JP4158076B2

JP4158076B2 - Wavelength selective infrared detector and infrared gas analyzer

Info

Publication number: JP4158076B2
Application number: JP2000041288A
Authority: JP
Inventors: 仁原; 直輝岸; 誠野呂; 秀人岩岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: JP2001228022A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中などのガス濃度を、赤外線を用いて測定するガス分析計に使用される、波長選択型赤外線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガス分析においては、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、非分散赤外線（Ｎｏｎ−ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａＲｅｄ）ガス分析計（以下、ＮＤＩＲガス分析計と記す）が使用されている。
【０００３】
図６から図１０は、従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
尚、以下においては、赤外線吸収波長のピークが約４．２５μｍである二酸化炭素を被測定ガスとして説明する。
【０００４】
図６は、単光線単波長ＮＤＩＲガス分析計で、ガスが供給されるサンプルセル２０と、光源２１と、フィルタ２２と、赤外線検出器２３とからなっている。
この場合、フィルタ２２は、図１１に示すような、二酸化炭素の吸収特性にあわせてその波長が４．２５μｍ近傍の赤外線を選択して透過させる。
そして、赤外線検出器２３は、フィルタ２２を透過した赤外線を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定する、
【０００５】
図７は、２光線２波長比較ＮＤＩＲガス分析計で、図１２に示すように、二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ２２と、参照光として約３．９μｍ近傍の波長の赤外線を透過させるフィルタ２４で２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３，２５により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００６】
図８は、単光線２波長比較ＮＤＩＲガス分析計で、円盤２６に形成された二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ２２と、参照光のフィルタ２４で２波長を選択し、フィルタによって選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００７】
図９は、単光線２波長ファブリペローＮＤＩＲガス分析計で、ファブリペローフィルタ２６を構成する２つの平行ミラー（図示しない）間のギャップを可変とすることにより、被測定ガスの吸収特性に合わせた波長と参照光の波長との２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３により検出される。この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００８】
図１０は、２光線１波長ＮＤＩＲガス分析計で、サンプルセル２０中での光路長が異なるように２つの光源２１，２７を配置し、被測定ガスの吸収特性に合わせたフィルタ２２を透過して検出された赤外線検出器２３の出力信号の比率により、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正し、被測定ガスの濃度を測定する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなＮＤＩＲガス分析計には次のような問題点があった。
【００１０】
（１）フィルタと赤外線検出器は、光軸を一致させるように位置合わせする必要があるが、上述のＮＤＩＲガス分析計においては、フィルタと赤外線検出器は個別素子の組み合わせであるため、両者を精度良く位置合わせすることが困難で、その精度のばらつきによって、測定器間で測定誤差が発生する。
【００１１】
（２）被測定ガス中の複数の成分を測定対象とした場合、フィルタの枚数を増加させなければならなず、そのコストが増大し、分析計が大型化してしまう。
【００１２】
（３）赤外線検出器の感度を高め、またその特性が経時変化することを防止するため、赤外線検出器をパッケージに真空封止または不活性ガス封止する工程が別に必要となり、分析計のコストを高めてしまう。
【００１３】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ファブリペローフィルタと赤外線検出器を一体に形成し、一体形成のプロセスにおいて赤外線検出器内に形成される赤外線検出部を封止することにより、組み立て精度が確保され、小型で低コストの波長選択型赤外線検出素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１においては、
光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタ２と、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器１とを同一シリコン基板６上に形成した波長選択型赤外線検出素子において、前記波長選択フィルタと赤外線検出器はシリコン酸化膜からなる絶縁層とエピタキシャル成長により形成された層を含んで積層して形成され、
前記赤外線検出部は、前記シリコン基板上に絶縁層７、赤外線検出層９、絶縁層８、スペーサ層１０を順次積層し、前記スペーサ層１０と絶縁層８との間に形成したエッチング孔を通して前記赤外線検出層下部のシリコン基板およびスペーサ層を濃度差エッチングして形成した封止室に中空に浮いた状態で真空封止され、
前記波長選択フィルタは、前記スペーサ上に封止層１２および絶縁層１６を介して設けられた第一ミラー１３と、この第一ミラーとの間にギャップ１５を介して対向配置された第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを可変としたファブリペローフィルタであって、
前記ファブリペローフィルタと前記赤外線検出部を水平方向に複数個配置してアレイ状とし、前記第１ミラーを共通のミラーとし、前記第一，第二電極に印加する電位差をそれぞれ変化させて前記ギャップの長さを可変としたことを特徴とする波長選択型赤外線検出素子である。
【００１５】
本発明の請求項２においては、
第一基板６に形成され、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタ２と、第二基板に形成され、前記波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器とを具備し、前記第一基板と前記第二基板が接合されてなり、
前記赤外線検出部は前記第一基板と第二基板に形成された溝部を対向させて形成した封止室形成部に配置され、前記波長選択フィルタが前記封止室形成部上に配置されて封止室を形成するように前記第一基板と前記第二基板とを真空中または不活性ガス中で接合することにより、前記封止室が真空封止または不活性ガス封止されており、
前記波長選択フィルタは、前記第２基板に設けられた第一ミラーと、この第一ミラーとの間にギャップを形成し前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを可変としたファブリペローフィルタであって、
