JP6010702B2 - ガスセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサに関する。
近年、ガスの有無及び濃度測定が注目されており、なかでも環境ガス(例えば、CO、NO、等)の有無及び濃度測定が注目されている。
これらのガスを高精度で測定するセンサには、化学反応式のガスセンサと光学式のガスセンサがある。測定精度の高さや、経時変化が少ないという観点から、光学式のガスセンサが特に注目されている。光学式のガスセンサは、測定対象のガスの分子が吸収する波長を放出する光源と、その信号を読み出すためのセンサを備えている。
上記の環境ガスは、波長が数μm付近(例えば、COの場合、波長4.3μm付近)の光を強く吸収するので、この波長帯の光を発光する光源と、該波長帯の光の強度に応じた信号を出力するセンサが要求される。中〜遠赤外域で発光するLEDは、主として非分散型赤外線式(以下、NDIR方式)のガスセンサ用に用いられ、開発が進められている。
図29(a)は、第1の従来例に係るNDIR方式のガスセンサの構成例を示す概念図である。図29(a)に示すように、このNDIR方式のガスセンサは、ガスセル910と、ガスの固有の吸収波長帯に対応した波長の赤外線を放射する光源920と、その波長帯の光の強度を検知することができる赤外線センサ930とを備える。光源920と赤外線センサ930はガスセル910内に設けられている。NDIR方式のガスセンサは、ガスセル910内に測定したい気体を流し、あるいは滞留させ、ガスセル内の光源920と赤外線センサ930との間の空間で吸収された赤外線量から測定したい気体の濃度を求めるものである。従って、NDIR方式のガスセンサの光源の強度が変化すると、測定された気体の濃度の絶対値がずれるため正確な濃度の測定ができなくなる。
また、図29(b)は、第2の従来例に係るNDIR方式のガスセンサの構成例を示す概念図である。図29(b)に示すように、一般には、被検出ガスによる吸収のない波長帯の光を検出することが可能な参照用センサ931と、被検出ガスによる吸収が生じる波長帯を含む波長の光を検出することが可能な検出用センサ932の両方の出力比を取ることで光源920の出力変動を相殺させる方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、特許文献2では2波長帯を用いたNDIR方式のガスセンサを開示している。特許文献2のガスセンサでは、2つの光源を設けて、被検出ガスが吸収する波長の光と、被検出ガスが吸収しない波長の光のそれぞれをガスセルに通過させ、それぞれのセンサの出力比から検出したいガスの濃度を測定している。
特表2001−503865号公報 国際公開2007/080398号
一般的なNDIR方式では、特定の波長帯のみを透過するバンドパスフィルタを用いる。二酸化炭素の検知を例にとり説明すると、二酸化炭素による吸収が実質的にない3.9μm程度の波長帯の光を透過する参照用のバンドパスフィルタf´1と、二酸化炭素による吸収がある4.3μm前後の波長帯(4.3μm±(100〜300nm))のみの光を透過する吸収波長用のバンドパスフィルタf´2を用いて被検出ガスを検出している。この方式では、参照用と吸収波長用のバンドパスフィルタが2つ必要であり、かつそれぞれに独立したセンサを必要とする(図29(b)及び特許文献1を参照)。このため、部品の数が多く、システムの簡易化を実現するうえでの障害になっていた。
また、特許文献2の様に2つの異なる波長の光源を用いる場合でも同様に、部品の数が多く、信号処理が複雑となる。さらに、光源及びセンサの温度による発光量変化や感度変化、あるいは光源の劣化により2つの光源間に光量差が発生した場合、ガスセンサとして動作させたときの温度補償はできなくなるという問題点があった。
さらに、光源とセンサの温度による信号の変化は、ガス濃度変化による信号変化より大きいため、温度の影響を除去するような補償は極めて難しい。
このような問題を解決するために、光路長を長くするという方法があるが、そうするとセンサ全体が大型化してしまうだけではなく、光源からの光の減衰が増え、センサ側が検出する信号のS/N比が低下してしまい、ガスセンサの測定バラツキが増えてしまい、高精度のガスセンサの実現は困難となる。
一方で、参照用のフィルタを使用せず、外気など、二酸化炭素濃度がある程度分かっている環境で光源の発光強度の変化を定期的に校正して使用する方法もあるが、濃度既知の二酸化炭素を導入できない場合や、光源の強度が予想以上に大きく変化した場合は、測定値の誤差が大きくなるなどの問題があった。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定誤差を小さくすることができ、簡易かつ小型で信頼性の高いガスセンサを提供することを目的とする。
本発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示すガスセンサを想到するに至った。
即ち、本発明の一態様に係るガスセンサは、第1の光源と、前記第1の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部および第2センサ部を備え、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第1の光源と前記第1センサ部とが設けられた第1基板と、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第2センサ部が設けられた第2基板と、をさらに備え、前記第1センサ部の配置位置は、前記第1基板の第1主面であって、前記第1の光源から出力されて該第1基板内に直接入射され該第1基板内を進行した光のうちの該第1基板の第2主面で反射して該第1基板内を戻ってきた光が該第1基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴とする。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第2基板は、前記第1基板とは別の基板とすることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1の光源と前記第1センサ部とは、前記第1基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1センサ部からの出力信号と前記第2センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記演算部は、前記第1センサ部からの出力信号と前記第2センサ部からの出力信号との比を演算することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1センサ部と前記第2センサ部は、同一の温度特性を有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1基板と前記第2基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記光遮断部は封止樹脂を含むことを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、ガスセルをさらに備え、前記ガスセル内の前記第1基板及び前記第2基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第1基板の第2主面から出射した光を前記第2センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記第1の光源から出力される光のうち、前記第1基板内で散乱する光の光量と、前記第1基板の第2主面から前記ガスセル内の空間へ放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記第1の光源から出力された光を前記第1センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1センサ部と前記第2センサ部及び前記第1の光源がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記積層構造は、少なくともP型半導体とN型半導体の2種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1基板の第2主面から出射した光が前記第2センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1センサ部と前記第2センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、該受光部の数は前記第1センサ部と前記第2センサ部とで異なることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1基板と前記第2基板は、同一の材料からなることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第2基板の第1主面上に設けられた、第2の光源をさらに備え、前記第2センサ部は、前記第2の光源から出力されて前記第2基板内に直接入射され該第2基板内を進行した光のうち、前記第2基板の第2主面で反射して該第2基板内を戻ってきた光が該第2基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第2の光源と前記第2センサ部とは、前記第2基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第1の光源及び前記第2の光源に電力を供給し、前記第1センサ部からの出力信号及び前記第2センサ部からの出力信号が入力される受発光制御部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1の光源及び前記第2の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しないことを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1の光源及び前記第2の光源に同じ大きさの電力を供給することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1センサ部と前記第2センサ部とが同じ温度となるように、前記第1の光源に供給する電力及び前記第2の光源に供給する電力を制御することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1センサ部の温度を測定する第1温度測定部と、前記第2センサ部の温度を測定する第2温度測定部と、を有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1センサ部の抵抗値に基づいて該第1センサ部の温度を算出し、前記第2センサ部の抵抗値に基づいて該第2センサ部の温度を算出することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1の光源及び前記第2の光源に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第1の光源を周波数F1で駆動し、前記第2の光源を周波数F2(F1≠F2)で駆動することを特徴としてもよい。
本発明の一態様によれば、測定誤差を小さくすることができ、簡易かつ小型で信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
本発明の第1実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第3実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第4実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第5実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第6実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第7実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第8実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第9実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第10実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第11実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第12実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第13実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 第13実施形態において、光遮断部を設けた場合の構成例を示す図である。 本発明の第14実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第15実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第16実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 第16実施形態における回路構成の一例を示す図である。 第16実施形態における信号の流れの一例を示す図である。 本発明の第17実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第18実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第19実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 第19実施形態における、温度測定部の一例を示す図である。 本発明の第20実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の第21実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。 本発明の実施例で得られた結果であり、第2センサ部の出力信号の変化率について、COガス濃度及び温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例で得られた結果であり、第1センサ部の出力信号の変化率について、COガス濃度及び温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例で得られた結果であり、ガスセンサの出力信号の変化率について、温度及び補償有無との関係を示すグラフである。 従来のガスセンサを示す図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下、本実施形態)について説明する。まず、本実施形態の一例である第1の態様として、1個の光源を有するガスセンサについて説明する。次に、本実施形態の一例である第2の態様として、2個以上の光源を有するガスセンサについて説明する。その後、本実施形態のより具体的な態様(即ち、具体例)として、第1〜第21実施形態について説明する。
<第1の態様>
第1の態様に係るガスセンサは、第1の光源と、第1の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部及び第2センサ部を有するガスセンサである。この構成のガスセンサは非分散型赤外線式のガスセンサとして用いることができる。
このガスセンサは、第1主面(例えば、表面)と、第1主面と対向する第2主面(例えば、裏面)とを有し、第1主面上に第1の光源と第1センサ部とが設けられた第1基板を備える。また、このガスセンサは、第1主面(例えば、表面)と、第1主面と対向する第2主面(例えば、裏面)とを有し、第1主面上に第2センサ部が設けられた第2基板を備える。第1センサ部の配置位置は、第1基板の第1主面であって、第1の光源から出力された光のうちの該第1基板の第2主面で反射した光が入射する位置に設定されている。これにより、第1の光源から第1センサ部に至る光路中に光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を設けることなく、第1の光源出力の劣化による経時変化や動作時の温度による出力変動を精密に補償することが可能になる。
