JP2017015568A - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017015568A JP2017015568A JP2015132756A JP2015132756A JP2017015568A JP 2017015568 A JP2017015568 A JP 2017015568A JP 2015132756 A JP2015132756 A JP 2015132756A JP 2015132756 A JP2015132756 A JP 2015132756A JP 2017015568 A JP2017015568 A JP 2017015568A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas sensor
- photodiode
- gas
- emitting diode
- light emitting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
【解決手段】ガスセンサ100は、ガスセル10内に配置された発光ダイオード11と、第1のフォトダイオード12と、光学フィルタ13と、第2のフォトダイオード14とを備えている。発光ダイオード11と第1及び第2のフォトダイオード12,14の活性層がAlxIn(1−x)Sb(0.004≦x≦0.04)であり、光学フィルタ13は、4.1〜4.4μmの間に最大透過率を持ち、かつ最大透過率をもつ波長が第1及び第2のフォトダイオード12,14の分光感度特性の最大値より短く、半値幅の長波長側の端を4.5μm以下の波長とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガスセンサを提供することにある。
<ガスセンサ>
本実施形態のガスセンサは、ガスセルと、ガスセル内に配置された発光ダイオードと、ガスセル内に配置され、発光ダイオードからの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する第1のフォトダイオードと、ガスセル内に配置され、第1のフォトダイオードに入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む光学フィルタと、第1のフォトダイオードの出力の参照信号を出力し、かつ第1のフォトダイオードと同一の半導体構造からなる第2のフォトダイオードと、第1及び第2のフォトダイオードからの出力が入力される演算部と、を備えたガスセンサであって、発光ダイオードと第1及び第2のフォトダイオードの活性層がそれぞれAlxIn(1−x)Sb(0.004≦x≦0.100)であり、光学フィルタは4.1〜4.4μmの間に最大透過率を持ち、かつ最大透過率をもつ波長が第1及び第2のフォトダイオードの分光感度特性の最大値より短く、半値幅の長波長側の端を4.5μm以下の波長とすることを特徴としており、リファレンスセンサである第2のダイオードの出力を用いて第1のダイオードの出力を補正した補正信号と温度との相関から温度補正をし、ガス濃度を出力するガスセンサである。
<ガスセル>
本実施形態のガスセンサにおいて、ガスセルは、被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。導入口、導出口には粉塵等の侵入を防ぎ、ガスの出入を遮らないフィルタを備えていても良い。ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、発光ダイオードから出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀を含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、発光ダイオードは、測定対象ガスによって吸収される波長を含む光を出力するもので、活性層がAlxIn1−xSbのPIN構造からなるダイオードであって、活性層のAl組成が、0.004≦x≦0.100を満たすものである。ここで、発光ダイオードの活性層のAl組成が0.004≦X≦0.100の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである4.3μm付近に強い発光強度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な光源を得ることが可能となる。また発光ダイオードの活性層のAl組成の上限は、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである4.3μm付近にさらに強い発光強度を有するという観点から、好ましくはX≦0.090、より好ましくはX≦0.080、さらに好ましくはX≦0.070、さらに好ましくはX≦0.060、さらに好ましくはX≦0.050、さらに好ましくはX≦0.040であってもよい。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、フォトダイオードは、活性層がAlxIn1−xSbのPIN構造からなるダイオードであって、活性層のAl組成が、0.004≦x≦0.100の関係を満たし、受光した赤外線に応じた電気信号を出力するものである。ここで、フォトダイオードの活性層のAl組成が0.004≦X≦0.100の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである4.3μm付近に強い受光感度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な光源を得ることが可能となる。またフォトダイオードの活性層のAl組成の上限は、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである4.3μm付近にさらに強い受光感度を有するという観点から、好ましくはX≦0.090、より好ましくはX≦0.080、さらに好ましくはX≦0.070、さらに好ましくはX≦0.060、さらに好ましくはX≦0.050、さらに好ましくはX≦0.040であってもよい。なおここで、便宜上、発光ダイオードの活性層のAl組成とフォトダイオードの活性層のAl組成を同一の文字xで表記しているが、それぞれが0.004≦X≦0.100の範囲内のいずれかの値を別々に採用してもよく、また同じ組成としてもよい。またフォトダイオードは発光ダイオードと同様の積層構造及び材料であることが好ましい。これにより、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである4.3μm付近の検出にさらに適したフォトダイオードを実現することができる。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、光学フィルタは、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過するものである。光学フィルタは、異なる屈折率の材料の多層膜からなる干渉フィルタであってもよい。光学フィルタの具体的な例としては赤外線に対して透明な基板上に、屈折率の異なる材料(例えば、Ge、ZnSe、ZnS、SiO2、等)を交互に積層した干渉構造が利用できる。波長によって、入射光が干渉現象によって、強めあったり、弱めあったりし、特定の光のみ強く反射させることができる。これらの積層構造は光学フィルタの基板の両面に形成しても良いし、片面でも良い。この基板の具体的な例としてはGaAsやSiやサファイアが挙げられる。干渉フィルタの具体的な例としては、透過率の高いSi基板の両面に、Ge及びZnSの薄膜を交互に、数周期〜数十周期を積層した干渉フィルタが挙げられる。このような構造を利用することによって、一部の波長のみ強く(例えば80%以上)の反射率が実現でき、その他の波長を透過するような構造が実現できる。
