JP2000183372A - 火炎センサ - Google Patents

火炎センサ

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JP2000183372A
JP2000183372A JP10351691A JP35169198A JP2000183372A JP 2000183372 A JP2000183372 A JP 2000183372A JP 10351691 A JP10351691 A JP 10351691A JP 35169198 A JP35169198 A JP 35169198A JP 2000183372 A JP2000183372 A JP 2000183372A
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heater
flame
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JP10351691A
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Hikari Hirano
光 平野
Itaru Tamura
至 田村
Hiroshi Amano
浩 天野
Isamu Akasaki
勇 赤崎
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 暗電流の影響を除去することができて検出精
度が高く、しかも低価格の火炎センサを提供する。 【解決手段】 火炎から発する光をIny Alx Ga
1-x-y N膜(x>0,y≧0)からなる受光部PRを備
えた受光素子PSを用いて検出するように構成された火
炎センサであって、受光素子PSの温度を設定温度に維
持するように、受光素子PSを加熱する加熱手段Hが設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、火炎から発する光
をIny Alx Ga1-x-y N膜(x>0,y≧0)から
なる受光部を備えた受光素子を用いて検出するように構
成された火炎センサに関する。
【0002】
【従来の技術】かかる火炎センサは、通常、種々の雰囲
気温度にて使用されるものであり、又、かかる火炎セン
サで用いられる受光素子では、光が照射されていない状
態で流れる暗電流は雰囲気温度により変化する。そこ
で、他の光と区別した状態で火炎を検出できるようにし
て、火炎の検出精度を高くするには、暗電流の影響を除
去する必要がある。従来は、特性が揃った少なくとも2
個の受光素子を用いて火炎センサを構成し、そのうちの
少なくとも1個を光が入射しないように設けて暗電流の
補償用として使用するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、特性の揃った複数の受光素子を用いることによりコ
ストがアップするばかりでなく、広い温度域に特性の揃
ったものを抽出するための作業が複雑となってそのため
のコストも高くなるため、火炎センサの価格が高くなる
という問題があった。
【0004】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、暗電流の影響を除去することが
できて検出精度が高く、しかも低価格の火炎センサを提
供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の特徴構
成によれば、雰囲気温度が変化しても、加熱手段によっ
て受光素子の温度が設定温度に維持されるように加熱さ
れるので、暗電流の変化がなくなる又は小さくなって、
暗電流を安定化させることができる。従って、暗電流補
償用の受光素子を別に設けることなく、1個の受光素子
を用いて、暗電流の影響を除去して火炎を検出すること
ができるので、検出精度が高く、しかも低価格の火炎セ
ンサを提供することができるようになった。
【0006】請求項2に記載の特徴構成によれば、加熱
手段が電気抵抗加熱式のヒータにて構成されている。受
光素子の入出力信号は、当然、電気信号であるので、請
求項2に記載の特徴構成にように、加熱手段を電気抵抗
加熱式のヒータにて構成することにより、加熱手段の加
熱作動を電気的に行わせることができるので、構成を簡