前記ファブリペローフィルタと前記赤外線検出部を水平方向に複数個配置してアレイ状とし、前記第１ミラーを共通のミラーとし、前記第一，第二電極に印加する電位差をそれぞれ変化させて前記ギャップの長さを可変としたことを特徴とする波長選択型赤外線検出素子である
【００１６】
本発明の請求項３においては、
前記赤外線検出部は、赤外線ボロメータであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択型赤外線検出素子である。
【００１７】
本発明の請求項４においては、
被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部とを有し、前記赤外線検出部の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
前記波長選択フィルタと前記赤外線検出部は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長選択型赤外線検出素子により構成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００１８】
本発明の請求項５においては、
被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部とを有し、前記赤外線検出部の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
前記波長選択フィルタと前記赤外線検出部は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長選択型赤外線検出素子により構成され、
この波長選択型赤外線検出素子と前記光源との間に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
尚、以下の図面において、図６から図１２と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
図１は本発明の第一実施例の構成を示す断面図である。
【００２７】
図１において、波長選択型赤外線検出素子は、赤外線検出器１と波長選択フィルタ２とで構成されている。
赤外線検出器は、例えばボロメータであり、封止室３と、この封止室に形成される赤外線検出部４と、この赤外線検出部に通電する電極５ａ，５ｂとが基板としてのシリコン基板６上に形成されている。
【００２８】
赤外線検出部４は、シリコン基板６に形成されるシリコン酸化膜からなる絶縁層７と絶縁層８の間に形成された導電性の赤外線検出層９を螺旋状にエッチングすることにより形成されている。
赤外線検出層９は、例えば不純物濃度の高いシリコンである。
【００２９】
そして、絶縁層８上に、シリコンからなるスペーサ層１０を形成した後、このスペーサ層１０と絶縁層８との間にエッチング孔１１を形成し、このエッチング孔１１を通して赤外線検出部４下部のシリコン基板６を濃度差エッチングすることにより封止室３を形成し、赤外線検出部４をその中空に浮かせる。
【００３０】
そして、スペーサ層１０の上部にシリコンからなる封止層１２を例えばエピタキシャル成長により形成してエッチング孔１１を塞ぐ。
この場合、封止室３の内部は、エピタキシャル成長時のキャリアガスである水素が充填され、これを熱処理することにより水素を封止室３の外部に放出させて封止室３の内部を真空状態とすることができ、赤外線検出部４は、封止室３内に真空封止される。
【００３１】
波長選択フィルタ２は、第一ミラー１３と、この第一ミラー１３に対向配置される第二ミラー１４と、第一ミラー１３に設けられた第一電極１３ａと、第二ミラー１４に設けられた第二電極１４ａとからなるファブリペローフィルタである。そして、第一ミラー１３と第二ミラー１４との間にはギャップ１５が形成されており、第二ミラー１４は、第一ミラー１３の方向に変位可能となっている。
【００３２】
まず、基板としての封止層１２上にシリコン酸化膜からなる絶縁層１６が形成され、第一ミラー１３は、例えば多結晶シリコンで、この絶縁層１６上に形成される。
そして、第一ミラー１３の表面には高濃度の不純物が注入されて、第一電極１３ａが形成されている。
【００３３】
そして、第一ミラー１３上にシリコン酸化膜からなる絶縁層１７が形成され、第二ミラー１４は、例えば多結晶シリコンで、この絶縁層１７上に第一ミラー１３に対向して形成される。
そして、第二ミラー１４の表面には高濃度の不純物が注入された第二電極１４ａが、第一電極１３ａと対向して形成される。
【００３４】
そして、エッチング孔１８を第二ミラー１４に形成した後、このエッチング孔１８を通して絶縁層１７をエッチングし、第一ミラー１３と第二ミラー１４の間に長さが絶縁層１７の膜厚に相当するギャップ１５を形成する。この場合、第二ミラー１４は第一ミラー１３に絶縁層１７を介して接続された片持ち梁状となっている。尚、エッチング孔１８を第二ミラー１４に円状に複数個形成して絶縁層１７をエッチングすることにより、第二ミラー１４の形状をダイアフラム状とすることもできる。
【００３５】
そして、第一電極１３ａに外部から通電可能とする外部電極１８ａが第一電極１３ａに接触して形成され、第二電極１４ａに外部から通電可能とする外部電極１８ｂが第二電極１４ａに接触して形成される。
【００３６】
次に、動作について説明する。
第一電極１３ａと第二電極１４ａに、外部電極１８ａと外部電極１８ｂを介して電位差を与えると、第一電極１３ａと第二電極１４ａとの間に静電吸引力が発生し、第二ミラー１４が第一ミラー１３の方向に変位し、ギャップ１５の長さが変化する。
この電圧を変化させることにより、被測定ガスの吸収特性に対応した波長の赤外線を透過させるギャップ１５の長さを得ることができる。
【００３７】
例えば、電圧を印加しない状態でのギャップ１５（すなわち絶縁層１７の膜厚）を約３．１μｍとし、この初期状態を参照光測定状態とした場合、ギャップ１５を約２．２７μｍとした場合は、二酸化炭素を測定対象とすることができ、ギャップ１５を約２．５９μｍとした場合は、水蒸気を測定対象とすることができる。
【００３８】
そして、光源（図示しない）より放射された赤外線は、被測定ガスが供給されるサンプルセル（図示しない）で、特定の波長が吸収され、第二ミラーに入射する。
そして、入射した赤外線は、ギャップ１５の長さに対応する波長成分が第一ミラー１３を透過し、赤外線検出器１の封止室３内部の赤外線検出部４に入射する。
【００３９】
そして、赤外線検出部４は、赤外線の吸収量を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定する。
【００４０】
図２（ａ），（ｂ）は本発明の第二実施例の構成を示す断面図である。
尚、以下の図面において、図１と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
【００４１】
図２（ａ）において、波長選択型赤外線検出素子は、第一基板としてのシリコン基板６に形成された赤外線検出器１と、第二基板としてのシリコン基板６０に形成された波長選択フィルタ２とが接合されて構成されている。
【００４２】
赤外線検出器１は、例えばボロメータであり、封止室形成部としての溝部３０と、この溝部３０に配置される赤外線検出部４と、この赤外線検出部４に通電する電極５ａ，５ｂとがシリコン基板６上に形成されている。
【００４３】
赤外線検出部４は、シリコン基板６上に形成された絶縁層７と８の間に配置された赤外線検出層９を螺旋状にエッチングすることにより形成されている。
そして、赤外線検出部４の下部のシリコン基板６を溝状に濃度差エッチングすることにより溝部３０が形成されている。
【００４４】
波長選択フィルタ２は、シリコン基板６０上に、第一ミラー１３と、第二ミラー１４と、第一ミラー１３に設けられた第一電極１３ａと、第二ミラー１４に設けられた第二電極１４ａとが形成されたファブリペローフィルタである。
そして、シリコン基板６０の裏面には溝部３１が形成されている。
