JP2011064673A - 熱型検出素子および分光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動軸の不要な回折光度計方式の分光検出器、および該分光検出器に用いられる熱型検出素子を提供する。
【解決手段】１つの面上に光吸収ピーク波長の異なる受光部を２つ以上備えた熱型検出素子を提供する。前記受光部は、電極間に焦電性材料による膜を介在させた構成であり、前記膜の膜厚を前記受光部毎にそれぞれ異ならせた構成である。また、前記熱型検出素子は、湾曲可能なフレキシブル基板上に前記各受光部を一次元アレイ状に配設して構成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、例えば光を分光して受光するような熱型検出素子、および該熱型検出素子を用いる分光検出器に関する。

従来、赤外線分光光度計として、回折光度計とＦＴ−ＩＲが提案されている。ＦＴ−ＩＲは、現在では主流になってきているものの、回折光度計に比べて干渉光を作るための光学系が複雑になるという問題点がある。回折光度計は、回折格子さえしっかり作ることができれば様々なユーティリティーに組み込むことができる点で有利である。

このような回折光度計として、赤外線波長の選択が可能なガス検出器が提案されている（特許文献１参照）。このガス検出器は、回折格子を回転させることで波長の異なる赤外線を選択できるものである。

また、回折格子を利用した分光方法による赤外線分光器も提案されている（特許文献２参照）。この赤外線分光器は、ローランド円の円周上に赤外線光源、回折格子、焦電センサを配置し、焦電センサをローランド円の円周上で移動させることによって該焦電センサが検出する波長を変えることができるものである。

しかし、これらの方法は、いずれも駆動軸が必要となるものであった。このため、測定時間や検出精度の安定性に欠けやすいという問題点があった。

特開２００５−２０７８９０号公報 特開平１０−１９６７７号公報

この発明は、上述の問題に鑑み、駆動軸が不要で光学系が簡潔な分光検出器、および該分光器に用いられる熱型検出素子を提供することを目的とする。

この発明は、１つの面上に光吸収ピーク波長の異なる受光部を２つ以上備えた熱型検出素子であることを特徴とする。
これにより、駆動軸を用いることなく、各受光部でそれぞれに対応する光吸収ピーク波長の光を同じ光路長で検出することができる。

ここで、熱型検出素子とは、例えば、焦電素子、サーモカップル、サーモパイル、ボロメータ、ニューマチックセルなどがあげられ、光吸収ピーク波長の異なる受光部の作成しやすさから焦電素子が好ましい。

この発明の態様として、前記受光部は、電極間に焦電性材料による膜を介在させた構成であり、前記膜の膜厚を前記受光部毎にそれぞれ異ならせた構成とすることができる。
これにより、膜厚の変化のみで光の吸収特性を調整することができ、低コストで容易に多種類の波長を検出する熱型検出素子を製造することができる。

またこの発明の態様として、前記膜は、赤外線を検出できる赤外線検出用膜で構成され、前記受光部は、前記赤外線検出用膜の膜厚によって赤外線の吸収特性が異なる構成とすることができる。
これにより、異なる特性の赤外線をそれぞれの受光部で検出することができる。

またこの発明の態様として、前記熱型検出素子は、湾曲可能なフレキシブル基板上に前記各受光部を一次元アレイ状に配設して構成されることができる。
これにより、平面状などの任意の状態で熱型検出素子を製造しておき、分光検出器などに組み込む際に光路長が等しくなるように適切な曲率に熱型検出素子全体（主にフレキシブル基板）を湾曲させることを容易に実現できる。

またこの発明の態様として、前記膜の材料は、蒸着により製膜可能な焦電性材料であり、好ましくは焦電性有機材料であり製膜時に蒸着される基材が２５０℃以下に保たれることが可能な材料である。例えば、ポリフッ化ビニリデンオリゴマー、（フッ化ビニリデン‐３フッ化エチレン）共重合体オリゴマー、（フッ化ビニリデン‐４フッ化エチレン）共重合体オリゴマーとすることができる。
これにより、湾曲可能な樹脂等に熱型検出素子を構築することができ、さらに塗布プロセスと異なり、同一面上に膜厚の異なる赤外線吸収膜を容易に作成することができる。

またこの発明は、前記熱型検出素子として機能し、前記受光部での電気分極の変化を検出する焦電素子とすることができる。
これにより、複数種類の光吸収ピーク波長の光を各受光部により電気分極の変化として検出することができる。

またこの発明は、光源からの光を通過させる入射スリットと、該入射スリットを通過した光を反射により揃えるコリメートミラーと、該コリメートミラーで反射された光から特定波長の光を取り出すグレーティングと、該グレーティングで取り出された光を断続的に受光する前記熱型検出素子とを備えた分光検出器とすることができる。

