JP2007086038A

JP2007086038A - 光学式ガスセンサ

Info

Publication number: JP2007086038A
Application number: JP2005278581A
Authority: JP
Inventors: 仁路 ▲高▼野; Hitomichi Takano; Yuji Suzuki; 裕二鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】高感度化を図りながらも小型化が可能な光学式ガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセル部たるガスセル構造体２は、スラブ型フォトニック結晶３１，３２を備えるとともに両スラブ型フォトニック結晶３１，３２の間の空間へ検出対象ガスを導入するガス導入口を有し、光源部たる光源形成構造体１から放射されて一方のスラブ型フォトニック結晶３１に交差する方向から入射される赤外光が他方のスラブ型フォトニック結晶３２から受光素子部たる受光素子形成構造体３側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してあり、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２によって検出対象ガスの吸収波長に共振する光共振器を構成する。各スラブ型フォトニック結晶３１，３２は、上記吸収波長に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造を設計してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式ガスセンサに関するものである。

光学式ガスセンサは、センサ材料として酸化物半導体を用いた半導体式ガスセンサに比べて、識別性が高い、寿命が長いなどの利点がある。ここにおいて、光学式ガスセンサとしては、ガスにより特定波長の光が吸収されることによる光強度の変化を検知するものが広く知られている（例えば、特許文献１参照）
この種の光学式ガスセンサとしては、例えば、図５に示すように、赤外光を放射する黒体輻射光源１０１を有する光源部１００と、検出対象ガスを入れるガスセル部２００と、リファレンスセル部３００と、光源部１００の黒体輻射光源１０１から放射され両セル部２００，３００それぞれを通過した赤外光を各別に受光する２つの受光素子（図示せず）を有し両受光素子の出力を比較してガス濃度を求める比較器４００とを備えたものが提案されている。なお、ガスセル部２００には、検出対象ガスを導入するガス導入口２０１および検出対象ガスを導出するガス導出口２０２が設けられている。
特開平５−２５６７７８号公報

しかしながら、図５に示した構成の光学式ガスセンサでは、ガスセル部２００中の検出対象ガスのガス分子２０５の光吸収係数が小さく、ガスセル部２００内における赤外光の光路長が短くなると感度が低下してしまうので、両受光素子の出力差を十分に大きくするために、現状では各セル部２００，３００内における赤外光の光路長が１０ｃｍ〜１ｍ程度になるように設計されており、各セル部２００，３００の小型化が難しく、センサ全体の小型化が難しかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高感度化を図りながらも小型化が可能な光学式ガスセンサを提供することにある。

請求項１の発明は、検出対象ガスの吸収波長を含む波長域の光を放射する光源部と、光源部から放射された光を受光する受光素子部と、光源部と受光素子部との間に設けられ検出対象ガスが導入されるガスセル部とを備え、ガスセル部は、２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶およびスラブ型フォトニック結晶付近へ検出対象ガスを導入するガス導入口が設けられ、光源部から放射されてスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するようにスラブ型フォトニック結晶の屈折率周期構造を設計してあることを特徴とする。

この発明によれば、ガスセル部は、２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶およびスラブ型フォトニック結晶付近へ検出対象ガスを導入するガス導入口が設けられ、光源部から放射されてスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するようにスラブ型フォトニック結晶の屈折率周期構造を設計してあるので、スラブ型フォトニック結晶によって検出対象ガスの吸収波長に共振する光共振器が構成され、検出対象ガスの吸収波長の光の光路長を光源部と受光素子部との間の間隔よりも長くすることができるから、高感度化を図りながらも小型化が可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ガスセル部は、２つのスラブ型フォトニック結晶が厚み方向に離間して対向配置されるとともにガス導入口が両スラブ型フォトニック結晶の間の空間へ検出対象ガスを導入可能に設けられ、光源部から放射されて一方のスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が他方のスラブ型フォトニック結晶から受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してあることを特徴とする。

