熱伝導度検出器
【課題】ＭＥＭＳ技術を用いることにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行え、さらに必要に応じて、条件の異なる流路やフィラメントを具備した熱伝導度検出器を同時に提供すること。
【解決手段】加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、前記接合された基板内部には中空部が形成され、この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とするもの。
【解決手段】加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、前記接合された基板内部には中空部が形成され、この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサの一種である熱伝導度検出器に関し、詳しくは、ガスクロマトグラフ用の熱伝導度検出器（ＴＣＤ：thermal conductivity detector）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、気体中に含まれる特定のガスに感応して、その濃度に応じて変化する電気信号を出力するもので、ガス分子が固体表面へ吸着し、あるいはさらに反応する特性を利用したものである。このようなガスセンサの一種に、無機分析用のガスクロマトグラフの汎用的な検出器として用いられている熱伝導度検出器がある。
【０００３】
図１２は、非特許文献１に記載されている従来の熱伝導度検出器の一例を示す構成説明図である。図において、アルミまたはステンレスのボディ１にはほぼＭ字形のガスの流路２（以下流路２という）とほぼＷ字形のガスの流路３（以下流路３という）が上下方向に対向して両側辺の端部が連通するように形成されていて、Ｍ字形の山部分と対向するＷ字形の谷部分間にはそれぞれ流路２と３に連通するようにガスの流路４と５が形成されている。
【０００４】
これら流路４と５内には、それぞれコイル状の細いタングステン製のフィラメント６と７が配置され、これらフィラメント６と７の両端は気密状態で電気的に外部に取り出されている。Ｍ字形の谷部分にはガス入口のパイプ８が流路２に連通するように設けられ、Ｗ字形の山部分にはガス出口のパイプ９が流路３に連通するように設けられている。なお、流路２と３の両側辺の穴径は他の部分よりも大きく形成されている。
【０００５】
このような構成において、パイプ８から入力されるガスは、流路２，３，４，５を通ってパイプ９から出力される。ここで、加熱したフィラメント６，７に接するガスの熱伝導度が変化するとフィラメント６，７の温度も変化し、抵抗値が変化する。これらフィラメント６，７の抵抗値の変化をブリッジ回路などで検出して出力する。
【０００６】
ガスクロマトグラフでは、カラムにＨｅ，Ｈ２，Ｎ２，Ａｒなどのキャリアガスを流すとともに、そこに計量されたサンプルガスを導入することにより、サンプルガスを時間的に各成分毎に分解し検出器で測定する。出力するピークの出現時間で定性分析を行い、ピーク面積で定量分析を行う。熱伝導度検出器は、出現する成分のガスとキャリアガスの熱伝導度の違いを電気信号に変換する。
【０００７】
【非特許文献１】前田 真人、他１名、「ガスクロマトグラフ用新形熱伝導度検出器」、横河技報、横河電機株式会社、１９８３年、vol.２７、No.１、p.２７−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図１２の熱伝導度検出器は、流路２の形成にあたり、複雑な加工と高度な技術が必要であり、フィラメント３の固定にも高度な技術を必要とする。
【０００９】
そして、工程の多くが手作業であるため相当の作業時間を要し、費用もかかり量産には不向きであるという問題がある。
【００１０】
また、ボディ１が大きいため熱的に安定するまでに時間を要するという問題もあり、金属のフィラメント３の抵抗値が低いため、温度変化を検出するのが困難であるという問題もある。
【００１１】
さらに、設計変更などが容易に行えないという問題もある。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決するものであり、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行え、さらに必要に応じて、条件の異なる流路やフィラメントを具備した熱伝導度検出器を同時に提供することを目的とする。
【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は、
加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、
前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、
前記接合された基板内部には中空部が形成され、
この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２は、請求項１記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口は、前記接合された基板内部の中空部に連通するように前記基板の一部に設けられた貫通穴であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３は、請求項１または２記載の熱伝導度検出器において、
前記フィラメントは、単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４は、請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口と前記フィラメントの電極は、前記接合された基板の一方に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５は、請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口は前記接合された基板の一方に設けられ、前記フィラメントの電極は前記接合された基板の他方に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６は、請求項１〜５いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記フィラメントを前記基板の一方に固定する固定手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
このように構成することにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行える熱伝導度検出器が実現できる。
【００２０】
また、半導体製造工程により熱伝導度検出器が作製できるため、高度な加工技術が必要とならず、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路１壁面との距離などが設計どおりに作製できる。さらに、様々な条件の流路１およびフィラメント１１を具備した熱伝導度検出器が作製できる。
【００２１】
また、フィラメントに張力を与える機構、すなわちフィラメントをどちらか一方の基板に固定する固定手段をどちらかの基板に固定することにより、フィラメントに熱を加えた場合においても、フィラメントが熱膨張することによって生じる撓みを発生しないため、フィラメントの動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上する熱伝導度検出器を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を用いて、本発明の熱伝導度検出器を説明する。図１は、本発明の熱伝導度検出器の一実施例を示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００２３】
