CN102713540A - 红外线式火焰检测器 - Google Patents
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Abstract
在本发明的红外线式火焰检测器中,红外线受光元件被收纳在封装体内。红外线受光元件的两个1组的焦电元件在焦电元件形成用基板中并列设置并被倒串联地连接。红外线光学滤光器具备:由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板;两个1组的窄波段透射滤光器部,其形成在滤光器形成用基板的一个表面侧中与各焦电元件分别对应的部位,使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射,其中,该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生;以及宽波段去除滤光器部,其形成在滤光器形成用基板的另一个表面侧,吸收波长比由各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线。各窄波段透射滤光器部具有夹设在第一λ/4多层膜与第二λ/4多层膜之间并根据选择波长来设定光学膜厚的波长选择层。
Description
技术领域
本发明涉及红外线式火焰检测器。
背景技术
以往,在各处研究开发出一种下述的红外线式火焰检测器:当发生火灾时检测由火焰中的二氧化碳(CO2气体)的共振辐射(也称为“CO2共振辐射”)产生的特定波长(4.3μm至4.4μm)的红外线来进行火焰检测(例如日本公开专利公报特开平3-78899号公报:专利文献1)。
其中,由CO2共振辐射产生的红外线如图23所示,从太阳光、高温物体或者低温物体放射出的红外线的相对强度光谱分布大不相同、放射出的红外线量总是变动,变动频率集中在1~15Hz之间这些现象广为人知(例如,空気調和·衛生工学会,“2.赤外線3波長式炎検知器”,〔online〕,〔平成21年3月21日検索〕,インタネット<URL:http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm>:非专利文献1)。
在上述非专利文献1中公开了一种图24所示的构成的红外线3波长式火焰检测器。该红外线3波长式火焰检测器具备:使CO2共振辐射波段的3个波长段(4.0μm、4.4μm、5.0μm)的红外线选择性地透射的3个光学滤光器(红外线光学滤光器)2201、2202、2203和分别接受透过各光学滤光器2201、2202、2203的红外线的3个红外线传感器2401、2402、2403。而且,该红外线3波长式火焰检测器具备具有仅使各红外线传感器2401、2402、2403各自输出中的1~10Hz的闪烁频率成分通过的电气带通滤波器并仅选择性地放大该频率成分的3个信号放大部2501、2502、2503。并且,该红外线3波长式火焰检测器具备利用独自的算法来计算从各信号放大部2501、2502、2503输出的信号值的大小、信号值间的比率等,仅在检测到从火焰辐射出的CO2共振辐射的光谱峰值图案的情况下才判断为发生火灾,并将火灾信号输送给警报信号输出部270的火灾判断部&控制部260。上述非专利文献1中记载了该红外线3波长式火焰检测器针对火焰的选择性能非常高,不对自然光、荧光灯、钠灯、水银灯等人工照明发出反应。
但是,在上述非专利文献1所公开的红外线3波长式火焰检测器中,将所具备的各光学滤光器2201、2202、2203以及各红外线传感器2401、2402、2403分别作为独立部件。因此,在该红外线3波长式火焰检测器中,被安装各光学滤光器2201、2202、2203并且收纳各红外线传感器2401、2402、2403的器件(未图示)的大小与上述专利文献1所述的红外线式火焰检测器的罐封装体(Can Package)相比相当大。
另一方面,上述专利文献1所公开的红外线式火焰检测器如图25A、图25B所示,具备:配置有4个红外线检测元件401、402、403、404的圆盘状的绝缘基板171;与绝缘基板171相结合的金属制的盖172;以及红外线光学滤光器20’,该红外线光学滤光器20’被以封堵在盖172的前壁形成的透光窗7a的形式配置,在分别与各红外线检测元件401、402、403、404对应的部位具有透射波段彼此不同的带通滤波器部2021、2022、2023、2024。该红外线火焰检测器利用绝缘基板171和盖172构成了罐封装体。其中,在图25A、图25B所示的构成的红外线式火焰检测器中,4个带通滤波器部2021、2022、2023、2024中的一个按照使4.3μm的红外线透射的方式设定了透射波段。而且,红外线光学滤光器20’通过在1个玻璃基板上分4次选择蒸镀根据各带通滤波器部2021、2022、2023、2024各自的透射特性而设计的多层膜,或者贴合4个扇形的带通滤波器部2021、2022、2023、2024而形成。
另外,以往作为红外线式气体检测器,已知有一种如图26所示,具备两个红外线光学滤光器201、202;两个红外线受光元件401、402;以及收纳两个红外线光学滤光器201、202以及两个红外线受光元件401、402的封装体7,将两个红外线光学滤光器201、202的透射波段设定成能够分别透射检测对象气体的吸收波长的红外线和作为参照光的波长而设定的波长的红外线的检测器,考虑过将这种红外线式气体检测器用作红外线火焰检测器。其中,封装体7采用由金属制的撑体(stem)71和金属制的盖72构成的罐封装体,各红外线光学滤光器201、202被以分别封堵设置在盖72上的两个透光窗的形式安装于盖72。
但是,在图26所示的构成中,由于透射波段不同的两个红外线光学滤光器201、202由独立的部件构成,所以存在着部件个数增加、分别需要将两个红外线光学滤光器201、202分别安装到封装体7上的工序、成本变高之类的问题。而且,在封装体7中需要为各红外线光学滤光器201、202留出粘接部分,导致封装体7的小型化存在困难。
与此相对,作为收纳在红外线式气体检测器的封装体中而使用的红外线受光模块,如图27所示,提出了一种在由MgO基板构成的基板300的一个表面侧形成两个红外线受光元件4001、4002,在各红外线受光元件4001、4002上分别层叠彼此透射波长不同的窄波段透射滤光器部2001、2002而成的模块(日本公开专利公报特开平7-72078号公报:专利文献2)。其中,各红外线受光元件4001、4002以及各窄波段透射滤光器部2001、2002利用溅射法等形成。这些各红外线受光元件4001、4002由焦电元件构成,其中,该焦电元件包括由PT膜构成的下部电极4011、4012;下部电极4011、4012上的由PbTiO3膜构成的焦电体膜4021、4022;以及焦电体膜4021、4022上的由NiCr膜构成的上部电极4031、4032。另外,作为构成成为各窄波段透射滤光器部2001、2002的各多层膜的多种薄膜的材料组合,采用了从Si、Ge、Se、Te、LiF、NaF、CaF2、MgF2的组中选择出的材料的组合等。其中,在图27所示的构成的红外线光学模块中,两个红外线受光元件4001、4002的下部电极4011、4012彼此形成为连续一体而电连接。
另外,以往提出了一种图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器(日本公开专利公报特开平3-205521号公报:专利文献3)。在该红外线式气体检测器中,红外线光学滤光器模块5和多个红外线受光元件401、402、403、404被收纳在封装体7中,其中,红外线光学滤光器模块5通过将透射波长彼此不同的多个红外线光学滤光器201、202、203、204形成为同一厚度,并借助由粘结剂构成的粘结层19(参照图28C)将该多个红外线光学滤光器201、202、203、204相邻的侧面彼此粘结而形成,多个红外线受光元件401、402、403、404接受分别透过各红外线光学滤光器201、202、203、204的红外线。该封装体7成为由金属制的撑体71和金属制的盖72构成的罐(CAN)封装体。另外,在该红外线式气体检测器中,设在盖72的前壁的透光窗7a被由蓝宝石基板构成的红外线透射部件80封堵,在封装体7内封入N2或者干燥空气。
