JP2016065786A - Infrared radiating element, manufacturing method thereof, and gas analyzer - Google Patents

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直樹 花島
山田 隆俊
Takatoshi Yamada
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佐々木 浩司
Koji Sasaki
浩司 佐々木
昭夫 高田
Akio Takada
昭夫 高田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide, e.g., an infrared radiating element which can sufficiently narrow the band of the radiation spectrum and significantly contribute to power saving.SOLUTION: An infrared radiating element comprises: a heat generator; a radiator with a periodic microstructure in a face opposite to the heat generator side; a planarization layer with a flat face opposite to the radiator side; and a bandpass filter formed on the planarization layer; in this order. Heat generated by the heat generator is conducted to the bandpass filter by heat conduction.SELECTED DRAWING: Figure 3A

Description

本発明は、赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに赤外線放射素子を用いたガス分析装置に関する。   The present invention relates to an infrared radiation element, a method for manufacturing the same, and a gas analyzer using the infrared radiation element.

非分散型赤外線吸収法を用いたガスセンサ(以下、「NDIRガスセンサ」と称することがある)は、その高精度及び安定性から、空調制御や各種ガスの検知装置として広く用いられている。   Gas sensors using a non-dispersive infrared absorption method (hereinafter sometimes referred to as “NDIR gas sensors”) are widely used as air conditioning controls and various gas detection devices because of their high accuracy and stability.

従来のNDIRガスセンサの模式図を図1に示す。
図1に示すNDIRガスセンサは、測定セル101と、測定セル101に備えられた赤外線光源102と、測定セル101に備えられたバンドパスフィルタ103と、測定セル101に備えられた受光素子104とを有する。赤外線光源102から出た赤外線105は、測定セル101内を通過するガス106に入射する。ガス106に含まれるいろいろなガス成分は、それぞれ固有の赤外線に対する吸収を持ち、赤外線光源101からの赤外線105は、ガス106層を透過する間にその一部が吸収された後、受光素子104に入射する。赤外線光源102から受光素子104への光路上には、検出したいガス成分の赤外吸収帯域のみを透過するようなバンドパスフィルタ103が設けられる。そして、受光素子104が受ける赤外線105の量により、検出するガス成分の濃度を知ることができる。
なお、受光素子104は、一般的には、赤外光強度を電気信号に変換する素子(例えば、サーモパイル、ボロメータ)が用いられる。
A schematic diagram of a conventional NDIR gas sensor is shown in FIG.
The NDIR gas sensor shown in FIG. 1 includes a measurement cell 101, an infrared light source 102 provided in the measurement cell 101, a bandpass filter 103 provided in the measurement cell 101, and a light receiving element 104 provided in the measurement cell 101. Have. Infrared light 105 emitted from the infrared light source 102 enters a gas 106 that passes through the measurement cell 101. Various gas components contained in the gas 106 each have absorption with respect to a specific infrared ray. The infrared ray 105 from the infrared light source 101 is partially absorbed while passing through the gas 106 layer, and then is received by the light receiving element 104. Incident. On the optical path from the infrared light source 102 to the light receiving element 104, a band pass filter 103 that transmits only the infrared absorption band of the gas component to be detected is provided. And the density | concentration of the gas component to detect can be known from the quantity of the infrared rays 105 which the light receiving element 104 receives.
The light receiving element 104 is generally an element that converts infrared light intensity into an electrical signal (for example, a thermopile or a bolometer).

特定波長の赤外線を用いるようなセンサ等の用途では、赤外線光源において抵抗体に通電することにより発熱して放射される幅広い帯域の赤外線のうち、バンドパスフィルタを通過する、その一部の特定の赤外線を用いている。したがって、他の波長の赤外線は利用されないためにエネルギー効率が悪い。そのため、赤外線光源から放射される特定波長の赤外線エネルギーを大きくしたいという要望があった。   In applications such as sensors that use infrared rays of a specific wavelength, some specific infrared rays that pass through a bandpass filter out of a wide band of infrared rays that are generated by radiating heat to a resistor in an infrared light source. Infrared is used. Therefore, energy efficiency is poor because infrared rays of other wavelengths are not used. Therefore, there has been a demand to increase the infrared energy of a specific wavelength emitted from the infrared light source.

赤外線センサにおいて一部の特定の赤外線を用いるのは、赤外線センサにおける検出ガスは、特定の赤外線波長において吸収が大きく、かつ吸収帯域が狭いためである。その一例として、二酸化炭素(CO)の吸収スペクトルを図2に示す。
なお、スペクトルの広がりは、Q値で考えることができる。Q値は、強度が極大となる振動数(光速度を波長で割ったもの)をその半値幅で割った値である。Q値が大きいほど、強度が極大となる振動数域におけるスペクトルが狭いことを示す。二酸化炭素(CO)の4.3μm付近の吸収スペクトルのQ値は、約26である。
The reason why some specific infrared rays are used in the infrared sensor is that the detection gas in the infrared sensor has a large absorption and a narrow absorption band at a specific infrared wavelength. As an example, an absorption spectrum of carbon dioxide (CO 2 ) is shown in FIG.
Note that the spread of the spectrum can be considered by the Q value. The Q value is a value obtained by dividing the frequency at which the intensity is maximum (the speed of light divided by the wavelength) by the half width. The larger the Q value, the narrower the spectrum in the frequency range where the intensity becomes maximum. The Q value of the absorption spectrum of carbon dioxide (CO 2 ) near 4.3 μm is about 26.

赤外線光源から放射される特定波長の赤外線エネルギーを大きくしたいという要望に対して、微細構造により、特定波長の赤外線エネルギーを大きくすることが提案されている(例えば、特許文献1〜5参照)。例えば、放射体の表面にマイクロキャビティを形成することで、特定波長の赤外線エネルギーを大きくすることが提案されている。
しかし、微細構造の制御のみでは、Q値を大きくすること、即ち放射スペクトルを狭帯域化することに限界がある。
In response to the desire to increase the infrared energy of a specific wavelength emitted from an infrared light source, it has been proposed to increase the infrared energy of a specific wavelength due to a fine structure (see, for example, Patent Documents 1 to 5). For example, it has been proposed to increase the infrared energy of a specific wavelength by forming a microcavity on the surface of a radiator.
However, with only fine structure control, there is a limit to increasing the Q value, that is, narrowing the emission spectrum.

したがって、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置の提供が求められているのが現状である。   Therefore, the present situation is that there is a need to provide an infrared radiation element that can sufficiently contribute to power saving by narrowing the emission spectrum sufficiently, a method for manufacturing the same, and a gas analyzer using the infrared radiation element. .

特開2013−083478号公報JP 2013-083478 A 特表2001−519079号公報JP 2001-519079 特開2005−337817号公報JP 2005-337817 A 特表2006−520074号公報JP 2006-520074 Gazette 特開2014−053088号公報JP 2014-053088 A

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and achieve the following objects. That is, an object of the present invention is to provide an infrared radiation element that can sufficiently contribute to power saving by narrowing the emission spectrum sufficiently, a manufacturing method thereof, and a gas analyzer using the infrared radiation element. .

