JP2005257621A - Infrared detector and analyzer using same - Google Patents

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JP2005257621A JP2004072735A JP2004072735A JP2005257621A JP 2005257621 A JP2005257621 A JP 2005257621A JP 2004072735 A JP2004072735 A JP 2004072735A JP 2004072735 A JP2004072735 A JP 2004072735A JP 2005257621 A JP2005257621 A JP 2005257621A
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Yutaka Yamagishi
豊 山岸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared detector for detecting infrared rays of an arbitrary wavelength band and having extremely high sensitivity with its miniaturization easily achieved, and an analyzer using the same. <P>SOLUTION: This infrared detector comprises two gas chambers 6a and 6b filled with gas for absorbing infrared rays R<SB>1</SB>and R<SB>2</SB>being detecting objects; a gas flow path 7 for causing the two gas chambers 6a and 6b to communicate with each other; a cantilever 11 having a gas flow sensing part 16 disposed in the flow path 7 for sensing the gas flowing through the flow path 7; and a detection element 13 for finding the flow f of the gas on the basis of a displacement amount d of the cantilever 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、赤外線検出器およびこれを用いた分析計に関するものである。   The present invention relates to an infrared detector and an analyzer using the same.

赤外線ガス分析計などに用いられる赤外線検出器には、例えば、測定対象ガスと同じ赤外線吸収特性を有するガスが充填されると共に、測定セルに対して互いに直列的または並列的に配置される2つのガス室を薄膜で仕切り、両者の圧力差をコンデンサマイクロフォンなどで検出するものや、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に設けられた流量検出素子とを備えてなるものがある。   An infrared detector used in an infrared gas analyzer or the like is filled with, for example, a gas having the same infrared absorption characteristics as the measurement target gas, and is arranged in series or in parallel with each other with respect to the measurement cell. A gas chamber is partitioned by a thin film and a pressure difference between the two is detected by a condenser microphone, or a gas flow path that connects both gas chambers and a flow rate detection element provided in the gas flow path is there.

前記流量検出素子はガスの流れを敏感に検出することが好ましく、そのためには、小型化することが望まれている。つまり、流量検出素子を高感度化するには前記ガス流路の流路径をできるだけ狭くすることにより流速を上げる必要がある。特許文献1には半導体製造プロセスによってヒータをパターン形成した基板を用いることにより、熱式流量検出素子を可及的に小型化する技術が示されており、かつ、感熱ヒータの抵抗変化量を大きくしてさらに高感度化するために、ガス流路の流路径をできるだけ狭くする構成が示されている。   The flow rate detecting element preferably detects the gas flow sensitively, and for that purpose, it is desired to reduce the size. That is, in order to increase the sensitivity of the flow rate detection element, it is necessary to increase the flow velocity by making the diameter of the gas flow path as narrow as possible. Patent Document 1 discloses a technique for miniaturizing a thermal flow rate detection element as much as possible by using a substrate on which a heater is patterned by a semiconductor manufacturing process, and increases the resistance change amount of the thermal heater. In order to further increase the sensitivity, a configuration in which the diameter of the gas channel is made as narrow as possible is shown.

他方、特許文献2には、熱膨張係数の異なる2種類の金属からなるバイメタル構造のカンチレバーを用い、赤外線による放射熱を吸収し両金属の熱膨張係数の違いによって生じる撓み量を測定することにより、微量の熱(赤外線)を検出できるようにした赤外線検出器が示されている。
特開2000−009641公報 特開平8−184500号公報
On the other hand, Patent Document 2 uses a cantilever having a bimetallic structure made of two kinds of metals having different thermal expansion coefficients, absorbs radiant heat by infrared rays, and measures the amount of deflection caused by the difference in thermal expansion coefficients of both metals. An infrared detector that can detect a minute amount of heat (infrared rays) is shown.
JP 2000-009641 A JP-A-8-184500