図１において、基板１０はパイレックス（登録商標）（登録商標）ガラス基板やセラミック基板などで形成されたものであり、その表面にはフィラメント１１が設けられている。
【００２４】
フィラメント１１が設けられた基板１０の表面には凹部１０ａが形成され、凹部１０ａの底面の端部近傍には基板１０の裏面に貫通するように貫通穴１０ｂ，１０ｃが形成されている。これらの貫通穴１０ｂ，１０ｃは、ガスの入力口および出力口として機能する。
【００２５】
貫通穴１０ｂ，１０ｃの外側には、基板１０の表面に設けられたフィラメント１１の裏面がそれぞれ露出するように貫通穴１０ｄ，１０ｅが設けられている。これら貫通穴１０ｄ，１０ｅのフィラメント１１の露出部を含む内周面には、フィラメント１１の露出部を基板１０の裏面から外部に接続するための電極として機能する金属膜１２ａ，１２ｂが形成されている。以下、これら金属膜１２ａ，１２ｂを電極ともいう。
【００２６】
基板１３は、フィラメント１１が設けられた基板１０の表面に重ね合わせるようにしてたとえば陽極接合により固着されているが、基板１０との対向面には基板１０の表面に形成された凹部１０ａとほぼ等しい大きさの凹部１３ａが形成されるとともに、その凹部１３ａの外周にはフィラメント１１全体を内包するようにフィラメント１１の厚さよりもやや深い段付部１３ｂ，１３ｃが形成されている。
【００２７】
これにより、基板１０の表面に設けられたフィラメント１１は、基板１３により密閉されることになる。
【００２８】
図２は、図１の熱伝導度検出器を作製するプロセスの具体例を断面図により示す工程図である。
【００２９】
まず、（ａ）に示すように、基板１０の表面に凹部１０ａを形成し、凹部１０ａの底面の端部近傍には基板１０の裏面に貫通するように貫通穴１０ｂ，１０ｃを形成し、さらに、貫通穴１０ｂ，１０ｃの外側には、貫通穴１０ｄ，１０ｅを形成する。これら凹部１０ａや貫通穴１０ｂ〜１０ｅは、ウエットエッチング、ドライエッチング、あるいはサンドブラストなどの加工により形成することができる。
【００３０】
一方、（ｂ）に示すように、シリコン基板１４の表面にたとえばボロンなどの不純物を高濃度に拡散して拡散深さおよび導電率を調整し、高濃度拡散層を形成する。このとき、たとえばエピタキシャル成長を用いることでより高い自由度が得られる。その後、ウエットエッチングあるいはドライエッチングなどで不要部分を除去することにより、フィラメント１１と電極パッド部分を形成する。
【００３１】
ここで、（ｃ）に示すように、（ａ）で加工した基板１０と（ｂ）で加工したシリコン基板１４とを、基板１０に形成された凹部１０ａと、貫通穴１０ｄ、１０ｅをシリコン基板１４に形成されたボロン高濃度層のフィラメント１１が覆うようにして陽極接合する。
【００３２】
そして、（ｄ）に示すように、フィラメント１１のみを残すために、シリコン基板１４全てをヒドラジン、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリ液でエッチング除去する。
【００３３】
続いて、（ｅ）に示すように、パイレックス（登録商標）（登録商標）ガラス基板やセラミック基板あるいはシリコン基板を基板１３として用い、その表面をＫＯＨなどによるウエットエッチング、ドライエッチング、あるいはサンドブラストなどで加工し、基板１０の表面に形成された凹部１０ａとほぼ等しい大きさの凹部１３ａを形成するとともに、その凹部１３ａの外周にはフィラメント１１全体を内包するようにフィラメント１１の厚さよりもやや深い段付部１３ｂ，１３ｃを形成する。
【００３４】
次に、（ｆ）に示すように、（ｄ）で加工した基板１０と（ｅ）で加工した基板１３を、基板１３の表面に形成された凹部１３ａと段付部１３ｂ，１３ｃが基板１０の表面に設けられたフィラメント１１全体を内包するように重ね合わせて、たとえば基板１０がパイレックス（登録商標）、基板１３がシリコンの場合は、陽極接合を用いる。
【００３５】
そして、（ｇ）に示すように、基板１０の貫通穴１０ｄ，１０ｅの内周面に金属膜１２ａ，１２ｂをスパッタなどで被着形成する。なお、図示しないが、内周面に金属膜１２ａ，１２ｂが形成された貫通穴１０ｄ，１０ｅには、ハンダやメッキで金属を充填したり、導電性ペーストを充填する。
【００３６】
このように構成される熱伝導度検出器の動作を説明する。
【００３７】
電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加するとフィラメント１１に電流が流れ、ジュール熱が発生する。フィラメント１１の上下に空間があるため、熱伝導による熱の逃げが小さく、フィラメント１１の温度は大きく上昇する。
【００３８】
ガス入力用の貫通穴１０ｂからフィラメント１１の上下の空間に、図示しないガスクロマトグラフのカラムを介してキャリアガスおよび分離された被測定ガスを入力する。これにより、被測定ガスの成分あるいは濃度によって時々変化する熱伝導度がフィラメント１１の抵抗値変化として認識できる。貫通穴１０ｂから入力されたガスは、貫通穴１０ｃから外部に出力される。
【００３９】
本発明に基づく熱伝導度検出器は、半導体製造工程により作製できるため、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路壁面との距離などが小さなバラつきでほぼ設計どおりに作製できるとともに、必要に応じて、様々な条件の異なる流路およびフィラメント１１を具備した熱伝導度検出器を同時に作製できる。
【００４０】
また、同時に一枚のウエハ内に熱伝導度検出器を複数個形成できるため、１個当りの単価を低価格にでき、量産に適している。
【００４１】
また、熱伝導度検出器のボディを小型化にできるため、熱的に安定するまでの時間が短縮でき、配置場所や用途の制約が少なくなる。
【００４２】
また、フィラメント１１の材料として単結晶シリコンを使用しているため、抵抗値を高くしてブリッジ回路の電圧を上げることができ、容易に任意のガスを検出できる。
【００４３】
また、パッケージを必要としないため、パッケージ分のコストおよびパッケージに組み立てるコストを削減することができ、低コストを実現できる。
【００４４】
また、基板材料の選択によっては、陽極接合による高信頼性シール構造を実現することができる。
【００４５】
さらに、ガス分析を行うのにあたり、フィラメント１１への通電を高速にＯＮ／ＯＦＦする必要があり、フィラメント１１からの速やかな熱の逃げも重要となるが、本発明の熱伝導度検出器の構造によれば、電極１２ａ，１２ｂを経由して速やかに熱を逃がすことができ、高速ＯＮ／ＯＦＦを実現できる。
【００４６】
図３は本発明の他の実施例を示す断面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と異なっているのは、図１ではフィラメント１１が設けられている基板１０にガスを入力し出力するための貫通穴１０ｂ，１０ｃとフィラメント１１を駆動するための電極として機能する１０ｄ，１０ｅを設けているのに対し、図３では基板１３にガスを入力し出力するための貫通穴１３ｄ，１３ｅを設けていることである。
【００４７】
図３の構成によれば、フィラメント１１の駆動電極とガスの入出力口をフィラメント１１の上下に分離できることから、図１に比べて構造を単純化できる。
【００４８】
図４も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図４では、ガスの入出力口を基板の端面に設けるように構成されている。
【００４９】
図４の構成は、同一基板上にカラムやバルブの機能を集積する場合に有効である。
【００５０】
図５も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１２と共通する部分には同一の符号を付けている。図５は、図１２のガスの流路２，３，４，５やフィラメント６，７を半導体製造工程により作製したものである。
【００５１】