第1の態様に係るガスセンサは、被検出ガスを導入することが可能なガスセルをさらに備えていてもよい。所定のガスセルを予め備えていることにより、該所定のガスセルの光路や材質等に基づいた、より高精度なガス濃度演算のための所定の補正演算等が可能になる。
また、第1の態様に係るガスセンサは、第1センサ部からの出力信号と第2センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備えることが好ましい。第1センサ部からの出力信号と第2センサ部からの出力信号とに基づいて、ガス濃度の演算が可能になる。第1の光源と同一基板の同一平面上に設けられた第1センサ部の出力信号を、参照用信号としてガス濃度の演算に用いるという技術思想により、本発明の実施形態に係るガスセンサは、参照用フィルタを用いることのない簡易な構成で、従来よりも測定誤差を小さくすることができるという効果をより効果的に奏する。ここで、ガス濃度の演算とは、空間中のガス濃度の絶対値を演算するものであってもよいし、所定の閾値を超えるものであるか否かを判定する演算であってもよい。
また、第1の態様に係るガスセンサにおいて、第1のセンサ部と第2のセンサ部は、同一の温度特性を有することが好ましい。本実施形態において「同一の温度特性」とは、本発明の効果を妨げない程度に温度特性が概ね揃っている状態を意味する。具体的には、被検出ガスが存在しない条件下において、ガスセンサの一般的な使用温度範囲(例えば0℃から50℃の範囲)ではセンサ温度がTxにおいて、第1センサ部の出力信号がS1、第2センサ部の出力信号がS2とした場合を考える。この場合で、温度が1℃変化した場合、つまりセンサ温度がTx±1℃となった時に、第1センサ部の出力信号がa×S1へ、第2センサ部の出力信号がb×S2へと変化した場合、a/bが1℃あたり0.8以上1.2以下であることが好ましく、0.9以上1.1以下であることがより好ましく、0.99以上1.01以下であることが更に好ましい。
1℃あたりの第1センサ部及び第2センサ部の出力の変化係数の比(a/b[/℃])の最大値と最小値の比が0.8以上1.2以下であれば、ガスセンサの環境温度によらず、被検出ガスの濃度を高精度に補償することが可能になるため好ましい。具体的には、第1センサ部及び第2センサ部の温度を0℃から50℃まで変化させたときの第1センサ部及び第2センサ部の出力変化係数(a及びb)を求め、温度をΔT変化させたときの、a/b/ΔT比を計算することによって、上記の1℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。
第1センサ部及び第2センサ部の1℃あたりの出力の変化係数の比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第1センサ部及び第2センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第1センサ部及び第2センサ部の温度特性は理論上同一となる。
また、第1センサ部と第2センサ部の温度特性を同じにするには、積層構造が同じであることと、同時に製造される(即ち、積層構造を構成する各層について、第1センサ部及び第2センサ部の間で同時に形成する)ことが好ましい。
また、ガスセンサ全体の高いS/N比を実現するために、第1センサ部と第2センサ部の基板内の面積を変えても良い。例えば、第1センサ部に届く光が強い場合、第1センサ部の受光面積をS/Nが低下しない程度に小さくしても、ガスセンサ全体のS/N比(ガス濃度表示値の最小分解能)が低下しないため、第1センサ部の受光面積を小さくし、その分、第1の光源が占める面積を広くすることができ、ガスセンサ全体のS/N比の向上を図ることができる。
また、第1センサ部及び第2センサ部は、多数の受光部で形成されると良い。この場合、受光面積が受光部の数に比例し、受光面積が大きい程、高いS/N比が得られる。また第1センサ部と第2センサ部の受光面積を変えても、分光感度特性や温度特性が変わることないので、本発明の効果は維持される。第1センサ部の受光部の数をnとし、第2センサ部の受光部の数をmとしたとき、受光部の数の比は、n:mが1/500程度でも良いが、場合によって、1/100程度でも良く、1/10程度でも良い。セルの設計や第1の光源の発光能力に応じて、受光部の数の比を設計することが好ましい。
また、同一基板上に、同一材料、同一工程で第1センサ部と第2センサ部を形成することによって、第1センサ部の分光感度特性と第2センサ部の分光感度特性とが同一になると共に、第1センサ部の温度特性と第2センサ部の温度特性とが同一となり、本発明の効果をもっとも発揮できる。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。後述のように、第1基板の第2主面上に光を選択するような光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を設けることによって、第1センサ部と第2センサ部に入射する光の波長帯を選択することが可能となる。このような光学フィルタは光路の途中に設ける必要はあるが、第1基板及び/若しくは第2基板の第2主面に設けると良い。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性(数10nm〜数100nm)を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。ガスセルに導入されるガスが混合ガスで且つ、被検出ガスの吸収波長が他のガス(干渉ガス)の吸収波長に近い場合、光学フィルタを設けると、ガスセンサの選択性は向上され、干渉ガスの影響を受けずに、正確に被検出ガスの濃度測定が実現できる。このため、光学フィルタを設けることは、より好ましい形態となる。
基板面積の利用効率の観点から、第1センサ部と第2センサ部は、同一の構造の多数の受光部を有し、該受光部の数が異なっていることが好ましい。受光部の数の相違数は特に制限されないが、一般的に第1の光源と同じ基板に設置される受光部は、異なる基板に設置される受光部より、単位面積当たり、多くの光束を吸収することができるため、一般的に第1基板の受光面積を第2基板の受光面積よりも小さくしても良い。
このため、第1センサ部と第2センサ部の両方の信号のS/N比のバランスを無駄なく保つために、受光面積(受光部の数)が異なることは好ましい。第1の態様に係るガスセンサでは、第1センサ部と第2センサ部の出力信号(Ip1、Ip2)に基づいて、濃度を計算するため、ガスセンサ全体の最小分解能は第1センサ部と第2センサ部のS/N比で決まる。
出力信号比(Ip1/Ip2)は、第1基板及び第2基板の各材質、第1基板の第2主面及び第2基板の第2主面の各加工方法、制御層の有無やその光学特性等によって変化する。後述のように、これらを出力信号比が適切な割合になるように設計すれば、基板の利用効率を高め、センサ部の面積を最低限にして小型化を図りながら所望の精度を有するガスセンサが設計できる。
次に、ガスセンサの各構成部について、より具体的に説明する。
[ガスセル]
第1の態様に係る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、前記導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。
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、第1の光源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。
第1基板の第1主面と対向する第2主面から出射した光を、効率的に第2センサ部に入射する観点から、ガスセルの内壁の一部が高い反射率の材料で覆われていることが好ましい。また、反射率を高める観点から、ガスセル内の内壁のラフネスは10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、1μm以下が更に好ましい。
[第1基板]
第1の態様に係るガスセンサにおいて、第1基板は、第1主面上に第1の光源と第1センサ部を有する。第1基板の材料は特に制限されない。例えばSi、GaAs、サファイヤ、InP、InAs、Ge等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第1センサ部と第1の光源を電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作製可能であり、大口径化が可能である観点から、GaAs基板は特に好ましい。測定感度向上の観点から、第1基板の材料は、第1の光源から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、第1の光源の出力変動を高精度に補償する観点から、第1基板の材料は、第2主面において第1の光源から出力された光が効率的に反射する材料であることが好ましい。
第1センサ部、第2センサ部、第1の光源に用いられる材料としては、III−V族系の化合物半導体が好ましく、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)からなる群より選択される少なくとも一つのIII族原子と、アンチモン(Sb)、ヒ素(As)からなる群より選択される少なくとも一つのV族原子の化合物半導体であることがより好ましく、InSbあるいは、AlInSb、GaInSb、AsInSbを少なくとも含む化合物半導体であることがより更に好ましい。被検出ガスがCO2の場合、CO2の波長4.3μm付近の吸収を検出するために、AlInSb若しくはGaInSbを利用すると良い。また、気化したアルコールのような気体を検出する場合、更に長波長(9〜10μm)にする必要があり、この場合AsInSbを利用すると良い。
また、第1基板は、光取り出し効率及び光反射・散乱効率の観点から、第1基板の第2主面上に、第1の光源から出力される光のうち、基板内で散乱する光量及び反射・散乱角度と、第1基板の第2主面からセル内に放射される光量及び放射角度を制御するための制御層を有することが好ましい。一般的に使われる基板材料の屈折率は高いため、基板から外部への光取り出しは難しく、第1の光源から出力された光の多くが基板内で散乱することとなる。第1の態様に係るガスセンサにおいては、第1基板の第2主面上に制御層を設けることによって、センサ全体のS/N比を高くする(高分解能が得られる)ように設計することが可能になる。制御層の具体例としては、反射防止膜や、屈折率の異なる多数の材料の積層膜、粗面化した層、または、それらの組み合わせが挙げられる。
[第1の光源]
第1の態様に係るガスセンサにおいて、第1の光源は第1基板の第1主面上に形成される。第1の光源は、被検出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あれば特に制限されない。第1の光源の具体的な形態は第1基板の第1主面上に形成できるものであれば何でも良い。具体的な例としては、MEMSやLEDが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールということから、LED構造は望ましい場合がある。
図29(b)に示した2つのセンサを用いる従来のガスセンサにおいて、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力する第1の光源を使用した場合、参照用バンドパスフィルタは被検出ガスの吸収波長帯の光を遮断する為、参照用センサの出力がゼロになり、安定したガスセンサは実現できない。これに対し、第1の態様に係るガスセンサでは、第1の光源から(参照用センサである)第1センサ部に至る光路中にバンドパスフィルタが不要である為、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力する第1の光源を使用しても、高精度に出力変動の補償が可能になる。
第1の光源はMBE(Molecular Beam Epitaxy)若しくはCVD(Chemical Vapor Deposition)のような成膜方法を用いて成膜したPN接合若しくはPIN接合の積層構造部を持つことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、LED(Light Emitting Diode)として動作し、積層構造部の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。この積層構造部(通称:活性層)がInまたはSbを含むことにより赤外線領域の光(即ち、赤外線)を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にInSbやInAlSbやInAsSbを用いることにより、1〜10μmの波長を出力することができる。被検出ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素ガスは波長4.3μm付近に強い吸収を示すため、活性層にInAlSbを利用することが好ましい。ここで、Alの含有量をLEDの発光ピークが4.3μmになるようにチューニングすることで高感度・高分解能のガスセンサが実現できる。また、10μm付近に吸収のあるCO結合を持つガス(例えば、10μm付近に吸収がある気化したアルコール)であれば、活性層にInAsSbを利用することが好ましい。
LEDの第1の光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長にチューニングすることにより、光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、ガスセンサの構造が簡略化され、より好ましい形態となる。
[第1センサ部]
第1の態様に係るガスセンサにおいて、第1センサ部は、第1基板の第1主面上に形成される。第1センサ部の配置位置は、第1の光源から出力された光のうち、第1基板の第1主面と対向する第2主面において反射した光が入射する位置であれば特に制限されない。信号処理の応答速度の観点から、第1センサ部の積層構造としては、PN接合またはPIN接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。更に被検出ガスの吸収波長に応じてGa、Al、Asからなる群より選択される少なくとも1つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
また、温度特性を揃える観点から、第1センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、第1の光源の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
センサ部を回路(増幅器)に接続した場合のS/N比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いS/N比が実現できる。そのため、本実施形態の第1センサ部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
また、第1の光源と第1センサ部とが同じ第1基板に配置されているため、第1センサ部に入射する光量は、第2センサ部に入射する光量よりも大きくなる傾向がある。このため、第1センサ部の受光部の総面積は、第2センサ部の受光部の総面積よりも小さくすることができる。これにより、ガスセンサのより一層の小型化が図られる。
[第2基板]
第1の態様に係るガスセンサにおいて、第2基板は第1主面上に第2センサ部を有していれば特に制限されない。第2主面側から入射した光は、第2基板内部を通過して、第2センサ部に入射される。
第2基板の材料は特に制限されない。例えばSi基板、GaAs基板、サファイヤ等が挙げられるがこの限りではない。測定感度向上の観点から、第2基板の材料は、第2主面側から入射した光に対する透過性が高いものであることが好ましい。