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 発熱体と、
前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する放射体と、
前記放射体側と反対側の面が平坦な平坦化層と、
前記平坦化層上に形成されたバンドパスフィルタとをこの順で有し、
前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わることを特徴とする赤外線放射素子である。
<2> バンドパスフィルタが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体である前記<1>に記載の赤外線放射素子である。
<3> 高屈折率層の材質が、Ge、PbTe、ZnSe、ZnS、Ta、CeO、及びSiのいずれかであり、
低屈折率層の材質が、BaF、LaF、NdF、YF、SiO、SiO、及びYのいずれかである、前記<2>に記載の赤外線放射素子である。
<4> 放射体の材質が、ステンレス鋼である前記<1>から<3>のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
<5> 発熱体の材質が、タングステン、白金、及びシリサイド合金のいずれかである前記<1>から<4>のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
<6> 平坦化層の材質が、SiOである前記<1>から<5>のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
<7> 発熱体と放熱体との間に絶縁層を有する前記<1>から<6>のいずれかに記載の赤外線放射素子である。
<8> 前記<1>から<7>のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法であって、
一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る放射体作製工程とを含むことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法である。
<9> パターンの形成が、三光束干渉露光法により行われる前記<8>に記載の赤外線放射素子の製造方法である。
<10> 放射体前駆体の一方の面上に発熱体を形成する発熱体形成工程と、
前記放射体前駆体の他方の面上にマスク層を形成するマスク層形成工程とを含む前記<8>から<9>のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
<11> マスク層が除去された放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する平坦化層形成工程を含む前記<8>から<10>のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
<12> 平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成するバンドパスフィルタ形成工程を含む前記<8>から<11>のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法である。
<13> 前記<1>から<7>のいずれかに記載の赤外線放射素子を有することを特徴とするガス分析装置である。
<14> 更に、被測定ガスが導入される測定セルと、赤外線放射素子が放出する赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、
前記測定セルの一端に、前記赤外線放射素子が設けられ、
前記測定セルの他端に、前記赤外線検出器が設けられた前記<13>に記載のガス分析装置である。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A heating element,
A radiator having a periodic fine structure on a surface opposite to the heating element side;
A planarizing layer having a flat surface opposite to the radiator side;
A bandpass filter formed on the planarizing layer in this order,
The infrared radiation element, wherein heat generated by the heating element is transmitted to the bandpass filter by heat conduction.
<2> The infrared radiation element according to <1>, wherein the band-pass filter is an alternating laminate of a high refractive index layer and a low refractive index layer.
<3> The material of the high refractive index layer is any one of Ge, PbTe, ZnSe, ZnS, Ta 2 O 5 , CeO 2 , and Si.
The infrared radiation element according to <2>, wherein the material of the low refractive index layer is any one of BaF 2 , LaF 2 , NdF 3 , YF 3 , SiO 2 , SiO, and Y 2 O 3 .
<4> The infrared radiation element according to any one of <1> to <3>, wherein the material of the radiator is stainless steel.
<5> The infrared radiation element according to any one of <1> to <4>, wherein a material of the heating element is any one of tungsten, platinum, and a silicide alloy.
<6> The infrared radiation element according to any one of <1> to <5>, wherein the material of the planarizing layer is SiO 2 .
<7> The infrared radiation element according to any one of <1> to <6>, wherein an insulating layer is provided between the heat generator and the heat radiator.
<8> The method for producing an infrared radiation element according to any one of <1> to <7>,
In the radiator precursor in which a heating element is formed on one surface and a mask layer is formed on the other surface, the radiator precursor is irradiated to the mask layer on the other surface by laser irradiation and development. A pattern forming step for forming a pattern for forming a periodic fine structure in the body;
Etching the radiator precursor using the mask layer with the pattern formed as a mask to form a periodic microstructure on the other surface of the radiator precursor to obtain a radiator A process for producing an infrared radiation element.
<9> The method for manufacturing an infrared radiation element according to <8>, wherein the pattern is formed by a three-beam interference exposure method.
<10> a heating element forming step of forming a heating element on one surface of the radiator precursor;
It is a manufacturing method of the infrared radiation element in any one of said <8> to <9> including the mask layer formation process which forms a mask layer on the other surface of the said radiator precursor.
<11> The infrared radiation according to any one of <8> to <10>, including a planarization layer forming step of forming a planarization layer by a sol-gel method on the other surface of the radiator from which the mask layer has been removed. It is a manufacturing method of an element.
<12> The method for manufacturing an infrared radiation element according to any one of <8> to <11>, further including a bandpass filter forming step of forming a bandpass filter on the planarizing layer by vapor deposition.
<13> A gas analyzer comprising the infrared radiation element according to any one of <1> to <7>.
<14> Furthermore, it has a measurement cell into which the gas to be measured is introduced, and an infrared detector that detects the infrared rays emitted from the infrared radiation element,
The infrared radiation element is provided at one end of the measurement cell,
The gas analyzer according to <13>, wherein the infrared detector is provided at the other end of the measurement cell.

本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる赤外線放射素子、及びその製造方法、並びに前記赤外線放射素子を用いたガス分析装置を提供することができる。   According to the present invention, the conventional problems can be solved, the object can be achieved, the radiation spectrum can be sufficiently narrowed, and the infrared radiation element that can greatly contribute to power saving, and the manufacturing method thereof, and A gas analyzer using the infrared radiation element can be provided.

図1は、従来のNDIRガスセンサの概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional NDIR gas sensor. 図2は、二酸化炭素の吸収スペクトルである。FIG. 2 is an absorption spectrum of carbon dioxide. 図3Aは、本発明の赤外線放射素子の一例の概略断面図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of an example of the infrared radiation element of the present invention. 図3Bは、図3Aの赤外線放射素子の放射体の概略図である。3B is a schematic diagram of a radiator of the infrared radiation element of FIG. 3A. 図4は、本発明の赤外線放射素子の他の一例の概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of another example of the infrared radiation element of the present invention. 図5は、バンドパスフィルタの透過特性の一例を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an example of the transmission characteristics of the bandpass filter. 図6は、本発明の赤外線放射素子の放射率の角度依存性の一例のグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of the angle dependency of the emissivity of the infrared radiation element of the present invention. 図7Aは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その1)。FIG. 7: A is a schematic sectional drawing for demonstrating an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of this invention (the 1). 図7Bは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その2)。FIG. 7B is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (part 2). 図7Cは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その3)。FIG. 7: C is schematic sectional drawing for demonstrating an example of the manufacturing method of the infrared rays radiating element of this invention (the 3). 図7Dは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その4)。FIG. 7D is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (part 4). 図7Eは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その5)。FIG. 7E is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (part 5). 図7Fは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その6)。FIG. 7F is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (No. 6). 図7Gは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その7)。FIG. 7G is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (part 7). 図7Hは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その8)。FIG. 7H is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (No. 8). 図7Iは、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である(その9)。FIG. 7I is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of the present invention (No. 9). 図8は、本発明のガス分析装置の一例の概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of the gas analyzer of the present invention. 図9は、実施例1における放射体の放射スペクトルである。FIG. 9 is a radiation spectrum of the radiator in the first example. 図10は、実施例1の赤外線放射素子の放射スペクトルである。FIG. 10 is a radiation spectrum of the infrared radiation element of Example 1. 図11は、比較例1の赤外線放射素子の放射スペクトルである。FIG. 11 is a radiation spectrum of the infrared radiation element of Comparative Example 1. 図12は、実施例3の赤外線放射素子の放射スペクトルである。FIG. 12 is a radiation spectrum of the infrared radiation element of Example 3.

(赤外線放射素子)
本発明の赤外線放射素子は、発熱体と、放射体と、平坦化層と、バンドパスフィルタとを少なくとも有し、好ましくは絶縁層を有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
(Infrared radiation element)
The infrared radiation element of the present invention includes at least a heating element, a radiator, a planarization layer, and a bandpass filter, preferably an insulating layer, and further includes other members as necessary.

前記赤外線放射素子は、前記発熱体と、前記放射体と、前記平坦化層と、前記バンドパスフィルタとをこの順で有する。
前記赤外線放射素子においては、前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わる。
The infrared radiation element includes the heating element, the radiator, the planarizing layer, and the bandpass filter in this order.
In the infrared radiation element, the heat generated by the heating element is transmitted to the bandpass filter by heat conduction.

<発熱体>
前記発熱体としては、熱を発し、前記放射体を加熱できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記発熱体の材質としては、高温に発熱しても劣化が少ない点で、タングステン、タングステン化合物、タンタル、タンタル化合物、白金、シリサイド合金が好ましい。
<Heating element>
The heating element is not particularly limited as long as it generates heat and can heat the radiator, and can be appropriately selected according to the purpose.
As the material of the heating element, tungsten, a tungsten compound, tantalum, a tantalum compound, platinum, or a silicide alloy is preferable in that the deterioration is small even when heat is generated at a high temperature.

前記発熱体には、例えば、2つの電極が接続される。前記2つの電極を用いて前記発熱体に通電することにより、前記発熱体は発熱する。
前記発熱体による熱は前記放射体に熱伝導される。その結果、前記放射体は加熱される。加熱された前記放射体は、その温度に応じた赤外線を放出する。
For example, two electrodes are connected to the heating element. The heating element generates heat by energizing the heating element using the two electrodes.
Heat from the heating element is conducted to the radiator. As a result, the radiator is heated. The heated radiator emits infrared rays corresponding to its temperature.