図５の構成によれば、フィラメント６，７の形状およびフィラメント６，７と流路壁面との距離などが設計どおり高精度に作製できる。また、各ガス流路における分流の比率なども容易に設計できる。
【００５２】
図６も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図６では、フィラメント１１をジグザグパターンとして形成した例を示している。
【００５３】
本発明では、熱伝導度検出器を半導体製造工程により作製することから、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路壁面との距離などが設計どおりに精度よく作製でき、フィラメント１１を必要に応じて所望の形状に形成できる。
【００５４】
たとえば、フィラメント１１にかかる応力緩和のためにパターンの一部に折り返しを設けてもよく、あるいは抵抗値を調整するためにパターンを変更してもよい。さらに、フィラメント１１の長手方向に沿ってパターン密度を異ならせることにより、温度分布を調整できる。
【００５５】
図７は本発明の他の実施例を示す構成図であり、（ａ）は熱伝導度検出器の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ'断面図である。図１で説明した構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図１と異なっているのは、図１ではフィラメント２１の両端が基板１０によって支持されているのに対し、図７ではフィラメント２１の両端が基板１０によって支持され、さらにフィラメント２１の固定手段２２が基板１０に固定されていることである。
【００５７】
図７の構成によれば、フィラメント２１の固定手段２２を基板１０に固定することにより、フィラメント２１に熱を加えた場合においても、フィラメント２１が熱膨張することによって生じるフィラメント２１の撓みが発生しないため、図１（たとえば、フィラメント２１の温度上昇ΔＴ＝200Ｋ）に比べてフィラメント２１の動作温度を高くすることできる。
【００５８】
このため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上することができる。
【００５９】
なお、フィラメント２１は、本実施例のように、フィラメント２１の中央部分をどちらか一方の基板１０、１３に固定する他に、フィラメント２１の長さ方向に引っ張る構造にしても同様の効果が得られる。
【００６０】
図８は、本発明の他の実施例を示す断面図による構成図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図７と異なっているのは、図７ではフィラメント２１が設けられている基板１０にガスを入力し出力するための貫通穴(以下、ガスの導入出口１０ｂ，１０ｃという)とフィラメント２１を駆動するための電極として機能する１０ｄ，１０ｅを設けているのに対し、図８では基板１３にガスを入力し出力するための貫通穴(以下、ガスの導入出口１３ｄ，１３ｅという)を設けていることである。
【００６１】
図８の構成によれば、フィラメント２１の駆動電極１２ａ、１２ｂとガスの導入出口１３ｄ、１３ｅをフィラメント２１の上下に分離できることから、図７に比べて構造を単純化できる。
【００６２】
なお、ガス導入出口１０ｂ、１０ｃを基板１０に形成する構成や、ガス導入出口１３ｄ、１３ｅを基板１３に形成する構成や、ガスの導入出口１０ｂ、１０ｃやガスの導入出口１３ｄ、１３ｅを同一の基板に形成しない構成や、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２の組み合わせはいずれであってもよい。
【００６３】
図９は、フィラメントを基板に固定する方法を示す図であり、（ａ）はフィラメントの平面図、（ｂ）はフィラメントに張力を与える機構を形成した図である。
【００６４】
ここで、フィラメント２１の長さをＬとし、フィラメント２１に熱を加えることによってフィラメント２１が伸びる長さをδＬとする。また、フィラメント２１が長さδＬ伸びた場合に相当するフィラメント２１の変位をｈとし、ｈ変位した場合のフィラメント２１の長さをＬ＋δＬとする。
【００６５】
たとえば、フィラメント２１に熱を加えた場合、すなわちフィラメント２１の温度をδＴ分上昇させると、フィラメント２１の材料の熱膨張率αにより、フィラメント２１が長さδＬだけ伸びる。この伸びδＬは、式（１）により与えられる。
δＬ＝Ｌ×α×δ×Ｔ ・・・式（１）
【００６６】
このフィラメント２１の伸びδＬに相当する変位がＬ＞＞ｈの場合、式(２)により近似することができる。
【００６７】
【００６８】
このように、フィラメント２１にこのフィラメント２１の長さδＬに相当する変位ｈを加えて、基板に固定する場合に、フィラメント２１の温度がδＴ分上昇したとしても、フィラメント２１が伸びた分δＬが吸収されるため、座屈が発生しない。
【００６９】
ここで、座屈とは、細長い棒状、あるいは薄い板状の物などが、縦方向(長さ方向)に加えた圧力が或る限界値に達すると、横方向に変形をおこす現象をいう。
【００７０】
従って、フィラメント２１の上昇する温度がδＴまでの範囲において、フィラメント２１とこのフィラメント２１が固定される基板１０、あるいは基板１３とのギャップは一定の値で保持される。たとえば、あるシリコンの長さＬが１ｍｍ、熱膨張率αが４×１０−６/Ｋである場合に、温度上昇δＴを５００Ｋとした場合、フィラメント２１の伸び、および初期状態でのフィラメントの変位ｈを算出する。フィラメント２１の伸びを式(１)により算出すると、約２μｍとなる。また、次に初期状態の変位ｈを式(２)により算出すると、このフィラメント２１の伸びを打ち消すためには、初期状態で変位ｈを約３０μｍとすればよいことがわかる。
【００７１】
このフィラメント２１とこのフィラメント２１が固定される基板１０、あるいは基板１３とのギャップを不変にした、すなわちフィラメント２１とどちらか一方の基板１０、あるいは１３とを固定することにより、フィラメント２１の動作温度を図１（たとえば、フィラメント２１の温度上昇ΔＴ＝２００Ｋ）に比べて高くすることができる。
【００７２】
図１０は、図７のフィラメントを基板に固定する具体例を示す断面図であり、（ａ）はフィラメントが変位していない場合の断面図、（ｂ）はフィラメントに接続されている電極および基板側の固定電極２３に電圧を印加した場合の断面図、（ｃ）はそれぞれの電極に電圧が印加された後、フィラメントが固定された場合の断面図である。
【００７３】
（ａ）において、フィラメント２１にラッチ機能および静電駆動の可動電極の機能を有するラッチ機能付き可動電極２１ａが接続形成されている。このラッチ機能付き可動電極２１ａの形状は、フィラメント２１と接続されていない側、すなわち固定電極２３と接続する側がくし状に形成されている。
【００７４】
フィラメント２１と接続されている側は、フィラメント２１と接続されている部分から垂直に形成され、固定手段２４に挟まれる部分は、テーパー状に形成され、このテーパー状に形成されている内側にスリット２１ｂが形成されている。また、このラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパー状の形状部分と、くし状の形状部分との間は、垂直な棒状部材で形成されている。
【００７５】
ここで、このテーパー状は、固定手段２４を元の状態に戻さないように留めておくストッパー機能を有している。また、スリット２１ｂは、電極に電圧が印加された場合、固定手段２４にラッチ機能付き可動電極２１ａが押されることにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂ部分の空間が狭まるような弾性構造を有している。
【００７６】
ここで、ラッチ機能とは接続させた部分をつなぎとめることであり、静電駆動とは固定電極と可動電極の間に電圧を印加することで両電極が引き合う方向に静電力が発生することを利用して駆動することである。
【００７７】