小型化の観点から、第2基板は、第1基板と互いに側面を対向させて隣り合って配置され、第1基板と第2基板との間に光遮断部が配置されることが好ましい。この形態のガスセンサは、後述の光反射部を備えることが好ましい。また、上記の光遮断部は、第1基板及び第2基板の接合部に配置されることが好ましい。該光遮断部を有することにより、第1の光源から出力された光がガスセル内の空間を通過せずに第2センサ部に入射することを防ぐことができ、検出感度(ガス濃度変化による信号の変化)を向上することができるため好ましい。
[第2センサ部]
第1の態様に係るガスセンサにおいて、第2センサ部は、第2基板上に配置されるものであれば特に制限されない。前述のとおり、第2センサ部と第1センサ部の温度特性を同等のものにする観点から、第2センサ部と第1センサ部は、その製造工程において同一基板上に形成されたものであることが好ましく、同じ積層構造を有することがより好ましい。
信号処理の応答速度の観点から、第2センサ部の積層構造としては、PN接合またはPIN接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことが好ましい。
測定感度向上の観点から、第1基板の第2主面から放射された光が第2センサ部に入射するまでの光路中に、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタを有することが好ましい。第1の光源から出力される光が広範な波長帯の光である場合、特に上記光学フィルタを有することが好ましい。
第1センサ部を有する第1基板と第2センサ部を有する第2基板は元々同じウエハーであり、第1センサ部と第2センサ部が同様の積層構造であると、第1センサ部と第2センサ部間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果がより発揮することができる。具体的に、第1センサ部の感度がRi2(λ)[A/W]、第2センサ部2の感度がRi2(λ)[A/W] だとすると、|Ri2(λ)−Ri1(λ)|/(Ri1(λ))が20%以内であればよく、10%以下にすると更に良く、5%以下にすると更に好ましいが、2%以内、更に1%以下であった方が本発明の効果を更に発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。
[光反射部]
被検出ガスに対する検出感度向上の観点から、第1の態様に係るガスセンサは、第1基板及び第2基板の第2主面側のガスセル空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第1基板及び第2基板からそれぞれ離れた位置であって、第1基板の第2主面側及び第2基板の第2主面側に、光反射部を備えることが好ましい。該光反射部は、第1基板の第2主面から放射された光を反射し、該反射された光が第2センサ部に入射するものであることが好ましい。効率的に第2センサ部に光を入射させるために、該光反射部は、集光型光反射部であることが好ましい。
[光遮断部]
第1の光源から出射した光のうち、第2センサ部に入力される光は、全てガスセル内の空間を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、第1の光源と第1センサ部が配置されている第1基板と第2センサ部が配置される第2基板とを対向して配置する方法がある。一方で、ガスセンサ全体を小型化するためには、第1基板と第2基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましいが、単純に隣り合うように配置すると、第1の光源から出射した光のうち、一部がガスセル内の空間を通過せずに第2センサ部に入力され、ガス濃度の変化に依存する信号変化分がガス濃度の変化に依存しない信号成分(オフセット)になってしまい、ガスセンサの感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第1基板と第2基板とを隣り合うように配置する場合には、第1基板と第2基板との間に光遮断部を備えていることが好ましい。
<第2の態様>
次に、第2の態様に係るガスセンサとして、2光源2センサ型のガスセンサについて説明する。このガスセンサの各構成部の説明及び好ましい形態は、上述の第1の態様や、後述の具体的な実施形態等にそれぞれ独立又は組み合わせて適用される。
第2の態様に係るガスセンサは、第1の態様で説明したガスセンサの構成に加えて、第2基板の第1主面上に設けられた、第2の光源をさらに備える。第2センサ部は、この第2の光源から出力された光のうち、第2基板の第1主面と対向する第2主面で反射した光が入射する位置に設定されていることが好ましい。
上記構成により、第1の光源から出力された光は、ガスの有無や濃度等に依存しない環境である第1基板中の光路を通過して第1センサ部(第1の光源からみて、モニタリング用の受光素子)に入射する。このため、使用環境の変化や経年劣化で第1の光源の発光特性が変化した場合でも、第2センサ部(第1の光源からみて、状態検知用の受光素子)による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
また、第2の光源から出力された光についても同様である。即ち、第2の光源から出力された光は、ガスの有無や濃度等に依存しない環境である第2基板中の光路を通過して第2センサ部(第2の光源からみて、モニタリング用の受光素子)に入射する。このため、使用環境の変化や経年劣化で第2の光源の発光特性が変化した場合でも、第1センサ部(第2の光源からみて、状態検知用の受光素子)による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
また、第2の態様に係るガスセンサにおいて、第1センサ部と第2センサ部は、同一の温度特性を有することが好ましい。本実施形態において「同一の温度特性」とは、本発明の効果を妨げない程度に温度特性が概ね揃っている状態を意味する。具体的には、ガスを検出する用途の場合、被検出ガスが存在しない条件下において、ガスセンサの一般的な使用温度範囲(例えば0℃から50℃の範囲)であるセンサ温度Txにおいて、第1センサ部の出力信号をS1、第2センサ部の出力信号をS2とした場合を想定する。この想定下で温度が1℃変化したとき、つまりセンサ温度がTx±1℃となったときに、第1センサ部の出力信号がa×S1へ、第2センサ部の出力信号がb×S2へと変化した場合、a/bが1℃あたり0.8以上1.2以下であることが好ましく、0.9以上1.1以下であることがより好ましく、0.99以上1.01以下であることがさらに好ましい。
第1センサ部の1℃あたりの出力変化係数aと、第2センサ部の1℃あたりの出力変化係数bの比(a/b[/℃])の最大値と最小値の比が0.8以上1.2以下であれば、第1の光源の発光特性が変化した場合でも、ガスセンサの使用環境温度によらず、発光・受光の信号変動を第1センサ部の出力に基づいて補償することができ、第2センサ部による空間状態の検知を正確に行うことが可能になるため好ましい。また同様に、第2の光源の発光特性が変化した場合でも、ガスセンサの環境温度によらず、発光・受光の信号変動を第2センサ部の出力に基づいて補償することができ、第1センサ部による空間状態の検知を正確に行うことが可能になるため好ましい。
具体的には、第1センサ部及び第2センサ部の各温度を0℃から50℃まで変化させたときの第1センサ部及び第2センサ部の各出力変化係数(a及びb)を求める。そして、温度をΔT変化させたときの、a/b/ΔT比を計算する。これにより、上記の1℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。
第1センサ部及び第2センサ部の1℃あたりの出力の変化係数比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第1センサ部及び第2センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第1センサ部及び第2センサ部の温度特性は理論上同一となる。
また、第1センサ部と第2センサ部の温度特性を同じにするには、同一の材料及び同一の積層構造であることに加え、第1センサ部の積層構造と第2センサ部の積層構造とが層毎に同時に製造される(即ち、第1センサ部と第2センサ部とを同時に形成する)ことが好ましい。
また、同一基板上に、同一材料、同一工程で同時に第1センサ部と第2センサ部とを形成することによって、両センサ部の分光感度特性が同一になると共に、両センサ部の温度特性が同一となり、本発明の効果はより発揮される。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。
後述のように、第1基板及び第2基板の少なくとも一方の第2主面上に、若しくは光路の途中に光を選択するような光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を設けることによって、第1センサ部及び第2センサ部の少なくとも一方に入射する光の波長帯を選択することが可能となる。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性(数10nm〜数100nm)を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。
基板面積の利用効率の観点から、第1センサ部及び第2センサ部は同一構造の受光部をそれぞれ複数有し、かつ、第1センサ部が有する受光部の数と、第2センサ部が有する受光部の数とが同一であることが好ましい。
第2の態様に係るガスセンサでは、第1センサ部の出力信号(Ip1)と第2センサ部の出力信号(Ip2)とに基づいて、発光部からセンサ部に至る間の空間状態の検知(例えば、空間に存在する被検出物質の濃度計算)を行う。このため、ガスセンサの最小分解能は第1センサ部と第2センサ部のS/N比で決まる。
本実施形態では、第1の光源及び第2の光源に電力を供給し、第1センサ部及び第2センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部を備える。受発光制御部は、第1の光源及び第2の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しなくてもよい。また、受発光制御部は、第1の光源及び第2の光源に同じ大きさの電力を供給してもよい。或いは、受発光制御部は、第1センサ部と第2センサ部とが同じ温度になるように、第1の光源に供給する電力及び第2の光源に供給する電力を制御してもよい。後述のように、受発光制御部を利用したいくつかの実施形態を説明する。
第1センサ部の感度と第2センサ部の感度とが等しく、第1の光源の発光特性と第2の光源の発光特性とが等しく、さらに、第1センサ部の温度と第2センサ部の温度とが等しいときに、第1センサ部から得られる出力信号と第2センサ部から得られる出力信号が等しくなる。この場合、本発明の効果はより発揮される。
後述のように、第1の光源と第2の光源とが、同一構造で同一組成の化合物半導体積層部からなる場合、受発光制御部が第1の光源と第2の光源とを交互に駆動させることによって、又は、第1の光源と第2の光源とに同一の電力を供給することによって、第1の光源が発熱する熱量と第2の光源が発熱する熱量とが定常的に等しくなり、第1の光源の温度と第2の光源の温度とが等しくなる。
第1の光源が発光する場合、第1センサ部で検出されるS/N比をSNR11とし、第2センサ部で検出されるS/N比をSNR21とする。また、第2の光源が発光する場合、第1センサ部で検出されるS/N比をSNR12とし、第2センサ部で検出されるS/N比をSNR22とする。被検出物質を介しない光路(第1の光源から第1センサ部へ、第2の光源から第2センサ部へ)で得られるS/N比は式(1)で示される。
SNRREF=[(SNR11)1/2+(SNR22)1/21/2・・・(1)
また、被検出物質を透過した光(第1の光源から第2センサ部へ、第2の光源から第1センサ部へ)で得られるS/N比は式(2)で示される。
SNRTRASM=[(SNR12)1/2+(SNR21)1/21/2
・・・(2)
従って、式(1)及び式(2)より、双方向に発光・受光を行うことによって、片方向の場合に比べて、システムのSNRが改善することが分かる。
第1センサ部から得られる信号として、第1の光源が発光した場合の信号Ip_REF_1及び、第2の光源が発光した場合の信号Ip_TRASM_2がある。第2センサ部から得られる信号として、第2の光源が発光した場合の信号Ip_REF_2及び、第1の光源が発光した場合の信号Ip_TRASM_1がある。出力信号比(Ip_TRASM_1/Ip_REF_1)及び(Ip_TRASM_2/Ip_REF_2)は、第1基板及び第2基板の各材質、第1基板の第2主面及び第2基板の第2主面の各加工方法、後述のように基板の第2主面上に形成される制御層の有無やその光学特性等によって変化する。
[第1基板、第2基板]
第2の態様に係るガスセンサにおいて、第1基板は、第1主面上に第1の光源と第1センサ部とを有する。また、第2基板は、第1主面上に第2の光源と第2センサ部とを有する。第1基板、第2基板の各材料として、例えばSi、GaAs、サファイヤ、InP、InAs、Ge等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第1基板、第2基板にはそれぞれ、センサ部と発光部とを電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作成可能であり、大口径化が可能である観点から、GaAs基板が特に好ましい。測定感度向上の観点から、第1基板、第2基板の各材料は、発光部から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、第1基板、第2基板の各材料は、発光素子から出力された光が第2主面において効率的に反射する材料であることが好ましい。さらに、後述のようにインジウム(In)若しくはアンチモン(Sb)を含む積層構造の第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源を形成しやすい観点から、GaAs基板が好ましい。
第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源に用いられる材料としては、III−V族系の化合物半導体が好ましく、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)からなる群より選択される少なくとも一つのIII族原子と、アンチモン(Sb)、ヒ素(As)からなる群より選択される少なくとも一つのV族原子の化合物半導体であることがより好ましく、InSb或いは、AlInSb、GaInSb、AsInSbを少なくとも含む化合物半導体であることがよりさらに好ましい。
ガスセンサに用いる場合において、被検出ガスがCOの場合を想定する。この場合、COの吸収波長4.3μm付近での光の吸収を検出するために、第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源に用いられる材料として、AlInSb若しくはGaInSbを利用するとよい。また、気化したアルコールのような気体を検出する場合、さらに長波長(9〜10μm)にする必要がある。この場合は、第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源に、AsInSbを利用するとよい。
第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源は同じ膜組成の化合物半導体(即ち、同一組成の化合物半導体積層部)を有すると、本発明の効果を最も発揮できる。同じ膜組成は、同一基板上に同一成膜工程で膜を積層すると実現できる。つまり、第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源は同じウエハー上に形成すると好ましい場合がある。さらに、ウエハー面内で隣り合って形成されたチップのペアを、同じガスセンサに組み込むことが好ましい場合がある。これにより、組み立て後のガスセンサにおいて、成膜工程で生じたウエハー面内の組成バラつきを緩和でき、第1センサ部の温度特性と第2センサ部の温度特性とを等しくすることができ、また、第1の光源の発光特性と第2の光源の発光特性とを等しくすることができるので、高精度の温度補償が可能となる。
