(57)【要約】【課題】  感度特性が向上され、製造が容易なフローセンサとこれを使用した赤外線ガス分析計を実現する。【解決手段】  ２個の発熱抵抗体が一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置されたフローセンサにおいて、  前記流通路のガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、この基板の平面に設けられた孔と、前記流通方向と交わるように前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体とを具備したことを特徴とするフローセンサである。【選択図】                    図１
2006300805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個の発熱抵抗体が一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置されたフローセンサにおいて、
前記流通路のガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、
この基板の平面に設けられた孔と、
前記流通方向と交わるように前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体と
を具備したことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体
を具備したことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２記載のフローセンサ。
【請求項４】
前記基板に設けられ前記発熱抵抗体を接続する配線パターン
を具備したことを特徴とする請求項３記載のフローセンサ。
【請求項５】
前記発熱抵抗体によりブリッジ回路が構成されたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記基板の孔は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のフローセンサ。
【請求項７】
試料セルを通過した赤外光と試料セルを通過しない赤外光との差を検出し２個のヒータ線を一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置するようにされたフローセンサを具備する赤外線ガス分析計において、
前記流通路のガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、
この基板に設けられた孔と、
前記流通方向に直交あるいは斜交して前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体と
を具備するフローセンサ
を具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項８】
前記フローセンサは、前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体
を具備したことを特徴とする請求項７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、非分散赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）などに使われるフローセンサの構造に関するものである。
更に詳述すれば、感度特性が向上され、製造が容易なフローセンサとこれを使用した赤外線ガス分析計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フローセンサとこれを使用した赤外線ガス分析計に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３１２３０号公報
【特許文献２】特開２００２−０８１９８２号公報
【０００４】
図９は従来より一般に使用されている従来例の構成説明図、図１０は図９の概念説明図、図１１は図９のブリッジ回路の説明図、図１２は図９の要部構成説明図である。
【０００５】
図９において、赤外線光源１から発せられた赤外光は、分配セル２により２つに分割され、それぞれ基準セル３および試料セル４に入射する。
基準セル３には不活性ガスなど、測定対象成分を含まないガスが封入されている。また、試料セル４には試料ガスが流通する。
このため、分配セル２で２つに分けられた赤外光は、試料セル４側でのみ測定対象成分による吸収を受け、検出器５に到達する。
【０００６】
検出器５は基準セル３からの光を受ける基準側室５０１と試料セル４からの光を受ける試料側室５０２の２室からなり、その２室を連絡するガス流通路には、ガスの行き来を検出するためのサーマルフローセンサ５１が取り付けられている。また、検出器５内には、測定対象と同じ成分を含むガス（検出ガス）が封入されており、基準セル３および試料セル４からの赤外光が入射すると、検出ガス中の測定対象成分が赤外光を吸収することで、基準側室５０１内および試料側室５０２内で、それぞれ検出ガスが熱膨張する。
【０００７】
基準セル３内の基準ガスは測定対象成分を含まないので、基準セル３を通過する赤外光に対しては測定対象成分による吸収はなく、試料セル４内の試料ガスに測定対象成分が含まれると、赤外光の一部はそこで吸収されるために、検出器５では試料側室５０２に入射する赤外光が減少し、基準側室５０１内の検出ガスの熱膨張が試料側室５０２内の検出ガスの熱膨張より大きくなる。