【００４５】
そして、溝部３０と溝部３１を対向させて、赤外線検出器１が形成されたシリコン基板６と波長選択フィルタ２が形成されたシリコン基板６０を真空中または不活性ガス中において直接接合することにより封止室３を形成し、赤外線検出部４をその中空に浮かせる。
この場合、封止室３の内部は、真空封止または不活性ガス封止される。
【００４６】
図２（ｂ）において、波長選択型赤外線検出素子は、図２（ａ）に示した波長選択型赤外線検出素子の波長選択フィルタ２の上下を反転した構成となっている。
この場合、赤外線検出器１と波長選択フィルタ２とは、溝部３１が形成されたスペーサ層６１を介して接合され、封止室３の内部は真空封止または不活性ガス封止されている。
【００４７】
また、外部電極１８ａは、シリコン基板６０に形成された反射防止膜６２、シリコン基板６０、及び絶縁層１６を貫通して第一電極１３ａに通電可能に形成され、外部電極１８ｂは、反射防止膜６２、シリコン基板６０、絶縁層１６、第一ミラー１３及び絶縁層１７を貫通して第二電極１４ａに通電可能に形成されている。
【００４８】
上述の、図１及び図２に示したような波長選択型赤外線検出素子は、高精度な位置合わせが可能な半導体製造プロセスによって形成されるので、赤外線検出器１と波長選択フィルタ２の位置合わせを高精度に行うことができ、測定器間の誤差を小さくすることができる。
【００４９】
また、第一電極１３ａと第二電極１４ａに加える電圧を変えることにより、ファブリペローフィルタのギャップ１５を可変としたので、被測定ガスに含まれる複数の成分を測定対象とした場合でも、フィルタの枚数を増加させる必要はなく、装置を小型化させ、そのコストを低減することができる。
【００５０】
また、赤外線検出部４は、その製造プロセスにおいて封止室３の内部に真空封止または不活性ガス封止されるため、その封止工程を別に用意する必要がなく、装置のコストを下げることができる。
【００５１】
図３は本発明の第三実施例の構成を示す断面図である。
図３において、波長選択型赤外線検出素子は、アレイ状に形成された赤外線検出器１ａ，１ｂ，１ｃと、波長選択フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃとで構成されている。
【００５２】
赤外線検出器１ａ，１ｂ，１ｃは、図２に示した赤外線検出器１と同様に、シリコン基板６上に並列に形成され、波長選択フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃは、図２に示した波長選択フィルタ２と同様にシリコン基板６０上に並列に形成されている。
【００５３】
赤外線検出器１ａ，１ｂ，１ｃには、図２に示した赤外線検出器１と同様に赤外線検出部４ａ，４ｂ，４ｃが形成されている。
そして、波長選択フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの第一ミラー１３０は共通となるように形成され、第二ミラー１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃは、それぞれ第一ミラー１３０に対向して形成されている。
【００５４】
この場合、第一ミラー１３０と第二ミラー１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃとのギャップ１５ａ，１５ｂ，１５ｃをそれぞれ異なるように形成すれば、それぞれのギャップの長さに対応する波長λ１，λ２，λ３の赤外線を透過する波長選択フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃを形成することができる。
【００５５】
そして、図２に示したファブリペローフィルタと同様に、シリコン基板６とシリコン基板６０を、真空中または不活性ガス中で直接接合することによりアレイ状の波長選択型赤外線検出素子を形成する。
尚、図１に示した波長選択型赤外線検出素子のように、同一基板上に複数の赤外線検出器と波長選択フィルタを形成するようにしても良い。
【００５６】
このように波長選択型赤外線検出素子を水平面上に複数個配置してアレイ状とし、複数の波長選択フィルタのギャップを、予めその初期ギャップの長さが異なるように形成するか、あるいは複数のガスを測定対象とするように印加する電位差をそれぞれ変化させてギャップの長さを可変とすることにより、多成分のガスを測定可能とすることができる。
【００５７】
ところで、ファブリペローフィルタは、図４に示すように、一つのガスに対して複数の波長帯域に複数の透過ピークを示す。
例えば、ギャップを２２７０ｎｍとした二酸化炭素の場合は、４２５０ｎｍ近傍と２４００ｎｍ近傍、ギャップを２５９０ｎｍとした水蒸気の場合は、４７００ｎｍ近傍と２７００ｎｍ近傍、ギャップを３１００ｎｍとした参照光の場合は３１００ｎｍ近傍と２２００ｎｍ近傍にピークが存在する。
【００５８】
従って、図５に示すように、光源３０と波長選択型赤外線検出素子３２との間の光路に、例えば２６００ｎｍから４５００ｎｍまでの波長を透過し、それ以外の帯域は不透過とするようなワイドバンドパスフィルタ３１を設けることにより、図４に示すようにギャップを２２７０ｎｍとした二酸化炭素の場合は４２５０ｎｍ近傍のみ、ギャップを２５９０ｎｍとした水蒸気の場合は２７００ｎｍ近傍のみ、ギャップを３１００ｎｍとした参照光の場合は３１００ｎｍ近傍のみが選択され、各ギャップで一つのピークのみを選択させることにより、複数のガスの吸収量を測定することができる。
【００５９】
また、上記の説明においては、赤外線検出器をボロメータとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、振動式、量子型等の赤外線検出器により構成することも可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１および請求項３によれば、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタ２と、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器１とを同一シリコン基板６上に形成した波長選択型赤外線検出素子において、前記波長選択フィルタと赤外線検出器はシリコン酸化膜からなる絶縁層とエピタキシャル成長により形成された層を含んで積層して形成され、
前記赤外線検出部は、前記シリコン基板上に絶縁層７、赤外線検出層９、絶縁層８、スペーサ層１０を順次積層し、前記スペーサ層１０と絶縁層８との間に形成したエッチング孔を通して前記赤外線検出層下部のシリコン基板およびスペーサ層を濃度差エッチングして形成した封止室に中空に浮いた状態で真空封止され、
前記波長選択フィルタは、前記スペーサ上に封止層１２および絶縁層１６を介して設けられた第一ミラー１３と、この第一ミラーとの間にギャップ１５を介して対向配置された第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを可変としたファブリペローフィルタであって、
前記ファブリペローフィルタと前記赤外線検出部を水平方向に複数個配置してアレイ状とし、前記第１ミラーを共通のミラーとし、前記第一，第二電極に印加する電位差をそれぞれ変化させて前記ギャップの長さを可変としたので、組み立て精度が確保され、小型で低コスト、かつ、多成分のガス濃度を測定可能な波長選択型赤外線検出素子を提供することができる。
【００６１】
本発明の請求項２および３によれば、第一基板６に形成され、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタ２と、第二基板に形成され、前記波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出部を有する赤外線検出器とを具備し、前記第一基板と前記第二基板が接合されてなり、