また、第1基板の第2主面上、第2基板の第2主面上には、光取り出し効率及び光反射・散乱効率の観点から、制御層を有することが好ましい場合がある。この制御層は、発光素子から出力される光のうち、基板内で散乱する光量及び反射・散乱角度と、基板の第2主面から光路(例えガスセンサの場合、ガスセル)に放射される光量及び放射角度を制御するための層である。
一般的に使われる基板材料の屈折率は高いため、基板から外部への光取り出しは難しく、発光素子から出力された光の多くが基板内で散乱することとなる。第2の態様に係るガスセンサにおいては、第1基板の第2主面上、第2主面の第2主面上に制御層を設けることによって、センサ全体のS/N比を高くする(高分解能が得られる)ように設計することが可能になる。制御層の具体例としては、反射防止膜や、屈折率の異なる多数の材料の積層膜、粗面化した層、又は、それらの組み合わせが挙げられる。
[第1の光源、第2の光源]
第2の態様に係るガスセンサにおいて、第1の光源は第1基板の第1主面上に形成され、第2の光源は第2基板の第1主面上に形成される。第1の光源と第2の光源は、被検出物質(ガス等)によって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。第1の光源、第2の光源の具体的な形態は、第1基板の第1主面上、第2基板の第1主面上にそれぞれ形成できるものであれば何でもよい。具体的な例としては、MEMSやLEDが挙げられる。その中で、被検出物質(ガス等)以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出物質の吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールできるという理由から、LED構造が望ましい場合がある。
発光素子はMBE(Molecular Beam Epitaxy)若しくはCVD(Chemical Vapor Deposition)のような成膜方法を用いて成膜したPN接合若しくはPIN接合の積層構造部をもつことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、LED(Light Emitting Diode)として動作し、積層構造部の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。この積層構造部(通称:活性層)がIn又はSbを含むことにより赤外線領域の光(即ち、赤外線)を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にInSbやInAlSbやInAsSbを用いることにより、1〜12μmの波長を有する光を出力することができる。
活性層がIn及び/又はSbを含むようなナローバンドギャップ材料は、一般的に温特(発光素子自体の温度による発光特性の変化)が大きい。しかしながら、第2の態様に係るガスセンサによれば、大きな発光特性の変化であっても常に正確にモニタリングすることが可能であり、このモニタリング結果に基づいて発光素子の動作を制御することで常に一定の発光特性を実現することが可能である。
[第1センサ部、第2センサ部]
第2の態様に係るガスセンサにおいて、第1センサ部は第1基板の第1主面上に形成され、第2センサ部は第2基板の第1主面上に形成される。第1センサ部の配置位置は、第1の光源から出力された光のうち、第1基板の第1主面と対向する第2主面において反射した光が入射する位置である。第2センサ部の配置位置は、第2の光源から出力された光のうち、第2基板の第1主面と対向する第2主面において反射した光が入射する位置である。
また、第1の光源から出力された光のうち、第1センサ部までの光路P11の長さをL11、第2センサ部までの光路P12の長さをL12とする。また、第2の光源から出力された光のうち、第2センサ部までの光路の長さをL22、第1センサ部までの光路P21の長さをL21とする。この場合、信号処理の観点から、L12=L21、L11=L22が成り立つとよい。さらに、ガスセンサの被検出物質の濃度や吸収率によって、光路P12と光路P21の透過特性が同様に変化するように設計するとよい。また、高いS/N比を実現できるように、L12及びL21が最も長くなるように設計するとよい。
信号処理の応答速度の観点から、第1センサ部、第2センサ部の積層構造としては、PN接合又はPIN接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでもよい。さらに、上記のダイオード構造は、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料にGa、Al、Asからなる群より選択される少なくとも1つの材料をさらに含む混晶系の材料、を含んでもよい。また、温度特性を揃える観点から、第1センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、発光素子の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
センサ部を回路(増幅器)に接続した場合のS/N比の観点から、本実施形態の第1センサ部、第2センサ部は、複数の受光素子をそれぞれ直列に接続した形態であることが好ましい。その理由は、多数の受光素子を設けることによって、センサ部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いS/N比を実現できるからである。
また、第1センサ部を有する第1基板と第2センサ部を有する第2基板は元々(即ち、ダイシング前は)同じウエハーであり、第1センサ部と第2センサ部とが同様の積層構造であることが好ましい。これにより、第1センサ部と第2センサ部との間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果をより発揮することができる。具体的には、第1センサ部の感度をRi1(λ)[A/W]とし、第2センサ部の感度をRi2(λ)[A/W]とする。このとき、使用温度範囲内(例えば、0〜50℃)に於いて、|Ri2(λ)−Ri1(λ)|/(Ri1(λ))が20%以内であればよく、10%以下にするとさらに良く、5%以下にするとさらに好ましいが、2%以内、さらに1%以下であった方が本発明の効果をさらに発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。
[光反射部]
被検出物質(ガス等)に対する検出感度向上の観点から、第2の態様に係るガスセンサは、第1基板の第2主面側及び第2基板の第2主面側に位置する基板外部の空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第1基板及び第2基板からそれぞれ離れた位置であって、第1基板の第2主面側及び第2基板の第2主面側に、光反射部を備えることが好ましい。この光反射部は、第1基板の第2主面から出射した光を反射し、この反射した光を第2センサ部に入射させるものであることが好ましい。また、この光反射部は、第2基板の第2主面から出射した光を反射し、この反射した光を第1センサ部に入射させるものであることが好ましい。第1の光源からの出力光を第2センサ部に効率的に入射させ、第2の光源からの出力光を第1センサ部に効率的に入射させるために、光反射部は集光型光反射部であることが好ましい。
[光遮断部]
第1の光源から出力された光のうち、第2センサ部に入射する光、第2の光源から出力された光のうち、第1センサ部に入射する光は、全て基板外部の空間(外部空間)を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、第1の光源と第1センサ部が配置されている第1基板と第2センサ部が配置される第2基板とを対向して配置する方法がある。同様に、第2の光源と第2センサ部が配置されている第2基板と第1センサ部が配置される第1基板とを対向して配置する方法がある。つまり、第1基板と第2基板とを対向して配置することが好ましい。
一方で、ガスセンサ全体を小型化するためには、第1基板と第2基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましい。但し、単純に側面が隣り合うように配置すると、発光部から出力された光のうち、一部が外部空間を通過せずに隣の基板にある受光部に入力され、外部空間の状態変化に依存する信号変化分が外部空間の状態変化に依存しない信号成分(オフセット)になってしまい、ガスセンサの測定感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第1基板と第2基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置する場合は、第1基板の側面と第2基板の側面との間に光遮断部を備えていることが好ましい。
ここまで、第1基板と第2基板とが独立して存在する場合を説明したが、光遮断部を必要としない場合、第1センサ部、第2センサ部、第1の光源、第2の光源が共通の基板の第1主面上に形成されてもよい。この場合、第1センサ部が第1の光源付近に、第2センサ部が第2の光源に形成されように基板を設計するとよい。
<実施形態の効果>
[第1の態様の効果]
第1の態様は、以下の効果(1)〜(4)を奏する。
(1)第1の光源から第1センサ部に至る光路は第1基板内にあり、該光路中に光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)やガスセル内の空間は存在しない。これにより、該光路中にバンドパスフィルタやガスセル内の空間が存在する場合と比べて、ガスセンサの使用環境によらず、該光路での光の減衰を抑えることができ、第1センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。
(2)また、第1の光源は一つで足りるため、2つの異なる波長の第1の光源間で光量差が発生することはない。これにより、第1の光源の発光強度を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。
(3)上述したように、第1センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。また、第1の光源の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、ガスセンサの測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
(4)また、第1センサ部に光学フィルタは不要である。さらに、第1の光源は一つで足りる。このように、ガスセンサを構成する部品数を少なくすることができるため、簡易かつ小型のガスセンサを提供することができる。
[第2の態様の効果]
第2の態様は、以下の効果(5)〜(8)を奏する。
(5)第1の光源から第1センサ部に至る光路は第1基板内にあり、第2の光源から第2センサ部に至る光路は第2基板内にあり、これらの光路中に光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)や外部空間は存在しない。これにより、第1の光源から第1センサ部に至る光路中や第2の光源から第2センサ部に至る光路中に参照信号用バンドパスフィルタや外部空間が存在する場合と比べて、ガスセンサの使用環境によらず、これらの光路での光の減衰を抑えることができる。従って、第1の光源からの光信号を検出するときの第1センサ部が検出する信号のS/N比及び、第2の光源からの光信号を検出するときの第2センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。
(6)上述したように、第1センサ部が検出する信号のS/N比及び、第2センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。また、発光部の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、ガスセンサの測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
(7)第1の光源付近に配置される第1センサ部の温度と、第2の光源付近に配置される第2センサ部の温度は、それぞれの近くに配置された発光部に供給する(印加する)電力によって、支配される。このため、第1センサ部と第2センサ部とが温度によって変化する感度特性を有する場合でも、第1の光源に供給する電力及び第2の光源に供給する電力を制御することによって、第1センサ部と第2センサ部とを同一温度に近づけることが安易となり、高精度の温度補償が可能となる。
(8)本発明の効果を最大に発揮するためには、第1センサ部の温度特性と第2センサ部の温度特性とが同一である必要がある。ウエハー面内での温度特性のバラつきを最大に緩和し、温度特性を極力同一にするための一つの方法として、ガスセンサの製造工程では、ウエハー面内で隣り合う位置から2つのチップ(即ち、第1基板及び第2基板)をピックアップして実装するとよい。この際、ガスセンサの組み立てのし易さの観点から、両方の基板は同じ形状・同じレイアウトを有することが好ましい。これにより、異なる基板(例えば発光部のみを有する基板及びセンサ部のみを有する基板の2種類の基板)を交合に実装する場合と比べて、組み立てを容易に行うことができるため、好ましい場合はある。
即ち、本実施形態は、経時変化や使用環境の温度変化により生じる、発光・受光の信号変動を補償し、発光部の発光特性が変化した場合でも、又は、温度によって発光素子(第1センサ部、第2センサ部)の感度が変化したとしても、状態検知用のセンサ部による空間状態の検知をより高精度に行うことを可能としたガスセンサを提供することができる。
<実施形態の適用>
以上記載したように、本実施形態に係るガスセンサは、種々の機器に適用することが可能であり、例えば建物や測定機器中の特定のガスの濃度を検出するためのガスセンサや、携帯電話やスマートフォンなどの携帯通信機器に搭載されるガスセンサや、自動車や電車、航空機等の移動手段中のガス濃度を検出するためのガスセンサとして用いることができる。
例えば、CO濃度は生物の睡眠との相関性があると考えられており、本実施形態に係るガスセンサの測定対象ガスをCOとした場合、周囲の温度が大きく変化しやすい環境下であっても、高精度にCO濃度を検出することが可能になり、たとえば、車の運転における居眠り防止装置(例えば、所定のCO濃度に達したら警報を発する/自動的に換気を行う等)として好適である。
また、本実施形態に係るガスセンサは従来のガスセンサと比較してS/N比が高い為、従来よりも小型・薄型化しても同等以上の性能を示すため、従来適用することが困難であった小型の機器(例えば携帯通信機器)等への適用が可能になる。このような用途においては、実装スペースの制限の観点から、具体的なデバイスの寸法として、横×縦寸法は20×20mm以下が良く、15×15mm以下が更に良く、10×10mm以下は更に望ましく、また、高さ10mm以下が良く、5mm以下は望ましく、3mm以下はさらに望ましい場合がある。本発明を実施することによって、このような寸法でも高感度・高精度のガスセンサを実現することができる。
さらに、本実施形態に係るガスセンサの構成によれば、ガスセンサ以外の用途の受発光装置としても適用可能である。すなわち、上記で説明した「ガスセンサ」をすべて「受発光装置」に読み替えることで導かれる発明も本明細書の開示事項である。例えば、基板外部の光路空間の状態(ガス以外のものとしては、流体の特定成分の有無や濃度等)を検知することが可能になる。例えば、第1の光源と第2センサ部間(2光源2センサの形態の場合は、第1の光源と第2センサ部間および第2光源と第1センサ部間)の光路空間を流れる物質(例えば水や体液)の成分検知装置又は成分濃度測定装置などに用いることができる。例えば、この成分検知装置又は成分濃度測定装置は、上記の光路空間を流れる物質が血液の場合、血液中のグルコース濃度測定などに用いることができる。
血液中のグルコース検知は、波長9.6μmの光の吸収を測定することより血糖中のグルコース濃度を測定することができる。すなわち、小型で高精度・高信頼性の非侵襲式のグルコース濃度測定計を実現することができる。このようなグルコース濃度測定計を実現することによって、糖尿病の患者が自分自身で、侵襲式の方法で生じるようなダメージを皮膚に与えずに、精度良く血糖値を調べることができ、投薬(例えばインスリン)のより正確な管理を実現することができる。
