JP2016045080A - Light source and non-dispersive infrared analyzer type gas detector - Google Patents

Light source and non-dispersive infrared analyzer type gas detector Download PDF

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達典 伊藤
Tatsunori Ito
達典 伊藤
中川 伸一
Shinichi Nakagawa
伸一 中川
喜田 真史
Masashi Kida
真史 喜田
鬼頭 真一郎
Shinichiro Kito
真一郎 鬼頭
剛 上山
Go Kamiyama
剛 上山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source and a non-dispersive infrared analyzer type gas detector with the light source that can suppress generation of damage caused by stress due to temperature difference, while inhibiting reduction in the amount of infrared rays to be emitted to the outside.SOLUTION: A light source 11 of a non-dispersive infrared analyzer type gas detector 1 can inhibit reduction in the amount of infrared rays to be emitted to the outside since an infrared ray emitting layer 47 is deposited on a supporting layer 41 with its other surfaces being exposed to the outside. The light source 11 is formed of a heater wiring with spirally arranged heat-generating resistors 45, thereby having a temperature distribution with smaller temperature difference in a membrane region 51 than a comparison light source 111 with a comparison heat-generating resistor 145 and a plurality of heater wirings arranged in parallel and connected in series has. This configuration makes it possible to suppress damage on the infrared ray emitting layer 47 caused by stress due to temperature difference.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、赤外線を放射する光源および測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知する非分散型赤外線分析式ガス検知器に関する。   The present invention relates to a light source that emits infrared rays and a non-dispersive infrared analytical gas detector that detects a specific gas contained in a measurement target gas.

赤外線を放射する光源および測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知する非分散型赤外線分析式(NDIR式)ガス検知器が知られている。
赤外線を放射する光源としては、例えば、基板と、基板に設けられた薄膜部と、薄膜部に設けられて通電により発熱する発熱部と、薄膜部上に設けられて発熱部からの熱を受けて赤外線を放射する放射部と、を備える光源が提案されている(特許文献1)。
A light source that emits infrared rays and a non-dispersive infrared analysis type (NDIR type) gas detector that detects a specific gas contained in a measurement target gas are known.
Examples of the light source that emits infrared rays include a substrate, a thin film portion provided on the substrate, a heat generating portion provided on the thin film portion that generates heat when energized, and a heat source provided on the thin film portion to receive heat from the heat generating portion. A light source including a radiation portion that emits infrared rays has been proposed (Patent Document 1).

このような構成の光源は、最外部に設けられた放射部から赤外線を放射することにより、高い光量を得ることができる。
また、光源の他の例としては、放射部が薄膜部(絶縁層)の内部に配置される構成のものがある(特許文献2)。さらに、この光源は、発熱部として、並列に配置された複数のフィラメントを備えている。
The light source having such a configuration can obtain a high amount of light by radiating infrared rays from a radiation portion provided at the outermost part.
As another example of the light source, there is a configuration in which the radiating portion is arranged inside the thin film portion (insulating layer) (Patent Document 2). Further, the light source includes a plurality of filaments arranged in parallel as a heat generating portion.

なお、赤外線を放射する光源の用途としては、例えば、非分散型赤外線分析式ガス検知器に備えられる光源が挙げられる。
非分散型赤外線分析式ガス検知器は、ガスの分子が特定波長の赤外線を吸収する特性を利用しており、測定対象ガスを通過した赤外線について、この特定波長の赤外線強度を測定することにより特定ガスを検知するものである。そして、非分散型赤外線分析式ガス検知器は、光源、測定セル(鏡筒)、波長選択フィルタ(バンドパスフィルタ)、受光器(赤外線センサ)を備える(特許文献3)。
In addition, as a use of the light source which radiates | emits infrared rays, the light source with which a non-dispersion type | mold infrared analytical gas detector is equipped is mentioned, for example.
The non-dispersive infrared analytical gas detector uses the characteristic that gas molecules absorb infrared rays of a specific wavelength, and it is specified by measuring the infrared intensity of this specific wavelength for the infrared rays that have passed through the measurement target gas. It detects gas. The non-dispersive infrared analytical gas detector includes a light source, a measurement cell (barrel), a wavelength selection filter (bandpass filter), and a light receiver (infrared sensor) (Patent Document 3).

特許第4055697号公報Japanese Patent No. 4055697 特開平09−184757号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 09-184757 特開2004−138499号公報JP 2004-138499 A

しかし、放射部が最外部に設けられる光源においては、発熱体の発熱による温度分布に起因して応力が発生することにより、放射部が破損する場合がある。つまり、温度分布における温度差が大きくなると、放射部の内部に応力が発生して、その応力によって放射部および薄膜部が破損する場合がある。   However, in the light source in which the radiating part is provided at the outermost part, the radiating part may be damaged due to stress generated due to the temperature distribution due to the heat generated by the heating element. That is, when the temperature difference in the temperature distribution becomes large, stress is generated inside the radiating portion, and the radiating portion and the thin film portion may be damaged by the stress.

なお、放射部が薄膜部(絶縁層)の内部に配置される構成の光源であれば、放射部が薄膜部に覆われる状態となるため、放射部の破損を抑制できる可能性がある。しかし、このような構成の光源は、放射部が最外部に設けられる構成に比べて、外部に向けて放射する赤外線量が低下する傾向がある。   Note that if the radiating portion is a light source configured to be disposed inside the thin film portion (insulating layer), the radiating portion is covered with the thin film portion, so that damage to the radiating portion may be suppressed. However, the light source having such a configuration tends to reduce the amount of infrared rays emitted toward the outside as compared with the configuration in which the radiation portion is provided at the outermost part.

また、特許文献2では、並列に配置された複数のフィラメントをシリコン基板の縁に向かって次第に密に配置することで、均一な温度分布が得られることが記載されている。
しかし、この構成では、フィラメントの幅方向(並列配置方向)における温度分布の温度差を調整できる可能性はあるが、フィラメントの長手方向における温度分布の温度差を調整することは難しい。
Patent Document 2 describes that a uniform temperature distribution can be obtained by gradually arranging a plurality of filaments arranged in parallel toward the edge of the silicon substrate.
However, in this configuration, there is a possibility that the temperature difference of the temperature distribution in the filament width direction (parallel arrangement direction) can be adjusted, but it is difficult to adjust the temperature difference of the temperature distribution in the longitudinal direction of the filament.

そこで、本発明は、外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による破損を抑制できる光源、および、そのような光源を備える非分散型赤外線分析式ガス検知器を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a light source capable of suppressing damage due to stress caused by a temperature difference while suppressing a decrease in the amount of infrared radiation radiated outward, and a non-dispersive infrared analytical gas detector including such a light source. The purpose is to provide a vessel.

上記目的を達成するためになされた本発明の1つの局面における光源は、基板と、支持層と、発熱部と、放射部と、を備えており、赤外線を放射する。
基板は、板厚方向に貫通する空洞部を有する。
A light source according to one aspect of the present invention made to achieve the above object includes a substrate, a support layer, a heat generating unit, and a radiation unit, and emits infrared rays.
The substrate has a cavity that penetrates in the thickness direction.

支持層は、基板のうち一方の板面に積層されて空洞部を覆う薄膜状に形成される。
発熱部は、支持層のうち空洞部に重なるメンブレン領域に設けられて、外部からの通電により発熱する。
The support layer is formed in a thin film shape that is stacked on one plate surface of the substrate and covers the cavity.
The heat generating part is provided in the membrane region of the support layer that overlaps the cavity, and generates heat when energized from the outside.

放射部は、基板の板厚方向に沿ってみたときに、少なくとも発熱部に重なりつつ発熱部よりも広い領域において支持層に積層される。また、放射部は、支持層よりも高い放射率を有し、発熱部による加熱により赤外線を放射する。   When viewed along the thickness direction of the substrate, the radiating portion is stacked on the support layer in a region wider than the heat generating portion while overlapping at least the heat generating portion. Further, the radiating portion has a higher emissivity than the support layer, and radiates infrared rays when heated by the heat generating portion.