これにより、簡潔で安価な分光検出器を得ることができ、波長の異なる光を同じ光路長のもとで精度よく検出することができる。

この発明により、駆動軸を用いることなく、各受光部でそれぞれに対応する光吸収ピーク波長の光を同じ光路長のもとで検出することができる。

分光検出器の光学系の概略構成を示す斜視図。 受光センサの横断面図。 赤外線吸収特性の異なる各受光部の構成を説明する拡大断面図。 膜厚の異なる各受光部の赤外線吸収特性を示すグラフ。 所定周波数での電圧特性をグラフにより説明する説明図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図１は、分光検出器１の光学系の概略構成を示す斜視図である。
分光検出器１は、主に入射スリット２、光を揃えるコリメートミラー３、平面ミラーの表面に無数の溝が刻まれた素子で光を波長によって違った角度に反射する反射グレーティング４、光路長を長くするフォーカミングミラー５、および受光センサ６がこの順に設けられている。

この分光検出器１は、光源からの光（パルス光）を入射スリット２で細い光束にし、コリメートミラー３により並行な光線となるように光を揃え、反射グレーティング４により光を波長によって違った角度へ反射させ、これにより特性方向に反射した光をフォーカミングミラー５で反射して受光センサ６に受光させる。

これら光学系の要素である入射スリット２、コリメートミラー３、反射グレーティング４、フォーカミングミラー５、および受光センサ６は、真空領域の中に配置されることが好ましい。これにより、背景放射を除去することができる。
なお、分光検出器１には、光を断続的に遮断するチョッパーを設けてもよい。この場合、光源からの光をパルス光とせずとも、チョッパーで光を断続的に遮断して受光センサ６で焦電検出を行うことができる。

図２は、受光センサ６の横断面図である。この図２は、反射グレーティング４で反射した光を受光センサ６で受光する光学系の概略構成を示しており、フォーカミングミラー５を図示省略している。

受光センサ６は、熱型検出素子の一種である焦電素子である。この受光センサ６は、フレキシブルなフィルム基板１５の平面上に赤外線吸収特性の異なる複数（３以上）の受光部１０が等間隔で一列に配置されており、この複数の受光部１０により一次元アレイが形成されている。この受光センサ６は、製造時に平面形状に形成されており、分光検出器１に組み込む際に、フィルム基板１５が反射グレーティング４の反射点を中心とする円弧状に湾曲され、円弧形状に固定されている。このようにフィルム基板１５に固定された複数の受光部１０により、複数の受光素子が密接して一列に配置されている一次元アレイセンサが形成されている。

各受光部１０（図示の１０ａ〜１０ｎ）は、反射グレーティング４で異なる方向へ反射される各波長λ（λ１〜λｎ）の到達位置に対応して、その波長λに対する赤外線吸収特性が良好なものが配置されている。この構成により、反射グレーティング４で反射された各特性の赤外線ｄ１〜ｄｎを、それぞれの波長λ１〜λｎに応じた受光部１０で受光することができる。

図３は、赤外線吸収特性の異なる各受光部１０の構成を説明する拡大断面図である。
受光部１０（図示の１０ａ〜１０ｄ）は、フィルム基板１５の表面に等間隔に設けられており、下部電極１３（図示の１３ａ〜１３ｄ）、赤外線検出用膜１２（図示の１２ａ〜１２ｄ）、および上部電極１１（図示の１１ａ〜１１ｄ）がフィルム基板１５表面からこの順で積層されて構成されている。

複数の上部電極１１は、同じ厚みに構成されている。また、複数の下部電極１３は、同じ厚みに構成されている。

赤外線検出用膜１２は、強誘電性を発揮する素材の薄膜であり、受光部１０別に厚みが異なって構成されている。この赤外線検出用膜１２の厚みの違いは、フィルム基板１５上に配置される受光部１０の順番に沿って段階的に厚くする、あるいは段階的に薄くすることができる。この赤外線検出用膜１２の厚みの差により、受光部１０の赤外線吸収特性がそれぞれ異なっている。

上述した分光検出器１において、実際の実験結果を元に具体的な実施例について説明する。

この実施例では、フィルム基板１５に、厚み１２５μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を用い、上部電極１１に厚み２０ｎｍのクロム（Ｃｒ）を用い、下部電極１３に厚み１００ｎｍの金（Ａｕ）を用いた。

