JP2001228022A - 波長選択型赤外線検出素子及び赤外線ガス分析計 - Google Patents
波長選択型赤外線検出素子及び赤外線ガス分析計Info
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Abstract
波長選択型赤外線検出素子を提供すること。 【解決手段】 光源からの赤外線を波長選択的に透過さ
せる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過
した赤外線を検出する赤外線検出器とを一体に形成した
ことを特徴とする。
Description
濃度を、赤外線を用いて測定するガス分析計に使用され
る、波長選択型赤外線検出素子に関するものである。
て吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この
吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、
非分散赤外線(Non−Dispersive Inf
raRed)ガス分析計(以下、NDIRガス分析計と
記す)が使用されている。
析計の構成図である。尚、以下においては、赤外線吸収
波長のピークが約4.25μmである二酸化炭素を被測
定ガスとして説明する。
で、ガスが供給されるサンプルセル20と、光源21
と、フィルタ22と、赤外線検出器23とからなってい
る。この場合、フィルタ22は、図11に示すような、
二酸化炭素の吸収特性にあわせてその波長が4.25μ
m近傍の赤外線を選択して透過させる。そして、赤外線
検出器23は、フィルタ22を透過した赤外線を検出す
ることにより、被測定ガスの濃度を測定する、
析計で、図12に示すように、二酸化炭素の吸収特性に
合わせたフィルタ22と、参照光として約3.9μm近
傍の波長の赤外線を透過させるフィルタ24で2波長を
選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器2
3,25により検出される。この場合、測定された参照
光の吸収特性との比較によって、光源21の劣化や、サ
ンプルセル20の汚れ等による出力信号の経時変化を補
正することができる。
析計で、円盤26に形成された二酸化炭素の吸収特性に
合わせたフィルタ22と、参照光のフィルタ24で2波
長を選択し、フィルタによって選択された赤外線は、そ
れぞれ赤外線検出器23により検出される。この場合、
測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源2
1の劣化や、サンプルセル20の汚れ等による出力信号
の経時変化を補正することができる。
IRガス分析計で、ファブリペローフィルタ26を構成
する2つの平行ミラー(図示しない)間のギャップを可
変とすることにより、被測定ガスの吸収特性に合わせた
波長と参照光の波長との2波長を選択し、選択された赤
外線は、それぞれ赤外線検出器23により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によっ
て、光源21の劣化や、サンプルセル20の汚れ等によ
る出力信号の経時変化を補正することができる。
計で、サンプルセル20中での光路長が異なるように2
つの光源21,27を配置し、被測定ガスの吸収特性に
合わせたフィルタ22を透過して検出された赤外線検出
器23の出力信号の比率により、サンプルセル20の汚
れ等による出力信号の経時変化を補正し、被測定ガスの
濃度を測定する。
DIRガス分析計には次のような問題点があった。
一致させるように位置合わせする必要があるが、上述の
NDIRガス分析計においては、フィルタと赤外線検出
器は個別素子の組み合わせであるため、両者を精度良く
位置合わせすることが困難で、その精度のばらつきによ
って、測定器間で測定誤差が発生する。
象とした場合、フィルタの枚数を増加させなければなら
なず、そのコストが増大し、分析計が大型化してしま
う。
の特性が経時変化することを防止するため、赤外線検出
器をパッケージに真空封止または不活性ガス封止する工
程が別に必要となり、分析計のコストを高めてしまう。
なされたものであり、ファブリペローフィルタと赤外線
検出器を一体に形成し、一体形成のプロセスにおいて赤
外線検出器内に形成される赤外線検出部を封止すること
により、組み立て精度が確保され、小型で低コストの波
長選択型赤外線検出素子を提供することを目的とする。
ては、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長
選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外
線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器とを同
一基板上に形成したことを特徴とする波長選択型赤外線
検出素子である。
形成され、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる
波長選択フィルタと、第二基板に形成され、前記波長選
択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部を
有する赤外線検出器とを具備し、前記第一基板と前記第
