(57)【要約】【課題】製作しやすく低コストの検出器および赤外線ガス分析計を実現する。【解決手段】試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出する検出器において、エッチングおよびパターン成形により、前記比較室と前記基準室と前記フローセンサが基板中に立体形成されたことを特徴とする検出器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出する検出器において、
エッチングおよびパターン成形により、前記比較室と前記基準室と前記フローセンサが基板中に立体形成されたことを特徴とする検出器。
【請求項２】
試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
エッチングおよびパターン成形により、前記比較室と前記基準室と前記フローセンサが基板中に立体形成されたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項３】
試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
前記比較室および前記基準室となる２つの開口部と、これらの開口部を接続する流通路と、この流通路を跨ぐようにパターン成形された抵抗体からなるフローセンサが形成された第１の板状部材と、
この第１の部材を挟むように取り付けられる２枚の板状部材であって、少なくとも一方は赤外透過部材で形成された第２の板状部材と、
を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項４】
試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
前記比較室となる開口部が形成された第１の板状部材と、
前記基準室となる開口部が形成された第２の板状部材と、
赤外透過部材で形成され、前記第１および第２の板状部材の間に取り付けられるとともに、取り付けられた状態において前記第１および第２の板状部材を貫通する貫通路が形成された第３の板状部材と、
前記第１乃至第３の部材を挟むように取り付けられる２枚の板状部材であって、少なくとも一方は赤外透過部材で形成された第４の板状部材と、を備え、
前記第１および第２の板状部材のいずれか一方には、前記開口部と前記貫通路を接続する流通路と、この流通路を跨ぐようにパターン成形された抵抗体からなるフローセンサが形成されたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項５】
前記板状部材としてシリコン基板材料が用いられたことを特徴とする請求項３または４に記載の赤外ガス分析計。
【請求項６】
前記基準室となる開口部と前記比較室となる開口部と前記流通路の少なくとも一つは、異方性エッチングで形成されたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか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、試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出する検出器およびこのような検出器を用いた赤外線ガス分析計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の赤外線ガス分析計の一例を示す構成図である。本図はダブルビーム型と呼ばれる光学系の構成例である。図に示されるように、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。
【０００３】
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室からなる。基準側室５０１と試料側室５０２の２室を連絡するガス流通路には、ガスの移動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）が封入されている。基準セル３および試料セル４からの赤外光が検出器５内に入射すると、検出ガス中の測定対象成分が赤外光を吸収し、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。
【０００４】
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い。一方、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。そのため、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。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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