ところが、特許文献1のようにガス室間のガス流路に熱流速式流量検出素子を設けて、赤外線の強度を求めるものでは、ガス流路の流路径を狭くすることによって高感度化を達成できる一方、ヒータとガスとの熱交換部の面積が小さすぎると、効率的な熱交換ができないという欠点があった。そのため、ヒータとの熱交換部となるガス流路はある程度の長さを必要としているが、このガス流路が長いほど流路抵抗が増大することにより逆に流速が低下して感度が低下するという問題があった。   However, as in Patent Document 1, in the case where a heat flow rate type flow rate detecting element is provided in the gas flow path between the gas chambers to obtain the infrared intensity, the sensitivity is increased by narrowing the diameter of the gas flow path. On the other hand, if the area of the heat exchange part between the heater and the gas is too small, there is a drawback that efficient heat exchange cannot be performed. For this reason, the gas flow path serving as a heat exchange part with the heater needs to have a certain length. However, the longer the gas flow path, the higher the flow path resistance, thereby lowering the flow velocity and lowering the sensitivity. There was a problem.

また、熱式流量検出素子を用いて赤外線を検出するためには、ガス室に充填されたガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、ヒータに一定電圧を印加しておく制御を行なう必要があると共に、ガスの流れによって生じる温度変化がヒータの抵抗値変化になって現れるときに、これを適正に捕らえるためのブリッジ回路などを形成する必要がある。このため、熱流速式流量検出素子を用いた流速の検出には比較的複雑な電気制御を行なう回路が必要となるという問題があった。   In addition, in order to detect infrared rays using a thermal flow rate detection element, control is performed to apply a constant voltage to the heater so that the temperature is higher than the temperature of the gas filled in the gas chamber by a certain temperature. In addition, it is necessary to form a bridge circuit or the like for properly capturing the change in the temperature caused by the gas flow as a change in the resistance value of the heater. For this reason, there has been a problem that a relatively complicated electric control circuit is required for detecting the flow rate using the thermal flow rate type flow rate detecting element.

他方、特許文献2の赤外線検出器では、バイメタル構造のカンチレバーによって吸収可能である波長域の赤外線の強度を検出することが可能であるが、低周波の赤外線などバイメタル構造のカンチレバーによって吸収できない波長域の赤外線の強度を検出できないという問題があった。   On the other hand, in the infrared detector of Patent Document 2, it is possible to detect the intensity of infrared light in a wavelength range that can be absorbed by a bimetallic cantilever, but a wavelength range that cannot be absorbed by a bimetallic cantilever, such as low-frequency infrared rays. There was a problem that the intensity of infrared rays could not be detected.

本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、任意の波長域の赤外線を検出可能であると共に、極めて高感度であり、かつ、容易に小型化が達成できる赤外線検出器およびこれを用いた分析計を提供することである。   The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters, and the object thereof is to detect infrared rays in an arbitrary wavelength region, to be extremely sensitive, and to easily achieve downsizing. An infrared detector and an analyzer using the same are provided.

上記目的を達成するために、第1発明の赤外線検出器は、検出対象となる赤外線を吸収するガスが充填された2つのガス室と、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に配置されガス流路を流れるガスを感知するガス流感知部を有するカンチレバーと、このカンチレバーの遊端部の変位量によって前記ガスの流量を求める検出素子とからなることを特徴としている(請求項1)。   In order to achieve the above object, an infrared detector according to a first aspect of the present invention includes two gas chambers filled with a gas that absorbs infrared rays to be detected, a gas flow path that connects the two gas chambers, and the gas flow. It is characterized by comprising a cantilever having a gas flow sensing part that senses gas flowing in a gas flow path and a detection element that obtains the flow rate of the gas by the amount of displacement of the free end of the cantilever (claim) Item 1).

前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してあってもよい(請求項2)。   A flow passage restricting portion may be formed in the gas flow passage, and a cantilever may be disposed in the flow passage restricting portion.

前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子であってもよい(請求項3)。   The cantilever may be formed by microfabrication by a semiconductor manufacturing process, and the detection element may be a piezoelectric element formed at a base end portion of the cantilever.

