CN105593666B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够减小测定误差、简单且小型的可靠性高的气体传感器。具备第一光源(20)以及以使从第一光源(20)输出的光入射到第一传感器部(31)和第二传感器部(32)的方式分别配置的第一传感器部(31)和第二传感器部(32)，还具备在第一主面(411)上设置有第一光源(20)和第一传感器部(31)的第一基板(41)以及在第一主面(422)上设置有第二传感器部(32)的第二基板(42)。第一传感器部(31)的配置位置被设定在第一基板(41)的第一主面(422)上的、从第一光源(20)输出的光中的由第二主面(412)反射的光入射的位置。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及一种气体传感器。
背景技术
近年来，气体的有无和浓度测定受到关注，其中环境气体(例如CO2、NO等)的有无以及浓度测定备受关注。
高精度地对这些气体进行测定的传感器中存在化学反应式的气体传感器和光学式的气体传感器。从测定精度的高低、经时变化少这样的观点出发，光学式的气体传感器尤其受到关注。光学式的气体传感器具备释放会被测定对象的气体的分子所吸收的波长的光源以及用于读出其信号的传感器。
上述的环境气体强烈吸收波长为数μm附近(例如CO2的情况下为波长4.3μm附近)的光，因此要求发出该波长频带的光的光源以及输出与该波长频带的光的强度相应的信号的传感器。在中红外区域～远红外区域发光的LED主要用于非分散型红外线式(以下为NDIR方式)的气体传感器，正在进行开发。
图29的(a)是表示第一现有例所涉及的NDIR方式的气体传感器的结构例的概念图。如图29的(a)所示，该NDIR方式的气体传感器具备气室910、放射波长与气体的固有的吸收波长频带对应的红外线的光源920以及能够探测该波长频带的光的强度的红外线传感器930。光源920和红外线传感器930被设置在气室910内。NDIR方式的气体传感器是如下的气体传感器：使想要测定的气体在气室910内流动或滞留在气室910内，基于在气室内的光源920与红外线传感器930之间的空间被吸收的红外线量来求出想要测定的气体的浓度。因而，当NDIR方式的气体传感器的光源的强度变化时，测定出的气体的浓度的绝对值产生偏差，因此无法测定正确的浓度。
另外，图29的(b)是表示第二现有例所涉及的NDIR方式的气体传感器的结构例的概念图。如图29的(b)所示，一般已知有如下的方法(例如参照专利文献1)：通过取参照用传感器931与检测用传感器932两方的输出比来使光源920的输出变动抵消，该参照用传感器931能够检测被检测气体没有吸收的波长频带的光，该检测用传感器932能够检测包含会产生被检测气体吸收的波长频带的波长的光。
另外，在专利文献2中公开了利用两种波长频带的NDIR方式的气体传感器。在专利文献2的气体传感器中，设置两个光源，使被检测气体吸收的波长的光和被检测气体不吸收的波长的光分别通过气室，基于各自的传感器的输出比测定想要检测的气体的浓度。
专利文献1：日本特表2001-503865号公报
专利文献2：国际公开2007/080398号
发明内容
发明要解决的问题
在一般的NDIR方式中，使用仅使特定的波长频带透过的带通滤波器。当以二氧化碳的探测为例进行说明时，使用使实质上不会被二氧化碳吸收的3.9μm左右的波长频带的光透过的参照用的带通滤波器f′1以及仅使会被二氧化碳吸收的4.3μm左右的波长频带(4.3μm±(100nm～300nm))的光透过的吸收波长用的带通滤波器f′2来检测被检测气体。在该方式中，需要参照用和吸收波长用两个带通滤波器，并且需要设为各自独立的传感器(参照图29的(b)和专利文献1)。因此，部件数多，在实现系统的简易化方面成为障碍。
另外，即使在如专利文献2那样使用两个不同的波长的光源的情况下，也同样地，部件数多，信号处理变得复杂。并且，存在以下问题点：在由于光源和传感器的温度而产生发光量变化、灵敏度变化、或由于光源的劣化而在两个光源之间产生了光量差的情况下，无法进行作为气体传感器进行动作时的温度补偿。
并且，光源和传感器的温度所引起的信号的变化比气体浓度变化所引起的信号变化大，因此去除温度的影响那样的补偿非常难。
为了解决这样的问题，存在使光路长度变长的方法，但是这样的话不仅导致传感器整体大型化，还导致来自光源的光的衰减增加而传感器侧检测的信号的S/N比下降，导致气体传感器的测定偏差增大，从而难以实现高精度的气体传感器。
另一方面，还存在不使用参照用的滤波器而在大气等在某种程度上已知二氧化碳浓度的环境中定期地校正光源的发光强度的变化来使用的方法，但是在无法导入浓度已知的二氧化碳的情况下、在光源的强度超过预想地大幅变化的情况下，存在测定值的误差变大等问题。
因此，本发明是鉴于这样的事情而完成的，其目的在于提供一种能够减小测定误差、简单且小型的可靠性高的气体传感器。
用于解决问题的方案
本发明人为了解决上述课题而潜心研究的结果是想到了以下所示的气体传感器。
即，本发明的一个方式所涉及的气体传感器的特征在于，具备：第一光源；以及第一传感器部和第二传感器部，以使从所述第一光源输出的光入射到该第一传感器部和第二传感器部的方式分别配置该第一传感器部和第二传感器部，还具备：第一基板，其具有第一主面和与该第一主面相向的第二主面，在该第一主面上设置有所述第一光源和所述第一传感器部；以及第二基板，其具有第一主面和与第一主面相向的第二主面，在该第二基板的第一主面上设置有所述第二传感器部，其中，所述第一传感器部的配置位置被设定在所述第一基板的第一主面上的、从所述第一光源输出的光中的由该第一基板的第二主面反射的光入射的位置。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备运算部，该运算部被输入来自所述第一传感器部的输出信号和来自所述第二传感器部的输出信号。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述第一传感器部和所述第二传感器部具有相同的温度特性。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述第一基板和所述第二基板以侧面彼此相向的方式相邻配置，该气体传感器还具备设置在所述第一基板与所述第二基板之间的光遮断部。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备气室，还具备光反射部，该光反射部被配置在所述气室内的从所述第一基板和所述第二基板分别远离的位置，使从所述第一基板的第二主面射出的光朝向所述第二传感器部反射。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备控制层，该控制层设置在所述第一基板的第二主面上，该控制层对从所述第一光源输出的光中的、在所述第一基板内发生散射的光的光量以及从所述第一基板的第二主面向气室内的空间放射的光的光量和放射角度进行控制。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备光反射层，该光反射层设置在所述第一基板的第二主面上，使从所述第一光源输出的光朝向所述第一传感器部反射。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述第一传感器部和所述第二传感器部以及所述第一光源分别包含相同的材料且包含相同的层叠构造。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述层叠构造是至少包含P型半导体和N型半导体这两种类型的半导体的层的二极管构造，并且所述层叠构造包含铟和锑中的任一种材料。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备光学滤波器，该光学滤波器被配置在从所述第一基板的第二主面射出的光入射至所述第二传感器部的光路中，仅使特定的波长频带透过。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述第一传感器部和所述第二传感器部具有多个相同构造的受光部，该受光部的数量在所述第一传感器部和所述第二传感器部中不同。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述第一基板和所述第二基板包含相同的材料。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备设置在所述第二基板的第一主面上的第二光源，所述第二传感器部被设定在从所述第二光源输出的光中的由所述第二基板的与第一主面相向的第二主面反射的光入射的位置。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，还具备光接收和发射控制部，该光接收和发射控制部向所述第一光源和所述第二光源供给电力，被输入来自所述第一传感器部的输出信号和来自所述第二传感器部的输出信号。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部在向所述第一光源和所述第二光源中的一方的发光部供给电力的期间，不向另一方的发光部供给电力。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部向所述第一光源和所述第二光源供给相同大小的电力。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部对向所述第一光源供给的电力和向所述第二光源供给的电力进行控制使得所述第一传感器部和所述第二传感器部成为相同的温度。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部具有：第一温度测定部，其对所述第一传感器部的温度进行测定；以及第二温度测定部，其对所述第二传感器部的温度进行测定。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部根据所述第一传感器部的电阻值计算该第一传感器部的温度，以及所述光接收和发射控制部根据所述第二传感器部的电阻值计算该第二传感器部的温度。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部对供给至所述第一光源和所述第二光源的电力的电流或电压的从包含脉冲的宽度、振幅以及占空比的群中选择出的至少一个进行控制。
另外，在上述的气体传感器中，也可以是其特征在于，所述光接收和发射控制部以频率F1驱动所述第一光源，以频率F2驱动所述第二光源，其中，F1≠F2。
发明的效果
根据本发明的一个方式，能够提供一种能够减小测定误差、简单且小型的可靠性高的气体传感器。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图2是表示本发明的第2实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图3是表示本发明的第3实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图4是表示本发明的第4实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图5是表示本发明的第5实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图6是表示本发明的第6实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图7是表示本发明的第7实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图8是表示本发明的第8实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图9是表示本发明的第9实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图10是表示本发明的第10实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图11是表示本发明的第11实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图12是表示本发明的第12实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图13是表示本发明的第13实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图14是表示在第13实施方式中设置有光遮断部的情况下的结构例的图。
图15是表示本发明的第14实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图16是表示本发明的第15实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图17是表示本发明的第16实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图18是表示第16实施方式中的电路结构的一例的图。
图19是表示第16实施方式中的信号的传送的一例的图。
图20是表示本发明的第17实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图21是表示本发明的第18实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图22是表示本发明的第19实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图23是表示第19实施方式中的温度测定部的一例的图。