この発明によれば、ガスセル部は、２つのスラブ型フォトニック結晶が厚み方向に離間して対向配置されるとともにガス導入口が両スラブ型フォトニック結晶の間の空間へ検出対象ガスを導入可能に設けられ、光源部から放射されて一方のスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が他方のスラブ型フォトニック結晶から受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してあるので、２つのスラブ型フォトニック結晶によって検出対象ガスの吸収波長に共振する光共振器が構成され、１つのスラブ型フォトニック結晶のみによって光共振器が構成される場合に比べて、検出対象ガスの吸収波長の光の光路長をより長くすることができるから、高感度化を図りながらもより一層の小型化が可能になる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、光源部が、通電に伴う発熱により前記光を放射する発熱体部を一表面側に形成した第１のシリコン基板と、発熱体部を熱絶縁する第１の熱絶縁用凹部を第１のシリコン基板との対向面に形成した第２のシリコン基板とを重ね合わせて封着した光源形成構造体からなり、ガスセル部が、半導体基板の一表面に凹所を設けることで形成した第１のスラブに複数の空孔を設けることにより前記一方のスラブ型フォトニック結晶が形成されるとともに、半導体基板の他表面側で前記第１のスラブに対向配置された第２のスラブに複数の空孔を設けることにより前記他方のスラブ型フォトニック結晶が形成されたガスセル構造体からなり、受光素子部が、前記光を受光して電気信号に変換する受光エレメントを一表面側に形成した第３のシリコン基板と、受光エレメントを熱絶縁する第２の熱絶縁用凹部を第３のシリコン基板との対向面に形成した第４のシリコン基板とを重ね合わせて封着した受光素子形成構造体からなり、光源形成構造体と受光素子形成構造体とが半導体基板の厚み方向においてガスセル構造体と重なる形でガスセル構造体に接合されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ガスセル部と光源部と受光素子部とをウェハレベルパッケージング技術を利用して一体化することができ、より一層の小型化を図れる。

請求項１の発明は、高感度化を図りながらも小型化が可能になるという効果がある。

以下、本実施形態の光学式ガスセンサについて図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態の光学式ガスセンサは、検出対象ガスの吸収波長を含む波長域の赤外光を放射する発熱体部１１が形成された光源形成構造体１と、光源形成構造体１の発熱体部１１から放射された赤外光を受光するボロメータ形の受光エレメント４１が形成された受光素子形成構造体３と、光源形成構造体１と受光素子形成構造体３との間に設けられ検出対象ガスが導入されるガスセル構造体２とを備えている。なお、本実施形態では、光源形成構造体１が、検出対象ガスの吸収波長を含む波長域の光を放射する光源部を構成し、受光素子形成構造体３が、光源部から放射された光を受光する受光素子部を構成し、ガスセル構造体２が、光源部と受光素子部との間に設けられ検出対象ガスが導入されるガスセル部を構成している。

本実施形態では、光源形成構造体１が、２枚のシリコン基板１０，２０を用いて形成され、ガスセル構造体２が、シリコン基板からなる支持基板３０ａの一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜３０ｂを介して単結晶のシリコン層３０ｃが設けられたＳＯＩ基板３０を用いて形成され、受光素子構造体３が、２枚のシリコン基板４０，５０を用いて形成されており、ガスセル構造体２と光源形成構造体１とが陽極接合により固着され、ガスセル構造体２と受光素子形成構造体３とが陽極接合により固着されている。なお、上記各シリコン基板１０，２０，４０，５０としては、主表面が（１００）面で低不純物濃度のｐ形シリコン基板を採用している。

光源形成構造体１は、上述の２枚のシリコン基板１０，２０のうちの一方のシリコン基板（以下、第１のシリコン基板と称す）１０の一表面側（図１における上面側）に上述の発熱体部１１が形成されるとともに発熱体部１１を第１のシリコン基板１０の厚み方向において他の部位と熱絶縁する空洞部１２が形成され、また、上述の２枚のシリコン基板１０，２０のうちの他方のシリコン基板（以下、第２のシリコン基板と称す）２０における第１のシリコン基板１０との対向面に当該第２のシリコン基板２０と上述の発熱体部１１とを熱絶縁する熱絶縁用凹部２１が形成されている。ここで、光源形成構造体１は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２０とを重ね合わせて真空中において陽極接合技術を利用して封着することで、両シリコン基板１０，２０により構成される気密容器内に発熱体部１１が配置され、発熱体部１１の周囲が真空となっている。なお、発熱体部１１から放射された赤外光は第２のシリコン基板２０を透過してガスセル構造体２へ入射する。