前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位を光学的に検出する光検出素子であってもよい(請求項4)。   The detection element may be a light detection element that optically detects the displacement of the free end of the cantilever.

前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなってもよい(請求項5)。   The cantilever may be made of a material whose spring constant can be changed by doping impurities (Claim 5).

第2発明の分析計は、請求項1〜5の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなることを特徴としている(請求項6)。   The analyzer of the second invention is characterized by using the infrared detector according to any one of claims 1 to 5 (claim 6).

請求項1に記載の赤外線検出器では、一つのガス室に赤外線が入射すると、このガス室に充填してあるガスによって赤外線が吸収され、このガスが膨張して両室間に圧力差が生じ、ガス流路にガスの流れが生じる。そして、このガスがカンチレバーのガス流感知部に当たって、その流れに応じてカンチレバーの遊端部が変位し、この変位量が検出素子によって検出される。つまり、カンチレバー自体がガス流路に抵抗を形成するものとなるので、ガス流路に流れるガスの流量に応じて、カンチレバーの遊端部を変位させることができ、この遊端部の変位量を基に赤外線の強度を求めることができる。   In the infrared detector according to claim 1, when infrared rays are incident on one gas chamber, the infrared rays are absorbed by the gas filled in the gas chamber, and the gas expands to generate a pressure difference between the two chambers. A gas flow occurs in the gas flow path. Then, when this gas hits the gas flow sensing part of the cantilever, the free end part of the cantilever is displaced according to the flow, and this displacement amount is detected by the detection element. In other words, since the cantilever itself forms a resistance in the gas flow path, the free end portion of the cantilever can be displaced according to the flow rate of the gas flowing through the gas flow path, and the displacement amount of the free end portion can be reduced. Based on this, the intensity of infrared rays can be determined.

すなわち、本発明の赤外線検出器では、カンチレバーのバネ定数や、カンチレバーを設けた部分におけるガス流路の面積などを自在に設計することが可能であり、ガス流路を可能な限り細くして高速化や高感度化を達成することができる。つまり、熱式の流量検出素子のようにガスを加熱する必要がないので、無駄な抵抗の増大をもたらす長い流路を設ける必要がなく、さらなる高速化や高感度化および小型化を達成できる。   That is, in the infrared detector of the present invention, it is possible to freely design the spring constant of the cantilever, the area of the gas flow path in the portion where the cantilever is provided, etc. And higher sensitivity can be achieved. That is, since it is not necessary to heat the gas unlike the thermal type flow rate detecting element, it is not necessary to provide a long flow path that causes an unnecessary increase in resistance, and it is possible to achieve higher speed, higher sensitivity, and smaller size.

また、カンチレバーとこのカンチレバーの変位量の検出素子とからなる流量検出素子を高感度化することにより、ガス室の大きさを小さくすることが可能となり、赤外線検出器の更なる小型化を達成することができる。   Further, by increasing the sensitivity of the flow rate detection element comprising the cantilever and the detection element for the displacement amount of the cantilever, it becomes possible to reduce the size of the gas chamber and achieve further miniaturization of the infrared detector. be able to.

加えて、本発明の赤外線検出器は、カンチレバーの遊端部の変位量を測定するものであるから、熱式流量検出素子のようにガスを適宜の温度に加熱するための制御回路や熱の流れを捕らえるために、基準抵抗を用いたブリッジ回路のような周辺回路を形成する必要がないので、その構成を簡略化して、その製造コストを削減することができる。また、ガスの流れが早い場合にも、それに応じてカンチレバーの遊端部が変位し、この変位量を直接的に検出できるので、それだけダイナミックレンジを広げることができ、出力の線型性が向上し、温度変化などによるドリフトの要因を減らすことができる。   In addition, since the infrared detector of the present invention measures the amount of displacement of the free end of the cantilever, a control circuit for heating the gas to an appropriate temperature, such as a thermal flow rate detection element, Since it is not necessary to form a peripheral circuit such as a bridge circuit using a reference resistor in order to capture the flow, the configuration can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, even when the gas flow is fast, the free end of the cantilever is displaced accordingly, and the amount of this displacement can be detected directly, so that the dynamic range can be expanded accordingly and the linearity of the output is improved. The cause of drift due to temperature changes can be reduced.