ここでフィルタが最大透過率を持つ波長の最適範囲を述べたが、ガスセルの設計によって、フィルタに透過する光の入射角度が垂直でない場合もあれば、垂直である場合もある。一方、光学フィルタの構造や材質や設計、温度によって、入射角によって、最大透過率を持つ波長が異なることもある。言うまでもないが、本発明で述べる「最大透過率を持つ波長」とはガスセルの光路設計で決められる入射角を考慮したものである。例えば、入射角が垂直に対して30度の場合、入射角30度において最大透過率を示す波長のことを言う。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、測定対象ガスの温度を測定し、それを温度情報として出力する温度測定部(図示せず)をさらに備えていても良い。温度測定部は、測定対象ガスの温度を測定可能なものであれば特に限定されない。具体的には、サーミスタや白金抵抗体を利用することができる。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、演算部(図示せず)は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログIC、ディジタルIC及びCPU(Central Processing Unit)等が好適である。センサからの出力信号を配線により外部に取出し、外部の演算部に接続しても構わない。また、演算部には、発光ダイオードを制御するための機能が含まれていても構わない。
本実施形態に係るガスセンサにおいて、補正信号Sは、第1のフォトダイオードの出力S1と、リファレンスセンサである第2のフォトダイオードの出力S2を用いて
S=S1/S2
で表される。本実施形態における0.004≦x≦0.04の範囲では、S1/S2の0〜50℃における温度特性は温度の上昇に従って下降するため、2温度(例えば、10、40℃)での出力を直線で補正することでガスセンサの精度を向上できる。また、0.01≦x≦0.035ではSの線形性がより向上するため、2温度でのテストでも温度特性の補正精度をさらに向上させることができる。また、上述した発光ダイオード、フォトダイオード、光学フィルタの構成であれば0〜50℃の温度範囲で出力信号の良好な線形性を得ることができるが、発光スペクトル、受光スペクトル、フィルタの透過スペクトルの波長軸における相対的な位置関係が同様の場合には、他の波長帯の場合にも同じ効果を得ることができる。
上記で0〜50℃の温度範囲について説明したが、用途によってはこれより広い温度範囲(例えば、−40〜85℃)で動作させるガスセンサを設計しても良い。本発明のように、光学フィルタの透過特性の半値幅の長波長端の波長がガスセンサの使用温度範囲の最大値において、発光ダイオード11の発光強度と第2のフォトダイオード14の分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短くなることを特徴とする構成とすれば、構成部品の耐熱温度の範囲で使用できるガスセンサを作製できる。ただし、高温環境下では発光ダイオード、フォトダイオードの劣化が加速されるため、150℃以下での使用が好ましい。一般に、車載用途としては100℃、民生用途としては85℃程度の温度が求められるが、これらの環境温度下での使用も好ましい。
<実施形態>
図1は、本発明に係るガスセンサの実施形態を説明するための構成図である。
本実施形態のガスセンサ100は、ガスセル10と、ガスセル10内に配置された発光ダイオード11と、第1のフォトダイオード12と、光学フィルタ13と、第2のフォトダイオード14とを備えている。なお、符号21はガス導入口、22はガス導出口を示している。
また、第2のフォトダイオード14は、第1のフォトダイオード12の出力の参照信号を出力し、かつ第1のフォトダイオード12と同一の半導体構造からなる。また、図示しない演算部は、第1及び第2のフォトダイオード12,14からの出力が入力される。
また、発光ダイオード11と第1のフォトダイオード12の活性層がそれぞれ、AlxIn1−xSb(0.01≦x≦0.035)からなることが好ましい。
つまり、図1に示すように、本実施形態のガスセンサ100は、ガスセル10内に発光ダイオード11と第1のフォトダイオード12と光学フィルタ13及び第2のフォトダイオード14を備えている。発光ダイオードより出射された光は、光学フィルタ13を透過して第1のフォトダイオード12に届き、フィルタを通過せずに第2のフォトダイオード14に届く。
次に、本実施形態のガスセンサを各実施例に基づき説明する。
つまり、まず、GaAs基板40上に、バッファ層としてSnを濃度1×1019[cm−3]ドーピングしたn型半導体であるInSb層41aを0.5μm形成した。その上にSnを濃度1×1019[cm−3]ドーピングしたn型半導体であるAl0.03In0.95Sb層41bを0.5μm形成した。さらに、その上にZnを濃度1×1019[cm−3]ドーピングしたAl0.22In0.78Sbバリア層42を20nm形成した。
上記のように作製した発光ダイオード11、および同様の方法で作製した第1のフォトダイオード12、第2のフォトダイオード14は、モールド樹脂90により封止され、光学フィルタ13と合わせて図7のように配置し、ガスセンサを作製した。光学フィルタとして最大透過率を4.21μmで示し、半値幅の上端を4.42μmとする光学フィルタを用いている。本実施例では、発光ダイオード11と参照信号を出力する第2のフォトダイオード14が同一のGaAs基板に作製されており、第2のフォトダイオードは発光ダイオードより発し、GaAs基板内で反射した光の信号をS2として出力することになる。一方で、第1のフォトダイオード12は、発光ダイオード11、第2のフォトダイオードが形成されている基板に隣接して設置されており、光学フィルタ13を通過したのちガスセル10で反射された光を受光して信号S1を出力することになる。なお図示しないが、本実施形態に係るガスセンサには、測定対象ガスが流入及び流出するための穴が形成されている。