二基板が接合されてなることを特徴とする波長選択型赤
外線検出素子である。
検出部は、前記基板に形成された封止室に配置され、前
記波長選択フィルタは、前記封止室を真空封止または不
活性ガス封止するように前記封止室上に形成されてなる
ことを特徴とする請求項1記載の波長選択型赤外線検出
素子である。
検出部は前記第二基板に形成された溝状の封止室形成部
に配置され、前記波長選択フィルタが前記封止室形成部
上に配置されて封止室を形成するように前記第一基板と
前記第二基板とを真空中または不活性ガス中で接合する
ことにより、前記封止室が真空封止または不活性ガス封
止されてなることを特徴とする請求項2記載の波長選択
型赤外線検出素子である。
択フィルタは、基板に設けられた第一ミラーと、この第
一ミラーとの間にギャップを形成し、外力が加えられる
ことにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置
される第二ミラーとを有し、この第二ミラーに外力を加
えて変位させることにより前記ギャップを可変としたフ
ァブリペローフィルタであることを特徴とする請求項1
から請求項4記載の波長選択型赤外線検出素子である。
択フィルタは、基板に設けられた第一ミラーと、この第
一ミラーとの間にギャップを形成し、外力が加えられる
ことにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置
される第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一
電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向
配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二
電極に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位
させ、前記ギャップの長さを可変としたファブリペロー
フィルタであることを特徴とする請求項1から請求項4
記載の波長選択型赤外線検出素子である。
リペローフィルタは、前記第一電極と前記第二電極との
間に複数の電圧を印加して前記ギャップの長さを複数に
可変とすることにより、複数の波長帯域の赤外線を透過
可能であることを特徴とする請求項6記載の波長選択型
赤外線検出素子である。
検出器は、赤外線ボロメータであることを特徴とする請
求項1から請求項7記載の波長選択型赤外線検出素子で
ある。
択フィルタと前記赤外線検出器を水平方向に複数個配置
してアレイ状としたことを特徴とする請求項1から請求
項8記載の波長選択型赤外線検出素子である。
スに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を
波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長
選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器
とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測
定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前
記波長選択フィルタと前記赤外線検出器は、請求項1か
ら請求項9記載の波長選択型赤外線検出素子により構成
されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計である。
スに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を
波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長
選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器
とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測
定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前
記波長選択フィルタと前記赤外線検出器は、請求項1か
ら請求項9記載の波長選択型赤外線検出素子により構成
され、この波長選択型赤外線検出素子と前記光源との間
に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバ
ンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガ
ス分析計である。
定ガスは二酸化炭素と水蒸気の2成分を含み、この2成
分の濃度を測定することを特徴とする請求項10及び請
求項11記載の赤外線ガス分析計である。
面を用いて説明する。尚、以下の図面において、図6か
ら図12と重複する部分は同一番号を付してその説明は
適宜に省略する。図1は本発明の第一実施例の構成を示
す断面図である。
は、赤外線検出器1と波長選択フィルタ2とで構成され
ている。赤外線検出器は、例えばボロメータであり、封
止室3と、この封止室に形成される赤外線検出部4と、
この赤外線検出部に通電する電極5a,5bとが基板と
してのシリコン基板6上に形成されている。
