(57)【要約】      （修正有）【課題】熱線として、単結晶シリコンを用いた４つのシリコン抵抗体を、流れを検出する２つのシリコン抵抗体はガスの流れがある場所に、他の２つのシリコン抵抗体は流れのない場所に配置したフローセンサの、流量ゼロ付近の流量測定のS/N改善。【解決手段】  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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして前記開口部同士を対向させて流路を形成し、２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されたことである。【選択図】  図１
2006329914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱する抵抗体がガスの流れによって冷却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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして前記開口部同士を対向させて流路を形成し、
２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されたことを特徴とする熱線式流量センサ。
【請求項２】
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請求項１に記載の熱線式流量センサ。
【請求項３】
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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして前記開口部同士を対向させて流路を形成し、
２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項４】
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請求項３に記載の赤外線ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
その構成は、図６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。
【０００４】
サーマルフローセンサ１１９は、図７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。
【０００５】
他の例としてのフローセンサは、図８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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１７７２０１号公報（第４頁〜第５頁  第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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７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。
【００１３】
図８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。
【００１４】
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、流れを検出する２つのシリコン抵抗体はガスの流れがある場所に、他の２つのシリコン抵抗体は流れのない場所に配置し、尚且つ振動によって発生するガス慣性が４つのシリコン抵抗体で均等となる流路を構成することによって、外付け抵抗器を用いないことでブリッジ対辺の抵抗値マッチングを図り、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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
（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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして前記開口部同士を対向させて流路を形成し、２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されたことである。
【００１７】
（２）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）に記載の熱線式流量センサ。
【００１８】
（３）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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして前記開口部同士を対向させて流路を形成し、２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されたことである。
【００１９】
（４）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（３）に記載の赤外線ガス分析計。
【発明の効果】
【００２０】
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、流れを検出する２つのシリコン抵抗体はガスの流れがある場所に、他の２つのシリコン抵抗体は流れのない場所に配置し、尚且つ振動によって発生するガス慣性が４つのシリコン抵抗体で均等となる流路を構成することによって、外付け抵抗器を用いないことでブリッジ対辺の抵抗値マッチングを図り、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【実施例１】
【００２２】
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。
【００２３】
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２つのフローセンサチップを対峙した状態にして開口部同士を対向させて流路を形成し、２つのシリコン抵抗体がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れが４つのシリコン抵抗体に均等になる流路で構成されている。
【００２４】
その構成は、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。
