(57)【要約】【課題】構造が簡単で容易に製作することができ、ガスの流量変化を高感度に検出することのできるフローセンサ素子およびフローセンサを提供すること。【解決手段】半導体基板１１上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路１４と、このガス流通路１４に沿うようにして感熱素子として形成されるヒータ１２を備えている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、このガス流通路に沿うようにして感熱素子として形成されるヒータを備えてなることを特徴とするフローセンサ素子。
【請求項２】
半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、前記半導体基板上に前記ガス流通路に対して平行となるように互いに独立してパターン形成される２個の感熱素子としてのヒータを備えてなることを特徴とするフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）の検出器などに組み込まれるフローセンサ素子およびフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−８１９８２号公報
従来の赤外線ガス検出器用のフローセンサとして、前記特許文献１に記載されるものがある。このフローセンサは、それぞれシリコン基板上にパターン成形されたヒータと、このヒータが位置する部分のシリコン基板を異方性エッチングによって取り除いて形成した貫通孔とを有する２枚の金属薄膜ヒータ基板を互いの貫通孔が連通するように重ねてなり、各金属薄膜ヒータ基板の貫通孔を通って流れる気体の流量を測定可能としたものである。
【０００３】上記従来のフローセンサにおいては、金属薄膜ヒータ基板を２枚重ねて形成されているので、特性のばらつきが少なくなり、安価であるといった優れた利点を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来のフローセンサは、ヒータが形成されている面に対して直交するようにガス流通路を形成しているので、当該ガス流通路の断面積が大きくなり、その結果、この流通路を通過するサンプルガスの流速としてはそれほど速いものが得られなかった。一般に、フローセンサの出力信号の大きさは、ガスの流速に比例するところから、上記従来のフローセンサは、高感度測定を行うような場合には、好適に用いることはできなかった。また、従来のフローセンサは、シリコン基板を異方性エッチングによって取り除いて形成した貫通孔を有する２枚の金属薄膜ヒータ基板を、互いの貫通孔が連通するように重ねるようにしているため、構造が複雑であり、異方性エッチングなど複雑な工程も必要であった。
【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、構造が簡単で容易に製作することができ、ガスの流量変化を高感度に検出することのできるフローセンサ素子およびフローセンサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明のフローセンサ素子は、半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、このガス流通路に沿うようにして感熱素子として形成されるヒータを備えてなることを特徴としている（請求項１）。
【０００７】そして、この発明のフローセンサは、半導体基板上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路と、前記半導体基板上に前記ガス流通路に対して平行となるように互いに独立してパターン形成される２個の感熱素子としてのヒータを備えてなることを特徴としている（請求項２）。
【０００８】上記フローセンサ素子およびフローセンサにおいては、ガスが流れる方向に沿って感熱素子としてのヒータが形成されており、しかも、ガス流通路は、その断面積を可及的に小さく形成されているので、このガス流通路を通過するサンプルガスの流速を速くすることができる。したがって、フローセンサ素子およびフローセンサにおける出力信号として大きなものが得られ、高感度な測定が可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。まず、図１および図２は、この発明の第１の実施の形態を示すもので、図１（Ａ），（Ｂ）はこの発明のフローセンサ素子１０の構成の一例を示すものである。前記フローセンサ素子１０は、半導体基板１１の表面に感熱素子としてのヒータ１２をパターン形成してヒータ基板１３とし、このヒータ基板１３に前記ヒータ１２の形成面に沿うようにして断面積が可及的に小さいガス流通路１４を形成してなるもので、この実施の形態においては、前記ヒータ基板１３として同じ構成のものを２つ用意し、これらの２つのヒータ基板１３を、ヒータ１２同士が近くなるようにかつヒータ１２がガス流通路１４に臨むように接合したものである。以下、このフローセンサ素子１０の構成の詳細をその製作方法とともに、図２（Ａ），（Ｂ）をも参照しながら説明する。