略化することができる。ちなみに、加熱手段は、例え
ば、熱媒の通流により加熱作動させるように構成するこ
とができるが、この場合は、構成が複雑になる。従っ
て、請求項2に記載の特徴構成によれば、加熱手段の加
熱作動を電気的に行わせるようにして、構成を簡略化す
ることができるので、本発明の実施コストを低減するこ
とができる。
【0007】請求項3に記載の特徴構成によれば、ヒー
タが板状に形成され、受光素子がベアーチップ状態で板
状ヒータの板面にダイボンドされて支持されている。つ
まり、元々、ベアーチップ状態の受光素子をダイボンド
して支持するための部材、例えば基板が必要であるが、
板状ヒータをベアーチップ状態の受光素子を支持するた
めの部材に兼用するようにしてある。従って、部材の兼
用化により、火炎センサを構成するための部材を少なく
することができるので、本発明の実施コストを低減する
ことができる。
【0008】請求項4に記載の特徴構成によれば、受光
素子の温度を検出する温度検出手段が、板状ヒータの板
面に膜状に形成され、受光素子が板状ヒータの板面にお
ける温度検出手段上に支持されているので、温度検出手
段により、受光素子の温度を精度よく検出することがで
きる。そして、温度検出手段の検出情報に基づいて、受
光素子の温度を設定温度に維持するように、板状ヒータ
に供給する電力を調節することにより、受光素子の温度
調節をより精度よく行うことができるので、暗電流の変
化をより小さくすることができて、検出精度を更に向上
させることができる。
【0009】温度検出手段は、板状ヒータの板面に、蒸
着等の薄膜形成法にて、例えば、膜状に熱電対を構成す
ることにより、膜状に簡単且つ生産性よく形成すること
ができる。ちなみに、受光素子の温度を検出するための
構成としては、板状ヒータの板面に凹部を形成し、その
凹部に熱電対を入れることにより構成することができる
が、この場合は、生産性が悪くなるのでコストが高くな
る。従って、請求項4に記載の特徴構成によれば、コス
トアップを可及的に抑制しながら、受光素子の温度調節
精度を更に高くして、検出精度を更に向上させることが
できるようになった。
【0010】請求項5に記載の特徴構成によれば、受光
素子が気密状の容器内に設けられ、その容器内に不活性
ガスが充填されているので、受光素子が水分等の性能を
劣化させる成分を含む雰囲気に曝されるのを防止するこ
とができる。従って、検出精度が高く、しかも、耐久性
に優れた火炎センサを提供することができるようになっ
た。この場合、請求項6に記載されているように、不活
性ガスとして窒素ガスを封入しておくと、素子材料から
の窒素元素の脱離を抑制することができ、高温条件下で
使用される場合にあっても、その特性を安定させること
ができる。
【0011】請求項7に記載の特徴構成によれば、冷媒
通流手段により受光素子を冷却するように冷媒が通流さ
れる状態で、加熱手段によって受光素子の温度が設定温
度に維持されるように加熱されるので、受光素子の温度
調節をより精度よく行うことができる。従って、暗電流
の変化をより小さくすることができて、検出精度を更に
向上させることができる。又、雰囲気温度が高くなって
も、受光素子が冷却されているので、受光素子の過熱を
防止することができる。従って、より高い雰囲気温度に
おいても使用することができるようにして、汎用性を向
上させることができるようになった。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。図6に示すように、火炎センサ
は、火炎を検出するセンサヘッドS1と、そのセンサヘ
ッドS1の作動を制御するとともにセンサヘッドS1か
らの出力信号を処理する制御部S2と、それらセンサヘ
ッドS1と制御部S2とを電気的に接続するケーブルS
3と、センサヘッドS1を冷却すべく、冷却用空気を通
風するブロアS4等を備えて構成してある。そして、例
えば、炉壁Wの窓に筒状体Tを連通接続して、センサヘ
ッドS1を、炉内に臨ませる状態で筒状体T内に配置
し、ブロアS4を筒状体T内に冷却用空気を通風するよ
うに配置する。
【0013】センサヘッドS1について説明を加える。
図1に示すように、センサヘッドS1は、火炎から発す
る光を検出するInyAlx Ga1-x-y N膜(x>0,