されるシリコン酸化膜からなる絶縁層7と絶縁層8の間
に形成された導電性の赤外線検出層9を螺旋状にエッチ
ングすることにより形成されている。赤外線検出層9
は、例えば不純物濃度の高いシリコンである。
スペーサ層10を形成した後、このスペーサ層10と絶
縁層8との間にエッチング孔11を形成し、このエッチ
ング孔11を通して赤外線検出部4下部のシリコン基板
6を濃度差エッチングすることにより封止室3を形成
し、赤外線検出部4をその中空に浮かせる。
からなる封止層12を例えばエピタキシャル成長により
形成してエッチング孔11を塞ぐ。この場合、封止室3
の内部は、エピタキシャル成長時のキャリアガスである
水素が充填され、これを熱処理することにより水素を封
止室3の外部に放出させて封止室3の内部を真空状態と
することができ、赤外線検出部4は、封止室3内に真空
封止される。
と、この第一ミラー13に対向配置される第二ミラー1
4と、第一ミラー13に設けられた第一電極13aと、
第二ミラー14に設けられた第二電極14aとからなる
ファブリペローフィルタである。そして、第一ミラー1
3と第二ミラー14との間にはギャップ15が形成され
ており、第二ミラー14は、第一ミラー13の方向に変
位可能となっている。
ン酸化膜からなる絶縁層16が形成され、第一ミラー1
3は、例えば多結晶シリコンで、この絶縁層16上に形
成される。そして、第一ミラー13の表面には高濃度の
不純物が注入されて、第一電極13aが形成されてい
る。
膜からなる絶縁層17が形成され、第二ミラー14は、
例えば多結晶シリコンで、この絶縁層17上に第一ミラ
ー13に対向して形成される。そして、第二ミラー14
の表面には高濃度の不純物が注入された第二電極14a
が、第一電極13aと対向して形成される。
4に形成した後、このエッチング孔18を通して絶縁層
17をエッチングし、第一ミラー13と第二ミラー14
の間に長さが絶縁層17の膜厚に相当するギャップ15
を形成する。この場合、第二ミラー14は第一ミラー1
3に絶縁層17を介して接続された片持ち梁状となって
いる。尚、エッチング孔18を第二ミラー14に円上に
複数個形成して絶縁層17をエッチングすることによ
り、第二ミラー14の形状をダイアフラム状とすること
もできる。
能とする外部電極18aが第一電極13aに接触して形
成され、第二電極14aに外部から通電可能とする外部
電極18bが第二電極14aに接触して形成される。
3aと第二電極14aに、外部電極18aと外部電極1
8bを介して電位差を与えると、第一電極13aと第二
電極14aとの間に静電吸引力が発生し、第二ミラー1
4が第一ミラー13の方向に変位し、ギャップ15の長
さが変化する。この電圧を変化させることにより、被測
定ガスの吸収特性に対応した波長の赤外線を透過させる
ギャップ15の長さを得ることができる。
プ15(すなわち絶縁層17の膜厚)を約3.1μmと
し、この初期状態を参照光測定状態とした場合、ギャッ
プ15を約2.27μmとした場合は、二酸化炭素を測
定対象とすることができ、ギャップ15を約2.59μ
mとした場合は、水蒸気を測定対象とすることができ
る。
た赤外線は、被測定ガスが供給されるサンプルセル(図
示しない)で、特定の波長が吸収され、第二ミラーに入
射する。そして、入射した赤外線は、ギャップ15の長
さに対応する波長成分が第一ミラー13を透過し、赤外
線検出器1の封止室3内部の赤外線検出部4に入射す
る。
量を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定す
る。
の構成を示す断面図である。尚、以下の図面において、
図1と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜
に省略する。
出素子は、第一基板としてのシリコン基板6に形成され
た赤外線検出器1と、第二基板としてのシリコン基板6
0に形成された波長選択フィルタ2とが接合されて構成
されている。
り、封止室形成部としての溝部30と、この溝部30に
配置される赤外線検出部4と、この赤外線検出部4に通
電する電極5a,5bとがシリコン基板6上に形成され
ている。
成された絶縁層7と8の間に配置された赤外線検出層9
を螺旋状にエッチングすることにより形成されている。
そして、赤外線検出部4の下部のシリコン基板6を溝状
に濃度差エッチングすることにより溝部30が形成され
ている。
上に、第一ミラー13と、第二ミラー14と、第一ミラ
ー13に設けられた第一電極13aと、第二ミラー14
に設けられた第二電極14aとが形成されたファブリペ
ローフィルタである。そして、シリコン基板60の裏面
には溝部31が形成されている。
て、赤外線検出器1が形成されたシリコン基板6と波長
選択フィルタ2が形成されたシリコン基板60を真空中
または不活性ガス中において直接接合することにより封
止室3を形成し、赤外線検出部4をその中空に浮かせ
る。この場合、封止室3の内部は、真空封止または不活
性ガス封止される。
出素子は、図2(a)に示した波長選択型赤外線検出素
子の波長選択フィルタ2の上下を反転した構成となって
いる。この場合、赤外線検出器1と波長選択フィルタ2
とは、溝部31が形成されたスペーサ層61を介して接
合され、封止室3の内部は真空封止または不活性ガス封
止されている。