光源形成構造体１の発熱体部１１は、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に形成した高濃度（例えば、１０²⁰ｃｍ^-3程度）の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）により構成されており、厚み方向に貫通し空洞部１２に連通した複数の円形状の空孔１１ｂが周期的に設けられている。具体的には、発熱体部１１は、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に空孔１１ｂが設けられている。また、第１のシリコン基板１０における空洞部１２は、発熱体部１１から離れるにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状に形成されている。したがって、本実施形態では、第１のシリコン基板１０の上記一表面側にリソグラフィ技術および不純物拡散技術などを利用して発熱体部１１を形成した後で、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して空孔１１ｂを形成してから、アルカリ系溶液（例えば、ＥＰＷ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチング技術を利用して空洞部１２を形成することができる。

また、光源形成構造体１の第１のシリコン基板１０は、発熱体部１１と電気的に接続された通電用電極（図示せず）が上記一表面側に形成されるとともに、各通電用電極それぞれと電気的に接続された貫通配線（図示せず）が厚み方向に沿って形成されており、上記一表面とは反対側の他表面に、各貫通配線それぞれと電気的に接続された２つの通電用のパッド（図示せず）が形成されている。なお、各貫通配線は、第１のシリコン基板１０における各貫通配線のそれぞれの形成予定部位に貫通孔を形成し、各貫通孔それぞれの内面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜を成膜した後、貫通配線それぞれの一部となる金属層をスパッタ法により成膜してから、当該金属層をシード層として電解メッキ法により各貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させることにより形成してある。

しかして、光源形成構造体１は、一対の通電用のパッド間に外部から通電して発熱体部１１を発熱させることにより発熱体部１１から赤外光を放射させることができ、発熱体部１１から放射された赤外光は第２のシリコン基板２０を透過して放射される。なお、本実施形態では、発熱体部１１を不純物拡散層により構成してあるが、発熱体部１１は不純物拡散層に限らず、黒体輻射と同様の放射スペクトルが得られればよく、例えば、ＮｉＣｒなどの電熱合金材料からなる電熱合金層や、Ｉｒのような貴金属材料から貴金属層を採用してもよい。また、第１のシリコン基板１０の上記一表面側に発熱体部１１を他の部位と熱絶縁するために空洞部１２を形成してあるが、空洞部１２を形成する代わりに、多孔質シリコン層からなる断熱部を形成するようにしてもよい。

ガスセル構造体２は、上述のＳＯＩ基板３０を用いて形成されており、それぞれ２次元面内に屈折率周期構造を有する２つのスラブ型フォトニック結晶３１，３２がＳＯＩ基板３０の一表面側（図１における上面側）で厚み方向に離間して対向配置され、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２の間に矩形枠状のスペーサ部３３が介在している。

ここにおいて、一方のスラブ型フォトニック結晶（以下、第１のスラブ型フォトニック結晶と称す）３１は、ＳＯＩ基板３０の他表面（図１における下面）にシリコン層３０ｃに達する深さの凹所３４を形成することによってシリコン層３０ｃの一部からなるスラブ３１ａを形成した後で、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して周期的に並んだ複数の円形状の空孔３１ｂを設けることで屈折率周期構造（以下、第１の屈折率周期構造と称す）が形成されている。すなわち、第１のスラブ型フォトニック結晶３１は、複数の空孔３１ｂが、スラブ３１ａの厚み方向に直交する面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ３１ａを構成する高屈折率媒質と空孔３１ｂ内の空気からなる低屈折率媒質とで第１の屈折率周期構造が形成されている。具体的には、スラブ３１ａにおいて、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に空孔３１ｂを形成してある。