<実施形態の具体例>
次に、図面を参照して本実施形態の具体例(第1〜第21実施形態)について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図1に示すように、このガスセンサは、被検出ガスを導入することが可能なガスセル10と、被検出ガスによって吸収される波長を含む赤外線領域の光(即ち、赤外線)を出力する第1の光源20と、第1の光源20から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部31及び第2センサ部32と、第1の光源20と第1センサ部31を第1主面411上に有する第1基板41と、第2センサ部32を第1主面421上に有する第2基板42と、を有するガスセンサである。
このガスセンサにおいて、第1センサ部31は、第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第1主面411と対向する第2主面412において反射した光(破線で示す)が入射する位置に配置されている。また、第1基板41と第2基板42はガスセル10内で第2主面412と第2主面422を対向して配置されており、このガスセル10内の空間を挟んで、第1の光源20と第2センサ部32は対向する位置に配置されている。
第1実施形態に係るガスセンサによれば、第1センサ部31は、第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第1主面411と対向する第2主面412において反射した光(破線で示す)が入射する位置に配置されている。これにより、使用環境によらず第1の光源20の発光強度の変化による測定誤差を一定に補償することが可能な簡易、小型、かつ信頼性の高いガスセンサを実現できる。
[第2実施形態]
図2は本発明の第2実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図2に示すように、このガスセンサでは、第1基板41と第2基板42とが互いに側面(即ち、外周側面の一部)を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第1基板41と第2基板42とが平行配置されている点で第2実施形態は第1実施形態と異なる。それ以外の構成については、第2実施形態は第1実施形態と同じである。なお、第1基板の第2主面から出射した光を第2センサ部に効率的に入射させる観点から、第2実施形態及び、後述の第3、第5、第6実施形態では特に、ガスセル10の内壁の一部が高い反射率の材料で覆われていることが好ましい。
第2実施形態に係るガスセンサによれば、第2基板42と第1基板41とを平行配置させていることにより、ガスセンサの更なる小型化が可能である。
[第3実施形態]
図3は本発明の第3実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図3に示すように、このガスセンサでは、第1基板41と第2基板42の間に光遮断部50が設けられている。この光遮断部50が設けられている点で、第3実施形態は第2実施形態と異なる。この光遮断部50には封止樹脂を利用しても良い。それ以外の構成については、第3実施形態は第2実施形態と同じである。
第3実施形態に係るガスセンサによれば、光遮断部50を備えることにより、第1の光源20から出力された赤外線領域の光(即ち、赤外線)のうち、第1基板41の第2主面412で反射した光が、第1センサ部31には到達するが、第2センサ部32には到達しない。第2センサ部32に到達する光は全てガスセル10内の空間を通過した光となるため、より高精度なガス検知が可能になる。
[第4実施形態]
図4は本発明の第4実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図4に示すように、このガスセンサは、第1基板41の第2主面412側及び第2基板42の第2主面422側のガスセル空間中に、光反射部60を備える。即ち、このガスセンサは、ガスセル10内の第1基板41及び第2基板42からそれぞれ離れた位置に配置され、第1基板41の第2主面412から出射した光を第2センサ部32に向けて反射する光反射部60を備える。この光反射部60が設けられている点で、第4実施形態は第2実施形態と異なる。それ以外の構成については、第4実施形態は第2実施形態と同じである。
第4実施形態に係るガスセンサによれば、光反射部60を備えることにより、第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第2主面412から出射した赤外線(一点破線)を、該光反射部60で反射し選択的に第2センサ部32に入射させることが可能になるため、より高感度なガスセンサを実現することが可能になる。
[第5実施形態]
図5は本発明の第5実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図5に示すように、このガスセンサは、第1基板41の第2主面412上に設けられ、第1の光源20から出力される光のうち、第1基板41内で散乱する光(点線)の光量と、第1基板41の第2主面412からガスセル10内の空間へ放射される光(一点破線)の光量及び放射角度とを制御する制御層70を備える。この制御層70を備える点で、第5実施形態は第2実施形態と異なる。それ以外の構成については、第5実施形態は第2実施形態と同じである。
第5実施形態に係るガスセンサによれば、制御層70を備えることにより、第1センサ部31に入射させたい光量と第2センサ部32に入射させたい光量の比率を制御することができ、高S/N比のセンサを容易に設計することが可能になる。この制御層70は第2基板42の第2主面に設けても良い。
[第6実施形態]
図6は本発明の第6実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図6に示すように、このガスセンサは、第1基板の第2主面上に設けられ、第1の光源から出力された光を第1センサ部に向けて反射する光反射層701を備える。光反射層701に使われる材料としては、光の反射をする材料であれば何でも良く、金属光沢をもつ全反射する材料であれば更に良い。具体的には、反射率が良いという観点から、AlやAuを含む材料は好ましい場合がある。この光反射層701を備える点で、第6実施形態は第2実施形態と異なる。それ以外の構成については、第6実施形態は第2実施形態と同じである。
第6実施形態に係るガスセンサによれば、光反射層701を備えることにより、第1センサ部31に入射させたい光量を高めることができる。これにより、第1センサ部31の信号のS/N比を高めることができる。場合によって、S/N比を保ったまま第1センサ部の受光面積を小さくし、基板の利用効率を高めることができる。
[第7実施形態]
図7は本発明の第7実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。図7において、符号201、311、321は第1導電型の半導体層(例えばN型半導体層)であり、符号202、312、322は第2導電型の半導体層(例えばP型半導体層)であり、符号203、204、313、314、323、324は電極を示す。
図7に示すように、第1の光源20は、例えば、第1基板41の第1主面411上に形成された第1導電型の半導体層201と、半導体層201上に形成された第2導電型の半導体層202及び電極203と、半導体層202上に形成された電極204とを有する。
また、第1センサ部31は、例えば、第1基板41の第1主面411上に形成された第1導電型の半導体層311と、半導体層311上に形成された第2導電型の半導体層312及び電極313と、半導体層312上に形成された電極314とを有する。
第2センサ部32は、例えば、第2基板42の第1主面421上に形成された第1導電型の半導体層321と、半導体層321上に形成された第2導電型の半導体層322及び電極323と、半導体層322上に形成された電極324とを有する。
ここで、第1導電型の半導体層201、311、321は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第2導電型の半導体層202、312、322は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。
なお、図7においては、第1センサ部31、第2センサ部32は一つの素子として示したが、S/N比の観点から複数の素子を電気的に接続して各々一つのセンサ部としてもよい。また、発光効率の観点から、第1の光源20も電気的に接続された多数の素子であっても良い。また、第1導電型の半導体層201、311、321と、第2導電型の半導体層202、312、322の間にそれぞれ真正半導体層(いわゆるi型半導体層)を挿入し、PIN接合を形成してもよい。
第7実施形態に係るガスセンサによれば、第1導電型の各半導体層201、311、321及び第2導電型の各半導体層202、312、322として、材料及び膜厚がそれぞれ同様のものを採用することにより、第1の光源20、第1センサ部31、第2センサ部32が同じ温度特性を示す様になり、環境温度の変化によらず、高精度なガスセンサを実現することが可能になる。
[第8実施形態]
図8は本発明の第8実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図8に示すように、このガスセンサは、第2実施形態に係るガスセンサに、第3〜第6実施形態のガスセンサの特徴を全て組み込んでいる。第8実施形態に係るガスセンサによれば、第2〜第6実施形態の特徴を全て組み込むことにより、最も高精度・高感度な小型のガスセンサを実現することが可能になる。図8に示す光遮断部50は第3実施形態(図3)で説明した光遮断部と同様の役割を持つ。
[第9実施形態]
図9は本発明の第9実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図9に示すように、このガスセンサは、第1実施形態に係るガスセンサの第1基板41及び第2基板42をそれぞれ封止樹脂200で封止し、かつ、第1の光源20、第1センサ部31及び第2センサ部32に対して、駆動部や信号処理部を接続した例である。
即ち、第9実施形態に係るガスセンサは、第1の光源20に対して電力を供給するための光源電源供給部101と、第1センサ部31及び第2センサ部32からの出力信号が入力され、被検出ガスのガス濃度を演算するガス濃度演算部104と、を備える。低消費電力化の観点から、光源電源供給部101はパルス状の信号(電圧または電流)を第1の光源20に与えるものであることが好ましい。
第9実施形態に係るガスセンサによれば、第1の光源20、第1センサ部31及び第2センサ部32に対して、駆動部や信号処理部を接続することにより、ガスセル10内に導入された被検出ガスのガス濃度を自動的に算出し、その結果を出力することができる。
[第10実施形態]
図10は本発明の第10実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図10に示すように、このガスセンサは、第9実施形態に係るガスセンサに対して、第1センサ部31からの出力信号を増幅するための第1増幅部102、第2センサ部32からの出力信号を増幅するための第2増幅部103、ガスセル10内の温度を測定するための温度測定部105、及び、光源電源供給部101と第1増幅部102と第2増幅部103とに駆動信号を供給するための駆動信号供給部106をさらに備える。
低消費電力化の観点から、駆動信号供給部106が供給する信号は、光源電源供給部101、第1増幅部102及び第2増幅部103の動作タイミングを決めるパルス状の同期信号であることが好ましい。
環境温度に起因したずれを補償するために、ガスセル10周囲または内部の温度を測定する温度測定部105を備えていることが好ましい。環境温度によって、第1の光源20の発光スペクトルが変化する場合がある。また、被検出ガスの種類によっては、環境温度によって光の吸収量が変化する場合がある。そこで、温度測定部105を備えていれば、該温度測定部105により得られる温度情報をガス濃度演算部104に与えることで、環境温度に起因するずれを補償することが可能になるため好ましい。
高S/N比で信号を増幅する観点から、第1増幅部102及び第2増幅部103は、PSD(Phase Shift Detection)機能を持つアンプ(通称:Lock−in Amp)であることが好ましい。このPSD機能を持つアンプを用いる場合は、駆動信号供給部106から出力される信号がパルス状の同期信号であることが好ましい。
第10実施形態に係るガスセンサによれば、駆動信号供給部106が、光源電源供給部101、第1増幅部102及び第2増幅部103にそれぞれ動作タイミングを決めるパルス状の同期信号を送信することにより、ガスセンサの低消費電力化が可能になる。さらに、温度測定部105がガス濃度演算部104に温度情報を与えることで、環境温度に起因するずれを補償することが可能になる。
[第11実施形態]
図11は本発明の第11実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図11に示すように、このガスセンサは、第1基板41と、第2基板42、42´とを備える。即ち、2つの第2基板を備える。第2基板42、42´の各々の第2主面(裏面)に異なる波長を透過するバンドパスフィルタf1、f2を設けることによって、同時に2種類のガスを検出するこができる。当然ながら、3つ以上の第2基板を備えても良い。また、第2基板を共通にして、その第1主面上に多数(2つ以上)の受光部を設け、それぞれの受光部に光軸を合わせた光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)を設けても良い。
第11実施形態に係るガスセンサは、混合ガスの検出時にその効果が発揮できる。例えば、ガスセル10内に導入される被検出ガスがAガスとBガスの混合ガスの場合、ガスAが波長1に吸収があり、ガスBが波長2に吸収を持つとした場合を考える。この場合、第2基板42に波長1の光を透過するバンドパスフィルタf1を設け、第2基板42´に波長2の光を透過するバンドパスフィルタf2を設けた構成のガスセンサを利用する。第2基板42に設けられた第2センサ部32の出力信号の強度と、第2基板42´に設けられた第2センサ部32´の出力信号の強度より、各々のガスの濃度を求めることができる。
また、ガスセル10内に導入される被検出ガスがAガスとBガスの混合ガスの場合、ガスAが波長1と波長2に吸収があり、ガスBが同様に波長1と波長2に吸収を持つが、吸収割合はガスAとガスBで異なる場合を考える。この場合、第2基板42に波長1の光を透過するバンドパスフィルタf1を設け、第2基板42´に波長2の光を透過するバンドパスフィルタf2を設けた構成のガスセンサを利用する。第2基板42に設けられた第2センサ部32の出力信号の強度と、第2基板42´に設けられた第2センサ部32´の出力信号の強度を調べることによって、ガスセル10内に導入されている被検出ガスにおけるガスAとガスBの混合割合を判断できる。
[ガス濃度演算方法]
次に、本実施形態に係るガスセンサを用いたガス濃度演算方法の具体例について説明する。第1センサ部31が出力する信号をIp1、第2センサ部32が出力する信号をIp2とする。Ip1とIp2は式(3)及び式(4)で示すことができる。
Ip1 = RiREF(T) × φ(T) × α ・・・(3)
Ip2 = RiGAS(T) × φ(T) ×β×(1−A(C))
・・・(4)
但し、
A ・・・ ガス濃度による吸収率
C ・・・ ガス濃度
φ ・・・ 第1の光源の発光強度
α ・・・ 第1の光源から第1センサ部への伝達率
β ・・・ 基板からの光取り出し効率(若しくは、被検出物質(ガスなど)の吸収が無い場合の第1の光源から第2センサ部への伝達率)
Ip1 ・・・ 第1センサ部の出力信号
Ip2 ・・・ 第2センサ部の出力信号
RiREF・・・ 第1センサ部の感度
RiGAS・・・ 第2センサ部の感度
図9又は図10に示したガス濃度演算部104での演算方法の一つの例として式(5)を示す。
演算結果=Ip2/Ip1
=(RiGAS(T)×β×(1−A(C)))/(RiREF(T)×α) ・・・(5)