前記赤外線検出部は前記第一基板と第二基板に形成された溝部を対向させて形成した封止室形成部に配置され、前記波長選択フィルタが前記封止室形成部上に配置されて封止室を形成するように前記第一基板と前記第二基板とを真空中または不活性ガス中で接合することにより、前記封止室が真空封止または不活性ガス封止されており、
前記波長選択フィルタは、前記第２基板に設けられた第一ミラーと、この第一ミラーとの間にギャップを形成し前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを可変としたファブリペローフィルタであって、
前記ファブリペローフィルタと前記赤外線検出部を水平方向に複数個配置してアレイ状とし、前記第１ミラーを共通のミラーとし、前記第一，第二電極に印加する電位差をそれぞれ変化させて前記ギャップの長さを可変としたので、組み立て精度が確保され、小型で低コスト、かつ、多成分のガス濃度を測定可能な波長選択型赤外線検出素子を提供することができる。
【００６２】
本発明の請求項４によれば、請求項１から請求項３の波長選択型赤外線検出素子を使用するようにしたので、小型で低コストの赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００６３】
本発明の請求項５によれば、請求項１から請求項４の波長選択型赤外線検出素子を使用し、特定帯域幅のみの赤外線を透過するワイドバンドパスフィルタを設けたので、各ギャップで一つのピークのみを選択させ、複数のガス濃度を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００６５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第二実施例の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第三実施例の構成を示す断面図である。
【図４】ファブリペローフィルタの透過特性及びガス吸収特性図である。
【図５】本発明の実施例を使用した赤外線ガス分析計の構成概略図である。
【図６】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図７】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図８】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図９】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図１０】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図１１】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【図１２】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【符号の説明】
１赤外線検出器
２波長選択フィルタ
３封止室
４赤外線検出部
６シリコン基板
１３第一ミラー
１３ａ第一電極
１４第二ミラー
１４ａ第二電極
１５ギャップ
３０光源
３１ワイドバンドパスフィルタ
３２波長選択型赤外線検出素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength selective infrared detecting element used in a gas analyzer that measures the gas concentration in the atmosphere or the like using infrared rays.
[0002]
[Prior art]
In gas analysis, a non-dispersive infrared gas analyzer (Non-Dispersive InfraRed) gas analyzer that measures the gas concentration by detecting the amount of absorption by utilizing the difference in the wavelength of infrared rays absorbed depending on the type of gas. Hereinafter, an NDIR gas analyzer) is used.
[0003]
6 to 10 are configuration diagrams of a conventional NDIR gas analyzer.
In the following, carbon dioxide having an infrared absorption wavelength peak of about 4.25 μm will be described as a gas to be measured.
[0004]
FIG. 6 shows a single-light single-wavelength NDIR gas analyzer, which includes a sample cell 20 to which a gas is supplied, a light source 21, a filter 22, and an infrared detector 23.
In this case, the filter 22 selects and transmits infrared rays having a wavelength in the vicinity of 4.25 μm in accordance with carbon dioxide absorption characteristics as shown in FIG.
And the infrared detector 23 measures the density | concentration of to-be-measured gas by detecting the infrared rays which permeate | transmitted the filter 22,
[0005]
FIG. 7 shows a two-beam / two-wavelength comparison NDIR gas analyzer. As shown in FIG. 12, a filter 22 adapted to the absorption characteristic of carbon dioxide and a filter that transmits infrared light having a wavelength of about 3.9 μm as reference light. 24, two wavelengths are selected, and the selected infrared rays are detected by infrared detectors 23 and 25, respectively.
In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0006]
FIG. 8 is a single-light two-wavelength comparison NDIR gas analyzer. Two wavelengths are selected by a filter 22 that matches the absorption characteristic of carbon dioxide formed on the disk 26 and a filter 24 for reference light, and are selected by the filter. Infrared rays are detected by an infrared detector 23, respectively.