图24是表示本发明的第20实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图25是表示本发明的第21实施方式所涉及的气体传感器的结构例的图。
图26示出通过本发明的实施例获得的结果，是表示第二传感器部的输出信号的变化率与CO2气体浓度和温度之间的关系的图表。
图27示出通过本发明的实施例获得的结果，是表示第一传感器部的输出信号的变化率与CO2气体浓度和温度之间的关系的图表。
图28示出通过本发明的实施例获得的结果，是表示气体传感器的输出信号的变化率与温度和补偿有无之间的关系的图表。
图29是表示以往的气体传感器的图。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的方式(以下为本实施方式)进行说明。首先，作为本实施方式的一例的第1方式，对具有一个光源的气体传感器进行说明。接着，作为本实施方式的一例的第2方式，对具有两个以上的光源的气体传感器进行说明。之后，作为本实施方式的更具体的方式(即，具体例)，对第1～第21实施方式进行说明。
<第1方式>
第1方式所涉及的气体传感器是具有第一光源以及第一传感器部和第二传感器部的气体传感器，以使从第一光源输出的光入射到第一传感器部和第二传感器部的方式分别配置第一传感器部和第二传感器部。该结构的气体传感器能够作为非分散型红外线式的气体传感器使用。
该气体传感器具备第一基板，该第一基板具有第一主面(例如表面)和与第一主面相向的第二主面(例如背面)，在第一主面上设置有第一光源和第一传感器部。另外，该气体传感器具备第二基板，该第二基板具有第一主面(例如表面)和与第一主面相向的第二主面(例如背面)，在第一主面上设置有第二传感器部。第一传感器部的配置位置被设定在第一基板的第一主面上的、从第一光源输出的光中的由该第一基板的第二主面反射的光所入射的位置。由此，无需在从第一光源到第一传感器部的光路中设置光学滤波器(例如带通滤波器)，就能够精确地对第一光源输出的劣化所致的经时变化、动作时的温度所致的输出变动进行补偿。
第1方式所涉及的气体传感器也可以还具备能够导入被检测气体的气室。通过预先准备规定的气室，能够进行基于该规定的气室的光路和材质等的、用于更高精度的气体浓度运算的规定的校正运算等。
另外，优选的是，第1方式所涉及的气体传感器还具备运算部，该运算部被输入来自第一传感器部的输出信号和来自第二传感器部的输出信号。根据来自第一传感器部的输出信号和来自第二传感器部的输出信号，能够进行气体浓度的运算。基于将被设置在与第一光源同一基板的同一平面上的第一传感器部的输出信号作为参照用信号来在气体浓度的运算中使用的技术思想，本发明的实施方式所涉及的气体传感器更有效地起到不使用参照用滤波器的简单的结构就能够与以往相比减小测定误差的效果。在此，气体浓度的运算可以是运算空间中的气体浓度的绝对值的运算，也可以是判定是否为超过规定的阈值的气体浓度的运算。
另外，在第1方式所涉及的气体传感器中，优选的是，第一传感器部和第二传感器部具有相同的温度特性。在本实施方式中，“相同的温度特性”意味着温度特性以不妨碍本发明的效果的程度大致一致的状态。具体地说，考虑以下情况：在不存在被检测气体的条件下，在气体传感器的一般的使用温度范围(例如0℃到50℃的范围)内传感器温度为Tx时，将第一传感器部的输出信号设为S1，将第二传感器部的输出信号设为S2。在该情况下，在温度变化1℃时即传感器温度成为Tx±1℃时，第一传感器部的输出信号变为a×S1、第二传感器部的输出信号变为b×S2，在该情况下，在每变化1℃时，a/b优选为0.8以上且1.2以下，更优选为0.9以上且1.1以下，进一步优选为0.99以上且1.01以下。
如果作为每变化1℃时的第一传感器部与第二传感器部的输出的变化系数的比(a/b[/℃])的、最大值与最小值的比为0.8以上1.2以下，则不论气体传感器的环境温度如何，都能够高精度地对被检测气体的浓度进行补偿，因此是优选的。具体地说，求出使第一传感器部和第二传感器部的温度从0℃开始变化到50℃时的第一传感器部和第二传感器部的输出变化系数(a和b)，通过计算使温度变化ΔT时的a/b/ΔT比，能够确认上述的每变化1℃时的输出的变化系数的比。
作为将第一传感器部和第二传感器部的每变化1℃时的输出的变化系数的比的最大值和最小值设在上述的范围内的方法，列举将第一传感器部和第二传感器部以相同的材料形成且设为相同的层叠构造的方法。通过设为相同的材料和相同的层叠构造，第一传感器部和第二传感器部的温度特性在理论上是相同的。
另外，为了使第一传感器部与第二传感器部的温度特性相同，优选的是，层叠构造相同以及同时制造(即，关于构成层叠构造的各层，在第一传感器部与第二传感器部之间同时形成)。
另外，为了实现气体传感器整体的高的S/N比，也可以改变第一传感器部和第二传感器部在基板内的面积。例如，在到达第一传感器部的光强的情况下，即使以S/N不下降的程度减小第一传感器部的受光面积，气体传感器整体的S/N比(气体浓度表示值的最小分辨率)也不下降，因此能够减小第一传感器部的受光面积而相应地增大第一光源所占的面积，从而能够实现气体传感器整体的S/N比的提高。
另外，第一传感器部和第二传感器部最好由很多的受光部形成。在该情况下，受光面积与受光部的数量成比例，受光面积越大，则获得的S/N比越高。另外，即使改变第一传感器部和第二传感器部的受光面积，光谱灵敏度特性、温度特性也不会改变，因此能够维持本发明的效果。在将第一传感器部的受光部的数量设为n、将第二传感器部的受光部的数量设为m时，受光部的数量的比可以是n:m为1/500左右，但是根据情况，也可以是1/100左右，还可以是1/10左右。优选的是，根据小室的设计、第一光源的发光能力来设计受光部的数量的比。
另外，通过在同一基板上以相同材料、在同一工序中形成第一传感器部和第二传感器部，由此第一传感器部的光谱灵敏度特性与第二传感器部的光谱灵敏度特性相同，并且第一传感器部的温度特性与第二传感器部的温度特性相同，从而能够进一步发挥本发明的效果。在此，光谱灵敏度特性是指各波长下的灵敏度。如后述的那样，通过在第一基板的第二主面上设置对光进行选择那样的光学滤波器(例如带通滤波器)，能够对入射至第一传感器部和第二传感器部的光的波长频带进行选择。这样的光学滤波器需要设置在光路的中途，但是最好设置在第一基板和/或第二基板的第二主面。光学滤波器能够实现半值宽度窄的透过特性(数10nm～数100nm)，因此能够容易地选择特定的波长。在被导入到气室的气体为混合气体且被检测气体的吸收波长接近其它气体(干扰气体)的吸收波长的情况下，如果设置光学滤波器，则气体传感器的选择性被提高，不受干扰气体的影响而能够正确地实现被检测气体的浓度测定。因此，设置光学滤波器成为更优选的方式。
从基板面积的利用效率的观点出发，优选的是，第一传感器部和第二传感器部具有构造相同的很多受光部，该受光部的数量不同。受光部的数量的差数虽然没有特别限制，但是一般地设置在与第一光源相同的基板上的受光部与设置在不同的基板上的受光部相比每单位面积能够吸收更多的光束，因此一般地也可以使第一基板的受光面积小于第二基板的受光面积。
因此，为了有效地保持第一传感器部与第二传感器部两方的信号的S/N比的平衡，优选的是使受光面积(受光部的数量)不同。在第1方式所涉及的气体传感器中，根据第一传感器部和第二传感器部的输出信号(Ip1、Ip2)来计算浓度，因此气体传感器整体的最小分辨率由第一传感器部和第二传感器部的S/N比决定。
输出信号比(Ip1/Ip2)根据第一基板和第二基板的各材质、第一基板的第二主面和第二基板的第二主面的各加工方法、控制层的有无或其光学特性等而变化。如后述的那样，如果对这些进行设计以使输出信号比成为适当的比例，则能够提高基板的利用效率，能够设计出在使传感器部的面积为最低限度来实现小型化的同时具有期望的精度的气体传感器。
接着，更具体地说明气体传感器的各结构部。
[气室]
在第1方式所涉及的气体传感器中，气室只要能够导入被检测气体就不特别地进行限制。即，只要具有被检测气体的导入口即可。从被检测气体的实时检测的精度提高的观点出发，优选的是，除了所述导入口以外还具备导出口。
构成气室的材料不特别地限制。例如能够列举金属、玻璃、陶瓷、不锈钢等材料，但不限于此。从检测灵敏度提高的观点出发，优选的是对从第一光源输出的光的吸收系数小且反射率高的材料。具体地说，优选包含铝的金属筐体、被实施了铝、金、含银合金或者它们的层叠体的涂敷的树脂筐体。从可靠性/经时变化的观点出发，优选的是以金或包含金的合金层进行涂敷得到的树脂筐体。
从将从第一基板的与第一主面相向的第二主面出射的光有效地入射至第二传感器部的观点出发，优选的是气室的内壁的一部分被反射率高的材料覆盖。另外，从提高反射率的观点出发，优选的是气室内的内壁的粗糙度为10μm以下，更优选为5μm以下，进一步优选为1μm以下。
[第一基板]
在第1方式所涉及的气体传感器中，第一基板在第一主面上具有第一光源和第一传感器部。第一基板的材料不特别地限制。例如能够列举Si、GaAs、蓝宝石、InP、InAs、Ge等，但是不限于此，根据使用的波长频带进行选择即可。从能够容易地使第一传感器部与第一光源电绝缘的观点出发，优选的是利用半绝缘性基板。从能够制作半绝缘性基板并能够实现大口径化的观点出发，特别优选的是GaAs基板。从测定灵敏度提高的观点出发，优选的是，第一基板的材料为使从第一光源输出的光的透过性高的材料。另外，从高精度地对第一光源的输出变动进行补偿的观点出发，优选的是，第一基板的材料为使从第一光源输出的光在第二主面上有效地反射的材料。
作为第一传感器部、第二传感器部、第一光源所使用的材料，优选III-V族系的化合物半导体，更优选的是从包含铟(In)、铝(Al)、镓(Ga)的群中选择的至少一个III族原子和从包含锑(Sb)、砷(As)的群中选择的至少一个V族原子的化合物半导体，更优选的是至少包含InSb、或者AlInSb、GaInSb、AsInSb的化合物半导体。在被检测气体是CO2的情况下，为了检测在CO2的波长4.3μm附近的吸收，最好利用AlInSb或GaInSb。另外，在检测气化的乙醇那样的气体的情况下，需要设为更长的波长(9μm～10μm)，该情况下最好利用AsInSb。
另外，关于第一基板，从光取出效率以及光反射/散射效率的观点出发，优选的是，在第一基板的第二主面上具有控制层，该控制层用于对从第一光源输出的光中的、在基板内散射的光量和反射/散射角度以及从第一基板的第二主面放射至小室内的光量和放射角度进行控制。一般使用的基板材料的折射率高，因此从基板向外部的光取出很难，从而从第一光源输出的光大多在基板内发生散射。在第1方式所涉及的气体传感器中，通过在第一基板的第二主面上设置控制层，能够进行设计以提高传感器整体的S/N比(能够获得高分辨率)。作为控制层的具体例，能够列举反射防止膜、折射率不同的很多材料的层叠膜、粗面化后的层、或者它们的组合。
[第一光源]
在第1方式所涉及的气体传感器中，第一光源被形成在第一基板的第一主面上。第一光源只要是输出包含会被被检测气体吸收的波长的光，就不特别地限制。关于第一光源的具体的方式，只要能够形成在第一基板的第一主面上，就可以是任意的。作为具体的例子，能够列举MEMS、LED。其中，从降低由于被检测气体以外的成分的光吸收所产生的噪声的观点出发，优选的是，仅输出被检测气体的吸收大的波长频带的光。具体地说，存在以下情况：从通过激活层的带隙来控制发光波长频带出发，期望是LED构造。
在图29的(b)所示的使用两个传感器的以往的气体传感器中，在使用仅输出被检测气体的吸收大的波长频带的光的第一光源的情况下，由于参照用带通滤波器遮断被检测气体的吸收波长频带的光，因此参照用传感器的输出成为零，从而无法实现稳定的气体传感器。对此，在第1方式所涉及的气体传感器中，由于在从第一光源到(作为参照用传感器的)第一传感器部的光路中不需要带通滤波器，因此即使使用仅输出被检测气体的吸收大的波长频带的光的第一光源，也能够高精度地进行输出变动的补偿。
优选的是，第一光源具有利用MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束外延)或CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积法)那样的成膜方法形成的PN结或PIN结的层叠构造部。通过向该层叠构造部供给电力而使其作为LED(Light Emitting Diode：发光二极管)进行动作，能够释放与层叠构造部的材料的带隙相应的波长的光。通过使该层叠构造部(通称：活性层)包含In或Sb而能够发出红外线区域的光(即，红外线)。具体地说，通过在活性层使用InSb、InAlSb或InAsSb，能够输出1μm～10μm的波长。在被检测气体是二氧化碳的情况下，二氧化碳气体在波长4.3μm附近呈现强吸收，因此优选在活性层利用InAlSb。在此，通过对Al的含有量进行调谐以使LED的发光峰值为4.3μm，能够实现高灵敏度/高分辨率的气体传感器。另外，如果是在10μm附近存在吸收的具有CO键的气体(例如在10μm附近存在吸收的气化的乙醇)，则优选的是在活性层利用InAsSb。
当使用LED的第一光源时，通过将发光层所利用的材料的带隙调谐为被检测气体的吸收波长，能够不使用光学滤波器(例如带通滤波器)而进行特定的气体的检测，能够实现无光学滤波器的气体传感器。当能够实现无光学滤波器的气体传感器时，气体传感器的构造被简单化，成为更优选的方式。
[第一传感器部]
在第1方式所涉及的气体传感器中，第一传感器部形成在第一基板的第一主面上。第一传感器部的配置位置只要是从第一光源输出的光中的、在第一基板的与第一主面相向的第二主面反射的光所入射的位置，就不特别地限制。从信号处理的响应速度的观点出发，作为第一传感器部的层叠构造，是PN结或PIN结的二极管构造，也可以包含铟和锑中的任一种材料。并且，也可以包含进一步包含根据被检测气体的吸收波长而从包含Ga、Al、As的群中选择的至少一个材料的混晶系的材料。
另外，从使温度特性一致的观点出发，优选的是，第一传感器部的受光元件的材料和层叠构造与第一光源的材料和层叠构造相同。
从将传感器部与电路(放大器)连接的情况下的S/N比的观点出发，通过设置很多的受光元件，能够使受光部整体的内部电阻增大，因此在与放大器连接的情况下，能够实现高的S/N比。因此，优选的是，本实施方式的第一传感器部是将多个受光元件串联连接而成的方式。
另外，由于第一光源和第一传感器部被配置在相同的第一基板，因此入射至第一传感器部的光量存在比入射至第二传感器部的光量大的倾向。因此，能够使第一传感器部的受光部的总面积小于第二传感器部的受光部的总面积。由此，能够实现气体传感器的进一步小型化。
[第二基板]
在第1方式所涉及的气体传感器中，第二基板只要在第一主面上具有第二传感器部就不特别地限制。从第二主面侧入射的光经过第二基板内部而被入射至第二传感器部。
第二基板的材料不特别地限制。例如能够列举Si基板、GaAs基板、蓝宝石等，但是不限于此。从测定灵敏度提高的观点出发，优选的是，第二基板的材料是针对从第二主面侧入射的光的透过性高的材料。
从小型化的观点出发，优选的是，第二基板与第一基板以侧面彼此相向的方式相邻配置，在第一基板与第二基板之间配置光遮断部。该方式的气体传感器优选具备后述的光反射部。另外，上述的光遮断部优选配置在第一基板和第二基板的接合部。通过具有该光遮断部，能够防止从第一光源输出的光不经过气室内的空间而入射至第二传感器部，能够提高检测灵敏度(气体浓度变化所引起的信号的变化)，因此是优选的。
[第二传感器部]
在第1方式所涉及的气体传感器中，第二传感器部只要配置在第二基板上就不特别地限制。如上所述，从使第二传感器部和第一传感器部的温度特性等同的观点出发，优选的是，第二传感器部和第一传感器部在其制造工序中被形成在同一基板上，更优选的是具有相同的层叠构造。
从信号处理的响应速度的观点出发，优选的是，作为第二传感器部的层叠构造，是PN结或PIN结的二极管构造，包含铟和锑中的任一种材料。
从测定灵敏度提高的观点出发，优选的是，在从第一基板的第二主面放射出的光直到入射至第二传感器部为止的光路中具有仅使特定的波长频带透过的光学滤波器。在从第一光源输出的光为大范围的波长频带的光的情况下，尤其优选具有上述光学滤波器。
具有第一传感器部的第一基板和具有第二传感器部的第二基板原本就是相同的晶圆，当第一传感器部和第二传感器部是相同的层叠构造时，能够抑制第一传感器部与第二传感器部之间的灵敏度特性和灵敏度的温度特性的偏差，能够进一步发挥本发明的效果。具体地说，当将第一传感器部的灵敏度设为Ri2(λ)[A/W]、将第二传感器部2的灵敏度设为Ri2(λ)[A/W]时，只要|Ri2(λ)-Ri1(λ)|/(Ri1(λ))为20％以内即可，10％以下更好，进一步优选为5％以下，但是在2％以内、进一步在1％以下更能够发挥本发明的效果，能够进行超高精度的温度/经时变化补偿。
[光反射部]
从针对被检测气体的检测灵敏度提高的观点出发，优选的是，第1方式所涉及的气体传感器在第一基板和第二基板的第二主面侧的气室空间中具备光反射部。即，优选的是，在气室内的从第一基板和第二基板分别远离的第一基板的第二主面侧和第二基板的第二主面侧的位置具备光反射部。优选的是，该光反射部对从第一基板的第二主面放射的光进行反射，使该反射的光入射至第二传感器部。为了使光有效地入射至第二传感器部，该光反射部优选为聚光型光反射部。
[光遮断部]
优选的是，从第一光源出射的光中的入射至第二传感器部的光全部是经过气室内的空间后的光。为了实现它，存在将配置有第一光源和第一传感器部的第一基板与配置有第二传感器部的第二基板相向地配置的方法。另一方面，为了使气体传感器整体小型化，优选的是将第一基板与第二基板以侧面彼此相向的方式相邻配置，如果简单地相邻配置，则从第一光源出射的光中的一部分不经过气室内的空间而被输入到第二传感器部，导致依赖于气体浓度的变化的信号变化部分成为不依赖于气体浓度的变化的信号成分(偏移)，有可能使气体传感器的灵敏度下降。因此，在如上述那样将第一基板与第二基板相邻地配置的情况下，优选的是，在第一基板与第二基板之间具备光遮断部。
<第2方式>
接着，作为第2方式所涉及的气体传感器，对2光源2传感器型的气体传感器进行说明。该气体传感器的各结构部的说明和优选的方式能够与上述的第1方式、后述的具体的实施方式等分别独立或组合地应用。
第2方式所涉及的气体传感器除了第1方式所说明的气体传感器的结构以外，还具备设置在第二基板的第一主面上的第二光源。优选的是，第二传感器部被设定在从该第二光源输出的光中的、由第二基板的与第一主面相向的第二主面反射的光入射的位置。
根据上述结构，从第一光源输出的光经过作为不依赖于气体的有无、浓度等环境的第一基板中的光路而入射至第一传感器部(从第一光源来看，是监视用的受光元件)。因此，即使在由于使用环境的变化、经年劣化而第一光源的发光特性发生了变化的情况下，也能够正确地进行利用第二传感器部(从第一光源来看，是状态探测用的受光元件)进行的空间状态的探测。
另外，关于从第二光源输出的光也相同。即，从第二光源输出的光经过作为不依赖于气体的有无、浓度等环境的第二基板中的光路而入射至第二传感器部(从第二光源来看，是监视用的受光元件)。因此，即使在由于使用环境的变化、经年劣化而第二光源的发光特性发生了变化的情况下，也能够正确地进行利用第一传感器部(从第二光源来看，是状态探测用的受光元件)进行的空间状态的探测。
另外，在第2方式所涉及的气体传感器中，优选的是，第一传感器部和第二传感器部具有相同的温度特性。在本实施方式中，“相同的温度特性”意味着温度特性以不妨碍本发明的效果的程度大致一致的状态。具体地说，在检测气体的用途的情况下，假定以下情况：在不存在被检测气体的条件下，在作为气体传感器的一般的使用温度范围(例如0℃到50℃的范围)的传感器温度Tx时，将第一传感器部的输出信号设为S1、将第二传感器部的输出信号设为S2。在该假定下温度变化1℃时即传感器温度成为Tx±1℃时，第一传感器部的输出信号变为a×S1，第二传感器部的输出信号变为b×S2，在该情况下，在每变化1℃时，a/b优选为0.8以上且1.2以下，更优选为0.9以上且1.1以下，进一步优选为0.99以上且1.01以下。
如果作为第一传感器部的每变化1℃时的输出变化系数a和第二传感器部的每变化1℃时的输出变化系数b的比(a/b[/℃])的、最大值与最小值的比为0.8以上且1.2以下，则即使在第一光源的发光特性发生了变化的情况下，不论气体传感器的使用环境温度如何，都能够根据第一传感器部的输出对发光/受光的信号变动进行补偿，从而能够正确地进行利用第二传感器部进行的空间状态的探测，因此是优选的。另外，同样地，即使在第二光源的发光特性发生了变化的情况下，不论气体传感器的环境温度如何，都能够根据第二传感器部的输出对发光/受光的信号变动进行补偿，从而能够正确地进行利用第一传感器部进行的空间状态的探测，因此是优选的。
具体地说，求出使第一传感器部和第二传感器部的各温度从0℃开始变化直到50℃时的第一传感器部和第二传感器部的各输出变化系数(a和b)。然后，求出使温度变化ΔT时的a/b/ΔT比。由此，能够确认上述的每变化1℃时的输出的变化系数的比。
作为将第一传感器部和第二传感器部的每变化1℃时的输出的变化系数比的最大值和最小值设在上述的范围内的方法，列举将第一传感器部和第二传感器部以相同的材料形成且设为相同的层叠构造的方法。通过设为相同的材料和相同的层叠构造，第一传感器部和第二传感器部的温度特性在理论上是相同的。
另外，为了使第一传感器部与第二传感器部的温度特性相同，优选的是，除了以相同的材料形成以及设为相同的层叠构造以外，还按每一层同时制造第一传感器部的层叠构造和第二传感器部的层叠构造(即，同时形成第一传感器部和第二传感器部)。
另外，通过在同一基板上以相同材料、在同一工序中同时形成第一传感器部和第二传感器部，两个传感器部的光谱灵敏度特性相同，并且两个传感器部的温度特性相同，能够进一步发挥本发明的效果。在此，光谱灵敏度特性是指各波长下的灵敏度。
如后述那样，通过在第一基板和第二基板的至少一方的第二主面上或者在光路的中途设置对光进行选择那样的光学滤波器(例如带通滤波器)，能够对入射至第一传感器部和第二传感器部的至少一方的光的波长频带进行选择。光学滤波器能够实现半值宽度窄的透过特性(数10nm～数100nm)，因此能够容易地选择特定的波长。
从基板面积的利用效率的观点出发，优选的是，第一传感器部和第二传感器部分别具有多个相同构造的受光部，并且第一传感器部所具有的受光部的数量与第二传感器部所具有的受光部的数量相同。
在第2方式所涉及的气体传感器中，根据第一传感器部的输出信号(Ip1)和第二传感器部的输出信号(Ip2)，进行从发光部至传感器部之间的空间状态的探测(例如在空间中所存在的被检测物质的浓度计算)。因此，气体传感器的最小分辨率由第一传感器部和第二传感器部的S/N比决定。
在本实施方式中，具备向第一光源和第二光源供给电力并对来自第一传感器部和第二传感器部的输出信号进行检测的光接收和发射控制部。光接收和发射控制部也可以在向第一光源和第二光源的一方的发光部供给电力的期间不向另一方的发光部供给电力。另外，光接收和发射控制部也可以向第一光源和第二光源供给相同大小的电力。或者，光接收和发射控制部也可以对供给至第一光源的电力和供给至第二光源的电力进行控制以使第一传感器部与第二传感器部成为相同的温度。如后述的那样，对利用光接收和发射控制部的几个实施方式进行说明。
在第一传感器部的灵敏度与第二传感器部的灵敏度相等、第一光源的发光特性与第二光源的发光特性相等、进一步第一传感器部的温度与第二传感器部的温度相等时，从第一传感器部获得的输出信号与从第二传感器部获得的输出信号相等。在该情况下，能够进一步发挥本发明的效果。
如后述的那样，在第一光源和第二光源包括相同构造且相同组成的化合物半导体层叠部的情况下，通过由光接收和发射控制部交替地驱动第一光源和第二光源或者向第一光源和第二光源供给相同的电力，使第一光源发出的热量与第二光源发出的热量恒定相等，从而使第一光源的温度与第二光源的温度相等。
在第一光源发光的情况下，将由第一传感器部检测出的S/N比设为SNR11，将由第二传感器部检测出的S/N比设为SNR21。另外，在第二光源发光的情况下，将由第一传感器部检测出的S/N比设为SNR12，将由第二传感器部检测出的S/N比设为SNR22。用式(1)表示通过不经由被检测物质的光路(从第一光源向第一传感器部、从第二光源向第二传感器部)获得的S/N比。
SNRREF＝[(SNR11)1/2+(SNR22)1/211/2 ···(1)
另外，用式(2)表示通过透过了被检测物质的光(从第一光源向第二传感器部、从第二光源向第一传感器部)获得的S/N比。
SNRTRASM＝[(SNR12)1/2+(SNR21)1/2]1/2 ···(2)
因而，从式(1)和式(2)可知，通过双方向地进行发光/受光，与单方向的情况相比，能够改善系统的SNR。
作为从第一传感器部获得的信号，存在第一光源发光的情况下的信号Ip_REF_1和第二光源发光的情况下的信号Ip_TRASM_2。作为从第二传感器部获得的信号，存在第二光源发光的情况下的信号Ip_REF_2和第一光源发光的情况下的信号Ip_TRASM_1。输出信号比(Ip_TRASM_1/Ip_REF_1)和(Ip_TRASM_2/Ip_REF_2)根据第一基板和第二基板的各材质、第一基板的第二主面和第二基板的第二主面的各加工方法、如后述那样在基板的第二主面上形成的控制层的有无、该控制层的光学特性等而变化。
[第一基板、第二基板]
在第2方式所涉及的气体传感器中，第一基板在第一主面上具有第一光源和第一传感器部。另外，第二基板在第一主面上具有第二光源和第二传感器部。作为第一基板、第二基板的各材料，例如列举Si、GaAs、蓝宝石、InP、InAs、Ge等，但不限于此，只要根据使用的波长频带进行选择即可。从在第一基板、第二基板各自中能够容易地使传感器部与发光部电绝缘的观点出发，优选的是利用半绝缘性基板。从能够制作半绝缘性基板并能够实现大口径化的观点出发，尤其优选GaAs基板。从测定灵敏度提高的观点出发，优选的是，第一基板、第二基板的各材料是使从发光部输出的光的透过性高的材料。另外，从高精度地对发光部的输出变动进行补偿的观点出发，优选的是，第一基板、第二基板的各材料为使从发光元件输出的光在第二主面上有效地反射的材料。并且，从如后述那样容易形成包含铟(In)或锑(Sb)的层叠构造的第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源的观点出发，优选GaAs基板。
作为第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源所使用的材料，优选III-V族系的化合物半导体，更优选的是从包含铟(In)、铝(Al)、镓(Ga)的群中选择的至少一个III族原子以及从包含锑(Sb)、砷(As)的群中选择的至少一个V族原子的化合物半导体，进一步优选的是至少包含InSb或者AlInSb、GaInSb、AsInSb的化合物半导体。
在使用于气体传感器的情况下，假定被检测气体是CO2的情况。在该情况下，为了检测CO2的吸收波长4.3μm附近的光的吸收，作为在第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源中使用的材料，最好利用AlInSb或GaInSb。另外，在检测气化的乙醇那样的气体的情况下，需要更长的波长(9μm～10μm)。在该情况下，最好在第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源中利用AsInSb。