【０００８】
赤外光は回転セクタ６で断続されて、遮断および照射を繰り返しており、遮断されたときは基準側室５０１および試料側室５０２ともに赤外光が入射しないので、検出ガスは膨張しない。
【０００９】
このため、基準側室５０１および試料側室５０２においては、試料ガス中の測定対象成分濃度に応じて、両室の間に周期的に差圧が生じ、両室間に設けられたガス流通路を検出ガスが行き来することとなる。その検出ガスの挙動はサーマルフローセンサ５１により検出され、信号処理回路７により交流電圧増幅されて、測定対象成分濃度に対応した信号として出力される。８は回転セクタ６を駆動する同期モータ、９は基準セル３および試料セル４に入射する赤外光のバランスを調整するトリマである。
【００１０】
このように、試料ガス中の測定対象成分濃度が変化すると、検出器５（試料側室５０２）に入射する赤外光の光量が変化するので、信号処理回路７を介して測定対象成分濃度に対応した出力信号を得ることができる。
【００１１】
図１０は、図９の概念説明図である。
図において、矢印Ｕｓｉｇを赤外光の吸収によりガス流通路内に発生する検出ガスの移動方向とすると、サーマルフローセンサ５１を構成する第１のヒータ線５１１および第２のヒータ線５１２は、所定の間隔をおいて、この移動（流通）方向Ｕｓｉｇに沿って配列され、検出ガスの移動に応じた温度（抵抗値）変化を発生する。
【００１２】
すなわち、ガス流通路内の検出ガスが移動すると、上流側のヒータ線は検出ガスにより冷却され、下流側のヒータ線は上流側のヒータ線の熱で加熱されるので、２つのヒータ線の間には温度差が生じる。
この２つのヒータ線５１１、５１２における温度変化（抵抗値変化）は、図１０３の如きブリッジ回路を使用して検出される。
【００１３】
図１２は、図９の要部構成説明図で、従来のフローセンサの例を示す構成説明図である。
図に示す例は、半導体技術の同一プロセスにより形成された２つの金属薄膜ヒータ基板２１０、２２０を２段重ねて、フローセンサを構成したもので、それぞれのシリコン基板部２１１、２２１の表面に金属薄膜よりなるヒータ線２１２、２２２を形成するとともに、ヒータ線２１２、２２２の下部に位置するシリコン基板を異方性エッチングにより除去して、ガス流通用の貫通孔２１３、２２３を形成している。
【００１４】
したがって、このような金属薄膜ヒータ基板２１０、２２０を２段重ねることにより、２つのヒータ線２１２、２２２をシリコン基板部２１１の厚みに応じた間隔をもって保持し、ガスの流通路２３０内に配置することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、このような装置においては、以下の間題点がある。
このような装置の問題点としては特性改善の課題と、製造上の課題がある。
1.特性改善の課題
（１）流路抵抗による損失
ガスセル内で発生するガス差圧は極めて小さいため、ガス流通路の流路抵抗が小さいことが必須である。従来装置によるガス流路は、多部品を組み合わせるため、複雑でガス滞留が起きやすく、流体抵抗が大きくなる課題があった。
このためガスセル検出器で生成した差圧が流体抵抗の存在により損失が生じ、フローセンサ部のガス流速が減少する弊害があった。
【００１６】
（２）高感度化が困難
従来装置による図９および図１２のフローセンサ構造を改良して、より高い感度を得る手段として、ガス流検出素子を多段にアレイ化し信号の増幅を図ることが想定されるが、従来装置の方式の延長では、アレイ化を実現するのは極めて困難である。
【００１７】
２．製造上の課題
（３）部品点数が多く、工程が多い
図１２の構成例から判るように、２枚チップの構成では、以下の要素が必要である。
a. ２枚のシリコンチップをそれぞれ気密固定する基板部品。
b. この２枚の基板部品間の距離を調整し、気密を保持するスペーサ。
c. 上記組み合わせ部品を、ガス検出器本体に気密保持して固定する部品。
【００１８】
このようにフローセンサの組み立てにおいて、部品点数が多く、それに伴って各部品の気密シールを確保しなければならないという煩雑さがあった。それに伴い組立て作業工程が増しコストアップとなる課題があった。
【００１９】
（４）熱線間の距離の精度が上がらない、部品コストが高い。
図１２の従来例で判るように、熱線間距離は、関与する部品の各厚さで決まり、フローセンサチップの厚さ、接着層の厚さ、スペーサ層の厚さがすべて熱線間距離に関係した。そのためそれぞれの部品の加工精度で制約され、組み立て精度が上がらない弊害があった。また加工精度を上げようとするとコストアップになる。
【００２０】
（５）基板特性の不均一性。
２枚のシリコン基板はそれぞれ独立に製作され組み合わせられるため、熱式流量計のシリコン熱線の抵抗値のバラツキとしては、
・製作工程ロット間のバラツキ
・ウェハ間のバラツキ
・ウェハ内のバラツキ（分布）
が合成されたバラツキとなり、抵抗値精度が向上し難い。
【００２１】
熱線流量計では、これら抵抗体をブリッジ検出回路に構成するため熱線抵抗値のバラツキは出力オフセットに直結する。検出信号量は通常小さいため、大きなオフセットが重畳していると、出力特性の劣化、後段増幅回路の飽和現象など障害となる。このためオフセット調整回路が必要になる。
【００２２】
（６）素子間結線の課題