前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してある場合(請求項2)には、カンチレバーのガス流感知部に衝突するガス流の速度を高速化することができ、その変位量を大きくすることができると共に、カンチレバーの配置部分に流れるガスの流れを整えることができるので、安定した高感度の測定を行なうことができる。なお、この流路絞り部以外のガス流路は流路抵抗とならないように広くすることができる。   When a flow restrictor is formed in the gas flow path and a cantilever is arranged in the flow restrictor (Claim 2), the speed of the gas flow that collides with the gas flow sensing part of the cantilever is increased. In addition, the amount of displacement can be increased and the flow of gas flowing through the cantilever arrangement portion can be adjusted, so that stable and highly sensitive measurement can be performed. The gas flow path other than the flow path restricting portion can be widened so as not to have flow path resistance.

前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子である場合(請求項3)には、カンチレバーをミクロンオーダーの微細加工によって可及的に小さく形成することができ、さらなる小型化を達成することにより、それだけ高感度の検出が可能となる。また、検出素子が圧電素子であるから、圧電材料をカンチレバーの基端部に成膜して形成することも可能であり、検出素子が極めて簡素化した構成であるから安価にて形成できるだけでなく、カンチレバーの撓みを圧電材料が歪むことによる起電力によって簡単に検出することができる。   When the cantilever is formed by microfabrication by a semiconductor manufacturing process and the detection element is a piezoelectric element formed at the base end of the cantilever (Claim 3), the cantilever is in a micron order. It can be formed as small as possible by microfabrication, and by achieving further downsizing, detection with higher sensitivity becomes possible. In addition, since the detection element is a piezoelectric element, it is possible to form a piezoelectric material by forming a film on the base end of the cantilever, and since the detection element has a very simplified configuration, it can be formed at low cost. The bending of the cantilever can be easily detected by an electromotive force caused by distortion of the piezoelectric material.

前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位量を光学的に検出する光検出素子である場合(請求項4)には、カンチレバーの遊端部の変位量をこれに接触することなく高精度に測定することができる。   When the detection element is a light detection element that optically detects the amount of displacement of the free end portion of the cantilever (Claim 4), the amount of displacement of the free end portion of the cantilever can be accurately determined without coming into contact therewith. Can be measured.

前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなる場合(請求項5)には、赤外線検出器の感度を容易に設定できる。   When the cantilever is made of a material whose spring constant can be changed by doping impurities (Claim 5), the sensitivity of the infrared detector can be easily set.

請求項1〜5の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなる分析計(請求項6)は高感度の分析を行なうことが可能であると共に、小型化を達成できる。   The analyzer using the infrared detector according to any one of claims 1 to 5 (claim 6) can perform highly sensitive analysis and can achieve downsizing.

図1は、第1実施例の赤外線検出器1を用いた赤外線ガス分析装置(分析計)Aの構成示す図であり、図2は、この赤外線検出器1の要部構成を拡大して示す図である。図1において、2aは基準ガスが封入された比較セル、2bはサンプルガスSが流通する測定セル、3a,3bは各セル2a,2bにそれぞれ対応する赤外光源、4は機械式のチョッパである。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an infrared gas analyzer (analyzer) A using the infrared detector 1 of the first embodiment, and FIG. 2 shows an enlarged configuration of a main part of the infrared detector 1. FIG. In FIG. 1, 2a is a comparison cell filled with a reference gas, 2b is a measurement cell through which the sample gas S flows, 3a and 3b are infrared light sources corresponding to the cells 2a and 2b, and 4 is a mechanical chopper. is there.