基板の板厚方向に沿ってみたときに、発熱部は、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成されており、メンブレン領域の中央から周縁に向かうに従い、ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともに、ヒータ配線どうしの間隔が小さくなるよう構成されている。   When viewed along the thickness direction of the substrate, the heat generating portion is formed by the heater wiring arranged in a spiral shape, and the width dimension of the heater wiring becomes smaller from the center of the membrane region toward the periphery, The interval between the heater wires is reduced.

基板の板厚方向に沿ってみたときに、発熱部の面積は、メンブレン領域の面積に対して50%以上である。
まず、このような構成の光源は、放射部が支持層に積層されており、放射部が最外部に配置される構成であるため、外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制できる。つまり、放射部が絶縁層などの内部に配置される構成に比べて、外部に向けて放射する赤外線量が低下することを抑制できる。
When viewed along the thickness direction of the substrate, the area of the heat generating portion is 50% or more with respect to the area of the membrane region.
First, since the radiating part is laminated on the support layer and the radiating part is arranged at the outermost part, the light source having such a configuration can suppress a reduction in the amount of infrared rays radiated outward. That is, it is possible to suppress a reduction in the amount of infrared rays radiated outward as compared to a configuration in which the radiating portion is disposed inside the insulating layer or the like.

また、このような構成の光源は、発熱部が渦巻状に配置されたヒータ配線で形成されているため、後述する測定結果に示すように、並列に配置された複数のヒータ配線が直列に接続される構成の発熱部を備える場合に比べて、メンブレン領域での温度分布における温度差が小さくなる。   In addition, since the light source having such a configuration is formed by the heater wiring in which the heat generating portion is arranged in a spiral shape, a plurality of heater wirings arranged in parallel are connected in series as shown in the measurement results described later. The temperature difference in the temperature distribution in the membrane region is reduced as compared with the case where the heat generating portion having the configuration described above is provided.

さらに、メンブレン領域の中央から外周縁に向かうに従い、ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともにヒータ配線どうしの間隔が小さくなるように、発熱部が構成されていることで、メンブレン領域の中央におけるヒータ配線の密度は、メンブレン領域の周縁におけるヒータ配線の密度に比べて、相対的に低くなる。   Furthermore, as the heater wire is configured such that the width of the heater wire is reduced and the distance between the heater wires is reduced from the center of the membrane region toward the outer peripheral edge, the heater wire at the center of the membrane region is configured. Is relatively lower than the density of the heater wiring at the periphery of the membrane region.

これにより、温度が高くなりがちなメンブレン領域の中央において、温度が高くなりすぎることを抑制しつつ、温度が低くなりがちなメンブレン領域の周縁において、温度が低くなりすぎることを抑制できる。この結果、メンブレン領域において温度分布における温度差が大きくなることを抑制できる。   Thereby, it is possible to suppress the temperature from becoming too low at the periphery of the membrane area where the temperature tends to be low while suppressing the temperature from becoming too high at the center of the membrane area where the temperature tends to be high. As a result, an increase in temperature difference in the temperature distribution in the membrane region can be suppressed.

このように温度分布における温度差が大きくなることを抑制することで、放射部の内部に応力が発生することを抑制できるとともに、放射部および支持層が応力によって破損することを抑制できる。   Thus, by suppressing that the temperature difference in temperature distribution becomes large, it can suppress that a stress generate | occur | produces inside a radiation | emission part, and can suppress that a radiation | emission part and a support layer are damaged by stress.

よって、本発明の光源によれば、外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による破損を抑制できる。
次に、本発明の他の局面における非分散型赤外線分析式ガス検知器は、上述の光源を備えてもよい。
Therefore, according to the light source of the present invention, it is possible to suppress damage due to stress caused by a temperature difference while suppressing a decrease in the amount of infrared rays radiated outward.
Next, the non-dispersive infrared analytical gas detector according to another aspect of the present invention may include the above-described light source.

この非分散型赤外線分析式ガス検知器は、光源として、上述の光源を備えるため、光源が放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による光源(詳細には、放射部および支持層)の破損を抑制できる。   Since this non-dispersive infrared analytical gas detector includes the above-mentioned light source as a light source, it suppresses a decrease in the amount of infrared rays emitted from the light source, while also suppressing a reduction in the amount of infrared rays emitted from the light source. And breakage of the support layer).

なお、非分散型赤外線分析式ガス検知器は、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知するものであり、例えば、赤外線を放射する光源と、測定対象ガスが内部に導入される測定セルと、到達した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する赤外線センサと、を備えている。そして、赤外線センサは、特定ガスに応じて予め定められた波長の赤外線を透過する波長選択フィルタを備えている。   The non-dispersive infrared analytical gas detector detects a specific gas contained in the measurement target gas, for example, a light source that emits infrared light, a measurement cell in which the measurement target gas is introduced, And an infrared sensor that outputs an infrared detection signal corresponding to the intensity of the reached infrared ray. And the infrared sensor is provided with the wavelength selection filter which permeate | transmits the infrared rays of a wavelength predetermined according to specific gas.

つまり、このような非分散型赤外線分析式ガス検知器においては、光源から赤外線センサに対して十分な赤外線が放射できるため、赤外線センサでの赤外線の検知精度が向上し、特定ガスの検知精度が向上する。また、温度差に起因する応力によって光源に破損が生じることを抑制できるため、非分散型赤外線分析式ガス検知器としてもガス検知が不可能な状態に陥る可能性を低減できる。   In other words, in such a non-dispersive infrared analytical gas detector, sufficient infrared rays can be emitted from the light source to the infrared sensor, so that the infrared detection accuracy of the infrared sensor is improved and the detection accuracy of the specific gas is improved. improves. Moreover, since it can suppress that a light source breaks with the stress resulting from a temperature difference, the possibility of falling into a state where gas detection becomes impossible also as a non-dispersion type infrared analysis type gas detector can be reduced.

本発明の光源によれば、外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による破損を抑制できる。
また、本発明の非分散型赤外線分析式ガス検知器によれば、温度差に起因する応力によって光源に破損が生じることを抑制できるため、ガス検知が不可能な状態に陥る可能性を低減できる。
According to the light source of the present invention, it is possible to suppress damage due to stress due to a temperature difference while suppressing a decrease in the amount of infrared rays radiated outward.
Further, according to the non-dispersive infrared analytical gas detector of the present invention, it is possible to suppress the light source from being damaged due to the stress caused by the temperature difference, so that the possibility of falling into a state where gas detection is impossible can be reduced. .

非分散型赤外線分析式ガス検知器の内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of a non-dispersion type | mold infrared analysis type gas detector. 赤外線放射層を透過した状態の光源を表す平面図である。It is a top view showing the light source of the state which permeate | transmitted the infrared radiation layer. 光源の図2におけるA−A視断面を表す断面図である。It is sectional drawing showing the AA cross section in FIG. 2 of a light source. 第1測定試験の試験結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the test result of a 1st measurement test. 赤外線放射層を透過した状態の比較用光源を表す平面図である。It is a top view showing the comparative light source of the state which permeate | transmitted the infrared radiation layer. 比較用光源の図5におけるB−B視断面を表す断面図である。It is sectional drawing showing the BB view cross section in FIG. 5 of the light source for a comparison. 光源のC−C断面におけるメンブレン領域での温度分布の測定結果である。It is a measurement result of the temperature distribution in the membrane area | region in CC cross section of a light source. 比較用光源のD−D断面におけるメンブレン領域での温度分布の測定結果である。It is a measurement result of the temperature distribution in the membrane area | region in the DD cross section of the light source for a comparison.