また、フィラメント２１と対向する側には、フィラメント２１が変位することにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａに接続され、固定される固定手段２４が形成されている。ラッチ機能付き可動電極２１ａが動かない場合には、固定手段２４はラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパーの部分が、同じようにテーパーに形成されている。
【００７８】
また、固定電極２３はラッチ機能付き可動電極２１ａのくし形状とかみ合うように、固定電極２３はくし状の形をしている。
【００７９】
（ｂ）において、ラッチ機能付き可動電極２１ａと、固定電極２３に電圧を印加すると、ラッチ機能付き可動電極２１ａを有するフィラメント２１が固定手段２４の方に引っ張られる。引っ張られるため、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂの空間がなくなり、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とが接する、すなわちラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂが固定手段２４から圧接される。また、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とのくし状部分の先が接続される。
【００８０】
（ｃ）において、（ｂ）の状態よりも、さらにラッチ機能付き可動電極２１ａと、固定電極２３に電圧を印加すると、ラッチ機能付き可動電極２１ａを有するフィラメント２１がさらに固定手段２４の方に引っ張られる。さらに引っ張られるため、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂが固定手段２４から圧接される状態から解除される。また、ラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパー上面部を固定手段２４のテーパーと円錐状の接合部で留めることにより、固定手段２４を元の状態に戻さないようにしている。ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とのくし状部分の先が接続されている。
【００８１】
次に、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定電極２３がかみ合うように、ラッチ機能付き可動電極２１ａを固定電極２３で覆うように、接合され、固定される。ここで、ラッチ機能付き可動電極２１ａおよび固定電極２３に印加する電圧を切り、さらに静電力を発生している電圧を切った場合においても、ラッチ機構により、フィラメント２１が変形したまま固定される。この固定された状態を（ｃ）の断面図で表している。
【００８２】
このように、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２をどちらかの基板１０、１３に固定する、すなわちフィラメント２１、すなわちラッチ機能付き可動電極２１ａ部と固定電極２３を固定することにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａ部と固定電極２３に電圧を印加した場合においても、ラッチ機能付き可動電極２１ａ部から熱が伝わり、フィラメント２１が熱膨張することによって生じるフィラメント２１の撓みが発生しないため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上することができる。
【００８３】
図１１は、本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１２と共通する部分には同一の符号を付けている。図１１は、図１２のガスの流路２，３，４，５やフィラメント６，７を半導体製造工程により作製したものである。
【００８４】
ガスが、ガス導入口８から熱伝導検出器に導入され、各流路にガスが分流してガス導出口９から排出される。フィラメント６が配置される流路４の他に、流路断面積が大きい流路２および３を配置することで、熱伝導検出器の圧力損失を抑えつつ、フィラメント６が配置される流路４の流路断面積を小さくして熱伝導度の検出感度を向上する構成となっている。また、フィラメント７もフィラメント６と並列に並べられ、流路７にフィラメント７は構成されている。なお、初期変形を与える構造は図示していない。
【００８５】
図１１の構成によれば、フィラメント６，７の形状およびフィラメント６，７と流路壁面との距離などが設計どおり高精度に作製できる。また、各ガス流路における分流の比率なども容易に設計できる。
【００８６】
また、本発明はフィラメントを基板１０、１３で挟む構造をしている。
【００８７】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行え、さらに必要に応じて、条件の異なる流路やフィラメントを具備した熱伝導度検出器を同時に実現できる。
【００８８】
また、図７の実施例によれば、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２をどちらかの基板１０、１３に固定することにより、フィラメント２１に熱を加えた場合においても、フィラメント２１が熱膨張することによって生じる撓みを発生しないため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上する熱伝導度検出器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例を断面図により示す工程図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す断面図による構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す断面図による構成図である。
【図９】フィラメントを基板に固定する方法を示す図である。
【図１０】図７のフィラメントを基板に固定する具体例を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図１２】従来の熱伝導度検出器の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 基板
１０ａ 凹部
１０ｂ，１０ｃ 貫通穴（ガス入力口および出力口）
１０ｄ，１０ｅ 貫通穴（電極）
１１ フィラメント
１２ａ，１２ｂ 金属膜（電極）
１３ 基板
１３ａ 凹部
１３ｂ，１３ｃ 段付部
１３ｄ，１３ｅ 貫通穴（ガス入力口および出力口）
２１ フィラメント
２１ａ ラッチ機能付き可動電極
２１ｂ スリット
２２、２４ 固定手段
２３ 固定電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサの一種である熱伝導度検出器に関し、詳しくは、ガスクロマトグラフ用の熱伝導度検出器（ＴＣＤ：thermal conductivity detector）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、気体中に含まれる特定のガスに感応して、その濃度に応じて変化する電気信号を出力するもので、ガス分子が固体表面へ吸着し、あるいはさらに反応する特性を利用したものである。このようなガスセンサの一種に、無機分析用のガスクロマトグラフの汎用的な検出器として用いられている熱伝導度検出器がある。
【０００３】
図１２は、非特許文献１に記載されている従来の熱伝導度検出器の一例を示す構成説明図である。図において、アルミまたはステンレスのボディ１にはほぼＭ字形のガスの流路２（以下流路２という）とほぼＷ字形のガスの流路３（以下流路３という）が上下方向に対向して両側辺の端部が連通するように形成されていて、Ｍ字形の山部分と対向するＷ字形の谷部分間にはそれぞれ流路２と３に連通するようにガスの流路４と５が形成されている。