シリコン抵抗線によるブリッジ回路を構成するとき、シリコン素子間を電気的に接続する部分が増える。現実的にはチップとチップ、あるいはチップと中継端子などの間のワイヤボンディング作業が増えコストアップの要因となった。またボンディング用のジグ部品を準備する必要がある等の作業が増大する課題がある。
【００２３】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、
（１）感度向上を可能とするセンサ構造を提案する。
（２）使われるフローセンサの部品点数を減らし、組立性を容易にしコスト削減する。
（３）シリコンチップに付随する特性バラツキの影響を最小化する。
（４）シリコン熱線間の接続箇所を最小化する
（５）特性の安定化、組立工数、調整工数の削減を図る。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１のフローセンサにおいては、
２個の発熱抵抗体が一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置されたフローセンサにおいて、
前記流通路のガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、この基板の平面に設けられた孔と、前記流通方向と交わるように前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体とを具備したことを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項２のフローセンサにおいては、請求項１記載のフローセンサにおいて、
前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体を具備したことを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項３のフローセンサにおいては、請求項１又は請求項２記載のフローセンサにおいて、
前記発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項４のフローセンサにおいては、請求項３記載のフローセンサにおいて、
前記基板に設けられ前記発熱抵抗体を接続する配線パターンを具備したことを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項５のフローセンサにおいては、請求項１乃至請求項４の何れかに記載のフローセンサにおいて、
前記発熱抵抗体によりブリッジ回路が構成されたことを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項６のフローセンサにおいては、
請求項１乃至請求項５の何れかに記載のフローセンサにおいて、
前記基板の孔は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されたことを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項７のフローセンサにおいては、
試料セルを通過した赤外光と試料セルを通過しない赤外光との差を検出し２個のヒータ線を一定の間隔を保った状態でガスの流通路内に配置するようにされたフローセンサを具備する赤外線ガス分析計において、
前記流通路のガスの流通方向に平行に平面が配置された基板と、この基板に設けられた孔と、前記流通方向に直交して前記孔を跨いで前記基板に所定の間隔を置いて設けられた２本の発熱抵抗体とを具備するフローセンサを具備したことを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項８のフローセンサにおいては、請求項７記載のフローセンサにおいて、
前記フローセンサは、前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
従来は、２枚の基板のそれぞれに形成された発熱抵抗体を組み立てることで、製作していた。基板同士の組み付け、位置決めなどの調整工数が増え、製作が複雑となり困難だった。
本発明は、一枚の基板に２個の発熱抵抗体が配置されるようにしたので、製作，調整が容易となりコストが低減できるフローセンサが得られる。
【００３３】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
前記２本の発熱抵抗体を１組として複数の発熱抵抗体が設けられたので、信号量が増え、感度が向上されたフローセンサが得られる。
本発明では、製作工程が増大することなく、また複雑になることもなく実現できるフローセンサが得られる。
一方、従来例では、同様の構成を実現しようとすると、多数枚の基板を、気密保持しつつ積層する技術を要し、実現は困難もしくは不可能である。
【００３４】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
発熱抵抗体は、半導体プロセスにより形成されたので、半導体プロセスを適用することで、よりいっそう容易に、かつ精度よく複数の発熱抵抗体の組からなるフローセンサが得られる。
【００３５】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
基板に設けられ発熱抵抗体を接続する配線パターンが半導体プロセスにより形成された。
従来は、手作業によるハンダ付け作業で、各発熱線抵抗体の配線作業を行っていたが、組数が増すごとにその作業は膨大となった。