ここでは第1の光源の温度特性がそれぞれのセンサの温度特性が異なっていても良いが、第1センサ部の温度特性g1(T)と第2センサ部の温度特性g2(T)が等しいか、比例関係を持つのであれば、Ip2/Ip1∝(1−A(C))となり、ガスセンサとしての温度依存性が除去でき、ガスの分子が吸収するときの真正な吸収率を得ることができる。また、Lambert−Beerの法則より、(1−A(C))からガス濃度Cを抽出することができる。
ここでは、α、βが波長に応じて変化しない、また温度によって変化しないことと仮定したが、仮に、変化したとしても、LED及び/若しくは第1センサ部の温度を測定し、この測定結果を温度補償に利用しても良い。基本的に、ガスセンサの分解能は式(6)で示すことができる。
分解能=(ΔC/ΔIp)/(SNR) ・・・(6)
但し、ΔIpはセンサの信号変化
ΔCは被検出ガス濃度変化
SNRは第1の光源がONとOFFした場合(パルス駆動)に得られるセンサ部のS/N比を示す。
[経時変化補償]
式(5)から分かるように、第1の光源の光量は演算結果に表れないので、第1の光源が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、ガス濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係るガスセンサは、第1の光源20と第1センサ部31とが同一基板(第1基板41)上に形成されており、第1の光源20から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、第1の光源20からの発光量を正確に測定することが可能である。第1の光源が多数の発光部からなる場合は、各発光部が発光する各々の光量の測定が可能になるように、第1の光源20の各受光部と第1センサ部31の各受光部の配置を適切に設計すればよい。
上記の第1の光源を連続的にON/OFF(パルス駆動)し、また第1の光源がONの時の信号とOFFの時の第1センサ部及び第2センサ部からの信号を読み取り、その信号差を利用することによって外乱や回路によるオフセットが除去できる。その理由は回路や外乱によるオフセットは第1の光源のON/OFFに寄らず常に生じているため、ON時とOFF時の信号差を取ると、該オフセット成分が除去されるからである。
外乱の輻射及び回路オフセット揺らぎの周波数に対して、ON/OFFの切り替え周波数を十分高い値に設定することによりオフセットの除去効果はより著しくなる。具体的には外乱とオフセットの変動周波数帯が0〜1kHzの場合、ON/OFF切り替え周波数をその10倍(10kHz)程にすると良い。一般的にはこのオフセットのパワースペクトルは周波数fに反比例し、1/fと計算できる(通称:ピンクノイズ、1/fノイズ)。そのため、ON/OFFの切り替え周波数を、1/fノイズの現れない周波数帯に設定すると良い。また、ここで説明したON/OFFというような信号変調方式の他に、通信システムによく使われる振幅変調方式(AM:Amplitute Modulation)を用いても良い。
上記の分解能が小さい程、低いガス濃度(COの場合、例えば数10ppm程度)の測定が可能である。上記の関係より、ガスの吸収量とセンサ側のS/N比がトレードオフの関係を持つため、第1の光源からある光量の出力が得られる場合、この光量に対して最良の分解能を得るのに最適なガス路長を設計する必要がある。
ガスセンサ全体の消費電力の低減を目指し、第1の光源を低電流で駆動し、ガスセルを長くしすぎると、十分なS/N比がとれないことがある。つまり、短いガス路が必要となるが、ガス路が短い程、ガスの濃度の変化による信号の変化よりも、温度による信号の変化が著しくなる。この場合、効果的な温度補償方法が不可欠となる。
また第1センサ部及び第2センサ部は、高速に動作することができる(高速光パルスに応答をもつ)ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、ガスセンサの内部の温度を知ることができる。この方法を利用することで、温度測定部105を別途設ける必要がなくなるため、少ない部品数で温度補償が可能なガスセンサを実現できる。
[第12実施形態]
図12は本発明の第12実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図12に示すように、このガスセンサは、第1の光源20と第1センサ部31とを第1主面411上に有する第1基板41と、第1の光源20´と第1センサ部31´とを第1主面411´上に有する第2基板41´とを備える。第1基板41と第2基板42は互いに同一の構造を有する。
第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第1主面411と対向する第2主面412で反射した光(破線で示す)は第1センサ部31に入射し、第1基板41の第2主面412から出射した光(一点鎖線で示す)は第2基板41´の第2主面412´に入射し第2基板41´の内部を通って第2センサ部31´に入射する。また、第2の光源20´から出力された光のうち、第2基板41´の第1主面411´と対向する第2主面412´で反射した光(破線で示す)は第2センサ部31´に入射し、第2基板41´の第2主面412´から出射した光は第1基板41の第2主面412に入射し第1基板41の内部を通って第1センサ部31に入射する。このような条件を満たすように、第1基板41及び第2基板41´は、第2主面412、412´を互いに対向させた状態で配置されている。
即ち、第1センサ部31は、第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第2主面412において反射した光が入射する位置に配置されている。第2センサ部31´は、第2の光源20´から出力された光のうち、第2基板41´の第2主面412´において反射した光(図示せず)が入射する位置に配置されている。
また、第12実施形態に係るガスセンサは、受発光制御部501を備える。受発光制御部501は、第1の光源20及び第2の光源20´に電力を供給し、第1センサ部31及び第2センサ部31´からの出力信号を検出する。受発光制御部501は、例えば、第1の光源20付近に形成された第1センサ部31の温度と、第2の光源20´付近に配置された第2センサ部31´の温度とが等しくなるように、第1の光源20と第2の光源20´とにそれぞれ所望の電力を供給する。
第1センサ部31の温度と第2センサ部31´の温度とが等しい場合、第1センサ部31と第2センサ部31´の各感度が温度依存性を有していても、高精度の温度補償が可能となる。これにより、動作環境によらず、第1の光源20の発光強度の変化による測定誤差や、第2の光源20の発光強度の変化による測定誤差をそれぞれ一定に補償することが可能な、簡易、小型、かつ信頼性の高いガスセンサを実現することができる。
[第13実施形態]
図13は本発明の第13実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図13に示すように、このガスセンサでは、第1基板41と第2基板41´とが互いに側面(即ち、外周側面の一部)を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第1基板41と第2基板41´とが平行配置されている点で第13実施形態は第12実施形態と異なる。
また、このガスセンサでは、第1基板41の第2主面412側及び第2基板41´の第2主面412´側の空間中に、光反射部60を備える。即ち、このガスセンサは、第1基板41及び第2基板41´からそれぞれ離れた位置に配置され、第1基板41の第2主面412から出射した光を第2センサ部31´に向けて反射し、第2基板41´の第2主面412´から出射した光を第1センサ部31´に向けて反射する光反射部60を備える。
このように、第1基板41と第2基板41´とが平行配置されている点、及び、光反射部60が設けられている点で、第13実施形態は第12実施形態と異なる。それ以外の構成については、第13実施形態は第12実施形態と同じである。
第13実施形態に係るガスセンサによれば、第1基板41と第2基板41´とを平行配置させていることにより、ガスセンサの更なる小型化が可能である。また、光反射部60を備えることにより、第1の光源20から出力された光のうち、第1基板41の第2主面412から出射した光(一点破線)を光反射部60で反射し第2センサ部31´に選択的に入射させることが可能になる。また、第2の光源20´から出力された光のうち、第2基板41´の第2主面412´から出射した光(図示無し)を光反射部60で反射し第1センサ部31に選択的に入射させることが可能になる。このため、より高感度なガスセンサを実現することが可能になる。
第13実施形態では、図14で示すように、第1基板41と第2基板41´との間に、光遮断部50を設けてもよい。光遮断部50を設けることによって、第1の光源20から放出された光が第2基板41´の側面を介して第2センサ部31´に入射することを防ぐことができ、第2の光源20´から放出された光が第1基板41の側面を介して第1センサ部31に入射することを防ぐことができるため、好ましい場合がある。この光遮断部50は第1基板41と第2基板41´の封止に使われる樹脂モールドの一部であってもよい。
[第14実施形態]
図15は本発明の第14実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。第13実施形態と違って、基板は共通で、一つのみとなる。即ち、第14実施形態に係るガスセンサは、前述の第1基板及び第2基板が一体化した共通の基板40を有する。そして、この基板40の第1の面側401側に、第1の光源20、第1センサ部31、第2の光源20´、第2センサ部31´がそれぞれ配置されている。第14実施形態に係るガスセンサは、第1の光源20から第2センサ部31´への反射光と、第2の光源20´から第1センサ部31への反射光とをそれぞれ十分に減衰できるような場合に有効である。また、第1、第13実施形態と比べて、部品数が少ないため、好ましい場合がある。
[第15実施形態]
図16は本発明の第15実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。
図16に示すように、第1の光源20は、例えば、第1基板41の第1主面411上に形成された第1導電型(例えば、N型)の半導体層201と、半導体層201上に形成された第2導電型(例えば、P型)の半導体層202及び電極203と、半導体層202上に形成された電極204とを有する。また、第2の光源20´は、例えば、第2基板41´の第1主面411´上に形成された第1導電型の半導体層201´と、半導体層201´上に形成された第2導電型の半導体層202´及び電極203´と、半導体層202´上に形成された電極204´とを有する。
第1センサ部31は、例えば、第1基板41の第1主面411上に形成された第1導電型の半導体層311と、半導体層311上に形成された第2導電型の半導体層312及び電極313と、半導体層312上に形成された電極314とを有する。第2センサ部31´は、例えば、第2基板41´の第1主面411´上に形成された第1導電型の半導体層311´と、半導体層311´上に形成された第2導電型の半導体層312´及び電極313´と、半導体層312´上に形成された電極314´とを有する。
ここで、第1導電型の半導体層201、311、201´、311´は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第2導電型の半導体層202、312、202´、312´は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。つまり、第1の光源20、第2の光源20´、第1センサ部31、第2センサ部31´は同じ膜組成の化合物半導体(即ち、同一組成の化合物半導体積層部)を有する。また、図16に示すように、第1の光源20と第2の光源20´は同一構造(即ち、形状と大きさが同じ)である。第1センサ部31と第2センサ部31´も同一構造である。
なお、図16においては、第1センサ部31、第2センサ部31´は一つの素子として示したが、S/N比の観点から複数の受光素子を電気的に接続して一つのセンサ部としてもよい。また、発光効率の観点から、第1の光源20、第2の光源20´も複数の発光素子を電気的に接続して一つの発光部としてもよい。また、第1導電型の半導体層201、311、201´、311´と、第2導電型の半導体層202、312、202´、312´の間にそれぞれ真正半導体層(いわゆるi型半導体層)を挿入し、PIN接合を形成してもよい。
第15実施形態に係るガスセンサによれば、第1導電型の各半導体層201、311、201´、311´及び第2導電型の各半導体層202、312、202´、312´として、材料及び膜厚がそれぞれ同様のものを採用することにより、第1の光源20、第2の光源20´、第1センサ部31、第2センサ部31´が同じ温度特性を示すようになり、環境温度の変化によらず、高精度なガスセンサを実現することが可能になる。
また、第1の光源20、第2の光源20´、第1センサ部31、第2センサ部31´が同じ温度特性を示すことから、第1の光源20及び第2の光源20´に同じ大きさの電力を供給することにより、第1の光源20及び第2の光源20´を同じ温度に発熱させることができる。これにより、第1センサ部31及び第2センサ部31´を同じ温度にすることが可能となる。
[第16実施形態]
図17は本発明の第16実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図17に示すように、このガスセンサは、第12実施形態に係るガスセンサの第1基板41及び第2基板41´をそれぞれ封止樹脂200、封止樹脂200´で封止し、かつ、第1の光源20、第1センサ部31、第2の光源20´、第2センサ部31´に対して、受発光制御部501を接続した例である。
第16実施形態に係るガスセンサは、第1基板41と第2基板41´との間の空間を囲み、この空間に被検出物質(ガス等)を導入することが可能なガスセル10を有してもよい。図示しないが、このガスセル10には、被検出物質を導入するための導入口が設けられている。
この第16実施形態に係るガスセンサでは、第1基板41と第2基板41´は、第2主面412、412´を互いに対向させた状態で配置されている。これにより、第1の光源20から放出された光のうち、第1基板41の第2主面412から出射した光は、ガスセル10内の空間を通って、第2基板41´の第2主面412´に入射し第2基板41´を通って第2センサ部31´に入射する。また、第2の光源20´から放出された光のうち、第2基板41´の第2主面412´から出射した光は、ガスセル10内の空間を通って、第1基板41の第2主面412に入射し第1基板41を通って第1センサ部31に入射する。つまり、ガスセル10内には、光路となる空間(光路空間)が存在する。
図18は、第16実施形態における回路構成の一例を示す図である。図18では、受発光制御部501のより詳細な構成例を示すと共に、第1センサ部31、第2センサ部31´にフォトダイオードを利用し、第1の光源20、第2の光源20´にLEDを利用した場合の回路構成を示す。
図18に示すように、受発光制御部501は、例えば、第1の光源20に電力を供給して第1の光源20を駆動する(即ち、発光させる)第1駆動部502と、第2の光源20´に電力を供給して第2の光源20´を駆動する第2駆動部502´と、第1センサ部31の信号を処理する第1信号処理部503と、第2センサ部31´の信号を処理する第2信号処理部503´と、第1信号処理部503と第2信号処理部503´とからの信号を演算(例えば、セル透過特性の算出、物質やガスの濃度計算等)する演算部504と、第1駆動部502、第2駆動部502´及び演算部504を制御する制御回路505と、を備える。
第1信号処理部503及び第2信号処理部503´の具体的な例としては、I/V変換アンプが挙げられる。I/V変換アンプは第1センサ部31、第2センサ部31´がフォトダイオードの構造を有する場合、その出力電流を電圧に変換することができるため、有効である。低消費電力化の観点から、第1駆動部502及び第2駆動部502´はパルス状の信号(電圧又は電流)を第1の光源20、第2の光源20´に与えるものであることが好ましい。