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[1−1.全体構成]
本発明が適用された光源11および非分散型赤外線分析式ガス検知器1について、図面を用いて説明する。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
[1. First Embodiment]
[1-1. overall structure]
A light source 11 and a non-dispersive infrared analytical gas detector 1 to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

図1は、第1実施形態の非分散型赤外線分析式ガス検知器1の内部構成を示す断面図である。
この非分散型赤外線分析式ガス検知器1(以下、単に、ガス検知器1ともいう)は、測定対象ガスが人の呼気であり、検知対象である特定ガスが二酸化炭素(CO)である。つまり、ガス検知器1は、人の呼気に含まれる二酸化炭素を検知するために用いられる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the non-dispersive infrared analytical gas detector 1 of the first embodiment.
In the non-dispersive infrared analytical gas detector 1 (hereinafter also simply referred to as a gas detector 1), the measurement target gas is human breath, and the specific gas to be detected is carbon dioxide (CO 2 ). . That is, the gas detector 1 is used to detect carbon dioxide contained in a person's breath.

ガス検知器1は、光源11と、測定セル13と、赤外線センサ15と、セル用ヒータ17と、を備えている。
光源11は、赤外線を含んだ光を放射する。なお、光源11の詳細については、後述する。
The gas detector 1 includes a light source 11, a measurement cell 13, an infrared sensor 15, and a cell heater 17.
The light source 11 emits light including infrared rays. Details of the light source 11 will be described later.

測定セル13は、アルミニウム製の円筒形状の部材であり、円筒の軸線方向における一端の内部に光源11が配置される。測定セル13は、光源11から発せられる赤外線を赤外線センサ15に届ける鏡筒の役割を兼ねる。   The measurement cell 13 is a cylindrical member made of aluminum, and the light source 11 is disposed inside one end in the axial direction of the cylinder. The measurement cell 13 also serves as a lens barrel that delivers infrared rays emitted from the light source 11 to the infrared sensor 15.

測定セル13は、光源11より放射される赤外線を反射する内壁面21と、人の呼気が導入されるガス空間23と、測定対象ガス(人の呼気)をガス空間23に導入・排出するためのガス入出部25と、を備えている。内壁面21は、アルミニウム製である。   The measurement cell 13 introduces and discharges an inner wall surface 21 that reflects infrared rays radiated from the light source 11, a gas space 23 into which human exhalation is introduced, and a measurement target gas (human exhalation) into the gas space 23. Gas inlet / outlet portion 25. The inner wall surface 21 is made of aluminum.

赤外線センサ15は、測定セル13の端部のうち光源11が配置される側とは反対の端部に配置されており、光源11から出力されて測定セル13のガス空間23を通過した赤外線もしくは測定セル13の内壁面21で反射して到達した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する。   The infrared sensor 15 is disposed at the end of the measurement cell 13 opposite to the side where the light source 11 is disposed. The infrared sensor 15 is output from the light source 11 and passes through the gas space 23 of the measurement cell 13 or An infrared detection signal corresponding to the intensity of the infrared light that is reflected by the inner wall surface 21 of the measurement cell 13 and is reached is output.

赤外線センサ15は、赤外線検知素子31と、台座33と、キャップ35と、2つのバンドパスフィルタ37,38(詳細には、検知用フィルタ37、参照用フィルタ38)と、を備えている。   The infrared sensor 15 includes an infrared detection element 31, a pedestal 33, a cap 35, and two band-pass filters 37 and 38 (specifically, a detection filter 37 and a reference filter 38).

赤外線検知素子31は、MEMS型(微小電気機械素子型)のサーモパイルであり、受光した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する。
つまり、この赤外線検知素子31は、照射される赤外線の強度に応じて検知用赤外線吸収層(図示省略)および参照用赤外線吸収層(図示省略)がそれぞれ温度変化し、両者に温度差ΔTが発生すると、その温度差ΔTに応じた起電力ΔVを生じ、その起電力ΔVに応じた赤外線検知信号を電極パッド(図示省略)から外部に出力する。
The infrared detection element 31 is a MEMS (microelectromechanical element type) thermopile, and outputs an infrared detection signal corresponding to the intensity of received infrared rays.
That is, in the infrared detecting element 31, the temperature of the detecting infrared absorbing layer (not shown) and the reference infrared absorbing layer (not shown) change depending on the intensity of the irradiated infrared rays, and a temperature difference ΔT is generated between them. Then, an electromotive force ΔV corresponding to the temperature difference ΔT is generated, and an infrared detection signal corresponding to the electromotive force ΔV is output from an electrode pad (not shown) to the outside.

赤外線センサ15は、検知用フィルタ37を通過した赤外線が赤外線検知素子31の検知用赤外線吸収層に到達するとともに、参照用フィルタ38を通過した赤外線が赤外線検知素子31の参照用赤外線吸収層に到達するよう構成されている。   In the infrared sensor 15, infrared light that has passed through the detection filter 37 reaches the detection infrared absorption layer of the infrared detection element 31, and infrared light that has passed through the reference filter 38 reaches the reference infrared absorption layer of the infrared detection element 31. It is configured to

ここで、検知用フィルタ37は、検知波長(4.3[μm])の赤外線を選択的に透過するバンドパスフィルタであり、波長が4.3[μm]の赤外線は、二酸化炭素(CO)に吸収される特性がある。また、参照用フィルタ38は、参照波長(3.9[μm])の赤外線を選択的に透過するバンドパスフィルタであり、波長が3.9[μm]の赤外線は、ガスによる吸収が生じない特性がある。 Here, the detection filter 37 is a bandpass filter that selectively transmits infrared light having a detection wavelength (4.3 [μm]), and infrared light having a wavelength of 4.3 [μm] is carbon dioxide (CO 2). ) Is absorbed. The reference filter 38 is a bandpass filter that selectively transmits infrared light having a reference wavelength (3.9 [μm]), and infrared light having a wavelength of 3.9 [μm] is not absorbed by gas. There are characteristics.

このため、参照用赤外線吸収層の温度を基準としつつ、検知用赤外線吸収層の温度変化状態を検出することで、CO濃度の判定が可能となる。換言すれば、検知用赤外線吸収層と参照用赤外線吸収層との温度差に基づいて、COの濃度を判定することが可能となる。 Therefore, it is possible to determine the CO 2 concentration by detecting the temperature change state of the detection infrared absorption layer while using the temperature of the reference infrared absorption layer as a reference. In other words, the CO 2 concentration can be determined based on the temperature difference between the detection infrared absorption layer and the reference infrared absorption layer.

台座33は、赤外線検知素子31を支持する金属製部材である。台座33は、赤外線検知素子31に接続される信号線40を挿通するための挿通孔(図示省略)を備えている。挿通孔の内壁には絶縁材料(図示省略)が配置されており、絶縁材料は、台座33と信号線40とを電気的に絶縁する。   The pedestal 33 is a metal member that supports the infrared detection element 31. The pedestal 33 includes an insertion hole (not shown) for inserting the signal line 40 connected to the infrared detection element 31. An insulating material (not shown) is disposed on the inner wall of the insertion hole, and the insulating material electrically insulates the base 33 and the signal line 40.

信号線40は、一端が赤外線検知素子31の電極パッドに電気的に接続され、他端が外部機器に電気的に接続されることで、赤外線検知信号を外部に出力するための信号経路を形成する。信号線40は、金製のリードワイヤ(図示省略)を用いたボンディングにより、赤外線検知素子31の電極パッドに電気的に接続される。   One end of the signal line 40 is electrically connected to the electrode pad of the infrared detection element 31 and the other end is electrically connected to an external device, thereby forming a signal path for outputting the infrared detection signal to the outside. To do. The signal line 40 is electrically connected to the electrode pad of the infrared detecting element 31 by bonding using a gold lead wire (not shown).

赤外線検知素子31は、台座33における所定の設置位置に、エポキシ系接着剤により固定される。
キャップ35は、ステンレス合金により構成され、台座33に支持された赤外線検知素子31を収容する素子配置空間(図示省略)を形成する部材である。キャップ35は、抵抗溶接により台座33と接合されることで、台座33とともに素子配置空間を形成する。キャップ35は、外部から素子配置空間に光を取り込むための第1窓部(図示省略)および第2窓部(図示省略)を備える。
The infrared detection element 31 is fixed to a predetermined installation position on the pedestal 33 with an epoxy adhesive.
The cap 35 is a member that is made of a stainless alloy and forms an element arrangement space (not shown) that accommodates the infrared detection element 31 supported by the pedestal 33. The cap 35 is joined to the pedestal 33 by resistance welding to form an element arrangement space together with the pedestal 33. The cap 35 includes a first window (not shown) and a second window (not shown) for taking light into the element arrangement space from the outside.