本発明では半導体プロセスで多用される配線パターン形成技術により、一括に安定して形成できるフローセンサが得られる。
【００３６】
本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
発熱抵抗体によりブリッジ回路が構成されたので、配線パターンにおいて、必要なブリッジ検出回路をこのパターン上に設計して形成しておくことで、工程が少なく、簡便に、ブリッジ検出回路が実現できるフローセンサが得られる。
【００３７】
本発明の請求項６によれば、次のような効果がある。
前記基板の孔は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されたので、半導体プロセスの適用により、多数のフローセンサの孔加工を、一括に形成でき、ローコスト化に寄与できるフローセンサが得られる。
【００３８】
本発明の請求項７によれば、次のような効果がある。
製作工程の容易なフローセンサを用いることで、簡便化、ローコスト化が実現できる赤外線ガス分析計が得られる。
【００３９】
本発明の請求項８によれば、次のような効果がある。
分析計の簡便化、ローコスト化に加えて、高感度化、高精度化が実現できる赤外線ガス分析計が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２は図１の側面図、図３は図１の使用例を示す図、図４から図７は図１の動作説明図である。
図において、図９，図１２と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図９，図１２との相違部分のみ説明する。
【００４１】
基板７１は、図３に示す如く、流通路７２のガスの流通方向に平行に平面が配置されている。この場合は、シリコン基板が使用されている。
孔７３は、この基板７１に設けられている。
２本の発熱抵抗体７４，７５は、ガスの流通方向に直交して、孔７３を跨いで基板７１に所定の間隔を置いて設けられている。
【００４２】
この場合は、２本の発熱抵抗体７４，７５を１組として、複数の発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂが設けられている。
また、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂは、この場合は、半導体プロセスにより形成されている。
【００４３】
また、半導体プロセスにより、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂを電気的に接続する配線パターン（図示せず。）が基板７１に形成されている。
そして、発熱抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂにより、図４に示す如く、ブリッジ回路が構成されている。
【００４４】
また、この場合は、基板７１の孔７３は、シリコン基板に異方性エッチングにより形成されている。
この場合は、シリコン基板７１と発熱抵抗体７４，７５との間には、絶縁層７６が設けられている。
【００４５】
なお、Ａは上流側発熱抵抗体７４と下流側発熱抵抗体７５との距離、Ｂは発熱抵抗体間距離を示す。
図４において、８１，８２は比較抵抗、８３はブリッジ出力端子、８４はブリッジ電圧Ｖｂ，８５はＣＯＭ電位を示す。
【００４６】
要するに、本発明では、フローセンサ全体は一枚のシリコン基板７１上に形成されている。シリコン基板７１の一部には、異方性エッチングなどの手法により加工されたエッチング孔７３が形成されている。
シリコン基板７１の表面は、電気的分離層として絶縁層７１１が形成され、絶縁層７１１の上に抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂがパターニングされている。抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの一部はエッチング孔７３の空間部に橋渡しされ、支持部を持たず浮いている。浮いた部分７７が加熱され流量検出部として機能する。
【００４７】
本発明を特徴付けるものとして、以下の特徴がある。
（１）抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの形成法として、半導体パターニング工程を応用し、従来例では別個に形成して組み合わせた上流６１１および下流６１２の熱線を、同じ基板７１面上に形成する。
【００４８】
（２）ガス上流側に位置する熱線抵抗体７４ａ，７４ｂとそのすぐ下流に配置される熱線抵抗体７５ａ，７５ｂが対をなして、基板７１上に形成される。以下この対の熱線抵抗体を「差動抵抗体」と称す。
上下流の熱線間７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂの距離は流速感度および測定レンジに大きく影響する。ガスセルの特性からこのパラメータが決定される。
【００４９】
（３）「差動抵抗体」が少なくとも２対以上、同一基板７１上に形成され相互に結線される。
複数の「差動抵抗体」配置としては、代表的な一例としては、ガス流方向に列を成して形成する方法がある。
【００５０】
（４）            ガス線速を計測するためのブリッジ検出回路の例を図４に示す。この例では、それぞれ対７４，７５となった作動抵抗体のうちガスの上流側に位置するもの同士７４ａ，７４ｂ、下流側に位置するもの同士７５ａ，７５ｂが結線され、全体がハーフブリッジ回路を形成する。