前記発熱体の形状としては、例えば、平板状などが挙げられる。
前記発熱体の大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記発熱体の形状、大きさ、構造を適宜調整することにより、前記発熱体の抵抗値が調整される。その結果、前記発熱体の発熱温度を制御できる。例えば、前記発熱体をパターニングすること、前記発熱体の厚みを調整することなどにより、前記発熱体の発熱温度を制御できる。
Examples of the shape of the heating element include a flat plate shape.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size and a structure of the said heat generating body, According to the objective, it can select suitably.
The resistance value of the heating element is adjusted by appropriately adjusting the shape, size, and structure of the heating element. As a result, the heating temperature of the heating element can be controlled. For example, the heating temperature of the heating element can be controlled by patterning the heating element and adjusting the thickness of the heating element.

前記発熱体が平板状の場合、その平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、50μm〜1,000μmが好ましく、100μm〜500μmがより好ましい。
本明細書において、平均厚みとは、測定対象の部材の厚みを10箇所測定した際の、算術平均値である。
When the heating element has a flat plate shape, the average thickness is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 50 μm to 1,000 μm, and more preferably 100 μm to 500 μm.
In the present specification, the average thickness is an arithmetic average value when the thickness of a measurement target member is measured at 10 locations.

<放熱体>
前記放熱体としては、前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記放熱体は、前記周期的な微細構造により、同材質の平板な放熱体に比べ、放射スペクトルを狭帯域化できる。
<Heat radiator>
The heat radiator is not particularly limited as long as it has a periodic fine structure on the surface opposite to the heating element side, and can be appropriately selected according to the purpose.
Due to the periodic fine structure, the radiator can narrow the emission spectrum compared to a flat radiator made of the same material.

前記放射体における周期的な微細構造としては、前記放射体の材質における赤外線放射特性を狭帯化できる構造であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、円形の孔が周期的に配置された構造などが挙げられる。
前記円形の孔の大きさ、深さ、隣接する孔間の間隔(ピッチ)としては、目的とする共振波長に応じて、適宜選択することができる。
The periodic fine structure in the radiator is not particularly limited as long as it can narrow the infrared radiation characteristic in the material of the radiator, and can be appropriately selected according to the purpose. And a structure in which the holes are periodically arranged.
The size and depth of the circular holes and the interval (pitch) between adjacent holes can be appropriately selected according to the target resonance wavelength.

以下に、COを被測定ガスとする場合の好ましい範囲を記載する。
前記円形の孔の大きさとしては、赤外線放射特性を狭帯化できる点から、1.6μm〜2.0μmが好ましく、1.7μm〜1.9μmがより好ましい。
前記円形の孔の深さとしては、赤外線放射特性を狭帯化できる点から、2.8μm〜3.2μmが好ましく、2.9μm〜3.1μmがより好ましい。
隣接する孔間の間隔(ピッチ)としては、1.8μm〜2.2μmが好ましく、1.9μm〜2.1μmがより好ましい。ここで、前記間隔とは、前記孔の中心間の距離を意味する。
The following describes the preferred range in the case of the CO 2 and the measurement gas.
The size of the circular hole is preferably 1.6 μm to 2.0 μm, more preferably 1.7 μm to 1.9 μm from the viewpoint that the infrared radiation characteristic can be narrowed.
The depth of the circular hole is preferably 2.8 μm to 3.2 μm, more preferably 2.9 μm to 3.1 μm, from the viewpoint that the infrared radiation characteristics can be narrowed.
As a space | interval (pitch) between adjacent holes, 1.8 micrometers-2.2 micrometers are preferable, and 1.9 micrometers-2.1 micrometers are more preferable. Here, the interval means a distance between the centers of the holes.

前記放射体の材質としては、放射したい波長に応じて、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、加工が容易で、精密に周期的な微細構造を作製しやすい点で、ステンレス鋼が好ましい。   The material of the radiator is not particularly limited depending on the wavelength to be radiated, and can be appropriately selected according to the purpose. However, it is easy to process and easily produces a periodic fine structure. Stainless steel is preferred.

前記放射体は、平板状である。
前記放射体の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、作製容易性及びコストの点から、50μm〜1,000μmが好ましく、100μm〜500μmがより好ましい。
The radiator has a flat plate shape.
There is no restriction | limiting in particular as average thickness of the said radiator, Although it can select suitably according to the objective, 50 micrometers-1,000 micrometers are preferable from the point of producibility and cost, and 100 micrometers-500 micrometers are more preferable.

<平坦化層>
前記平坦化層は、前記放射体側と反対側の面が平坦である。
前記赤外線放射素子の製造においては、通常、前記放射体の上に、前記平坦化層を介して前記バンドパスフィルタが形成される。その際、前記放射体と前記バンドパスフィルタとの間に前記平坦化層が介在することで、前記バンドパスフィルタは、前記放射体の面に形成された前記周期的な微細構造に影響されず、平坦性を有することができる。
<Planarization layer>
The planarizing layer has a flat surface opposite to the radiator side.
In the manufacture of the infrared radiation element, the band-pass filter is usually formed on the radiator via the planarization layer. At this time, the planarization layer is interposed between the radiator and the bandpass filter, so that the bandpass filter is not affected by the periodic fine structure formed on the surface of the radiator. , Can have flatness.

前記平坦とは、前記周期的な微細構造が、前記バンドパスフィルタの平坦性に影響を与えない程度の平坦性であればよい。具体的には、前記バンドパスフィルタが設計通りの特性を得ることができる程度の平坦性であればよい。   The flatness may be flatness such that the periodic fine structure does not affect the flatness of the bandpass filter. Specifically, it is sufficient that the band-pass filter is flat enough to obtain designed characteristics.

前記平坦化層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体側と反対側の面を平坦にする方法としてゾルゲル法を採用する際に、前記ゾルゲル法により前記平坦化層を形成しやすい点で、SiOが好ましい。 The material of the flattening layer is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. However, when the sol-gel method is adopted as a method of flattening the surface opposite to the radiator side, the sol-gel method is used. SiO 2 is preferable because the planarization layer can be easily formed by a method.

前記平坦化層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、熱伝導性及び平坦化性の点から、30nm〜100nmが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as average thickness of the said planarization layer, Although it can select suitably according to the objective, 30 nm-100 nm are preferable from the point of thermal conductivity and planarization property.

<バンドパスフィルタ>
前記バンドパスフィルタとしては、前記放射体から放射される放射スペクトルにおいて強度が極大となる波長を選択的に透過する特性を有する限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体が好ましい。
<Band pass filter>
The bandpass filter is not particularly limited as long as it has a characteristic of selectively transmitting a wavelength having a maximum intensity in the radiation spectrum radiated from the radiator, and can be appropriately selected according to the purpose. An alternating laminate of a high refractive index layer and a low refractive index layer is preferable.

前記高屈折率層の屈折率は、前記低屈折率層の屈折率よりも高ければよい。言い換えれば、前記低屈折率層の屈折率は、前記高屈折率層の屈折率よりも低ければよい。
前記高屈折率層における高屈折率とは、例えば、屈折率1.5以上である。前記低屈折率層における低屈折率とは、例えば、屈折率1.5未満である。これらは、例えば、可視光域の光に対する屈折率である。
The refractive index of the high refractive index layer may be higher than the refractive index of the low refractive index layer. In other words, it is sufficient that the refractive index of the low refractive index layer is lower than the refractive index of the high refractive index layer.
The high refractive index in the high refractive index layer is, for example, a refractive index of 1.5 or more. The low refractive index in the low refractive index layer is, for example, less than 1.5. These are, for example, the refractive index for light in the visible light range.

前記高屈折率層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体からの放射スペクトルに対して吸収がないことが好ましい。そのような材質としては、Ge、PbTe、ZnSe、ZnS、Ta、CeO、Siが好ましい。
前記低屈折率層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記放射体からの放射スペクトルに対して吸収がないことが好ましい。そのような材質としては、BaF、LaF、NdF、YF、SiO、SiO、Yが好ましい。
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said high refractive index layer, Although it can select suitably according to the objective, It is preferable that there is no absorption with respect to the radiation spectrum from the said radiator. As such a material, Ge, PbTe, ZnSe, ZnS, Ta 2 O 5 , CeO 2 and Si are preferable.
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said low-refractive-index layer, Although it can select suitably according to the objective, It is preferable that there is no absorption with respect to the radiation spectrum from the said radiator. Such material, BaF 2, LaF 2, NdF 3, YF 3, SiO 2, SiO, Y 2 O 3 is preferred.