In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0007]
FIG. 9 shows a single-beam, two-wavelength Fabry-Perot NDIR gas analyzer, which is adapted to the absorption characteristics of the gas to be measured by making the gap between two parallel mirrors (not shown) constituting the Fabry-Perot filter 26 variable. Two wavelengths, the wavelength and the wavelength of the reference light, are selected, and the selected infrared rays are detected by the infrared detector 23, respectively. In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0008]
FIG. 10 shows a two-beam / one-wavelength NDIR gas analyzer, in which two light sources 21 and 27 are arranged so that the optical path lengths in the sample cell 20 are different, and transmitted through a filter 22 that matches the absorption characteristics of the gas to be measured. Based on the ratio of the output signal of the infrared detector 23 detected in this way, the change over time of the output signal due to contamination of the sample cell 20 is corrected, and the concentration of the gas to be measured is measured.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, such an NDIR gas analyzer has the following problems.
[0010]
(1) The filter and the infrared detector need to be aligned so that the optical axes coincide with each other. However, in the above-mentioned NDIR gas analyzer, the filter and the infrared detector are a combination of individual elements. It is difficult to align with high accuracy, and measurement errors occur between measuring instruments due to variations in accuracy.
[0011]
(2) When a plurality of components in the gas to be measured are measured, the number of filters must be increased, which increases the cost and increases the size of the analyzer.
[0012]
(3) In order to increase the sensitivity of the infrared detector and prevent its characteristics from changing over time, a separate process of vacuum-sealing or inert gas sealing the infrared detector into the package is necessary, and the cost of the analyzer Will increase.
[0013]
The present invention has been made to solve the above-described problems. A Fabry-Perot filter and an infrared detector are integrally formed, and an infrared detector formed in the infrared detector is sealed in an integrated process. Thus, an object of the present invention is to provide a wavelength-selective infrared detection element that is assured in assembly accuracy and is small and low in cost.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In claim 1 of the present invention,
A wavelength selective filter in which the wavelength selective filter 2 for selectively transmitting infrared rays from the light source and the infrared detector 1 having an infrared detector for detecting infrared rays transmitted through the wavelength selective filter are formed on the same silicon substrate 6. In the infrared detection element, the wavelength selection filter and the infrared detector are formed by laminating including an insulating layer made of a silicon oxide film and a layer formed by epitaxial growth,
The infrared detecting unit sequentially stacks an insulating layer 7, an infrared detecting layer 9, an insulating layer 8, and a spacer layer 10 on the silicon substrate, and passes through an etching hole formed between the spacer layer 10 and the insulating layer 8. The silicon substrate and the spacer layer below the infrared detection layer are vacuum-sealed in a state of floating in a sealed chamber formed by concentration difference etching ,
The wavelength selective filter includes a first mirror 13 provided on the spacer via a sealing layer 12 and an insulating layer 16, and a second mirror disposed opposite to the first mirror via a gap 15. A first electrode provided on the first mirror, and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, wherein a potential difference is provided between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced by giving the gap length variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. The wavelength-selective infrared detecting element is characterized in that the length of is variable .
[0015]
In claim 2 of the present invention,
Infrared detection having a wavelength selection filter 2 that is formed on the first substrate 6 and selectively transmits infrared rays from the light source, and an infrared detection unit that is formed on the second substrate and detects infrared rays transmitted through the wavelength selection filter. And the first substrate and the second substrate are joined,
The infrared detecting part is arranged in the sealing chamber forming portion formed by opposing a groove formed in the first substrate and the second substrate, the wavelength selection filter is disposed on the sealing chamber forming portion By bonding the first substrate and the second substrate in a vacuum or in an inert gas so as to form a sealing chamber, the sealing chamber is vacuum sealed or inert gas sealed,
The wavelength selective filter includes a first mirror provided on the second substrate and a second mirror disposed so as to be displaceably opposed to the first mirror by forming a gap between the first mirror and the first mirror. A first electrode provided on the first mirror; and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, and providing a potential difference between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced and the length of the gap is variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. A wavelength-selective infrared detecting element characterized in that the length of the sensor is variable.
In claim 3 of the present invention,
The wavelength selective infrared detection element according to claim 1 , wherein the infrared detection unit is an infrared bolometer .
[0017]
In claim 4 of the present invention,
A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the unit,
The said wavelength selection filter and the said infrared detection part are the infrared gas analyzers comprised by the wavelength selection type | mold infrared detection element in any one of Claims 1-3 .
[0018]
In claim 5 of the present invention,
A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the unit,
The wavelength selective filter and the infrared detection unit are configured by the wavelength selective infrared detection element according to any one of claims 1 to 3 .
An infrared gas analyzer comprising a wide bandpass filter that is disposed between the wavelength selective infrared detecting element and the light source and transmits a wavelength in a specific band only.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following drawings, the same parts as those in FIGS. 6 to 12 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the first embodiment of the present invention.
[0027]
In FIG. 1, the wavelength selective infrared detecting element is composed of an infrared detector 1 and a wavelength selective filter 2.
The infrared detector is, for example, a bolometer, and a sealing chamber 3, an infrared detection unit 4 formed in the sealing chamber, and electrodes 5a and 5b that energize the infrared detection unit are provided on a silicon substrate 6 as a substrate. Is formed.
[0028]
The infrared detection unit 4 is formed by spirally etching a conductive infrared detection layer 9 formed between an insulating layer 7 and an insulating layer 8 made of a silicon oxide film formed on a silicon substrate 6. .
The infrared detection layer 9 is, for example, silicon having a high impurity concentration.