図５は従来の赤外線ガス分析計の他の例を示す構成図である。本図はシングルビーム型の光学系の構成例を示す図である。赤外線光源から射出された赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を、赤外光の光軸に沿って重ねられた２室を備えた検出器で検出することにより、試料ガス中の測定対象成分濃度を分析することができる。検出器の２室には検出ガスが充填され、２室間を連絡する流通路におけるガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出することで、２室における赤外吸収量の差分を介して赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を把握できる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３３７０６１号公報
【特許文献２】実昭５９−２６２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４および図５に示された検出器は、検出ガスの封入された２つの室と、これら２つの室を連通している連通路と、連通路上に配置される流量センサにより構成され、さらに室には検出ガスに赤外光が照射されるように赤外窓が配置されている。
【００１０】
しかしながら、従来このような検出器を製作する際は、金属からなる検出器本体材料に機械加工を施し、赤外吸収室を形成し、さらに連通路を製作し、フローセンサを気密シールに装着して、最終的に必要なガスを気密封入していた。そのため、検出器の構造は複雑で、製作する工程は長くなり、検出器が高価になるという問題があった。
【００１１】
また、製作の過程において、金属研削加工などにより、表面付近の微細な亀裂が多数発生し、この亀裂部分に水分や油分や汚れ成分が付着してしまう。そのため、加工後の洗浄工程、焼きだし工程にも多くの時間と労力が必要であった。
【００１２】
本発明は、上記のような従来装置の問題をなくし、製作しやすく低コストの検出器および赤外線ガス分析計を実現することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出する検出器において、
エッチングおよびパターン成形により、前記比較室と前記基準室と前記フローセンサが基板中に立体形成されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２では、試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
エッチングおよびパターン成形により、前記比較室と前記基準室と前記フローセンサが基板中に立体形成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３では、試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
前記比較室および前記基準室となる２つの開口部と、これらの開口部を接続する流通路と、この流通路を跨ぐようにパターン成形された抵抗体からなるフローセンサが形成された第１の板状部材と、
この第１の部材を挟むように取り付けられる２枚の板状部材であって、少なくとも一方は赤外透過部材で形成された第２の板状部材と、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４では、試料を透過した赤外光が入射される比較室と、前記試料の吸収を受けない赤外光が入射される基準室との間に生じるガスの移動をフローセンサで検出して、前記試料の濃度を分析する赤外線ガス分析計において、
前記比較室となる開口部が形成された第１の板状部材と、
前記基準室となる開口部が形成された第２の板状部材と、
赤外透過部材で形成され、前記第１および第２の板状部材の間に取り付けられるとともに、取り付けられた状態において前記第１および第２の板状部材を貫通する貫通路が形成された第３の板状部材と、
前記第１乃至第３の部材を挟むように取り付けられる２枚の板状部材であって、少なくとも一方は赤外透過部材で形成された第４の板状部材と、を備え、
前記第１および第２の板状部材のいずれか一方には、前記開口部と前記貫通路を接続する流通路と、この流通路を跨ぐようにパターン成形された抵抗体からなるフローセンサが形成されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５では、請求項３または４に記載の赤外ガス分析計において、前記板状部材としてシリコン基板材料が用いられたことを特徴とする。
【００１８】
請求項６では、請求項２乃至５のいずれかに記載の赤外線ガス分析計において、前記基準室となる開口部と前記比較室となる開口部と前記流通路の少なくとも一つは、異方性エッチングで形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
このように、エッチングおよびパターン成形により、比較室と基準室とフローセンサを基板中に立体形成したことにより、製作しやすく低コストの検出器および赤外線ガス分析計を実現することができる。
【００２０】
また、部品の洗浄を行う際も、洗浄対象が板状部品となるため、洗浄しやすい。さらに、洗浄器具等を小型で簡略化することができる。さらに、検出器を小型化することができるため、使用部材が減りコストを低減することができる。
【００２１】
また、請求項３のような構成とすれば、容易にダブルビーム型の赤外線ガス分析計を実現することができる。
【００２２】