上述专利文献3所公开的各红外线光学滤光器201、202、203、204,如图28C所示,在由Si基板构成的滤光器形成用基板1的一个表面侧,形成使红外线的规定波段透射的窄波段透射滤光器部2’,并且在滤光器形成用基板1的另一个表面侧,为了除去窄波段透射滤光器部2’中的透射波段以外的噪声成分而形成将红外线的短波段和长波段去除(cut)的宽波段去除滤光器部3’。而且,在上述专利文献3中记载了分别以由Ge和SiO构成的多层膜等来形成窄波段透射滤光器部2’以及宽波段去除滤光器部3’的方案。
另外,在红外线式火焰检测器中,需要将使由CO2气体的共振辐射产生的4.3μm的红外线选择性地透射的窄波段滤光器部的中心波长设定为4.3μm,将透射波段宽度设定为0.2μm左右,能够以10m以上的距离来检测打火机程度大小的火焰。
鉴于此,在红外线式火焰检测器的领域中,大多使用能够高灵敏度地进行测定的焦电元件、温差电堆来作为红外线受光元件。作为对焦电元件的输出进行放大的方式,有利用FET和与该FET的栅极连接的电阻的电流电压变换电路、或运算放大器的输出端子与反转输入端子之间连接了电容器的电流电压变换电路(日本公开专利公报特开平10-281866号公报:专利文献4)等。
可考虑将上述专利文献3公开的图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器用作红外线火焰检测器。但在制造时,从将滤光器特性不同的多种红外线光学滤光器201、202、203、204形成在彼此不同的晶片上,到从各晶片分别剪裁成各个红外线光学滤光器201、202、203、204后,需要利用粘结剂19来粘结滤光器特性不同的红外线光学滤光器201、202、203、204彼此。因此,对于这样的红外线火焰检测器而言,成本高并且由多个红外线光学元件401、402、403、404构成的红外线光学元件模块难以小型化,红外线受光元件401、402、403、404的中心间距离变大,在红外线受光元件401、402、403、404中到达的红外线的光路长之差变大。即,在这样的红外线火焰检测器中,导致由作为第一选择波长的4.3μm的红外线构成的检测光、与由该第一选择波长以外的第二选择波长的红外线构成的参照光之间的光路长之差变大。而且,在这样的红外线火焰检测器中,各红外线受光元件401、402、403、404的受光效率降低。
另外,在图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器中,由于设置在盖72的前壁的透光窗7a被由蓝宝石基板构成的红外线透射部件80封堵,所以能够利用红外线透射部件80对成为噪声原因的太阳光、照明光等干扰光的远红外线进行去除,但导致部件个数增加并且组装工数增加,并且由于蓝宝石基板价格昂贵并且剪裁等加工存在困难,所以成本高。另外,如果增加红外线光学滤光器201、202、203、204中的多层膜的层数,则能够在实现窄波段的带通滤光器的同时去除远红外线,但是成本变高。
另外,在图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器中,当为了在红外线光学滤光器201、202、203、204之间获得导通而利用了银膏等导电性粘结剂作为粘结剂19时,导致机械性强度变低。另外,在如图25A、图25B所示的构成的红外线式火焰检测器那样,通过在1个玻璃基板上分4次选择蒸镀根据各带通滤波器部2021、2022、2023、2024各自的透射特性而设计的电介质多层膜来形成红外线光学滤光器20’的红外线式火焰检测器中,由于需要依次形成分别构成带通滤波器部2021、2022、2023、2024的各多层膜,所以存在制造成本高的问题。另外,在通过贴合4个扇形的带通滤波器部2021、2022、2023、2024来形成红外线光学滤光器20’的情况下,由于需要分别形成透射特性不同的带通滤波器部2021、2022、2023、2024并形成扇形,所以存在制造成本高且机械强度低的问题。
另外,在图28A、图28B所示的构成中,各红外线光学滤光器201、202、203、204各自的一个表面以及另一个表面的周部露出。因此,在该构成中,需要按照不需要的红外线不入射到红外线受光元件401、402、403、404的方式在对多个红外线受光元件401、402、403、404进行保持的保持件90上设置多个收纳部901、902、903、904,分别将红外线受光元件401、402、403、404收纳到各收纳部901、902、903、904中。
与此相对,在上述专利文献2公开的图27所示的构成的红外线光学模块中,在由MgO基板构成的基板300的一个表面侧形成两个红外线受光元件4001、4002,在各红外线受光元件4001、4002上分别层叠了彼此透射波长不同的窄波段透射滤光器部2001、2002。因此,在该红外线光学模块中,能够缩短窄波段透射滤光器部2001、2002的中心间距离,可使第一选择波长(4.3μm)的红外线与第一选择波长以外的第二选择波长的红外线(参照光)之间的光路长之差变小,并且实现低成本化。
但是,在图27所示的构成的红外线光学模块中,与红外线受光元件4001、4002是焦电元件等释热型红外线受光元件无关,在红外线受光元件4001、4002上直接层叠了窄波段透射滤光器部2001、2002。因此,在该红外线光学模块中,热容量变大并且热绝缘性难以确保,导致响应性、灵敏度降低。
另外,在由上述专利文献4记载的电流电压变换电路构成的放大电路中,需要分别对各红外线受光元件的输出进行放大,但由于在各红外线受光元件的输出中存在因来自太阳光、弧光、荧光灯、热源等的红外线等干扰光而引起的直流偏压成分,所以若入射到红外线受光元件的红外线的强度过强,则有可能会因放大电路输出的饱和而使得提高放大电路的增益受到限制,S/N比的提高受到制限,从而有可能在红外线式火焰检测器中发生无法检测出火焰的情况。同样,在图24所示的红外线3波长式火焰检测器中,当入射到红外线传感器2401、2402、2403红外线的强度过大,也有可能引起信号放大部2501、2502、2503的信号的饱和,使得S/N比的提高受到制限而降低灵敏度,有可能发生无法检测出火焰的情况。
另外,由于焦电元件是吸收红外线作为热能,对因此产生的电荷量的变化(焦电效应)进行检测的所谓微分型检测元件,所以仅能够检测红外线的变化,需要检测0.1~10Hz程度这一低频率的红外线。但是,上述各电流电压变换电路的阻抗非常大,大到100GΩ~1TΩ,虽然基于高阻抗实现高S/N化是有效的,但由于阻抗高,所以易于受到外来辐射噪声的影响。
发明内容
本发明鉴于上述事由而提出,其目的在于,提供一种能够实现高灵敏度化以及低成本化的红外线式火焰检测器。
本发明的红外线式火焰检测器是红外线受光元件被收纳在封装体内,在所述封装体中所述红外线受光元件的前方配置有红外线光学滤光器的红外线式火焰检测器,所述红外线受光元件通过彼此极性不同的两个1组的焦电元件在焦电元件形成用基板上并列设置并且倒串联或者倒并联连接而成,所述红外线光学滤光器具备:由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板;两个1组的窄波段透射滤光器部,其形成在所述滤光器形成用基板的一个表面侧中与所述各焦电元件分别对应的部位,使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射,其中,该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生;以及宽波段去除滤光器部,其形成在所述滤光器形成用基板的另一个表面侧,吸收波长比由所述各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线;所述各窄波段透射滤光器部具有:层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种薄膜的第一λ/4多层膜;形成在所述第一λ/4多层膜的与所述滤光器形成用基板侧相反一侧,层叠有所述多种薄膜的第二λ/4多层膜;以及夹设在所述第一λ/4多层膜与所述第二λ/4多层膜之间,使光学膜厚根据所述选择波长而与所述各薄膜的光学膜厚不同的波长选择层。
在该红外线式火焰检测器中,优选所述宽波段去除滤光器部由层叠了折射率不同的多种薄膜的多层膜构成,该多种薄膜中至少1种薄膜由吸收远红外线的远红外线吸收材料形成。
在该红外线式火焰检测器中,优选所述滤光器形成用基板是Si基板或者Ge基板。
在该红外线式火焰检测器中,优选所述封装体是金属制的,所述滤光器形成用基板与所述封装体电连接。
在该红外线式火焰检测器中,优选对所述红外线受光元件的输出进行放大的放大电路的构成部件被收纳在所述封装体内。
附图说明
图1A是实施方式的红外线式火焰检测器的概要俯视图,图1B是红外线式火焰检测器的概要剖视图。
图2是图1的红外线式火焰检测器的概要分解立体图。
图3A是图1的红外线式火焰检测器中的红外线受光元件的概要俯视图,图3B是红外线受光元件的电路图,图3C是红外线检测元件的其他构成例的电路图。
图4是图1的红外线式火焰检测器中的红外线光学滤光器的概要剖视图。
图5是图1的红外线光学滤光器中的设定波长与反射波段的关系说明图。
图6是用于对图1的红外线光学滤光器的反射波段宽度进行说明的折射率周期构造的透射光谱图。
图7是图1的折射率周期构造中的低折射率材料的折射率与反射波段宽度的关系说明图。
图8是表示图1的红外线光学滤光器的滤光器主体部的基本构成的概要剖视图。
图9是图1的基本构成的特性说明图。
图10是图1的基本构成的特性说明图。
图11是图1的红外线光学滤光器中的由远红外线吸收材料形成的薄膜的透射光谱图。
图12是用于对图1的红外线光学滤光器的制造方法进行说明的主要工序剖视图。
图13是图1的红外线光学滤光器的由两个窄波段透射滤光器部构成的部分的透射光谱图。
图14是表示通过FT-IR(傅里叶变换红外分光法)对图1中的利用离子束辅助蒸镀装置形成的薄膜的膜质进行分析后的结果的图。
图15A是在Si基板上形成了膜厚为1μm的Al2O3膜后的参考例的透射光谱图,图15B是基于图15A的透射光谱图算出的Al2O3膜的光学参数(折射率、吸收系数)的说明图。
图16是图1的红外线光学滤光器的透射光谱图。
图17是图1的红外线光学滤光器的宽波段去除滤光器部的透射光谱图。
图18是利用了图1的红外线式火焰检测器的红外线式火焰检测装置的概要构成图。
图19是利用了图1的比较例的红外线式火焰检测器的红外线式火焰检测装置的概要构成图。
图20是物体的温度与辐射能量的关系说明图。
图21是Si的透射特性的说明图。
图22是Ge的透射特性的说明图。
图23是红外线产生源的强度波长分布与现有例的红外线3波长式火焰检测器的检测波段的关系说明图。
图24是现有例的红外线3波长式火焰检测器的框图。
图25A是另一现有例的红外线式火焰检测器的概要立体图,图25B是该红外线式火焰检测器的主要部分概要立体图。
图26是现有例的红外线式气体检测器的概要构成图。
图27是现有的红外线受光模块的概要剖视图。
图28A是另一现有例的红外线式气体检测器的概要纵剖视图,图28B是该红外线式气体检测器的概要横剖视图,图28C是红外线光学滤光器的概要侧面图。
具体实施方式
本实施方式的红外线式火焰检测器如图1以及图2所示,具备电路模块6以及封装体(package)7,其中,电路模块6具有:具备多个(这里是两个)焦电元件41、42的红外线受光元件40、以及设有对红外线受光元件40的输出进行信号处理的信号处理电路,封装体7由收纳电路模块6的罐封装体(这里为TO-5)构成。
封装体7具备:隔着由绝缘材料构成的隔垫物9被安装电路模块6的金属制的撑体71、和按照覆盖电路模块6的方式被固定在撑体71上的金属制的盖72,以贯通撑体71的形式设置与电路模块6的适当部位电连接的多个(这里为3个)端子引脚75。这里,撑体71被形成为圆盘状,盖72被形成为后面开放的有底圆筒状的形状,后面被撑体71封堵。其中,隔垫物9与电路模块6以及撑体71通过粘结剂被固定。
另外,在构成封装体7的一部分的上述盖72中位于红外线受光元件40的前方的前壁,形成有矩形状(本实施方式中为正方形状)的窗部7a,红外线光学滤光器20按照覆盖窗部7a的方式被从盖72的内侧配设。
另外,对撑体71而言,被上述各端子引脚75分别插通的多个端子用孔71b沿厚度方向贯通设置,各端子引脚75以被插通在端子用孔71b中的形式被密封部74封闭。
上述的盖72以及撑体71由铜板形成,通过焊接将从盖72的后端缘向外方延设的外凸缘部72c封接于形成在撑体71周部的凸缘部71c。
电路模块6由下述部件构成:第一电路基板62,其由作为上述信号处理电路的构成要素的IC63以及芯片状的电子部件64被安装在彼此不同面的印刷布线板(例如复合物贴铜层叠板等)构成;树脂层65,其被层叠在第一电路基板62中的电子部件64的安装面侧;防护板66,其在由玻璃环氧树脂等构成的绝缘性基材的表面形成由金属材料(例如铜等)构成的金属层(以下称为“防护层”)并被层叠在树脂层65上;以及第二电路基板67,其由安装有红外线受光元件40并且被层叠在防护板66上的印刷布线板(例如复合物贴铜层叠板)构成。其中,也可以取代防护板66,而仅由铜箔或金属板来形成防护层。
对第一电路基板62而言,在图2的下表面侧以倒装芯片的方式安装有IC63,在图2的上表面侧通过焊锡回流安装了多个电子部件64。
上述红外线受光元件40是彼此极性不同的两个1组的焦电元件41、42在由焦电材料(例如钽酸锂(LiTAO3)等)构成的焦电元件形成用基板41中并列设置并且按照可得到两个焦电元件41、42的差动输出的方式倒串联连接的双(dual)元件(参照图3B)。IC63集成有对红外线受光元件40的规定频率波段(例如1~10Hz程度)的输出进行放大的放大电路(带通放大器)、该放大电路后级的窗口比较器等。这里,在本实施方式的电路模块6中,由于设有上述的防护板66,所以能够防止因红外线受光元件40与上述放大电路的电容耦合等而引起的共振现象的产生。另外,红外线受光元件40只要能够得到两个1组的焦电元件41、42的差动输出即可,不限于两个1组的焦电元件41、42倒串联连接,例如也可以如图3C所示那样倒并联连接。
在第二电路基板67中,由于在厚度方向贯通设置有用于使红外线受光元件40的焦电元件41、42与第二电路基板67热绝缘的热绝缘用孔67a,所以在红外线受光元件40的焦电元件41、42与防护板66之间形成空隙,灵敏度变高。其中,除了在第二电路基板67上贯通设置热绝缘用孔67a之外,也可以在第二电路基板67上以在红外线受光元件40的焦电元件41、42与第二电路基板67之间形成空隙的形式突出设置支承红外线受光元件40的支持部。
对电路模块6而言,在第一电路基板62、树脂层65、防护板66、第二电路基板67上分别沿厚度方向贯通设置插通上述端子引脚75的贯通孔62b、65b、66b、67b,红外线受光元件40与上述信号处理电路经由端子引脚75而电连接。其中,如果采用将第一电路基板62、树脂层65、防护板66、第二电路基板67层叠,以形成沿电路模块6的厚度方向贯通的贯通孔的1次开孔加工来形成贯通孔62b、65b、66b、67b那样的部件内置基板施工方法,则能够实现制造工序的简略化并且电路模块6内的电连接变得容易。
在上述的3个端子引脚75中,1个是供电用的端子引脚75(75a)、另一个是信号输出用的端子引脚75(75b),剩余的1个是接地用的端子引脚75(75c),防护板66中的防护层与接地用的端子引脚75c电连接。这里,对端子引脚75a、75b进行封装的密封部74、74(74a、74b)由具有绝缘性的封装用玻璃形成,对端子引脚75c进行封装的密封部74(74c)由金属材料形成。总之,相对于端子引脚75a、75b与撑体71电绝缘,接地用的端子引脚75c与撑体71成为同电位。因此,防护板66的电位被设定为接地电位,但如果是能够起到防护功能的特定电位,则也可以设定为接地电位以外的电位。
当制造本实施方式的红外线式火焰检测器时,只要在将搭载有红外线受光元件40的电路模块6隔着隔垫物9安装到撑体71上后,通过将以红外线光学滤光器20封堵窗部7a的形式被固定的盖72的外凸缘部72c与撑体71的凸缘部71c熔接,来将由盖72和撑体71构成的金属制封装体7内密封即可。这里,为了防止由于湿度等的影响而造成的红外线受光元件40的特性变化,在封装体7内封入了干氮气。其中,本实施方式中的封装体7如上述那样是罐封装体,可提高对外来噪声的防护效果,并且基于气密性的提高实现耐候性的提高。不过,封装体7也可以由具有防护效果的陶瓷封装体构成。
上述的红外线光学滤光器20具有形成有后述的各窄波段滤光器部21、22以及宽波段去除滤光器部3的滤光器主体部20a和从该滤光器主体部20a周部向外方延设而固定在盖72的窗部7a的周部的凸缘部20b。这里,红外线光学滤光器20形成为滤光器部20a的俯视形状是矩形状(本实施方式中为正方形状),凸缘部20b的外周形状是矩形状(本实施方式中为正方形状)。此外,在本实施方式中,使滤光器主体部20a的平面形状为数mm见方的正方形状,但滤光器主体部20a的平面形状、尺寸没有特别限定。
红外线光学滤光器20如图4所示,具备由红外线透射材料(例如Si等)构成的滤光器形成用基板1;和两个1组的窄波段透射滤光器部21、22,其形成在该滤光器形成用基板1的一个表面侧(图4的上面侧)中与各焦电元件41、42分别对应的部位,使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性地透射,其中,该第一选择波长的红外线是由因火焰所引起的CO2气体的共振辐射而产生的。并且,红外线光学滤光器20具备形成在滤光器形成用基板1的另一个表面侧(图4的下面侧),对波长比由各窄波段滤光器部21、22设定的红外线的反射波段长的红外线进行吸收的宽波段去除滤光器部3。
上述的红外线光学滤光器20在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧并列设置有两个1组的窄波段透射滤光器部21、22。各窄波段透射滤光器部21、22具备:层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种(这里为2种)的薄膜21b、21a而成的第一λ/4多层膜21;形成在第一λ/4多层膜21的与滤光器形成用基板1侧相反一侧,并层叠有上述多种薄膜21a、21b而成的第二λ/4多层膜22;以及夹设在第一λ/4多层膜21与第二λ/4多层膜22之间,根据各选择波长使光学膜厚与各薄膜21a、21b的光学膜厚不同的波长选择层231、232。其中,2种薄膜21a、21b的光学膜厚偏差的允许范围是±1%左右,还根据该光学膜厚的偏差来决定物理膜厚偏差的允许范围。
另外,红外线光学滤光器20采用作为吸收远红外线的远红外线吸收材料的一种的Al2O3,作为第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22中的低折射率层、即薄膜21b的材料(低折射率材料),采用Ge作为高折射率层、即薄膜21a的材料(高折射率材料)。另外,在红外线光学滤光器20中,使波长选择层231、232的材料采用与从该波长选择层231、232正下方的第一λ/4多层膜21上起位于第二层的薄膜21b、21a的材料相同的材料,第二λ/4多层膜22中距离滤光器形成用基板1最远的薄膜21b、21b由上述的低折射率材料形成。这里,作为远红外线吸收材料,不限于Al2O3,也可以采用作为Al2O3以外的氧化物的SiO2、Ta2O5,由于SiO2与Al2O3相比折射率低,所以能够增大高折射率材料与低折射率材料之间的折射率差。
发生火灾时因火焰中的CO2气体的共振辐射而产生的特定波长即第一选择波长为4.3μm(至4.4μm),关于在住宅内等有可能产生的各种气体中的红外线的吸收波长,CH4(甲烷)是3.3μm,CO(一氧化碳)是4.7μm,NO(一氧化氮)是5.3μm。鉴于此,在本实施方式的红外线光学滤光器20中,将作为参照波长的第二选择波长设定为与第一选择波长相对较近的3.9μm,为了选择性地检测第一选择波长以及第二选择波长各自的红外线,窄波段透射滤光器部21、22需要在3.1μm~5.5μm程度的红外区域具有反射波段,2.4μm以上的反射波段宽度Δλ不可或缺。其中,如果将与各薄膜21a、21b共用的光学膜厚4倍相当的设定波长设为λ0,则反射波段如图5所示,在以作为入射光波长的倒数的波数为横轴、透射率为纵轴的透射光谱图中,以1/λ0为中心对称。
其中,在本实施方式中,为了通过适当地设定波长选择层231、232的各光学膜厚从而能够检测上述第一选择波长的红外线,将第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的设定波长λ0设为4.0μm。另外,如果将作为薄膜21a的材料的高折射率材料的折射率设为nH,将作为薄膜21b的材料的低折射率材料的折射率设为nL,则各薄膜21a、21b的物理膜厚分别设定成λ0/4nH、λ0/4nL。具体而言,在高折射率材料是Ge,低折射率材料是Al2O3的情况下,nH=4.0,nL=1.7,将由高折射率材料形成的薄膜21a的物理膜厚设定为250nm,将由低折射率材料形成的薄膜21b的物理膜厚设定为588nm。
这里,将在由Si基板构成的滤光器形成用基板1的一个表面侧交替层叠由低折射率材料构成的薄膜21b和由高折射率材料构成的薄膜21a而成的λ/4多层膜(折射率周期构造)的层叠数设为21,假设在各薄膜21a、21b处没有吸收(即假设各薄膜21a、21b的衰减系数是0),将设定波长λ0设为4μm时的透射光谱的模拟结果如图6所示。
在图6中横轴是入射光(红外线)的波长,纵轴是透射率,图6中的“A”表示了高折射率材料为Ge(nH=4.0),低折射率材料为Al2O3(nL=1.7)时的透射光谱,图6中的“B”表示了高折射率材料为Ge(nH=4.0),低折射率材料为SiO2(nL=1.5)时的透射光谱,图6中的“C”表示了高折射率材料为Ge(nH=4.0),低折射率材料为ZnS(nL=2.3)时的透射光谱。
另外,图7中表示了对高折射率材料为Ge、使低折射率材料的折射率发生变化的情况下的λ/4多层膜(折射率周期构造)的反射波段宽度Δλ进行模拟的结果。其中,图7中的“A”、“B”、“C”分别与图6中的“A”、“B”、“C”的点对应。
根据图6以及图7可知,随着高折射率材料与低折射率材料的折射率之差变大,反射波段宽度Δλ增大,可知在高折射率材料是Ge的情况下,通过采用Al2O3或者SiO2作为低折射率材料,能够至少确保3.1μm~5.5μm的红外区域的反射波段,可使反射波段宽度Δλ为2.4μm以上。
接着,图9以及图10表示了如图8所示那样将第一λ/4多层膜21的层叠数设为4,将第二λ/多层膜22的层叠数设为6,以Ge为薄膜21a的高折射率材料,以Al2O3为薄膜21b的低折射率材料,以作为低折射率材料的Al2O3为夹设在第一λ/4多层膜21与第二λ/4多层膜22之间的波长选择层23的材料,使该波长选择层23的光学膜厚在0nm~1600nm的范围发生各种变化时的透射光谱模拟结果。这里,图8中的箭头A1表示入射光,箭头A2表示透射光,箭头A3表示反射光。另外,若将该波长选择层23的材料的折射率设为n,将该波长选择层23的物理膜厚设为d,则波长选择层23的光学膜厚根据折射率n与物理膜厚d的乘积,即nd求出。其中,在该模拟中,也假定在各薄膜21a、21b处没有吸收(即各薄膜21a、21b的衰减系数为0),使设定波长λ0为4μm,使薄膜21a的物理膜厚为250nm,使薄膜21b的物理膜厚为588nm。
根据图9以及图10可知,通过第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22在3μm~6μm的红外区域形成了反射波段,并且可知通过适当地设定波长选择层23的光学膜厚nd,在3μm~6μm的反射波段中局部存在窄波段的透射波段。具体而言,可知通过使波长选择层23的光学膜厚nd在0nm~1600nm的范围变化,能够使透射峰值波长在3.1μm~5.5μm的范围连续变化。更具体而言,如果使波长选择层23的光学膜厚nd变化为1390nm、0nm、95nm、235nm、495nm,则透射峰值波长分别为3.3μm、4.0μm、4.3μm、4.7μm、5.3μm。
因此,通过不改变第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的设计地仅适当改变波长选择层23的光学膜厚的设计,不限于特定波长为4.3μm的火焰的传感,能够实现特定波长为3.3μm的CH4、特定波长为4.7μm的CO、特定波长为5.3μm的NO等各种气体的传感。其中,光学膜厚nd的0nm~1600nm的范围相当于物理膜厚d的0nm~941nm的范围。另外,波长选择层23的光学膜厚nd为0nm的情况下、即图9中没有波长选择层23的情况下的透射峰值波长变为4000nm是因为将第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的设定波长λ0设定为4μm(4000nm),通过使第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的设定波长λ0适当变化,能够使没有波长选择层23的情况下的透射峰值波长发生变化。
作为薄膜21b的低折射率材料,采用了吸收与由第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22设定的红外线的反射波段(即,由窄波段透射滤光器部21、22设定的红外线的反射波段)相比长波长段的红外线的远红外线吸收材料即Al2O3,但作为远红外线吸收材料,研究了MgF2、Al2O3、SiOx、Ta2O5、SiNx这5种。具体而言,图11表示分别就MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜将膜厚设定为1μm,将在Si基板上成膜时的成膜条件按照下述表1那样设定,来对MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜各自的透射光谱进行测定的结果。这里,作为MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜的成膜装置,利用了离子束辅助蒸镀装置。
[表1]
这里,表1中的“IB条件”是利用离子束辅助蒸镀装置成膜时的离子束辅助的条件,“无IB”是没有离子束的照射,“氧IB”是有氧离子束的照射,“ArIB”是有氩离子束的照射。另外,图11中横轴是波长,纵轴是透射率,图11中“A1”表示Al2O3膜的透射光谱、“A2”表示Ta2O5膜的透射光谱、“A3”表示SiOx膜的透射光谱、“A4”表示SiNx膜的透射光谱、“A5”表示MgF2膜的透射光谱。
另外,关于上述的MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜,下述表2表示以“光学特性:吸收”、“折射率”、“成膜容易性”为评价项目进行了研究后的结果。
[表2]
其中,关于“光学特性:吸收”的评价项目,利用根据图11的透射光谱算出的6μm以上的远红外线的吸收率进行了评价。在表2中,对于各评价项目分别从评价高的等级到低等级的顺序记载了“◎”、“○”、“△”、“×”。这里,关于“光学特性:吸收”的评价项目,远红外线的吸收率高的评价等级高,远红外线的吸收率低的评价等级低。另外,关于“折射率”的评价项目,从增大与高折射率材料的折射率差的观点出发,折射率低的评价等级高,折射率高的评价等级低。另外,关于“成膜容易性”的评价项目,利用蒸镀法或者溅射法易于得到致密膜的评价等级高,难以得到致密膜的评价等级低。其中,关于各评价项目,是使SiOx为SiO2,SiNx为Si3N4进行了评价后的结果。
根据表2得到下述结论:MgF2、Al2O3、SiOx、Ta2O5、SiNx这5种关于“成膜容易性”的评价项目差异不大,着眼于“光学特性:吸收”以及“折射率”的评价项目的结果是,优选采用Al2O3、SiOx、Ta2O5、SiNx中任一个作为远红外线吸收材料。其中,在采用Al2O3或者T2O5作为远红外线吸收材料的情况下,与远红外线吸收材料是SiOx、SiNx的情况相比,能够提高远红外线的吸收性。但是,从增大与高折射率材料的折射率差的观点出发,相比于T2O5优选采用Al2O3。另外,在采用SiNx作为远红外线吸收材料的情况下,能够提高由远红外线吸收材料形成的薄膜21b的耐湿性。而且,如果采用SiOx作为远红外线吸收材料,能够增大与高折射率材料的折射率差,可实现第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的层叠数(层数)的降低。
以下,一边参照图12A~图12E一边对红外线光学滤光器20中的窄波段透射滤光器部21、22的制造方法进行说明。
首先,进行第一λ/4多层膜形成工序,通过在由Si基板构成的滤光器形成用基板1的一个表面侧的整个面,使由作为低折射率材料的Al2O3构成的规定物理膜厚(这里为588nm)的薄膜21b与由作为高折射率材料的Ge构成的规定物理膜厚(这里为250nm)的薄膜21a交替层叠,来形成第一λ/4多层膜21。接着,通过进行波长选择层成膜工序来得到图12A所示的构造,其中,波长选择层成膜工序在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧(这里为第一λ/4多层膜21的表面)侧的整个面,形成由与从第一λ/4多层膜21上起位于第二层的薄膜21b相同的材料(这里为作为低折射率材料的Al2O3)构成并根据1个窄波段透射滤光器部21的选择波长设定了光学膜厚的波长选择层231。其中,如果作为各薄膜21b、21a以及波长选择层231的成膜方法,例如采用了蒸镀法、溅射法等,这能够连续地使2种薄膜21b、21a成膜,但在低折射率材料如上所述是Al2O3的情况下,优选采用离子束辅助蒸镀法,在薄膜21b成膜时照射氧离子束来提高薄膜21b的致密性。另外,作为低折射率材料,也可以采用作为Al2O3以外的远红外线吸收材料的SiOx、T2O5、SiNx。无论是哪种情况,在由远红外线吸收材料构成的薄膜21b成膜的过程中,优选利用离子束辅助蒸镀法来成膜,不仅能够精密地控制由低折射率材料构成的薄膜21b的化学组成,而且可提高薄膜21b的致密性。
在上述波长选择层成膜工序之后,进行利用光刻技术来形成仅覆盖与窄波段透射滤光器部21对应的部位的抗蚀剂层31的抗蚀剂层形成工序,由此来得到图12B所示的构造。
然后,进行波长选择层图案化工序来得到图12C所示的构造,其中,在波长选择层图案化工序中,以抗蚀剂层31为掩模,将第一λ/4多层膜21的最上层的薄膜21a作为蚀刻阻挡层来对波长选择层231的不要部分选择性进行蚀刻。这里,在波长选择层图案化工序中,若如上所述低折射率材料是氧化物(Al2O3),高折射率材料是半导体材料(Ge),则通过采用利用了氢氟酸系溶液作为蚀刻液的湿蚀刻,与采用干蚀刻的情况相比,能够进行蚀刻选择比高的蚀刻。其原因在于,如Al2O3、SiO2那样的氧化物易于在氢氟酸系溶液中溶解,与此相对,Ge在氢氟酸系溶液非常难溶。举出一个例子,如果利用由氢氟酸(HF)和纯水(H2O)的混合液构成的稀氢氟酸(例如氢氟酸的浓度是2%的稀氢氟酸)作为氢氟酸系溶液进行湿蚀刻,则Al2O3的蚀刻速度是300nm/min左右,Al2O3与Ge的蚀刻速度比是500∶1左右,能够进行蚀刻选择比高的蚀刻。
在上述的波长选择层图案化工序之后,通过进行将抗蚀剂层31除去的抗蚀剂层除去工序,能够得到图12D所示的构造。
在上述的抗蚀剂层除去工序之后,通过进行在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧的整个面使由作为高折射率材料的Ge构成的规定物理膜厚(250nm)的薄膜21a和由作为低折射率材料的Al2O3构成的规定物理膜厚(588nm)的薄膜21b交替层叠来形成第二λ/4多层膜22的第二λ/4多层膜形成工序,由此得到图12E所示的构造。其中,通过进行第二λ/4多层膜形成工序,在与窄波段透射滤光器部22对应的区域中,可在第一λ/4多层膜21最上层的薄膜21a上直接层叠第二λ/4多层膜22的最下层的薄膜21a,由该最上层的薄膜21a和该最下层的薄膜21a构成了窄波段透射滤光器部22的波长选择层232。其中,该窄波段透射滤光器部22的透射光谱在图10的模拟结果中,相当于光学膜厚nd是0nm的情况。此外,如果作为各薄膜21a、21b的成膜方法,采用例如蒸镀法、溅射法等,则能够使2种薄膜21a、21b连续成膜,但是在低折射率材料如上所述为Al2O3的情况下,优选采用离子束辅助蒸镀法,在薄膜21b成膜时照射氧离子束来提高薄膜21b的致密性。
总之,当制造红外线光学滤光器20的窄波段透射滤光器部21、22时,在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧层叠折射率不同并且光学膜厚相等的多种(这里为2种)薄膜21b、21a的基本工序的途中,进行一次波长选择层形成工序来形成多个窄波段透射滤光器部21、22,波长选择层形成工序包括:在上述层叠膜上成膜波长选择层23i的波长选择层成膜工序,该波长选择层23i(这里为i=1)由与上述基本工序的途中的层叠膜(这里为第一λ/4多层膜21)上第二层相同的材料构成,是根据多个窄波段透射滤光器部21、……、2m(这里m=2)中任意1个窄波段透射滤光器部2i(这里为i=1)的选择波长设定了光学膜厚的波长选择层;和波长选择层图案化工序,以上述层叠膜的最上层作为蚀刻阻挡层,对与在波长选择层成膜工序中成膜得到的波长选择层23i中的上述任意1个窄波段透射滤光器部2i对应的部分以外的不要部分进行蚀刻。这里,在上述基本工序的途中,如果进行多次波长选择层形成工序,则能够在1个芯片上制造具有更多选择波长的红外线光学滤光器20。
另外,在上述的制造方法中,在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧层叠多种薄膜21a、21b的基本工序的途中,在上述层叠膜上形成由与该途中的层叠膜(这里为第一λ/4多层膜21)上第二层相同的材料构成的薄膜,并且该薄膜是根据各滤光器部21、……、2m(这里m=2)中的任意1个滤光器部2i(这里i=1)的选择波长设定了光学膜厚的薄膜,通过对在上述层叠膜上成膜的薄膜中与上述任意1个滤光器部2i(这里i=1)对应的部分以外的部分进行蚀刻,形成了至少1个波长选择层231的图案。但并不限于此,只要在基本工序的途中形成至少1个波长选择层231的图案即可,例如也可以在波长选择层232是与波长选择层231相同的材料并且与波长选择层231相比光学膜厚被设定得较小的情况下,通过对上述层叠膜上的薄膜进行蚀刻直到中途为止,来形成两个波长选择层231、232的图案。
另外,不限于上述的制造方法,也可以在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧形成第一λ/4多层膜21的第一λ/4多层膜形成工序、与在和第一λ/4多层膜的滤光器形成用基板1侧相反的一侧形成第二λ/4多层膜22的第二λ/4多层膜形成工序之间,通过掩模蒸镀分别在与各滤光器部21、……、2m(这里为m=2)对应的各部位形成彼此光学膜厚不同的波长选择层231、……、23m(这里为m=2)。
另外,在上述的制造方法中,当上述2种薄膜21a、21b中的一方薄膜21b的远红外线吸收材料是SiOx或者SiNx,另一方薄膜21a是Si时,优选在利用以Si为蒸发源的离子束辅助蒸镀装置对由Si构成的薄膜21a进行成膜时采用真空环境,在对由作为氧化物的SiOx构成的薄膜21b进行成膜时照射氧离子束,在对由作为氮化物的SiNx构成的薄膜21b进行成膜时照射氮离子束。由此,在上述的制造方法中,由于能够使2种薄膜21a、21b的蒸发源共用化,所以无需准备具备多个蒸发源的离子束辅助蒸镀装置,可实现制造成本的低成本化。同样,在上述的制造方法中,当上述2种薄膜21a、21b中的一方薄膜21b的远红外线吸收材料是SiOx或者SiNx,另一方面薄膜21a是Si时,在利用以Si为靶的溅射装置形成由Si构成的薄膜21a时采用真空环境,在形成由SiOx构成的薄膜21b时采用氧环境,在形成由SiNx构成的薄膜21b时采用氮环境。由此,在上述的制造方法中,由于能够使2种薄膜21a、21b的靶子共用化,所以无需准备具备多个靶的溅射装置,能够实现制造成本的低成本化。
在上述的红外线光学滤光器20的窄波段透射滤光器部21、22中,通过适当设定波长选择层231、232各自的光学膜厚nd,能够如图13所示那样通过1个芯片将具有透射峰值波长(中心波长)的红外线光学滤光器20实现为大致3.9μm和大致4.3μm。这里,对透射峰值波长为大致3.9μm的透射光谱和透射峰值波长为大致4.3μm的透射光谱而言,二者半值宽度(FWHM)都为约100nm,但是通过适当设计窄波段透射滤光器部21、22,能够扩大半值宽度,提高透射率。
此外,第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22只要具有折射率周期构造即可,也可以层叠3种以上的薄膜而成。
下面,说明红外线光学滤光器20的宽波段去除滤光器部3。
宽波段去除滤光器部3由层叠了折射率不同的多种(这里为2种)薄膜3a、3b的多层膜构成。这里,宽波段去除滤光器部3采用作为吸收远红外线的远红外线吸收材料的一种的Al2O3作为折射率相对低的低折射率层即薄膜3a的材料,采用Ge作为折射率相对高的高折射率层即薄膜3b的材料,使薄膜3a与薄膜3b交替层叠,将层叠数设为11,但该层叠数没有特别限定。不过,从光学特性稳定性的观点出发,优选宽波段去除滤光器部3由作为低折射率层的薄膜3a构成距离滤光器形成用基板1最远的最上层。这里,作为远红外线吸收材料,不限于Al2O3,也可以采用作为除了Al2O3以外的氧化物的SiO2、Ta2O5,由于SiO2相比于Al2O3折射率低,所以能够增大高折射率材料与低折射率材料的折射率差。另外,作为远红外线吸收材料,也可以采用作为氮化物的SiNx。
如上所述,在宽波段去除滤光器部3中,2种薄膜3a、3b中的1种薄膜3a由作为吸收远红外线的远红外线吸收材料的Al2O3形成,但只要多种中的至少1种由远红外线吸收材料形成即可。例如,作为3种薄膜,Ge膜、Al2O3膜和SiOx膜可以成为从靠近由Si基板构成的半导体基板1侧起按照Ge膜-Al2O3膜-Ge膜-SiOx膜-Ge膜-Al2O3膜-Ge膜……的顺序层叠的多层膜,该情况下,3种薄膜中的2种薄膜由远红外线吸收材料形成。
在上述的宽波段去除滤光器部3中,吸收波长段比由窄波段透射滤光器部21、22设定的红外线的反射波段长的远红外线。这里,在宽波段去除滤光器部3中,采用了Al2O3作为吸收红外线的远红外线吸收材料,但与上述的窄波段透射滤光器部21、22同样地研究了MgF2、Al2O3、SiOx、Ta2O5、SiNx这5种作为远红外线吸收材料的方案。
这里,本申请发明人为了确认离子束辅助的效果,准备了使在Si基板上形成Al2O3膜时的离子束的照射量发生各种变化的样品,利用FT-IR(傅里叶变换红外分光)来分析各样品的Al2O3膜的膜质差异。图14表示FT-IR的分析结果,横轴是波数,纵轴是吸收率,图14中的“A1”表示了没有离子束辅助的情况下的样品,“A2”、“A3”、“A4”、“A5”、“A6”表示了使离子束的照射量从少到多变化时的各样品各自的分析结果。由该图14可知,通过照射离子束,能够降低由于水分而产生的3400cm-1附近的吸收率,越增加离子束的照射量,由于水分而引起的3400cm-1附近的吸收率越降低。总之,可以推测出通过离子束辅助能够提高Al2O3膜的膜质,可提高致密性。
另外,在如上所述那样采用Al2O3或者T2O5作为远红外线吸收材料的情况下,与远红外线吸收材料是SiOx、SiNx的情况相比,能够提高远红外线的吸收性。
另外,本申请发明人在对Si基板上形成1μm的Al2O3膜的参考例的透射光谱进行测定的过程中,得到图15A的“A1”所示的实测值,并得到实测值“A1”偏离图15A中的“A2”所示的计算值这一见解,根据图15A的实测值“A1”并利用Cauchy的公式算出了由Al2O3形成的薄膜3a的光学参数(折射率、吸收系数)。图15B表示该算出的光学参数。在图15B所示的新建的光学参数中,折射率以及吸收系数在800nm~20000nm的波长段中都不是一定的,随着波长变长折射率慢慢降低,而在波长为7500nm~15000nm波长段中随着波长变长,吸收系数慢慢变大。
图16的“A1”表示利用上述Al2O3膜的新建的光学参数,作为红外线光学滤光器20,将具有下述表3的层叠构造并且透射峰值波长是4.4μm的窄波段透射滤光器部21、和具有下述表4的层叠构造的宽波段去除滤光器部3按照在滤光器形成用基板1的厚度方向重叠的方式形成的部分的透射光谱的模拟结果。另外,图16的“A2”表示不利用上述Al2O3膜的新建的光学参数,而使Al2O3膜的折射率固定,使吸收系数固定为0的比较例的模拟结果。其中,实施例、比较例中均是Ge的折射率固定为4.0,吸收系数固定为0.0而进行的模拟。
[表3]
构成要素 | 膜种类 | 膜厚(nm) |
薄膜21b | Al2O3 | 600 |
薄膜21a | Ge | 230 |
薄膜21b | Al2O3 | 600 |
薄膜21a | Ge | 230 |
薄膜21b | Al2O3 | 600 |
波长选择层231 | Ge | 460 |
薄膜21a | Al2O3 | 600 |
薄膜21a | Ge | 230 |
薄膜21b | Al2O3 | 600 |
薄膜21a | Ge | 230 |
薄膜21b | Al2O3 | 600 |
滤光器形成用基板1 | Si基板 | - |
[表4]
构成要素 | 膜种类 | 膜厚(nm) |
薄膜3a | Al2O3 | 749 |
薄膜3b | Ge | 73 |
薄膜3a | Al2O3 | 563 |
薄膜3b | Ge | 37 |
薄膜3a | Al2O3 | 463 |
薄膜3b | Ge | 149 |
薄膜3a | Al2O3 | 254 |
薄膜3b | Ge | 91 |
薄膜3a | Al2O3 | 433 |
薄膜3b | Ge | 517 |
薄膜3a | Al2O3 | 182 |
薄膜3b | Ge | 494 |
薄膜3a | Al2O3 | 185 |
薄膜3b | Ge | 498 |
薄膜3a | Al2O3 | 611 |
薄膜3b | Ge | 465 |
薄膜3a | Al2O3 | 626 |
薄膜3b | Ge | 467 |
薄膜3a | Al2O3 | 749 |
薄膜3b | Ge | 513 |
薄膜3a | Al2O3 | 1319 |
薄膜3b | Ge | 431 |
薄膜3a | Al2O3 | 1319 |
薄膜3b | Ge | 86 |
薄膜3a | Al2O3 | 140 |
薄膜3b | Ge | 27 |
薄膜3a | Al2O3 | 39 |
薄膜3b | Ge | 4 |
薄膜3a | Al2O3 | 15 |
滤光器形成用基板1 | Si基板 | - |
在上述的图16中,横轴是入射光(红外线)的波长,纵轴是透射率。根据图16可知,在没有利用Al2O3膜的新建光学参数的比较例的透射光谱“A2”中,9000nm~20000nm的远红外线未被去除,与此相对,在利用了Al2O3膜的新建光学参数的实施例的透射光谱“A1”中,9000nm~20000nm的远红外线也被去除,利用层叠数为29层的宽波段去除滤光器部3和层叠数为11层的窄波段透射滤光器部21能够去除波长为800nm~20000nm的宽波段的红外线,可以仅在4.3μm附近局部得到窄波段的透射波段。其中,宽波段去除滤光器部3的透射光谱例如如图17所示,在图17的例子中,4μm以下的近红外线和5.6μm以上的远红外线被去除。
在制造本实施方式的红外线光学滤光器20时,只要首先进行通过在由Si基板构成的滤光器形成用基板1的上述另一个表面侧使由例如Al2O3膜构成的薄膜3a和例如由Ge膜构成的薄膜3b交替层叠,来形成宽波段去除滤光器部3的宽域去除滤光器部形成工序,然后在滤光器形成用基板1的上述一个表面侧如上所述那样形成窄波段透射滤光器部21、22即可。
接着,一边参照图18一边对利用了本实施方式的红外线式火焰检测器的红外线式火焰检测装置进行说明。
图18所示的红外线式火焰检测装置具备:红外线受光元件40,其由彼此极性不同的两个1组的焦电元件41、42在焦电元件形成用基板41中并列设置且倒串联连接而成;红外线光学滤光器20,其具有宽波段去除滤光器部3以及透射波长段相互不同的两个窄波段透射滤光器部21、22并被配置在红外线受光元件40的前方;放大部(放大电路)63a,其对红外线受光元件40的输出(两个1组的焦电元件41、42的差动输出)进行放大;以及信号处理部100,其由基于放大部63a的输出信号来判定有无火灾的火焰的微机等构成。这里,在判断为存在火灾的火焰的情况下,信号处理部100可以将火灾检测信号输出给外部的通报装置,也可以由LED、显示器等显示装置、扬声器、蜂鸣器等声音装置报知火灾的产生。此外,放大部63a被设置在上述的IC63上,但在IC63上除了放大部63a之外,还可以设置信号处理部100。总之,可以在本实施方式的红外线式火焰检测器上设置信号处理部100。
作为图18所示的构成的红外线式火焰检测装置的比较例,可考虑图19所示的构成的红外线式火焰检测装置。
图19所示的构成的红外线式火焰检测装置具备:各自由1个焦电元件构成的红外线受光元件401、402;利用蓝宝石基板形成并配置在红外线受光元件401、402的前方的红外线光学滤光器3201、3202;分别对各红外线受光元件401、402各自的输出信号进行放大的两个放大部(放大电路)1631、1632;求出两个放大部1631、1632的输出信号的差值的减法器164;和基于减法器164的输出信号来判定有无火灾的火焰的由微机等构成的信号处理部100’。其中,图19所示的构成的红外线式火焰检测装置利用红外线受光元件401、402、收纳红外线受光元件401、402的罐封装体1701、1702以及红外线光学滤光器3201、3202构成了红外线传感器3401、3402。但在该红外线式火焰检测装置中,由于红外线受光元件401、402的输出信号微弱,易于受到电磁噪声的影响,所以通过利用防护部件180防护两个红外线传感器3401、3402和两个放大部1631、1632以及减法器164,来构成红外线式火焰检测器,红外线式火焰检测器的大小与罐封装体1701、1702的大小相比相当大型化,导致红外线式火焰检测装置也大型化。
与此相对,由于图18所示的构成的红外线式火焰检测装置利用上述的红外线式火焰检测器,所以与图19所示的构成的红外线式火焰检测装置相比,能够实现红外线火焰检测器的急剧小型化,可实现红外线式火焰检测装置的急剧小型化。
另外,由于图18所示的构成的红外线式火焰检测装置具备上述的红外线光学滤光器20,所以具有能够除去因热辐射产生的红外线的影响这一优点。这里,在物体是黑体的情况下,物体温度与辐射能量的关系如图20所示,从物体辐射出的红外线的辐射能量分布依赖于物体的温度。这里,如果根据Wien的位移侧,将赋予辐射能量分布的极大值的红外线的波长设为λ〔μm〕,将物体的绝对温度设为T〔K〕,则波长λ为λ=2898/T。从热源辐射出的光谱与从发光二极管辐射出的光谱相比非常宽(broad)。因此,在图19所示的比较例的红外线式火焰检测装置中,成为噪声的原因、放大部1631、1632饱和的原因、灵敏度降低的原因,但在图18所示的构成的红外线式火焰检测装置中,能够防止放大部63a的饱和,实现灵敏度的提高。
在火灾时,由于火焰的热会引起CO2气体的共振辐射,辐射出峰值波长为4.3μm的红外线。由于该CO2气体的共振辐射而产生的红外线的辐射光谱是以4.3μm为峰值波长的窄波段辐射光谱。另一方面,对太阳光、热源、弧光、照明等干扰光而言,一般辐射出特定波长的光谱的情况较少,大多数是波段大的宽辐射光谱。鉴于此,在本实施方式中,如上所述,将第一选择波长设定成作为CO2气体共振辐射的峰值波长的4.3μm,将第二选择波长设定成4.3μm附近的3.9μm。这里,优选第二选择波长被设定成干扰光的该第二选择波长的红外线强度尽量与干扰光为4.3μm的红外线强度接近那样的波长。
这里,在图19所示的构成的红外线式火焰检测装置中,当将各红外线光学滤光器3201、3202各自的选择波长设为4.3μm、3.9μm,将各红外线受光元件401、402各自的输出信号中的由于火焰而引起的4.3μm、3.9μm各自的红外线的信号成分设为Is1、Is2,将仅由干扰光引起的4.3μm、3.9μm各自的红外线的直流偏压成分设为Id1、Id2,将各放大部1631、1632的放大率为G1、G2,将各放大部1631、1632的输出信号为I1、I2时,
I1=(Is1+Id1)×G1
I2=(Is2+Id2)×G2。
因此,减法器164的输出信号为I1-I2=(Is1+Id1)×G1-(Is2+Id2)×G2。但是,由于在基于干扰光的直流偏压成分Id1、Id2非常大的情况下,会引起各放大部1631、1632的饱和,所以S/N比降低。
与此相对,由于在图18所示的构成的红外线式火焰检测装置的红外线受光元件40中,为了在焦电元件形成用基板41上得到两个焦电元件41、42的差动输出,将两焦电元件41、42如图3(b)那样连接,所以若设焦电元件41、42各自的输出信号与上述红外线受光元件401、402相同,红外线受光元件40的输出为I,则I=(Is1+Id1)-(Is2+Id2)。
这里,由于干扰光的辐射光谱一般较宽,所以如果将第一选择波长和第二选择波长选择成包含在干扰光的辐射强度大致相同的波段,则可以视为Id1=Id2,
从而I=Is1-Is2,能够消除因太阳光等干扰光引起的直流偏压成分的影响(即,在没有发生火灾、没有发生由于CO2气体的共振辐射而产生的红外线的情况下,红外线受光元件40的输出大致为零),能够使放大红外线受光元件40的输出的放大部63a的增益变大,可提高S/N比。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,如上所述,红外线光学滤光器20具备:由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板1;两个1组的窄波段透射滤光器部21、22,其形成在该滤光器形成用基板1的上述一个表面侧中与各焦电元件41、42分别对应的部位,使由特定波长(4.3μm)构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长(例如3.9μm)的第二选择波长的红外线分别选择性地透射,其中,该第一选择波长的红外线由因火焰引起的CO2气体的共振辐射而产生;以及宽波段去除滤光器部3,其形成在滤光器形成用基板1的上述另一个表面侧,吸收波长比由各窄波段透射滤光器部21、22设定的红外线的反射波段长的红外线。这里,在红外线式火焰检测器中,各窄波段透射滤光器部21、22具有:层叠了折射率不同并且光学膜厚相等的多种薄膜21a、21b而成的第一λ/4多层膜21;形成在第一λ/4多层膜21的与滤光器形成用基板1侧相反的一侧,层叠了多种薄膜21a、21b而成的第二λ/4多层膜22;以及夹设在第一λ/4多层膜21与第二λ/4多层膜22之间,根据上述选择波长使光学膜厚与各薄膜21a、21b的光学膜厚不同的波长选择层231、232。于是,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,可基于具有多个窄波段透射滤光器部21、22的红外线受光滤光器20的小型化实现低成本化,并且,能够缩短多个窄波段透射滤光器部21、22的中心间距离,从而能够减小特定波长的红外线与参照波长的红外线的光路长之差,可实现红外线受光元件40的各焦电元件41、42的受光效率的提高。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,红外线光学滤光器20的宽波段去除滤光器部3由层叠了折射率不同的多种薄膜3a、3b的多层膜构成,该多种薄膜3a、3b中的至少1种薄膜3a由吸收远红外线的远红外线吸收材料形成。于是,根据本实施方式的红外线式火焰检测器,能够实现多层膜的层数降低,可利用基于构成宽波段去除滤光器部3的多层膜的光的干涉效应、和构成该多层膜的薄膜3a的远红外线吸收效应,不利用蓝宝石基板就能够实现从近红外线到远红外线的宽波段下的红外线去除功能,可实现低成本化。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,由于在红外线光学滤光器20的窄波段透射滤光器部21、22中,也由于基于第一λ/4多层膜21以及第二λ/4多层膜22的光的干涉效应、和由第一λ/4多层膜21、波长选择层231、232以及第二λ/4多层膜22构成的多层膜中的薄膜21b的远红外线吸收材料下的远红外线吸收效应,而具有从近红外线到远红外线的宽波段下的红外线去除功能,所以具有从近红外线到远红外线的宽波段下的红外线去除功能,并且可实现能够使所希望的选择波长的红外线选择性透射的低成本的红外线光学滤光器20。
另外,在上述的红外线光学滤光器20中,由于采用了氧化物或者氮化物作为远红外线吸收材料,所以可防止由远红外线吸收材料构成的薄膜3a、21b发生氧化而光学特性发生变化的情况。另外,在上述的红外线光学滤光器20中,由于宽波段去除滤光器部3以及各窄波段透射滤光器部21、22均是距离滤光器形成用基板1最远的最上层由上述的氧化物或者氮化物形成,所以能够防止由于与空气中的水分或氧气的反应、杂质的吸附、附着等而引起最上层薄膜3a、21b的物性发生变化的情况,能够提高滤光器性能的稳定性,并且能够降低宽波段去除滤光器部3以及各窄波段透射滤光器部21、22表面上的反射,可实现滤光器性能的提高。
另外,在上述的红外线光学滤光器20中,由于由远红外线吸收材料形成的薄膜3a和由与远红外线吸收材料相比作为高折射率材料的Ge形成的薄膜3b交替层叠来构成宽波段去除滤光器部3的多层膜,所以与高折射率材料是Si、PbTe、ZnS的情况相比,能够增大高折射率材料与低折射率材料的折射率差,可降低该多层膜的层叠数。另外,在采用Si作为高折射率材料的情况下,与高折射率材料是ZnS的情况相比,能够增大多层膜中的高折射率材料与低折射率材料的折射率差,可降低多层膜的层叠数(层数)。另外,关于窄波段透射滤光器部21、22,出于同样的理由也能够降低层叠数。
在本实施方式中,利用Si基板作为红外线光学滤光器20的滤光器形成用基板1,但滤光器形成用基板1不限于Si基板,也可以利用Ge基板。关于Si以及Ge各自的透射特性,在图21、22中分别表示了网络上公开的数据(〔平成21年2月25日检索〕,网络<URL:http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm>)。
在本实施方式的红外线式火焰检测器中,通过如上所述,利用Si基板或者Ge基板作为滤光器形成用基板1,与滤光器形成用基板1是蓝宝石基板、MgO基板、ZnS基板情况相比,能够实现低成本化。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,封装体7是金属制的,滤光器形成用基板1与封装体7的盖72通过由导电性的接合材料(例如银膏、焊锡等)构成的接合部58接合而电连接。由此,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,能够利用滤光器形成用基板1和封装体7来进行电磁防护,可防止外来辐射噪声(电磁噪声)对红外线受光元件40的影响,能够基于S/N比的提高实现高灵敏度化。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,盖72的窗部7a被开口成矩形状,并且在红外线光学滤光器20中形成被定位在盖72的窗部7a的内周面以及周部的台阶部20c,借助由上述接合材料构成的接合部58将红外线光学滤光器20中的台阶部20c固定在盖72上。因此,能够提高红外线光学滤光器20与红外线受光元件40的平行度,可以提高红外线光学滤光器20的各窄波段透射滤光器部21、22的光轴方向的各窄波段透射滤光器部21、22与红外线受光元件40的各焦电元件41、42的距离精度,并且可以提高各窄波段透射滤光器部21、22的光轴与各焦电元件41、42的受光面的光轴的对合精度。
另外,在本实施方式的红外线式火焰检测器中,由于对红外线受光元件40的输出进行放大的放大部(放大电路)63a的构成部件被收纳在封装体7内,所以能够缩短红外线受光元件40与放大部63a的电路,并且由于放大部63a也被电磁防护,所以可基于S/N比的进一步提高实现高灵敏度化。
Claims (5)
1.一种红外线式火焰检测器,是红外线受光元件被收纳在封装体内,在所述封装体中所述红外线受光元件的前方配置有红外线光学滤光器的红外线式火焰检测器,该红外线式火焰检测器的特征在于,
所述红外线受光元件通过彼此极性不同的两个1组的焦电元件在焦电元件形成用基板上并列设置并且倒串联或者倒并联连接而成,所述红外线光学滤光器具备:由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板;两个1组的窄波段透射滤光器部,其形成在所述滤光器形成用基板的一个表面侧中与所述各焦电元件分别对应的部位,使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射,其中,该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生;以及宽波段去除滤光器部,其形成在所述滤光器形成用基板的另一个表面侧,吸收波长比由所述各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线;所述各窄波段透射滤光器部具有:层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种薄膜的第一λ/4多层膜;形成在所述第一λ/4多层膜中与所述滤光器形成用基板侧相反一侧,层叠有所述多种薄膜的第二λ/4多层膜;以及夹设在所述第一λ/4多层膜与所述第二λ/4多层膜之间,使光学膜厚根据所述选择波长而与所述各薄膜的光学膜厚不同的波长选择层。
2.根据权利要求1所述的红外线式火焰检测器,其特征在于,
所述宽波段去除滤光器部由层叠有折射率不同的多种薄膜的多层膜构成,该多种薄膜中的至少1种薄膜由吸收远红外线的远红外线吸收材料形成。
3.根据权利要求1所述的红外线式火焰检测器,其特征在于,
所述滤光器形成用基板是Si基板或者Ge基板。
4.根据权利要求3所述的红外线式火焰检测器,其特征在于,
所述封装体是金属制的,所述滤光器形成用基板与所述封装体电连接。
5.根据权利要求4所述的红外线式火焰检测器,其特征在于,
对所述红外线受光元件的输出进行放大的放大电路的构成部件被收纳在所述封装体内。
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Application publication date: 20121003 |