【０００４】
これら流路４と５内には、それぞれコイル状の細いタングステン製のフィラメント６と７が配置され、これらフィラメント６と７の両端は気密状態で電気的に外部に取り出されている。Ｍ字形の谷部分にはガス入口のパイプ８が流路２に連通するように設けられ、Ｗ字形の山部分にはガス出口のパイプ９が流路３に連通するように設けられている。なお、流路２と３の両側辺の穴径は他の部分よりも大きく形成されている。
【０００５】
このような構成において、パイプ８から入力されるガスは、流路２，３，４，５を通ってパイプ９から出力される。ここで、加熱したフィラメント６，７に接するガスの熱伝導度が変化するとフィラメント６，７の温度も変化し、抵抗値が変化する。これらフィラメント６，７の抵抗値の変化をブリッジ回路などで検出して出力する。
【０００６】
ガスクロマトグラフでは、カラムにＨｅ，Ｈ２，Ｎ２，Ａｒなどのキャリアガスを流すとともに、そこに計量されたサンプルガスを導入することにより、サンプルガスを時間的に各成分毎に分解し検出器で測定する。出力するピークの出現時間で定性分析を行い、ピーク面積で定量分析を行う。熱伝導度検出器は、出現する成分のガスとキャリアガスの熱伝導度の違いを電気信号に変換する。
【０００７】
【非特許文献１】前田 真人、他１名、「ガスクロマトグラフ用新形熱伝導度検出器」、横河技報、横河電機株式会社、１９８３年、vol.２７、No.１、p.２７−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図１２の熱伝導度検出器は、流路２の形成にあたり、複雑な加工と高度な技術が必要であり、フィラメント３の固定にも高度な技術を必要とする。
【０００９】
そして、工程の多くが手作業であるため相当の作業時間を要し、費用もかかり量産には不向きであるという問題がある。
【００１０】
また、ボディ１が大きいため熱的に安定するまでに時間を要するという問題もあり、金属のフィラメント３の抵抗値が低いため、温度変化を検出するのが困難であるという問題もある。
【００１１】
さらに、設計変更などが容易に行えないという問題もある。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決するものであり、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行え、さらに必要に応じて、条件の異なる流路やフィラメントを具備した熱伝導度検出器を同時に提供することを目的とする。
【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は、
加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、
前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、
前記接合された基板内部には中空部が形成され、
この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２は、請求項１記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口は、前記接合された基板内部の中空部に連通するように前記基板の一部に設けられた貫通穴であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３は、請求項１または２記載の熱伝導度検出器において、
前記フィラメントは、単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４は、請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口と前記フィラメントの電極は、前記接合された基板の一方に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５は、請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記ガスの入出口は前記接合された基板の一方に設けられ、前記フィラメントの電極は前記接合された基板の他方に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６は、請求項１〜５いずれかに記載の熱伝導度検出器において、
前記フィラメントを前記基板の一方に固定する固定手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
このように構成することにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行える熱伝導度検出器が実現できる。
【００２０】
また、半導体製造工程により熱伝導度検出器が作製できるため、高度な加工技術が必要とならず、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路１壁面との距離などが設計どおりに作製できる。さらに、様々な条件の流路１およびフィラメント１１を具備した熱伝導度検出器が作製できる。
【００２１】
また、フィラメントに張力を与える機構、すなわちフィラメントをどちらか一方の基板に固定する固定手段をどちらかの基板に固定することにより、フィラメントに熱を加えた場合においても、フィラメントが熱膨張することによって生じる撓みを発生しないため、フィラメントの動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上する熱伝導度検出器を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を用いて、本発明の熱伝導度検出器を説明する。図１は、本発明の熱伝導度検出器の一実施例を示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００２３】
図１において、基板１０はパイレックス（登録商標）（登録商標）ガラス基板やセラミック基板などで形成されたものであり、その表面にはフィラメント１１が設けられている。
【００２４】
フィラメント１１が設けられた基板１０の表面には凹部１０ａが形成され、凹部１０ａの底面の端部近傍には基板１０の裏面に貫通するように貫通穴１０ｂ，１０ｃが形成されている。これらの貫通穴１０ｂ，１０ｃは、ガスの入力口および出力口として機能する。
【００２５】
貫通穴１０ｂ，１０ｃの外側には、基板１０の表面に設けられたフィラメント１１の裏面がそれぞれ露出するように貫通穴１０ｄ，１０ｅが設けられている。これら貫通穴１０ｄ，１０ｅのフィラメント１１の露出部を含む内周面には、フィラメント１１の露出部を基板１０の裏面から外部に接続するための電極として機能する金属膜１２ａ，１２ｂが形成されている。以下、これら金属膜１２ａ，１２ｂを電極ともいう。
【００２６】
基板１３は、フィラメント１１が設けられた基板１０の表面に重ね合わせるようにしてたとえば陽極接合により固着されているが、基板１０との対向面には基板１０の表面に形成された凹部１０ａとほぼ等しい大きさの凹部１３ａが形成されるとともに、その凹部１３ａの外周にはフィラメント１１全体を内包するようにフィラメント１１の厚さよりもやや深い段付部１３ｂ，１３ｃが形成されている。
【００２７】
これにより、基板１０の表面に設けられたフィラメント１１は、基板１３により密閉されることになる。
【００２８】
図２は、図１の熱伝導度検出器を作製するプロセスの具体例を断面図により示す工程図である。
【００２９】
まず、（ａ）に示すように、基板１０の表面に凹部１０ａを形成し、凹部１０ａの底面の端部近傍には基板１０の裏面に貫通するように貫通穴１０ｂ，１０ｃを形成し、さらに、貫通穴１０ｂ，１０ｃの外側には、貫通穴１０ｄ，１０ｅを形成する。これら凹部１０ａや貫通穴１０ｂ〜１０ｅは、ウエットエッチング、ドライエッチング、あるいはサンドブラストなどの加工により形成することができる。