【００５１】
以上の構成において、図５では、アレイ状に並べた差動抵抗体ＮＯ１，ＮＯ２，ＮＯ３（図では３対）を示すものであり、温度分布を併記して示した。
図６は、ひとつの差動抵抗体ＮＯ１のガス流検出原理を示す。
すなわち、近接して配置された２本の熱線抵抗体７４ａ，７５ａにおいて、ガス流が存在すると上流側の熱線７４ａの発熱が下流側の熱線７５ａにおよび、この２本の熱線７４ａ，７５ａの温度の非平衡な状態が出現する。
【００５２】
従ってこの２本の抵抗値の差分を検出するようなブリッジ回路を用いて、ガス流の検知が可能となる。
本発明では、複数の差動抵抗体をシリーズ状に配置して、各差動抵抗体で検出する流量信号を合成できる構成を提案するものである。
【００５３】
図７に、図９従来例と本発明のフローセンサの特性の比較図を示す。
図において、Ａ曲線は本発明のフローセンサの特性曲線、Ｂ曲線は図９従来例のフローセンサの特性曲線である。
横軸は流速、縦軸は流速信号を示す。
【００５４】
本発明のフローセンサの特性は、流速ゼロ付近の感度がアレイ化することで向上する。一方、大きな流速に対しては、隣接する差動抵抗体の熱的干渉で感度が低下する。
図９従来例の特性は、１対の抵抗体による特性であり、感度の飽和特性が出にくいが、微小流領域で感度が不十分である。
【００５５】
この結果、本発明では、感度特性の向上と製造の容易性などが向上されたフローセンサが得られる。
詳述すると、
【００５６】
差動抵抗体を複数多段に組み合わせることで、特に、微小流領域における感度向上の効果が得られる。
ガス流れ方向に複数の差動抵抗体を形成した場合、隣接する差動抵抗体同士の熱的な干渉効果が、比較的大きな流領域においては発生する。このとき感度の飽和や減少が問題となる。
しかし、ガス分析計のような用途では、微小流量域の感度特性を用いるため、フローセンサのパラメータ設計により回避出来る。
【００５７】
ひとつの対の差動抵抗体間の距離は、半導体パターニング技術により精度よく決定出来、多数の部品の寸法精度や組み合わせ精度に依存することがない。
差動抵抗体間の距離を決める部品が不要となり、部品点数が減少出来る。
【００５８】
抵抗体精度が向上する。ブリッジ検出回路は、上下流の抵抗体の抵抗値差分を捉えるが、本発明では、同じ工程で形成された抵抗層の近接した部分から、上下流の抵抗体を形成するので、従来発生していたロット間バラツキ、ウェハ間バラツキ、ウェハ内バラツキなどのバラツキ要因が消滅出来る。
ブリッジ回路を形成するための結線の一部は、半導体パターニング工程で、同時に作り込まれることが出来るので、安価なフローセンサが得られる。
【００５９】
図８は、本発明の他の実施例の要部構成説明である。
本実施例においては、熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂによりフルブリッジ回路を構成した例である。
なお、図４，図８では熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７４ｂ，７５ｂ間の結線を、説明の都合上、外部から行う図で説明したが、半導体上の配線パターンで結線を行いこれら結線作業を省力化して、簡便化しても良いことは勿論である。
【００６０】
また、本発明の説明のために用いられた、図１乃至図８の熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７６ｃ，７４ｂ，７５ｂ，７６ｃは、説明を分かりやすくするために単純化したものであり、熱線抵抗体７４ａ，７５ａ，７６ｃ，７４ｂ，７５ｂ，７６ｃは多重に折り返した形状（ミアンダ形状）を含むものであることは勿論である。
【００６１】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図１の使用例を示す図である。
【図４】図１の動作説明図である。
【図５】図１の動作説明図である。
【図６】図１の動作説明図である。
【図７】図１の動作説明図である。
【図８】本発明の他の実施例の要部構成説明である。
【図９】従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。
【図１０】図９の概念説明である。
【図１１】図９のブリッジ回路の説明図である。
【図１２】図９の要部構成説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
７１    基板
７２    流通路
７３    孔
７４    発熱抵抗体
７５    発熱抵抗体
７６    絶縁層
７７    浮いた部分
８１    比較抵抗
８２    比較抵抗
８３    ブリッジ出力端子
８４    ブリッジ電圧Ｖｂ
８５    ＣＯＭ電位
【図１】
2006300805.tif 000003
【図２】
2006300805.tif 000004
【図３】
2006300805.tif 000005
【図４】
2006300805.tif 000006
【図５】
2006300805.tif 000007
【図６】
2006300805.tif 000008
【図７】
2006300805.tif 000009
【図８】
2006300805.tif 000010
【図１０】
2006300805.tif 000011
【図１１】
2006300805.tif 000012
【図９】
2006300805.tif 000013
【図１２】
2006300805.tif 000014