第16実施形態に係るガスセンサによれば、図18に示すように、第1の光源20、第2の光源20´、第1センサ部31及び第2センサ部31´に対して、受発光制御部501を接続する。即ち、第1の光源20の両端の接続端子に第1駆動部502を接続する。第2の光源20´の両端の接続端子に第2駆動部502´を接続する。第1センサ部31の両端の接続端子に第1信号処理部503を接続する。第2センサ部31´の両端の接続端子に第2信号処理部503´を接続する。
これにより、ガスセル10内の光路空間の状態(特定のガスの有無や濃度、流体の特定成分の有無や濃度等)を検知することが可能になる。図18に示すガスセンサは、第1の光源20と第2の光源20´とを交互に駆動させてもよい。図19(a)は第1の光源20を駆動しているときの信号流れを示し、図19(b)は第2の光源20´を駆動しているときの信号の流れを示している。
[第17実施形態]
図20は、本発明の第17実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図20に示すように、第17実施形態に係るガスセンサは、例えば切り替えスイッチ521、522を利用して、第1の光源20、第2の光源20´に対して電力を交互に供給する駆動部512を有する。即ち、第17実施形態では、第1の光源20、第2の光源20´を共通の駆動部512で交互に駆動する。この交互駆動は、切り替えスイッチ521、522を利用することによって行うことができる。
発光部に流れる電流が大きい場合、駆動部のサイズ(例えば、LSIの場合、回路が占めるチップ面積)は大きくなってしまう場合があるので、駆動部を1つにすることで、回路・LSI全体のサイズを縮小することができ、チップの利用効率が改善できる。つまり、発光部の発光電流が大きい場合、例えば、1mA以上、若しくは10mA以上、若しくは50mA以上、若しくは100mA以上の場合、第17実施形態は有効である。
[第18実施形態]
図21は、本発明の第18実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図21に示すように、第18実施形態に係るガスセンサにおいて、受発光制御部501は、例えば、周波数F1で第1の光源20を駆動する第1駆動部502と、周波数F2で第2の光源を駆動する第2駆動部502´と、第1信号処理部503と、第2信号処理部503と、第1復調器531と、第2復調器531´と、演算部504とを有する。なお、F1とF2は異なる数値である(F1≠F2)。
第1復調器531は、周波数F1で変調された2つの信号成分、つまり第1の光源20から第2センサ部31´へ入射した信号及び、第1の光源20から第1センサ部31へ入射した信号を復調する。第2復調器531´は、周波数F2で変調された2つの信号成分、つまり第2の光源20´から第1センサ部31へ入射した信号及び、第2の光源20´から第2センサ部31´へ入射した信号を復調する。演算部504は、第1復調器531、第2復調器531´からの信号を受け、物質の透過率(ガス濃度等)に応じた演算結果を出力する。
第18実施形態では、第1の光源20が周波数F1の信号で駆動されると同時に、第2の光源20´が周波数F2(F1≠F2)で駆動される。第18実施形態では、切り替えスイッチを利用せずに、両方の発光部を駆動することができるため、第1センサ部31、第2センサ部31´の温度差はさらに生じにくくなり、高精度の温度補償ができる。
この場合、第1の光源20から周波数F1で変調され、第1基板41の内部を通って第1センサ部31に入射した信号Ip_ref_f1と、第2の光源20´から周波数F2で変調され、光路空間を通って第1センサ部31に入射した信号(即ち、被検出物質を透過した光に応じた信号)Ip_trasm_f2の2つの信号の組み合わせが、第1信号処理部503で検出される信号Aとなる。また、第2の光源20´から周波数F2で変調され、第2基板の内部を通って第2センサ部31´に入射した信号Ip_ref_f2と、第1の光源20から周波数F1で変調され、光路空間を通って第2センサ部31´に入射した信号(即ち、被検出物質を透過した光に応じた信号)Ip_transm_f1の2つの信号の組み合わせが、第2信号処理部503´で検出される信号Bとなる。
第1復調器531は、信号A、信号B、周波数F1の同期信号ref1を受け、復調されたIp_ref_f1及び復調されたIp_trasm_f1を出力する。第2復調器531´は、信号A、信号B、周波数F2の同期信号ref2を受け、復調されたIp_ref_f2及び復調されたIp_transm_f2を出力する。
第1復調器531、第2復調器531´はそれぞれの周波数での振幅成分の信号を分離することができれば、どのような構成でもよい。第1復調器531、第2復調器531´の一例として、Lock−in Ampが挙げられる。Lock−in Ampは、様々な周波数成分を有する信号から、参照信号(上記ではref1及びref2の様な同期信号)と同じ周波数の信号のみを抽出し、出力することができるため、本発明では有効である。
[第19実施形態]
図22は、本発明の第19実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図22に示すように、第19実施形態に係るガスセンサは、第1の光源20及び第1センサ部31に加えて、第1温度測定部51が形成された第1基板41と、第2の光源及び第2センサ部に加えて、第2温度測定部51´が形成された第2基板41´とを有する。
第1温度測定部51と第2温度測定部51´は互いに同様の構造を有し、第1センサ部31の温度及び第2センサ部31´の温度をそれぞれ精密に測定できる構造であれば、どのような構造でもよい。具体的な例としては、 第1温度測定部51と第2温度測定部51´は、発光部及びセンサ部と同様のフォトダイオード構造を有してもよい。
図23は、第1温度測定部51がサーミスタ構造からなる場合を示している。第1温度測定部51をサーミスタ構造とする場合は、第1温度測定部51をフォトダイオードの例えばN層(基板の第1主面に近い半導体層が望ましい)を利用して、同一基板、同一製造工程で形成できるため、好ましい場合がある。また、サーミスタは電流を印加することによって、センサ部の温度に応じた出力信号を得ることができる。図示しないが、第2温度測定部51´についても、サーミスタ構造とすることによって、上記と同様の効果を得ることができる。
図22に戻って、第19実施形態に係るガスセンサは、温度制御部541をさらに有する。温度制御部541は、第1温度測定部51からの温度情報及び第2温度測定部51´からの温度情報を受け、第1センサ部31の温度及び第2センサ部31´の温度が互いに等しくなるように、第1の光源20及び第2の光源20´に必要な電力に応じた制御信号を出力する。
本発明の第19実施形態は、特に第1基板41と第2基板41´とが離れて配置された場合に有効である。例えば、特定の波長での光吸収が少ない被検出物質の濃度を測定する場合、長い光路が必要となり、設計によって、第1基板41と第2基板41´とを離れた場所に設置する必要がある場合もある。この場合、第1基板41と第2基板41´は温度勾配などのような熱的外乱の影響は受けやすくなる。しかしながら、第19実施形態によれば、第1センサ部31の温度と第2センサ部31´の温度とをそれぞれ測定し、それぞれの温度が互いに同じになるように、第1の光源20と第2の光源20´とにそれぞれの所望の電力を加える。これにより、第1センサ部31の温度と第2センサ部31´の温度とを同じにすることができ、高精度の温度補償が可能となる。発光部に供給する電力の制御(変化)の方法として、電流(若しくは電圧)のパルスの幅、パルスの振幅、若しくはパルスのデューティ(Duty)比が考えられる。デューティ比は、デューティ値ともいう。
[第20実施形態]
図24は、第20実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
第20実施形態は第19実施形態と同じく、第1センサ部の温度と第2センサ部の温度を測定し、第1の光源及び第2の光源に必要な電力を供給するために、温度制御部541が第1駆動部及び第2駆動部に制御信号を出力する。第20実施形態と第19実施形態の相違点は温度測定方法にある。第20実施形態に係るガスセンサは、第1センサ部31の抵抗値を算出することができる第1信号処理部503を有する(図24では、第1信号処理部503の一例を示し、その他の回路の図示は省略した。)。図24に示すように、第1信号処理部503は、フォトダイオード(例えば、第1センサ部31)に逆方向電流を流すための電流源551と、アンプ552と、電流源551とアンプの入力端子とに接続されたコンデンサ553とを有する。
第20実施形態では、フォトダイオードの抵抗値に応じた電圧値が温度情報を有する信号となる。InSbやInAlSbやInAsSbを用いたフォトダイオード構造では、逆方向バイアスの抵抗値が温度に応じて変化するため、第1センサ部31の温度を正確に測定することができる。このため、第20実施形態は、より高精度の温度補償を実現することができる。また、第1センサ部31が出力する受光強度に応じた信号は、コンデンサ553を介して直流成分から分離することができる。
なお、図示しないが、第2信号処理部についても、図24に示した第1信号処理部と同様の構成とすることができる。
[第21実施形態]
本発明の第1から第21実施形態では、第1の光源20から第2センサ部31´までの光路中、及び/又は、第2の光源20´から第1センサ部31までの光路中に、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタ(バンドパスフィルタ)を備えてもよい。
図25は、本発明の第21実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図25に示すように、このガスセンサは、第1基板41の第2主面412側にバンドパスフィルタ35を有し、第2基板41´の第2主面412´側にバンドパスフィルタ35´を有する。バンドパスフィルタ35は第2の光源20´から第1センサ部31に至る光路中に配置されている。また、バンドパスフィルタ35´は第1の光源20から第2センサ部31´に至る光路中に配置されている。バンドパスフィルタ35、35´は、例えば、互いに異なる波長を透過する光学フィルタである。
第21実施形態に係るガスセンサは、例えば、混合物質(混合ガス等)を定性的又は定量的に検出する用途に用いることができる。例えば、セル内に導入される被検出物質がガスAとガスBの混合ガスの場合、ガスAが波長1に吸収があり、ガスBが波長2に吸収をもつ場合を考える。この場合、第2基板41´に波長1の光を透過するバンドパスフィルタ35´を設け、第1基板41に波長2の光を透過するバンドパスフィルタ35を設ける。第2基板41´に設けられた第2センサ部31´の出力信号の強度と、第1基板41に設けられた第1センサ部31の出力信号の強度より、ガスA、Bの検出や、ガスA、Bの濃度を求めることができる。
[流体中特定物質濃度演算方法]
次に、本発明におけるガスセンサを用いた流体中にある特性物質の濃度演算方法の具体例について説明する。第1の光源20が発光したときの第1センサ部31が出力する信号をIp_REF_1、第2センサ部31´が出力する信号をIp_TRANSM_1とする。Ip_REF_1とIp_TRANSM_1は式(7)及び式(8)で示すことができる。また、第2の光源20´が発光したときの第2センサ部31´が出力する信号をIp_REF_2、第1センサ部31が出力する信号をIp_TRANSM_2とする。Ip_REF_2とIpTRANSM 2は式(9)及び式(10)で示すことができる。
Ip_REF_1=Ri(T)×φ1(T)×α ・・・(7)
Ip_TRASM_1=Ri(T)×φ1(T)×β×(1−A(C))
・・・(8)
Ip_REF_2=Ri(T)×φ2(T)×α ・・・(9)
Ip_TRASM_2=Ri(T)×φ2(T)×β×(1−A(C))
・・・(10)
但し、
A ・・・ 被測定物質濃度による吸収率
C ・・・ 被測定物質の濃度
φ1 ・・・ 第1の光源の発光強度
φ2 ・・・ 第2の光源の発光強度
α ・・・ 第1の光源から第1センサ部への伝達率
(第2の光源から第2センサ部への伝達率と同様)
β ・・・ 第1基板・第2基板からの光取り出し効率(若しくは、被検出物質の吸収が無い場合の、第1の光源から第2センサ部へ、第2の光源から第1センサ部への伝達率)
Ip_REF_1・・・第1の光源が発光するときの第1センサ部の出力信号
Ip_TRASM_1・・・第1の光源が発光するときの第2センサ部の出力信号
Ip_REF_2・・・第2の光源が発光するときの第2センサ部の出力信号
Ip_TRASM_2・・・第2の光源が発光するときの第1センサ部の出力信号
Ri1・・・ 第1センサ部の感度
Ri2・・・ 第2センサ部の感度
この交互駆動は制御回路部505からの制御信号によって、第1駆動部と第2駆動部が動作し、交互に第1駆動部と第2駆動部が発光する。
次に、演算部504による演算方法の一例を示す。例えば、演算部504は、第1の光源が発光しているときに演算結果1を計算し、第2の光源が発光しているときに演算結果2を計算することができる。即ち、演算結果1と演算結果2は式(11)及び式(12)で示すことができる。
演算結果1=Ip_TRASM_1/Ip_REF_1
=(Ri2(T)×β×(1−A(C)))/(Ri1(T)×α)
・・・(11)
演算結果2=Ip_TRASM_2/IpREF_2
=(Ri1(T)×β×(1−A(C)))/(Ri2(T)×α)
・・・(12)
第1センサ部の温度特性Ri1(T)=g1(T)と第2センサ部の温度特性Ri2(T)g2(T)が等しいか、比例関係をもつのであれば、演算結果1∝(1−A(C))となり、同様に演算結果2∝(1−A(C))となり、ガスセンサとしての温度依存性が除去でき、ガスの分子が吸収するときの真正な吸収率を得ることができる。演算結果1と演算結果2が同じであれば、最終的な演算結果として、式(13)で示すような演算が考えられる。
演算結果3=(演算結果1+演算結果2)/2 ・・・(13)
式(9)で示した演算結果を用いて、Lambert−Beerの法則より、(1−A(C))から被測定物質濃度Cを抽出することができる。
ここでは、α、βが波長に応じて変化しない、また温度によって変化しないことと仮定したが、仮に、変化したとしても、第1基板及び/又は第2基板、又はセルの温度を測定し、この測定結果を温度補償に利用してもよい。
[経時変化補償]
式(7)〜(13)から分かるように、発光部の光量は演算結果に表れないので、発光部が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、被検出物質の濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係るガスセンサは、第1の光源20と第1センサ部31とが同一基板(第1基板41)上に形成されており、第1の光源20から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、第1の光源20からの発光量を正確に測定することが可能である。第2の光源20´からの発光量に関しても同様である。発光部が多数の発光素子からなる場合は、各発光素子が発光する各々の光量の測定が可能になるように、発光部20の各発光素子と第1センサ部31の各受光素子の配置を適切に設計すればよい。
上記の発光部を連続的にON/OFF(パルス駆動)し、また発光部がONの時とOFFの時の第1センサ部及び第2センサ部からの信号を読み取り、その信号差を利用することによって外乱や回路によるオフセットが除去できる。その理由は回路や外乱によるオフセットは発光部のON/OFFによらず常に生じているため、ON時とOFF時の信号差を取ると、該オフセット成分が除去されるからである。
外乱の輻射及び回路オフセット揺らぎの周波数に対して、ON/OFFの切り替え周波数を十分高い値に設定することによりオフセットの除去効果はより著しくなる。具体的には外乱とオフセットの変動周波数帯が0〜1kHzの場合、ON/OFFの切り替え周波数をその10倍(10kHz)程度にするとよい。一般的にはこのオフセットのパワースペクトルは周波数fに反比例し、言い換えれば1/fとなる(通称:ピンクノイズ、1/fノイズ)。そのため、ON/OFFの切り替え周波数を、1/fノイズの現れない周波数帯に設定するとよい。さらに、第7、第19実施形態では、第1復調器と第2復調器で信号の干渉がないように、十分な周波数の差Δfを設ける必要がある。また、ここで説明したON/OFFというような信号変調方式の他に、通信システムによく使われる振幅変調方式(AM:Amplitute Modulation)を用いてもよい。