検知用フィルタ37は、キャップ35の第1窓部を覆うように、エポキシ系接着剤によりキャップ35に固定され、参照用フィルタ38は、キャップ35の第2窓部を覆うように、エポキシ系接着剤によりキャップ35に固定される。前述のように、検知用フィルタ37(第1窓部)を通過した赤外線は、赤外線検知素子31の検知用赤外線吸収層に到達し、参照用フィルタ38(第2窓部)を通過した赤外線は、赤外線検知素子31の参照用赤外線吸収層に到達する。   The detection filter 37 is fixed to the cap 35 with an epoxy adhesive so as to cover the first window portion of the cap 35, and the reference filter 38 is epoxy-based adhesive so as to cover the second window portion of the cap 35. It is fixed to the cap 35 with an agent. As described above, the infrared rays that have passed through the detection filter 37 (first window portion) reach the detection infrared absorption layer of the infrared detection element 31, and the infrared rays that have passed through the reference filter 38 (second window portion) The reference infrared absorption layer of the infrared detection element 31 is reached.

このような構成の赤外線センサ15は、図1に示すように、アルミニウム製の固定治具59により測定セル13の端部に固定される。
セル用ヒータ17は、シリコンラバーヒータであり、測定セル13を取り囲むように配置される。セル用ヒータ17は、40[℃]以上に設定された特定の制御温度(本実施形態では、50[℃]に設定)で、測定セル13を加熱する。
As shown in FIG. 1, the infrared sensor 15 having such a configuration is fixed to the end portion of the measurement cell 13 by an aluminum fixing jig 59.
The cell heater 17 is a silicon rubber heater and is disposed so as to surround the measurement cell 13. The cell heater 17 heats the measurement cell 13 at a specific control temperature set to 40 [° C.] or higher (in this embodiment, set to 50 [° C.]).

[1−2.光源]
次に、光源11について説明する。
図2は、赤外線放射層47を透過した状態の光源11を表す平面図であり、図3は、光源11の図2におけるA−A視断面を表す断面図である。
[1-2. light source]
Next, the light source 11 will be described.
FIG. 2 is a plan view illustrating the light source 11 in a state of being transmitted through the infrared radiation layer 47, and FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the light source 11 taken along the line AA in FIG.

図2および図3に示すように、光源11は、基板44、支持層41、発熱抵抗体45、赤外線放射層47、を備えている。
基板44は、シリコン製基板であり、基板44の外周部分を形成する枠部44aと、枠部44aに取り囲まれた状態で基板44の板厚方向に貫通する空洞部44bと、を有する。枠部44aのうち、空洞部44bに対向する内壁面44cは、基板44の表面44dから裏面44eにかけて空洞部44bの開口面積が拡大するように傾斜したテーパ形状に形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the light source 11 includes a substrate 44, a support layer 41, a heating resistor 45, and an infrared radiation layer 47.
The substrate 44 is a silicon substrate, and includes a frame portion 44a that forms an outer peripheral portion of the substrate 44, and a hollow portion 44b that penetrates in the thickness direction of the substrate 44 while being surrounded by the frame portion 44a. Of the frame portion 44a, the inner wall surface 44c facing the cavity portion 44b is formed in a tapered shape that is inclined so that the opening area of the cavity portion 44b increases from the front surface 44d to the back surface 44e of the substrate 44.

支持層41は、基板44のうち一方の板面(本実施形態では、表面44d)に積層される薄膜状の部材であり、表面44dに現れる空洞部44bの開口部を覆うように基板44(枠部44a)に積層される。支持層41は、上側支持層41aおよび下側支持層41bの二層構造であり、窒化ケイ素(Si)、酸化ケイ素(SiO)などの絶縁層で構成されている。 The support layer 41 is a thin film-like member laminated on one plate surface (in the present embodiment, the surface 44d) of the substrate 44, and covers the opening of the cavity 44b that appears on the surface 44d. It is laminated on the frame part 44a). The support layer 41 has a two-layer structure of an upper support layer 41a and a lower support layer 41b, and is composed of an insulating layer such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon oxide (SiO 2 ).

発熱抵抗体45は、白金(Pt)を主体とする発熱抵抗体であり、支持層41のうち空洞部44bに重なる領域(以下、メンブレン領域51ともいう)であって、上側支持層41aと下側支持層41bとの間に配置されている。   The heating resistor 45 is a heating resistor mainly composed of platinum (Pt), and is a region of the support layer 41 that overlaps the cavity 44b (hereinafter also referred to as a membrane region 51), and is connected to the upper support layer 41a and the lower layer. It arrange | positions between the side support layers 41b.

図2に示すように、発熱抵抗体45は、メンブレン領域51において、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成されている。発熱抵抗体45は、メンブレン領域51の中央から周縁に向かうに従い、ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともに、ヒータ配線どうしの間隔が小さくなるよう構成されている。   As shown in FIG. 2, the heating resistor 45 is formed of heater wiring arranged in a spiral shape in the membrane region 51. The heating resistor 45 is configured so that the width of the heater wiring becomes smaller and the distance between the heater wirings becomes smaller from the center of the membrane region 51 toward the periphery.

メンブレン領域51における「発熱抵抗体45の形成領域」の割合は、71%である。なお、「発熱抵抗体45の形成領域」とは、発熱抵抗体45の全体を覆うことができる最小の四角形領域であり、図2に示す光源11においては、辺X1および辺X2で囲まれる領域に相当する。   The ratio of the “formation region of the heating resistor 45” in the membrane region 51 is 71%. Note that the “formation region of the heating resistor 45” is the smallest rectangular region that can cover the entire heating resistor 45, and in the light source 11 shown in FIG. 2, the region surrounded by the sides X1 and X2. It corresponds to.

発熱抵抗体45の2つの端部45aは、リード部45bを通じて、それぞれ異なるコンタクトパッド50に電気的に接続されている。2つのコンタクトパッド50は、支持層41の外部に露出する状態で形成されており、外部電源(図示省略)に電気的に接続されて発熱抵抗体45への電力供給経路を形成する。2つのコンタクトパッド50は、アルミニウム(Al)あるいは金(Au)で形成されている。   The two end portions 45a of the heating resistor 45 are electrically connected to different contact pads 50 through lead portions 45b. The two contact pads 50 are formed so as to be exposed to the outside of the support layer 41, and are electrically connected to an external power source (not shown) to form a power supply path to the heating resistor 45. The two contact pads 50 are made of aluminum (Al) or gold (Au).

赤外線放射層47は、炭化硅素(SiC)を主成分として構成されており、基板44の板厚方向に沿ってみたときに、少なくとも発熱抵抗体45に重なりつつ、発熱抵抗体45よりも広い領域において、支持層41に積層される。赤外線放射層47は、支持層41のうち発熱抵抗体45の配置領域のみならずメンブレン領域51の全体を覆う状態で、支持層41に積層されている。   The infrared radiation layer 47 is composed of silicon carbide (SiC) as a main component, and overlaps at least the heating resistor 45 and is wider than the heating resistor 45 when viewed along the thickness direction of the substrate 44. In FIG. The infrared radiation layer 47 is laminated on the support layer 41 so as to cover not only the region where the heating resistor 45 is disposed in the support layer 41 but also the entire membrane region 51.

赤外線放射層47は、支持層41よりも高い放射率を有する材料で形成されており、発熱抵抗体45による加熱により赤外線を放射する。赤外線放射層47は、他部材により覆われることなく外部に露出した状態で支持層41に積層されているため、他部材に覆われる構成に比べて、外部に向けて放射する赤外線量が低下することを抑制できる。   The infrared radiation layer 47 is made of a material having an emissivity higher than that of the support layer 41, and emits infrared light when heated by the heating resistor 45. Since the infrared radiation layer 47 is laminated on the support layer 41 in a state of being exposed to the outside without being covered by other members, the amount of infrared radiation radiated toward the outside is reduced as compared with the configuration covered by the other members. This can be suppressed.

