such a configuration, the pair of the
測定対象となるガスに対しては、Ｕ字に流れるため第１抵抗体５０ａと第３抵抗体５０ｃ、第２抵抗体５０ｂと第４抵抗体５０ｄが同様の挙動を示す。
Since the gas to be measured flows in a U shape, the
一方、外部振動によるガス慣性に起因した相対的な流れに対しては、第１抵抗体５０ａと第４抵抗体５０ｄ、第２抵抗体５０ｂと第３抵抗体５０ｃが同様の挙動を示す。
On the other hand, the
図４に示すブリッジ回路の動作は、測定対象となるガスの流れで発生する抵抗変化率をａ、振動によるガス慣性で発生する抵抗変化率をｂ、各々のの抵抗体の抵抗値をＲとすると、第１抵抗体５０ａはＲ（１−ａ−ｂ）、第２抵抗体５０ｂはＲ（１＋ａ＋ｂ）、第３抵抗体５０ｃはＲ（１−ａ−ｂ）、第４抵抗体５０ｄはＲ（１＋ａ−ｂ）で表すことができる。
The operation of the bridge circuit shown in FIG. 4 is as follows: a is the rate of change in resistance generated by the gas flow to be measured, b is the rate of change in resistance generated by gas inertia due to vibration, and R is the resistance value of each resistor. Then, the
ブリッジ出力ＶＳとブリッジ電圧ＶＢの関係は、表１内に示す関係式であり、それは、
振動対策のない従来例においては、
ＶＳ＝（２ａ−２ｂ）／（４−２ａｂ−ａ２−ｂ２）・ＶＢ
であり、
振動対策のある本提案のものにおいては、
ＶＳ＝ａ／（１−ｂ２）・ＶＢ
である。
The relationship between the bridge output V S and the bridge voltage V B is the relational expression shown in Table 1,
In the conventional example without vibration countermeasures,
V S = (2a-2b) / (4-2ab-a 2 -b 2 ) · V B
And
In this proposal with vibration countermeasures,
V S = a / (1-b 2 ) · V B
It is.
この式の意味するところは、図１０に示す従来例のブリッジ回路に対し、本提案では振動によるガス慣性で発生する抵抗変化率ｂの一次項は相殺され影響は低減されることが容易に理解できる。図１１に示す従来例のブリッジ回路に対しても、ブリッジ出力は２倍となることから優位である。 The meaning of this equation is that it is easy to understand that in this proposal, the primary term of the resistance change rate b generated by the gas inertia due to vibration is canceled and the influence is reduced compared to the conventional bridge circuit shown in FIG. it can. The bridge output of the conventional example shown in FIG. 11 is advantageous because the bridge output is doubled.
具体例として、測定対象のガスの流れで発生する抵抗変化ａ＝０．０１と仮定し、振動によるガス慣性で発生する抵抗変化ｂを変えたときの比較結果を上述した表１に示す。 As a specific example, Table 1 described above shows a comparison result when the resistance change a generated by the flow of the gas to be measured is assumed to be 0.01 and the resistance change b generated by the gas inertia due to vibration is changed.
図１１に示す従来例ではａとｂとが信号に与える影響は等しく、ほぼ比例し、ａ＝ｂで検出限界（Ｓ／Ｎ＜１）になるのに対して、本提案の構成では、ガス慣性の影響はガスの流れによる信号に対して０．０１％しか発生せず、十分なＳ／Ｎが得られる。 In the conventional example shown in FIG. 11, the influences of a and b on the signal are equal and almost proportional, and a detection limit (S / N <1) is reached when a = b. The influence of inertia occurs only 0.01% with respect to the signal due to the gas flow, and sufficient S / N can be obtained.
以上説明した、熱線式流量センサは、赤外線ガス分析計におけるガスセル内の微小ガス流量を計測する微小流量計への応用にとどまることなく、例えば、熱磁気式酸素センサの微小ガス移動を計測する微小ガス流量計への応用、その他の微小ガス流量を検出するときに用いる計測器の微小ガス流量計へ応用できる。 The hot-wire flow sensor described above is not limited to application to a micro flow meter that measures a micro gas flow rate in a gas cell in an infrared gas analyzer, but for example, a micro gas meter that measures micro gas movement of a thermomagnetic oxygen sensor. The present invention can be applied to a gas flow meter and a micro gas flow meter of a measuring instrument used when detecting other micro gas flow rates.