[0029]
Then, after forming the spacer layer 10 made of silicon on the insulating layer 8, an etching hole 11 is formed between the spacer layer 10 and the insulating layer 8, and the silicon below the infrared detection unit 4 is formed through the etching hole 11. The substrate 6 is subjected to concentration difference etching to form the sealing chamber 3, and the infrared detection unit 4 is floated in the hollow.
[0030]
Then, a sealing layer 12 made of silicon is formed on the spacer layer 10 by, for example, epitaxial growth to close the etching hole 11.
In this case, the inside of the sealing chamber 3 is filled with hydrogen which is a carrier gas at the time of epitaxial growth, and heat treatment is performed to release hydrogen to the outside of the sealing chamber 3 so that the inside of the sealing chamber 3 is in a vacuum state. The infrared detection unit 4 is vacuum sealed in the sealing chamber 3.
[0031]
The wavelength selection filter 2 is provided on the first mirror 13, the second mirror 14 disposed opposite to the first mirror 13, the first electrode 13 a provided on the first mirror 13, and the second mirror 14. This is a Fabry-Perot filter including the second electrode 14a. A gap 15 is formed between the first mirror 13 and the second mirror 14, and the second mirror 14 can be displaced in the direction of the first mirror 13.
[0032]
First, an insulating layer 16 made of a silicon oxide film is formed on the sealing layer 12 as a substrate, and the first mirror 13 is formed on the insulating layer 16 with, for example, polycrystalline silicon.
A high-concentration impurity is implanted into the surface of the first mirror 13 to form a first electrode 13a.
[0033]
An insulating layer 17 made of a silicon oxide film is formed on the first mirror 13, and the second mirror 14 is made of, for example, polycrystalline silicon, and is formed on the insulating layer 17 so as to face the first mirror 13.
A second electrode 14a into which a high-concentration impurity is implanted is formed on the surface of the second mirror 14 so as to face the first electrode 13a.
[0034]
After the etching hole 18 is formed in the second mirror 14, the insulating layer 17 is etched through the etching hole 18, and the length between the first mirror 13 and the second mirror 14 corresponds to the film thickness of the insulating layer 17. The gap 15 to be formed is formed. In this case, the second mirror 14 has a cantilever shape connected to the first mirror 13 via the insulating layer 17. In addition, by forming a plurality of etching holes 18 in the shape of a circle in the second mirror 14 and etching the insulating layer 17, the shape of the second mirror 14 can be made a diaphragm.
[0035]
Then, an external electrode 18a that can be energized from the outside to the first electrode 13a is formed in contact with the first electrode 13a, and an external electrode 18b that can be energized from the outside to the second electrode 14a is in contact with the second electrode 14a. Formed.
[0036]
Next, the operation will be described.
When a potential difference is applied to the first electrode 13a and the second electrode 14a via the external electrode 18a and the external electrode 18b, an electrostatic attractive force is generated between the first electrode 13a and the second electrode 14a, and the second mirror 14 is displaced in the direction of the first mirror 13, and the length of the gap 15 changes.
By changing this voltage, it is possible to obtain the length of the gap 15 that transmits infrared light having a wavelength corresponding to the absorption characteristic of the gas to be measured.
[0037]
For example, when the gap 15 (that is, the film thickness of the insulating layer 17) when no voltage is applied is about 3.1 μm and this initial state is the reference light measurement state, the gap 15 is about 2.27 μm. Carbon dioxide can be measured, and when the gap 15 is about 2.59 μm, water vapor can be measured.
[0038]
The infrared light emitted from the light source (not shown) is absorbed by the sample cell (not shown) supplied with the gas to be measured and is incident on the second mirror.
In the incident infrared rays, the wavelength component corresponding to the length of the gap 15 passes through the first mirror 13 and enters the infrared detection unit 4 inside the sealing chamber 3 of the infrared detector 1.
[0039]
And the infrared detection part 4 measures the density | concentration of to-be-measured gas by detecting the absorbed amount of infrared rays.
[0040]
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views showing the configuration of the second embodiment of the present invention.
In addition, in the following drawings, the same part as FIG. 1 is attached with the same number, and the description is abbreviate | omitted suitably.
[0041]
In FIG. 2A, the wavelength selective infrared detecting element includes an infrared detector 1 formed on a silicon substrate 6 as a first substrate, and a wavelength selective filter 2 formed on a silicon substrate 60 as a second substrate. Are joined together.
[0042]
The infrared detector 1 is, for example, a bolometer, and a groove portion 30 as a sealing chamber forming portion, an infrared detection portion 4 disposed in the groove portion 30, and electrodes 5 a and 5 b energizing the infrared detection portion 4 are made of silicon. It is formed on the substrate 6.
[0043]
The infrared detection unit 4 is formed by spirally etching an infrared detection layer 9 disposed between insulating layers 7 and 8 formed on a silicon substrate 6.
And the groove part 30 is formed by carrying out the density | concentration difference etching of the silicon substrate 6 of the lower part of the infrared detection part 4 in groove shape.
[0044]
The wavelength selection filter 2 includes a first mirror 13, a second mirror 14, a first electrode 13 a provided on the first mirror 13, and a second electrode 14 a provided on the second mirror 14 on the silicon substrate 60. These are Fabry-Perot filters formed.
A groove 31 is formed on the back surface of the silicon substrate 60.
[0045]
Then, the groove 30 and the groove 31 are opposed to each other, and the silicon substrate 6 on which the infrared detector 1 is formed and the silicon substrate 60 on which the wavelength selection filter 2 is formed are directly bonded in vacuum or in an inert gas. A stop chamber 3 is formed, and the infrared detection unit 4 is floated in the hollow.
In this case, the inside of the sealing chamber 3 is vacuum sealed or inert gas sealed.