また、請求項４のような構成とすれば、容易にシングルビーム型の赤外線ガス分析計を実現することができる。
【００２３】
請求項５のように、板状部材としてシリコン基板材料を用いてもよい。
【００２４】
請求項６のように、基準室となる開口部と比較室となる開口部と流通路は、異方性エッチングで形成してもよい。異方性エッチングを用いれば、高精度に微細加工を行うのに有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を用いて本発明の検出器および赤外線ガス分析計を説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は本発明による検出器の一実施例を示す図である。本図はダブルビーム型光学系の検出器の例である。（ａ）は検出器の第１の部材の上面図、（ｂ）は検出器全体の断面図である。
【００２７】
１１は第１の板状部材となるシリコン基板である。１２ａ，１２ｂは赤外透過部材で形成された２枚の板状部材である。第１の板状部材１１に、接着層１３を介して第２の板状部材１２ａ，１２ｂを取り付けることによって、検出器を構成する。
【００２８】
第１の板状部材１１には、試料室１１ａとなる開口部と、基準室１１ｂとなる開口部が設けられている。第１の板状部材１１が第２の板状部材１２ａ，１２ｂと重ね合わされると、各開口部の上面部分および底面部分が第２の板状部材１２ａ，１２ｂによって密封され、各開口部はそれぞれ試料室、基準室となる。開口部は、試料室および基準室としての体積を確保するため、第１の板状部材１１上においてある程度の面積をもって形成される。
【００２９】
試料室１１ａとなる開口部と基準室１１ｂとなる開口部の間には、これらの開口部を接続する流通路１１ｃが設けられている。流通路１１ｃは、試料室１１ａおよび基準室１１ｂの開口面積と比較して相対的に細く形成される。
【００３０】
開口部と流通路１１ｃはエッチングにより形成される。異方性エッチングを用いれば、高精度に微細加工を行うのに有利である。流通路１１ｃは浅めに形成し、第１の板状部材１１に第２の板状部材１２ａ，１２ｂが取り付けられた際の流通路１１ｃの断面積が小さくなるように調整する。
【００３１】
流通路１１ｃにはフローセンサ１１ｄが設けられる。フローセンサ１１ｄは、流通路１１ｃを跨ぐように板状部材１１上にパターン形成されたエアブリッジ構造のシリコン抵抗体である。エアブリッジ構造とすることにより、抵抗体を板状部材１１から熱分離させることができる。抵抗体は流通路１１ｃ上を数ヶ所にわたって跨ぐように形成され、各抵抗体間における熱の移動量に基づいて流通路１１ｃの流量を検出する。
【００３２】
第２の板状部材１２ａ，１２ｂに用いられる赤外透過部材としてはＣａＦ２などが考えられる。なお、第１の板状部材１１の上側を赤外光の入射側とした場合に、入射側に取り付けられている板状部材１２ａは必ず赤外透過部材で形成されている必要がある。少なくとも試料室１１ａおよび基準室１１ｂの上部に位置する部分は、赤外透過部材で形成される。一方、反対側に取り付けられている第２の板状部材１２ｂは赤外透過部材で形成されていなくてもよい。
【００３３】
このような第１の板状部材１１に、第２の板状部材１２ａ，１２ｂを気密シール部材や気密保持材料（図示せず）とともに積層し、接着などの手法で結合させる。１３は、各板状部材を結合する際に形成された接着層である。第１の板状部材１１に第２の板状部材１２ａ，１２ｂを重ね合わせることによって、試料室１１ａ、基準室１１ｂおよびフローセンサ１１ｄが基板中に立体形成される。立体形成された試料室１１ａ、基準室１１ｂおよび流通路１１ｄには検出ガスが封入され、密封状態で保持される。
【００３４】
このように、フローセンサだけでなく、試料室や基準室も基板内に立体形成することによって、検出器を積層板構造の組み合わせだけで製作することが可能になる。また、検出器が小型化される。その結果、検出器の製造方法が簡便化され、ひいては安価に製作することができる。
【００３５】
なお、第２の板状部材１２ｂも赤外透過部材で形成すれば、検出器に入射した赤外光の一部が検出器の反対側に出射される。そのため、このような検出器を複数製作し、異なる検出ガスを封入して赤外光の光軸方向に並べて配置すれば、複数成分の分析を同時に行うことが可能である。
【００３６】
また、本実施例で説明した検出器を利用して赤外線ガス分析計を構成すれば、赤外線ガス分析計全体としても使用部材が減りコストを低減することができる。
【実施例２】
【００３７】
前記実施例１では、ダブルビーム型光学系の検出器の例を示したが、シングルビーム型光学系にも適用可能である。
【００３８】
図２は本発明による検出器の他の実施例を示す図であり、シングルビーム型光学系の検出器の断面図の例である。前記実施例１のダブルビーム型光学系では試料室および基準室が光軸に対して並列に並んでいた。シングルビーム型光学系では、試料室と基準室の各吸収室が光軸に対して直列に並ぶ。
【００３９】
第１の板状部材２１には、試料室となる開口部２１ａがエッチングにより形成されている。また、この開口部２１ａに接続する流通路２１ｂが形成されている。流通路２１ｂには、エアブリッジ構造のシリコン抵抗体からなるフローセンサ２１ｃが形成されている。第２の板状部材２２には、基準室となる開口部２２ａがエッチングにより形成されている。