【００３０】
一方、（ｂ）に示すように、シリコン基板１４の表面にたとえばボロンなどの不純物を高濃度に拡散して拡散深さおよび導電率を調整し、高濃度拡散層を形成する。このとき、たとえばエピタキシャル成長を用いることでより高い自由度が得られる。その後、ウエットエッチングあるいはドライエッチングなどで不要部分を除去することにより、フィラメント１１と電極パッド部分を形成する。
【００３１】
ここで、（ｃ）に示すように、（ａ）で加工した基板１０と（ｂ）で加工したシリコン基板１４とを、基板１０に形成された凹部１０ａと、貫通穴１０ｄ、１０ｅをシリコン基板１４に形成されたボロン高濃度層のフィラメント１１が覆うようにして陽極接合する。
【００３２】
そして、（ｄ）に示すように、フィラメント１１のみを残すために、シリコン基板１４全てをヒドラジン、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリ液でエッチング除去する。
【００３３】
続いて、（ｅ）に示すように、パイレックス（登録商標）（登録商標）ガラス基板やセラミック基板あるいはシリコン基板を基板１３として用い、その表面をＫＯＨなどによるウエットエッチング、ドライエッチング、あるいはサンドブラストなどで加工し、基板１０の表面に形成された凹部１０ａとほぼ等しい大きさの凹部１３ａを形成するとともに、その凹部１３ａの外周にはフィラメント１１全体を内包するようにフィラメント１１の厚さよりもやや深い段付部１３ｂ，１３ｃを形成する。
【００３４】
次に、（ｆ）に示すように、（ｄ）で加工した基板１０と（ｅ）で加工した基板１３を、基板１３の表面に形成された凹部１３ａと段付部１３ｂ，１３ｃが基板１０の表面に設けられたフィラメント１１全体を内包するように重ね合わせて、たとえば基板１０がパイレックス（登録商標）、基板１３がシリコンの場合は、陽極接合を用いる。
【００３５】
そして、（ｇ）に示すように、基板１０の貫通穴１０ｄ，１０ｅの内周面に金属膜１２ａ，１２ｂをスパッタなどで被着形成する。なお、図示しないが、内周面に金属膜１２ａ，１２ｂが形成された貫通穴１０ｄ，１０ｅには、ハンダやメッキで金属を充填したり、導電性ペーストを充填する。
【００３６】
このように構成される熱伝導度検出器の動作を説明する。
【００３７】
電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加するとフィラメント１１に電流が流れ、ジュール熱が発生する。フィラメント１１の上下に空間があるため、熱伝導による熱の逃げが小さく、フィラメント１１の温度は大きく上昇する。
【００３８】
ガス入力用の貫通穴１０ｂからフィラメント１１の上下の空間に、図示しないガスクロマトグラフのカラムを介してキャリアガスおよび分離された被測定ガスを入力する。これにより、被測定ガスの成分あるいは濃度によって時々変化する熱伝導度がフィラメント１１の抵抗値変化として認識できる。貫通穴１０ｂから入力されたガスは、貫通穴１０ｃから外部に出力される。
【００３９】
本発明に基づく熱伝導度検出器は、半導体製造工程により作製できるため、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路壁面との距離などが小さなバラつきでほぼ設計どおりに作製できるとともに、必要に応じて、様々な条件の異なる流路およびフィラメント１１を具備した熱伝導度検出器を同時に作製できる。
【００４０】
また、同時に一枚のウエハ内に熱伝導度検出器を複数個形成できるため、１個当りの単価を低価格にでき、量産に適している。
【００４１】
また、熱伝導度検出器のボディを小型化にできるため、熱的に安定するまでの時間が短縮でき、配置場所や用途の制約が少なくなる。
【００４２】
また、フィラメント１１の材料として単結晶シリコンを使用しているため、抵抗値を高くしてブリッジ回路の電圧を上げることができ、容易に任意のガスを検出できる。
【００４３】
また、パッケージを必要としないため、パッケージ分のコストおよびパッケージに組み立てるコストを削減することができ、低コストを実現できる。
【００４４】
また、基板材料の選択によっては、陽極接合による高信頼性シール構造を実現することができる。
【００４５】
さらに、ガス分析を行うのにあたり、フィラメント１１への通電を高速にＯＮ／ＯＦＦする必要があり、フィラメント１１からの速やかな熱の逃げも重要となるが、本発明の熱伝導度検出器の構造によれば、電極１２ａ，１２ｂを経由して速やかに熱を逃がすことができ、高速ＯＮ／ＯＦＦを実現できる。
【００４６】
図３は本発明の他の実施例を示す断面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と異なっているのは、図１ではフィラメント１１が設けられている基板１０にガスを入力し出力するための貫通穴１０ｂ，１０ｃとフィラメント１１を駆動するための電極として機能する１０ｄ，１０ｅを設けているのに対し、図３では基板１３にガスを入力し出力するための貫通穴１３ｄ，１３ｅを設けていることである。
【００４７】
図３の構成によれば、フィラメント１１の駆動電極とガスの入出力口をフィラメント１１の上下に分離できることから、図１に比べて構造を単純化できる。
【００４８】
図４も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図４では、ガスの入出力口を基板の端面に設けるように構成されている。
【００４９】
図４の構成は、同一基板上にカラムやバルブの機能を集積する場合に有効である。
【００５０】
図５も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１２と共通する部分には同一の符号を付けている。図５は、図１２のガスの流路２，３，４，５やフィラメント６，７を半導体製造工程により作製したものである。
【００５１】
図５の構成によれば、フィラメント６，７の形状およびフィラメント６，７と流路壁面との距離などが設計どおり高精度に作製できる。また、各ガス流路における分流の比率なども容易に設計できる。
【００５２】
図６も本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図６では、フィラメント１１をジグザグパターンとして形成した例を示している。
【００５３】
本発明では、熱伝導度検出器を半導体製造工程により作製することから、フィラメント１１の形状およびフィラメント１１と流路壁面との距離などが設計どおりに精度よく作製でき、フィラメント１１を必要に応じて所望の形状に形成できる。
【００５４】
たとえば、フィラメント１１にかかる応力緩和のためにパターンの一部に折り返しを設けてもよく、あるいは抵抗値を調整するためにパターンを変更してもよい。さらに、フィラメント１１の長手方向に沿ってパターン密度を異ならせることにより、温度分布を調整できる。
【００５５】
図７は本発明の他の実施例を示す構成図であり、（ａ）は熱伝導度検出器の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ'断面図である。図１で説明した構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図１と異なっているのは、図１ではフィラメント２１の両端が基板１０によって支持されているのに対し、図７ではフィラメント２１の両端が基板１０によって支持され、さらにフィラメント２１の固定手段２２が基板１０に固定されていることである。
【００５７】
図７の構成によれば、フィラメント２１の固定手段２２を基板１０に固定することにより、フィラメント２１に熱を加えた場合においても、フィラメント２１が熱膨張することによって生じるフィラメント２１の撓みが発生しないため、図１（たとえば、フィラメント２１の温度上昇ΔＴ＝200Ｋ）に比べてフィラメント２１の動作温度を高くすることできる。
【００５８】