y≧0)からなる受光部PRを備えた受光素子PSと、
その受光素子PSの温度を設定温度に維持するように、
受光素子PSを加熱する加熱手段Hを備えて構成してあ
る。
【0014】図2ないし図4に基づいて、受光素子PS
について説明を加える。受光素子PSは、図2に示すよ
うに、単結晶基板であるサファイヤ基板1上にAlN緩
衝層2及び高抵抗のIny Alx Ga1-x-y N単結晶膜
3を積層し、図3に示すようにIny Alx Ga1-x-y
N単結晶膜3上に櫛形電極4a,4bを形成して構成す
る。上記受光素子PSでは、Iny Alx Ga1-x-y
単結晶膜3が受光部PRとなり、その受光部PRに入射
した光により受光部PRの電気抵抗が変化することに光
を検出するいわゆる光導電型に構成してある。
【0015】Iny Alx Ga1-x-y N単結晶膜3の I
II族元素の組成比によって分光感度が規定される。具体
的には、図4に示すInを含まないAlx Ga1-x Nの
バンドギャップとAl混晶比xとの関係のように、Al
混晶比が大きくなるほどバンドギャップが広くなって光
吸収端が短波長側に移動する。Alx Ga1-x NのAl
の一部がInに置き代わる関係となるIny Alx Ga
1-x-y Nの場合では、Inが、Al又はGaに置き変わ
る割合が大きくなるにつれてバンドギャップが狭くなり
光吸収端が長波長側に移動する。
【0016】受光素子PSは火炎センサとして用いるも
のであり、火炎の光のスペクトルを、雑音光として作用
する太陽光や室内光(蛍光灯の光)の影響を除外した状
態で検出できるのが望ましいので、吸収スペクトルの長
波長端が300nm近傍以下となるようにするのが好適
である。具体的には、y=0としてInを含まないAl
x Ga1-x Nの場合では、Al混晶比を0.42乃至
0.45の範囲で選択すれば、バンドギャップが概ね
4.5eVとなり、吸収スペクトルの長波長端はおよそ
275nmとなる。このように、y=0としてInを含
まないAlx Ga1-x Nを備えて所望の受光素子PSを
構成できるのであるが、y>0としてInを成分に含め
ても受光素子PSを構成できる。Inを含める場合に
は、それに応じてAl混晶比xを大きくし、ガリウムの
割合を減じることで、上記のバンドギャップとすること
ができる。但し、y≧0.5の範囲では、Alの割合を
最大にしても吸収スペクトルの長波長端が長波長側へ移
動し過ぎるものとなり、現実には、0≦y<0.5の範
囲が望ましい。又、Al混晶比xを大とし過ぎると、ガ
スの炎から発する光に対する感度も低下し、火炎センサ
としての利用が困難となるので、0<x≦0.6の範囲
とするのが望ましい。当然、x及びx+yは1未満であ
る。尚、太陽光が完全に遮光された状態で使用されるこ
とが前提であれば、バンドギャップが概ね4.3eVと
なるようにして、吸収端を若干長波長側へ移動させても
ほぼ同等の性能が得られる。
【0017】受光素子PSの製造方法について、簡単に
説明する。受光素子PSを構成する各層は、ウェハ状態
のサファイヤ基板1上に、MOCVD装置にて積層され
る。MOCVD装置は、反応室(成膜室)が常圧付近と
なるいわゆる常圧型のものを使用する。上記各層の積層
は、ウェハ状態のサファイヤ基板1を反応室(成膜室)
にセットした状態で、サファイヤ基板1を加熱し、各構
成元素の材料ガスの供給状態を順次切換えることにより
行われる。材料ガスとしては、In,Al,Ga及びN
の各構成元素は、夫々、TMIn(トリメチルインジウ
ム),TMAl(トリメチルアルミニウム),TMGa
(トリメチルガリウム)及びNH3 (アンモニア)とし
て供給される。
【0018】上記各層のうち、Iny Alx Ga1-x-y
N単結晶膜3を積層する際においては、TMIn,TM
Al,TMGa及びNH3 の材料供給量を、夫々、a
(mol/sec),b(mol/sec),c(mo
l/sec)及びX(mol/sec)とすると、V族
元素の III族元素に対する材料供給比率、すなわち、X
/(a+b+c)が、5000以上となるように設定し
て成膜する。このような条件で成膜することにより、I
y Alx Ga1-x-y N単結晶膜3は、キャリア濃度が
1×1015cm-3以下の高抵抗の単結晶膜が得られる。