前記高屈折率層と、前記低屈折率層との前記交互積層体における積層数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、6層〜10層が好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as the number of lamination | stacking in the said alternating laminated body of the said high refractive index layer and the said low refractive index layer, Although it can select suitably according to the objective, 6 layers-10 layers are preferable.

前記バンドパスフィルタの平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1,500nm〜3,500nmが好ましく、2,000nm〜3,000nmがより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as average thickness of the said band pass filter, Although it can select suitably according to the objective, 1500 nm-3,500 nm are preferable and 2,000 nm-3,000 nm are more preferable.

<絶縁層>
前記絶縁層は、前記発熱体と前記放射体との間に配される。
前記絶縁層は、前記発熱体が導通している際に、前記放射体に通電することを防ぐ。
<Insulating layer>
The insulating layer is disposed between the heating element and the radiator.
The insulating layer prevents the radiator from being energized when the heating element is conducting.

前記絶縁層の材質、形状、大きさ、構造としては、前記発熱体と、前記放射体との絶縁を確保できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記絶縁層の材質としては、例えば、SiOなどが挙げられる。
The material, shape, size, and structure of the insulating layer are not particularly limited as long as insulation between the heating element and the radiator can be secured, and can be appropriately selected according to the purpose.
Examples of the material of the insulating layer include SiO 2 .

前記絶縁層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、30nm〜300nmが好ましく、50nm〜200nmがより好ましい。前記平均厚みが、30nm未満であると、絶縁破壊を生じることがあり、300nmを超えると、熱伝導性が低下することがある。   There is no restriction | limiting in particular as average thickness of the said insulating layer, Although it can select suitably according to the objective, 30 nm-300 nm are preferable and 50 nm-200 nm are more preferable. When the average thickness is less than 30 nm, dielectric breakdown may occur. When the average thickness exceeds 300 nm, thermal conductivity may decrease.

<その他の部材>
前記その他の部材としては、例えば、反射層、電極、支持体などが挙げられる。
<Other members>
Examples of the other members include a reflective layer, an electrode, and a support.

<<反射層>>
前記反射層は、前記放射体が前記発熱体側に放出する赤外線を、前記バンドパスフィルタ側に反射する層であれば、その材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記反射層は、例えば、前記発熱体と前記放射体との間に配される。
<< Reflection layer >>
As long as the reflective layer is a layer that reflects the infrared rays emitted from the radiator to the heating element side to the band-pass filter side, the material, shape, size, and structure are not particularly limited. It can be appropriately selected depending on the case.
The reflective layer is disposed, for example, between the heating element and the radiator.

前記反射層の材質としては、前記発熱体が発する熱の前記発熱体への熱伝導を阻害せず、かつ赤外線の反射性に優れる点で、アルミニウムが好ましい。   As the material of the reflective layer, aluminum is preferable because it does not hinder heat conduction of the heat generated by the heat generating element to the heat generating element and is excellent in infrared reflectivity.

前記反射層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、80nm〜250nmが好ましく、100nm〜220nmがより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as average thickness of the said reflection layer, Although it can select suitably according to the objective, 80 nm-250 nm are preferable, and 100 nm-220 nm are more preferable.

<<電極>>
前記電極としては、前記発熱体に通電するための電極であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<< Electrode >>
The electrode is not particularly limited as long as it is an electrode for energizing the heating element, and can be appropriately selected according to the purpose.

前記電極の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<<支持体>>
前記支持体としては、前記発熱体と、前記放射体と、前記平坦化層と、前記バンドパスフィルタとをこの順で有する積層体を支持するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said electrode, a shape, a magnitude | size, and a structure, According to the objective, it can select suitably.
<< Support >>
The support is not particularly limited as long as it supports a laminated body having the heating element, the radiator, the planarizing layer, and the bandpass filter in this order, depending on the purpose. Can be selected as appropriate.

ここで、図3A及び図3Bに本発明の赤外線放射素子の一例の概略断面図を示す。
図3Aに示す赤外線放射素子は、発熱体4上に、絶縁層3、反射層2、放熱体1、平坦化層5、及びバンドパスフィルタ6をこの順で有している。
放熱体1は、発熱体4側と反対側の面に周期的な微細構造を有している。放射体1の有する周期的な微細構造は、図3Bに示すような構造である。
平坦化層5は、放射体1側と反対側の面が平坦である。
前記赤外線放射素子において、発熱体4と、バンドパスフィルタ6とは、絶縁層3、反射層2、放射体1、及び平坦化層5を介して接するため、発熱体4の発する熱が熱伝導によりバンドパスフィルタ6に伝わる。
Here, FIG. 3A and FIG. 3B show schematic cross-sectional views of an example of the infrared radiation element of the present invention.
The infrared radiation element shown in FIG. 3A has an insulating layer 3, a reflective layer 2, a radiator 1, a planarizing layer 5, and a bandpass filter 6 in this order on a heating element 4.
The radiator 1 has a periodic fine structure on the surface opposite to the heating element 4 side. The periodic fine structure of the radiator 1 has a structure as shown in FIG. 3B.
The planarizing layer 5 has a flat surface opposite to the radiator 1 side.
In the infrared radiating element, the heating element 4 and the bandpass filter 6 are in contact with each other through the insulating layer 3, the reflective layer 2, the radiator 1, and the planarization layer 5. Is transmitted to the band-pass filter 6.

図4に示す赤外線放射素子は、図3A及び図3Bに示す赤外線放射素子が更に電極7、及び支持体8を有する態様である。
図4に示す赤外線放射素子においては、発熱体4の対向する2つの辺の下部に、2つの電極7がそれぞれ接続されている。2つの電極7は、支持体8上に形成されている。支持体8には、凹部が形成されており、発熱体4には接することなく、積層体(発熱体4上に、絶縁層3、反射層2、放熱体1、平坦化層5、及びバンドパスフィルタ6をこの順で有する積層体)を支持している。
The infrared radiation element shown in FIG. 4 is an embodiment in which the infrared radiation element shown in FIGS. 3A and 3B further includes an electrode 7 and a support 8.
In the infrared radiation element shown in FIG. 4, two electrodes 7 are connected to the lower portions of two opposing sides of the heating element 4. The two electrodes 7 are formed on the support 8. The support 8 is formed with a recess, and is not in contact with the heating element 4, and is a laminated body (on the heating element 4, the insulating layer 3, the reflective layer 2, the radiator 1, the planarization layer 5, and the band). The laminate having the pass filter 6 in this order is supported.

本発明の赤外線放射素子は、周期的な微細構造を有する放熱体と、バンドパスフィルタとを備えることにより、放射スペクトルを十分に狭帯域化し、省電力化に大きく貢献できる。即ち、放射スペクトルのQ値が大きな赤外線放射素子が得られる。   The infrared radiation element of the present invention includes a heat dissipating body having a periodic fine structure and a band-pass filter, so that the radiation spectrum can be sufficiently narrowed to greatly contribute to power saving. That is, an infrared radiation element having a large Q value in the radiation spectrum can be obtained.

また、通常、バンドパスフィルタは、温度の影響を受けて、特性が変化しやすく、一般的なガス分析装置においては、バンドパスフィルタの特性変化を抑える工夫が必要である。
しかし、本発明の赤外線放射素子では、発熱体の発する熱が熱伝導によりバンドパスフィルタに伝わる。前記赤外線放射素子では、放射特性を一定にするために前記放熱体を一定の温度にする。その際に、前記バンドパスフィルタも一定の温度に保たれる。したがって、特別の工夫を要せずに、前記バンドパスフィルタの特性変化を抑えることができる。
In general, the characteristics of the band-pass filter are easily changed by the influence of temperature, and in general gas analyzers, it is necessary to devise a technique for suppressing the characteristic change of the band-pass filter.
However, in the infrared radiation element of the present invention, the heat generated by the heating element is transmitted to the bandpass filter by heat conduction. In the infrared radiation element, the heat radiating body is set to a constant temperature in order to make the radiation characteristics constant. At that time, the band-pass filter is also kept at a constant temperature. Therefore, the characteristic change of the bandpass filter can be suppressed without requiring any special device.