また、他方のスラブ型フォトニック結晶（以下、第２のスラブ型フォトニック結晶と称す）３２は、ＳＯＩ基板３０のシリコン層３０ｃ上に所定膜厚のシリコン酸化膜からなる絶縁層を堆積させた後に当該絶縁層上に多結晶シリコン層を堆積し、その後、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多結晶シリコン層の一部からなるスラブ３２ａに周期的に並んだ複数の円形状の空孔３２ｂを設けることで屈折率周期構造（以下、第２の屈折率周期構造と称す）が形成されている。すなわち、第２のスラブ型フォトニック結晶３２は、複数の空孔３２ｂが、スラブ３２ａの厚み方向に直交する面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ３２ａを構成する高屈折率媒質と空孔３２ｂ内の空気からなる低屈折率媒質とで第２の屈折率周期構造が形成されている。なお、上述のスペーサ部３３は、第２のスラブ型フォトニック結晶３２を形成した後で上記絶縁層をパターニングすることによって上記絶縁層の一部により構成されている。

また、ガスセル構造体２は、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２の間の空間へ検出対象ガスを導入するガス導入口３６が設けられている。言い換えれば、ガス導入口３６は両スラブ型フォトニック結晶３１，３２の間の空間へ検出対象ガスを導入可能に設けられている。ここにおいて、ガスセル構造体２は、上述のＳＯＩ基板３０の上記他表面の周部に上記凹所３４と連通したガス導入用凹部３５が形成されており、ガス導入用凹部３５の内面と光源形成構造体１の露出表面とで囲まれた空間がガス導入口３６を構成している。なお、本実施形態では、上述のＳＯＩ基板３０がガスセル構造体２の基礎となる半導体基板を構成しているが、ガスセル構造体２の基礎となる半導体基板はＳＯＩ基板３０に限らず、例えば、シリコン基板でもよい。

ところで、各スラブ型フォトニック結晶３１，３２は、スラブ３１ａ，３２ａに交差する方向から入射される赤外光のうち検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように各屈折率周期構造が設計されている。具体的には、例えば、各スラブ型フォトニック結晶３１，３２における空孔３１ｂ，３２ｂの配列方向の周期（各スラブ型フォトニック結晶３１，３２の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）をａとすれば、周期ａは上記吸収波長の半波長程度（例えば、上記吸収波長の２分の１）に設定すればよい。なお、スラブ型フォトニック結晶において特定波長の光に対して共振ピークを有する面内共振モードは、刊行物１（Shanhui Fan,et al，「Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs」，PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 65,235112）において「guided resonances」として報告されている。

また、ガスセル構造体２は、光源形成構造体１から放射されて第１のスラブ型フォトニック結晶３１に交差する方向から入射される光が第２のスラブ型フォトニック結晶３２から受光素子形成構造体３側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してある。ここにおいて、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔は上記絶縁層の厚さ（上記所定膜厚）により決まるので、上記所定膜厚は所望の両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔に等しくなるように設計すればよい。なお、対向配置した２つのスラブ型フォトニック結晶により光共振器が形成されることは、例えば刊行物２（Wonjoo Suh,et al，「Displacement-sensitive photonic crystal structures based on guided resonance in photonic crystal slabs」，APPLIED PHYSICS LETTERS,VOLUME 82,p1999-2001,2003）に記載されている。

受光素子形成構造体３は、上述の２枚のシリコン基板４０，５０のうちの一方のシリコン基板（以下、第３のシリコン基板と称す）４０の一表面側（図１における下面側）に上述の受光エレメント４１が形成されるとともに受光エレメント４１を第３のシリコン基板４０の厚み方向において他の部位と熱絶縁する空洞部４２が形成され、また、上述の２枚のシリコン基板４０，５０のうちの他方のシリコン基板（以下、第４のシリコン基板と称す）５０における第３のシリコン基板４０との対向面に当該第４のシリコン基板５０と上述の受光エレメント４１とを熱絶縁する熱絶縁用凹部５１が形成されている。ここで、受光素子形成構造体３は、第３のシリコン基板４０と第４のシリコン基板５０とを重ね合わせて真空中において陽極接合技術を利用して封着することで、両シリコン基板４０，５０により構成される気密容器内に受光エレメント４１が配置され、受光エレメント４１の周囲が真空となっている。