本発明の赤外線検出器1は、セル2a,2bを通った赤外線R1 ,R2 がそれぞれ入射する赤外線透過窓5a,5bを有する2つのガス室6a,6bと、両ガス室6a,6bを連通させるガス流路7と、このガス流路7のガスの流れを絞ることによりガスの流れを速くする流路絞り部8と、この流路絞り部8に形成されたガス流量検出素子9とを有する。 The infrared detector 1 of the present invention includes two gas chambers 6a and 6b having infrared transmission windows 5a and 5b through which infrared rays R 1 and R 2 that have passed through the cells 2a and 2b are incident, and both gas chambers 6a and 6b. A gas flow path 7 to be communicated, a flow path narrowing portion 8 for speeding up the gas flow by narrowing the gas flow in the gas flow path 7, and a gas flow rate detecting element 9 formed in the flow path narrowing portion 8 Have

また、ガス室6a,6bには検出対象である所定波長の赤外線を吸収するガス(この実施例では赤外線ガス分析装置の測定対象成分と同じガス)が封入されており、測定対象成分によって吸収される波長領域の赤外線を吸収することができる。したがって、基準ガスとサンプルガスSのそれぞれの測定対象成分の量に応じて、特定の波長領域の赤外線が吸収されて、ガス室6a,6bに入射する赤外線R1 ,R2 の強度に差が生じる。このため、ガス室6aおよび6bに圧力差が生じ、ガス流路7にガスが流れる。 The gas chambers 6a and 6b contain a gas that absorbs infrared rays having a predetermined wavelength, which is a detection target (in this embodiment, the same gas as the measurement target component of the infrared gas analyzer) and is absorbed by the measurement target component. Can absorb infrared rays in a certain wavelength region. Therefore, depending on the amount of each measurement target component of the reference gas and the sample gas S, infrared rays in a specific wavelength region are absorbed, and there is a difference in the intensity of the infrared rays R 1 and R 2 incident on the gas chambers 6a and 6b. Arise. For this reason, a pressure difference is generated in the gas chambers 6 a and 6 b, and the gas flows through the gas flow path 7.

つまり、このガス流路7に流れたガスの流量をガス流量検出素子9によって測定することにより、赤外線検出器1はこれに入射した赤外線R1 ,R2 の強度の差を求めることができ、この赤外線強度の差を用いてサンプルガスSに含まれる測定対象成分の量を求めることができる。 That is, by measuring the flow rate of the gas flowing through the gas flow path 7 with the gas flow rate detecting element 9, the infrared detector 1 can determine the difference in intensity between the infrared rays R 1 and R 2 incident thereon. The amount of the measurement target component contained in the sample gas S can be obtained using the difference in infrared intensity.

すなわち、本発明の赤外線検出器1はガス室6a,6bに充填されるガスによる赤外線R1 ,R2 の吸収を用いて、この赤外線R1 ,R2 の強度を求めるものであるから、このガスを変えることにより、任意の波長域の赤外線を検出対象とすることができる。 That is, since the infrared detector 1 of the present invention obtains the intensity of the infrared rays R 1 and R 2 by using the absorption of the infrared rays R 1 and R 2 by the gas filled in the gas chambers 6a and 6b. By changing the gas, infrared rays in an arbitrary wavelength range can be detected.

なお、本実施例の赤外線検出器1は同じ材料からなる赤外線透過窓5a,5bを設けたガス室6a,6bを並べて配置することにより、両ガス室6a,6bに入射する赤外線R1 ,R2 の強度の差を測定できるように構成してあるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、一方のガス室6aのみに赤外線を入射させるようにしてあってもよく、ガス室6a,6bは赤外線の入射方向に直列に形成してあってもよい。 In addition, the infrared detector 1 of this embodiment arranges gas chambers 6a and 6b provided with infrared transmitting windows 5a and 5b made of the same material, so that infrared rays R 1 and R incident on both gas chambers 6a and 6b are arranged. The difference between the two strengths can be measured, but the present invention is not limited to this configuration. That is, infrared light may be incident only on one gas chamber 6a, and the gas chambers 6a and 6b may be formed in series in the incident direction of infrared light.

図2(A)は前記流路絞り部8の構成を拡大して示す図であり、図2(B)はこの流路絞り部8に配置されるガス流量検出素子9の構成を示す図である。   FIG. 2A is an enlarged view showing the configuration of the flow path restricting portion 8, and FIG. 2B is a view showing the configuration of the gas flow rate detecting element 9 arranged in the flow path restricting portion 8. is there.