このような構成の光源11は、支持層41のメンブレン領域51がダイヤフラム構造となり、このメンブレン領域51に発熱抵抗体45を配置することで、発熱抵抗体45は周囲から断熱された状態となる。このため、この光源11は、発熱抵抗体45への通電により短時間で昇温可能となると共に、短時間で赤外線放射層47から赤外線を放射することが可能となる。   In the light source 11 having such a configuration, the membrane region 51 of the support layer 41 has a diaphragm structure, and the heating resistor 45 is disposed in the membrane region 51 so that the heating resistor 45 is thermally insulated from the surroundings. For this reason, the light source 11 can be heated in a short time by energizing the heating resistor 45 and can emit infrared rays from the infrared radiation layer 47 in a short time.

また、この光源11は、赤外線放射層47が外部に露出した状態で支持層41に積層されているため、外部に向けて放射する赤外線量が低下することを抑制できる。
[1−3.光源の製造方法]
次に、光源11の製造方法について説明する。
Further, since the light source 11 is laminated on the support layer 41 in a state where the infrared radiation layer 47 is exposed to the outside, it is possible to suppress a reduction in the amount of infrared radiation emitted toward the outside.
[1-3. Manufacturing method of light source]
Next, a method for manufacturing the light source 11 will be described.

まず、第1工程では、シリコン製の基板44の洗浄を行う。具体的には、厚さ寸法が400[μm]の基板44を洗浄液に浸して、洗浄処理を行う。
次に、第2工程では、下側支持層41bを形成する。
First, in the first step, the silicon substrate 44 is cleaned. Specifically, a cleaning process is performed by immersing the substrate 44 having a thickness of 400 [μm] in a cleaning solution.
Next, in the second step, the lower support layer 41b is formed.

第2工程では、洗浄済みの基板44の表面44dに対して、窒化ケイ素(Si)で形成された膜を減圧CVD法により成膜することで、下側支持層41bを形成する。
次に、第3工程では、発熱抵抗体45およびリード部45bを形成する。
In the second step, a lower support layer 41b is formed by forming a film formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ) on the cleaned surface 44d of the substrate 44 by a low pressure CVD method.
Next, in the third step, the heating resistor 45 and the lead portion 45b are formed.

第3工程では、まず、下側支持層41bの上に、スパッタ法により白金(Pt)などの金属膜を製膜する。このあと、フォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行い、発熱抵抗体45を形成する。このとき、発熱抵抗体45に電気的に接続されるリード部45bについても、発熱抵抗体45と同様にパターニング形成される。   In the third step, first, a metal film such as platinum (Pt) is formed on the lower support layer 41b by sputtering. Thereafter, the resist is patterned by photolithography to form the heating resistor 45. At this time, the lead portion 45 b electrically connected to the heating resistor 45 is also patterned in the same manner as the heating resistor 45.

次に、第4工程では、上側支持層41aを形成する。
第4工程では、発熱抵抗体45を中心として上下方向(積層方向)の膜構成が対称となるように、窒化ケイ素(Si)で形成された膜を減圧CVD法により成膜することで、上側支持層41aを形成する。
Next, in the fourth step, the upper support layer 41a is formed.
In the fourth step, a film formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is formed by low-pressure CVD so that the film configuration in the vertical direction (stacking direction) is symmetric about the heating resistor 45. Thus, the upper support layer 41a is formed.

次に、第5工程では、コンタクトパッド50を形成する。
第5工程では、リード部45bの上側の所定位置に設けたコンタクトホールに対して、スパッタ法により金(Au)等の金属膜を成膜した後、パターニングして金(Au)等の金属材料からなる2つのコンタクトパッド50を形成する。
Next, in the fifth step, the contact pad 50 is formed.
In the fifth step, a metal film such as gold (Au) is formed by sputtering on the contact hole provided at a predetermined position above the lead portion 45b, and then patterned to form a metal material such as gold (Au). Two contact pads 50 are formed.

次に、第6工程では、赤外線放射層47を形成する。
第6工程では、上側支持層41aの表面の所定領域に対して、所定材料(炭化硅素(SiC)を主成分としてガラスが混合された材料)を含むペーストを用いて、スクリーン印刷により所定形状の赤外線放射層47を形成する。
Next, in the sixth step, the infrared radiation layer 47 is formed.
In the sixth step, a predetermined shape of the surface of the upper support layer 41a is formed by screen printing using a paste containing a predetermined material (a material in which glass is mainly mixed with silicon carbide (SiC)). An infrared radiation layer 47 is formed.

なお、赤外線放射層47の形成方法は、スクリーン印刷に限定されるものではない。赤外線放射層47を構成する材料に適した種々の方法を用いることができる。例えば、インクジェット印刷により赤外線放射層47を形成しても良い。また、CVD法により成膜し、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして赤外線放射層47を形成することもできる。   In addition, the formation method of the infrared radiation layer 47 is not limited to screen printing. Various methods suitable for the material constituting the infrared radiation layer 47 can be used. For example, the infrared radiation layer 47 may be formed by ink jet printing. Alternatively, the infrared radiation layer 47 can be formed by film formation by a CVD method and patterning by a photolithography process.

次に、第7工程では、空洞部44bを形成する。
第7工程では、まず、基板44の下面全面に、例えばプラズマCVD法によりエッチングマスク用の窒化シリコン膜46を形成する。そして、フォトリソグラフィー処理により窒化シリコン膜46に開口部を形成する。この開口部の大きさおよび位置は、メンブレン領域51の形成領域に応じて定められる。
Next, in the seventh step, the cavity 44b is formed.
In the seventh step, first, a silicon nitride film 46 for an etching mask is formed on the entire lower surface of the substrate 44 by, eg, plasma CVD. Then, an opening is formed in the silicon nitride film 46 by photolithography. The size and position of the opening are determined according to the formation region of the membrane region 51.

このあと、基板44を異方性エッチング処理によりエッチングする。このエッチングは、基板44の上面に設けられた下側支持層41bが露出するまで実施され、これにより、基板44を板厚方向に貫通する空洞部44bが形成される。空洞部44bは、基板44のうちメンブレン領域51に対応する部位に形成される。   Thereafter, the substrate 44 is etched by anisotropic etching. This etching is performed until the lower support layer 41b provided on the upper surface of the substrate 44 is exposed, whereby a cavity 44b penetrating the substrate 44 in the plate thickness direction is formed. The cavity 44 b is formed in a portion of the substrate 44 corresponding to the membrane region 51.

次に、第8工程では、基板44を切断する。
第8工程では、ダイシング装置を用いて基板44をチップ状にダイシングを行う。
以上の工程により、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成される発熱抵抗体45を有する光源11が完成する。
Next, in the eighth step, the substrate 44 is cut.
In the eighth step, the substrate 44 is diced into chips using a dicing apparatus.
Through the above steps, the light source 11 having the heating resistor 45 formed of the heater wiring arranged in a spiral shape is completed.

このようにして完成した光源11では、コンタクトパッド50を通じて外部からの電力供給を受けることで発熱抵抗体45が発熱し、その熱により赤外線放射層47が加熱されると、赤外線放射層47から赤外線が放射される。   In the light source 11 thus completed, the heating resistor 45 generates heat by receiving external power supply through the contact pad 50, and when the infrared radiation layer 47 is heated by the heat, the infrared radiation layer 47 emits infrared rays. Is emitted.

[1−4.ガス検知]
上述した構成のガス検知器1は、ガス入出部25を介して測定セル13のガス空間23に人の呼気(測定対象ガス)を導入・排出した上で、ガス空間23に導入された呼気に含まれる二酸化炭素(特定ガス)の濃度を検知する。
[1-4. Gas detection]
The gas detector 1 having the above-described configuration introduces / exhales human exhalation (measurement target gas) into the gas space 23 of the measurement cell 13 via the gas inlet / outlet unit 25, and then converts the breath into the exhaled gas introduced into the gas space 23. The concentration of carbon dioxide (specific gas) contained is detected.