【００２５】
フローセンサ１９は、後述するフローセンサチップで形成されており、流路となる２つの開口部を備えた基板に、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されている。
【００２６】
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で形成されたミアンダ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。
【００２７】
このようなフローセンサチップ３１で形成されたフローセンサ１９は、図４に示すように、フローセンサチップ３１を２つ対峙した状態にして開口部３３ａ、３３ｂ同士を対向させるようにして流路３８を形成し、２つのシリコン抵抗体（第３抵抗体及び第４抵抗体（３６ａが相当する））がガスの流れの中にあり、他の２つのシリコン抵抗体（第１抵抗体及び第２抵抗体（３６ｂが相当する））がガスの流れが発生しない位置におかれ、振動によるガス慣性で発生する流れ３９ａ、３９ｂが４つのシリコン抵抗体３３ａ、３３ａ（第３抵抗体及び第４抵抗体）及び３３ｂ、３３ｂ（第１抵抗体及び第２抵抗体）に均等になる流路で構成されている。
【００２８】
即ち、第１抵抗体と第２抵抗体３３ｂは参照抵抗、第３抵抗体と第４抵抗体３３ａは測定対象となるガスの流れを検出する測定抵抗として機能する。４つのシリコン抵抗体３３ａ、３３ａ、３３ｂ、３３ｂ（第１〜第４抵抗体）は各々が対辺に配置されたブリッジ回路を構成する。ガス流路は４つのシリコン抵抗体（第１〜第４抵抗体）３３ａ、３３ａ、３３ｂ、３３ｂに対しガス慣性が発生する長さが等しくなるような構造となっている。
【００２９】
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、各々のシリコン抵抗体の抵抗値をＲとすると、図５に示すブリッジ回路のように、第１抵抗体３６ｂはＲ（１−ｂ）、第２抵抗体３６ｂはＲ（１＋ｂ）、第３抵抗体３６ａはＲ（１−ａ−ｂ）、第４抵抗体３６ａはＲ（１＋ａ＋ｂ）で表すことができる。振動によるガス慣性がない理想状態、従来例のように振動によるガス慣性が測定対象となるガスの流れを検出する第３抵抗体３６ａと第４抵抗体３６ａのみに発生する状態、本提案のガス慣性が発生するガス流路の長さが等しくなる構造で４つの抵抗体（第１〜第４抵抗体３６ａ、３６ａ、３６ｂ、３６ｂ）への影響が均一な状態において、それぞれのブリッジ出力ＶＳとブリッジ電圧ＶＢの関係は、表１内に示される関係式となる。
【００３０】
その関係式は、振動によるガス慣性がない理想状態のときは、
ＶＳ＝２ａ／（４−ａ２）・ＶＢ
で表すことができる。
振動対策のない従来のものは、
ＶＳ＝（２ａ＋２ｂ）／（４−２ａｂ−ａ２−ｂ２）・ＶＢ
で表すことができる。
振動対策をした本提案のものは、
ＶＳ＝２ａ／（４−２ａｂ−ａ２−ｂ２）・ＶＢ
で表すことができる。
【００３１】
この式からわかるように、本提案は、振動によるガス慣性で発生する抵抗変化係数をｂが従来例より低減されることが解かる。
【００３２】
【表１】
2006329914.tif 000003
【００３３】
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、振動によるガス慣性で発生する抵抗変化ｂ＝０．０００１（＝ａ／１００）、ｂ＝０．００１（＝ａ／１０）、ｂ＝０．０１（＝ａ）の３条件の比較結果を上記の表１に示す。
【００３４】
ガス慣性で発生する抵抗変化が測定対象ガスの流れで発生する抵抗変化と等しい、即ち、ａ＝ｂで、従来の方法ではガスの流れによる信号と振動による信号が等しくなって検出限界（Ｓ／Ｎ＜１）になってしまうのに対して、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。これにより、流量ゼロ付近の微小ガス流量測定のＳ／Ｎが改善され、ゼロ付近の微小流量の測定が可能になる。同様の効果として、流路内の圧力が変動して熱伝導が変化した場合も、４つの抵抗体への影響が均一となり、圧力変動の影響が低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
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、流れを検出する２つのシリコン抵抗体はガスの流れがある場所に、他の２つのシリコン抵抗体は流れのない場所に配置し、尚且つ振動によって発生するガス慣性が４つのシリコン抵抗体で均等となる流路を構成することによって、外付け抵抗器を用いないことでブリッジ対辺の抵抗値マッチングを図り、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を改善した熱線流量センサ及び赤外線ガス分析計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願発明の赤外線ガス分析計を略示的に示したブロック図である。
【図２】同、フローセンサを形成するフローセンサチップの上面図である。
【図３】同、フローセンサを形成するフローセンサチップの断面図である。
【図４】同、２つのフローセンサチップを対向して形成したフローセンサを略示的に示した説明図である。
【図５】同、フローセンサのブリッジ回路を示した回路図である。
【図６】従来技術における赤外線ガス分析計を略示的に示したブロック図である。
【図７】同、フローセンサのブリッジ回路を示した回路図である。
【図８】同、他のフローセンサのブリッジ回路を示した回路図である。
【符号の説明】
【００３７】
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      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（第３及び第４抵抗体）
３６ｂ    シリコン抵抗体（第１及び第２抵抗体）
３７ａ    電極
３７ｂ    電極
３７ｃ    電極
３８      流路
３９ａ    振動によるガスの流れ方向（ガス慣性）
３９ｂ    振動によるガスの流れ方向（ガス慣性）。
【図１】
2006329914.tif 000004
【図２】
2006329914.tif 000005
【図３】
2006329914.tif 000006
【図４】
2006329914.tif 000007
【図５】
2006329914.tif 000008
【図６】
2006329914.tif 000009
【図７】
2006329914.tif 000010
【図８】
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