前記バンドパスフィルタとして、表1に示す、高屈折率層と低屈折率層との交互積層体(総厚み4,560nm)を用いた場合について説明する。例えば、前記バンドパスフィルタとして、Ge(n=4.0)とBaF(n=1.35)との交互積層体の場合には、図5のような透過特性となる。これを周期的な微細構造を有する放射体の上に、例えば、ゾルゲル法で形成されたSiO膜(平坦化層)を介して積層することで、得られる本発明の赤外線放射素子のQ値は20以上となり、二酸化炭素の吸収スペクトルのQ値(約26)に近づけることが可能となる。 The case where an alternating layered body (total thickness 4,560 nm) of a high refractive index layer and a low refractive index layer shown in Table 1 will be described as the bandpass filter. For example, when the band-pass filter is an alternately laminated body of Ge (n = 4.0) and BaF 2 (n = 1.35), the transmission characteristics are as shown in FIG. The Q value of the infrared radiation element of the present invention obtained by laminating this on a radiator having a periodic fine structure through, for example, a SiO 2 film (planarization layer) formed by a sol-gel method. Becomes 20 or more, and can be close to the Q value (about 26) of the absorption spectrum of carbon dioxide.

一般的に、バンドパスフィルタは角度依存性を持っているので、放射角制御も行うことが可能となる。放射体における周期的な微細構造のみでは放射角も大きく不要な方向への放射も多くなる。しかし、バンドパスフィルタにより放射角を小さくすることで、更なる不要輻射の低減が可能となる。その結果、本発明の赤外線放射素子は、低消費電力化が可能となる。
ここで、本発明の赤外線放射素子の一例における、二酸化炭素の吸収のピーク波長である4.26μmの放射率の角度依存性を図6に示す。赤外線放射素子の表面の法線から斜め方向30°を超えるあたりから放射が減っており、一般の赤外線放射素子よりも前方だけに放射が集中しているということを表している。
In general, since the band pass filter has an angle dependency, the radiation angle can be controlled. If only the periodic fine structure of the radiator is used, the radiation angle is large and radiation in an unnecessary direction increases. However, it is possible to further reduce unnecessary radiation by reducing the radiation angle by the band-pass filter. As a result, the infrared radiation element of the present invention can reduce power consumption.
Here, FIG. 6 shows the angle dependency of the emissivity of 4.26 μm which is the peak wavelength of carbon dioxide absorption in an example of the infrared radiation element of the present invention. The radiation is reduced from an angle exceeding 30 ° obliquely from the normal line of the surface of the infrared radiation element, indicating that the radiation is concentrated only in front of the general infrared radiation element.

(赤外線放射素子の製造方法)
本発明の赤外線放射素子の製造方法は、パターン形成工程と、放射体作製工程とを少なくとも含み、好ましくは発熱体形成工程、マスク層形成工程、平坦化層形成工程、及びバンドパスフィルタ形成工程の少なくともいずれかを含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
前記赤外線放射素子の製造方法は、本発明の前記赤外線放射素子を製造する方法である。
(Infrared radiation element manufacturing method)
The method for manufacturing an infrared radiation element of the present invention includes at least a pattern formation step and a radiator preparation step, and preferably includes a heating element formation step, a mask layer formation step, a planarization layer formation step, and a bandpass filter formation step It includes at least one of them, and further includes other steps as necessary.
The method for manufacturing the infrared radiation element is a method for manufacturing the infrared radiation element of the present invention.

<パターン形成工程>
前記パターン形成工程としては、一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Pattern formation process>
In the pattern forming step, the mask layer on the other surface in the radiator precursor in which the heating element is formed on one surface and the mask layer is formed on the other surface is irradiated with laser, and There is no particular limitation as long as it is a step of forming a pattern for forming a periodic fine structure on the radiator precursor by development, and it can be appropriately selected according to the purpose.

前記放射体前駆体とは、表面に周期的な微細構造を有する放射体を作製するための前駆体であって、例えば、前記放射体と同材質の平板などが挙げられる。前記平板は、表面が平滑である。   The radiator precursor is a precursor for producing a radiator having a periodic fine structure on the surface, and examples thereof include a flat plate made of the same material as the radiator. The flat plate has a smooth surface.

前記マスク層としては、後述の前記放射体前駆体のエッチングに対して耐性を有する層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。   The mask layer is not particularly limited as long as it is a layer resistant to etching of the radiator precursor described later, and can be appropriately selected depending on the purpose.

前記パターンの形成は、三光束干渉露光法により行われることが、コストの点で好ましい。
ここで、干渉露光法とは、可干渉性を有する光束を照射し露光対象物上に干渉パターンを形成して、この干渉パターンで前記露光対象物を露光する露光方法である。三光束干渉露光法とは、三光束により干渉パターンを形成する干渉露光法である。
The pattern is preferably formed by a three-beam interference exposure method in terms of cost.
Here, the interference exposure method is an exposure method in which a coherent light beam is irradiated to form an interference pattern on an exposure object, and the exposure object is exposed with the interference pattern. The three-beam interference exposure method is an interference exposure method in which an interference pattern is formed by three beams.

前記現像の方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。   There is no restriction | limiting in particular as the said development method, According to the objective, it can select suitably.

<放射体作製工程>
前記放射体作製工程としては、前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記エッチングとしては、電解エッチングが、コストの点で好ましい。
<Radiator production process>
The radiator manufacturing step includes etching the radiator precursor using the mask layer on which the pattern is formed as a mask to form a periodic fine structure on the other surface of the radiator precursor. If it is the process of obtaining a radiator, there will be no restriction | limiting in particular, According to the objective, it can select suitably.
As the etching, electrolytic etching is preferable in terms of cost.

<発熱体形成工程>
前記発熱体形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に前記発熱体を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
<Heat generating process>
The heating element forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming the heating element on one surface of the radiator precursor, and can be appropriately selected according to the purpose. Can be performed.

<マスク層形成工程>
前記マスク層形成工程としては、前記放射体前駆体の他方の面上に前記マスク層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、塗布法により行うことができる。
<Mask layer forming step>
The mask layer forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming the mask layer on the other surface of the radiator precursor, and can be appropriately selected according to the purpose. Can be performed.

<平坦化層形成工程>
前記平坦化層形成工程としては、前記マスク層が除去された前記放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Planarization layer forming step>
The flattening layer forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming a flattening layer by the sol-gel method on the other surface of the radiator from which the mask layer has been removed. You can choose.

前記マスク層の除去方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。   There is no restriction | limiting in particular as a removal method of the said mask layer, According to the objective, it can select suitably.

前記ゾルゲル法とは、金属アルコキシドの液を出発液とし、この液を加水分解及び縮重合反応によりコロイド溶液(Sol)とし、更に反応を促進させることにより流動性を失った固体(Gel)を形成させる方法である。
前記金属アルコキシドとしては、例えば、アルコキシシラン、アルコキシチタン、ジルコニウムアルコキシドなどが挙げられる。
In the sol-gel method, a metal alkoxide solution is used as a starting solution, this solution is made into a colloidal solution (Sol) by hydrolysis and condensation polymerization reaction, and a solid (Gel) that loses fluidity is formed by further promoting the reaction. It is a method to make it.
Examples of the metal alkoxide include alkoxysilane, alkoxytitanium, zirconium alkoxide and the like.

前記ゾルゲル法においては、金属アルコキシドとしてアルコキシシランを用い、SiOを形成することが好ましい。前記アルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシランなどが挙げられる。 In the sol-gel method, it is preferable to use SiO 2 as the metal alkoxide to form SiO 2 . Examples of the alkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetrapropoxysilane.

<バンドパスフィルタ形成工程>
前記バンドパスフィルタ形成工程としては、前記平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<Band pass filter formation process>
The bandpass filter forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming a bandpass filter on the planarizing layer by a vapor deposition method, and can be appropriately selected according to the purpose.