当第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源具有相同的膜组成的化合物半导体(即，相同组成的化合物半导体层叠部)时，更能够发挥本发明的效果。当在同一基板上在同一成膜工序中对膜进行层叠时，能够实现相同的膜组成。也就是说，存在以下情况，优选的是第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源形成在相同的晶圆上。进一步存在以下情况，优选的是将在晶圆面内相邻地形成的芯片对嵌入到相同的气体传感器中。由此，在组装后的气体传感器中，能够降低在成膜工序中产生的晶圆面内的组成偏差，能够使第一传感器部的温度特与第二传感器部的温度特相等，还能够使第一光源的发光特性与第二光源的发光特性相等，因此能够进行高精度的温度补偿。
另外，存在以下情况：从光取出效率和光反射/散射效率的观点出发，优选的是，在第一基板的第二主面上、在第二基板的第二主面上具有控制层。该控制层是用于对从发光元件输出的光中的、在基板内发生散射的光量和反射/散射角度以及从基板的第二主面向光路(例如在气体传感器的情况下，是气室)放射的光量和放射角度进行控制的层。
由于一般使用的基板材料的折射率高，因此难以进行从基板向外部的光取出，从而从发光元件输出的光大部分在基板内发生散射。在第2方式所涉及的气体传感器中，通过在第一基板的第二主面上、在第二主面的第二主面上设置控制层，能够进行设计以提高传感器整体的S/N比(能够获得高分辨率)。作为控制层的具体例，列举反射防止膜、折射率不同的很多材料的层叠膜、粗面化后的层、或者它们的组合。
[第一光源、第二光源]
在第2方式所涉及的气体传感器中，第一光源形成在第一基板的第一主面上，第二光源形成在第二基板的第一主面上。只要第一光源和第二光源输出包含可会被被检测物质(气体等)吸收的波长的光，就不特别限制。关于第一光源、第二光源的具体方式，只要能够在第一基板的第一主面上、第二基板的第一主面上分别形成，就可以是任意的。作为具体的例子，能够列举MEMS、LED。其中，从降低被检测物质(气体等)以外的成分的光吸收所产生的噪声的观点出发，优选的是，仅输出被检测物质的吸收大的波长频带的光。具体地说，存在以下情况：基于通过激活层的带隙来控制发光波长频带的理由，期望是LED构造。
优选的是，发光元件具有利用MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束外延)或CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积法)那样的成膜方法形成的PN结或PIN结的层叠构造部。通过向该层叠构造部供给电力而使其作为LED(Light Emitting Diode：发光二极管)进行动作，能够释放与层叠构造部的材料的带隙相应的波长的光。通过使该层叠构造部(通称：活性层)包含In或S而能够发出红外线区域的光(即，红外线)。具体地说，通过在活性层使用InSb、InAlSb、InAsSb，能够输出具有1μm～12μm的波长的光。
一般地，活性层所包含In和/或Sb那样的窄带隙材料的温度特性(发光元件自身的温度所引起的发光特性的变化)大。然而，根据第2方式所涉及的气体传感器，即使是大的发光特性的变化，也能够始终正确地进行监视，通过根据该监视结果控制发光元件的动作，能够实现始终固定的发光特性。
[第一传感器部、第二传感器部]
在第2方式所涉及的气体传感器中，第一传感器部形成在第一基板的第一主面上，第二传感器部形成在第二基板的第一主面上。第一传感器部的配置位置是从第一光源输出的光中的、在第一基板的与第一主面相向的第二主面上反射的光所入射的位置。第二传感器部的配置位置是从第二光源输出的光中的、在第二基板的与第一主面相向的第二主面上反射的光所入射的位置。
另外，将从第一光源输出的光中的、到第一传感器部为止的光路P11的长度设为L11，将从第一光源输出的光中的、到第二传感器部为止的光路P12的长度设为L12。另外，将从第二光源输出的光中的、到第二传感器部为止的光路的长度设为L22，将从第二光源输出的光中的、到第一传感器部为止的光路P21的长度设为L21。在该情况下，从信号处理的观点出发，最好L12＝L21、L11＝L22成立。并且，最好设计成根据气体传感器的被检测物质的浓度、吸收率，使光路P12与光路P21的透过特性同样地变化。另外，最好设计成L12和L21最长以能够实现高的S/N比。
从信号处理的响应速度的观点出发，作为第一传感器部、第二传感器部的层叠构造，是PN结或PIN结的二极管构造，也可以包含铟和锑中的任一种材料。并且，上述的二极管构造也可以包含在铟和锑中的任一种材料中还包含从包含Ga、Al、As的群中选择的至少一个材料的混晶系的材料。另外，从使温度特性一致的观点出发，优选的是，第一传感器部的受光元件的材料和层叠构造与发光元件的材料和层叠构造相同。
从将传感器部与电路(放大器)连接的情况下的S/N比的观点出发，优选的是，本实施方式的第一传感器部、第二传感器部是将多个受光元件分别串联连接的方式。其理由是因为通过设置很多的受光元件能够增大传感器部整体的内部电阻，因此在与放大器连接的情况下能够实现高的S/N比。
另外，优选的是，具有第一传感器部的第一基板和具有第二传感器部的第二基板原本(即，在切割前)是相同的晶圆，第一传感器部与第二传感器部是相同的层叠构造。由此，能够抑制第一传感器部与第二传感器部之间的灵敏度特性和灵敏度的温度特性的偏差，能够进一步发挥本发明的效果。具体地说，将第一传感器部的灵敏度设为Ri1(λ)[A/W]，将第二传感器部的灵敏度设为Ri2(λ)[A/W]。此时，在使用温度范围内(例如0℃～50℃)，|Ri2(λ)-Ri1(λ)|/(Ri1(λ))为20％以内即可，设为10％以下更好，进一步优选设为5％以下，但是在2％以内、进一步在1％以下更能够发挥本发明的效果，能够进行超高精度的温度/经时变化补偿。
[光反射部]
从针对被检测物质(气体等)的检测灵敏度提高的观点出发，优选的是，第2方式所涉及的气体传感器在位于第一基板的第二主面侧和第二基板的第二主面侧的基板外部的空间中具备光反射部。即，优选的是，在气室内的从第一基板和第二基板分别远离的、第一基板的第二主面侧和第二基板的第二主面侧位置具备光反射部。优选的是，该光反射部对从第一基板的第二主面出射的光进行反射，使反射的该光入射至第二传感器部。另外，优选的是，该光反射部对从第二基板的第二主面出射的光进行反射，使反射的该光入射至第一传感器部。为了使来自第一光源的输出光有效地入射至第二传感器部、使来自第二光源的输出光有效地入射至第一传感器部，优选的是光反射部为聚光型光反射部。
[光遮断部]
优选的是，光遮断部使从第一光源输出的光中的入射至第二传感器部的光、从第二光源输出的光中的入射至第一传感器部的光全部是经过基板外部的空间(外部空间)的光。为了实现它而存在将配置有第一光源和第一传感器部的第一基板与配置第二传感器部的第二基板相向地配置的方法。同样地，存在将配置有第二光源和第二传感器部的第二基板与配置第一传感器部的第一基板相向地配置的方法。也就是说，优选将第一基板与第二基板相向地进行配置。
另一方面，为了使气体传感器整体小型化，优选的是将第一基板与第二基板以侧面彼此相向的方式相邻配置。但是，如果简单地使侧面相邻地配置，则从发光部输出的光中的一部分不经过外部空间而被输入到处于相邻的基板的受光部，导致依赖于外部空间的状态变化的信号变化部分成为不依赖于外部空间的状态变化的信号成分(偏移)，有可能使气体传感器的测定灵敏度下降。因此，在如上述那样将第一基板与第二基板以侧面彼此相向的方式相邻地配置的情况下，优选的是在第一基板的侧面与第二基板的侧面之间具备光遮断部。
到此为止对第一基板和第二基板独立存在的情况进行了说明，但是在不需要光遮断部的情况下，第一传感器部、第二传感器部、第一光源、第二光源也可以形成在共通的基板的第一主面上。在该情况下，最好对基板进行设计使得第一传感器部形成在第一光源附近、第二传感器部形成在第二光源附近。
<实施方式的效果>
[第1方式的效果]
第1方式起到以下的效果(1)～(4)。
(1)从第一光源到第一传感器部的光路处于第一基板内，在该光路中不存在光学滤波器(例如带通滤波器)、气室内的空间。由此，与在该光路中存在带通滤波器、气室内的空间的情况相比，不论气体传感器的使用环境如何，都能够抑制该光路中的光的衰减，从而能够抑制第一传感器部检测的信号的S/N比下降。
(2)另外，有一个第一光源即可，因此不存在在两个不同波长的第一光源之间产生光量差的情形。由此，即使不定期地对第一光源的发光强度进行校正，也能够对发光强度的变化所引起的测定误差进行补偿。
(3)如上所述，能够抑制第一传感器部检测的信号的S/N比下降。另外，即使不定期地对第一光源的发光强度的变化进行校正，也能够对发光强度的变化所引起的测定误差进行补偿。由此，能够降低气体传感器的测定偏差，因此能够提供高精度且可靠性高的气体传感器。
(4)另外，第一传感器部中不需要光学滤波器。并且，有一个第一光源即可。这样，能够减少构成气体传感器的部件数量，因此能够提供简单且小型的气体传感器。
[第2方式的效果]
第2方式起到以下的效果(5)～(8)。
(5)从第一光源到第一传感器部的光路处于第一基板内，从第二光源到第二传感器部的光路处于第二基板内，在这些光路中不存在光学滤波器(例如带通滤波器)、外部空间。由此，与在从第一光源到第一传感器部的光路中、从第二光源到第二传感器部的光路中存在参照信号用带通滤波器、外部空间的情况相比，不论气体传感器的使用环境如何，都能够抑制这些光路中的光的衰减。因而，能够抑制检测来自第一光源的光信号时第一传感器部所检测的信号的S/N比下降以及抑制检测来自第二光源的光信号时第二传感器部所检测的信号的S/N比下降。
(6)如上所述，能够抑制第一传感器部所检测的信号的S/N比下降以及第二传感器部所检测的信号的S/N比下降。另外，即使不定期地校正发光部的发光强度的变化，也能够补偿因发光强度的变化所产生的测定误差。由此，能够降低气体传感器的测定偏差，因此能够提供高精度且可靠性高的气体传感器。
(7)配置在第一光源附近的第一传感器部的温度和配置在第二光源附近的第二传感器部的温度受供给(施加)到配置在各传感器部附近的发光部的电力控制。因此，即使在第一传感器部和第二传感器部具有根据温度而变化的灵敏度特性的情况下，通过对供给至第一光源的电力和供给至第二光源的电力进行控制，也容易使第一传感器部和第二传感器部接近相同温度，能够进行高精度的温度补偿。
(8)为了最大地发挥本发明的效果，需要使第一传感器部的温度特性与第二传感器部的温度特性相同。作为用于最大地降低晶圆面内的温度特性的偏差并尽可能使温度特性相同的一个方法，在气体传感器的制造工序中，最好从晶圆面内相邻的位置挑选两个芯片(即，第一基板和第二基板)进行安装。此时，从气体传感器的组装容易度的观点出发，优选的是，两方的基板具有相同的形状/相同的布局。由此，存在以下情况：与将不同的基板(例如仅具有发光部的基板和仅具有传感器部的基板的两种基板)交替地安装的情况相比，能够容易地进行组装，因此是优选的。
即，本实施方式能够提供如下一种气体传感器：对因经时变化、使用环境的温度变化而产生的发光/受光的信号变动进行补偿，即使在发光部的发光特性发生了变化的情况下、或者即使由于温度而发光元件(第一传感器部、第二传感器部)的灵敏度发生了变化，也能够更高精度地进行利用状态探测用的传感器部进行的空间状态的探测。
<实施方式的应用>
如以上记载的那样，本实施方式所涉及的气体传感器能够应用于各种设备，能够作为例如用于检测建筑物、测定设备中的特定的气体的浓度的气体传感器、搭载于移动电话、智能手机等便携通信设备的气体传感器、用于检测汽车、电车、飞机等移动工具中的气体浓度的气体传感器使用。
例如，认为CO2浓度与生物的睡眠具有相关性，在将本实施方式所涉及的气体传感器的测定对象气体设为CO2的情况下，即使是在周围的温度容易发生大幅变化的环境下，也能够高精度地检测CO2浓度，例如适于作为车辆驾驶中的打盹防止装置(例如如果达到规定的CO2浓度则发出警报/自动地进行换气等)。
另外，本实施方式所涉及的气体传感器与以往的气体传感器相比，S/N比高，因此即使与以往相比更小型/薄型化也呈现出同等以上的性能，因此能够应用于以往难以应用的小型设备(例如便携通信设备)等。在这样的用途中，从安装空间的限制的观点出发，作为具体的器件的尺寸，横×纵尺寸优选为20×20mm2以下，更优选为15×15mm2以下，进一步优选为10×10mm2以下，另外，高度为10mm以下即可，优选为5mm以下，进一步优选为3mm以下。通过实施本发明，即使这样的尺寸也能够实现高灵敏度/高精度的气体传感器。
进一步，根据本实施方式所涉及的气体传感器的结构，也能够作为气体传感器以外的用途的光接收和发射装置应用。即，通过将上述说明的“气体传感器”全部替换为“光接收和发射装置”而导出的发明也属于本说明书的公开事项。例如能够探测基板外部的光路空间的状态(作为气体以外的对象，有流体的特定成分的有无、浓度等)。例如能够在流动于第一光源与第二传感器部之间(在2光源2传感器的方式的情况下，是第一光源与第二传感器部之间以及第二光源与第一传感器部之间)的光路空间的物质(例如水、体液)的成分探测装置或成分浓度测定装置等中使用。例如，在流动于上述的光路空间的物质是血液的情况下，该成分探测装置或成分浓度测定装置能够使用于血液中的葡萄糖浓度测定等。
关于血液中的葡萄糖探测，能够通过测定波长9.6μm的光的吸收来测定血糖中的葡萄糖浓度。即，能够实现小型且高精度/高可靠性的非侵入式的葡萄糖浓度测定仪。通过实现这样的葡萄糖浓度测定仪，糖尿病患者自己能够以不对皮肤造成通过侵入式的方法而产生的那样的伤害的方式高精度地检查血糖值，能够实现给药(例如胰岛素)的更正确的管理。
<实施方式的具体例>
接着，参照附图说明本实施方式的具体例(第1～第21实施方式)。此外，在以下说明的各图中，对具有相同结构的部分附加相同的附图标记，并省略其重复说明。
[第1实施方式]
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图1所示，该气体传感器是具有以下部件的气体传感器：气室10，其能够导入被检测气体；第一光源20，其输出包含会被被检测气体吸收的波长的红外线区域的光(即，红外线)；第一传感器部31和第二传感器部32，以使从第一光源20输出的光入射到该第一传感器部31和第二传感器部32的方式分别配置该第一传感器部31和第二传感器部32；第一基板41，其在第一主面411上具有第一光源20和第一传感器部31；以及第二基板42，其在第一主面421上具有第二传感器部32。