赤外線検出用膜１２は、ポリフッ化ビニリデンオリゴマーとしてＶｄＦオリゴマー（ＣＦ３−（ＣＨ２ＣＦ２）ｎ−Ｉ：ここで、化学式中のｎは量体数を示し、本実施例ではｎ＝１７）を採用し、このＶｄＦオリゴマーを蒸着させることによって、分子鎖の長軸方向が基板に対して並行となるよう並行配向して強誘電性を発揮させたものを用いた。蒸着により形成する膜厚は、４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、および１２００ｎｍの５種類とし、この５種類について測定を行った。なお、蒸着により強誘電性を発揮させる方法は、例えば特開２００８−２４００２５号公報に記載された薄膜形成方法など、適宜の方法を利用することができる。

図４は、このように形成した受光部１０を用いて、赤外線吸収特性をＦＴ−ＩＲ測定により測定したグラフを示す。この実施例では、日本分光株式会社製のＦＴ／ＩＲ６６０を用いて測定している。

図示するように、赤外線吸収特性の最も高い波長（図示するグラフのピーク位置）は、赤外線検出用膜１２の膜厚によって異なっていることが確認された。すなわち、膜厚が４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、１２００ｎｍと厚くなるに従い、その膜厚での赤外線吸収特性のピークとなる波長（吸収帯）である光吸収ピーク波長Ｐ（Ｐ１〜Ｐ４）が長くなっている（膜厚が厚くなるに従って感度のピークが図示右側へ移動している）ことが確認された。また、各膜厚での感度のピーク（グラフの頂点）が安定しており、異なる膜厚で異なる波長の赤外線を検出する際に安定した感度で検出可能であることが確認された。

図５は、上述したうちの８００ｎｍ、１０００ｎｍ、１２００ｎｍの各膜厚の受光部１０について、３．５μｍのバンドパスフィルターをかけて測定した電圧特性と、８μｍのバンドパスフィルターをかけて測定した電圧特性を説明するグラフを示す。

図５（Ａ）に示すように、３．５μｍのバンドパスフィルターをかけて測定した電圧特性をみると、膜厚８００ｎｍの受光部１０が最も高い電圧値を示している。従って、３．５μｍの波長に対しては、膜厚８００ｎｍの受光部１０が最も感度が良いことが確認された。

また、図５（Ｂ）に示すように、８μｍのバンドパスフィルターをかけて測定した電圧特性をみると、膜厚１２００ｎｍの受光部１０が最も高い電圧値を示している。従って、８μｍの波長に対しては、膜厚１２００ｎｍの受光部１０が最も感度が良いことが確認された。

この結果から、赤外線検出用膜１２の膜厚によって、受光部１０の赤外線吸収特性を調整できることが確認された。

以上に説明した分光検出器１により、駆動軸を必要とせずに異なる波長の赤外線の光強度を同じ光路長のもとで精度よく検出することができる。

詳述すると、赤外線の検出部として、各膜厚の最も吸収の高い波長に合わせて複数に分離した受光部１０を設けることができるため、駆動軸を不要とすることができる。これにより駆動させて特定の波長の赤外線を検出する従来構造よりも短時間で特定波長の赤外線を検出することができ、また、多種類の波長の赤外線を同時に検出することもできる。

受光センサ６は、フィルム基板１５上に受光部１０を配設して湾曲可能な形状に形成されているため、分光検出器１の大きさや要求される取り付け状況に合わせて容易に光路長が等しくなるように湾曲の曲率を変えて設置できる。

また、フィルム基板１５上にセンシング用の受光部１０を直接形成する構成であるため、低熱容量でフレキシブルな受光センサ６を作製することができる。

また、各受光部１０の赤外線検出用膜１２に同一素材を用いることができ、膜厚の変化のみで赤外線吸収特性を調整することができる。このため、低コストで容易に多種類の波長を検出する受光センサ６を製造することができる。

また、各受光部１０の赤外線検出用膜１２は、同一素材で膜厚が違うだけであり、この膜厚の違いにより吸収波長が変化しても感度が殆ど変化しない。このため、異なる波長の赤外線に対する各受光部１０の感度を安定させることができ、良好な検出性能を発揮することができる。

また、蒸着により赤外線検出用膜１２の膜厚を変える構成であるため、蒸着の方法次第で様々な膜厚の赤外線検出用膜１２を容易に作製することができ、様々な特性の受光部１０を容易に作製できる。

また、一次元アレイを形成する複数の受光部１０が円弧状に配置されていることにより、反射グレーティング４から各方向へ反射される特定の波長成分を対応する受光部１０で適切に検出することができる。