0に形成された反射防止膜62、シリコン基板60、及
び絶縁層16を貫通して第一電極13aに通電可能に形
成され、外部電極18bは、反射防止膜62、シリコン
基板60、絶縁層16、第一ミラー13及び絶縁層17
を貫通して第二電極14aに通電可能に形成されてい
る。
選択型赤外線検出素子は、高精度な位置合わせが可能な
半導体製造プロセスによって形成されるので、赤外線検
出器1と波長選択フィルタ2の位置合わせを高精度に行
うことができ、測定器間の誤差を小さくすることができ
る。
加える電圧を変えることにより、ファブリペローフィル
タのギャップ15を可変としたので、被測定ガスに含ま
れる複数の成分を測定対象とした場合でも、フィルタの
枚数を増加させる必要はなく、装置を小型化させ、その
コストを低げることができる。
スにおいて封止室3の内部に真空封止または不活性ガス
封止されるため、その封止工程を別に用意する必要がな
く、装置のコストを下げることができる。
面図である。図3において、波長選択型赤外線検出素子
は、アレイ状に形成された赤外線検出器1a,1b,1
cと、波長選択フィルタ2a,2b,2cとで構成され
ている。
示した赤外線検出器1と同様に、シリコン基板6上に並
列に形成され、波長選択フィルタ2a,2b,2cは、
図2に示した波長選択フィルタ2と同様にシリコン基板
60上に並列に形成されている。
に示した赤外線検出器1と同様に赤外線検出部4a,4
b,4cが形成されている。そして、波長選択フィルタ
2a,2b,2cの第一ミラー130は共通となるよう
に形成され、第二ミラー140a,140b,140c
は、それぞれ第一ミラー130に対向して形成されてい
る。
140a,140b,140cとのギャップ15a,1
5b,15cをそれぞれ異なるように形成すれば、それ
ぞれのギャップの長さに対応する波長λ1,λ2,λ3
の赤外線を透過する波長選択フィルタ2a,2b,2c
を形成することができる。
ルタと同様に、シリコン基板6とシリコン基板60を、
真空中または不活性ガス中で直接接合することによりア
レイ状の波長選択型赤外線検出素子を形成する。尚、図
1に示した波長選択型赤外線検出素子のように、同一基
板上に複数の赤外線検出器と波長選択フィルタを形成す
るようにしても良い。
平面上に複数個配置してアレイ状とし、複数の波長選択
フィルタのギャップを、予めその初期ギャップの長さが
異なるように形成するか、あるいは複数のガスを測定対
象とするように印加する電位差をそれぞれ変化させてギ
ャップの長さを可変とすることにより、多成分のガスを
測定可能とすることができる。
4に示すように、一つのガスに対して複数の波長帯域に
複数の透過ピークを示す。例えば、ギャップを2270
nmとした二酸化炭素の場合は、4250nm近傍と2
400nm近傍、ギャップを2590nmとした水蒸気
の場合は、4700nm近傍と2700nm近傍、ギャ
ップを3100nmとした参照光の場合は3100nm
近傍と2200nm近傍にピークが存在する。
長選択型赤外線検出素子32との間の光路に、例えば2
600nmから4500nmまでの波長を透過し、それ
以外の帯域は不透過とするようなワイドバンドパスフィ
ルタ31を設けることにより、図4に示すようにギャッ
プを2270nmとした二酸化炭素の場合は4250n
m近傍のみ、ギャップを2590nmとした水蒸気の場
合は2700nm近傍のみ、ギャップを3100nmと
した参照光の場合は3100nm近傍のみが選択され、
各ギャップで一つのピークのみを選択させることによ
り、複数のガスの吸収量を測定することができる。
器をボロメータとしたが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、振動式、量子型等の赤外線検出器により構
成することも可能である。
から請求項8によれば、波長選択フィルタと赤外線検出
器とを一体に形成するようにしたので、組み立て精度が
確保され、小型で低コストの波長選択型赤外線検出素子
を提供することができる。
外線検出素子をアレイ状としたので、多成分のガス濃度
を測定することができる波長選択型赤外線検出素子を提
供することができる。
ら請求項8の波長選択型赤外線検出素子を使用するよう
にしたので、小型で低コストの赤外線ガス分析計を提供
することができる。
ら請求項9記載の波長選択型赤外線検出素子を使用し、
特定帯域幅のみの赤外線を透過するワイドバンドパスフ
ィルタを設けたので、各ギャップで一つのピークのみを
選択させ、複数のガス濃度を測定可能な赤外線ガス分析
計を提供することができる。
9記載の波長選択型赤外線検出素子を使用するようにし
たので、二酸化炭素と水蒸気を同時に測定可能な赤外線
ガス分析計を提供することができる。
る。
る。
る。
収特性図である。
構成概略図である。
る。
る。
Claims (12)
- 【請求項1】 光源からの赤外線を波長選択的に透過さ
せる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過
した赤外線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出
器とを同一基板上に形成したことを特徴とする波長選択
型赤外線検出素子。 - 【請求項2】 第一基板に形成され、光源からの赤外線
