JP4576656B2 - 赤外線光源及び赤外線ガス分析計 - Google Patents
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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赤外線ガス分析計に使用される赤外線光源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−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ）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】
ＮＤＩＲガス分析計は、寸法を特定したセル内に被測定ガスを導入し、被測定ガスに赤外光を入射し、ある特定した赤外波長帯の強度の減衰量から被測定ガス成分の濃度を測定するもので、例えば二酸化炭素を測定する場合には、４．２５μｍ近傍の赤外線の透過量を測定すれば良い。
【０００４】
図４は、ＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
図４おいて、ＮＤＩＲガス分析計は、セル１００と、赤外線光源１０１と、波長選択フィルタ１０２と、赤外線検出器１０３と、赤外線検出器の信号を処理する信号処理回路（図示しない）とから構成されている。
【０００５】
セル１００の内部には被測定ガスが供給され、赤外線光源から放射されて被測定ガスに照射された赤外光は、波長選択フィルタ１０２に入射する。
そして、被測定ガスの吸収特性に対応した波長帯域近傍の赤外光が波長選択フィルタ１０２を透過し、赤外線検出器１０３により検出され、信号処理回路は、赤外線検出器１０３からの信号に基づいて被測定ガスの濃度を算出する。
【０００６】
図５（ａ）は、従来の赤外線光源の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した赤外線光源のＡ−Ａ‘断面図である。
図５（ａ），（ｂ）において、赤外線光源は、シリコン基板１にマイクロブリッジ状のフィラメント２が、シリコン基板１に形成された堀３の両端に固定されるように形成されている。
【０００７】
フィラメント２は、シリコン基板１上に形成された二酸化シリコン４の上に、ボロンが高濃度にドープされた多結晶シリコン層５を形成した後、この多結晶シリコン層５を直線状にパターニングすることによりその平面形状が形成されている。
【０００８】
そして、シリコン基板１の両面に形成された二酸化シリコン４をマスクとして、フィラメント２下部のシリコン基板１を異方性の濃度差エッチングすることにより堀３を形成し、直線状のフィラメント２が堀３上の空中に浮き、その両端が堀３の両端に固定されたマイクロブリッジ構造を形成している。
【０００９】
そして、多結晶シリコン層５上に形成された二酸化シリコン６を窓開け加工した後、フィラメント２に通電可能に電極７ａ，７ｂを形成し、この電極７ａ，７ｂを介してフィラメント２に電流を流すと、フィラメント２は発熱しその温度に対応した赤外線を放出する。
【００１０】
このような赤外線光源は、熱応答特性が高速であると共に、赤外線放射率が高く、簡単な駆動回路で駆動することができる。
また、その製造においては、半導体製造プロセスを使用するので、高性能な赤外線光源を低コストに大量生産することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような赤外線光源においては、フィラメント２は直線状で、その両端の固定部２ａ，２ｂが堀３の縁に固定された構造となっているため、急峻な温度変化による熱膨張と収縮の繰り返しによる応力がその両端の固定部２ａ，２ｂに集中することとなり、フィラメント２が疲労破壊してしまう恐れがあり、長期の使用に耐えないという問題点があった。
【００１２】
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、フィラメントの形状を、温度変化によって加えられる応力を分散させる形状とすることにより、フィラメントの疲労破壊強度を増し、長期に渡って使用することができる赤外線光源を提供することを目的とする。
【００１３】
【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、フィラメントの両端が基板に形成された堀の両縁に固定されてこのフィラメントの両端間がこの堀上の空中に浮くマイクロブリッジ構造として構成され、前記フィラメントに通電して発熱させることにより赤外線を発光させる赤外線光源であって、前記フィラメントの両端間には、複数の折返部が形成され、前記フィラメントの両端間の形状を、ミアンダ状またはスパイラル状としたことを特徴とする赤外線光源である。
【００１６】
本発明の請求項２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器とを有し、前記赤外線検出器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、前記光源として、請求項１記載の赤外線光源を使用することを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００１７】
【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５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（ａ）は本発明の一実施例の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した赤外線光源のＡ−Ａ‘断面図である。
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）において、フィラメント２は、図５に示した多結晶シリコン層５が、複数の直線部が折り返された板バネ状（ミアンダ型）にパターニングされている。