<その他の工程>
前記その他の工程としては、例えば、反射層形成工程、絶縁層形成工程などが挙げられる。
<Other processes>
Examples of the other steps include a reflective layer forming step and an insulating layer forming step.

<<反射層形成工程>>
前記反射層形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に反射層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
<< Reflective layer forming process >>
The reflective layer forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming a reflective layer on one surface of the radiator precursor, and can be appropriately selected according to the purpose. It can be carried out.

前記反射層形成工程は、前記発熱体形成工程の前に行うことが好ましい。その場合、前記発熱体は、前記反射層を介して、前記放射体前駆体上に形成される。   The reflective layer forming step is preferably performed before the heating element forming step. In that case, the heating element is formed on the radiator precursor via the reflective layer.

<<絶縁層形成工程>>
前記絶縁層形成工程としては、前記放射体前駆体の一方の面上に絶縁層を形成する工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、蒸着法により行うことができる。
<< Insulating layer forming process >>
The insulating layer forming step is not particularly limited as long as it is a step of forming an insulating layer on one surface of the radiator precursor, and can be appropriately selected according to the purpose. It can be carried out.

前記絶縁層形成工程は、前記発熱体形成工程の前に行うことが好ましい。その場合、前記発熱体は、前記絶縁層を介して、前記放射体前駆体上に形成される。   The insulating layer forming step is preferably performed before the heating element forming step. In that case, the heating element is formed on the radiator precursor via the insulating layer.

前記赤外線放射素子の製造方法が、前記発熱体形成工程、前記反射層形成工程、及び前記絶縁層形成工程を含む場合、その順序としては、前記反射層形成工程、前記絶縁層形成工程、及び前記発熱体形成工程の順が好ましい。その場合、前記放射体前駆体上には、前記反射層、前記絶縁層、及び前記発熱体がこの順で形成される。   When the manufacturing method of the infrared radiation element includes the heating element forming step, the reflective layer forming step, and the insulating layer forming step, the order includes the reflective layer forming step, the insulating layer forming step, and the The order of the heating element forming step is preferable. In that case, the reflective layer, the insulating layer, and the heating element are formed in this order on the radiator precursor.

ここで、本発明の赤外線放射素子の製造方法の一例を図7A〜図7Iを用いて説明する。
まず、放射体前駆体1Aとしてのステンレス平板を準備する(図7A)。ステンレス平板は、必要に応じて、研磨される。
次に、放射体前駆体1A上に、蒸着法により反射層2を形成する(反射層形成工程、図7B)。
次に、反射層2上に、絶縁層3を形成する(絶縁層形成工程、図7C)。
次に、絶縁層3上に、発熱体4を形成する(発熱体形成工程、図7D)。
次に、放射体前駆体1Aの発熱体4側と反対側に、マスク層11を形成する(マスク層形成工程、図7E)。
次に、マスク層11に、レーザの照射、及び現像により、放射体前駆体1Aに周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成する(パターン形成工程、図7F)。
次に、パターンが形成されたマスク層11をマスクとして、放射体前駆体1Aのエッチングを行い、放射体前駆体1Aの表面に周期的な微細構造を形成し、放射体1を得る(放射体作製工程、図7G)。
次に、マスク層11が除去された放射体1の上に、ゾルゲル法により平坦化層5を形成する(平坦化層形成工程、図7H)。
次に、平坦化層5上に、蒸着法によりバンドパスフィルタ6を形成する(バンドパスフィルタ形成工程、図7I)。
以上により、赤外線放射素子が得られる。
Here, an example of the manufacturing method of the infrared radiation element of this invention is demonstrated using FIG. 7A-FIG. 7I.
First, a stainless steel plate as a radiator precursor 1A is prepared (FIG. 7A). The stainless steel plate is polished as necessary.
Next, the reflective layer 2 is formed on the radiator precursor 1A by a vapor deposition method (reflective layer forming step, FIG. 7B).
Next, the insulating layer 3 is formed on the reflective layer 2 (insulating layer forming step, FIG. 7C).
Next, the heating element 4 is formed on the insulating layer 3 (heating element forming step, FIG. 7D).
Next, the mask layer 11 is formed on the side opposite to the heating element 4 side of the radiator precursor 1A (mask layer forming step, FIG. 7E).
Next, a pattern for forming a periodic fine structure is formed on the radiator precursor 1A by laser irradiation and development on the mask layer 11 (pattern formation step, FIG. 7F).
Next, using the mask layer 11 on which the pattern is formed as a mask, the emitter precursor 1A is etched to form a periodic fine structure on the surface of the emitter precursor 1A to obtain the emitter 1 (emitter 1). Manufacturing process, FIG. 7G).
Next, the planarizing layer 5 is formed on the radiator 1 from which the mask layer 11 has been removed by a sol-gel method (planarizing layer forming step, FIG. 7H).
Next, a band pass filter 6 is formed on the planarizing layer 5 by vapor deposition (band pass filter forming step, FIG. 7I).
Thus, an infrared radiation element is obtained.

(ガス分析装置)
本発明のガス分析装置は、本発明の前記赤外線放射素子を少なくとも有し、好ましくは測定セルと、赤外線検出器とを有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
(Gas analyzer)
The gas analyzer of the present invention includes at least the infrared radiation element of the present invention, preferably includes a measurement cell and an infrared detector, and further includes other members as necessary.

<測定セル>
前記測定セルとしては、被測定ガスが導入されるセルであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、その材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記被測定ガスとしては、例えば、CO、CO、NO、SOなどが挙げられる。
<Measurement cell>
The measurement cell is not particularly limited as long as it is a cell into which a gas to be measured is introduced, and can be appropriately selected according to the purpose. The material, shape, size, and structure are not particularly limited. Can be appropriately selected according to the purpose.
Examples of the gas to be measured include CO 2 , CO, NO, SO 2 and the like.

<赤外線検出器>
前記赤外線検出器としては、前記赤外線放射素子が放出する赤外線を検出可能な装置であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子、量子素子などが挙げられる。
<Infrared detector>
The infrared detector is not particularly limited as long as it is a device that can detect infrared rays emitted by the infrared emitting element, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, a thermopile, a bolometer, a pyroelectric element, A quantum element etc. are mentioned.

ここで、本発明の前記ガス分析装置の一例を図を用いて説明する。
図8は、本発明の前記ガス分析装置の一例の概略断面図である。
図8のガス分析装置は、赤外線放射素子51と、赤外線検出器52と、測定セル53とを有している。赤外線放射素子51は、測定セル53の一端に設けられている。赤外線検出器52は、測定セル53の他端に設けられている。測定セル53には、試料ガスの入口53aと出口53bとが設けられている。
測定セル53の入口53aには、試料ガスとして、例えば、被測定ガスであるCOを含む大気ガスが導入され、出口53bから連続的に排気される。なお、塵埃をフィルタで除去したりパーマピュアドライヤで赤外線を吸収する水分を除去するサンプリング装置などを通した試料ガスを導入してもよい。
赤外線放射素子51から放出された赤外線は、測定セル53を通過する際に、被測定ガスにより吸収される。そのため、赤外線検出器52により検出される赤外線の量は、試料ガスにおける被測定ガスの濃度に応じて変化する。この変化により、試料ガスにおける被測定ガスの濃度を検出することができる。
Here, an example of the gas analyzer of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of the gas analyzer of the present invention.
The gas analyzer shown in FIG. 8 includes an infrared radiation element 51, an infrared detector 52, and a measurement cell 53. The infrared radiation element 51 is provided at one end of the measurement cell 53. The infrared detector 52 is provided at the other end of the measurement cell 53. The measurement cell 53 is provided with a sample gas inlet 53a and an outlet 53b.
At the inlet 53a of the measurement cell 53, for example, an atmospheric gas containing CO 2 as a measurement gas is introduced as a sample gas, and is continuously exhausted from the outlet 53b. Note that sample gas may be introduced through a sampling device or the like that removes dust with a filter or removes moisture that absorbs infrared rays with a perm pure dryer.
The infrared rays emitted from the infrared radiation element 51 are absorbed by the measurement gas when passing through the measurement cell 53. Therefore, the amount of infrared rays detected by the infrared detector 52 varies depending on the concentration of the gas to be measured in the sample gas. By this change, the concentration of the gas to be measured in the sample gas can be detected.