在该气体传感器中，第一传感器部31被配置在从第一光源20输出的光中的、在第一基板41的与第一主面411相向的第二主面412反射的光(用虚线表示)入射的位置。另外，第一基板41和第二基板42在气室10内以第二主面412与第二主面422相向的方式进行配置，并配置在使第一光源20与第二传感器部32隔着该气室10内的空间而相向的位置。
根据第1实施方式所涉及的气体传感器，第一传感器部31被配置在从第一光源20输出的光中的、在第一基板41的与第一主面411相向的第二主面412反射的光(用虚线表示)入射的位置。由此，能够实现不论使用环境如何都能够可靠地补偿因第一光源20的发光强度的变化所产生的测定误差的简单、小型且可靠性高的气体传感器。
[第2实施方式]
图2是表示本发明的第2实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图2所示，在该气体传感器中，第一基板41和第二基板42以侧面(即，外周侧面的一部分)彼此相向的方式相邻配置。在本说明书中，将这样的配置称为平行配置。第2实施方式与第1实施方式的不同点在于将第一基板41与第二基板42平行配置。关于除此以外的结构，第2实施方式与第1实施方式相同。此外，从使从第一基板的第二主面出射的光有效地入射至第二传感器部的观点出发，在第2实施方式以及后述的第3、第5、第6实施方式中，特别优选的是，气室10的内壁的一部分被反射率高的材料覆盖。
根据第2实施方式所涉及的气体传感器，通过使第二基板42与第一基板41平行配置，能够实现气体传感器的进一步小型化。
[第3实施方式]
图3是表示本发明的第3实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图3所示，在该气体传感器中，在第一基板41与第二基板42之间设置有光遮断部50。第3实施方式与第2实施方式的不同点在于设置有该光遮断部50。在该光遮断部50中也可以利用密封树脂。关于除此以外的结构，第3实施方式与第2实施方式相同。
根据第3实施方式所涉及的气体传感器，通过具备光遮断部50，从第一光源20输出的红外线区域的光(即，红外线)中的由第一基板41的第二主面412反射的光到达第一传感器部31，但是不到达第二传感器部32。到达第二传感器部32的光全部为经过了气室10内的空间的光，因此能够进行更高精度的气体探测。
[第4实施方式]
图4是表示本发明的第4实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图4所示，该气体传感器在第一基板41的第二主面412侧和第二基板42的第二主面422侧的气室空间中具备光反射部60。即，该气体传感器具备光反射部60，该光反射部60被配置在气室10内的从第一基板41和第二基板42分别远离的位置，使从第一基板41的第二主面412出射的光朝向第二传感器部32反射。第4实施方式与第2实施方式的不同点在于设置有该光反射部60。关于除此以外的结构，第4实施方式与第2实施方式相同。
根据第4实施方式所涉及的气体传感器，通过具备光反射部60，能够使从第一光源20输出的光中的、从第一基板41的第二主面412出射的红外线(一点划线)由该光反射部60反射而选择性地入射至第二传感器部32，因此能够实现更高灵敏度的气体传感器。
[第5实施方式]
图5是表示本发明的第5实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图5所示，该气体传感器具备控制层70，该控制层70被设置在第一基板41的第二主面412上，对从第一光源20输出的光中的、在第一基板41内发生散射的光(虚线)的光量以及从第一基板41的第二主面412向气室10内的空间放射的光(一点划线)的光量和放射角度进行控制。第5实施方式与第2实施方式的不同点在于具备该控制层70。关于除此以外的结构，第5实施方式与第2实施方式相同。
根据第5实施方式所涉及的气体传感器，通过具备控制层70，能够控制想要入射至第一传感器部31的光量与想要入射至第二传感器部32的光量的比率，能够容易地设计高S/N比的传感器。该控制层70也可以设置在第二基板42的第二主面上。
[第6实施方式]
图6是表示本发明的第6实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图6所示，该气体传感器具备光反射层701，该光反射层701设置在第一基板的第二主面上，使从第一光源输出的光朝向第一传感器部反射。作为在光反射层701使用的材料，只要是进行光的反射的材料，就可以是任意的，如果是具有金属光泽的进行全反射的材料则更好。具体地说，从反射率好的观点出发，优选的是包含Al、Au的材料。第6实施方式与第2实施方式的不同点在于具备该光反射层701。关于除此以外的结构，第6实施方式与第2实施方式相同。
根据第6实施方式所涉及的气体传感器，通过具备光反射层701，能够提高想要入射至第一传感器部31的光量。由此，能够提高第一传感器部31的信号的S/N比。根据情况，能够在保持S/N比的状态下减小第一传感器部的受光面积，提高基板的利用效率。
[第7实施方式]
图7是表示本发明的第7实施方式所涉及的气体传感器的结构例的截面图。在图7中，附图标记201、311、321表示第一导电型的半导体层(例如N型半导体层)，附图标记202、312、322表示第二导电型的半导体层(例如P型半导体层)，附图标记203、204、313、314、323、324表示电极。
如图7所示，第一光源20例如具有在第一基板41的第一主面411上形成的第一导电型的半导体层201、在半导体层201上形成的第二导电型的半导体层202和电极203以及在半导体层202上形成的电极204。
另外，第一传感器部31例如具有在第一基板41的第一主面411上形成的第一导电型的半导体层311、在半导体层311上形成的第二导电型的半导体层312和电极313以及在半导体层312上形成的电极314。
第二传感器部32例如具有在第二基板42的第一主面421上形成的第一导电型的半导体层321、在半导体层321上形成的第二导电型的半导体层322和电极323以及在半导体层322上形成的电极324。
在此，第一导电型的半导体层201、311、321例如包含相同的材料，具有相同的膜厚。另外，第二导电型的半导体层202、312、322例如包含相同的材料，具有相同的膜厚。
此外，在图7中，第一传感器部31、第二传感器部32以一个元件而示出，但是从S/N比的观点出发，也可以将多个元件电连接来分别作为一个传感器部。另外，从发光效率的观点出发，第一光源20也可以是电连接的很多的元件。另外，也可以在第一导电型的半导体层201、311、321与第二导电型的半导体层202、312、322之间分别插入本征半导体层(所谓的i型半导体层)而形成PIN结。
根据第7实施方式所涉及的气体传感器，作为第一导电型的各半导体层201、311、321以及第二导电型的各半导体层202、312、322，通过采用材料和膜厚分别相同的半导体层，使得第一光源20、第一传感器部31、第二传感器部32呈现相同的温度特性，不论环境温度的变化如何都能够实现高精度的气体传感器。
[第8实施方式]
图8是表示本发明的第8实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图8所示，该气体传感器是将第3～第6实施方式的气体传感器的特征全部添加到了第2实施方式所涉及的气体传感器中。根据第8实施方式所涉及的气体传感器，通过添加第2～第6实施方式的特征的全部，能够实现最高精度/最高灵敏度的小型的气体传感器。图8所示的光遮断部50具有与第3实施方式(图3)所说明的光遮断部相同的作用。
[第9实施方式]
图9是表示本发明的第9实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图9所示，该气体传感器是将第1实施方式所涉及的气体传感器的第一基板41和第二基板42分别用密封树脂200密封且对第一光源20、第一传感器部31以及第二传感器部32连接驱动部、信号处理部的例子。
即，第9实施方式所涉及的气体传感器具备用于对第一光源20供给电力的光源电源供给部101以及被输入来自第一传感器部31和第二传感器部32的输出信号来运算被检测气体的气体浓度的气体浓度运算部104。从低消耗电力化的观点出发，优选的是，光源电源供给部101对第一光源20提供脉冲状的信号(电压或电流)。
根据第9实施方式所涉及的气体传感器，通过对第一光源20、第一传感器部31以及第二传感器部32连接驱动部、信号处理部，能够自动地计算被导入到气室10内的被检测气体的气体浓度，并输出其结果。
[第10实施方式]
图10是表示本发明的第10实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图10所示，该气体传感器相对于第9实施方式所涉及的气体传感器还具备用于将来自第一传感器部31的输出信号放大的第一放大部102、用于将来自第二传感器部32的输出信号放大的第二放大部103、用于测定气室10内的温度的温度测定部105以及用于对光源电源供给部101、第一放大部102及第二放大部103供给驱动信号的驱动信号供给部106。
从低消耗电力化的观点出发，优选的是，驱动信号供给部106所供给的信号是决定光源电源供给部101、第一放大部102以及第二放大部103的动作定时的脉冲状的同步信号。
为了补偿因环境温度所引起的偏移，优选的是具备对气室10周围或内部的温度进行测定的温度测定部105。根据环境温度的不同，有时第一光源20的发光光谱发生变化。另外，根据被检测气体的种类的不同，有时根据环境温度而光的吸收量发生变化。因此，如果具备温度测定部105，则通过将由该温度测定部105获得的温度信息提供给气体浓度运算部104，能够补偿因环境温度所引起的偏移，因此是优选的。
从以高S/N比将信号放大的观点出发，优选的是，第一放大部102和第二放大部103是具有PSD(Phase Shift Detection：相移检测)功能的放大器(通称：Lock-in Amp：锁定放大器)。在使用具有该PSD功能的放大器的情况下，优选的是从驱动信号供给部106输出的信号为脉冲状的同步信号。
根据第10实施方式所涉及的气体传感器，通过驱动信号供给部106向光源电源供给部101、第一放大部102以及第二放大部103分别发送用于决定动作定时的脉冲状的同步信号，能够进行气体传感器的低消耗电力化。进一步，通过温度测定部105向气体浓度运算部104提供温度信息，能够补偿因环境温度所引起的偏移。
[第11实施方式]
图11是表示本发明的第11实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图11所示，该气体传感器具备第一基板41以及第二基板42、42′。即，具备两个第二基板。通过在第二基板42、42′各自的第二主面(背面)设置使不同的波长透过的带通滤波器f1、f2，能够同时检测两种气体。当然也可以具备三个以上的第二基板。另外，也可以使第二基板共通，而在其第一主面上设置很多(两个以上)的受光部，并设置光轴与各个受光部一致的光学滤波器(例如带通滤波器)。
第11实施方式所涉及的气体传感器在混合气体检测时能够发挥其效果。例如在被导入到气室10内的被检测气体为A气体与B气体的混合气体的情况下，考虑气体A在波长1下有吸收、气体B在波长2下有吸收的情况。在该情况下，利用在第二基板42设置使波长1的光透过的带通滤波器f1、在第二基板42′设置使波长2的光透过的带通滤波器f2的结构的气体传感器。能够根据设置于第二基板42的第二传感器部32的输出信号的强度和设置于第二基板42′的第二传感器部32′的输出信号的强度求出各个气体的浓度。
另外，在被导入到气室10内的被检测气体为A气体与B气体的混合气体的情况下，考虑气体A在波长1和波长2下有吸收、气体B同样在波长1和波长2下有吸收但吸收比例在气体A和气体B中不同的情况。在该情况下，利用在第二基板42设置使波长1的光透过的带通滤波器f1、在第二基板42′设置使波长2的光透过的带通滤波器f2的结构的气体传感器。通过调查设置在第二基板42上的第二传感器部32的输出信号的强度和设置在第二基板42′上的第二传感器部32′的输出信号的强度，能够判断被导入到气室10内的被检测气体中的气体A与气体B的混合比例。
[气体浓度运算方法]
接着，说明使用本实施方式所涉及的气体传感器的气体浓度运算方法的具体例。将第一传感器部31输出的信号设为Ip1、将第二传感器部32输出的信号设为Ip2。能够用式(3)和式(4)表示Ip1和Ip2。
Ip1＝RiREF(T)×φ(T)×α ···(3)
Ip2＝RiGAS(T)×φ(T)×β×(1-A(C)) ···(4)
其中，
A···基于气体浓度的吸收率
C···气体浓度
φ···第一光源的发光强度
α···从第一光源向第一传感器部的传递率
β···来自基板的光取出效率(或者，没有被检测物质(气体等)的吸收的情况下的从第一光源向第二传感器部的传递率)
Ip1···第一传感器部的输出信号
Ip2···第二传感器部的输出信号
RiREF···第一传感器部的灵敏度
RiGAS···第二传感器部的灵敏度
作为图9或图10所示的气体浓度运算部104的运算方法的一例示出式(5)。
运算结果＝Ip2/Ip1
＝(RiGAS(T)×β×(1-A(C)))/(RiREF(T)×α) ···(5)
在此，第一光源的温度特性可以与各个传感器的温度特性不同，只要第一传感器部的温度特性g1(T)与第二传感器部的温度特性g2(T)相等或者具有比例关系，就形成为Ip2/Ip1∝(1-A(C))，能够去除作为气体传感器的温度依赖性，能够获得气体的分子吸收时的真正的吸收率。另外，基于Lambert-Beer法则，能够从(1-A(C))中抽气体导出体浓度C。