を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、第二基
板に形成され、前記波長選択フィルタを透過した赤外線
を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器とを具備
し、前記第一基板と前記第二基板が接合されてなること
を特徴とする波長選択型赤外線検出素子。 - 【請求項3】 前記赤外線検出部は、前記基板に形成さ
れた封止室に配置され、前記波長選択フィルタは、前記
封止室を真空封止または不活性ガス封止するように前記
封止室上に形成されてなることを特徴とする請求項1記
載の波長選択型赤外線検出素子。 - 【請求項4】 前記赤外線検出部は前記第二基板に形成
された溝状の封止室形成部に配置され、前記波長選択フ
ィルタが前記封止室形成部上に配置されて封止室を形成
するように前記第一基板と前記第二基板とを真空中また
は不活性ガス中で接合することにより、前記封止室が真
空封止または不活性ガス封止されてなることを特徴とす
る請求項2記載の波長選択型赤外線検出素子。 - 【請求項5】 前記波長選択フィルタは、基板に設けら
れた第一ミラーと、この第一ミラーとの間にギャップを
形成し、外力が加えられることにより前記第一ミラーに
対して変位可能に対向配置される第二ミラーとを有し、
この第二ミラーに外力を加えて変位させることにより前
記ギャップを可変としたファブリペローフィルタである
ことを特徴とする請求項1から請求項4記載の波長選択
型赤外線検出素子。 - 【請求項6】 前記波長選択フィルタは、基板に設けら
れた第一ミラーと、この第一ミラーとの間にギャップを
形成し、外力が加えられることにより前記第一ミラーに
対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、前記第
一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設
けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有
し、前記第一電極と前記第二電極に電位差を与えること
により前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さ
を可変としたファブリペローフィルタであることを特徴
とする請求項1から請求項4記載の波長選択型赤外線検
出素子。 - 【請求項7】 前記ファブリペローフィルタは、前記第
一電極と前記第二電極との間に複数の電圧を印加して前
記ギャップの長さを複数に可変とすることにより、複数
の波長帯域の赤外線を透過可能であることを特徴とする
請求項6記載の波長選択型赤外線検出素子。 - 【請求項8】 前記赤外線検出器は、赤外線ボロメータ
であることを特徴とする請求項1から請求項7記載の波
長選択型赤外線検出素子。 - 【請求項9】 前記波長選択フィルタと前記赤外線検出
器を水平方向に複数個配置してアレイ状としたことを特
徴とする請求項1から請求項8記載の波長選択型赤外線
検出素子。 - 【請求項10】 被測定ガスに赤外線を照射する光源
と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波
長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤
外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出
器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤
外線ガス分析計において、 前記波長選択フィルタと前記赤外線検出器は、請求項1
から請求項9記載の波長選択型赤外線検出素子により構
成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計。 - 【請求項11】 被測定ガスに赤外線を照射する光源
と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波
長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤
外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出
器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤
外線ガス分析計において、 前記波長選択フィルタと前記赤外線検出器は、請求項1
から請求項9記載の波長選択型赤外線検出素子により構
成され、 この波長選択型赤外線検出素子と前記光源との間に配置
され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパ
スフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析
計。 - 【請求項12】 前記被測定ガスは二酸化炭素と水蒸気
の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特
徴とする請求項10及び請求項11記載の赤外線ガス分
析計。
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