マイクロフローセンサの熱線として、金属材料にかわる比抵抗が大きく不純物導入技術により比抵抗制御が容易な単結晶シリコンを用いた４つのシリコン抵抗体をフローセンサとして用い、流路基板とフローセンサ基板を貼り合わせることにより流れがＵ字に拘束し、Ｕ字の各並行部分に等しい性能を持つフローセンサをある距離を保って２つずつ、計４つ配置し、Ｕ字を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成し、外部温度の影響、ガスセルの内圧変動による熱伝導の影響、振動によって発生するガス慣性によるノイズの影響を低減することによって、流量ゼロ付近の微小ガス流量測定のＳ／Ｎを改善した熱線式流量センサ及び赤外線ガス分析計を提供する。 As the heat flow of the micro flow sensor, four silicon resistors using single crystal silicon, which has a large specific resistance instead of metal material and can be controlled easily by impurity introduction technology, are used as flow sensors. The flow is constrained to the U-shape by bonding, and four flow sensors with the same performance in each parallel part of the U-shape are arranged at a certain distance, two in total, emphasizing the flow to be measured flowing through the U-shape. The bridge circuit is configured to cancel the relative flow due to the gas inertia due to external vibration, and the influence of external temperature, the influence of heat conduction due to the internal pressure fluctuation of the gas cell, and the influence of noise due to the gas inertia caused by vibration should be reduced. Provides a hot-wire flow sensor and an infrared gas analyzer with improved S / N for measurement of minute gas flow near zero flow.
１１ 赤外線光源
１２ 分配セル
１３ 基準セル
１４ 試料セル
１５ 干渉補償検出器
１６ 比較室
１７ 測定室
１８ 流通路
１９ フローセンサ
２０ モータ
２１ 回転セクタ
２２ 交流電圧増幅器
３１ フローセンサチップ
３２ シリコン基板
３３ａ 開口部
３３ｂ 開口部
３４ シリコン酸化膜
３５ シリコン活性層
３６ａ シリコン抵抗体
３６ｂ シリコン抵抗体
３７ａ 電極
３７ｂ 電極
３７ｃ 電極
４１ 第１フローセンサ基板
４２ 第２フローセンサ基板
４３ 陥没面
４４ 第１流路基板
４５ａ 貫通孔
４５ｂ 貫通孔
４６ 第２流路基板
４７ 電極支持部
４８ ステム
４９ａ 一方の流路
４９ｂ 他方の流路
５０ａ 第１抵抗体
５０ｂ 第２抵抗体
５０ｃ 第３抵抗体
５０ｄ 第４抵抗体
11 Infrared
Claims (6)
ガスの流路となる２つの開口部を備えた基板に、前記開口部を跨ぐようにシリコン抵抗体を配置したエアブリッジ構造のフローセンサチップであり、
前記フローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を２つ重ね合わせ、流路基板を貼り合わせることによりガスの流れをＵ字に拘束し、Ｕ字の流路の各平行部分に等しい性能を持つ前記シリコン抵抗体を所定距離をもって２つずつ、計４個配置し、Ｕ字の流路を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成することを特徴とする熱線式流量センサ。 In a hot wire flow sensor using a resistance value change caused by cooling or heating a heat generating resistor by a gas flow,
A flow sensor chip having an air bridge structure in which a silicon resistor is disposed so as to straddle the opening on a substrate having two openings serving as a gas flow path,
The silicon having the performance equal to each parallel portion of the U-shaped flow path by constraining the flow of gas to a U-shape by stacking two flow sensor substrates on which the flow sensor chip is mounted and bonding the flow path substrates. Configure the bridge circuit so that four resistors, two at a predetermined distance, are arranged in total, emphasize the flow to be measured flowing through the U-shaped flow path, and cancel the relative flow due to gas inertia due to external vibration. Features a hot-wire flow sensor.
比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する比較室と、
前記測定室及び比較室を連通するガス通路と、
前記ガス通路に設置されたフローセンサと、
前記測定室及び比較室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記測定室及び比較室にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記測定室及び比較室の圧力変動に基づくガスの流れ方向によりガスを検出するガス検出手段と、
からなり、
前記フローセンサは、流路となる２つの開口部を備えた基板に、前記開口部を跨ぐようにシリコン抵抗体を配置したエアブリッジ構造のフローセンサチップで形成され、
前記フローセンサチップを搭載したフローセンサ基板を２つ重ね合わせ、流路基板を貼り合わせることによりガスの流れをＵ字に拘束し、Ｕ字の流路の各平行部分に等しい性能を持つ前記シリコン抵抗体を所定距離をもって２つずつ、計４個配置し、Ｕ字の流路を流れる被測定流れを強調し、外部振動によるガス慣性による相対流れを相殺するようにブリッジ回路を構成することを特徴とする赤外線ガス分析計。 A measurement chamber that is disposed in the measurement optical line and in which the measurement light beam that has passed through the sample gas including the gas to be analyzed that absorbs infrared rays is incident;
A comparison chamber which is arranged in a comparative optical line and receives a comparative light beam which does not substantially receive infrared absorption;
A gas passage communicating with the measurement chamber and the comparison chamber;
A flow sensor installed in the gas passage;
The measurement chamber and the comparison chamber are filled with the same type of gas as the gas to be analyzed, and the measurement beam and the comparison beam are periodically interrupted to enter the measurement chamber and the comparison chamber, respectively. A gas detection means for detecting the gas by the gas flow direction based on the pressure fluctuation in the measurement chamber and the comparison chamber;
Consists of
The flow sensor is formed of a flow sensor chip having an air bridge structure in which a silicon resistor is disposed so as to straddle the opening on a substrate having two openings serving as flow paths.