[0046]
In FIG. 2B, the wavelength selective infrared detecting element has a configuration in which the wavelength selective filter 2 of the wavelength selective infrared detecting element shown in FIG.
In this case, the infrared detector 1 and the wavelength selection filter 2 are joined via the spacer layer 61 in which the groove 31 is formed, and the inside of the sealing chamber 3 is vacuum sealed or inert gas sealed.
[0047]
The external electrode 18a penetrates the antireflection film 62 formed on the silicon substrate 60, the silicon substrate 60, and the insulating layer 16 so that the first electrode 13a can be energized. The external electrode 18b is formed of an antireflection film. 62, the silicon substrate 60, the insulating layer 16, the first mirror 13, and the insulating layer 17 are formed to be able to pass through the second electrode 14 a.
[0048]
The wavelength-selective infrared detecting element as shown in FIG. 1 and FIG. 2 is formed by a semiconductor manufacturing process capable of highly accurate alignment. Therefore, alignment of the infrared detector 1 and the wavelength selective filter 2 is performed. Can be performed with high accuracy, and errors between measuring instruments can be reduced.
[0049]
Further, since the gap 15 of the Fabry-Perot filter is made variable by changing the voltage applied to the first electrode 13a and the second electrode 14a, even when a plurality of components contained in the gas to be measured are measured, it is not necessary to increase the number, to reduce the size of the apparatus can Rukoto lessen low and its cost.
[0050]
In addition, since the infrared detection unit 4 is vacuum sealed or inert gas sealed inside the sealing chamber 3 in the manufacturing process, it is not necessary to prepare the sealing process separately, thereby reducing the cost of the apparatus. Can do.
[0051]
FIG. 3 is a sectional view showing the configuration of the third embodiment of the present invention.
In FIG. 3, the wavelength selective infrared detecting element is composed of infrared detectors 1a, 1b, 1c formed in an array and wavelength selective filters 2a, 2b, 2c.
[0052]
The infrared detectors 1a, 1b, and 1c are formed in parallel on the silicon substrate 6 in the same manner as the infrared detector 1 shown in FIG. 2, and the wavelength selection filters 2a, 2b, and 2c are used for the wavelength selection shown in FIG. Like the filter 2, they are formed in parallel on the silicon substrate 60.
[0053]
Infrared detectors 4a, 4b, and 4c are formed in the infrared detectors 1a, 1b, and 1c similarly to the infrared detector 1 shown in FIG.
The first mirrors 130 of the wavelength selection filters 2a, 2b, and 2c are formed to be common, and the second mirrors 140a, 140b, and 140c are formed to face the first mirror 130, respectively.
[0054]
In this case, if the gaps 15a, 15b, and 15c between the first mirror 130 and the second mirrors 140a, 140b, and 140c are formed to be different from each other, infrared rays having wavelengths λ1, λ2, and λ3 corresponding to the lengths of the gaps are formed. The wavelength selective filters 2a, 2b, and 2c that transmit the light can be formed.
[0055]
Then, similarly to the Fabry-Perot filter shown in FIG. 2, the silicon substrate 6 and the silicon substrate 60 are directly bonded in vacuum or in an inert gas to form an arrayed wavelength selective infrared detecting element.
A plurality of infrared detectors and wavelength selective filters may be formed on the same substrate as the wavelength selective infrared detecting element shown in FIG.
[0056]
In this way, a plurality of wavelength-selective infrared detecting elements are arranged on a horizontal plane to form an array, and the gaps of the plurality of wavelength-selective filters are formed in advance so that the lengths of the initial gaps are different, or a plurality of gases It is possible to measure multi-component gas by changing the potential difference to be applied so as to be the measurement object and making the gap length variable.
[0057]
By the way, as shown in FIG. 4, the Fabry-Perot filter shows a plurality of transmission peaks in a plurality of wavelength bands for one gas.
For example, in the case of carbon dioxide with a gap of 2270 nm, around 4250 nm and around 2400 nm, in the case of water vapor with a gap of 2590 nm, around 4700 nm and around 2700 nm, and in the case of reference light with a gap of 3100 nm, around 3100 nm and around 2200 nm There is a peak.
[0058]
Therefore, as shown in FIG. 5, a wide band in which a wavelength from 2600 nm to 4500 nm, for example, is transmitted through the optical path between the light source 30 and the wavelength selective infrared detecting element 32 and the other bands are not transmitted. By providing the pass filter 31, as shown in FIG. 4, in the case of carbon dioxide having a gap of 2270 nm, only in the vicinity of 4250 nm, in the case of water vapor having a gap of 2590 nm, only in the vicinity of 2700 nm, and in the case of reference light having a gap of 3100 nm Is selected only in the vicinity of 3100 nm, and by selecting only one peak in each gap, the amount of absorption of a plurality of gases can be measured.
[0059]
In the above description, the infrared detector is a bolometer. However, the present invention is not limited to this, and the infrared detector may be configured by a vibration type or a quantum type infrared detector.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and third aspects of the present invention, the wavelength selection filter 2 that selectively transmits the infrared light from the light source and the infrared detection that detects the infrared light transmitted through the wavelength selection filter. In the wavelength selective infrared detection element in which the infrared detector 1 having a portion is formed on the same silicon substrate 6, the wavelength selective filter and the infrared detector include an insulating layer made of a silicon oxide film and a layer formed by epitaxial growth. Is formed by laminating
The infrared detecting unit sequentially stacks an insulating layer 7, an infrared detecting layer 9, an insulating layer 8, and a spacer layer 10 on the silicon substrate, and passes through an etching hole formed between the spacer layer 10 and the insulating layer 8. The silicon substrate and the spacer layer below the infrared detection layer are vacuum-sealed in a state of floating in a sealed chamber formed by concentration difference etching ,
The wavelength selective filter includes a first mirror 13 provided on the spacer via a sealing layer 12 and an insulating layer 16, and a second mirror disposed opposite to the first mirror via a gap 15. A first electrode provided on the first mirror, and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, wherein a potential difference is provided between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced by giving the gap length variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. Since the assembly length is variable, it is possible to provide a wavelength-selective infrared detecting element that can ensure assembly accuracy, is small in size, low in cost, and can measure multicomponent gas concentrations.
[0061]
According to the second and third aspects of the present invention, the wavelength selection filter 2 is formed on the first substrate 6 and transmits the infrared rays from the light source in a wavelength selective manner, and is formed on the second substrate and passes through the wavelength selection filter. Comprising an infrared detector having an infrared detector for detecting infrared rays, wherein the first substrate and the second substrate are joined,
The infrared detecting part is arranged in the sealing chamber forming portion formed by opposing a groove formed in the first substrate and the second substrate, the wavelength selection filter is disposed on the sealing chamber forming portion By bonding the first substrate and the second substrate in a vacuum or in an inert gas so as to form a sealing chamber, the sealing chamber is vacuum sealed or inert gas sealed,
The wavelength selection filter includes a first mirror provided on the second substrate and a second mirror disposed so as to be displaceably opposed to the first mirror by forming a gap between the first mirror and the first mirror. A first electrode provided on the first mirror; and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, and providing a potential difference between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced and the length of the gap is variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. Since the assembly length is variable, it is possible to provide a wavelength-selective infrared detecting element that can ensure assembly accuracy, is small in size, low in cost, and can measure multicomponent gas concentrations.
[0062]
According to the fourth aspect of the present invention, since the wavelength selective infrared detection element according to the first to third aspects is used, a small-sized and low-cost infrared gas analyzer can be provided.
[0063]
According to the fifth aspect of the present invention, since the wavelength-selective infrared detecting element according to any one of the first to fourth aspects is used and a wide bandpass filter that transmits infrared light having only a specific bandwidth is provided, each gap has one. An infrared gas analyzer that can select only one peak and measure a plurality of gas concentrations can be provided.
[0065]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a transmission characteristic and gas absorption characteristic diagram of a Fabry-Perot filter.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an infrared gas analyzer using an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 11 is a graph showing infrared transmission characteristics and absorption characteristics of a filter.
FIG. 12 is a graph showing infrared transmission characteristics and absorption characteristics of a filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Infrared detector 2 Wavelength selection filter 3 Sealing chamber 4 Infrared detection part 6 Silicon substrate 13 First mirror 13a First electrode 14 Second mirror 14a Second electrode 15 Gap 30 Light source 31 Wide band pass filter 32 Wavelength selection type infrared detection element

Claims

A wavelength selective filter in which the wavelength selective filter 2 for selectively transmitting infrared rays from the light source and the infrared detector 1 having an infrared detector for detecting infrared rays transmitted through the wavelength selective filter are formed on the same silicon substrate 6. In the infrared detection element, the wavelength selection filter and the infrared detector are formed by laminating including an insulating layer made of a silicon oxide film and a layer formed by epitaxial growth,
The infrared detecting unit sequentially stacks an insulating layer 7, an infrared detecting layer 9, an insulating layer 8, and a spacer layer 10 on the silicon substrate, and passes through an etching hole formed between the spacer layer 10 and the insulating layer 8. vacuum sealed in the hollow floating state silicon substrate and the spacer layer of the infrared detecting layer lower in the sealing chamber which is formed by density difference etched,
The wavelength selective filter includes a first mirror 13 provided on the spacer via a sealing layer 12 and an insulating layer 16, and a second mirror disposed opposite to the first mirror via a gap 15. A first electrode provided on the first mirror, and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, wherein a potential difference is provided between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced by giving the gap length variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. A wavelength-selective infrared detecting element characterized in that the length of is variable .

Infrared detection having a wavelength selection filter 2 that is formed on the first substrate 6 and selectively transmits infrared rays from the light source, and an infrared detection unit that is formed on the second substrate and detects infrared rays transmitted through the wavelength selection filter. And the first substrate and the second substrate are joined,
The infrared detecting part is arranged in the sealing chamber forming portion formed by opposing a groove formed in the first substrate and the second substrate, the wavelength selection filter is disposed on the sealing chamber forming portion By bonding the first substrate and the second substrate in a vacuum or in an inert gas so as to form a sealing chamber, the sealing chamber is vacuum sealed or inert gas sealed,
The wavelength selective filter includes a first mirror provided on the second substrate and a second mirror disposed so as to be displaceably opposed to the first mirror by forming a gap between the first mirror and the first mirror. A first electrode provided on the first mirror; and a second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode, and providing a potential difference between the first electrode and the second electrode. A Fabry-Perot filter in which the second mirror is displaced and the length of the gap is variable,
A plurality of the Fabry-Perot filters and the infrared detectors are arranged in a horizontal direction to form an array, the first mirror is a common mirror, and the potential difference applied to the first and second electrodes is changed to change the gap. A wavelength-selective infrared detecting element characterized in that the length of is variable .

The wavelength-selective infrared detection element according to claim 1, wherein the infrared detection unit is an infrared bolometer.

A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the unit,
4. The infrared gas analyzer according to claim 1, wherein the wavelength selective filter and the infrared detection unit are configured by the wavelength selective infrared detection element according to any one of claims 1 to 3.

A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the unit,
The wavelength selective filter and the infrared detection unit are configured by the wavelength selective infrared detection element according to any one of claims 1 to 3 .
An infrared gas analyzer comprising a wide bandpass filter disposed between the wavelength selective infrared detecting element and the light source and transmitting a wavelength of a specific band only.