在此，假定α、β不与波长相应地变化或者不根据温度而变化，但是即使发生了变化，也可以测定LED和/或第一传感器部的温度，并将其测定结果在温度补偿中利用。基本上，能够用式(6)表示气体传感器的分辨率。
分辨率＝(ΔC/ΔIp)/(SNR) ···(6)
其中，ΔIp为传感器的信号变化
ΔC为被检测气体浓度变化
SNR表示在第一光源接通(ON)和断开(OFF)的情况(脉冲驱动)下能够获得的传感器部的S/N比。
[经时变化补偿]
从式(5)可知，由于第一光源的光量不出现在运算结果中，因此即使第一光源劣化、即即使发光效率发生了变化，气体浓度运算结果也不变。本实施方式所涉及的气体传感器将第一光源20和第一传感器部31形成在同一基板(第一基板41)上，能够输出仅基于从第一光源20放出的光的信号，因此能够正确地测定来自第一光源20的发光量。在第一光源包括很多的发光部的情况下，只要适当地对第一光源20的各受光部和第一传感器部31的各受光部的配置进行设计以能够测定各发光部发出的各光量即可。
将上述的第一光源连续地接通/断开(脉冲驱动)，并且读取第一光源接通时的信号以及断开时的来自第一传感器部和第二传感器部的信号，通过利用其信号差能够去除因干扰、电路所引起的偏移。其理由是因为因电路、干扰所引起的偏移与第一光源的接通/断开无关地始终产生，因此当取接通时与断开时的信号差时，能够去除该偏移成分。
通过将接通/断开的切换频率设定为相对于干扰的辐射和电路偏移波动的频率是非常高的值，偏移的去除效果更显著。具体地说，在干扰和偏移的变动频带为0kHz～1kHz的情况下，最好将接通/断开切换频率设为该变动频带的10倍(10kHz)左右。一般地，该偏移的功率谱与频率f成反比例，能够计算为1/f(通称：粉红噪声、1/f噪声)。因此，最好将接通/断开的切换频率设定在不出现1/f噪声的频带。另外，除了在此说明的称为接通/断开那样的信号调制方式以外，还可以使用通信系统中经常使用的振幅调制方式(AM：AmplituteModulation)。
上述的分辨率越小，能够测定出越低的气体浓度(在CO2的情况下，例如为数10ppm左右)。基于上述的关系，气体的吸收量与传感器侧的S/N比具有折中的关系，因此在能够从第一光源获得某光量的输出的情况下，需要设计最佳的气体通路长度以针对该光量获得最好的分辨率。
为了降低气体传感器整体的消耗电力，以低电流驱动第一光源，如果使气室过长，则有时不能取得足够的S/N比。也就是说，需要较短的气体通路，但是气体通路越短，相比于因气体的浓度的变化所引起的信号的变化，因温度所引起的信号的变化越显著。在该情况下，有效的温度补偿方法是不可或缺的。
另外，第一传感器部和第二传感器部为了能够高速地进行动作(响应于高速光脉冲)而优选的是量子型传感器。量子型传感器的传感器内部电阻根据温度而变化，因此通过读取该传感器的内部电阻值，能够获知气体传感器的内部的温度。通过利用该方法，不需要另外设置温度测定部105，因此能够以较少的部件数实现能够进行温度补偿的气体传感器。
[第12实施方式]
图12是表示本发明的第12实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图12所示，该气体传感器具备在第一主面411上具有第一光源20和第一传感器部31的第一基板41以及在第一主面411′上具有第一光源20′和第一传感器部31′的第二基板41′。第一基板41和第二基板42具有彼此相同的结构。
从第一光源20输出的光中的、由第一基板41的与第一主面411相向的第二主面412反射的光(用虚线表示)入射至第一传感器部31，从第一基板41的第二主面412出射的光(用一点划线表示)入射至第二基板41′的第二主面412′，并通过第二基板41′的内部而入射至第二传感器部31′。另外，从第二光源20′输出的光中的、由第二基板41′的与第一主面411′相向的第二主面412′反射的光(用虚线表示)入射至第二传感器部31′，从第二基板41′的第二主面412′出射的光入射至第一基板41的第二主面412，并经过第一基板41的内部而入射至第一传感器部31。为了满足这样的条件，第一基板41和第二基板41′以第二主面412、412′彼此相向的状态进行配置。
即，第一传感器部31被配置在从第一光源20输出的光中的、在第一基板41的第二主面412反射的光入射的位置。第二传感器部31′被配置在从第二光源20′输出的光中的、在第二基板41′的第二主面412′反射的光(未图示)入射的位置。
另外，第12实施方式所涉及的气体传感器具备光接收和发射控制部501。光接收和发射控制部501向第一光源20和第二光源20′供给电力，检测来自第一传感器部31和第二传感器部31′的输出信号。光接收和发射控制部501例如向第一光源20和第二光源20′分别供给期望的电力使得在第一光源20附近形成的第一传感器部31的温度与配置在第二光源20′附近的第二传感器部31′的温度相等。
在第一传感器部31的温度与第二传感器部31′的温度相等的情况下，即使第一传感器部31和第二传感器部31′的各灵敏度具有温度依赖性，也能够进行高精度的温度补偿。由此，能够实现不论动作环境如何都能够对因第一光源20的发光强度的变化所引起的测定误差、因第二光源20的发光强度的变化所引起的测定误差分别可靠地进行补偿的简单、小型且可靠性高的气体传感器。
[第13实施方式]
图13是表示本发明的第13实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图13所示，在该气体传感器中，第一基板41和第二基板41′以侧面(即，外周侧面的一部分)彼此相向的方式相邻配置。在本说明书中，将这样的配置称为平行配置。第13实施方式与第12实施方式的不同点在于将第一基板41与第二基板41′平行配置。
另外，在该气体传感器中，在第一基板41的第二主面412侧和第二基板41′的第二主面412′侧的空间中具备光反射部60。即，该气体传感器具备光反射部60，该光反射部60被配置在从第一基板41和第二基板41′分别远离的位置，使从第一基板41的第二主面412出射的光朝向第二传感器部31′反射，使从第二基板41′的第二主面412′出射的光朝向第一传感器部31′反射。
这样，第13实施方式与第12实施方式的不同点在于将第一基板41与第二基板41′平行配置以及设置有光反射部60。关于除此以外的结构，第13实施方式与第12实施方式相同。
根据第13实施方式所涉及的气体传感器，通过将第一基板41与第二基板41′平行配置，能够实现气体传感器的进一步小型化。另外，通过具备光反射部60，能够使从第一光源20输出的光中的、从第一基板41的第二主面412出射的光(一点划线)通过光反射部60反射而选择性地入射至第二传感器部31′。另外，能够使从第二光源20′输出的光中的、从第二基板41′的第二主面412′出射的光(未图示)通过光反射部60反射而选择性地入射至第一传感器部31。因此，能够实现更高灵敏度的气体传感器。
在第13实施方式中，如图14所示，也可以在第一基板41与第二基板41′之间设置光遮断部50。通过设置光遮断部50，能够防止从第一光源20放出的光经由第二基板41′的侧面入射至第二传感器部31′，并能够防止从第二光源20′放出的光经由第一基板41的侧面入射至第一传感器部31，因此有时是优选的。该光遮断部50也可以是在第一基板41和第二基板41′的密封中使用的树脂模制件的一部分。
[第14实施方式]
图15是表示本发明的第14实施方式所涉及的气体传感器的结构例的截面图。与第13实施方式不同，基板是共通的，仅为一个。即，第14实施方式所涉及的气体传感器具有将前述的第一基板和第二基板一体化得到的共通的基板40。而且，在该基板40的第一面侧401侧分别配置有第一光源20、第一传感器部31、第二光源20′、第二传感器部31′。第14实施方式所涉及的气体传感器在能够分别使从第一光源20朝向第二传感器部31′的反射光以及从第二光源20′朝向第一传感器部31的反射光充分地衰减那样的情况下是有效的。另外，与第1、第13实施方式相比，部件数少，因此有时是优选的。
[第15实施方式]
图16是表示本发明的第15实施方式所涉及的气体传感器的结构例的截面图。
如图16所示，第一光源20例如具有在第一基板41的第一主面411上形成的第一导电型(例如N型)的半导体层201、在半导体层201上形成的第二导电型(例如P型)的半导体层202和电极203以及在半导体层202上形成的电极204。另外，第二光源20′例如具有在第二基板41′的第一主面411′上形成的第一导电型的半导体层201′、在半导体层201′上形成的第二导电型的半导体层202′和电极203′以及在半导体层202′上形成的电极204′。
第一传感器部31例如具有在第一基板41的第一主面411上形成的第一导电型的半导体层311、在半导体层311上形成的第二导电型的半导体层312和电极313以及在半导体层312上形成的电极314。第二传感器部31′例如具有在第二基板41′的第一主面411′上形成的第一导电型的半导体层311′、在半导体层311′上形成的第二导电型的半导体层312′和电极313′以及在半导体层312′上形成的电极314′。
在此，第一导电型的半导体层201、311、201′、311′例如包含相同的材料，具有相同的膜厚。另外，第二导电型的半导体层202、312、202′、312′例如包含相同的材料，具有相同的膜厚。也就是说，第一光源20、第二光源20′、第一传感器部31、第二传感器部31′具有相同的膜组成的化合物半导体(即，相同组成的化合物半导体层叠部)。另外，如图16所示，第一光源20与第二光源20′是相同的构造(即，形状和大小相同)。第一传感器部31与第二传感器部31′也是相同的构造。
此外，在图16中，第一传感器部31、第二传感器部31′以一个元件示出，但是从S/N比的观点出发，也可以将多个受光元件电连接而形成一个传感器部。另外，从发光效率的观点出发，对于第一光源20、第二光源20′，也可以将多个发光元件电连接而形成一个发光部。另外，也可以在第一导电型的半导体层201、311、201′、311′与第二导电型的半导体层202、312、202′、312′之间分别插入本征半导体层(所谓的i型半导体层)而形成PIN结。
根据第15实施方式所涉及的气体传感器，作为第一导电型的各半导体层201、311、201′、311′和第二导电型的各半导体层202、312、202′、312′，通过采用材料和膜厚分别相同的半导体层，使得第一光源20、第二光源20′、第一传感器部31、第二传感器部31′呈现相同的温度特性，不论环境温度的变化如何都能够实现高精度的气体传感器。
另外，由于第一光源20、第二光源20′、第一传感器部31、第二传感器部31′呈现相同的温度特性，因此通过向第一光源20和第二光源20′供给相同大小的电力，能够使第一光源20和第二光源20′发热而成为相同的温度。由此，能够使第一传感器部31和第二传感器部31′成为相同的温度。
[第16实施方式]
图17是表示本发明的第16实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图17所示，该气体传感器是将第12实施方式所涉及的气体传感器的第一基板41和第二基板41′分别通过密封树脂200、密封树脂200′密封且针对第一光源20、第一传感器部31、第二光源20′、第二传感器部31′连接光接收和发射控制部501的例子。
第16实施方式所涉及的气体传感器也可以具有气室10，该气室10包围第一基板41与第二基板41′之间的空间，能够向该空间导入被检测物质(气体等)。虽然没有图示，但是在该气室10设置有用于导入被检测物质的导入口。
在该第16实施方式所涉及的气体传感器中，第一基板41和第二基板41′以第二主面412、412′彼此相向的状态进行配置。由此，从第一光源20放出的光中的、从第一基板41的第二主面412出射的光经过气室10内的空间而入射至第二基板41′的第二主面412′，经过第二基板41′而入射至第二传感器部31′。另外，从第二光源20′放出的光中的、从第二基板41′的第二主面412′出射的光经过气室10内的空间而入射至第一基板41的第二主面412，并经过第一基板41而入射至第一传感器部31。也就是说，在气室10内存在成为光路的空间(光路空间)。
图18是表示第16实施方式中的电路结构的一例的图。在图18中，示出光接收和发射控制部501的更详细的结构例，并且示出在第一传感器部31、第二传感器部31′中利用光电二极管并在第一光源20、第二光源20′中利用LED时的电路结构。
如图18所示，光接收和发射控制部501例如具备向第一光源20供给电力来驱动第一光源20(即，使第一光源20发光)的第一驱动部502、向第二光源20′供给电力来驱动第二光源20′的第二驱动部502′、对第一传感器部31的信号进行处理的第一信号处理部503、对第二传感器部31′的信号进行处理的第二信号处理部503′、运算来自第一信号处理部503和第二信号处理部503′的信号(例如小室透过特性的计算、物质或气体的浓度计算等)的运算部504以及对第一驱动部502、第二驱动部502′及运算部504进行控制的控制电路505。
作为第一信号处理部503和第二信号处理部503′的具体例，列举I/V转换放大器。I/V转换放大器能够在第一传感器部31、第二传感器部31′具有光电二极管构造的情况下，将其输出电流转换为电压，因此是有效的。从低消耗电力化的观点出发，优选的是，第一驱动部502和第二驱动部502′将脉冲状的信号(电压或电流)提供给第一光源20、第二光源20′。
根据第16实施方式所涉及的气体传感器，如图18所示，针对第一光源20、第二光源20′、第一传感器部31以及第二传感器部31′连接光接收和发射控制部501。即，在第一光源20的两端的连接端子上连接第一驱动部502。在第二光源20′的两端的连接端子上连接第二驱动部502′。在第一传感器部31的两端的连接端子上连接第一信号处理部503。在第二传感器部31′的两端的连接端子上连接第二信号处理部503′。