又、キャリア濃度の調整のために特に必要であれば、S
i、Mg、Ca等を公知の適切な注入方法により注入す
ることができる。
【0019】Iny Alx Ga1-x-y N単結晶膜3の成
膜後に、Iny Alx Ga1-x-y N単結晶膜3の積層表
面上に櫛形電極4a,4bを形成する。櫛形電極4a,
4bは、TiとAlの2層構成で、Iny Alx Ga
1-x-y N単結晶膜3側がTiとなるように、例えば電子
ビーム蒸着等により積層し、リフトオフ法や化学的エッ
チング等により櫛形とする。尚、図3中、4ap ,4b
pは、ワイヤボンド用のボンディングパッドである。櫛
形電極4a,4bの形成後、ダイシングによりウェハ状
態から個々の素子へ素子分離する。
【0020】図5に示すように、加熱手段Hは、矩形板
状で、電気抵抗加熱式のセラミックヒータ5(以下、板
状ヒータと略記する場合がある)にて構成してある。更
に、板状ヒータ5の板面に、温度検出手段としての熱電
対6を膜状に形成してある。具体的には、熱電対6は、
板状ヒータ5の板面に、熱電対を構成するための2種の
金属膜6a,6bを蒸着法にて積層し、リフトオフ法や
化学的エッチング法等により、所定の形状に形成する。
尚、図5中、6ap ,6bp は、熱電対6から信号を取
り出すためのワイヤボンド用のボンディングパッドであ
る。
【0021】そして、上述のように形成した受光素子P
Sを、板状ヒータ5の板面における熱電対6上にダイボ
ンドすることにより、受光素子PSをベアチップ状態で
板状ヒータ5の板面に支持してある。
【0022】図1に示すように、板状ヒータ5に電力を
供給するための2本のヒータ用リード7hを板状ヒータ
5に接続してある。又、受光素子PSのボンディングパ
ッド4ap ,4bp 夫々と2本のセンサ用リード7s,
7s夫々とをワイヤ8にてワイヤボンドし、並びに、熱
電対6のボンディングパッド6ap ,6bp 夫々と2本
の温度検出用リード7t,7t夫々とをワイヤ8にてワ
イヤボンドしてある。そして、板状ヒータ5に支持され
た状態の受光素子PSを、気密状の容器P内に、リード
7h,7s,7tからなる6本のリード7の端部が容器
外に出る状態で設け、その容器P内に不活性ガスとして
の窒素ガスを充填してある。容器Pは、紫外線を透過さ
せる石英ガラス等にて形成したガラス容器9にて構成し
てある。
【0023】尚、受光素子PSを支持した板状ヒータ5
をガラス容器9内に設けるに当たっては、2本のヒータ
用リード7hにより、受光素子PSを支持した板状ヒー
タ5を、容器P内において容器内面と非接触状態で支持
するように設けてある。つまり、受光素子PS及び板状
ヒータ5とガラス容器9との間の熱伝導を極力小さくし
て、板状ヒータ5により受光素子PSを効率よく加熱す
ることができるようにしてある。
【0024】上述のように形成したセンサヘッドS1
を、図6に示すように、火炎から発する光が受光部PR
に入射する状態で設け、そのセンサヘッドS1を6本の
リード7を利用して、ケーブルS3にて制御部S2に接
続してある。そして、ブロアS4による冷却用空気の通
風により、センサヘッドS1が冷却される(即ち、受光
素子PSが冷却される)状態で、制御部S2により、熱
電対6の検出情報に基づいて、受光素子PSの温度を設
定温度(例えば、100℃前後)に維持するように、板
状ヒータ5に供給する電力を調節するように構成してあ
る。ここで、火炎の有無の検出は、櫛形電極4a,4b
間の抵抗値変化としてとらえられる。従って、ブロアS
4が、受光素子PSを冷却すべく冷却用空気を冷媒とし
て通流させる冷媒通流手段として機能する。
【0025】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 (イ) 容器Pの具体構成は、上記の実施形態において
例示した構成に限定されるものではない。 上記の実施形態では、容器Pの全体を石英ガラスを用い
て形成したが、光を入射させるべき部分は石英ガラスを
用い、その他の部分は金属を用いることにより形成し
て、コストダウンを図ってもよい。この場合、例えば、
図7に示すように、金属製の円筒体10の一方の開口端
を金属製の円板状の台座11により閉塞し、他方の開口
端を石英ガラス製の透過部材12により閉塞して、容器
Pを気密状に形成することができる。円筒体10と台座