【００１９】
そして、フィラメント２下部のシリコン基板１を、二酸化シリコン４をマスクとして異方性（の濃度差）エッチングを行うことにより、堀３を形成する。
【００２０】
濃度差エッチングは、濃度差によりシリコンのエッチング速度が異なるアルカリ系の溶液として、例えば、ＫＯＨを使用してシリコン基板１を異方性エッチングすることにより行なわれ、濃度の高いフィラメント２はエッチングされずに残り、この堀３の縁に固定部２ａ，２ｂが固定され、堀３上の空中に浮いた状態となる。
【００２１】
尚、濃度差エッチングをシリコン基板の裏面より行い、図２に示すように堀３がシリコン基板１を完全に貫通するような構造としても良い。
【００２２】
そして、フィラメント２の固定部２ａ，２ｂ上部には、フィラメント２に通電する電極７ａ，７ｂが形成され、この電極７ａ，７ｂを介してフィラメント２に電流を流すと、フィラメント２は発熱し、その温度に対応した赤外線を放出する。
【００２３】
この場合、急激な温度変化によりフィラメント２に加えられる応力は、複数の直線部２ｃが折り返される複数の折返部２ｄに分散されることとなり、その破壊強度を増すことができる。
【００２４】
また、フィラメント２の形状を図３に示すようなスパイラル型としても、ミアンダ型と同様にフィラメント２に加わる応力を全体に分散させることが可能であり、その破壊強度を増すことができる。
【００２５】
尚、説明においてはフィラメントの材質を、高濃度のボロンが注入された多結晶シリコンとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その材質を単結晶シリコンとすることもできる。
例えば、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して不純物濃度の高い単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ基板を使用し、この高濃度の単結晶シリコン層をマイクロブリッジ加工することによりフィラメントを作成すれば、単結晶シリコン層の厚さ及び不純物濃度の制御性が高いことからフィラメントの厚さ及び不純物濃度の制御性も高めることができるので、投入電力と光源の強度の関係のばらつき等の固体差の小さい赤外線光源を実現することが可能となる。
【００２６】
そして、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの所望の波長の赤外線を選択して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器とを有し、赤外線検出器の出力に基づいて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、光源として上述のような赤外線光源使用した場合は、フィラメントの寿命が長い赤外線ガス分析計を実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１から請求項３によれば、フィラメントの形状を、温度変化によって加えられる応力を分散させる形状としたので、フィラメントの疲労破壊強度を増し、長期に渡って使用することができる赤外線光源を提供することができ、請求項４によれば、請求項１から請求項３記載の赤外線光源を赤外線ガス分析計に適用することにより、長期使用に耐える赤外線ガス分析計を実現することができる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の構成図である。
【図２】本発明の第二実施例の断面図である。
【図３】本発明の第三実施例の平面図である。
【図４】ＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図５】従来の赤外線光源の構成図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ フィラメント
【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赤外線ガス分析計に使用される赤外線光源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−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ）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】
ＮＤＩＲガス分析計は、寸法を特定したセル内に被測定ガスを導入し、被測定ガスに赤外光を入射し、ある特定した赤外波長帯の強度の減衰量から被測定ガス成分の濃度を測定するもので、例えば二酸化炭素を測定する場合には、４．２５μｍ近傍の赤外線の透過量を測定すれば良い。
【０００４】
図４は、ＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
図４おいて、ＮＤＩＲガス分析計は、セル１００と、赤外線光源１０１と、波長選択フィルタ１０２と、赤外線検出器１０３と、赤外線検出器の信号を処理する信号処理回路（図示しない）とから構成されている。
【０００５】
セル１００の内部には被測定ガスが供給され、赤外線光源から放射されて被測定ガスに照射された赤外光は、波長選択フィルタ１０２に入射する。
そして、被測定ガスの吸収特性に対応した波長帯域近傍の赤外光が波長選択フィルタ１０２を透過し、赤外線検出器１０３により検出され、信号処理回路は、赤外線検出器１０３からの信号に基づいて被測定ガスの濃度を算出する。
【０００６】
図５（ａ）は、従来の赤外線光源の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した赤外線光源のＡ−Ａ‘断面図である。
図５（ａ），（ｂ）において、赤外線光源は、シリコン基板１にマイクロブリッジ状のフィラメント２が、シリコン基板１に形成された堀３の両端に固定されるように形成されている。
【０００７】
フィラメント２は、シリコン基板１上に形成された二酸化シリコン４の上に、ボロンが高濃度にドープされた多結晶シリコン層５を形成した後、この多結晶シリコン層５を直線状にパターニングすることによりその平面形状が形成されている。
【０００８】
そして、シリコン基板１の両面に形成された二酸化シリコン４をマスクとして、フィラメント２下部のシリコン基板１を異方性の濃度差エッチングすることにより堀３を形成し、直線状のフィラメント２が堀３上の空中に浮き、その両端が堀３の両端に固定されたマイクロブリッジ構造を形成している。
【０００９】
そして、多結晶シリコン層５上に形成された二酸化シリコン６を窓開け加工した後、フィラメント２に通電可能に電極７ａ，７ｂを形成し、この電極７ａ，７ｂを介してフィラメント２に電流を流すと、フィラメント２は発熱しその温度に対応した赤外線を放出する。
【００１０】
このような赤外線光源は、熱応答特性が高速であると共に、赤外線放射率が高く、簡単な駆動回路で駆動することができる。
また、その製造においては、半導体製造プロセスを使用するので、高性能な赤外線光源を低コストに大量生産することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような赤外線光源においては、フィラメント２は直線状で、その両端の固定部２ａ，２ｂが堀３の縁に固定された構造となっているため、急峻な温度変化による熱膨張と収縮の繰り返しによる応力がその両端の固定部２ａ，２ｂに集中することとなり、フィラメント２が疲労破壊してしまう恐れがあり、長期の使用に耐えないという問題点があった。
【００１２】
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、フィラメントの形状を、温度変化によって加えられる応力を分散させる形状とすることにより、フィラメントの疲労破壊強度を増し、長期に渡って使用することができる赤外線光源を提供することを目的とする。
【００１３】
【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、フィラメントの両端が基板に形成された堀の両縁に固定されてこのフィラメントの両端間がこの堀上の空中に浮くマイクロブリッジ構造として構成され、前記フィラメントに通電して発熱させることにより赤外線を発光させる赤外線光源であって、前記フィラメントの両端間には、複数の折返部が形成され、前記フィラメントの両端間の形状を、ミアンダ状またはスパイラル状としたことを特徴とする赤外線光源である。
【００１６】
本発明の請求項２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器とを有し、前記赤外線検出器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、前記光源として、請求項１記載の赤外線光源を使用することを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００１７】
【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５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（ａ）は本発明の一実施例の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した赤外線光源のＡ−Ａ‘断面図である。
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）において、フィラメント２は、図５に示した多結晶シリコン層５が、複数の直線部が折り返された板バネ状（ミアンダ型）にパターニングされている。
【００１９】
そして、フィラメント２下部のシリコン基板１を、二酸化シリコン４をマスクとして異方性（の濃度差）エッチングを行うことにより、堀３を形成する。
【００２０】
濃度差エッチングは、濃度差によりシリコンのエッチング速度が異なるアルカリ系の溶液として、例えば、ＫＯＨを使用してシリコン基板１を異方性エッチングすることにより行なわれ、濃度の高いフィラメント２はエッチングされずに残り、この堀３の縁に固定部２ａ，２ｂが固定され、堀３上の空中に浮いた状態となる。
【００２１】
尚、濃度差エッチングをシリコン基板の裏面より行い、図２に示すように堀３がシリコン基板１を完全に貫通するような構造としても良い。
【００２２】
そして、フィラメント２の固定部２ａ，２ｂ上部には、フィラメント２に通電する電極７ａ，７ｂが形成され、この電極７ａ，７ｂを介してフィラメント２に電流を流すと、フィラメント２は発熱し、その温度に対応した赤外線を放出する。
【００２３】
この場合、急激な温度変化によりフィラメント２に加えられる応力は、複数の直線部２ｃが折り返される複数の折返部２ｄに分散されることとなり、その破壊強度を増すことができる。
【００２４】
また、フィラメント２の形状を図３に示すようなスパイラル型としても、ミアンダ型と同様にフィラメント２に加わる応力を全体に分散させることが可能であり、その破壊強度を増すことができる。
【００２５】
尚、説明においてはフィラメントの材質を、高濃度のボロンが注入された多結晶シリコンとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その材質を単結晶シリコンとすることもできる。
例えば、単結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して不純物濃度の高い単結晶シリコン層が形成されたＳＯＩ基板を使用し、この高濃度の単結晶シリコン層をマイクロブリッジ加工することによりフィラメントを作成すれば、単結晶シリコン層の厚さ及び不純物濃度の制御性が高いことからフィラメントの厚さ及び不純物濃度の制御性も高めることができるので、投入電力と光源の強度の関係のばらつき等の固体差の小さい赤外線光源を実現することが可能となる。
【００２６】
そして、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの所望の波長の赤外線を選択して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器とを有し、赤外線検出器の出力に基づいて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、光源として上述のような赤外線光源使用した場合は、フィラメントの寿命が長い赤外線ガス分析計を実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１から請求項３によれば、フィラメントの形状を、温度変化によって加えられる応力を分散させる形状としたので、フィラメントの疲労破壊強度を増し、長期に渡って使用することができる赤外線光源を提供することができ、請求項４によれば、請求項１から請求項３記載の赤外線光源を赤外線ガス分析計に適用することにより、長期使用に耐える赤外線ガス分析計を実現することができる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の構成図である。
【図２】本発明の第二実施例の断面図である。
【図３】本発明の第三実施例の平面図である。
【図４】ＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図５】従来の赤外線光源の構成図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ フィラメント
Claims (2)
- フィラメントの両端が基板に形成された堀の両縁に固定されてこのフィラメントの両端間がこの堀上の空中に浮くマイクロブリッジ構造として構成され、前記フィラメントに通電して発熱させることにより赤外線を発光させる赤外線光源であって、
前記フィラメントの両端間には、複数の折返部が形成され、
前記フィラメントの両端間の形状を、ミアンダ状またはスパイラル状としたことを特徴とする赤外線光源。 - 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器とを有し、前記赤外線検出器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、
前記光源として、請求項１記載の赤外線光源を使用することを特徴とする赤外線ガス分析計。
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|---|---|---|---|
| JP2000030822A JP4576656B2 (ja) | 2000-02-08 | 2000-02-08 | 赤外線光源及び赤外線ガス分析計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000030822A JP4576656B2 (ja) | 2000-02-08 | 2000-02-08 | 赤外線光源及び赤外線ガス分析計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001222981A JP2001222981A (ja) | 2001-08-17 |
| JP4576656B2 true JP4576656B2 (ja) | 2010-11-10 |
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ID=18555784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000030822A Expired - Fee Related JP4576656B2 (ja) | 2000-02-08 | 2000-02-08 | 赤外線光源及び赤外線ガス分析計 |
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|---|---|
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5566855A (en) * | 1978-11-13 | 1980-05-20 | Tdk Electronics Co Ltd | Planar lamp and method of manufacturing same |
| JPH076742A (ja) * | 1993-04-07 | 1995-01-10 | Instrumentarium Oy | 電気的に変調可能な熱放射源およびその製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4419285C2 (de) * | 1994-06-01 | 1999-01-28 | Heraeus Noblelight Gmbh | Infrarotstrahler |
-
2000
- 2000-02-08 JP JP2000030822A patent/JP4576656B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5566855A (en) * | 1978-11-13 | 1980-05-20 | Tdk Electronics Co Ltd | Planar lamp and method of manufacturing same |
| JPH076742A (ja) * | 1993-04-07 | 1995-01-10 | Instrumentarium Oy | 電気的に変調可能な熱放射源およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001222981A (ja) | 2001-08-17 |
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