このため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上することができる。
【００５９】
なお、フィラメント２１は、本実施例のように、フィラメント２１の中央部分をどちらか一方の基板１０、１３に固定する他に、フィラメント２１の長さ方向に引っ張る構造にしても同様の効果が得られる。
【００６０】
図８は、本発明の他の実施例を示す断面図による構成図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図７と異なっているのは、図７ではフィラメント２１が設けられている基板１０にガスを入力し出力するための貫通穴(以下、ガスの導入出口１０ｂ，１０ｃという)とフィラメント２１を駆動するための電極として機能する１０ｄ，１０ｅを設けているのに対し、図８では基板１３にガスを入力し出力するための貫通穴(以下、ガスの導入出口１３ｄ，１３ｅという)を設けていることである。
【００６１】
図８の構成によれば、フィラメント２１の駆動電極１２ａ、１２ｂとガスの導入出口１３ｄ、１３ｅをフィラメント２１の上下に分離できることから、図７に比べて構造を単純化できる。
【００６２】
なお、ガス導入出口１０ｂ、１０ｃを基板１０に形成する構成や、ガス導入出口１３ｄ、１３ｅを基板１３に形成する構成や、ガスの導入出口１０ｂ、１０ｃやガスの導入出口１３ｄ、１３ｅを同一の基板に形成しない構成や、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２の組み合わせはいずれであってもよい。
【００６３】
図９は、フィラメントを基板に固定する方法を示す図であり、（ａ）はフィラメントの平面図、（ｂ）はフィラメントに張力を与える機構を形成した図である。
【００６４】
ここで、フィラメント２１の長さをＬとし、フィラメント２１に熱を加えることによってフィラメント２１が伸びる長さをδＬとする。また、フィラメント２１が長さδＬ伸びた場合に相当するフィラメント２１の変位をｈとし、ｈ変位した場合のフィラメント２１の長さをＬ＋δＬとする。
【００６５】
たとえば、フィラメント２１に熱を加えた場合、すなわちフィラメント２１の温度をδＴ分上昇させると、フィラメント２１の材料の熱膨張率αにより、フィラメント２１が長さδＬだけ伸びる。この伸びδＬは、式（１）により与えられる。
δＬ＝Ｌ×α×δ×Ｔ ・・・式（１）
【００６６】
このフィラメント２１の伸びδＬに相当する変位がＬ＞＞ｈの場合、式(２)により近似することができる。
【００６７】
【００６８】
このように、フィラメント２１にこのフィラメント２１の長さδＬに相当する変位ｈを加えて、基板に固定する場合に、フィラメント２１の温度がδＴ分上昇したとしても、フィラメント２１が伸びた分δＬが吸収されるため、座屈が発生しない。
【００６９】
ここで、座屈とは、細長い棒状、あるいは薄い板状の物などが、縦方向(長さ方向)に加えた圧力が或る限界値に達すると、横方向に変形をおこす現象をいう。
【００７０】
従って、フィラメント２１の上昇する温度がδＴまでの範囲において、フィラメント２１とこのフィラメント２１が固定される基板１０、あるいは基板１３とのギャップは一定の値で保持される。たとえば、あるシリコンの長さＬが１ｍｍ、熱膨張率αが４×１０−６/Ｋである場合に、温度上昇δＴを５００Ｋとした場合、フィラメント２１の伸び、および初期状態でのフィラメントの変位ｈを算出する。フィラメント２１の伸びを式(１)により算出すると、約２μｍとなる。また、次に初期状態の変位ｈを式(２)により算出すると、このフィラメント２１の伸びを打ち消すためには、初期状態で変位ｈを約３０μｍとすればよいことがわかる。
【００７１】
このフィラメント２１とこのフィラメント２１が固定される基板１０、あるいは基板１３とのギャップを不変にした、すなわちフィラメント２１とどちらか一方の基板１０、あるいは１３とを固定することにより、フィラメント２１の動作温度を図１（たとえば、フィラメント２１の温度上昇ΔＴ＝２００Ｋ）に比べて高くすることができる。
【００７２】
図１０は、図７のフィラメントを基板に固定する具体例を示す断面図であり、（ａ）はフィラメントが変位していない場合の断面図、（ｂ）はフィラメントに接続されている電極および基板側の固定電極２３に電圧を印加した場合の断面図、（ｃ）はそれぞれの電極に電圧が印加された後、フィラメントが固定された場合の断面図である。
【００７３】
（ａ）において、フィラメント２１にラッチ機能および静電駆動の可動電極の機能を有するラッチ機能付き可動電極２１ａが接続形成されている。このラッチ機能付き可動電極２１ａの形状は、フィラメント２１と接続されていない側、すなわち固定電極２３と接続する側がくし状に形成されている。
【００７４】
フィラメント２１と接続されている側は、フィラメント２１と接続されている部分から垂直に形成され、固定手段２４に挟まれる部分は、テーパー状に形成され、このテーパー状に形成されている内側にスリット２１ｂが形成されている。また、このラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパー状の形状部分と、くし状の形状部分との間は、垂直な棒状部材で形成されている。
【００７５】
ここで、このテーパー状は、固定手段２４を元の状態に戻さないように留めておくストッパー機能を有している。また、スリット２１ｂは、電極に電圧が印加された場合、固定手段２４にラッチ機能付き可動電極２１ａが押されることにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂ部分の空間が狭まるような弾性構造を有している。
【００７６】
ここで、ラッチ機能とは接続させた部分をつなぎとめることであり、静電駆動とは固定電極と可動電極の間に電圧を印加することで両電極が引き合う方向に静電力が発生することを利用して駆動することである。
【００７７】
また、フィラメント２１と対向する側には、フィラメント２１が変位することにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａに接続され、固定される固定手段２４が形成されている。ラッチ機能付き可動電極２１ａが動かない場合には、固定手段２４はラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパーの部分が、同じようにテーパーに形成されている。
【００７８】
また、固定電極２３はラッチ機能付き可動電極２１ａのくし形状とかみ合うように、固定電極２３はくし状の形をしている。
【００７９】
（ｂ）において、ラッチ機能付き可動電極２１ａと、固定電極２３に電圧を印加すると、ラッチ機能付き可動電極２１ａを有するフィラメント２１が固定手段２４の方に引っ張られる。引っ張られるため、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂの空間がなくなり、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とが接する、すなわちラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂが固定手段２４から圧接される。また、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とのくし状部分の先が接続される。
【００８０】
（ｃ）において、（ｂ）の状態よりも、さらにラッチ機能付き可動電極２１ａと、固定電極２３に電圧を印加すると、ラッチ機能付き可動電極２１ａを有するフィラメント２１がさらに固定手段２４の方に引っ張られる。さらに引っ張られるため、ラッチ機能付き可動電極２１ａのスリット２１ｂが固定手段２４から圧接される状態から解除される。また、ラッチ機能付き可動電極２１ａのテーパー上面部を固定手段２４のテーパーと円錐状の接合部で留めることにより、固定手段２４を元の状態に戻さないようにしている。ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定手段２４とのくし状部分の先が接続されている。