由此，能够探测气室10内的光路空间的状态(特定的气体的有无、浓度、流体的特定成分的有无、浓度等)。图18所示的气体传感器也可以交替地驱动第一光源20和第二光源20′。图19的(a)示出驱动第一光源20时的信号传送，图19的(b)示出驱动第二光源20′时的信号的传送。
[第17实施方式]
图20是表示本发明的第17实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图20所示，第17实施方式所涉及的气体传感器例如具有驱动部512，该驱动部512利用切换开关521、522交替地向第一光源20、第二光源20′供给电力。即，在第17实施方式中，通过共通的驱动部512交替地驱动第一光源20、第二光源20′。该交替驱动能够通过利用切换开关521、522来进行。
有时在流过发光部的电流大的情况下导致驱动部的尺寸(例如在LSI的情况下，是电路所占的芯片面积)变大，因此通过将驱动部设为一个，能够缩小电路/LSI整体的尺寸，能够改善芯片的利用效率。也就是说，在发光部的发光电流大的情况下，例如在1mA以上、或10mA以上、或50mA以上、或100mA以上的情况下，第17实施方式是有效的。
[第18实施方式]
图21是表示本发明的第18实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图21所示，在第18实施方式所涉及的气体传感器中，光接收和发射控制部501例如具有以频率F1驱动第一光源20的第一驱动部502、以频率F2驱动第二光源的第二驱动部502′、第一信号处理部503、第二信号处理部503、第一解调器531、第二解调器531′以及运算部504。此外，F1和F2是不同的数值(F1≠F2)。
第一解调器531对以频率F1调制得到的两个信号成分、即从第一光源20向第二传感器部31′入射的信号和从第一光源20向第一传感器部31入射的信号进行解调。第二解调器531′对以频率F2调制得到的两个信号成分、即从第二光源20′向第一传感器部31入射的信号和从第二光源20′向第二传感器部31′入射的信号进行解调。运算部504接受来自第一解调器531、第二解调器531′的信号，输出与物质的透过率(气体浓度等)相应的运算结果。
在第18实施方式中，与以频率F1的信号驱动第一光源20同时地，以频率F2(F1≠F2)驱动第二光源20′。在第18实施方式中，能够不利用切换开关而驱动两方的发光部，因此第一传感器部31、第二传感器部31′的温度差进一步不容易产生，从而能够进行高精度的温度补偿。
在该情况下，从第一光源20以频率F1进行调制并经过第一基板41的内部而入射至第一传感器部31的信号Ip_ref_f1与从第二光源20′以频率F2进行调制并经过光路空间而入射至第一传感器部31的信号(即，与透过被检测物质的光相应的信号)Ip_trasm_f2两个信号的组合成为由第一信号处理部503检测的信号A。另外，从第二光源20′以频率F2进行调制并经过第二基板的内部而入射至第二传感器部31′的信号Ip_ref_f2和从第一光源20以频率F1进行调制并经过光路空间而入射至第二传感器部31′的信号(即，与透过被检测物质的光相应的信号)Ip_transm_f1两个信号的组合成为由第二信号处理部503′检测的信号B。
第一解调器531接收信号A、信号B、频率F1的同步信号ref1，输出解调得到的Ip_ref_f1和解调得到的Ip_trasm_f1。第二解调器531′接收信号A、信号B、频率F2的同步信号ref2，输出解调得到的Ip_ref_f2和解调得到的Ip_transm_f2。
第一解调器531、第二解调器531′只要能够分离各个频率下的振幅成分的信号，就可以是任意的结构。作为第一解调器531、第二解调器531′的一例，列举Lock-in Amp。Lock-inAmp能够从具有各种频率成分的信号中仅抽出与参照信号(在上述中，是ref1和ref2那样的同步信号)相同频率的信号并输出，因此在本发明中是有效的。
[第19实施方式]
图22是表示本发明的第19实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
如图22所示，第19实施方式所涉及的气体传感器具有除了第一光源20和第一传感器部31以外还形成有第一温度测定部51的第一基板41以及除了第二光源和第二传感器部以外还形成有第二温度测定部51′的第二基板41′。
第一温度测定部51和第二温度测定部51′彼此具有同样的结构，只要是能够分别精确地测定第一传感器部31的温度和第二传感器部31′的温度的构造，就可以是任意的构造。作为具体的例子，第一温度测定部51和第二温度测定部51′也可以具有与发光部和传感器部同样的光电二极管构造。
图23示出第一温度测定部51包含热敏电阻构造的情况。在将第一温度测定部51设为热敏电阻构造的情况下，能够利用光电二极管的例如N层(期望是接近基板的第一主面的半导体层)、在同一基板上以同一制造工序形成第一温度测定部51，因此有时是优选的。另外，热敏电阻通过被施加电流，能够获得与传感器部的温度相应的输出信号。虽然没有图示，但是关于第二温度测定部51′，通过设为热敏电阻构造，也能够获得与上述同样的效果。
返回图22，第19实施方式所涉及的气体传感器还具有温度控制部541。温度控制部541接收来自第一温度测定部51的温度信息和来自第二温度测定部51′的温度信息，向第一光源20和第二光源20′输出与需要的电力相应的控制信号使得第一传感器部31的温度和第二传感器部31′的温度彼此相等。
本发明的第19实施方式特别是在将第一基板41与第二基板41′分离配置的情况下有效。例如在对特定的波长下的光吸收少的被检测物质的浓度进行测定的情况下，需要较长的光路，根据设计的不同也存在需要将第一基板41和第二基板41′设置在分离的场所的情况。在该情况下，第一基板41和第二基板41′容易受到温度梯度等那样的热干扰的影响。然而，根据第19实施方式，分别测定第一传感器部31的温度和第二传感器部31′的温度，对第一光源20和第二光源20′施加各自期望的电力以使各自的温度彼此相同。由此，能够使第一传感器部31的温度与第二传感器部31′的温度相同，从而能够进行高精度的温度补偿。作为供给至发光部的电力的控制(变化)的方法，能够考虑电流(或电压)的脉冲的宽度、脉冲的振幅、或脉冲的占空(Duty)比。占空比也称为占空值。
[第20实施方式]
图24是表示第20实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。
第20实施方式与第19实施方式同样地测定第一传感器部的温度和第二传感器部的温度，为了向第一光源和第二光源供给需要的电力，温度控制部541向第一驱动部和第二驱动部输出控制信号。第20实施方式与第19实施方式的不同点在于温度测定方法。第20实施方式所涉及的气体传感器具有能够计算第一传感器部31的电阻值的第一信号处理部503(在图24中，示出第一信号处理部503的一例，省略了其它电路的图示。)。如图24所示，第一信号处理部503具有用于使逆向电流流过光电二极管(例如第一传感器部31)的电流源551、放大器552以及与电流源551和放大器的输入端子连接的电容器553。
在第20实施方式中，与光电二极管的电阻值相应的电压值成为具有温度信息的信号。在使用InSb、InAlSb、InAsSb的光电二极管构造中，逆向偏压的电阻值根据温度而变化，因此能够正确地测定第一传感器部31的温度。因此，第20实施方式能够实现更高精度的温度补偿。另外，与第一传感器部31输出的受光强度相应的信号能够经由电容器553与直流成分分离。
此外，虽然没有图示，但是关于第二信号处理部，也能够设为与图24所示的第一信号处理部同样的结构。
[第21实施方式]
在本发明的第1至第21实施方式中，在从第一光源20到第二传感器部31′的光路中和/或从第二光源20′到第一传感器部31的光路中也可以具备仅使特定的波长频带透过的光学滤波器(带通滤波器)。
图25是表示本发明的第21实施方式所涉及的气体传感器的结构例的概念图。如图25所示，该气体传感器在第一基板41的第二主面412侧具有带通滤波器35，在第二基板41′的第二主面412′侧具有带通滤波器35′。带通滤波器35被配置在从第二光源20′到第一传感器部31的光路中。另外，带通滤波器35′被配置在从第一光源20到第二传感器部31′的光路中。带通滤波器35、35′例如是使互不相同的波长透过的光学滤波器。
第21实施方式所涉及的气体传感器例如能够用于定性地或定量地检测混合物质(混合气体等)的用途。例如在被导入到小室内的被检测物质为气体A与气体B的混合气体的情况下，考虑气体A在波长1下有吸收、气体B在波长2下有吸收的情况。在该情况下，在第二基板41′设置使波长1的光透过的带通滤波器35′，在第一基板41设置使波长2的光透过的带通滤波器35。根据设置在第二基板41′上的第二传感器部31′的输出信号的强度和设置在第一基板41上的第一传感器部31的输出信号的强度能够进行气体A、B的检测、求气体导出体A、B的浓度。
[流体中特定物质浓度运算方法]
接着，对使用本发明的气体传感器进行的存在于流体中的特性物质的浓度运算方法的具体例进行说明。将第一光源20发光时的第一传感器部31所输出的信号设为Ip_REF_1、将第二传感器部31′所输出的信号设为Ip_TRANSM_1。Ip_REF_1和Ip_TRANSM_1能够用式(7)和式(8)表示。另外，将第二光源20′发光时的第二传感器部31′所输出的信号设为Ip_REF_2、将第一传感器部31所输出的信号设为Ip_TRANSM_2。Ip_REF_2和IpTRANSM2能够用式(9)和式(10)表示。
Ip_REF_1＝Ri1(T)×φ1(T)×α ···(7)
Ip_TRASM_1＝Ri2(T)×φ1(T)×β×(1-A(C)) ···(8)
Ip_REF_2＝Ri2(T)×φ2(T)×α ···(9)
Ip_TRASM_2＝Ri1(T)×φ2(T)×β×(1-A(C)) ···(10)
其中，
A···基于被测定物质浓度的吸收率
C···被测定物质的浓度
φ1···第一光源的发光强度
φ2···第二光源的发光强度
α···从第一光源向第一传感器部的传递率
(与从第二光源向第二传感器部的传递率相同)
β···从第一基板/第二基板取出光的光取出效率(或者，没有被检测物质的吸收的情况下的从第一光源向第二传感器部、从第二光源向第一传感器部的传递率)
Ip_REF_1···第一光源发光时的第一传感器部的输出信号
Ip_TRASM_1···第一光源发光时的第二传感器部的输出信号
Ip_REF_2···第二光源发光时的第二传感器部的输出信号
Ip_TRASM_2···第二光源发光时的第一传感器部的输出信号
Ri1···第一传感器部的灵敏度
Ri2···第二传感器部的灵敏度
该交替驱动是根据来自控制电路部505的控制信号使第一驱动部和第二驱动部进行动作来使第一驱动部和第二驱动部交替地发光。
接着，示出运算部504的运算方法的一例。例如运算部504能够在第一光源发光时计算运算结果1，在第二光源发光时计算运算结果2。即，运算结果1和运算结果2能够用式(11)和式(12)表示。
运算结果1＝Ip_TRASM_1/Ip_REF_1
＝(Ri2(T)×β×(1-A(C)))/(Ri1(T)×α) ···(11)
运算结果2＝Ip_TRASM_2/IpREF_2
＝(Ri1(T)×β×(1-A(C)))/(Ri2(T)×α) ···(12)
只要第一传感器部的温度特性Ri1(T)＝g1(T)与第二传感器部的温度特性Ri2(T)g2(T)相等、或具有比例关系，就成为运算结果1∝(1-A(C))，同样地成为运算结果2∝(1-A(C))，能够去除作为气体传感器的温度依赖性，从而能够获得气体的分子进行吸收时的真正的吸收率。如果运算结果1与运算结果2相同，则作为最终的运算结果，能够考虑式(13)所示那样的运算。
运算结果3＝(运算结果1+运算结果2)/2 ···(13)
利用式(9)所示的运算结果，基于Lambert-Beer法则，能够从(1-A(C))中抽出被测定物质浓度C。
在此，假设α、β不与波长相应地变化并且不根据温度而变化，但是即使发生了变化，也可以测定第一基板和/或第二基板、或者小室的温度，并将该测定结果在温度补偿中利用。
[经时变化补偿]
如从式(7)～(13)可知，由于发光部的光量不出现在运算结果中，因此即使发光部劣化、即即使发光效率发生了变化，被检测物质的浓度运算结果也不变。本实施方式所涉及的气体传感器将第一光源20和第一传感器部31形成在同一基板(第一基板41)上，能够输出仅基于从第一光源20放出的光的信号，因此能够正确地测定来自第一光源20的发光量。关于来自第二光源20′的发光量也相同。在发光部包含很多的发光元件的情况下，只要适当地对发光部20的各发光元件和第一传感器部31的各受光元件的配置进行设计以能够测定各发光元件发出的各光量即可。
将上述的发光部连续地接通/断开(脉冲驱动)，并且读取发光部接通时和断开时的来自第一传感器部和第二传感器部的信号，通过利用其信号差能够去除因干扰、电路所引起的偏移。其理由是因为因电路、干扰所引起的偏移不论发光部的接通/断开而始终产生，因此当取接通时与断开时的信号差时，能够去除该偏移成分。
通过将接通/断开的切换频率设定为相对于干扰的辐射和电路偏移波动的频率是非常高的值，偏移的去除效果更显著。具体地说，在干扰和偏移的变动频带为0kHz～1kHz的情况下，最好将接通/断开的切换频率设为该变动频带的10倍(10kHz)左右。一般地，该偏移的功率谱与频率f成反比例、换言之为1/f(通称：粉红噪声、1/f噪声)。因此，最好将接通/断开的切换频率设定在不出现1/f噪声的频带。并且，在第7、第19实施方式中，为了使得在第一解调器和第二解调器中信号不发生干扰，需要设置充分的频率差Δf。另外，除了此处说明的接通/断开那样的信号调制方式以外，也可以使用通信系统中经常使用的振幅调制方式(AM：Amplitute Modulation)。