【００１０】先ず、例えばＭｇＯやＳｉなどからなる適宜の大きさ（例えば０．５ｍｍ厚×３〜４インチ径）の半導体基板１１を用意し、この上面に絶縁膜１５を適宜の厚さ（例えば５０００Å程度）に形成し、例えば２〜３ｍｍ角にカッティングする。前記絶縁膜１５としては、ＳｉＯ２　膜、Ｓｉ３　Ｎ４　膜をこの順で積層してもよく、また、ＳｉＯ２　膜のみであってもよい。
【００１１】次いで、前記絶縁膜１５の上面に、例えばフォトリソグラフィ−技術を用いてＰｔ膜などＴＣＲ（抵抗温度係数）が比較的大きい金属薄膜をパターン成形することによって、図２（Ａ），（Ｂ）に示すような適宜幅ｗ（例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）の蛇行状のヒータ１２と、このヒータ１２の両端に接続された引出し電極１２ａ，１２ｂを形成する。
【００１２】そして、前記ヒータ１２の下方の半導体基板１１を異方性エッチングによって除去して、前記絶縁膜１５のみを残すことによって放熱空間１６を形成する（図１（Ａ）および図２（Ａ）参照）。
【００１３】次いで、ヒータ１２の両側の絶縁膜１５上に、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、数１０００Å程度厚みのＡｕ膜１７を、ヒータ１２の引出し電極１２ａ，１２ｂと電気的に接続された状態で形成する。この場合、それぞれのＡｕ膜１７においては、ヒータ１２の二つの引出し電極１２ａ，１２ｂが直接導通することがないように、絶縁膜１５の一部が絶縁帯となり、２つの部分１７ａ，１７ｂに分割されている。そして、Ａｕ膜１７は、その厚みｔが少なくともパターン形成されているヒータ１２の厚みより大きくなるように、かつその厚みｔを適切な範囲とすることにより最大の流速が得られるように形成される。なお、１８ａ，１８ｂはワイヤーボンディング用孔である。
【００１４】以上のようにして、ヒータ基板１３が形成される。このようなヒータ基板１３を、図２（Ｂ）に示すように、線分１９を中心にして線対称的に２枚配置し、この状態で、同図において線分１９を中心にして、例えば下方のヒータ基板１３を上方のヒータ基板１３側に折り返して重ね、その状態で強く押圧すると、２枚のヒータ基板１３は、前記Ａｕ膜１７同士が互いに接合し、これによって、２枚のヒータ基板１３の間には、図１（Ａ）に示すように、ヒータ１２の形成面に平行な孔、つまり、ガス流通路１４が形成される。このガス流通路１４の断面積は、ヒータ１２のパターンの幅ｗと接合部であるＡｕ膜１７の厚みｔの２倍（２ｔ）との積、つまり、２×ｗ×ｔの大きさであり、きわめて小さい。そして、同図（Ｂ）に示すように、前記ガス流通路１４の一端側からガスＧを流通させることにより、前記ガス流通路１４に沿うように形成されたヒータ１２にガスＧが接触し、ヒータ１２に電流を流してこれを発熱させていると、前記ガスＧの流量に比例してヒータ１２から熱が奪われる。この奪われる熱の大きさを測定することにより、ガスＧの流量を連続的に得ることができる。
【００１５】そして、上述のように、上記構成のフローセンサ素子１０においては、ヒータ１２が臨むガス流通路１４の断面積がきわめて小さいので、フローセンサ素子１０の感度が飛躍的に改善され、ガスＧの流量を高感度に検出することができる。
【００１６】次に、図３および図４は、この発明の第２の実施の形態を示すもので、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はこの発明のフローセンサ２０の構成の一例を示す図であり、図４はこのフローセンサ２０を用いて流量測定を行うときの電気的等価回路を示す図である。前記フローセンサ２０は、半導体基板２１上に断面積が可及的に小さくなるように形成されたガス流通路２２と、前記半導体基板２１上に前記ガス流通路２２に対して平行となるように互いに独立してパターン形成される２個の感熱素子としてのヒータ２３，２４を備えている。以下、このフローセンサ２０の構成の詳細をその製作方法とともに説明する。
【００１７】前記フローセンサ２０の製作方法は、フローセンサ素子１０の製作方法とほぼ同じである。まず、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、２１は適宜大きさ（例えば厚さ０．５ｍｍ×２〜３ｍｍ角）の半導体基板で、この上面に適宜の厚さ（例えば５０００Å程度）の絶縁膜２５が形成されている。この絶縁膜２５は、前記第１の実施の形態における絶縁膜１５と同様に形成される。
【００１８】次いで、前記絶縁膜２５の上面に、例えばフォトリソグラフィ−技術を用いてＰｔ膜などＴＣＲ（抵抗温度係数）が比較的大きい金属薄膜をパターン成形することによって、図３（Ｂ）に示すような適宜幅ｗ（例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）の蛇行状のヒータ２３，２４を適宜の間隔をおいて形成する。２３ａ，２３ｂおよび２４ａ，２４ｂは、各ヒータ２３，２４の引出し電極である。