つまり、光源11から照射される赤外線は、測定セル13のガス空間23に導入された呼気に含まれる二酸化炭素に吸収されるため、赤外線センサ15に到達する赤外線の強度は、二酸化炭素の濃度に応じて変化する。そして、赤外線センサ15(赤外線検知素子31)から出力される赤外線検知信号が二酸化炭素の濃度に応じて変化することから、赤外線検知信号に基づいて人の呼気に含まれる二酸化炭素の濃度を検知できる。なお、赤外線センサ15は、参照用フィルタ38の透過中心波長(3.9[μm])に応じた赤外線を基準として、検知用フィルタ37の透過中心波長(4.3[μm])に応じた赤外線を検知する。   That is, since the infrared rays emitted from the light source 11 are absorbed by carbon dioxide contained in the exhaled breath introduced into the gas space 23 of the measurement cell 13, the intensity of infrared rays reaching the infrared sensor 15 is equal to the concentration of carbon dioxide. Will change accordingly. And since the infrared detection signal output from the infrared sensor 15 (infrared detection element 31) changes according to the concentration of carbon dioxide, the concentration of carbon dioxide contained in human breath can be detected based on the infrared detection signal. . The infrared sensor 15 corresponds to the transmission center wavelength (4.3 [μm]) of the detection filter 37 based on the infrared rays corresponding to the transmission center wavelength (3.9 [μm]) of the reference filter 38. Detect infrared rays.

ガス検知器1は、セル用ヒータ17が測定セル13を加熱して測定セル13の内壁面21に結露が生じるのを抑制することで、光源11から照射される赤外線が測定セル13の内壁面21で反射する際の減衰量を低減する。   In the gas detector 1, the cell heater 17 heats the measurement cell 13 and prevents the inner wall surface 21 of the measurement cell 13 from dew condensation, so that the infrared light emitted from the light source 11 is emitted from the inner wall surface of the measurement cell 13. The amount of attenuation at the time of reflection at 21 is reduced.

上述したように、赤外線センサ15(赤外線検知素子31)から出力される赤外線検知信号が二酸化炭素の濃度に応じて変化することから、赤外線検知信号に基づいて人の呼気に含まれる二酸化炭素の濃度を検知できる。   As described above, since the infrared detection signal output from the infrared sensor 15 (infrared detection element 31) changes according to the concentration of carbon dioxide, the concentration of carbon dioxide contained in human breath based on the infrared detection signal. Can be detected.

つまり、ガス検知器1においては、光源11から放射された赤外線が測定セル13の内部を通過して赤外線センサ15に到達し、赤外線センサ15の赤外線検知素子31が受光する赤外線の強度に基づいて、検知波長の赤外線に対応したガス(二酸化炭素)を検知する。   That is, in the gas detector 1, the infrared light emitted from the light source 11 passes through the measurement cell 13 and reaches the infrared sensor 15, and is based on the intensity of the infrared light received by the infrared detection element 31 of the infrared sensor 15. Detecting gas (carbon dioxide) corresponding to the infrared of the detection wavelength.

よって、このガス検知器1を用いることで、赤外線検知信号に基づいて人の呼気に含まれる二酸化炭素の濃度を検知することが可能となる。
[1−5.測定試験]
本発明を適用した光源において、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合と、放射される赤外線量との関係を測定した第1測定試験の試験結果について説明する。
Therefore, by using this gas detector 1, it is possible to detect the concentration of carbon dioxide contained in human breath based on the infrared detection signal.
[1-5. Measurement test]
In the light source to which the present invention is applied, the test result of the first measurement test in which the relationship between the ratio of the region where the heating resistor 45 is formed to the membrane region 51 and the amount of infrared rays radiated will be described.

なお、「発熱抵抗体45の形成領域」とは、発熱抵抗体45の全体を覆うことができる最小の四角形領域であり、図2に示す光源11においては、辺X1および辺X2で囲まれる領域に相当する。   Note that the “formation region of the heating resistor 45” is the smallest rectangular region that can cover the entire heating resistor 45, and in the light source 11 shown in FIG. 2, the region surrounded by the sides X1 and X2. It corresponds to.

また、本試験では、メンブレン領域の大きさが異なる4種類の光源を用いて、それぞれの光源において、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合と、光量(放射される赤外線量)との関係を測定した。なお、4種類の光源におけるメンブレン領域の1辺の寸法(DPサイズ)は、それぞれ2.0mm、2.5mm、3.0mm、4.0mmである。   In this test, four types of light sources having different membrane area sizes were used. In each light source, the ratio of the area where the heating resistor 45 was formed to the membrane area 51, the amount of light (the amount of emitted infrared rays), and The relationship was measured. In addition, the dimension (DP size) of one side of the membrane region in the four types of light sources is 2.0 mm, 2.5 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm, respectively.

図4に示す測定結果によれば、4種類の光源は、いずれも、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合を50%以上に設定することで、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合が30%以下である場合に比べて、光量(放射される赤外線量)が増加することが判る。   According to the measurement results shown in FIG. 4, all of the four types of light sources set the ratio of the formation region of the heating resistor 45 to the membrane region 51 to 50% or more, so that the heating resistor 45 to the membrane region 51 is set. It can be seen that the amount of light (the amount of infrared rays radiated) is increased as compared with the case where the ratio of the formation region is 30% or less.

とりわけ、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合が60%以上であれば、光量(放射される赤外線量)が大幅に増加することが判る。
よって、第1測定試験によれば、メンブレン領域51に対する発熱抵抗体45の形成領域の割合を50%以上に設定することで、光源が外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制できることが判る。
In particular, it can be seen that if the ratio of the region where the heating resistor 45 is formed to the membrane region 51 is 60% or more, the amount of light (the amount of emitted infrared rays) increases significantly.
Therefore, according to the first measurement test, it can be seen that the reduction in the amount of infrared rays emitted from the light source toward the outside can be suppressed by setting the ratio of the region where the heating resistor 45 is formed to the membrane region 51 to 50% or more. .

次に、本発明を適用した光源と、発熱抵抗体の形状(詳細には、ヒータ配線の配置形状)が本発明とは異なる比較用光源と、のそれぞれについて、メンブレン領域での温度分布を測定した第2測定試験の試験結果について説明する。   Next, the temperature distribution in the membrane region is measured for each of the light source to which the present invention is applied and the comparative light source in which the shape of the heating resistor (specifically, the heater wiring arrangement shape) is different from the present invention. The test results of the second measurement test will be described.

なお、比較用光源111は、図5および図6に示すように、基板44、支持層41、比較用発熱抵抗体145、赤外線放射層47、を備えている。このうち、比較用発熱抵抗体145以外の構成は、光源11と同様であり、同一符号を付して表している。   The comparative light source 111 includes a substrate 44, a support layer 41, a comparative heating resistor 145, and an infrared radiation layer 47, as shown in FIGS. Among these, the configuration other than the comparative heating resistor 145 is the same as that of the light source 11 and is denoted by the same reference numeral.

比較用発熱抵抗体145は、白金(Pt)を主体とする発熱抵抗体であり、並列に配置された複数のヒータ配線が直列に接続されて構成されている。比較用発熱抵抗体145の2つの端部145aは、リード部145bを通じて、それぞれ異なるコンタクトパッド50に電気的に接続されている。   The comparative heating resistor 145 is a heating resistor mainly composed of platinum (Pt), and is configured by connecting a plurality of heater wires arranged in parallel in series. The two end portions 145a of the comparative heating resistor 145 are electrically connected to different contact pads 50 through lead portions 145b.

図7は、光源11のC−C断面におけるメンブレン領域での温度分布の測定結果であり、図8は、比較用光源111のD−D断面におけるメンブレン領域での温度分布の測定結果である。   FIG. 7 shows the measurement result of the temperature distribution in the membrane area in the CC section of the light source 11, and FIG. 8 shows the measurement result of the temperature distribution in the membrane area in the DD section of the comparative light source 111.