図2(A),2(B)において、10は流量検出素子を構成する半導体基板、11はこの半導体基板10に半導体製造プロセスによって形成されたマイクロカンチレバー(カンチレバー)、12はマイクロカンチレバー11の周囲に形成されたスリット、13はマイクロカンチレバー11の基端部11aの表面に半導体製造プロセスによって成膜形成された圧電材料からなる圧電素子(検出手段)、14,15は前記圧電素子13の両端に形成されたリード線である。また、16は前記スリット12をC字状に湾曲させるように形成することにより幾らか広い面積を有するように形成したガス流感知部である。   2 (A) and 2 (B), 10 is a semiconductor substrate constituting the flow rate detecting element, 11 is a micro cantilever (cantilever) formed on the semiconductor substrate 10 by a semiconductor manufacturing process, and 12 is a periphery of the micro cantilever 11. 13 is a piezoelectric element (detecting means) made of a piezoelectric material formed on the surface of the base end portion 11a of the micro cantilever 11 by a semiconductor manufacturing process, and 14 and 15 are both ends of the piezoelectric element 13. It is the formed lead wire. Reference numeral 16 denotes a gas flow sensing unit formed to have a somewhat larger area by forming the slit 12 to be curved in a C shape.

前記マイクロカンチレバー11は、半導体製造プロセスによって形成することにより、その大きさを可及的に小さくすることができ、例えば、長さLを100μm、幅Wを20μm程度に形成することが可能となる。同様に、前記スリット12を10μm程度まで極めて細く形成することが可能であり、かつ、このスリット12の断面積を精度よく設定することが可能である。   The micro cantilever 11 can be made as small as possible by forming it by a semiconductor manufacturing process. For example, the length L can be formed to about 100 μm and the width W can be formed to about 20 μm. . Similarly, the slit 12 can be formed very thin up to about 10 μm, and the cross-sectional area of the slit 12 can be set with high accuracy.

本例の圧電素子13はマイクロカンチレバー11の変位量dに応じて所定の張力Tが作用するようにマイクロカンチレバー11の基端部11aに成膜形成されている。また、前記リード線14,15は図外の電気回路に接続されて、圧電素子13における起電力を外部から検出可能に構成してある。   The piezoelectric element 13 of this example is formed on the base end portion 11 a of the micro cantilever 11 so that a predetermined tension T acts on the displacement d of the micro cantilever 11. The lead wires 14 and 15 are connected to an electric circuit (not shown) so that the electromotive force in the piezoelectric element 13 can be detected from the outside.

したがって、赤外線検出器1に赤外線R1 ,R2 が入射することにより、ガス流路7にガスの流れが生じると、前記ガス流感知部16に力Fが作用すると共に、スリット12から流量fのガスが流れる。このとき、マイクロカンチレバー11の遊端部11aが変位し、圧電素子13にこの変位量dに応じた張力Tが発生し、これを電圧値として検出することができる。 Therefore, when the infrared rays R 1 and R 2 are incident on the infrared detector 1 and a gas flow is generated in the gas flow path 7, a force F acts on the gas flow sensing unit 16 and the flow rate f from the slit 12. Gas flows. At this time, the free end portion 11a of the micro cantilever 11 is displaced, and a tension T corresponding to the displacement amount d is generated in the piezoelectric element 13, and this can be detected as a voltage value.

すなわち、本発明の赤外線検出器1はガス流路7に流れるガスの流量fに応じた値を直接的に検出することができるので、外部に設けられる電気回路は極めて簡単になる。また、前記スリット12の断面積が小さいので、ガス流路7に流れるガスの流量fがごく微量であったとしても、ガスの流れを高感度に検出することができる。さらに、マイクロカンチレバー11が極めて小さいので、その慣性は無視できるほど小さく、応答速度を極めて高速にすることができる。   That is, since the infrared detector 1 of the present invention can directly detect a value corresponding to the flow rate f of the gas flowing through the gas flow path 7, an electric circuit provided outside is extremely simple. Further, since the sectional area of the slit 12 is small, the gas flow can be detected with high sensitivity even if the flow rate f of the gas flowing through the gas flow path 7 is very small. Furthermore, since the microcantilever 11 is extremely small, its inertia is so small that it can be ignored, and the response speed can be extremely high.