【００８１】
次に、ラッチ機能付き可動電極２１ａと固定電極２３がかみ合うように、ラッチ機能付き可動電極２１ａを固定電極２３で覆うように、接合され、固定される。ここで、ラッチ機能付き可動電極２１ａおよび固定電極２３に印加する電圧を切り、さらに静電力を発生している電圧を切った場合においても、ラッチ機構により、フィラメント２１が変形したまま固定される。この固定された状態を（ｃ）の断面図で表している。
【００８２】
このように、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２をどちらかの基板１０、１３に固定する、すなわちフィラメント２１、すなわちラッチ機能付き可動電極２１ａ部と固定電極２３を固定することにより、ラッチ機能付き可動電極２１ａ部と固定電極２３に電圧を印加した場合においても、ラッチ機能付き可動電極２１ａ部から熱が伝わり、フィラメント２１が熱膨張することによって生じるフィラメント２１の撓みが発生しないため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上することができる。
【００８３】
図１１は、本発明の他の実施例を示す平面図による構成図であり、図１２と共通する部分には同一の符号を付けている。図１１は、図１２のガスの流路２，３，４，５やフィラメント６，７を半導体製造工程により作製したものである。
【００８４】
ガスが、ガス導入口８から熱伝導検出器に導入され、各流路にガスが分流してガス導出口９から排出される。フィラメント６が配置される流路４の他に、流路断面積が大きい流路２および３を配置することで、熱伝導検出器の圧力損失を抑えつつ、フィラメント６が配置される流路４の流路断面積を小さくして熱伝導度の検出感度を向上する構成となっている。また、フィラメント７もフィラメント６と並列に並べられ、流路７にフィラメント７は構成されている。なお、初期変形を与える構造は図示していない。
【００８５】
図１１の構成によれば、フィラメント６，７の形状およびフィラメント６，７と流路壁面との距離などが設計どおり高精度に作製できる。また、各ガス流路における分流の比率なども容易に設計できる。
【００８６】
また、本発明はフィラメントを基板１０、１３で挟む構造をしている。
【００８７】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＥＭＳ技術を用いることにより、小型で熱的安定時間を比較的短くできて配置場所の制限が少なく量産化でき、抵抗値を高くできることから温度変化の検出が比較的容易に行え、さらに必要に応じて、条件の異なる流路やフィラメントを具備した熱伝導度検出器を同時に実現できる。
【００８８】
また、図７の実施例によれば、フィラメント２１に張力を与える機構、すなわちフィラメント２１をどちらか一方の基板１０、１３に固定する固定手段２２をどちらかの基板１０、１３に固定することにより、フィラメント２１に熱を加えた場合においても、フィラメント２１が熱膨張することによって生じる撓みを発生しないため、フィラメント２１の動作温度を上げて熱伝導度の検出感度を向上する熱伝導度検出器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例を断面図により示す工程図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す断面図による構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す断面図による構成図である。
【図９】フィラメントを基板に固定する方法を示す図である。
【図１０】図７のフィラメントを基板に固定する具体例を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す平面図による構成図である。
【図１２】従来の熱伝導度検出器の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 基板
１０ａ 凹部
１０ｂ，１０ｃ 貫通穴（ガス入力口および出力口）
１０ｄ，１０ｅ 貫通穴（電極）
１１ フィラメント
１２ａ，１２ｂ 金属膜（電極）
１３ 基板
１３ａ 凹部
１３ｂ，１３ｃ 段付部
１３ｄ，１３ｅ 貫通穴（ガス入力口および出力口）
２１ フィラメント
２１ａ ラッチ機能付き可動電極
２１ｂ スリット
２２、２４ 固定手段
２３ 固定電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、
前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、
前記接合された基板内部には中空部が形成され、
この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とする熱伝導度検出器。
【請求項２】
前記ガスの入出口は、前記接合された基板内部の中空部に連通するように前記基板の一部に設けられた貫通穴であることを特徴とする請求項１記載の熱伝導検出器。
【請求項３】
前記フィラメントは、単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導度検出器。
【請求項４】
前記ガスの入出口と前記フィラメントの電極は、前記接合された基板の一方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【請求項５】
前記ガスの入出口は前記接合された基板の一方に設けられ、前記フィラメントの電極は前記接合された基板の他方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【請求項６】
前記フィラメントを前記基板の一方に固定する固定手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【請求項１】
加熱したフィラメントにガスが接することにより発生するフィラメントの抵抗値の変化に基づきガスの熱伝導度を検出するように構成された熱伝導度検出器であって、
前記フィラメントと前記ガスの流路が接合された基板内部に設けられ、
前記接合された基板内部には中空部が形成され、
この中空部に前記フィラメントが支持されていることを特徴とする熱伝導度検出器。
【請求項２】
前記ガスの入出口は、前記接合された基板内部の中空部に連通するように前記基板の一部に設けられた貫通穴であることを特徴とする請求項１記載の熱伝導検出器。
【請求項３】
前記フィラメントは、単結晶シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝導度検出器。
【請求項４】
前記ガスの入出口と前記フィラメントの電極は、前記接合された基板の一方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【請求項５】
前記ガスの入出口は前記接合された基板の一方に設けられ、前記フィラメントの電極は前記接合された基板の他方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【請求項６】
前記フィラメントを前記基板の一方に固定する固定手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の熱伝導度検出器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１８５８６７（Ｐ２０１０−１８５８６７Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７３２６９（Ｐ２００９−２７３２６９）
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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