受光素子形成成構造体３の受光エレメント４１は、第３のシリコン基板４０の上記一表面側に形成した高濃度（例えば、１０²⁰ｃｍ^-3程度）の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）により構成されており、厚み方向に貫通し空洞部４２に連通した複数の空孔４１ｂが周期的に設けられている。具体的には、受光エレメント４１は、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に空孔４１ｂが設けられている。また、第３のシリコン基板４０における空洞部４２は、受光エレメント４１から離れるにつれて開口面積が徐々に小さくなる形状に形成されている。したがって、本実施形態では、第３のシリコン基板４０の上記一表面側にリソグラフィ技術および不純物拡散技術などを利用して受光エレメント４１を形成した後で、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して空孔４１ｂを形成してから、アルカリ系溶液（例えば、ＥＰＷ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチング技術を利用して空洞部４２を形成することができる。

また、受光素子形成構造体３の第３のシリコン基板４０は、受光エレメント４１と電気的に接続された検出用電極（図示せず）が上記一表面側に形成されるとともに、各検出用電極それぞれと電気的に接続された貫通配線（図示せず）が厚み方向に沿って形成されており、上記一表面とは反対側の他表面に、各貫通配線それぞれと電気的に接続された２つの検出用のパッド（図示せず）が形成されている。なお、各貫通配線は、第３のシリコン基板４０における各貫通配線のそれぞれの形成予定部位に貫通孔を形成し、各貫通孔それぞれの内面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜を成膜した後、各貫通孔それぞれの内側に貫通配線それぞれの一部となる金属層をスパッタ法により成膜してから、当該金属層をシード層として電解メッキ法により各貫通孔の内側を埋め込む金属部を析出させることにより形成してある。また、本実施形態では、受光エレメント４１と両検出用電極とで受光素子を構成している。

しかして、受光素子形成構造体３は、光源形成構造体１から放射されガスセル構造体２を通過した赤外光が第４のシリコン基板５０を透過して受光エレメント４１に照射され、当該受光エレメント４１の抵抗値が変化する。なお、受光エレメント４１の抵抗値は一対の検出用のパッドを通して検出される。

また、受光素子形成構造体３の第４のシリコン基板５０におけるガスセル構造体２との対向面には、ガスセル構造体２の第２のフォトニック結晶３２およびスペーサ部３３を収納する収納凹所５２が形成されており、収納凹所５２の周部が第２のフォトニック結晶３２およびスペーサ部３３を囲む矩形枠状のフレーム部５３を構成しているが、当該フレーム部５３は第４のシリコン基板５０におけるガスセル構造体２との対向面に収納凹所５２を形成せずに、第４のシリコン基板５０におけるガスセル構造体２との対向面上に積層した絶縁膜をパターニングすることにより形成してもよい。

以上説明した本実施形態の光学式ガスセンサでは、ガスセル部を構成するガスセル構造体２が厚み方向に対向配置された２つのスラブ型フォトニック結晶３１，３２を備えるとともに両スラブ型フォトニック結晶３１，３２の間の空間へ検出対象ガスを導入するガス導入口３６を有しており、光源形成構造体１から放射されて第１のスラブ型フォトニック結晶３１に交差する方向から入射される赤外光が第２のスラブ型フォトニック結晶３２から受光素子形成構造体３側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してあるので、両スラブ型フォトニック結晶３１，３２によって検出対象ガスの吸収波長に共振する光共振器が構成され、検出対象ガスの吸収波長の赤外光の光路長を両スラブ型フォトニック結晶３１，３２間の間隔よりも長くすることができるから、高感度化を図りながらも小型化が可能になる。

また、本実施形態の光学式ガスセンサでは、光源形成構造体１と受光素子形成構造体３とが上記半導体基板たるＳＯＩ基板３０の厚み方向においてガスセル構造体２と重なる形でガスセル構造体２に接合されており、光源形成構造体１および受光素子形成構造体３にはそれぞれ上述の貫通配線が形成されているので、ガスセル構造体２と光源形成構造体１と受光素子形成構造体３とをウェハレベルパッケージング技術を利用して一体化することができ、より一層の小型化を図れる。

また、本実施形態の光学式ガスセンサでは、光源形成構造体１および受光素子形成構造体３それぞれの小型化を図りながらも、発熱体部１１および受光エレメント４１それぞれの周囲が真空となっているので、発熱体部１１および受光エレメント４１とそれぞれの周囲との熱容量差を大きくすることができ、応答速度の高速化を図れる。