如果为了降低气体传感器整体的消耗电力而以低电流驱动发光部从而使气室过长，则有时不能取得足够的S/N比。也就是说，需要较短的气体通路，但是气体通路越短，相比于因气体的浓度的变化所引起的信号的变化，因温度所引起的信号的变化越显著。在该情况下，有效的温度补偿方法是不可或缺的。
另外，第一传感器部和第二传感器部为了能够高速地进行动作(对高速光脉冲具有充分的响应性)而优选的是量子型传感器。量子型传感器的传感器内部电阻根据温度而变化，因此通过读取该传感器的内部电阻值，能够正确地获知气体传感器的内部的温度。
<其它>
本发明不限定于以上记载的实施方式。可以根据本领域技术人员的知识对实施方式施加设计变更等，并且也可以将作为本实施方式的一例的第1方式、第2方式、作为本实施方式的具体例的第1～第21实施方式任意地组合，施加这种变更后的各方式也包含在本发明的范围内。
另外，本发明的气体传感器不限定于红外线式的气体传感器，例如也可以是紫外线式的气体传感器。在该情况下，第一光源、第二光源放射紫外线，第一传感器部接收放射的该紫外线的一部分，第二传感器部接收紫外线的其它部分。
另外，如果利用上述技术，则能够实现不受环境温度影响的高精度的浓度测定装置。作为浓度测定装置的用途的一例，列举气体传感器。
实施例
接着，说明本发明的实施例和比较例。
<实施例>
关于本发明的实施例，使用图10所示的第10实施方式所涉及的气体传感器进行说明。第一基板41、第二基板42利用半绝缘性的GaAs基板，第一光源20利用能够发出4.3μm附近的波长的光的PIN构造的LED，第一传感器部31、第二传感器部32利用能够检测4.3μm附近的波长的PIN构造的光电二极管。
第一光源(LED)20、第一传感器部31、第二传感器部32全部具有相同的层叠构造，在厚度为230μm的GaAs基板上，利用MBE(Molecular BeamEpitaxy：分子束外延)法形成厚度为1μm的n型AlInSb、厚度为2μm的i型的激活层、带隙比i层大的厚度为0.02μm的AlInSb的势垒层、厚度为0.5μm的p型AlInSb。
第一基板41和第二基板42的面积相同，设为0.53mm2。将处于第一基板41的第一光源20的LED面积(发光面积)设为0.26mm2、将第一传感器部31的受光部的面积(受光面积)设为0.025mm2。第二传感器部32的受光面积设为0.28mm2。第一传感器部31的受光部的数量设为36个，第二传感器部32的受光部的数量设为396个。对第一基板41和第二基板42实施同样的晶圆工艺。首先，实施WET蚀刻，形成MESA型的元件(受光元件、发光元件)，之后将Si3N4形成为绝缘层，最后为了与n型层和p型层电连接而形成接触孔，最后形成金属配线。金属配线使用Ti作为贴合层，其上使用用于抑制配线电阻的Au。
作为密封树脂200，使用了不使4.3μm的波长的光透过的纳美仕公司(NamicsCorporation)产的Chipcoat G8345-6的树脂。气室10利用内部被镜面加工的铝制的筒。第一基板41与第二基板42的距离设为20mm(成为气室长度的距离)。作为气体传感器的整体的大小，为10×10×25mm3。
作为向第一光源20供给电源的光源电源供给部101，利用输出矩形波的脉冲的脉冲发生器(脉冲发生部)。第一放大部102利用第一锁定放大器，第二放大部103利用第二锁定放大器。作为两方的锁定放大器的同步信号，利用脉冲发生器的触发信号。该实验中利用的被检测气体设为二氧化碳(CO2)。
[测定实验]
图26示出将该气体传感器设置在恒温槽内、将恒温槽的温度分别设定为30℃和40℃并向气室10内导入了浓度500ppm、1000ppm、2000ppm、3000ppm、5000ppm的二氧化碳气体时的、第二传感器部32的输出信号(将30℃、2000ppm时设为基准)，图27示出处于第一基板41上的第一传感器部31的输出信号。
另外，图28中示出在将二氧化碳气体的浓度设为固定(1000ppm)并使温度在0℃～60℃之间变化的情况下应用本实施方式的温度补偿时的输出信号(第二传感器部的输出信号/第一传感器部的输出信号)的变化率以及不应用温度补偿时的输出信号(第二传感器部的输出信号保持原样)的变化率(分别以温度0℃基准)。
[结果]
如图26所示，确认出以下内容：关于第二传感器部32的输出信号，当使二氧化碳气体的浓度在500ppm～5000ppm之间变化时，在环境温度为30℃和40℃的各情况下，输出信号变化约0.8％/1000ppm。另外，当使温度变化10℃(从30℃变化为40℃)时，确认出输出信号也变化10％/10℃。即，当环境温度变化时，导致产生远大于本来想要探测的气体浓度范围内的输出信号的变化(0.8％/1000ppm)的信号变化，能够理解为无法正确地探测气体浓度。
另一方面，如图27所示可知，第一传感器部31的输出信号与第二传感器部32同样地受温度影响，但是不受气体浓度影响。
如图28所示，在不进行温度补偿且使温度变化0℃～60℃的情况下，导致产生约15％的信号变化。与此相对，示出在应用本实施方式的温度补偿的情况下、即输出将第二传感器部32的信号除以第一传感器部31的信号得到的信号的情况下，能够将温度的影响大幅地抑制在1％以内。以上示出通过本实施方式的结构能够大幅地提高气体测定精度。
<比较例>
[测定实验]
接着，关于比较例，使用图29的(b)所示的气体传感器进行说明。
如图29的(b)所示那样，除了将第一传感器部(参照用传感器)931和第二传感器部(检测用传感器)932与第一光源相向地配置、对参照用传感器931设置参照用的带通滤波器(选择性地使中心波长3.9μm、半值宽度0.2μm的波长频带透过的)f′1、对检测用传感器932设置检测用的带通滤波器(选择性地使中心波长4.3μm、半值宽度0.2μm的波长频带透过的)f′2以外，其它设为与实施例相同的结构，进行相同的测定。
[结果]
如表1所示，在比较例中，相对于主传感器信号(S2)与参考传感器信号(S1)的比的S/N比为3194，在本发明的实施例中，S1被放大100倍，因此S2/S1的S/N比为4380，能够确认到1.4倍的改善。
[表1]
通过这样，本发明能够适用于各种气体浓度传感器，能够应用于例如二氧化碳(CO2)的气体浓度传感器。在地球上人类活动的环境中，二氧化碳的浓度设为数100ppm～5000ppm。根据情况有时超过5000ppm，但是在二氧化碳的浓度大的情况下，从安全管理上、医疗领域、或环境的舒适度的观点出发，需要进行监视。本发明能够以200ppm、或100ppm、50ppm、10ppm以下的分辨率且在较广的温度范围内监视浓度比较低的二氧化碳。
产业上的可利用性
根据本发明，能够以更简单的结构实现不需要温度补偿和劣化补偿的气体传感器。
附图标记说明
10：气室；20：第一光源；20′：第二光源；31：第一传感器部；31′、32：第二传感器部；40：基板(共通的基板)；41：第一基板；41′、42：第二基板；50：光遮断部；51：第一温度测定部；51′：第二温度测定部；60：光反射部；70：控制层；101：光源电源供给部；102：第一放大部；103：第二放大部；104：气体浓度运算部；105：温度测定部；106：驱动信号供给部；200：密封树脂；201、311、321、201′、311′：第一导电型的半导体层；202、312、322、202′、312′：第二导电型的半导体层；203、204、313、314、323、324、203′、204′、313′、314′：电极；411：第一主面；412：第二主面；501：光接收和发射控制部；502：第一驱动部；502′：第二驱动部；503：第一信号处理部；503′：第二信号处理部；504：运算部；505；控制电路；512：驱动部；521、522：切换开关；531：第一解调器；531′：第二解调器；541：温度控制部；551：电流源；552：放大器；553：电容器；701：光反射层；910：气室；920：第一光源；930：红外线传感器；931：参照用传感器；932：检测用传感器。

Claims (21)

1.一种气体传感器，其特征在于，具备：
第一光源；以及
第一传感器部和第二传感器部，以使从所述第一光源输出的光入射到该第一传感器部和第二传感器部的方式分别配置该第一传感器部和第二传感器部，
还具备：
第一基板，其具有第一主面和与该第一主面相向的第二主面，在该第一主面上设置有所述第一光源和所述第一传感器部；以及
第二基板，其具有第一主面和与第一主面相向的第二主面，在该第二基板的第一主面上设置有所述第二传感器部，
其中，所述第一传感器部的配置位置被设定在所述第一基板的第一主面上的、从所述第一光源输出的光中的由该第一基板的第二主面反射的光入射的位置，并且从所述第一光源到所述第一传感器部的光路的至少一部分处于所述第一基板内。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
还具备运算部，该运算部被输入来自所述第一传感器部的输出信号和来自所述第二传感器部的输出信号。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一传感器部和所述第二传感器部具有相同的温度特性。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一基板和所述第二基板以侧面彼此相向的方式相邻配置，
该气体传感器还具备设置在所述第一基板与所述第二基板之间的光遮断部。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
还具备气室，
还具备光反射部，该光反射部被配置在所述气室内的从所述第一基板和所述第二基板分别远离的位置，使从所述第一基板的第二主面射出的光朝向所述第二传感器部反射。
6.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，
还具备控制层，该控制层设置在所述第一基板的第二主面上，
该控制层对从所述第一光源输出的光中的、在所述第一基板内发生散射的光的光量以及从所述第一基板的第二主面向气室内的空间放射的光的光量和放射角度进行控制。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
还具备光反射层，该光反射层设置在所述第一基板的第二主面上，使从所述第一光源输出的光朝向所述第一传感器部反射。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一传感器部和所述第二传感器部以及所述第一光源分别包含相同的材料且包含相同的层叠构造。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，
所述层叠构造是至少包含P型半导体和N型半导体这两种类型的半导体的层的二极管构造，并且所述层叠构造包含铟和锑中的任一种材料。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
还具备光学滤波器，该光学滤波器被配置在从所述第一基板的第二主面射出的光入射至所述第二传感器部的光路中，仅使特定的波长频带透过。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一传感器部和所述第二传感器部具有多个相同构造的受光部，
该受光部的数量在所述第一传感器部和所述第二传感器部中不同。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，
所述第一基板和所述第二基板包含相同的材料。
13.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
还具备设置在所述第二基板的第一主面上的第二光源，
所述第二传感器部被设定在从所述第二光源输出的光中的由所述第二基板的第二主面反射的光入射的位置。
14.根据权利要求13所述的气体传感器，其特征在于，
还具备光接收和发射控制部，该光接收和发射控制部向所述第一光源和所述第二光源供给电力，被输入来自所述第一传感器部的输出信号和来自所述第二传感器部的输出信号。
15.根据权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部在向所述第一光源和所述第二光源中的一方的发光部供给电力的期间，不向另一方的发光部供给电力。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部向所述第一光源和所述第二光源供给相同大小的电力。
17.根据权利要求14或权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部对向所述第一光源供给的电力和向所述第二光源供给的电力进行控制使得所述第一传感器部和所述第二传感器部成为相同的温度。
18.根据权利要求17所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部具有：
第一温度测定部，其对所述第一传感器部的温度进行测定；以及
第二温度测定部，其对所述第二传感器部的温度进行测定。
19.根据权利要求17所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部根据所述第一传感器部的电阻值计算该第一传感器部的温度，以及
所述光接收和发射控制部根据所述第二传感器部的电阻值计算该第二传感器部的温度。
20.根据权利要求17所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部对供给至所述第一光源和所述第二光源的电力的电流或电压的从包含脉冲的宽度、振幅以及占空比的群中选择出的至少一个进行控制。
21.根据权利要求17所述的气体传感器，其特征在于，
所述光接收和发射控制部以频率F1驱动所述第一光源，以频率F2驱动所述第二光源，其中，F1≠F2。
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