光源11では、発熱抵抗体45の形成領域(−800〜+800[μm]の座標領域に相当)において、最低温度が約420℃であり、最高温度が約460℃であることから、温度分布の温度差が約40℃であり、温度分布の温度差が比較的小さい範囲(50℃以内)に収まっている。温度分布の温度差が50℃以内であれば、赤外線放射層47の内部に生じる応力が小さく抑えられ、熱応力による赤外線放射層47および支持層41の破損が生じることを抑制できる。   In the light source 11, in the formation region of the heating resistor 45 (corresponding to the coordinate region of −800 to +800 [μm]), the minimum temperature is about 420 ° C. and the maximum temperature is about 460 ° C. The temperature difference is about 40 ° C., and the temperature difference of the temperature distribution is within a relatively small range (within 50 ° C.). When the temperature difference of the temperature distribution is within 50 ° C., the stress generated inside the infrared radiation layer 47 is suppressed to be small, and the damage of the infrared radiation layer 47 and the support layer 41 due to thermal stress can be suppressed.

比較用光源111では、比較用発熱抵抗体145の形成領域(−800〜+800[μm]の座標領域に相当)において、最低温度が約370℃であり、最高温度が約500℃であることから、温度分布の温度差が約130℃であり、温度分布の温度差が大きくなっている(温度差が100℃以上)。温度分布の温度差が100℃以上であれば、赤外線放射層47の内部に生じる応力が大きくなり、熱応力による赤外線放射層47および支持層41の破損が生じやすくなる。   In the comparative light source 111, the minimum temperature is about 370 ° C. and the maximum temperature is about 500 ° C. in the region where the comparative heating resistor 145 is formed (corresponding to the coordinate region of −800 to +800 [μm]). The temperature difference of the temperature distribution is about 130 ° C., and the temperature difference of the temperature distribution is large (the temperature difference is 100 ° C. or more). When the temperature difference of the temperature distribution is 100 ° C. or more, the stress generated inside the infrared radiation layer 47 is increased, and the infrared radiation layer 47 and the support layer 41 are easily damaged by thermal stress.

これらの測定結果によれば、光源11は、比較用光源111に比べて、メンブレン領域における温度分布の温度差が小さくなり、赤外線放射層47と支持層41との間に生じる応力が小さく抑えられて、熱応力による赤外線放射層47の破損が生じるのを抑制できる。つまり、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成された発熱抵抗体を備えることで、並列に配置された複数のヒータ配線が直列に接続される構成の発熱抵抗体を備える場合よりも、メンブレン領域における温度分布の温度差を小さくすることができ、熱応力による赤外線放射層の破損が生じるのを抑制できる。   According to these measurement results, the light source 11 has a smaller temperature difference in the temperature distribution in the membrane region than the comparative light source 111, and the stress generated between the infrared radiation layer 47 and the support layer 41 can be suppressed to be small. Thus, it is possible to prevent the infrared radiation layer 47 from being damaged due to thermal stress. That is, by providing the heating resistor formed of the heater wiring arranged in a spiral shape, the membrane region is more than in the case of including the heating resistor having a configuration in which a plurality of heater wirings arranged in parallel are connected in series. The temperature difference of the temperature distribution in can be reduced, and the breakage of the infrared radiation layer due to thermal stress can be suppressed.

[1−6.効果]
以上説明したように、本実施形態の非分散型赤外線分析式ガス検知器1に備えられる光源11は、支持層41に積層された赤外線放射層47を備えている。
[1-6. effect]
As described above, the light source 11 provided in the non-dispersive infrared analytical gas detector 1 of the present embodiment includes the infrared radiation layer 47 laminated on the support layer 41.

赤外線放射層47は、他部材により覆われることなく外部に露出した状態で備えられており、発熱抵抗体45による加熱により赤外線を放射する。
このように、赤外線放射層47は、他部材により覆われることなく外部に露出した状態で支持層41に積層されているため、他部材に覆われる構成に比べて、外部に向けて放射する赤外線量が低下することを抑制できる。
The infrared radiation layer 47 is provided in a state of being exposed to the outside without being covered by other members, and radiates infrared rays by heating by the heating resistor 45.
Thus, since the infrared radiation layer 47 is laminated on the support layer 41 in a state of being exposed to the outside without being covered by another member, the infrared radiation radiated toward the outside as compared with the configuration covered by the other member. It can suppress that quantity falls.

また、光源11は、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成された発熱抵抗体45を備えている。
発熱抵抗体45は、メンブレン領域51に配置されており、メンブレン領域51の中央から周縁に向かうに従い、ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともに、ヒータ配線どうしの間隔が小さくなるよう構成されている。また、メンブレン領域51における「発熱抵抗体45の形成領域」の割合は、71%である。
Further, the light source 11 includes a heating resistor 45 formed by heater wiring arranged in a spiral shape.
The heating resistor 45 is disposed in the membrane region 51, and is configured such that the width dimension of the heater wiring is reduced and the interval between the heater wirings is reduced from the center of the membrane region 51 toward the periphery. Further, the ratio of the “formation region of the heating resistor 45” in the membrane region 51 is 71%.

光源11は、発熱抵抗体45が渦巻状に配置されたヒータ配線で形成されているため、上述の測定結果に示すように、並列に配置された複数のヒータ配線が直列に接続される構成の比較用発熱抵抗体145を備える比較用光源111に比べて、メンブレン領域51での温度分布における温度差が小さくなる。   Since the light source 11 is formed by the heater wiring in which the heating resistor 45 is arranged in a spiral shape, as shown in the above measurement result, a plurality of heater wirings arranged in parallel are connected in series. The temperature difference in the temperature distribution in the membrane region 51 is smaller than that of the comparative light source 111 including the comparative heating resistor 145.

さらに、メンブレン領域51の中央から外周縁に向かうに従い、ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともにヒータ配線どうしの間隔が小さくなるように発熱抵抗体45が構成されていることで、メンブレン領域51の中央におけるヒータ配線の密度は、メンブレン領域51の周縁におけるヒータ配線の密度に比べて、相対的に低くなる。   Furthermore, as the heating resistor 45 is configured so that the width dimension of the heater wiring is reduced and the distance between the heater wirings is reduced from the center of the membrane area 51 toward the outer peripheral edge, the center of the membrane area 51 is configured. The density of the heater wiring in FIG. 2 is relatively lower than the density of the heater wiring in the periphery of the membrane region 51.

これにより、温度が高くなりがちなメンブレン領域51の中央において、温度が高くなりすぎることを抑制しつつ、温度が低くなりがちなメンブレン領域51の周縁において、温度が低くなりすぎることを抑制できる。この結果、メンブレン領域51において温度分布における温度差が大きくなることを抑制できる。   Thereby, it is possible to suppress the temperature from being excessively low at the periphery of the membrane region 51, which tends to be low, while suppressing the temperature from being excessively high at the center of the membrane region 51, where the temperature is likely to be high. As a result, an increase in temperature difference in the temperature distribution in the membrane region 51 can be suppressed.

このように温度分布における温度差が大きくなることを抑制することで、赤外線放射層47の内部に応力が発生することを抑制できるとともに、赤外線放射層47および支持層41が応力によって破損することを抑制できる。   By suppressing the temperature difference in the temperature distribution from increasing in this way, it is possible to suppress the generation of stress inside the infrared radiation layer 47 and to prevent the infrared radiation layer 47 and the support layer 41 from being damaged by the stress. Can be suppressed.

よって、光源11によれば、外部に向けて放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による破損を抑制できる。
そして、このような光源11を備える非分散型赤外線分析式ガス検知器1は、光源11が放射する赤外線量の低下を抑制しつつ、温度差に起因する応力による光源11(詳細には、赤外線放射層47)の破損を抑制できる。
Therefore, according to the light source 11, the damage by the stress resulting from a temperature difference can be suppressed, suppressing the fall of the amount of infrared rays radiated | emitted toward the exterior.
The non-dispersive infrared analytical gas detector 1 including such a light source 11 suppresses a decrease in the amount of infrared rays emitted from the light source 11 and also suppresses a decrease in the amount of infrared rays emitted from the light source 11 (specifically, the infrared light source 11 Damage to the radiation layer 47) can be suppressed.

