(57)【要約】  流体（７）、すなわち分析対象の気体や液体の一定量を封入するための流体セル（１）が含まれている流体センサー、およびこのようなセンサーの製造方法である。流体センサーは、電磁波（４）が流体セル（１）中を通過するように配設された電磁エネルギー源（３）と、流体セル（１）を通過する電磁波を検知するための少なくとも一つの検知器（５）と、分析する流体が出入りするための少なくとも一つの開口部（２）とから構成される。流体センサーは、前記の少なくとも一つの検知器（５）に到達する電磁波の強度を評価し、および／または電磁エネルギー源（３）用の回路構成部材となる回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）とからも構成される。流体セル（１）の少なくとも一部は、回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の基材に組み入れられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定量の流体（７）、すなわち分析対象である気体または液体を封入するための流体セル（１）を含む流体センサーであって、前記流体センサーは電磁波（４）が流体セル（１）中を伝播するように配設された電磁エネルギー源（３）と、流体セル（１）を通過する電磁波を検出するための少なくとも一つの検知器（５）と、分析対象の流体が出入りするためのすくなくとも一つの開口部（２）と、前記の少なくとも一つの検知器（５）に到達する電磁波の強度を評価し、および／または電磁波エネルギー源（３）の回路構成部材となる回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）とから構成され、流体セル（１）の少なくとも一部が回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の基材に組み入れられていることを特徴とする流体センサー。
【請求項２】
気体センサーであることを特徴とする、請求項１記載の流体センサー。
【請求項３】
液体センサーであることを特徴とする、請求項１記載の流体センサー。
【請求項４】
流体セル（１）の内壁の少なくとも一部が流体セル（１）を通過する電磁波（４）を反射する物質で被覆されていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項５】
流体セル（１）の内壁の少なくとも一部が金または銀のような金属で被覆されていることを特徴とする、請求項４記載の流体センサー。
【請求項６】
電磁エネルギー源（３）および／または少なくとも一つの検知器（５）が回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）上に装着されていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項７】
電磁エネルギー源（３）が赤外線源のような光源であり、前記すくなくとも一つの検知器（５）が光学検知器であることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項８】
流体センサーの回路基板が流体セル付近の発熱性の構成部材で構成されていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項９】
流体セルが回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）を抜けているか、および／または回路基板を横断していることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項１０】
流体セル（１）が回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の基材中に完全に埋め込まれていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項１１】
流体セル（１）が回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の表面に沿って延びていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流体センサー。
【請求項１２】
流体セル（１）が複数の回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）を積層して作成したものであることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項１３】
回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の基材に組み入れられている複数の流体セル（１）から構成されていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項１４】
複数の流体セル（１）が、分析対象の流体（７）による影響を受けない波長における減衰を測定するための、その波長近くの分析する流体ではなく環境因子によって影響を受ける電磁信号の変位を測定するための少なくとも一つの試験経路を構成することを特徴とする、請求項１３に記載の流体センサー。
【請求項１５】
可撓性を有する回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）で構成されていることを特徴とする、前掲の請求項いずれかに記載の流体センサー。
【請求項１６】
流体セル（１）の少なくとも一部を担うことになる回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）の基材中に、少なくとも一つの実質的に滑らかな表面を有する溝を形成する工程から構成されることを特徴とする流体セル（１）を有する流体センサーの製造方法。
【請求項１７】
溝壁の少なくとも一部またはそれぞれの溝壁を、流体セル（１）を通過する電磁波（４）を反射する金属のような物質（９）で被覆するさらなる工程からも構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の流体セル（１）を有する流体センサーの製造方法。
【請求項１８】
複数の回路基板（８、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６）を積層して一つの流体セル（１）とするさらなる工程から構成されることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の流体セル（１）を有する流体センサーの製造方法。
【請求項１９】
二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、亜酸化窒素のような気体（７）、または液化炭化水素のような液体、または赤外領域で減衰域を有する如何なる気体または液体の濃度測定への請求項１〜１５のいずれかに記載の流体センサーの使用。
【請求項２０】
人の吐息中の二酸化炭素濃度および人の呼吸頻度の測定への請求項１〜１５のいずれかに記載の流体センサーの使用。
【請求項２１】
微少の気体または液体メータとしての請求項１〜１５のいずれかに記載の流体センサーの使用。
【請求項２２】
気体または液体の圧力、構造、または組成の測定への請求項１〜１５のいずれかに記載の流体センサーの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体センサー、すなわち、非分散赤外線（ＮＤＩＲ）型センサーのような気体または液体用のセンサーであり、分析対象の気体または液体を封入する流体セルが含まれている。流体センサーは、電磁波が流体セル中を通過するように配設された電磁エネルギー源と、流体セルを通過する電磁波を検知するための少なくとも一つの検知器と、分析対象の流体が出入りするための少なくとも一つの開口部とから構成される。気体センサーは、前記の少なくとも一つの検知器に到達する電磁波の強度を評価し、および／または電磁エネルギー源用の回路構成部材となる回路基板とからも構成される。本発明はこのような流体センサーの製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＤＩＲ型の気体センサーは公知技術である。このようなセンサーは一端に赤外線源と他端に赤外線検知器が設けられた気体セルから構成される。分析対象の気体分子を含む気体は気体セル中に分散し、赤外線が気体セルを通して検知器に指向される。検知器にはその前部に、分析対象の気体が吸収する特定の波長以外の全ての光線を排除するフィルターが設けられている。気体セル中の他の気体分子はその特定波長の光線を吸収しないので、分析対象の気体分子のみが検知器に到達する光線量に影響する。そのため、検知器に到達する特定波長の光線の強度は、気体セル中の検知対象の気体の濃度に反比例する。この気体の濃度が高いほどこの波長の光線が減衰することになる。
【０００３】
気体センサーの気体セルは、通常は気体セルを通過する光線を反射するように、研磨された金属体で構成される。あるいは気体セルは、鋳込成形もしくは押出成形したプラスチック部材をくっつけ合わせ、気体セルを通過する電磁波を反射する物質をスパッタしたもので構成したものでもよい。そのため、気体セルの製造工程は比較的複雑で費用がかさむ作業になり、また気体セルを製造するための特殊な工具も必要となる。
【０００４】
さらに、このような気体センサーを用いた場合、気体セルの内壁で凝結が堆積し、気体セルを通過する信号特性を劣化させ、このことが分析結果に悪影響する可能性がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、作成が容易でかつ安価であり、正確でかつ小型の流体センサーを提供することである。
【０００６】
この目的は、電磁波が流体セル中を通過するように配設された電磁エネルギー源と、流体セルを通過する電磁波を検知するための少なくとも一つの検知器と、流体、すなわち分析対象の液体または気体が出入りするための少なくとも一つの開口部が設けられた、分析対象の気体や液体の一定量を封入するための流体セルを含む流体センサー、すなわち気体センサーまたは液体センサーを用いることにより、達成される。流体センサーは、前記の少なくとも一つの検知器に到達する電磁波の強度を評価し、および／または電磁波エネルギー源用の回路構成部材となる回路基板から構成される。同時に数種類の気体を分析対象とする場合は、検知器を並設して用いる。
【０００７】
流体セルの少なくとも一部は回路基板、すなわち回路が印刷、エッチング、または形成された誘電性材料に組み入れられる。「流体セルの少なくとも一部」とは、電磁波がそれに沿って伝播する内壁の少なくとも一部を意味する。
【０００８】
本発明の好ましい一実施形態によれば、流体セルの内壁の少なくとも一部は、流体セルを通過する電磁波信号のセル壁における減衰が減少するように、液体セルを通過する電磁波を反射する物質で被覆される。このことは、信号の減衰が可能な限り分析対象の流体の分子による吸収にのみに因るようになることを意味する。本発明の好ましい一実施形態によれば、反射物質は金または銀のような金属である。
【０００９】
流体センサーには、前記の少なくとも一つの検知器に到達する電磁波の強度を評価し、および／または電磁波エネルギー源用の回路構成部材となる回路基板が常に必要であり、そのため回路基板は常に流体センサー用に製造しなくてはならない構成部材の一つである。金は良好な導電体でありかつ腐食しないので、回路基板も通常金めっきが施される。
【００１０】
回路基板には、回路基板の一部または片側から他の部分または側へ電流を導くために、回路基板の全体または一部を抜けるビアホールが設けられていてもよい。これらのビアホールは回路基板の基材の全体または一部を貫通する孔であり、これにも通常は金めっきが施され、そのため流体セルとして適用するのに理想的である。このことは、回路基板の基材で流体セルを作成することが比較的容易で、そのために流体セルを製造するための特殊な工具が不要なので流体センサーの製造に要する時間を著しく減少させ、その結果、流体センサーの製造コストを著しく減少させることができる。本発明の流体センサーは、分離された流体セルを有した通常は金属製である従来の流体セルよりも計量で小型であるので、従来の流体センサーよりも携帯性に富んでいる。そのため本発明の流体センサーはより容易に持ち運ぶことができる。
【００１１】
さらに、回路基板に装着された電気的／電子的構成部材は回路基板の基材中を伝導する熱を発生させるので、凝縮の問題は減少するかもしくは排除される。その結果流体セルの壁が加熱されるので、これによって流体セルの内壁における堆積による凝縮が防止される。本発明の好ましい一実施形態によれば、流体センサーの回路基板は発熱部材で構成され、流体セルの近辺に配設される。
【００１２】
本発明の他の好ましい実施形態によれば、流体セルは回路基板中を抜けるように設けられるか、および／または回路基板を横断するように設けられる。流体セルは、流体セルの大きさおよび回路基板の基材の厚さに応じて、その全部もしくは一部が回路基板の基材中に埋設される。たとえば、流体セルの一部は回路基板の表面に沿って設けられてもよい。回路基板の表面に装着された金属の被覆部材を用いて流体セルを完成してもよい。
本発明のもう一つの他の好ましい実施形態によれば、電磁エネルギー源および／または前記の少なくとも一つの検知器は回路基板に組み入れられた流体セルと連絡している別々の構成部材になるかもしれないが、回路基板は流体センサー全体の基盤となるように、電磁エネルギー源および／または前記の少なくとも一つの検知器は回路基板に装着される。これらの構成部材の両方を回路基板に装着することはワイヤーやケーブルが相互連絡する点で有利であるが、構成部材を回路基板に結合する必要はなく、このことによってこのような相互連絡によって生じるノイズが排除され、製造時間が短縮され、流体センサーはより小型化されたものになる。
本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、電磁エネルギー源は赤外線源のような光源であり、前記の少なくとも一つの検知器は光学検知器である。
【００１３】
本発明の好ましい一実施形態によれば、流体セルは複数の回路基板を積層して構成される。たとえば、一つの回路基板が流体セルの一部を含み、一つ以上の回路基板を最初の回路基板の下または横に流体セルの補助部分または一部となるように置いてもよい。
【００１４】
本発明のもう一つの他の好ましい実施形態によれば、流体センサーは回路基板の基材に組み入れられた複数の流体セルで構成される。複数の気体セルを有していることは、流体センサーによって同時に異なる試料気体を分析する場合に有利である。一つの流体が流体セル同士の間を、または一つのセルから隣のセルに特定の順序で自由に移動できるように、流体セルを配設してもよい。本発明のもう一つの他の好ましい実施形態によれば、複数の流体セルが、分析対象の流体による影響を受けない波長における減衰を測定するための、その波長近くの分析する流体ではなく環境因子によって影響を受ける電磁信号の変位を測定するための少なくとも一つの試験経路を構成する。
【００１５】
本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、流体センサーは如何なる所望の形状にも曲げることのできる可撓性の回路基板で構成される。
【００１６】
本発明は流体セルを有する流体センサーの製造方法にも関わる。製造方法は、予定された流体セルの経路に沿った回路基板の基材に、少なくとも流体セルの一部を担うことになる、少なくとも一つの実質的に滑らかな表面を有する溝を形成する工程から構成される。「実質的に滑らかな表面」という表現は、実質的に歪んだり疑わしい信号をもたらすことのない程度に滑らかな表面を意味することを意図している。このような溝はレーザー照射、エッチング、またはドリリングのような技術の熟練者に公知の如何なる技術を用いて、基材材料を選択的に除去または置換することにより、形成させることができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、製造方法は、溝壁の少なくとも一部またはそれぞれの溝壁を、流体セルを通過する電磁波を反射する金属のような物質で被覆する工程からも構成される。この物質は電解、スパッタリング、または他の如何なる好適技術によって施すことができる。
本発明のもう一つの他の好ましい実施形態によれば、製造方法は、複数の回路基板を積層して一つの流体セルとするさらなる工程から構成される。
本発明の流体センサーは、二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、亜酸化窒素のような気体、または液化炭化水素のような液体、または赤外領域で減衰域を有する如何なる気体または液体の濃度測定を含む多くの使用に好適に用いられる。流体センサーは、たとえば人が吐く息の二酸化炭素濃度の測定や人の呼吸頻度の呼吸モニター、換気装置や警報装置の微少な液体や気体のメータのような医療機器に好適に用いられる。本発明の流体センサーは、圧力、構造、または組成のような流体セル中の、一つ以上の流体の他の特性の測定にも好適に用いられる。
以下の記述および他の従属請求項から、本発明の有利な特徴のみならずさらなる利点が明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の記述および図面は、本発明を開示された実施形態に限定することを意図したものではない。開示された実施形態は、本発明の原理を例示するに過ぎない。図面に示した構成部材は、実寸を縮尺して描いたものではない。
図１は、人の吐息のような一定量の気体を封入する気体セル１を含む二酸化炭素センサーを示したものである。気体セルは、分析対象の気体が出入りするための少なくとも一つの開口部２から構成される。気体センサーは、放射赤外線４が気体セル中に伝播するように配設された加熱された元素のような一つの赤外線源３と、気体セルを通過する放射赤外線を検知する一つの赤外線検知器５とからから構成される。そのため、気体セルは放射赤外線の導波路として機能する。
二酸化炭素分子７が吸収する特定波長、すなわち赤外領域である４．２６μｍ以外の全ての光線を排除するために、検知器の前部にフィルター６が配置される。検知器５に到達する４．２６μｍの光線の強度は、気体セル中の気体試料の二酸化炭素の濃度に反比例する。チャンバー内の二酸化炭素の濃度がゼロであると、検知器は赤外線源からの全光線強度を検知することになる。赤外線強度と二酸化炭素濃度の正確な関係は、純粋窒素とたとえば５体積％のような既知の二酸化炭素濃度を用いて気体センサーをキャリブレーションして求める。
【００１８】
気体セル１は、回路基板８の基材に組み入れられる。基材はセラミック材料、高分子材料、複合材料、または他の如何なる好適な誘電性物質から構成され、電気的／電子的構成部材は回路基板上に機械的に支持され、電気的に結合される。一つの回路基板は電子的構成部材の間に信号を伝達するようにパターン化された金属層の間にサンドイッチされた複数の誘電体層で構成されてもよい。
【００１９】
気体セル１は、たとえば回路基板のビアホールの中に形成される。回路基板は検知器５に到達する放射赤外線の強度を評価し、赤外線源３の回路構成部材となるように用いられる。気体セルの内壁は気体セル１を通過する放射赤外線を反射する物質９で被覆され、検知器に向かって赤外線信号が気体セルの片側から他側へ全て反射し、その結果、電波損失が小さくなるようにしている。
【００２０】
このような気体センサーは気体セル中の気体試料の構造や組成の測定に用いてもよい。
【００２１】
図2は、三つの回路基板１０、１１、１２が上から順に積層されてなる流体セル１を示したものである。電気的／電子的構成部材を構成する回路基板１１は回路基板の長さ方向に沿って延びる金めっきが施された溝を有しており、流体セル１の側壁となる。回路基板１０および１２は流体セル１の上壁および下壁となる。しかし、回路基板１０および１２は、流体セル１の上壁および下壁となるように回路基板１１の溝の上下に置かれた金めっきまたは銀めっきが施された構成部材で置き換えることもできる。
【００２２】
流体セルの断面は矩形を例示しているが、製造工程に応じて円、楕円、正方形のような如何なる幾何学形状をとることができる。流体セルの幅は使用者が溝の深さを変えることにより選択してもよい。流体セルの最適断面寸法は、流体セル中を伝播する電磁波の周波数と所望の伝播方式に依存する。流体セルの寸法が不適切であると、伝播する信号が歪むおそれがある。
【００２３】
流体セル１は一直線で回路基板１１を抜けているが、本発明はこのような流体セルに限定されるものではない。流体セル１は如何なる形状もとることが可能で、たとえばＵ字状であってもよい。流体セルが非直線の形状をしていると、より長い光線吸収経路を作り出すことができる。
【００２４】
図3は、四つの回路基板１３、１４、１５、１６を上から順に重ね合わせ、たとえばそれらのビアホールを重ねて形成した楕円断面の流体セル１を示したものである。そのため、流体セルの長さは使用者がこのように重ねる回路基板の量を選択することにより、変えることができる。流体セルを分解しやすいことは、洗浄しやすいことでもある。もう一つの利点は、このように積層できることによって、複数の気体の分析用の、または複数のセンサーを組み込んだ、複数のパラメータの流体センサーが作成しやすくなることである。使用者は、流体セルの長さを選択するか変えることにより、自分独自の必要に合わせて気体センサーを容易に採用することができる。
【００２５】
当然のことながら、本発明は如何なる点においても上記の好適な実施形態のみに限定されるものではないが、その修正に多くの可能性があることは、付随の請求項に定義された本発明の基本的な創意を変更することがない場合は、その技術の通常の技術を有する者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の好ましい一実施形態による気体センサーの概略図
【図２】本発明のもう一つの他の好ましい実施形態による流体センサーの一部
【図３】本発明のさらなる好ましい一実施形態による流体センサーの一部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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