また、赤外線検出用膜１２には、当該波長領域に特異的に吸収ピークをもつ有機素材を用いたため、従来例で一般的な無機素材を用いる場合よりも非常によいＳＮ比を得ることができる。

また、赤外線検出用膜１２の膜厚を、受光部１０毎に異ならせてそれぞれの赤外線検出用膜１２の膜厚は厚み一定となるように構成されているため、干渉を利用して強められた特定波長の光を各受光部１０が受光することができる。すなわち、仮に赤外線検出用膜を厚みが連続的に変化する傾斜形状に形成して１つの受光部を作成し、この１つの受光部で複数の波長の赤外線を検出しようとすると、干渉を利用できずに感度が落ちることになる。これに対し、本願発明の赤外線検出用膜１２は、各波長を検出する各受光部１０がそれぞれ膜厚一定の赤外線検出用膜１２を備えていることで、感度良く検出することができる。

また、受光センサ６が湾曲していることにより、反射グレーティング４で分散された赤外線（図２のｄ１〜ｄｎ）を各受光部１０が均等に受光することができる。

なお、電極（１１，１３）間に挟まれる赤外線検出用膜１２は、焦電体の膜とすることができ、上述した実施例に限らず他の素材を用いることもできる。例えば、（フッ化ビニリデン‐３フッ化エチレン）共重合体オリゴマー、（フッ化ビニリデン‐４フッ化エチレン）共重合体オリゴマーを用いることができる。

また、電極（１１，１３）の材料は、上述した実施例に限らず、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属や合金の蒸着膜を用いることができる。

また、受光部１０は、赤外線吸収特性の異なるもの別にそれぞれ離間させてフィルム基板１５上に配置したが、これに限らず、隣接させて複数の受光部１０を隣接配置することも可能である。この場合、赤外線検出用膜１２を例えば階段状に形成して各段により個別の受光部１０を形成することができる。この場合も、各受光部１０にてそれぞれの特性に応じた波長の赤外線を検出することができる。

また、受光部１０は、フィルム基板１５上に等間隔に配置したが、検出する波長に合わせた位置であればよいため、等間隔でなくてもよい。この場合でも、目的とする波長の赤外線を検出することができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明のグレーティングは、実施形態の反射グレーティング４に対応し、
以下同様に、
熱型検出素子は、受光センサ６に対応し、
電極は、上部電極１１および下部電極１３に対応し、
膜および赤外線検出用膜は、赤外線検出用膜１２に対応し、
フレキシブル基板は、フィルム基板１５に対応し、
焦電性材料は、並行配向されたＶｄＦオリゴマーに対応するが、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

本発明の分光検出器１は、グレーティングと組み合わせることによって、赤外分光法による物質特定や構造解析として、工学、医療用分析装置として応用できるだけでなく、人体および移動物体検知用センサ、ガス検知用センサ、異常発熱検知用センサなど、様々な分野のセンサとして利用することができる。これにより、様々な分野で簡潔な構成で安価なセンサを提供することができる。

１…分光検出器、２…入射スリット、３…コリメートミラー、４…反射グレーティング、６…受光センサ、１０…受光部、１１…上部電極、１２…赤外線検出用膜、１３…下部電極、１５…フィルム基板、Ｐ１〜Ｐ４…光吸収ピーク波長

Claims (7)

1. １つの面上に光吸収ピーク波長の異なる受光部を２つ以上備えた
   熱型検出素子。
2. 前記受光部は、電極間に焦電性材料による膜を介在させた構成であり、
   前記膜の膜厚を前記受光部毎にそれぞれ異ならせた構成である
   請求項１記載の熱型検出素子。
3. 前記膜は、赤外線を検出できる赤外線検出用膜で構成され、
   前記受光部は、前記赤外線検出用膜の膜厚によって赤外線の吸収特性が異なる構成である
   請求項２記載の熱型検出素子。
4. 前記熱型検出素子は、湾曲可能なフレキシブル基板上に前記各受光部を一次元アレイ状に配設して構成された
   請求項１、２、または３記載の熱型検出素子。
5. 前記膜の材料は、蒸着により製膜可能な焦電性材料である
   請求項２または３記載の熱型検出素子。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の熱型検出素子として機能し、
   前記受光部での電気分極の変化を検出する
   焦電素子。
7. 光源からの光を通過させる入射スリットと、
   該入射スリットを通過した光を反射により揃えるコリメートミラーと、
   該コリメートミラーで反射された光から特定波長の光を取り出すグレーティングと、
   該グレーティングで取り出された光を断続的に受光する請求項１から５のいずれか１つに記載の熱型検出素子とを備えた
   分光検出器。

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