11とは全周にわたって連続して溶接接続し、円筒体1
0と透過部材12とは、鉛ガラス等の接合材13にて全
周にわたって連続して接合する。
【0026】この場合、台座11の内面には、4個のボ
ンディングパッド14sp ,14s p ,14tp ,14
p を互いに電気的に絶縁状態で設けてあり、2本のセ
ンサ用リード7s,7s夫々をボンディングパッド14
p ,14s夫々と電気的に接続する状態で、台座11
にそれとは電気的に絶縁状態で支持して設け、同様に、
2本の温度検出用リード7t,7t夫々をボンディング
パッド14tp ,14tp 夫々と電気的に接続する状態
で、台座11にそれとは電気的に絶縁状態で支持して設
けてある。又、2本のヒータ用リード7hを台座11に
対して、それとは電気的に絶縁状態で貫通する状態で支
持して設けてある。
【0027】尚、受光素子PSを支持した板状ヒータ5
は、上記の実施形態と同様に、2本のヒータ用リード7
hにより、容器P内に容器内面と非接触状態で支持して
設ける。又、受光素子PSのボンディングパッド4a
p ,4bp 夫々とボンディングパッド14sp ,14s
p 夫々とをワイヤ8にてワイヤボンドし、並びに、熱電
対6のボンディングパッド6ap ,6bp 夫々とボンデ
ィングパッド14tp ,14tp 夫々とをワイヤ8にて
ワイヤボンドする。
【0028】あるいは、図8に示すように、一方の端部
が全面にわたって開口し、他方の端部が環状の縁部が形
成される状態で部分的に開口した円筒体15の全面開口
端を図7と同様の台座11により閉塞し、部分開口端を
石英ガラス製の透過部材16にて閉塞して、容器Pを気
密状に形成することができる。円筒体15と台座11と
は全周にわたって連続して溶接接続し、円筒体15と透
過部材16とは、透過部材16を円筒体15の内側から
開口部周りの縁部に当て付けた状態で、鉛ガラス等の接
合材13にて全周にわたって連続して接合する。
【0029】(ロ) 上記の実施形態においては、受光
素子PSを支持した板状ヒータ5を、容器P内に容器内
面と非接触状態で設ける場合について例示したが、これ
に代えて、受光素子PSを支持した板状ヒータ5を容器
内面と接触状態で設けてもよい。あるいは、板状ヒータ
5により容器Pの周壁の一部を形成するようにしてもよ
い。但し、板状ヒータ5による加熱効率を向上させる上
や、受光素子PSの温度調節精度を向上させる上では、
容器内面と非接触状態で設けるのが好ましい。
【0030】(ハ) 加熱手段Hの具体構成は、上記の
実施形態において例示した矩形板状のセラミックヒータ
5に限定されるものではない。例えば、セラミック基板
上に厚膜抵抗体又は薄膜抵抗体を形成し、その厚膜抵抗
体又は薄膜抵抗体を電気抵抗加熱式のヒータとして機能
させるように構成してもよい。
【0031】(ニ) 上記の実施形態において、ブロア
S4を省略することができるが、受光素子PSの温度調
節精度を向上させる上や、火炎センサの使用可能温度を
高くして汎用性を向上させる上では、ブロアS4を設け
るのが好ましい。
【0032】(ホ) 冷媒通流手段の具体構成は、上記
の実施形態において例示した構成に限定されるものでは
ない。例えば、冷媒として、空気以外に窒素ガス等を通
流させるように構成することができる。
【0033】(ヘ) 温度検出手段の具体構成として
は、上記の実施形態において例示した熱電対以外に、例
えば、測温抵抗体を膜状に形成したものを適用すること
ができる。
【0034】(ト) 容器P内に充填する不活性ガスと
しては、上記の実施形態において例示した窒素ガス以外
のアルゴンガス等を用いることができる。 (チ) 受光素子PSは上記の実施形態において例示し
たものに限定されるものではない。例えば、Iny Al
x Ga1-x-y N単結晶膜3の組成比は適宜変更可能であ
る。 (リ) 上記の実施形態においては、受光素子は、ホト
コンダクタ型としたが、PN接合型フォトダイオードと
して構成すること、第1導電型の半導体層と第2導電型
の半導体層との間に、高抵抗のIny Alx Ga1-x-y
N単結晶膜を形成した、いわゆるPIN接合型あるいは
APD(アバランシェフォトダイオード)等のフォトダ
イオードとして構成することができる。尚、PIN接合
型として構成する場合とAPDとして構成する場合とで