【００４０】
第３の板状部材２３は、第１の板状部材２１と第２の板状部材２２に挟まれるように接着結合される部材である。第３の板状部材２３を間に挟んで結合させることにより、試料室２１ａと基準室２２ａが分離されるとともに、これら２つの吸収室を光軸に対して直列に配置することができる。第３の板状部材２３は、試料室２１ａから基準室２２ａへ赤外光を透過させる必要があるため、赤外透過部材で形成される。
【００４１】
第３の板状部材２３には、第１および第２の板状部材が取り付けられた状態において、第１および第２の板状部材を貫通する貫通路２３ａが形成されている。貫通路２３ａは、流通路２１ｂと基準室２２ａとを接続するように形成する。これにより、試料室２１ａと基準室２２ａが、流通路２１ｂおよび貫通路２３ａを介して接続される。
【００４２】
第１〜第３の部材には、さらに両側から第４の板状部材２４ａ，２４ｂが結合される。第４の板状部材２４ａ，２４ｂのうち、少なくとも赤外光の入射側である板状部材２４ａは、ＣａＦ２などの赤外透過部材で形成される。
【００４３】
第１〜第３の板状部材に、第４の板状部材２４ａ，２４ｂを気密シール部材や気密保持材料（図示せず）とともに積層し、接着などの手法で結合させる。２５は、各板状部材を結合する際に形成された接着層である。このように、第１〜第４の板状部材を重ね合わせることによって、試料室２１ａ、基準室２２ａ、流通路２１ｂ、フローセンサ２１ｃ、貫通路２３ａが基板中に立体形成される。立体形成された試料室２１ａ、基準室２２ａ、流通路２１ｂ、貫通路２３ａには検出ガスが封入され、密封状態で保持される。
【００４４】
なお、第４の板状部材２４ｂも赤外透過部材で形成すれば、検出器に入射した赤外光の一部が検出器の反対側に出射される。そのため、このような検出器を複数製作し、異なる検出ガスを封入して赤外光の光軸方向に並べて配置すれば、複数成分の分析を同時に行うことが可能である。
【００４５】
また、本実施例で説明した検出器を利用して赤外線ガス分析計を構成すれば、赤外線ガス分析計全体としても使用部材が減りコストを低減することができる。
【実施例３】
【００４６】
前記実施例１における第２の板状部材１２ａ，１２ｂや、前記実施例２における第４の板状部材２４ａ，２４ｂでは、赤外透過部材の一例としてＣａＦ２を挙げた。しかし、赤外透過部材として、シリコン基板材料自体を用いてもよいと考えられる。
【００４７】
図３はシリコン材料の赤外透過特性の一例を示す図である。本図は、シリコン材料の一例として、シグマ光機製シリコン材料の特性を示したものである。なお、図中に赤外線ガス分析計で計測される代表的なガス種（ＣＨ４，ＣＯ２，ＣＯ，ＮＯ，ＳＯ２）の吸収波長を示す。
【００４８】
シリコンウエハの厚さｔ＝３ｍｍで、代表的ガス種の多くの吸収波長が存在する波長２〜６μｍの範囲において、透過率Ｉ／ＩＯ＝０．５７を示している。これより、このシリコン材料の透過係数を算出すると、透過係数＝１．８７ｃｍ−１となる。
【００４９】
シリコンウエハの厚さをｔ＝０．５２５ｍｍとした場合の透過率を計算すると、透過率は９１％となる。さらにシリコンウエハを加工して薄肉化させ、厚さｔ＝０．２ｍｍとした場合を想定すると、透過率は９６％となる。
【００５０】
シリコン基板材料を用いても高い赤外透過率を実現することができるため、シリコン基板材料を赤外透過部材として用いることができると考えられる。また、赤外透過部材だけでなく、本発明の検出器を構成するすべての板状部材を、このようなシリコン材料で形成してもよいと考えられる。
【００５１】
また、空気とシリコンの屈折率の値の差により、赤外透過部材としてシリコン材料を用いる際に、シリコン材料に赤外光が入射する際に界面反射が発生する。そこで、界面反射の割合を減少させるため、シリコン材料の表面に反射防止膜を形成して、より高い透過率を実現する手段を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は本発明による検出器の一実施例を示す図。
【図２】図２は本発明による検出器の他の実施例を示す図。
【図３】図３はシリコン材料の赤外透過特性の一例を示す図。
【図４】図４は従来の赤外線ガス分析計の一例を示す構成図。
【図５】図５は従来の赤外線ガス分析計の他の例を示す構成図。
【符号の説明】
【００５３】
１１            第１の板状部材
１１ａ          試料室
１１ｂ          基準室
１１ｃ          流通路
１１ｄ          フローセンサ
１２ａ、１２ｂ  第２の板状部材
１３            接着層
２１            第１の板状部材
２１ａ          試料室
２１ｂ          流通路
２１ｃ          フローセンサ
２２            第２の板状部材
２２ａ          基準室
２３            第３の板状部材
２３ａ          貫通路
２４ａ、２４ｂ  第４の板状部材
２５            接着層
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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