加えて、ガスの流量fが多くなる場合には、マイクロカンチレバー11が大きく撓むことが可能であり、赤外線検出器1のダイナミックレンジを大きくすることができる。   In addition, when the gas flow rate f increases, the micro cantilever 11 can be greatly bent, and the dynamic range of the infrared detector 1 can be increased.

さらに、本実施例では前記ガス流路7の中間部において、流路絞り部8を形成し、この流路絞り部8に、マイクロカンチレバー11を配置しているので、流路絞り部8においてガスの流れを絞って流速を早めることにより、より強力にかつ安定的にマイクロカンチレバー11に作用して、この遊端部11bを十分に変位させることができる。   Furthermore, in the present embodiment, a flow restrictor 8 is formed in the middle of the gas flow path 7, and the micro cantilever 11 is disposed in the flow restrictor 8. By restricting the flow of the gas and increasing the flow velocity, the free end portion 11b can be sufficiently displaced by acting on the micro cantilever 11 more strongly and stably.

また、本実施例ではガス流路7を、赤外線R1 ,R2 の照射方向から見て、ガス室6a,6bの後ろ側において連通させるように形成してあるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。 Further, a gas flow path 7 in the present embodiment, as viewed from the irradiation direction of the infrared R 1, R 2, gas chamber 6a, but is formed so as to communicate the back of 6b, the present invention in this configuration It is not limited.

図3は、第2実施例の赤外線検出器1’の構成を示す図である。なお、図3において、図1,2と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。   FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the infrared detector 1 ′ of the second embodiment. In FIG. 3, members denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are the same or equivalent members, and thus detailed description thereof is omitted.

図3において、20は2つのガス室6a,6bの仕切り壁であり、マイクロカンチレバー11は、この仕切り壁20に形成されたガス流路7に形成されている。すなわち、半導体製造プロセスを用いて形成されたマイクロカンチレバー11は極めて小型に形成することが可能であるから、これを仕切り壁20に形成された短いガス流路7に配置することも可能である。   In FIG. 3, reference numeral 20 denotes a partition wall between two gas chambers 6 a and 6 b, and the micro cantilever 11 is formed in the gas flow path 7 formed in the partition wall 20. That is, since the micro cantilever 11 formed using the semiconductor manufacturing process can be formed extremely small, it can be disposed in the short gas flow path 7 formed in the partition wall 20.

したがって、赤外線検出器1’の構成をさらに簡略化することが可能となり、これによって製造コストの削減を行なうことができる。またガス流路7を短くすることにより、このガス流路7を流れるガスの慣性や流路抵抗を小さくすることができる。   Therefore, it is possible to further simplify the configuration of the infrared detector 1 ′, thereby reducing the manufacturing cost. Further, by shortening the gas flow path 7, the inertia and flow resistance of the gas flowing through the gas flow path 7 can be reduced.

加えて、前記ガス室6a,6bを赤外線の照射方向に対して直列に配置してもよい。この場合、前記赤外線検出器1’の一面1aに赤外線透過窓を形成し、前記仕切り壁20が赤外線透過材料によって形成することができる。このとき、ガス室6bに入射する赤外線はガス流量検出素子9を形成した分だけ減衰するが、このガス流量検出素子9を構成するマイクロカンチレバー11が極めて小さいので、これによる赤外線の減衰量を無視することができる。   In addition, the gas chambers 6a and 6b may be arranged in series with respect to the infrared irradiation direction. In this case, an infrared transmission window can be formed on one surface 1a of the infrared detector 1 ', and the partition wall 20 can be formed of an infrared transmission material. At this time, the infrared ray incident on the gas chamber 6b is attenuated by the amount corresponding to the formation of the gas flow rate detection element 9. However, since the microcantilever 11 constituting the gas flow rate detection element 9 is extremely small, the attenuation amount of the infrared ray due to this is ignored. can do.