そして、この非分散型赤外線分析式ガス検知器1においては、光源11から赤外線センサ15に対して十分な赤外線が放射できるため、赤外線センサ15での赤外線の検知精度が向上し、特定ガス(二酸化炭素)の検知精度が向上する。また、温度差に起因する応力によって光源11に破損が生じることを抑制できるため、非分散型赤外線分析式ガス検知器1としてもガス検知が不可能な状態に陥る可能性を低減できる。   In the non-dispersive infrared analytical gas detector 1, sufficient infrared rays can be emitted from the light source 11 to the infrared sensor 15, so that the infrared ray detection accuracy of the infrared sensor 15 is improved and a specific gas (dioxide dioxide) is obtained. Carbon) detection accuracy is improved. Further, since it is possible to suppress the light source 11 from being damaged by the stress due to the temperature difference, the possibility that the non-dispersive infrared analytical gas detector 1 is incapable of gas detection can be reduced.

[1−7.特許請求の範囲との対応関係]
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
光源11が光源の一例に相当し、基板44が基板の一例に相当し、支持層41が支持層の一例に相当し、発熱抵抗体45が発熱部の一例に相当し、赤外線放射層47が放射部の一例に相当し、非分散型赤外線分析式ガス検知器1が非分散型赤外線分析式ガス検知器の一例に相当する。
[1-7. Correspondence with Claims]
Here, the correspondence of the words in the claims and the present embodiment will be described.
The light source 11 corresponds to an example of a light source, the substrate 44 corresponds to an example of a substrate, the support layer 41 corresponds to an example of a support layer, the heating resistor 45 corresponds to an example of a heat generating portion, and the infrared radiation layer 47 includes The non-dispersive infrared analytical gas detector 1 corresponds to an example of a radiation part, and corresponds to an example of a non-dispersive infrared analytical gas detector.

[2.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
[2. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.

例えば、上記実施形態では、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成される発熱部(発熱抵抗体)として、メンブレン領域の中央から周囲にかけてヒータ配線が3本配置される発熱部について説明したが、発熱部はこのような構成に限られることはない。つまり、発熱部は、メンブレン領域の中央から周囲にかけてヒータ配線が4本以上配置される構成であってもよい。   For example, in the above-described embodiment, as the heat generating portion (heat generating resistor) formed by the heater wiring arranged in a spiral shape, the heat generating portion in which three heater wirings are arranged from the center to the periphery of the membrane region has been described. The heat generating part is not limited to such a configuration. That is, the heat generating part may have a configuration in which four or more heater wires are arranged from the center to the periphery of the membrane region.

また、メンブレン領域における発熱抵抗体の形成領域の割合は、上記実施形態のような71%に限られることはなく、50%以上であれば、放射部(赤外線放射層)から放射される赤外線量の低下を抑制できる。   In addition, the ratio of the heating resistor forming region in the membrane region is not limited to 71% as in the above embodiment, and if it is 50% or more, the amount of infrared radiation emitted from the radiation portion (infrared radiation layer) Can be suppressed.

また、非分散型赤外線分析式ガス検知器1は、呼気中の二酸化炭素を測定する用途のガス検知器に限られることはなく、検知用フィルタの検知波長を変更することで、他のガス検知に用いることができる。例えば、検知用フィルタとして、波長が9.4[μm]の赤外線を選択的に透過するバンドパスフィルタを用いることで、呼気中のアルコール濃度を判定することができる。   Further, the non-dispersive infrared analytical gas detector 1 is not limited to a gas detector for measuring carbon dioxide in exhaled breath, and other gas detectors can be detected by changing the detection wavelength of the detection filter. Can be used. For example, by using a band-pass filter that selectively transmits infrared light having a wavelength of 9.4 [μm] as the detection filter, the alcohol concentration in exhaled breath can be determined.

次に、上記実施形態では、放射部(赤外線放射層47)として炭化硅素(SiC)を主成分とするものについて説明したが、放射部は、炭化硅素(SiC)を主成分とするものに限られることはなく、CuO(酸化銅)、Fe(酸化鉄)、黒化処理されたPt(白金黒)、もしくは黒化処理されたAu(金黒)、C(炭素)などを主成分として構成してもよい。 Next, in the above embodiment, the radiating portion (infrared radiating layer 47) has been described with silicon carbide (SiC) as the main component, but the radiating portion is limited to silicon carbide (SiC) as the main component. CuO (copper oxide), Fe 2 O 3 (iron oxide), blackened Pt (platinum black), blackened Au (gold black), C (carbon), etc. You may comprise as a component.

1…非分散型赤外線分析式ガス検知器(ガス検知器)、11…光源、13…測定セル、15…赤外線センサ、17…セル用ヒータ、41…支持層、41a…上側支持層、41b…下側支持層、44…基板、44a…枠部、44b…空洞部、44c…内壁面、44d…表面、44e…裏面、45…発熱抵抗体、45a…端部、45b…リード部、46…窒化シリコン膜、47…赤外線放射層、50…コンタクトパッド、51…メンブレン領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Non-dispersion type infrared analytical gas detector (gas detector), 11 ... Light source, 13 ... Measurement cell, 15 ... Infrared sensor, 17 ... Cell heater, 41 ... Support layer, 41a ... Upper support layer, 41b ... Lower support layer, 44 ... substrate, 44a ... frame part, 44b ... hollow part, 44c ... inner wall surface, 44d ... front surface, 44e ... back surface, 45 ... heating resistor, 45a ... end part, 45b ... lead part, 46 ... Silicon nitride film, 47 ... infrared radiation layer, 50 ... contact pad, 51 ... membrane region.

Claims (2)

赤外線を放射する光源であって、
板厚方向に貫通する空洞部を有する基板と、
前記基板のうち一方の板面に積層されて前記空洞部を覆う薄膜状の支持層と、
前記支持層のうち前記空洞部に重なるメンブレン領域に設けられて、外部からの通電により発熱する発熱部と、
前記基板の板厚方向に沿ってみたときに、少なくとも前記発熱部に重なりつつ前記発熱部よりも広い領域において前記支持層に積層されるとともに、前記支持層よりも高い放射率を有し、前記発熱部による加熱により前記赤外線を放射する放射部と、
を備えており、
前記基板の板厚方向に沿ってみたときに、
前記発熱部は、渦巻状に配置されたヒータ配線で形成されており、前記メンブレン領域の中央から周縁に向かうに従い、前記ヒータ配線の幅寸法が小さくなるとともに、前記ヒータ配線どうしの間隔が小さくなるよう構成されており、
前記発熱部の面積は、前記メンブレン領域の面積に対して50%以上であること、
を特徴とする光源。
A light source that emits infrared light,
A substrate having a hollow portion penetrating in the thickness direction;
A thin film-like support layer laminated on one plate surface of the substrate and covering the cavity,
Provided in the membrane region that overlaps the cavity portion of the support layer, a heat generating portion that generates heat by energization from the outside,
When viewed along the plate thickness direction of the substrate, it is stacked on the support layer in a region wider than the heat generating part while overlapping at least the heat generating part, and has a higher emissivity than the support layer, A radiating portion that radiates the infrared rays by heating by the heat generating portion;
With
When viewed along the thickness direction of the substrate,
The heat generating portion is formed of a heater wiring arranged in a spiral shape, and the width dimension of the heater wiring is reduced and the interval between the heater wirings is reduced from the center to the periphery of the membrane region. It is configured as
The area of the heat generating part is 50% or more with respect to the area of the membrane region,
A light source characterized by
請求項1に記載の光源を備える非分散型赤外線分析式ガス検知器。   A non-dispersive infrared analytical gas detector comprising the light source according to claim 1.
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