発光ダイオード及びフォトダイオードの活性層をそれぞれAl0.003In0.997Sbとする以外は実施例1と同様の方法でガスセンサを作製した。0〜50℃での補正信号S=S1/S2を取得し、Sについて[数1]で定義されるΨ2を評価したところ、0.03となった。
11 発光ダイオード
12 第1のフォトダイオード
13 光学フィルタ
14 第2のフォトダイオード
21 ガス導入口
22 ガス導出口
40 GaAs基板
41a InSb層
41b n型AlInSb層
42 n型バリア層
43 活性層
44 p型バリア層
45 p型AlInSb層
50 メサ型化合物半導体積層部
51 頂部
52 底部
61 第1の保護層
62 第2の保護層
71 第1の電極部
72 第2の電極部
81 TiO2膜
90 モールド樹脂
100 ガスセンサ
Claims (8)
- ガスセルと、
前記ガスセル内に配置された発光ダイオードと、
前記ガスセル内に配置され、前記発光ダイオードからの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する第1のフォトダイオードと、
前記第1のフォトダイオードの出力の参照信号を出力し、かつ前記第1のフォトダイオードと同一の半導体積層構造からなる第2のフォトダイオードと、
前記第1及び第2のフォトダイオードからの出力が入力される演算部と、を備えたガスセンサであって、
前記発光ダイオードと第1及び第2のフォトダイオードの活性層がそれぞれAlxIn(1−x)Sb(0.004≦x≦0.100)であるガスセンサ。 - 前記ガスセル内に配置され、前記第1のフォトダイオードに入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む光学フィルタをさらに備え、
前記光学フィルタの透過特性の半値幅の長波長端の波長が前記ガスセンサの使用温度範囲の最大値において、前記発光ダイオードの発光強度と前記第2のフォトダイオードの分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短くなる請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記第1及び第2のフォトダイオードの活性層はAlxIn(1−x)Sb(0.004≦x≦0.04)であり、且つ、前記光学フィルタは4.1〜4.4μmの間に最大透過率を有する請求項1または請求項2に記載のガスセンサ。
- 前記光学フィルタの半値幅の長波長側の端を4.5μm以下の波長である請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記発光ダイオードと前記第1のフォトダイオードが同一の半導体積層構造からなる請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記発光ダイオードと前記第1のフォトダイオードの活性層がそれぞれ、AlxIn1−xSb(0.01≦x≦0.035)からなる請求項1または請求項2に記載のガスセンサ。
- 前記ガスセンサは二酸化炭素を検出する請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 前記最大動作温度範囲は150℃である請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のガスセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015132756A JP6410679B2 (ja) | 2015-07-01 | 2015-07-01 | ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015132756A JP6410679B2 (ja) | 2015-07-01 | 2015-07-01 | ガスセンサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017015568A true JP2017015568A (ja) | 2017-01-19 |
JP6410679B2 JP6410679B2 (ja) | 2018-10-24 |
Family
ID=57827870
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015132756A Active JP6410679B2 (ja) | 2015-07-01 | 2015-07-01 | ガスセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6410679B2 (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019114772A (ja) * | 2017-12-21 | 2019-07-11 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
JP2019125776A (ja) * | 2018-01-18 | 2019-07-25 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線検出素子 |
JP2020038193A (ja) * | 2018-08-29 | 2020-03-12 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | Ndirガスセンサ及び光学デバイス |
JP2020126977A (ja) * | 2019-02-06 | 2020-08-20 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
JP2022031353A (ja) * | 2017-12-21 | 2022-02-18 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
US11935973B2 (en) | 2018-02-28 | 2024-03-19 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Infrared detecting device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130153856A1 (en) * | 2011-12-15 | 2013-06-20 | U.S. Government as represented by the Secretary of the Amry | Infrared led device with isolation and method of making |
JP2013211458A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
JP2015068697A (ja) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 受発光装置 |
-
2015