は、高抵抗のIny Alx Ga1-x- y N単結晶膜5の層
厚が異なるのみである。例えば、高抵抗のIny Alx
Ga 1-x-y N単結晶膜の層厚は、PIN接合型の場合で
0.1μm、APDの場合で0.5μmとする。
【0035】さらに、フォトトランジスタ、フォトサイ
リスタ等に対しても本願は適応できる。
【0036】あるいは、半導体基板上に、電流通路を形
成するための電流通路用半導体層を形成し、その電流通
路形成用半導体の両側脇に、第1の電極と第2の電極を
形成し、それら二つの電極の間に形成される電流通路に
対して、電流の通過を阻止するための電圧を印加する制
御用電極を備えた、いわゆるFETに類似する構成とし
てもよい。このFETに類似する構成のものでは、電流
通路に入射した光により、電流通路の電気抵抗が低下し
て、第1及び第2電極間に流れる電流が変化することに
基づいて、火炎を検出する。尚、電流通路に光が入射し
ない状態では、第1及び第2電極間に電圧を印加して
も、制御用電極から電圧を印加することにより、第1及
び第2電極間にほとんど電流が流れない状態とすること
ができ、これにより、暗電流を可及的に小さくすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】火炎センサのセンサヘッドの断面図
【図2】火炎センサの受光素子の断面図
【図3】火炎センサの受光素子の平面図
【図4】受光素子の組成比とバンドギャップとの関係を
示す図
【図5】火炎センサの板状ヒータの平面図
【図6】火炎センサの全体構成を示す概略図
【図7】別実施形態にかかる火炎センサのセンサヘッド
の断面図
【図8】別実施形態にかかる火炎センサのセンサヘッド
の断面図
【符号の説明】
5 ヒータ 6 温度検出手段 H 加熱手段 P 容器 PR 受光部 PS 受光素子 S4 冷媒通流手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市天白区塩釜口1―501 名 城大学理工学部電気電子工学科内 (72)発明者 赤崎 勇 愛知県名古屋市天白区塩釜口1―501 名 城大学理工学部電気電子工学科内 Fターム(参考) 2G065 BA02 BA09 BA36 BA37 BA38 CA12 CA16 CA21 DA06 5F088 AA11 AB07 BA03 BB10 CB04 FA05 GA02 HA20 JA07 JA20

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 火炎から発する光をIny Alx Ga
    1-x-y N膜(x>0,y≧0)からなる受光部を備えた
    受光素子を用いて検出するように構成された火炎センサ
    であって、 前記受光素子の温度を設定温度に維持するように、前記
    受光素子を加熱する加熱手段が設けられている火炎セン
    サ。
  2. 【請求項2】 前記加熱手段が電気抵抗加熱式のヒータ
    にて構成されている請求項1記載の火炎センサ。
  3. 【請求項3】 前記ヒータが板状に形成され、 前記受光素子がベアーチップ状態で前記板状ヒータの板
    面に支持されている請求項2記載の火炎センサ。
  4. 【請求項4】 前記受光素子の温度を検出する温度検出
    手段が、前記板状ヒータの板面に膜状に形成され、 前記受光素子が前記板状ヒータの板面における前記温度
    検出手段上に支持され、 前記温度検出手段の検出情報に基づいて、前記受光素子
    の温度を前記設定温度に維持するように、前記板状ヒー
    タに供給される電力が調節されるように構成されている
    請求項3記載の火炎センサ。
  5. 【請求項5】 前記受光素子が気密状の容器内に設けら
    れ、 その容器内に不活性ガスが充填されている請求項3又は
    4記載の火炎センサ。
  6. 【請求項6】 前記不活性ガスが窒素ガスである請求項
    5記載の火炎センサ。
  7. 【請求項7】 前記受光素子を冷却すべく冷媒を通流さ
    せる冷媒通流手段が設けられている請求項1〜5のいず
    れか1項に記載の火炎センサ。
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