一般的なガス分析装置においては、図1に示すように、測定セル101にバンドパスフィルタ103が備えられている。ガス分析装置においては、バンドパスフィルタの光透過特性を一定に保つために、バンドパスフィルタの温度を一定にする必要がある。そのため、一般的なガス分析装置においては、バンドパスフィルタの温度を一定に保つための部材を要する。
本発明の前記ガス分析装置においては、本発明の前記赤外線放射素子にバンドパスフィルタが備えられており、前記バンドパスフィルタは、前記赤外線放射素子の発熱体の熱により一定の温度に加熱される。そのため、本発明の前記ガス分析装置は、バンドパスフィルタの温度を一定に保つための部材が必要なく、部品点数を少なくできる。そのため、省電力化が可能であり、エネルギー効率のよいガス分析装置を実現できる。
In a general gas analyzer, as shown in FIG. 1, a measurement cell 101 is provided with a band-pass filter 103. In a gas analyzer, it is necessary to keep the temperature of the bandpass filter constant in order to keep the light transmission characteristics of the bandpass filter constant. Therefore, a general gas analyzer requires a member for keeping the temperature of the bandpass filter constant.
In the gas analyzer of the present invention, the infrared radiation element of the present invention is provided with a band-pass filter, and the band-pass filter is heated to a constant temperature by the heat of the heating element of the infrared radiation element. . Therefore, the gas analyzer of the present invention does not require a member for keeping the temperature of the bandpass filter constant, and can reduce the number of parts. Therefore, power saving is possible, and an energy efficient gas analyzer can be realized.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
<反射層、絶縁層、及び発熱体の形成>
鏡面研磨された平均厚み50μmのステンレス(SUS304、直径2インチ)基板(放射体前駆体)の裏面に、反射層としてのタングステン膜(平均厚み200nm)、絶縁層としての酸化シリコン膜(平均厚み200nm)、及び発熱体としてのタングステン膜(平均厚み300nm)を、この順で、蒸着法によって形成した。
Example 1
<Formation of reflective layer, insulating layer, and heating element>
On the back surface of a mirror-polished stainless steel (SUS304, diameter 2 inch) substrate (radiant precursor) with an average thickness of 50 μm, a tungsten film (average thickness 200 nm) as a reflective layer and a silicon oxide film (average thickness 200 nm) as an insulating layer ) And a tungsten film (average thickness 300 nm) as a heating element were formed in this order by vapor deposition.

<放熱体の作製>
次に、前記ステンレス基板の表面に、反射防止膜(BARC、平均厚み30nm)とi線用フォトレジスト膜(マスク層、平均厚み300nm)とを順次スピンコート法により形成した。波長355nmの縦シングルモードレーザを用いた三光束干渉露光法によって、前記マスク層に、孔径1.3μm、厚み250nmの孔(ホール)が、最隣接孔間ピッチ2.0μmを保って六方最密で周期的に配置されたレジストパターンを形成した。
次に、前記レジストパターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記ステンレス基板の電界エッチングを行い、前記ステンレス基板の表面に、深さ3.0μm、孔径1.8μmの孔が、最隣接孔間隔2.0μmを保って六方最密で周期的に配置された微細周期構造を形成し、放熱体を得た。
この放射体の放射特性を図9に示した。この放射特性は、反射率から求めた。
<Preparation of heat radiator>
Next, an antireflection film (BARC, average thickness 30 nm) and an i-line photoresist film (mask layer, average thickness 300 nm) were sequentially formed on the surface of the stainless steel substrate by spin coating. By the three-beam interference exposure method using a longitudinal single mode laser with a wavelength of 355 nm, holes having a hole diameter of 1.3 μm and a thickness of 250 nm are formed in the mask layer in a hexagonal close-packed state with a pitch of 2.0 μm between adjacent holes. The resist pattern arranged periodically was formed.
Next, electric field etching of the stainless steel substrate is performed using the mask layer on which the resist pattern is formed as a mask, and a hole having a depth of 3.0 μm and a hole diameter of 1.8 μm is formed on the surface of the stainless steel substrate. A fine periodic structure arranged periodically in a hexagonal close-packed state with an interval of 2.0 μm was formed to obtain a heat radiator.
The radiation characteristics of this radiator are shown in FIG. This radiation characteristic was obtained from the reflectance.

<平坦化層の形成>
前記放熱体上の前記マスク層を除去した。前記放熱体の表面(微細周期構造が形成された側の表面)に、金属アルコキシドとしてのTEOS(テトラエトキシシラン)を用いたゾルゲル法で平坦化層としてのシリカ膜(平均厚み70nm)を形成した。前記平坦化層の表面(前記放熱体側と反対側の表面)は、前記放熱体の周期的な微細構造に影響されず、平坦であった。
<Formation of planarization layer>
The mask layer on the heat radiator was removed. A silica film (average thickness 70 nm) as a planarizing layer was formed on the surface of the heat radiating body (the surface on the side where the fine periodic structure was formed) by a sol-gel method using TEOS (tetraethoxysilane) as a metal alkoxide. . The surface of the flattening layer (the surface opposite to the radiator side) was flat without being affected by the periodic fine structure of the radiator.

<バンドパスフィルタの形成>
最後に、蒸着によって、前記平坦化層上に、表2に示すGe/BaFの多層膜構造のバンドパスフィルタ(総厚み2,545nm)を形成した。なお、前記平坦化層には、Ge層(267nm)が接している。
<Formation of bandpass filter>
Finally, a bandpass filter (total thickness: 2,545 nm) having a multilayer structure of Ge / BaF 2 shown in Table 2 was formed on the planarizing layer by vapor deposition. Note that a Ge layer (267 nm) is in contact with the planarizing layer.

以上により、赤外線放射素子を得た。   Thus, an infrared radiation element was obtained.

得られた赤外線放射素子を、3mm×5mmの長方形状に切断した。図4に示すように、それを、2つの電極7を備えた支持体8上に置いた。その際、前記赤外線放射素子における前記放射体が、前記支持体に接触しないようにして、前記赤外線放射素子の対向する短辺に、前記2つの電極7を接続した。
前記赤外線放射素子の電極間間隔は3mmであり、前記発熱体(タングステン膜)の抵抗は210Ωである。この赤外線放射素子に5V印加したところ、電流値は24mAであり、放射スペクトルを測定したところ、図10のように狭帯域となっていることを確認した。Q値として28が得られた。
The obtained infrared radiation element was cut into a 3 mm × 5 mm rectangular shape. It was placed on a support 8 with two electrodes 7 as shown in FIG. At that time, the two electrodes 7 were connected to the opposing short sides of the infrared radiation element so that the radiator in the infrared radiation element did not contact the support.
The distance between the electrodes of the infrared radiation element is 3 mm, and the resistance of the heating element (tungsten film) is 210Ω. When 5 V was applied to this infrared radiation element, the current value was 24 mA, and when the radiation spectrum was measured, it was confirmed that the band was narrow as shown in FIG. A Q value of 28 was obtained.

(実施例2)
本発明による赤外線放射素子の消費電力の効率改善の見込み試算を表3に示す。
試算では、以下の条件(1)〜(3)にした。
条件(1)投入電力の100%が光に変換される
条件(2)放射スペクトルのうち二酸化炭素吸収と一致する部分のみが受光器に入射する。
条件(3)放射面の法線から10°の範囲のみが受光器に入射する。
本発明の赤外線放射素子では、従来の黒体放射型のエミッタに較べて、スペクトル成分改善により、利用効率が4%から84%に向上し、また、放射角成分の利用効率が2.5%から7.9%に向上し、よって、トータルの利用効率は0.1%から6.6%に60倍程度改善している。また、表3に示すように光源を赤外LEDにした場合と比べても、スペクトルの利用効率、放射角成分の利用効率、及びトータルの利用効率の全てが改善されている。
従って、本発明の赤外線放射素子では、放射スペクトルの狭帯域化と放射角度分布の狭小化とによって赤外線方式ガスセンサの低消費電力化を図ることができる。
(Example 2)
Table 3 shows a prospective calculation for improving the power consumption efficiency of the infrared radiation element according to the present invention.
In the trial calculation, the following conditions (1) to (3) were used.
Condition (1) 100% of the input power is converted to light Condition (2) Only the portion of the radiation spectrum that coincides with carbon dioxide absorption is incident on the light receiver.
Condition (3) Only the range of 10 ° from the normal of the radiation surface is incident on the light receiver.
In the infrared radiating element of the present invention, the utilization efficiency is improved from 4% to 84% by improving the spectral component, and the utilization efficiency of the radiation angle component is 2.5%, compared with the conventional black body radiation type emitter. Therefore, the total utilization efficiency is improved about 60 times from 0.1% to 6.6%. Further, as shown in Table 3, all of the spectrum utilization efficiency, the radiation angle component utilization efficiency, and the total utilization efficiency are improved as compared with the case where the light source is an infrared LED.
Therefore, in the infrared radiation element of the present invention, the power consumption of the infrared gas sensor can be reduced by narrowing the emission spectrum and narrowing the radiation angle distribution.