ところで、上記実施形態における各スラブ型フォトニック結晶３１，３２は、スラブ３１ａ，３２ａに対して、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に円形状の空孔３１ｂ，３２ｂを設けることにより形成されているが、単位格子は正三角形に限らず、例えば正方形でもよく、この場合には単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する部位に空孔３１ｂ，３２ｂを設ければよい。また、上記実施形態では、各スラブ型フォトニック結晶３１，３２の屈折率周期構造を形成するためにスラブ３１ａ，３２ａに多数の円形状の空孔３１ｂ，３２ｂを形成してあるが、空孔３１ｂ，３２ｂの開口形状は円形状の形状に限定するものではなく、例えば三角形状や四角形状など別の開口形状でもよい。

また、上記実施形態では、ガスセル部たるガスセル構造体２が、２つのスラブ型フォトニック結晶３１，３２を有しているが、一方のスラブ型フォトニック結晶３１のみを設けて上記ガス導入口３６から当該スラブ型フォトニック結晶３１付近へ検出対象ガスが導入されるように構成してもよい。

実施形態を示す概略断面図である。同上を示す概略分解断面図である。同上を示す概略斜視図である。同上の要部斜視図である。従来例を示す概略構成図である。

符号の説明

１光源形成構造体
２ガスセル構造体
３受光素子形成構造体
１０シリコン基板（第１のシリコン基板）
１１発熱体部
２０シリコン基板（第２のシリコン基板）
３０ＳＯＩ基板
３１スラブ型フォトニック結晶
３１ａスラブ
３１ｂ空孔
３２スラブ型フォトニック結晶
３２ａスラブ
３２ｂ空孔
４０シリコン基板（第３のシリコン基板）
４１受光エレメント
５０シリコン基板（第４のシリコン基板）

Claims

検出対象ガスの吸収波長を含む波長域の光を放射する光源部と、光源部から放射された光を受光する受光素子部と、光源部と受光素子部との間に設けられ検出対象ガスが導入されるガスセル部とを備え、ガスセル部は、２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶およびスラブ型フォトニック結晶付近へ検出対象ガスを導入するガス導入口が設けられ、光源部から放射されてスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するようにスラブ型フォトニック結晶の屈折率周期構造を設計してあることを特徴とする光学式ガスセンサ。
ガスセル部は、２つのスラブ型フォトニック結晶が厚み方向に離間して対向配置されるとともにガス導入口が両スラブ型フォトニック結晶の間の空間へ検出対象ガスを導入可能に設けられ、光源部から放射されて一方のスラブ型フォトニック結晶に交差する方向から入射される光が他方のスラブ型フォトニック結晶から受光素子部側へ出射されるようにし、かつ、両スラブ型フォトニック結晶間の間隔を検出対象ガスの吸収波長に対して共振ピークを有するように設定してあることを特徴とする請求項１記載の光学式ガスセンサ。
光源部が、通電に伴う発熱により前記光を放射する発熱体部を一表面側に形成した第１のシリコン基板と、発熱体部を熱絶縁する第１の熱絶縁用凹部を第１のシリコン基板との対向面に形成した第２のシリコン基板とを重ね合わせて封着した光源形成構造体からなり、ガスセル部が、半導体基板の一表面に凹所を設けることで形成した第１のスラブに複数の空孔を設けることにより前記一方のスラブ型フォトニック結晶が形成されるとともに、半導体基板の他表面側で前記第１のスラブに対向配置された第２のスラブに複数の空孔を設けることにより前記他方のスラブ型フォトニック結晶が形成されたガスセル構造体からなり、受光素子部が、前記光を受光して電気信号に変換する受光エレメントを一表面側に形成した第３のシリコン基板と、受光エレメントを熱絶縁する第２の熱絶縁用凹部を第３のシリコン基板との対向面に形成した第４のシリコン基板とを重ね合わせて封着した受光素子形成構造体からなり、光源形成構造体と受光素子形成構造体とが半導体基板の厚み方向においてガスセル構造体と重なる形でガスセル構造体に接合されてなることを特徴とする請求項２記載の光学式ガスセンサ。