さらに、本例ではガス流路7の絞り流路8を形成してあるが、マイクロカンチレバー11の周囲に形成したスリット12を絞りとして用いることも可能である。この場合、ガス流路7はスリット12となり、赤外線検出器1’の構成をさらに一層簡単にすることができる。   Furthermore, although the throttle channel 8 of the gas channel 7 is formed in this example, the slit 12 formed around the micro cantilever 11 can also be used as a diaphragm. In this case, the gas flow path 7 becomes the slit 12, and the configuration of the infrared detector 1 'can be further simplified.

また、マイクロカンチレバー11の遊端部11bにおける変位量dを検出する検出手段は上述した圧電素子13に限られるものではなく、マイクロカンチレバー11の遊端部11bに光L1 を照射したときに生じる反射光L2 ,L3 を光学的に検出する光位出素子(図外)を設けてもよい。 The detection means for detecting the displacement amount d in the free end portion 11b of the micro-cantilever 11 is not limited to the piezoelectric element 13 described above, occurs when light L 1 to the free end portion 11b of the microcantilever 11 A light position element (not shown) for optically detecting the reflected lights L 2 and L 3 may be provided.

本発明の赤外線検出器の第1実施例を示す図である。It is a figure which shows 1st Example of the infrared detector of this invention. 前記赤外線検出器の要部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the principal part of the said infrared detector. 第2実施例の赤外線検出器を示す図である。It is a figure which shows the infrared detector of 2nd Example.

符号の説明Explanation of symbols

1,1’ 赤外線検出器
6a,6b ガス室
7 ガス流路
8 流路絞り部
11 カンチレバー
11b 遊端部
13 圧電素子(検出素子)
16 ガス流感知部
d 変位量
f ガス流量
1 ,R2 赤外線
1, 1 'Infrared detector 6a, 6b Gas chamber 7 Gas flow path 8 Flow path restricting part 11 Cantilever 11b Free end part 13 Piezoelectric element (detection element)
16 Gas flow sensor d Displacement f Gas flow rate R 1 , R 2 infrared

Claims (6)

検出対象となる赤外線を吸収するガスが充填された2つのガス室と、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に配置されガス流路を流れるガスを感知するガス流感知部を有するカンチレバーと、このカンチレバーの遊端部の変位量によって前記ガスの流量を求める検出素子とからなることを特徴とする赤外線検出器。   Two gas chambers filled with a gas that absorbs infrared rays to be detected, a gas flow path that connects both gas chambers, and a gas flow sensing unit that is disposed in the gas flow path and senses gas flowing through the gas flow path An infrared detector comprising: a cantilever having a detecting element; and a detection element for obtaining a flow rate of the gas based on a displacement amount of a free end portion of the cantilever. 前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してある請求項1に記載の赤外線検出器。   The infrared detector according to claim 1, wherein a flow path restricting portion is formed in the gas flow path, and a cantilever is disposed in the flow restricting portion. 前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子である請求項1または2に記載の赤外線検出器。   The infrared detector according to claim 1, wherein the cantilever is formed by microfabrication by a semiconductor manufacturing process, and the detection element is a piezoelectric element formed at a base end portion of the cantilever. 前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位量を光学的に検出する光検出素子である請求項1または2に記載の赤外線検出器。   The infrared detector according to claim 1, wherein the detection element is a light detection element that optically detects a displacement amount of a free end portion of a cantilever. 前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなる請求項1〜4の何れかに記載の赤外線検出器。   The infrared detector according to claim 1, wherein the cantilever is made of a material capable of changing a spring constant by doping impurities. 請求項1〜5の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなることを特徴としている分析計。
An analyzer comprising the infrared detector according to claim 1.
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JP2010054416A (en) * 2008-08-29 2010-03-11 Sumitomo Precision Prod Co Ltd Infrared ray detecting sensor

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