(比較例1)
実施例1において、バンドパスフィルタを形成しない以外は、実施例1と同様にして、赤外線放射素子を作製し、その放射特性を測定した。結果を、図11に示した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, except that no bandpass filter was formed, an infrared radiation element was produced in the same manner as in Example 1, and the radiation characteristic was measured. The results are shown in FIG.

(実施例3)
実施例1において、バンドパスフィルタの構造を、表4の構造(総厚み2,201nm)に変更した以外は、実施例1と同様にして、赤外線放射素子を作製し、その放射特性を測定した。結果を図12に示した。この赤外線放射素子のQ値は、13であった。
(Example 3)
In Example 1, except that the structure of the bandpass filter was changed to the structure shown in Table 4 (total thickness: 2,201 nm), an infrared radiation element was produced in the same manner as in Example 1, and the radiation characteristics were measured. . The results are shown in FIG. The infrared radiation element had a Q value of 13.

実施例1、及び3を比較すると、バンドパスフィルタの透過特性に依存して、実施例1の赤外線放射素子の放射特性のQ値が、実施例3の赤外線放射素子の放射特性のQ値よりも大きかった。   Comparing Examples 1 and 3, depending on the transmission characteristics of the bandpass filter, the Q value of the radiation characteristic of the infrared radiation element of Example 1 is more than the Q value of the radiation characteristic of the infrared radiation element of Example 3. Was also big.

1 放熱体
1A 放射体前駆体
2 反射層
3 絶縁層
4 発熱体
5 平坦化層
6 バンドパスフィルタ
7 電極
8 支持体
11 マスク層
51 赤外線放射素子
52 赤外線検出器
53 測定セル
53a 入口
53b 出口
101 測定セル
102 赤外線光源
103 バンドパスフィルタ
104 受光素子
105 赤外線
106 ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat radiator 1A Radiator precursor 2 Reflective layer 3 Insulating layer 4 Heat generating body 5 Flattening layer 6 Band pass filter 7 Electrode 8 Support body 11 Mask layer 51 Infrared radiation element 52 Infrared detector 53 Measurement cell 53a Inlet 53b Outlet 101 Measurement Cell 102 Infrared light source 103 Band pass filter 104 Light receiving element 105 Infrared ray 106 Gas

Claims (14)

発熱体と、
前記発熱体側と反対側の面に周期的な微細構造を有する放射体と、
前記放射体側と反対側の面が平坦な平坦化層と、
前記平坦化層上に形成されたバンドパスフィルタとをこの順で有し、
前記発熱体の発する熱が熱伝導により前記バンドパスフィルタに伝わることを特徴とする赤外線放射素子。
A heating element;
A radiator having a periodic fine structure on a surface opposite to the heating element side;
A planarizing layer having a flat surface opposite to the radiator side;
A bandpass filter formed on the planarizing layer in this order,
An infrared radiation element, wherein heat generated by the heating element is transmitted to the bandpass filter by heat conduction.
バンドパスフィルタが、高屈折率層と、低屈折率層との交互積層体である請求項1に記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the band-pass filter is an alternately laminated body of a high refractive index layer and a low refractive index layer. 高屈折率層の材質が、Ge、PbTe、ZnSe、ZnS、Ta、CeO、及びSiのいずれかであり、
低屈折率層の材質が、BaF、LaF、NdF、YF、SiO、SiO、及びYのいずれかである、請求項2に記載の赤外線放射素子。
The material of the high refractive index layer is one of Ge, PbTe, ZnSe, ZnS, Ta 2 O 5 , CeO 2 , and Si;
The material of the low refractive index layer, BaF 2, LaF 2, NdF 3, YF 3, SiO 2, SiO, and is either Y 2 O 3, the infrared radiation element according to claim 2.
放射体の材質が、ステンレス鋼である請求項1から3のいずれかに記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to any one of claims 1 to 3, wherein a material of the radiator is stainless steel. 発熱体の材質が、タングステン、白金、及びシリサイド合金のいずれかである請求項1から4のいずれかに記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to any one of claims 1 to 4, wherein a material of the heating element is any one of tungsten, platinum, and a silicide alloy. 平坦化層の材質が、SiOである請求項1から5のいずれかに記載の赤外線放射素子。 The infrared radiation element according to claim 1, wherein the material of the planarizing layer is SiO 2 . 発熱体と放熱体との間に絶縁層を有する請求項1から6のいずれかに記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, further comprising an insulating layer between the heat generator and the heat radiator. 請求項1から7のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法であって、
一方の面上に発熱体が形成され、他方の面上にマスク層が形成された放射体前駆体における前記他方の面上の前記マスク層に、レーザの照射、及び現像により、前記放射体前駆体に周期的な微細構造を形成するためのパターンを形成するパターン形成工程と、
前記パターンが形成された前記マスク層をマスクとして、前記放射体前駆体のエッチングを行い、前記放射体前駆体の前記他方の面に周期的な微細構造を形成し、放射体を得る放射体作製工程とを含むことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the infrared radiation element according to any one of claims 1 to 7,
In the radiator precursor in which a heating element is formed on one surface and a mask layer is formed on the other surface, the radiator precursor is irradiated to the mask layer on the other surface by laser irradiation and development. A pattern forming step for forming a pattern for forming a periodic fine structure in the body;
Etching the radiator precursor using the mask layer with the pattern formed as a mask to form a periodic microstructure on the other surface of the radiator precursor to obtain a radiator A process for producing an infrared radiation element.
パターンの形成が、三光束干渉露光法により行われる請求項8に記載の赤外線放射素子の製造方法。   The method of manufacturing an infrared radiation element according to claim 8, wherein the pattern is formed by a three-beam interference exposure method. 放射体前駆体の一方の面上に発熱体を形成する発熱体形成工程と、
前記放射体前駆体の他方の面上にマスク層を形成するマスク層形成工程とを含む請求項8から9のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。
A heating element forming step of forming a heating element on one surface of the radiator precursor;
A method for manufacturing an infrared radiation element according to claim 8, further comprising: a mask layer forming step of forming a mask layer on the other surface of the radiator precursor.
マスク層が除去された放射体の他方の面上に、ゾルゲル法により平坦化層を形成する平坦化層形成工程を含む請求項8から10のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。   The manufacturing method of the infrared rays radiating element in any one of Claim 8 to 10 including the planarization layer formation process of forming a planarization layer by the sol-gel method on the other surface of the radiator from which the mask layer was removed. 平坦化層上に、蒸着法によりバンドパスフィルタを形成するバンドパスフィルタ形成工程を含む請求項8から11のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法。   The manufacturing method of the infrared radiation element in any one of Claim 8 to 11 including the band pass filter formation process which forms a band pass filter by a vapor deposition method on a planarization layer. 請求項1から7のいずれかに記載の赤外線放射素子を有することを特徴とするガス分析装置。   A gas analyzer comprising the infrared radiation element according to claim 1. 更に、被測定ガスが導入される測定セルと、赤外線放射素子が放出する赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、
前記測定セルの一端に、前記赤外線放射素子が設けられ、
前記測定セルの他端に、前記赤外線検出器が設けられた請求項13に記載のガス分析装置。
Furthermore, it has a measurement cell into which the gas to be measured is introduced, and an infrared detector that detects infrared rays emitted from the infrared radiation element,
The infrared radiation element is provided at one end of the measurement cell,
The gas analyzer according to claim 13, wherein the infrared detector is provided at the other end of the measurement cell.
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