- 2015-07-01 JP JP2015132756A patent/JP6410679B2/ja active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130153856A1 (en) * | 2011-12-15 | 2013-06-20 | U.S. Government as represented by the Secretary of the Amry | Infrared led device with isolation and method of making |
JP2013211458A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
JP2015068697A (ja) * | 2013-09-27 | 2015-04-13 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 受発光装置 |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019114772A (ja) * | 2017-12-21 | 2019-07-11 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
JP2022031353A (ja) * | 2017-12-21 | 2022-02-18 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
JP2019125776A (ja) * | 2018-01-18 | 2019-07-25 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線検出素子 |
US11935973B2 (en) | 2018-02-28 | 2024-03-19 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Infrared detecting device |
JP2020038193A (ja) * | 2018-08-29 | 2020-03-12 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | Ndirガスセンサ及び光学デバイス |
JP2020126977A (ja) * | 2019-02-06 | 2020-08-20 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
JP7060530B2 (ja) | 2019-02-06 | 2022-04-26 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6410679B2 (ja) | 2018-10-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6410679B2 (ja) | ガスセンサ | |
US10551314B2 (en) | Gas sensor | |
JP5266321B2 (ja) | 量子型赤外線センサおよびそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計 | |
JP7441293B2 (ja) | 光学デバイス | |
JP7190971B2 (ja) | Ndirガスセンサ及び光学デバイス | |
JP5636557B2 (ja) | 赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計 | |
JP6622049B2 (ja) | ガス濃度測定装置 | |
JP6626281B2 (ja) | ガスセンサ | |
JP6368420B2 (ja) | 発光装置及び受発光装置 | |
JP6208513B2 (ja) | 受発光装置 | |
JP5576162B2 (ja) | 量子型赤外線ガス濃度計 | |
JP2023171785A (ja) | Ndirガスセンサ及び光学デバイス | |
JP2018100959A (ja) | 検出器、ならびに、検出器の校正方法、補正方法、検出装置 | |
JP6294150B2 (ja) | 受発光装置 | |
US10212776B2 (en) | Light receiving device and light emitting and receiving device | |
JP6514972B2 (ja) | ガス濃度測定装置 | |
US9816920B2 (en) | Method for producing an integrated micromechanical fluid sensor component, integrated micromechanical fluid sensor component and method for detecting a fluid by means of an integrated micromechanical fluid sensor component | |
US20220155152A1 (en) | Infrared photodetection device, infrared photodetection process, computer program, and computer-readable storage medium containing program | |
RU2753854C1 (ru) | Датчик химического состава вещества | |
JP6533719B2 (ja) | 受発光装置 | |
JPS63295933A (ja) | 半導体光検出器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180315 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20180315 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20180507 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180515 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180712 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180918 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180925 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6410679 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |