JP3457373B2 - シングルチャンネルガス濃度測定の方法及び装置 - Google Patents
シングルチャンネルガス濃度測定の方法及び装置Info
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- G—PHYSICS
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- G—PHYSICS
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- G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
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- G—PHYSICS
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- G01J2003/1247—Tuning
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Description
【０００１】本発明は測定信号を放射源によって発生さ
せ、その測定信号を被測定ガス混合物を含有する測定物
体に向け、次いでその測定信号を少なくとも２つの通過
帯域波長を使用して帯域濾波し、そして濾波された測定
信号を検出器を使用して検出する工程よりなるガス濃度
測定のためのシングルチャンネル測定法に関する。
せ、その測定信号を被測定ガス混合物を含有する測定物
体に向け、次いでその測定信号を少なくとも２つの通過
帯域波長を使用して帯域濾波し、そして濾波された測定
信号を検出器を使用して検出する工程よりなるガス濃度
測定のためのシングルチャンネル測定法に関する。
【０００２】本発明はさらにシングルチャンネルガス濃
度測定装置にも関する。
度測定装置にも関する。
【０００３】ガス濃度は従来非分散赤外線法（ＮＤＩＲ
= nondispersive IR technique）によって測定されてき
た。この測定システムは下記の構成部品を含む：すなわ
ち放射源、測定チャンネル、検出器、測定のための所望
波長帯域を選択するためのフィルターである。通常使用
されているフィルターは干渉フィルターである。このフ
ィルターは放射源から測定チャンネルを通り検出器まで
通過されうる波長帯域を選択するために使用される。放
射源の老化と不安定性のために、場合によってはさらに
付加的に検出器の前方に機械的に交換可能な一対のフィ
ルターが配置されて使用される。このフィルター対は２
つの光学的バンドパスフィルターよりなり、そのうちの
一方のフィルターは被測定ガスの所望スペクトル線を通
過させるよう同調されておりそして他方は被測定ガスが
その波長においてはスペクトル吸収線を有しない参照波
長に同調されている。
= nondispersive IR technique）によって測定されてき
た。この測定システムは下記の構成部品を含む：すなわ
ち放射源、測定チャンネル、検出器、測定のための所望
波長帯域を選択するためのフィルターである。通常使用
されているフィルターは干渉フィルターである。このフ
ィルターは放射源から測定チャンネルを通り検出器まで
通過されうる波長帯域を選択するために使用される。放
射源の老化と不安定性のために、場合によってはさらに
付加的に検出器の前方に機械的に交換可能な一対のフィ
ルターが配置されて使用される。このフィルター対は２
つの光学的バンドパスフィルターよりなり、そのうちの
一方のフィルターは被測定ガスの所望スペクトル線を通
過させるよう同調されておりそして他方は被測定ガスが
その波長においてはスペクトル吸収線を有しない参照波
長に同調されている。
【０００４】上記した従来技術の欠点はそのバンドパス
フィルターが比較的高価であることならびにバンドパス
フィルター対を交換するための機械的交換手段が短い時
間間隔でのメインテナンスを必要とすることである。こ
の機械的交換手段は現代的なコンパクトな測定装置に適
合するよう小型化することが非常に困難である。さら
に、この種の測定装置に加えられる過酷な環境条件は、
バンドパスフィルター交換器を信頼性のある機械的道具
にしたいという強い願望を経済的に実現不可能なものに
してしまう。測定に使用されるこれら異なるフィルター
の物理的に分離しているそれぞれの面は互いに異なる率
で汚染され、その結果制御不可能な測定誤差を生じてし
まう。
フィルターが比較的高価であることならびにバンドパス
フィルター対を交換するための機械的交換手段が短い時
間間隔でのメインテナンスを必要とすることである。こ
の機械的交換手段は現代的なコンパクトな測定装置に適
合するよう小型化することが非常に困難である。さら
に、この種の測定装置に加えられる過酷な環境条件は、
バンドパスフィルター交換器を信頼性のある機械的道具
にしたいという強い願望を経済的に実現不可能なものに
してしまう。測定に使用されるこれら異なるフィルター
の物理的に分離しているそれぞれの面は互いに異なる率
で汚染され、その結果制御不可能な測定誤差を生じてし
まう。
【０００５】ガス濃度測定のためにはこれまで長い間調
節可能なファブリペロー干渉計が使用されてきた。これ
はその干渉共振子の長さが比較的大きいために”櫛状”
バンドパス特性を示す。
節可能なファブリペロー干渉計が使用されてきた。これ
はその干渉共振子の長さが比較的大きいために”櫛状”
バンドパス特性を示す。
【０００６】長い干渉計の工業的大規模製造は最近のミ
クロ機械加工技術と相いれない。また、“櫛状”バンド
パス特性はただ１つのスペクトルに対してのみ同調可能
であり、したがって、たとえば、ガス分析はただ１つの
ガスの種類（＝分子の種類）の濃度についてのみ実施可
能である。
クロ機械加工技術と相いれない。また、“櫛状”バンド
パス特性はただ１つのスペクトルに対してのみ同調可能
であり、したがって、たとえば、ガス分析はただ１つの
ガスの種類（＝分子の種類）の濃度についてのみ実施可
能である。
【０００７】したがって、本発明の目的は上記従来技術
の欠点を克服しそしてまったく新規なシングルチャンネ
ルガス濃度測定方法と装置を提供することである。
の欠点を克服しそしてまったく新規なシングルチャンネ
ルガス濃度測定方法と装置を提供することである。
【０００８】本発明は測定装置内の交番的バンドパスフ
ィルターエレメントとして電気的に制御される短いファ
ブリペロー干渉計を使用することを基礎とするものであ
る。
ィルターエレメントとして電気的に制御される短いファ
ブリペロー干渉計を使用することを基礎とするものであ
る。
【０００９】より特定的には、本発明の方法は測定信号
を放射源によって発生させ、その測定信号を被測定ガス
混合物を含有する測定物体に向け、次いでその測定信号
を少なくとも２つの通過帯域波長を使用して帯域濾波
し、そして濾波された測定信号を検出器を使用して検出
する工程よりなるシングルチャンネルガス濃度測定方法
において、帯域濾波工程を単一の電気的に同調可能な短
共振子ファブリペロー干渉計を使用して実施することを
特徴とする方法によって特徴づけられる。
を放射源によって発生させ、その測定信号を被測定ガス
混合物を含有する測定物体に向け、次いでその測定信号
を少なくとも２つの通過帯域波長を使用して帯域濾波
し、そして濾波された測定信号を検出器を使用して検出
する工程よりなるシングルチャンネルガス濃度測定方法
において、帯域濾波工程を単一の電気的に同調可能な短
共振子ファブリペロー干渉計を使用して実施することを
特徴とする方法によって特徴づけられる。
【００１０】さらに、本発明の装置は測定信号を発生す
る放射源、被測定ガス混合物を含有する測定物体、少な
くとも２つの通過帯域波長に基づいて測定信号を帯域濾
波するための少なくとも２つのバンドパスフィルター、
及び濾波された測定信号を検出するために適した検出器
を包含するシングルチャンネルガス濃度測定装置におい
て、バンドパスフィルターが単一の電気的に同調可能な
短共振子ファブリペロー干渉計によって与えられている
ことを特徴とする装置によって特徴づけられる。さら
に、ガス濃度測定のための表面ミクロ機械加工技術によ
って制作された電気的に同調可能なファブリペロー干渉
計であって、該干渉計が下記式 ｄ＝ｎλ／２ （式中、ｎは干渉計の次数を示す整数である）により干
渉計通過帯域の中心波長（λ）に比例するよう設計され
た距離（ｄ）で隔離された２つの実質的に互いに平行に
隣接して整列された半透過ミラー及び該２つの共振子ミ
ラー間の間隔（ｄ）を調節するための制御手段とを包含
するものにおいて、該干渉計次数（ｎ）が１〜３であ
り、これによりその干渉計は短空洞干渉計として定義さ
れるものであり、かつ該干渉計が干渉計構造と一体的に
形成されたアパーチャを備えていることを特徴とするフ
ァブリペロー干渉計も本発明である。
る放射源、被測定ガス混合物を含有する測定物体、少な
くとも２つの通過帯域波長に基づいて測定信号を帯域濾
波するための少なくとも２つのバンドパスフィルター、
及び濾波された測定信号を検出するために適した検出器
を包含するシングルチャンネルガス濃度測定装置におい
て、バンドパスフィルターが単一の電気的に同調可能な
短共振子ファブリペロー干渉計によって与えられている
ことを特徴とする装置によって特徴づけられる。さら
に、ガス濃度測定のための表面ミクロ機械加工技術によ
って制作された電気的に同調可能なファブリペロー干渉
計であって、該干渉計が下記式 ｄ＝ｎλ／２ （式中、ｎは干渉計の次数を示す整数である）により干
渉計通過帯域の中心波長（λ）に比例するよう設計され
た距離（ｄ）で隔離された２つの実質的に互いに平行に
隣接して整列された半透過ミラー及び該２つの共振子ミ
ラー間の間隔（ｄ）を調節するための制御手段とを包含
するものにおいて、該干渉計次数（ｎ）が１〜３であ
り、これによりその干渉計は短空洞干渉計として定義さ
れるものであり、かつ該干渉計が干渉計構造と一体的に
形成されたアパーチャを備えていることを特徴とするフ
ァブリペロー干渉計も本発明である。
【００１１】本発明は顕著な利益をもたらす。すなわ
ち、測定が複チャンネルの態様で光学的に行われるの
で、放射源の老化現象を補償するために適当な参照信号
が得られる。しかしながら、本発明の方法の物理的実施
ではシングルチャンネルの形態をとる。なぜならば、測
定放射線は常に同じ通路に沿って進行するからである。
したがって、光学的表面の汚染は実測定時にも参照測定
時にも同じ作用をもつ。なぜならば、測定における唯一
の変化される特性が干渉計共振子の長さであるからであ
る。すなわち、汚染の影響は参照測定によって自動的に
勘案されることになる。
ち、測定が複チャンネルの態様で光学的に行われるの
で、放射源の老化現象を補償するために適当な参照信号
が得られる。しかしながら、本発明の方法の物理的実施
ではシングルチャンネルの形態をとる。なぜならば、測
定放射線は常に同じ通路に沿って進行するからである。
したがって、光学的表面の汚染は実測定時にも参照測定
時にも同じ作用をもつ。なぜならば、測定における唯一
の変化される特性が干渉計共振子の長さであるからであ
る。すなわち、汚染の影響は参照測定によって自動的に
勘案されることになる。
【００１２】さらに、この干渉計構造の寿命は実際上無
制限である。なぜならば、その長さは少量だけ変化され
るにすぎずそしてその長さの変化はまったく使用基板材
料の弾性範囲内に保たれるからである。
制限である。なぜならば、その長さは少量だけ変化され
るにすぎずそしてその長さの変化はまったく使用基板材
料の弾性範囲内に保たれるからである。
【００１３】従来の構造の吸収性フィルターエレメント
は光学路上の予め決定された１つの点に機械的に設置さ
れる１つの分離部品である。これに対して、本発明の実
施例においては、フィルターは１つの製造工程で干渉計
の面上に直接形成される。これは、従来よりもコンパク
トで製造コストが安価である。
は光学路上の予め決定された１つの点に機械的に設置さ
れる１つの分離部品である。これに対して、本発明の実
施例においては、フィルターは１つの製造工程で干渉計
の面上に直接形成される。これは、従来よりもコンパク
トで製造コストが安価である。
【００１４】従来構造のものでは、干渉計のアパーチャ
は光学路上の予め決定された１つの点に機械的に設置さ
れる１つの分離部品である。これに対して、本発明の実
施例においては、そのアパーチャは１つの製造工程で干
渉計面上に直接形成される。これも従来のものよりコン
パクトで製造コストが安い。分離部品であるアパーチャ
のアラインメントはやりにくい。これに対して、本発明
によるやり方ではアパーチャは自動的にアラインメント
される。
は光学路上の予め決定された１つの点に機械的に設置さ
れる１つの分離部品である。これに対して、本発明の実
施例においては、そのアパーチャは１つの製造工程で干
渉計面上に直接形成される。これも従来のものよりコン
パクトで製造コストが安い。分離部品であるアパーチャ
のアラインメントはやりにくい。これに対して、本発明
によるやり方ではアパーチャは自動的にアラインメント
される。
【００１５】本発明による製造方法はＶＩＳ−ＩＲ（可
視紫外部）領域のために１平方ミリメートル以上の面積
を有する干渉計を製造することが可能となる。したがっ
て、その使用はオプチカルファイバーシステムのみに限
定されない。
視紫外部）領域のために１平方ミリメートル以上の面積
を有する干渉計を製造することが可能となる。したがっ
て、その使用はオプチカルファイバーシステムのみに限
定されない。
【００１６】本発明による構成では、干渉計ミラーどう
しの平行性をそれらミラーの移動中に保証するために別
の偏向電極を設ける必要がない。なぜならば、それらミ
ラーはそれらのエッジの全長によって支持されており、
かつ平面プロセスが使用されるので干渉計空洞の高さが
いずれの場所でも同じであるからである。
しの平行性をそれらミラーの移動中に保証するために別
の偏向電極を設ける必要がない。なぜならば、それらミ
ラーはそれらのエッジの全長によって支持されており、
かつ平面プロセスが使用されるので干渉計空洞の高さが
いずれの場所でも同じであるからである。
【００１７】本発明による干渉計エレメントは温度の影
響をきわめて受けにくい。その理由は、干渉計空洞が温
度変動に関して実際上一定であるからでる。
響をきわめて受けにくい。その理由は、干渉計空洞が温
度変動に関して実際上一定であるからでる。
【００１８】以下、本発明を添付図面に示した例示のた
めの実施例を参照しながらさらに詳細に説明する。
めの実施例を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００１９】
【実施例】検出器に入射する放射線の強度ＩはLambert-
Beerの法則 Ｉ＝Ioｅ-kcx （１） に従って測定チャンネル内の吸収に依存する。上記式
中、Io は検出器に入射する放射線の強度、ｋは吸光
率、ｃは被測定ガスの濃度、ｘは測定チャンネルの長さ
である。
Beerの法則 Ｉ＝Ioｅ-kcx （１） に従って測定チャンネル内の吸収に依存する。上記式
中、Io は検出器に入射する放射線の強度、ｋは吸光
率、ｃは被測定ガスの濃度、ｘは測定チャンネルの長さ
である。
【００２０】吸光率ｋは強く測定波長により変わる。本
発明によって使用されるファブリペロー干渉計は共振子
の長さの電気的制御に好都合な構造を有している。同時
にまた伝送される通過帯域波長が変調される。このファ
ブリペロー干渉計の基本方程式は下記方程式である： ２ｄ＝ｎλ （２） 式中、ｄは２つの共振ミラー間の距離、ｎは整数（＝干
渉計共振子の軸モード数または干渉の次数）、λは波長
である。
発明によって使用されるファブリペロー干渉計は共振子
の長さの電気的制御に好都合な構造を有している。同時
にまた伝送される通過帯域波長が変調される。このファ
ブリペロー干渉計の基本方程式は下記方程式である： ２ｄ＝ｎλ （２） 式中、ｄは２つの共振ミラー間の距離、ｎは整数（＝干
渉計共振子の軸モード数または干渉の次数）、λは波長
である。
【００２１】ミラーの間の媒質の屈折率は１と仮定す
る。従来の設計の干渉計においては、ｎの数値は通常１
００〜１０００００のオーダである。本発明はｎが１〜
３の短共振子干渉計を使用する。干渉計の通過帯域幅Ｂ
（＝ＦＷＨＭ）は両ミラーの反射率ｒと両ミラー間の距
離ｄの関数である：
る。従来の設計の干渉計においては、ｎの数値は通常１
００〜１０００００のオーダである。本発明はｎが１〜
３の短共振子干渉計を使用する。干渉計の通過帯域幅Ｂ
（＝ＦＷＨＭ）は両ミラーの反射率ｒと両ミラー間の距
離ｄの関数である：
【数１】
【００２２】干渉計次数の異なる数値に対応する複数の
スペクトル線の間の重ならないスペクトル範囲ＦＳＲ(f
ree spectral range) は複数の隣接透過波長間の空隙を
意味する。次数ｎの２つの値ｎとｎ＋１についてのＦＳ
Ｒは方程式（２）から計算することができる：
スペクトル線の間の重ならないスペクトル範囲ＦＳＲ(f
ree spectral range) は複数の隣接透過波長間の空隙を
意味する。次数ｎの２つの値ｎとｎ＋１についてのＦＳ
Ｒは方程式（２）から計算することができる：
【数２】
【００２３】方程式（４）から明らかなように、ＦＳＲ
はｎが減少する時増加する。ＦＳＲの数値が大きいと、
複数の干渉計次数のスペクトル線の消去が、たとえば、
カットオフフィルターすなわち遮断フィルターによって
容易に行える。表面ミクロ機械加工技術によって制作さ
れた干渉計の場合では、距離ｄが２．１μｍそしてｎ＝
１が可能である。この時、ＦＳＲの数値は２．１μｍと
なろう。ｒ＝０．７の場合のこの干渉計の透過率計算値
が図１に示されている。
はｎが減少する時増加する。ＦＳＲの数値が大きいと、
複数の干渉計次数のスペクトル線の消去が、たとえば、
カットオフフィルターすなわち遮断フィルターによって
容易に行える。表面ミクロ機械加工技術によって制作さ
れた干渉計の場合では、距離ｄが２．１μｍそしてｎ＝
１が可能である。この時、ＦＳＲの数値は２．１μｍと
なろう。ｒ＝０．７の場合のこの干渉計の透過率計算値
が図１に示されている。
【００２４】図２には、この干渉計の２つの異なる波長
についてのカットオフフィルターで補足されたファブリ
ペロー干渉計の透過率が示されている。この実施例のグ
ラフを見ると、４．２μｍ波長で測定チャンネルから得
られる強度は吸収によって１から０．７まで減少されて
いる。透過波長帯域幅は４．２μｍ波長での二酸化炭素
の“櫛状”吸収スペクトルが当該波長帯域内に該当する
よう選択されている。干渉計の長さが適当に短縮された
場合には、測定チャンネル内で吸収が起こらない３．８
μｍ波長で、すなわち吸光率ｋが低い波長で伝送され
る。したがって、検出器に入射する放射線強度は放射源
の出力強度に比例し、そしてこの強度値が測定チャンネ
ルからの測定信号にための基準として使用することがで
きる。カットオフフィルターは約３．２μｍよりも短い
波長が検出器に到達するのを阻止するために使用されて
いる。
についてのカットオフフィルターで補足されたファブリ
ペロー干渉計の透過率が示されている。この実施例のグ
ラフを見ると、４．２μｍ波長で測定チャンネルから得
られる強度は吸収によって１から０．７まで減少されて
いる。透過波長帯域幅は４．２μｍ波長での二酸化炭素
の“櫛状”吸収スペクトルが当該波長帯域内に該当する
よう選択されている。干渉計の長さが適当に短縮された
場合には、測定チャンネル内で吸収が起こらない３．８
μｍ波長で、すなわち吸光率ｋが低い波長で伝送され
る。したがって、検出器に入射する放射線強度は放射源
の出力強度に比例し、そしてこの強度値が測定チャンネ
ルからの測定信号にための基準として使用することがで
きる。カットオフフィルターは約３．２μｍよりも短い
波長が検出器に到達するのを阻止するために使用されて
いる。
【００２５】測定にあたっては、本実施例で参照測定が
実施された時に、干渉計の長さが３．８μｍ波長を透過
させるよう変調される。このあと、実際の測定が４．２
μｍ波長で実施される。別のやり方として、干渉計の未
変調長さを、たとえば、４．４μｍの参照波長を透過す
るよう選択し、実測定のためにはその干渉計共振子長さ
を電界の印加によって実測定中４．２μｍ波長を透過す
るよう短縮するやり方がある。
実施された時に、干渉計の長さが３．８μｍ波長を透過
させるよう変調される。このあと、実際の測定が４．２
μｍ波長で実施される。別のやり方として、干渉計の未
変調長さを、たとえば、４．４μｍの参照波長を透過す
るよう選択し、実測定のためにはその干渉計共振子長さ
を電界の印加によって実測定中４．２μｍ波長を透過す
るよう短縮するやり方がある。
【００２６】放射源出力の低ドリフトおよび迷光放射の
影響は放射源を変調し、ＡＣ出力信号が検出器から得ら
れるようにすることによって低減することができる。
影響は放射源を変調し、ＡＣ出力信号が検出器から得ら
れるようにすることによって低減することができる。
【００２７】図３を参照して本発明による装置の機能を
説明する。使用される方法フィルターを機械的にではな
く電気的に交換するシングルチャンネルＮＤＩＲ測定の
変法である。放射源１は広域スペクトル放射線を出射す
る。放射線は測定チャンネルを通って伝搬されてフィル
ターとして働くファブリペロー干渉計５に入る。このフ
ィルターエレメントの通過帯域（単または複数）を通過
伝送された波長はカットオフフィルターに入る。このカ
ットオフフィルターはある特定の遮断波長より長い波長
のみを透過させる。透過された波長線の強度が検出器に
よって測定される。
説明する。使用される方法フィルターを機械的にではな
く電気的に交換するシングルチャンネルＮＤＩＲ測定の
変法である。放射源１は広域スペクトル放射線を出射す
る。放射線は測定チャンネルを通って伝搬されてフィル
ターとして働くファブリペロー干渉計５に入る。このフ
ィルターエレメントの通過帯域（単または複数）を通過
伝送された波長はカットオフフィルターに入る。このカ
ットオフフィルターはある特定の遮断波長より長い波長
のみを透過させる。透過された波長線の強度が検出器に
よって測定される。
【００２８】本測定装置の放射源は広帯域スペクトル放
射源１であるのが有利である。このエレメントは、たと
えば、広帯域ＬＥＤ、小型白熱電球、多結晶シリコンか
らつくられたいわゆるマイクロランプあるいはその他の
約１kHz の周波数まで電気的に変調可能な広帯域放射源
でありうる。測定チャンネル３の長さは広い範囲で選択
することができそしてその設計は測定されるべきガスの
濃度と吸光特性に依り決定される。
射源１であるのが有利である。このエレメントは、たと
えば、広帯域ＬＥＤ、小型白熱電球、多結晶シリコンか
らつくられたいわゆるマイクロランプあるいはその他の
約１kHz の周波数まで電気的に変調可能な広帯域放射源
でありうる。測定チャンネル３の長さは広い範囲で選択
することができそしてその設計は測定されるべきガスの
濃度と吸光特性に依り決定される。
【００２９】ファブリペロー干渉計５は表面ミクロ機械
加工（surface micromachining, 後記参考文献の項参
照）によって実現することができる。この製造方法は大
量安価な大規模生産技術に適合させることができる。こ
の表面ミクロ機械加工技術を使用して、最大で数μｍの
複数の層が１つの基板の上に段階的に積層され、このあ
とそれらの層が本方法で必要とされるよう図形化され、
エッチングされ、ドーピングされる。
加工（surface micromachining, 後記参考文献の項参
照）によって実現することができる。この製造方法は大
量安価な大規模生産技術に適合させることができる。こ
の表面ミクロ機械加工技術を使用して、最大で数μｍの
複数の層が１つの基板の上に段階的に積層され、このあ
とそれらの層が本方法で必要とされるよう図形化され、
エッチングされ、ドーピングされる。
【００３０】カットオフフィルターとして任意のタイプ
の公知の光学的遮断フィルターを使用することができ
る。検出器９は使用される波長範囲と強度とに応じて、
パイロ電気的検出器、サーモパイル検出器またはフォト
ダイオード検出器でありうる。カットオフフィルター７
は検出器包被の放射入口窓としても機能することができ
る。
の公知の光学的遮断フィルターを使用することができ
る。検出器９は使用される波長範囲と強度とに応じて、
パイロ電気的検出器、サーモパイル検出器またはフォト
ダイオード検出器でありうる。カットオフフィルター７
は検出器包被の放射入口窓としても機能することができ
る。
【００３１】別の実施例として、図４に示した構造も使
用することができる。この実施例の場合では、ファブリ
ペロー干渉計５は放射源１と関連して使用される。この
場合、その放射源１は狭帯域スペクトル源として機能す
る。前記と同様に、放射源１に面する側の測定チャンネ
ル３の端部に関連してカットオフフィルター７が配置さ
れる。
用することができる。この実施例の場合では、ファブリ
ペロー干渉計５は放射源１と関連して使用される。この
場合、その放射源１は狭帯域スペクトル源として機能す
る。前記と同様に、放射源１に面する側の測定チャンネ
ル３の端部に関連してカットオフフィルター７が配置さ
れる。
【００３２】図５には、本発明によるファブリペロー干
渉計の断面が示されている。この干渉計の下側のミラー
は基板１１の上に二酸化シリコン層１２と多結晶シリコ
ン層１３を交番的に沈着することによって形成される。
通過帯域波長はエアーギャップ１５の高さによって決定
される。そのエアーギャップ１５は上記多層構造の内部
まで孔１４を通じて、たとえば、フッ化水素酸（ＨＦ）
によってエッチングすることによって形成される。最
初、エアーギャップ１５は固体酸化物によって充填され
ている。孔１４の寸法は数μｍのオーダーである。図６
に示したように、これらの孔１４が１つの円上に整列配
置されている。領域２０は干渉計の上側ミラーの光学的
活性領域、すなわち干渉計の変調の間平面的に動く領域
である。この上側ミラーはシリコン層２１，２７と酸化
物層２８を交番的に沈着して形成される。シリコン層２
１，２７の陰影をつけた部分はシリコンが電導性ドーピ
ングを受けた領域を示す。
渉計の断面が示されている。この干渉計の下側のミラー
は基板１１の上に二酸化シリコン層１２と多結晶シリコ
ン層１３を交番的に沈着することによって形成される。
通過帯域波長はエアーギャップ１５の高さによって決定
される。そのエアーギャップ１５は上記多層構造の内部
まで孔１４を通じて、たとえば、フッ化水素酸（ＨＦ）
によってエッチングすることによって形成される。最
初、エアーギャップ１５は固体酸化物によって充填され
ている。孔１４の寸法は数μｍのオーダーである。図６
に示したように、これらの孔１４が１つの円上に整列配
置されている。領域２０は干渉計の上側ミラーの光学的
活性領域、すなわち干渉計の変調の間平面的に動く領域
である。この上側ミラーはシリコン層２１，２７と酸化
物層２８を交番的に沈着して形成される。シリコン層２
１，２７の陰影をつけた部分はシリコンが電導性ドーピ
ングを受けた領域を示す。
【００３３】変調電圧は２つの金属接点１６の間に印加
される。二酸化シリコン層２４によって丸く包囲されて
いる多結晶シリコン層２６は層１５をエッチングにより
除去する時にエッチング剤に対するバリヤーとして働
く。複数の層２５は上側ミラー膜構造の二酸化シリコン
層である。金属層１７に形成されている孔２３は本干渉
計のアパーチャとして働くものである。このアパーチャ
が光学的活性中央領域の外側での放射線透過を阻止す
る。カットオフフィルターエレメントは層１８によって
形成される。このエレメントは所望の吸収特性を有する
金属の１つまたはそれ以上のλ／２層からなる。ここ
で、本発明の機能にとって重要なことは層１８が特にλ
／２（またはその倍数）の層であることである。なぜな
らば、このような層はその層に隣接する複数層の間の屈
折率不連続による透過損を生じないからである。実際に
は、このような層１８は任意の２つの誘電層の間の任意
箇所に沈着することができる。層１９によって反射防止
コーティングが与えられる。この層１９は、たとえば、
窒化シリコンのλ／４層でありうる。なお、図面に示し
た各エレメントの寸法関係は必ずしも実際と一致するも
のではない。たとえば、領域２８は実際には共振空洞１
５の横寸法のほぼ半分をカバーするものである。同様
に、領域２５は実際には連続した１つのリングを形成し
ており、図示のものよりも広い。また、多結晶シリコン
層は図示したものよりも幅が狭くなっている。金属層ア
パーチャ１７はまたシリコン基板１１に等価パターンの
領域をドーピングすることによって形成することもでき
る。なぜならば、高度にドープされたシリコンは放射線
に対して不透明になるからである。ドーピングによりパ
ターンを形成する場合には、アパーチャ１７は下の層１
７の中または基板１１の下側面の上に配置することもで
きる。ドープされた領域のシート抵抗（Ω／□）は好ま
しくは５オーム以下である。適当なドーピング剤は、た
とえば、ホウ素およびリンである。
される。二酸化シリコン層２４によって丸く包囲されて
いる多結晶シリコン層２６は層１５をエッチングにより
除去する時にエッチング剤に対するバリヤーとして働
く。複数の層２５は上側ミラー膜構造の二酸化シリコン
層である。金属層１７に形成されている孔２３は本干渉
計のアパーチャとして働くものである。このアパーチャ
が光学的活性中央領域の外側での放射線透過を阻止す
る。カットオフフィルターエレメントは層１８によって
形成される。このエレメントは所望の吸収特性を有する
金属の１つまたはそれ以上のλ／２層からなる。ここ
で、本発明の機能にとって重要なことは層１８が特にλ
／２（またはその倍数）の層であることである。なぜな
らば、このような層はその層に隣接する複数層の間の屈
折率不連続による透過損を生じないからである。実際に
は、このような層１８は任意の２つの誘電層の間の任意
箇所に沈着することができる。層１９によって反射防止
コーティングが与えられる。この層１９は、たとえば、
窒化シリコンのλ／４層でありうる。なお、図面に示し
た各エレメントの寸法関係は必ずしも実際と一致するも
のではない。たとえば、領域２８は実際には共振空洞１
５の横寸法のほぼ半分をカバーするものである。同様
に、領域２５は実際には連続した１つのリングを形成し
ており、図示のものよりも広い。また、多結晶シリコン
層は図示したものよりも幅が狭くなっている。金属層ア
パーチャ１７はまたシリコン基板１１に等価パターンの
領域をドーピングすることによって形成することもでき
る。なぜならば、高度にドープされたシリコンは放射線
に対して不透明になるからである。ドーピングによりパ
ターンを形成する場合には、アパーチャ１７は下の層１
７の中または基板１１の下側面の上に配置することもで
きる。ドープされた領域のシート抵抗（Ω／□）は好ま
しくは５オーム以下である。適当なドーピング剤は、た
とえば、ホウ素およびリンである。
【００３４】図６は上記した干渉計の上面図である。
【００３５】図７は図５に示した干渉計の計算透過率特
性を２μｍの中心波長に関してプロットして例示的に示
したグラフである。層１８の存在は通過帯域曲線の形状
にまったく影響を与えていない。
性を２μｍの中心波長に関してプロットして例示的に示
したグラフである。層１８の存在は通過帯域曲線の形状
にまったく影響を与えていない。
【００３６】図８には、図５と図６に示したファブリペ
ロー干渉計のカットオフフィルターで濾過された通過帯
域を干渉計共振子の２つの異なる長さの場合についてプ
ロットしたグラフである。変調電圧がない状態において
は、この干渉計の通過帯域は２μｍに中心がある。他
方、変調された場合には、１．４μｍに中心がある。カ
ットオフフィルターは約１．３μｍより短い周波数の放
射線が検出器に到達するのを阻止している。
ロー干渉計のカットオフフィルターで濾過された通過帯
域を干渉計共振子の２つの異なる長さの場合についてプ
ロットしたグラフである。変調電圧がない状態において
は、この干渉計の通過帯域は２μｍに中心がある。他
方、変調された場合には、１．４μｍに中心がある。カ
ットオフフィルターは約１．３μｍより短い周波数の放
射線が検出器に到達するのを阻止している。
【００３７】本ファブリペロー干渉計の製作に使用され
る製造工程の細部は利用可能な装置に依存するので、以
下に記載する製造工程は１つの例示的手順であることを
理解されたい。当技術分野に通常の知識を有する者にと
っては図５に示した構造の製作に使用される方法は馴染
みのあるものであろう。この製造法は表面ミクロ機械加
工技術の標準工程とは相違するような細部を包含しては
いない。
る製造工程の細部は利用可能な装置に依存するので、以
下に記載する製造工程は１つの例示的手順であることを
理解されたい。当技術分野に通常の知識を有する者にと
っては図５に示した構造の製作に使用される方法は馴染
みのあるものであろう。この製造法は表面ミクロ機械加
工技術の標準工程とは相違するような細部を包含しては
いない。
【００３８】二酸化シリコン層は二者択一的に窒化シリ
コン層で代替することができる。表側：
コン層で代替することができる。表側：
【００３９】1．使用基板ウェーハは（１００）方向に
配向されそして両面が研磨されたシリコンウェーハ１１
である。 2．このウェーハ１１を洗浄する。 3．金属層１７を約５０ｎｍの厚さまで沈着する。この
金属層１７の合金は、たとえばＴｉＷ（チタンタングス
テン）でありうる。 4．アパーチャ孔２３のパターンを形成する。 5．第１のλ／４二酸化シリコン層１２を成長させる。 6．第１のλ／４多結晶シリコン層１３を成長させる。 7．第２のλ／４二酸化シリコン層１２を成長させる。 8．第２のλ／４多結晶シリコン層１３を成長させる。 9．後者の層を図面に陰影をつけた部分のために電導性
ドーピングをする。 10．λ／２二酸化シリコン層を成長させる。 11．第３のλ／４多結晶シリコン層２１を成長させそし
て図面に陰影をつけた部分のために電導性ドーピングを
する。 12．第３のλ／４二酸化シリコン層２５を成長させる。 13．第３の二酸化シリコン層２５をパターン形成しそし
てエッチングする。 14．第４の多結晶シリコン層２７をエッチングされた第
３二酸化シリコン層２５の上に成長させそして図面で陰
影をつけた領域にドーピングを行う。 15．フォトレジストを付与しそして孔１４にホトレジス
トのないパターンを形成する。 16．孔１４をプラズマエッチングによって形成する。 17．共振空洞１５を、たとえば、ＨＦを使用して孔１４
を通じて材料をエッチング除去することによって形成す
る。 18．金属接合領域１６を機械的マスクを使用して沈着さ
せる。
配向されそして両面が研磨されたシリコンウェーハ１１
である。 2．このウェーハ１１を洗浄する。 3．金属層１７を約５０ｎｍの厚さまで沈着する。この
金属層１７の合金は、たとえばＴｉＷ（チタンタングス
テン）でありうる。 4．アパーチャ孔２３のパターンを形成する。 5．第１のλ／４二酸化シリコン層１２を成長させる。 6．第１のλ／４多結晶シリコン層１３を成長させる。 7．第２のλ／４二酸化シリコン層１２を成長させる。 8．第２のλ／４多結晶シリコン層１３を成長させる。 9．後者の層を図面に陰影をつけた部分のために電導性
ドーピングをする。 10．λ／２二酸化シリコン層を成長させる。 11．第３のλ／４多結晶シリコン層２１を成長させそし
て図面に陰影をつけた部分のために電導性ドーピングを
する。 12．第３のλ／４二酸化シリコン層２５を成長させる。 13．第３の二酸化シリコン層２５をパターン形成しそし
てエッチングする。 14．第４の多結晶シリコン層２７をエッチングされた第
３二酸化シリコン層２５の上に成長させそして図面で陰
影をつけた領域にドーピングを行う。 15．フォトレジストを付与しそして孔１４にホトレジス
トのないパターンを形成する。 16．孔１４をプラズマエッチングによって形成する。 17．共振空洞１５を、たとえば、ＨＦを使用して孔１４
を通じて材料をエッチング除去することによって形成す
る。 18．金属接合領域１６を機械的マスクを使用して沈着さ
せる。
【００４０】裏側：
1．放射線吸収層１８を成長させる。
2．λ／４窒化シリコン層１９を成長させる。
【００４１】参考文献：
1．M.Parameswaran, A.M.Robinson,D.L.Blackburn,M.Ga
itan、 J. Geist の論文“Micromachined Thermal Radia
tion Emitter from a Commercial CMOSProcess" , IEEE
Electron Device Letters, 12, １９９１年２月２日。 2．C.H.Mastrangelo, J. H-J. Yeh, R.S. Mullerの論
文“Electrical and Optical Characteristics of Vacc
um Sealed Polysilicon Microlamps" , IEEE Transacti
ons on Electron Devices, 39,１９９２年６月６日。 3．K.Aratani,P.J.Prench,P.M.Sarro, R.F.Wolffenbutt
el、S.Middelhoekの論文“Process for Surface Michrom
achined Beams for a Tunable Interferometer Array i
n Silicon" , Book of Abstracts, Eurosensors Vl, Sa
n Sebastian, １９９２年１０月５−７日号。
itan、 J. Geist の論文“Micromachined Thermal Radia
tion Emitter from a Commercial CMOSProcess" , IEEE
Electron Device Letters, 12, １９９１年２月２日。 2．C.H.Mastrangelo, J. H-J. Yeh, R.S. Mullerの論
文“Electrical and Optical Characteristics of Vacc
um Sealed Polysilicon Microlamps" , IEEE Transacti
ons on Electron Devices, 39,１９９２年６月６日。 3．K.Aratani,P.J.Prench,P.M.Sarro, R.F.Wolffenbutt
el、S.Middelhoekの論文“Process for Surface Michrom
achined Beams for a Tunable Interferometer Array i
n Silicon" , Book of Abstracts, Eurosensors Vl, Sa
n Sebastian, １９９２年１０月５−７日号。
【図１】本発明による短いファブリペロー干渉計の帯域
通過特性を示すグラフである。
通過特性を示すグラフである。
【図２】本発明による測定および較正波長帯域を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図３】本発明による測定装置の１つの実施例を示す概
略図である。
略図である。
【図４】本発明による測定装置の別の実施例を示す概略
図である。
図である。
【図５】本発明による干渉計構造の側面図である。
【図６】図５に示した干渉計構造の上面図である。
【図７】図５に示した干渉計構造の透過特性を示すグラ
フである。
フである。
【図８】図５に示した干渉計の計算透過率特性を干渉計
の２つの異なる長さの場合について示すグラフである。
の２つの異なる長さの場合について示すグラフである。
１ 放射源
３ 測定チャンネル
５ ファブリペロー干渉計
７ カットオフフィルター
９ 検出器
１１ 基板
１２、２４ 二酸化シリコン層
１３、２６ 多結晶シリコン層
１４ 孔
１５ エアーギャップ（共振空洞）
１６ 金属接合領域
１７ 金属層（アパーチャー形成層）
１８ カットオフフィルターエレメントを形成
する層 １９ 反射防止層 ２０ 干渉計上側ミラーの光学的活性領域 ２１、２７ シリコン層 ２３ 孔 ２ 二酸化シリコン層
する層 １９ 反射防止層 ２０ 干渉計上側ミラーの光学的活性領域 ２１、２７ シリコン層 ２３ 孔 ２ 二酸化シリコン層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 マルッティ ブロムベルグ
フィンランド国．01600 ヴァンター,
ヨンサクセンポルク ４ エー ７
(72)発明者 マルック オルパナ
フィンランド国．02340 エスポー，カ
スキサヴ ２ エフ 23
(72)発明者 アルッティ トルッケリ
フィンランド国．02610 エスポー，キ
ロンリンネ 10 シー 68
(56)参考文献 特開 昭51−11481（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−332828（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−22902（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−72239（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−257676（ＪＰ，Ａ)
実開 平３−2244（ＪＰ，Ｕ)
特公 昭57−29664（ＪＰ，Ｂ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 21/00 - 21/01
G01N 21/17 - 21/61
G01J 3/00 - 3/52
G01B 9/00 - 9/10
G01B 11/00 - 11/30
ＪＯＩＳ，ＷＰＩ／Ｌ，ＥＰＡＴ，ＰＡ
ＴＯＬＩＳ
Claims (7)
- 【請求項１】 ガス濃度測定のための、表面ミクロ機械
加工技術によって制作された電気的に同調可能なファブ
リペロー干渉計であって、該干渉計が下記式 ｄ＝ｎλ／２ （式中、ｎは干渉計の次数を示す整数であり、該干渉計
次数（ｎ）が１〜３であり、これによりその干渉計は短
空洞干渉計として定義される）により干渉計通過帯域の
中心波長（λ）に比例するよう設計された距離（ｄ）を
もって、エッチングされたエアーギャップで離隔された
２つの実質的に互いに平行に隣接して整列された半透過
ミラー（２１、２２）および該共振子ミラー間の間隔
（ｄ）を調節するための制御手段（１６）とを包含する
ものにおいて、 該干渉計が、該表面ミクロ機械加工技術によって干渉計
構造と一体的に層（１７）中に形成されたアパーチャ
（２３）であって、光学的活性中央領域の外側での放射
線透過を阻止するアパーチャを備えていることを特徴と
するファブリペロー干渉計。 - 【請求項２】 該アパーチャ（２３）が金属により形成
されていることを特徴とする請求項１記載の干渉計。 - 【請求項３】 該アパーチャ（２３）がシリコン基板
（１１）内へのドーピングにより形成されていることを
特徴とする請求項１記載の干渉計。 - 【請求項４】 該アパーチャ（２３）が多結晶膜内への
ドーピングにより形成されていることを特徴とする請求
項１記載の干渉計。 - 【請求項５】 該干渉計には所望されない波長の放射線
がその干渉計を透過するのを阻止する目的で一体化され
た吸収素子（１８）が組み入れられていることを特徴と
する請求項１乃至４のいずれかに記載の電気的に同調可
能な表面ミクロ機械加工技術によって制作されたファブ
リペロー干渉計。 - 【請求項６】 該吸収素子（１８）の厚さがλ／２であ
ることを特徴とする請求項５記載の干渉計。 - 【請求項７】 該干渉計には共振空洞から材料をエッチ
ング除去するため干渉計上側共振ミラー（２０）の縁部
に形成された孔（１４）が包含されていることを特徴と
する請求項１乃至６のいずれかに記載の電気的に同調可
能な、表面ミクロ機械加工技術によって制作されたファ
ブリペロー干渉計。
Applications Claiming Priority (2)
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