【００１９】そして、前記ヒータ２３，２４の下方の半導体基板２１を異方性エッチングによって除去して、前記絶縁膜２５のみを残すことによって放熱空間２６を形成する（図３（Ａ），（Ｃ）参照）。
【００２０】次いで、予めコ字上に形成された所定大きさのガラスよりなる流路部材２７を半導体基板２１に対して、ヒータ２３，２４をカバーするように接着して、半導体基板２１上にガス流通路２２を形成する。このガス流通路２２は、その断面積が可及的に小さくなるように形成される。
【００２１】そして、前記フローセンサ２０を用いて、ガス流通路２２内を流れるガスＧの流量を測定する場合には、図４に示すように、ヒータ２３，２４と、固定抵抗２８，２９によってブリッジ回路３０を構成する。そして、このブリッジ回路３０に直流電源３１を接続すると、前記ヒータ２３，２４はともに加熱されて温度が上昇し、その抵抗値も同様に上昇する。この状態では、ヒータ２３，２４の抵抗値に差が生じず、ブリッジ回路３０におけるバランスは保持され、出力端子３２，３３間に電圧が生ずることはない。そして、この状態で、ガス流通路２２の一端側からガス流通路２２内にガスＧが入り、このガス流通路２２内を、ヒータ２３，２４の順に接触するように流れると、このガスＧによって上流側のヒータ２３から熱が奪われてその温度が下がり、下流側のヒータ２４には前記熱が与えられることによってその温度が上昇する。これによって、ヒータ２３，２４の抵抗値に差が生じ、ブリッジ回路３０におけるバランスが崩れ、出力端子３２，３３間に電圧が生ずる。この電圧の大きさは、前記ガス流通路２２を流れるガスＧの流量に比例している。したがって、この信号を処理することにより、前記ガスＧの流量が連続的に得られる。
【００２２】上記構成のフローセンサ２０においては、ヒータ２３，２４が臨むガス流通路２２の断面積がきわめて小さいので、その感度は飛躍的に改善され、ガスＧの流量を高感度に検出することができる。しかも、フローセンサ２０を構成するヒータ２３，２４やガス流通路２２などが小型であり、全体にコンパクトであるといった優れた特長を有する。
【００２３】上記図３の実施の形態においては、ガス流通路２２の下部側（底部側）にヒータ２３，２４を適宜の間隔をおいて上流側、下流側に配置していたが、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガス流通路２２の上部側および底部側に分けて設けてもよい。すなわち、同図（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガスＧの流れる方向の上流側、下流側に位置するヒータ２３，２４を、それぞれ、図３に示したものと同様の手法で、半導体基板２１Ａ，２１Ｂに形成する。この場合、ヒータ２３，２４は、図５（Ｂ）に示すように、ガスＧの流れる方向３４において、ヒータ２３，２４を所定の間隔をおいてずらせて設け、それぞれの半導体基板２１Ａ，２１Ｂのヒータ２３，２４が形成されていない部分に、ガス流のロスを防止するための絶縁体ダミー部２５を形成する。そして、前記半導体基板２１Ａ，２１Ｂを互いに接着し、ヒータ２３，２４に臨むガス流通路２２を形成するのである。
【００２４】ところで、この発明のフローセンサ素子１０およびフローセンサ２０は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。すなわち、フローセンサ素子１０においても、図３に示したようなガラスよりなる流路部材２７を、図２に示したヒータ基板１３の上部に設け、ヒータ１２に臨むガス流通路を形成してもよい。つまり、一つのヒータ基板１３と流路部材２７とによって、フローセンサ素子１０を構成してもよい。
【００２５】また、図３に示したフローセンサ２０において、流路部材２７を設ける代わりに、図１および図２に示したフローセンサ素子１０と同様に、ヒータ２３，２４を形成した２つの半導体基板２１を、それらの間にガス流通路が形成され、かつ２つの半導体基板２１におけるヒータ２３，２４が対向するように接合してもよい。
【００２６】上述したところから明らかなように、この発明のフローセンサ素子１０およびフローセンサ２０は、各種のガスＧの流量を高感度で検出することができるが、特にフローセンサ２０は、その全体構成がきわめて小型でありコンパクトであるので、赤外線ガス分析計の検出器に好適に用いることができる。以下、これについて、図６を参照しながら説明する。
【００２７】図６は、この発明のフローセンサを用いた赤外線ガス分析計４０の構成を概略的に示す図で、この実施の形態における赤外線ガス分析計４０は、所謂シングルビーム（シングルセル）タイプのものである。図６において、４１は筒状の測定セルで、その両端が赤外線透過性材料よりなるセル窓４２，４３で封止されているとともに、サンプルガスＳの導入口部４４、導出口部４５が形成されている。４６は一方のセル窓４２に対向して設けられる赤外光源で、この赤外光源４６を発した赤外線ＩＲは、赤外光源４６とセル窓４２との間に介装され、図示していないモータによって回転駆動される光チョッパ４７によって所定周波数の断続光とされる。
【００２８】４８は他方のセル窓４３に対向して設けられる検出器で、耐腐食性の金属よりなる本体ブロック４９の両端部が赤外線透過性材料よりなる窓５０，５１によって封止されるとともに、その内部が赤外線透過性材料よりなる窓５２によって二つのガス室５３，５４に区画され、これらのガス室５３，５４が赤外線光路（矢印ＩＲで示す）に順次直列となるように測定セル４１に対して配置されている。そして、ガス室５３，５４には、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガス（または測定対象ガスそのもの）ｇが封入されている。
【００２９】５５はガス室５３，５４を連通させるガス通路で、この実施の形態においては、本体ブロック４９内の赤外線光路から外れた部位に形成されている。５５ａ，５５ｂはガス通路５５のガス室５３，５４に臨む開口である。そして、このガス通路５５には、これを流れるガスｇの流量を検出するフローセンサ５６が設けられている。このフローセンサ５６は、例えば図３に示したフローセンサ２０と同様の構成で、フローセンサ２０のガス流通路２２の一端側（ヒータ２３側）が前記開口５５ａに接続され、前記ガス流通路２２の他端側（ヒータ２４側）が前記開口５５ｂに接続されている。そして、５７，５８は前記フローセンサ５６のヒータ２３，２４とブリッジ回路５９を構成する外部抵抗で、６０は直流電源、６１は演算制御回路である。
【００３０】上記構成の検出器４８の基本的な動作について説明すると、今、ブリッジ回路５９に所定のブリッジ電圧が印加されるとともに、ガス室５３，５４に測定対象と同じガスｇ（例えばＣＯ２　）が封入されているものとする。この状態において、測定セル４１にＣＯ２　を含んだサンプルガスＳを供給しながら、赤外光源４６から赤外線ＩＲを測定セル４１に照射すると、前記赤外線ＩＲは、サンプルガスＳ中のＣＯ２　によって吸収を受けた後、検出器４８の測定セル４１側のガス室５３に入射する。このガス室５３に封入されているガスｇが赤外線ＩＲの一部を吸収して温度上昇し、膨張する。この膨張したガスｇは、開口５５ａを経てフローセンサ２０のガス流通路２２に入り、開口５５ｂを経てガス室５４に流入する。
【００３１】このとき、前記ガス流通路２２内を流れるガスｇの流速（流量）に応じて、ヒータ２３から熱を奪う。このため、ヒータ２３はガスｇの流速に応じて冷却され、その温度は無風状態のときに比べて低下する。そして、前記ガスｇは奪った熱により加温され、この加温されたガスｇは、流れの下流側のヒータ２４を温める。そして、ヒータ２３，２４は、温度変化によってその電気的抵抗値が一定の割合で変化するため、この抵抗変化を利用して温度変化をブリッジ回路５９の出力として得ることができる。
【００３２】上述のように、検出器４８のガス室５３，５４内に封入されたガスｇの膨張の度合いが異なり、ガス通路５５内でガスｇの流れが生じたときのガス流量が測定される。この測定値は、赤外線ガス分析計４０の測定セル４１に供給されたサンプルガスＳ中に含まれる測定対象成分（この場合、ＣＯ２　）の濃度に対して一定の関係を有するから、前記測定対象成分の濃度が測定されることとなる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のフローセンサ素子およびフローセンサは、構造が簡単で容易に製作することができ、ガスの流量変化を高感度に検出することができる。特に、小型コンパクトであるので、赤外線ガス分析計の検出器に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフローセンサ素子の一例を示すもので、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図２】
前記フローセンサ素子の製作方法を説明するための図である。
【図３】この発明のフローセンサの一例を示すもので、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面断面図である。
【図４】前記フローセンサを用いて流量測定を行うときの電気的等価回路を示す図である。
【図５】この発明のフローセンサの他の例を説明するための図である。
【図６】この発明のフローセンサの適用例を示す図である。
【符号の説明】１０…フローセンサ素子、１１…半導体基板、１２…ヒータ、１３…ヒータ基板、１４…ガス流通路、２０…フローセンサ、２１…半導体基板、２２…ガス流通路、２３，２４…ヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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