ガスセンサ全体の消費電力の低減を目指し、発光部を低電流で駆動し、ガスセルを長くしすぎると、十分なS/N比がとれないことがある。つまり、短いガス路が必要となるが、ガス路が短い程、ガスの濃度の変化による信号の変化よりも、温度による信号の変化が著しくなる。この場合、効果的な温度補償方法が不可欠となる。
また第1センサ部及び第2センサ部は、高速に動作することができる(高速光パルスに対して十分な応答性をもつ)ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、ガスセンサの内部の温度を正確に知ることができる。
<その他>
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、本実施形態の一例である第1の態様、第2の態様、本実施形態の具体例である第1〜第21実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた各態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明のガスセンサは、赤外線式のガスセンサに限定されるものではなく、例えば紫外線式のガスセンサであってもよい。この場合は、第1の光源、第2の光源が紫外線を放射し、この放射された紫外線の一部を第1センサ部が受光し、紫外線の他の一部を第2センサ部が受光する。
また、上記の技術を利用すれば、環境温度の影響を受けない、高精度の濃度測定装置が実現できる。濃度測定装置の用途の一例としては、ガスセンサが挙げられる。
次に、本発明の実施例と比較例について説明する。
<実施例>
本発明の実施例について、図10に示した第10実施形態に係るガスセンサを用いて説明する。第1基板41、第2基板42には半絶縁性のGaAs基板を利用し、第1の光源20には4.3μm付近の波長を発光できるPIN構造のLEDを、第1センサ部31、第2センサ部32には4.3μm付近の波長を検出できるPIN構造のフォトダイオードを利用した。
第1の光源(LED)20、第1センサ部31、第2センサ部32は全て同様の積層構造を持ち、厚み230μmのGaAs基板上に、厚み1μmのn型AlInSb、厚み2μmのi型のアクティブ層、i層よりバンドギャップの大きい厚み0.02μmのAlInSbのバリア層、厚み0.5μmのp型AlInSbをMBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いて基板上に成膜した。
第1基板41と第2基板42の面積は同様で、0.53mmとした。第1基板41にある第1の光源20のLED面積(発光面積)を0.26mm、第1センサ部31の受光部の面積(受光面積)0.025mmとした。第2センサ部32の受光面積は0.28mmとした。第1センサ部31の受光部の数は36個で、第2センサ部32の受光部の数は396個とした。第1基板41と第2基板42は同様のウエハープロセスを実施した。まず、WETエッチングを実施し、MESA型の素子(受光素子、発光素子)を形成し、その後、Siを絶縁層として形成し、最後に、n型層とp型層に電気的接続をするために、コンタクト穴を形成し、最後に、メタル配線を形成した。メタル配線にはTiを密着層として利用し、その上に配線抵抗を抑えるためのAuを用いた。
封止樹脂200としては、4.3μmの波長の光を透過しないナミックス社製のChipcoat G8345−6の樹脂を用いた。ガスセル10には内部が鏡面仕上げされたアルミニウム製の筒を利用した。第1基板41と第2基板42の距離は20mm(ガスセル長となる距離)とした。ガスセンサの全体の大きさとして、10×10×25mmとなる。
第1の光源20に電源を供給する光源電源供給部101として、矩形波のパルスを出力するパルスジェネレーター(パルス発生部)を利用した。第1増幅部102には第1ロックインアンプを利用し、第2増幅部103には第2ロックインアンプを利用した。両方のロックインアンプの同期信号として、パルスジェネレーターのトリガー信号を利用した。この実験で利用した被検出ガスは二酸化炭素(CO)とした。
[測定実験]
このガスセンサを恒温槽内に設置し、恒温槽の温度を30℃及び40℃にそれぞれ設定し、ガスセル10内に濃度500ppm、1000ppm、2000ppm、3000ppm、5000ppmの二酸化炭素ガスを導入したときの、第2センサ部32の出力信号を(30℃、2000ppmの時を基準とする)を図26に示し、第1基板41上にある第1センサ部31の出力信号を図27に示す。
また、図28には二酸化炭素ガスの濃度を一定(1000ppm)にし、温度を0〜60℃まで変化させた場合において、本実施形態の温度補償を適用した場合の出力信号(第2センサ部の出力信号/第1センサ部の出力信号)の変化率と、温度補償を適用しなかった場合の出力信号(第2センサ部の出力信号そのまま)の変化率(それぞれ温度0℃を基準)示す。
[結果]
図26に示すように、第2センサ部32の出力信号は、二酸化炭素ガスの濃度を500〜5000ppmまで変化させると、環境温度が30℃と40℃の場合のそれぞれにおいて、出力信号は約0.8%/1000ppm変化することが確認された。また、温度を10℃(30℃から40℃へ)変化させると、出力信号は10%/10℃も変化することが確認された。すなわち、環境温度が変化すると、本来検知したいガス濃度範囲における出力信号の変化(0.8%/1000ppm)よりはるかに大きい信号変化が生じてしまい、ガス濃度が正しく検知できないことが理解できる。
一方、図27に示すように、第1センサ部31の出力信号は第2センサ部32と同じように温度の影響を受けるが、ガス濃度の影響を受けないことが分かる。
図28に示すように、温度補償しない場合であって温度を0〜60℃変化させた場合は、約15%の信号変化が生じてしまう。これに対し、本実施形態の温度補償を適用した場合、すなわち第2センサ部32の信号を第1センサ部31の信号で除した信号を出力とする場合、温度による影響は1%以内に大幅に抑えられることが示される。以上から、本実施形態の構成により、大幅にガス測定精度が高められることが示された。
<比較例>
[測定実験]
次に、比較例について、図29(b)に示したガスセンサを用いて説明する。
図29(b)に示す様に、第1センサ部(参照用センサ)931と第2センサ部(検出用センサ)932を第1の光源に対向するように配置し、参照用センサ931には参照用のバンドパスフィルタ(中心波長3.9μm、半値幅0.2μmの波長帯を選択的に透過)f´1を設置し、検出用センサ932には検出用のバンドパスフィルタ(中心波長4.3μm、半値幅0.2μmの波長帯を選択的に透過)f´2を設置した以外は実施例と同様の構成とし、同様の測定を行った。
[結果]
表1で示すように比較例ではメインセンサ信号(S2)とリファレンスセンサ信号(S1)の比のS/N比は3194に対して、本発明の実施例ではS1が100倍拡大されるため、S2/S1のS/N比は4380となり、1.4倍の改善が確認できる。
Figure 0006010702
このようにして、本発明は様々なガス濃度センサに適用でき、例えば二酸化炭素(CO)のガス濃度センサに応用できる。地球上で人間が活動している環境では、二酸化炭素の濃度は数100ppm〜5000ppmとされている。場合によって5000ppmを超える場合もあるが、二酸化炭素の濃度は多くの場合、安全管理上、医療分野、または環境の快適さの観点から、モニタリングする必要がある。本発明は、比較的低濃度の二酸化炭素を200ppm、若しくは100、50、10ppm以下の分解能で、且つ広い温度範囲でモニタリングすることができる。
本発明により、温度補償及び劣化補償が不要なガスセンサを、より簡易な構成で実現することができる。
10 ガスセル
20 第1の光源
20´ 第2の光源
31 第1センサ部
31´、32 第2センサ部
40 基板(共通の基板)
41 第1基板
41´、42 第2基板
50 光遮断部
51 第1温度測定部
51´ 第2温度測定部
60 光反射部
70 制御層
101 光源電源供給部
102 第1増幅部
103 第2増幅部
104 ガス濃度演算部
105 温度測定部
106 駆動信号供給部
200 封止樹脂
201、311、321、201´、311´ 第1導電型の半導体層
202、312、322、202´、312´ 第2導電型の半導体層
203、204、313、314、323、324、203´、204´、313´、314´ 電極
411 第1主面
412 第2主面
501 受発光制御部
502 第1駆動部
502´ 第2駆動部
503 第1信号処理部
503´ 第2信号処理部
504 演算部
505 制御回路
512 駆動部
521、522 切り替えスイッチ
531 第1復調器
531´ 第2復調器
541 温度制御部
551 電流源
552 アンプ
553 コンデンサ
701 光反射層
910 ガスセル
920 第1の光源
930 赤外線センサ
931 参照用センサ
932 検出用センサ

Claims (26)

  1. 第1の光源と、
    前記第1の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部および第2センサ部を備え、
    第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第1の光源と前記第1センサ部とが設けられた第1基板と、
    第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第2センサ部が設けられた第2基板と、をさらに備え、
    前記第1センサ部の配置位置は、前記第1基板の第1主面であって、前記第1の光源から出力されて該第1基板内に直接入射され該第1基板内を進行した光のうちの該第1基板の第2主面で反射して該第1基板内を戻ってきた光が該第1基板から直接入射する位置に設定されているガスセンサ。
  2. 前記第2基板は、前記第1基板とは別の基板である請求項1に記載のガスセンサ。
  3. 前記第1の光源と前記第1センサ部とは、前記第1基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有する請求項1又は請求項2に記載のガスセンサ。
  4. 前記第1センサ部からの出力信号と前記第2センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備える請求項1から請求項3の何れか一項に記載のガスセンサ。
  5. 前記演算部は、前記第1センサ部からの出力信号と前記第2センサ部からの出力信号との比を演算する請求項4に記載のガスセンサ。
  6. 前記第1センサ部と前記第2センサ部は、同一の温度特性を有する請求項1から請求項5の何れか一項に記載のガスセンサ。
  7. 前記第1基板と前記第2基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、
    前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた光遮断部をさらに備える請求項1から請求項の何れか一項に記載のガスセンサ。
  8. 前記光遮断部は封止樹脂を含む請求項7に記載のガスセンサ。
  9. ガスセルをさらに備え、
    前記ガスセル内の前記第1基板及び前記第2基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第1基板の第2主面から出射した光を前記第2センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備える請求項1から請求項の何れか一項に記載のガスセンサ。
  10. 前記第1基板の第2主面上に設けられ、
    前記第1の光源から出力される光のうち、前記第1基板内で散乱する光の光量と、前記第1基板の第2主面から前記ガスセル内の空間へ放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備える請求項に記載のガスセンサ。
  11. 前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記第1の光源から出力された光を前記第1センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備える請求項1から請求項10の何れか一項に記載のガスセンサ。
  12. 前記第1センサ部と前記第2センサ部及び前記第1の光源がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなる請求項1から請求項11の何れか一項に記載のガスセンサ。
  13. 前記積層構造は、少なくともP型半導体とN型半導体の2種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含む請求項12に記載のガスセンサ。
  14. 前記第1基板の第2主面から出射した光が前記第2センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備える請求項1から請求項13の何れか一項に記載のガスセンサ。
  15. 前記第1センサ部と前記第2センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、
    該受光部の数は前記第1センサ部と前記第2センサ部とで異なる請求項1から請求項14の何れか一項に記載のガスセンサ。
  16. 前記第1基板と前記第2基板は、同一の材料からなる請求項1から請求項15の何れか一項に記載のガスセンサ。
  17. 前記第2基板の第1主面上に設けられた、第2の光源をさらに備え、
    前記第2センサ部は、前記第2の光源から出力されて前記第2基板内に直接入射され該第2基板内を進行した光のうち、前記第2基板の第2主面で反射して該第2基板内を戻ってきた光が該第2基板から直接入射する位置に設定されている請求項1から請求項3の何れか一項に記載のガスセンサ。
  18. 前記第2の光源と前記第2センサ部とは、前記第2基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有する請求項17に記載のガスセンサ。
  19. 前記第1の光源及び前記第2の光源に電力を供給し、前記第1センサ部からの出力信号及び前記第2センサ部からの出力信号が入力される受発光制御部をさらに備える請求項17又は請求項18に記載のガスセンサ。
  20. 前記受発光制御部は、前記第1の光源及び前記第2の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しない請求項19に記載のガスセンサ。
  21. 前記受発光制御部は、前記第1の光源及び前記第2の光源に同じ大きさの電力を供給する請求項19又は請求項20に記載のガスセンサ。
  22. 前記受発光制御部は、
    前記第1センサ部と前記第2センサ部とが同じ温度となるように、前記第1の光源に供給する電力及び前記第2の光源に供給する電力を制御する請求項19又は請求項20に記載のガスセンサ。
  23. 前記受発光制御部は、前記第1センサ部の温度を測定する第1温度測定部と、
    前記第2センサ部の温度を測定する第2温度測定部と、を有する請求項22に記載のガスセンサ。
  24. 前記受発光制御部は、
    前記第1センサ部の抵抗値に基づいて該第1センサ部の温度を算出し、
    前記第2センサ部の抵抗値に基づいて該第2センサ部の温度を算出する請求項22又は請求項23に記載のガスセンサ。
  25. 前記受発光制御部は、
    前記第1の光源及び前記第2の光源に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御する請求項22から請求項24の何れか一項に記載のガスセンサ。
  26. 前記受発光制御部は、
    前記第1の光源を周波数F1で駆動し、前記第2の光源を周波数F2(F1≠F2)で駆動する請求項22から請求項25の何れか一項に記載のガスセンサ。
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