The silicon having the performance equal to each parallel portion of the U-shaped flow path by constraining the flow of gas to a U-shape by stacking two flow sensor substrates on which the flow sensor chip is mounted and bonding the flow path substrates. Configure the bridge circuit so that four resistors, two at a predetermined distance, are arranged in total, emphasize the flow to be measured flowing through the U-shaped flow path, and cancel the relative flow due to gas inertia due to external vibration. A characteristic infrared gas analyzer.
6. The infrared gas analyzer according to claim 4, wherein the silicon resistor is formed in a meander shape.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005159062A JP4666252B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005159062A JP4666252B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006337061A JP2006337061A (en) | 2006-12-14 |
| JP4666252B2 true JP4666252B2 (en) | 2011-04-06 |
Family
ID=37557754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005159062A Expired - Fee Related JP4666252B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4666252B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5919895B2 (en) * | 2012-03-06 | 2016-05-18 | 富士電機株式会社 | Detector for infrared gas analyzer |
| CN102980870B (en) * | 2012-12-10 | 2014-10-29 | 武汉四方光电科技有限公司 | High-precision micro-flow infrared gas sensor and measurement method thereof |
| JP6475081B2 (en) * | 2015-05-18 | 2019-02-27 | アズビル株式会社 | Thermal flow meter and method for improving tilt error |
| CN109269580B (en) * | 2018-11-27 | 2023-12-12 | 河北大学 | Rectangular detection device and method for two-phase flow detection |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005003468A (en) * | 2003-06-11 | 2005-01-06 | Yokogawa Electric Corp | Flow sensor |
| JP2006184226A (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Yokogawa Electric Corp | Infrared gas analyzer and output compensation method therefor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5290984A (en) * | 1976-01-26 | 1977-07-30 | Fuji Electric Co Ltd | Infrared gas analyzer |
-
2005
- 2005-05-31 JP JP2005159062A patent/JP4666252B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005003468A (en) * | 2003-06-11 | 2005-01-06 | Yokogawa Electric Corp | Flow sensor |
| JP2006184226A (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Yokogawa Electric Corp | Infrared gas analyzer and output compensation method therefor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2006337061A (en) | 2006-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11073415B2 (en) | Thermal fluid flow sensor having a dielectric membrane comprising discontinuities between the heating element and an edge | |
| US6322247B1 (en) | Microsensor housing | |
| US5515714A (en) | Vapor composition and flow sensor | |
| JP4666252B2 (en) | Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer | |
| US5695283A (en) | Compensating infrared thermopile detector | |
| JP2008286604A (en) | Thermal flowmeter | |
| JP5153996B2 (en) | Thermal flow meter | |
| US20110110394A1 (en) | Microstructured sensor for the detection of IR radiation | |
| JP4595745B2 (en) | Infrared gas analyzer | |
| JP2992848B2 (en) | Thermal conductivity detector | |
| JP2018515793A (en) | Flammable gas and vapor planar thermal catalyst sensor | |
| WO2017057176A1 (en) | Flow rate sensor | |
| JP4411599B2 (en) | Infrared gas analyzer and infrared gas analysis method | |
| JP4765458B2 (en) | Flow sensor | |
| JP3951164B2 (en) | Magnetic oxygen meter | |
| US10996201B2 (en) | Photoacoustic measurement systems and methods using the photoacoustic effect to measure emission intensities, gas concentrations, and distances | |
| JP2006329914A (en) | Hot wire flow sensor and infrared gas analyzer | |
| Schröder et al. | A large-area single-filament infrared emitter and its application in a spectroscopic ethanol gas sensing system | |
| JP6807005B2 (en) | Flow sensor | |
| JP5932294B2 (en) | Passive optical gaseous emission sensor | |
| JP4419835B2 (en) | Infrared gas analyzer and its output compensation method | |
| JPH085433A (en) | Mass flow sensor and infrared ray gas analyzer using the sensor | |
| CN108020682A (en) | A kind of optical-wireless acceleration transducer | |
| US20220381659A1 (en) | Sensor and method for performing a reference measurement with guided thermal radiation | |
| JP2010230388A (en) | Flow sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071211 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101208 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20101217 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20101230 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140121 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |