JP7281127B2 - Gas sensor with infrared light source and infrared light source - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線光源および赤外線光源を備えたガスセンサに関する。 The present invention relates to an infrared light source and a gas sensor with an infrared light source.
一酸化炭素などの検知対象ガスを検知するために、たとえば非分散型赤外線分析(NDIR)式などの、赤外線を利用したガスセンサが用いられる。赤外線を利用したガスセンサでは、検知対象ガスに含まれる分子の振動を励起することで赤外線が吸収される性質を利用して、検知対象ガスの同定および定量が行なわれる。このようなガスセンサでは、検知対象ガスに照射するための赤外線を放射する赤外線光源が用いられる。 In order to detect target gases such as carbon monoxide, infrared gas sensors, such as those of the non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) type, are used. A gas sensor using infrared rays identifies and quantifies a gas to be detected by utilizing the property that infrared rays are absorbed by exciting the vibration of molecules contained in the gas to be detected. Such a gas sensor uses an infrared light source that emits infrared rays for irradiating the gas to be detected.
特定の検知対象ガスを精度よく、また高感度で検知するためには、特定の分子の振動を優先的に励起できる狭帯域の赤外線発光特性を有する赤外線発光体により赤外線光源を構成することが望まれる。狭帯域の赤外線発光特性を有する赤外線発光体として、たとえば特許文献1に開示された赤外線吸収(発光)体が期待されている。特許文献1の赤外線吸収(発光)体は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属微細構造層を基板上に設けることで、局在表面プラズモン共鳴の共鳴条件を満たす特定波長の赤外線の発光強度を増強させることができる。
In order to detect a specific gas to be detected with high accuracy and sensitivity, it is desirable to configure the infrared light source with an infrared emitter that has narrow-band infrared emission characteristics that can preferentially excite the vibration of specific molecules. be As an infrared emitter having narrow-band infrared emission characteristics, for example, an infrared absorbing (emitting) body disclosed in
たとえば特許文献1の赤外線吸収(発光)体を赤外線光源に用いる場合、赤外線吸収(発光)体を加熱するための加熱源が、基板の、金属微細構造層が設けられる側とは反対側に設けられる。その場合、加熱源からの熱が基板を介して赤外線吸収(発光)体に伝達されるので、赤外線吸収(発光)体が加熱される際に基板内に熱が拡散してしまって、加熱開始から赤外線吸収(発光)体を安定して加熱するまでに長時間を要する可能性がある。それに伴って、赤外線光源の加熱を開始してから赤外線が安定して放射されるまでに長時間を要する可能性がある。このように、特許文献1の赤外線吸収(発光)体に限らず、基板上に赤外線発光構造が設けられた赤外線発光体を用いた赤外線光源では、基板内への熱拡散により、赤外線光源の加熱を開始してから赤外線が安定して放射されるまでに長時間を要する可能性がある。
For example, when the infrared absorbing (light emitting) body of
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、加熱開始から短時間で安定して赤外線を放射可能な赤外線光源および赤外線光源を備えたガスセンサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an infrared light source capable of stably emitting infrared light within a short period of time from the start of heating, and a gas sensor equipped with the infrared light source.
本発明の赤外線光源は、基板と、前記基板上に設けられ、熱を吸収して赤外線を発する赤外線発光体と、前記基板と前記赤外線発光体との間に設けられ、前記赤外線発光体を加熱する加熱層とを備える赤外線光源であって、前記赤外線光源が、前記基板と前記加熱層との間に設けられ、前記基板と前記加熱層との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層と、前記加熱層と前記赤外線発光体との間に設けられ、前記加熱層と前記赤外線発光体との間を電気的に絶縁する絶縁層とをさらに備えることを特徴とする。 The infrared light source of the present invention comprises a substrate, an infrared light emitter provided on the substrate and absorbing heat to emit infrared light, and provided between the substrate and the infrared light emitter to heat the infrared light emitter. and a heating layer, wherein the infrared light source is provided between the substrate and the heating layer, and a heat conduction suppression layer that suppresses heat conduction between the substrate and the heating layer. and an insulating layer provided between the heating layer and the infrared emitter for electrically insulating between the heating layer and the infrared emitter.
また、前記赤外線発光体が、熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層と、前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層とを備えることが好ましい。 In addition, the infrared emitter comprises a metal microstructure layer capable of absorbing heat and causing localized surface plasmon resonance, a dielectric layer provided below the metal microstructure layer, and the metal microstructure layer. and a metal layer provided under the dielectric layer so as to sandwich the dielectric layer therebetween.
また、前記熱伝導抑制層が、耐熱性有機高分子材料を含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the heat conduction suppressing layer contains a heat-resistant organic polymer material.
また、前記熱伝導抑制層が、500nm以上、5000nm以下の膜厚を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the heat conduction suppressing layer has a film thickness of 500 nm or more and 5000 nm or less.
また、前記絶縁層が、無機絶縁材料を含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the insulating layer contains an inorganic insulating material.
また、前記絶縁層が、50nm以上、100nm以下の膜厚を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the insulating layer has a film thickness of 50 nm or more and 100 nm or less.
本発明のガスセンサは、前記赤外線光源を備えることを特徴とする。 A gas sensor according to the present invention includes the infrared light source.
本発明によれば、加熱開始から短時間で安定して赤外線を放射可能な赤外線光源および赤外線光源を備えたガスセンサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an infrared light source capable of stably emitting infrared rays in a short period of time from the start of heating, and a gas sensor equipped with the infrared light source.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る赤外線光源および赤外線光源を備えるガスセンサを説明する。ただし、以下の実施形態は一例にすぎず、本発明の赤外線光源およびガスセンサは以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, an infrared light source and a gas sensor including an infrared light source according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiments are merely examples, and the infrared light source and gas sensor of the present invention are not limited to the following embodiments.
本実施形態の赤外線光源1は、赤外線を放射することが可能な光源である。以下では、図1に示されるように、赤外線光源1を、ガス検知器Mに備えられるガスセンサNの光源に適用した例を挙げて説明する。ただし、赤外線光源1は、ガスセンサに限定されることはなく、赤外線照射が必要な他の用途にも適用可能である。
The
本実施形態の赤外線光源1が適用されるガス検知器Mは、検知対象ガスを検知するために用いられる。ガス検知器Mが検知の対象とする検知対象ガスとしては、特に限定されることはなく、たとえば、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、ブタン、イソブタン、水、アンモニア、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素、亜酸化窒素、アセトン、オゾン、六フッ化硫黄、オクタフルオロシクロペンテン、ヘキサフルオロ1、3ブタジエンなど、赤外線の波長領域において吸収ピークを有するガスが例示される。
A gas detector M to which the
ガス検知器Mは、図1に示されるように、検知対象ガスを検知するガスセンサNを備えている。ガス検知器Mは、任意で、ガスセンサNを操作するための操作部M1(たとえば操作ボタンなど)と、ガスセンサNにより得られる検知結果を表示する表示部M2(たとえば液晶ディスプレイなど)とを備えている。ガス検知器Mは、内部バッテリまたは外部電源などの図示しない電源から電力が供給されて作動する。 The gas detector M, as shown in FIG. 1, has a gas sensor N for detecting a gas to be detected. The gas detector M optionally includes an operation unit M1 (for example, operation buttons) for operating the gas sensor N and a display unit M2 (for example, a liquid crystal display) for displaying detection results obtained by the gas sensor N. there is The gas detector M is powered by a power source (not shown) such as an internal battery or an external power source.
ガスセンサNは、赤外線Lを検知対象ガスに照射して、検知対象ガスによって吸収された赤外線の吸収強度(減衰強度)を測定することで、検知対象ガスを検知する。ガスセンサNは、たとえば、公知の非分散型赤外線分析(NDIR)式として構成することができる。ガスセンサNは、本実施形態では、図1に示されるように、内部空間Vを有する筐体N1と、筐体N1の内部に赤外線Lを放射する赤外線光源1と、赤外線光源1からの赤外線Lを反射する反射構造体N2と、赤外線Lを検出する赤外線検出器N3と、赤外線光源1および赤外線検出器N3を制御する回路部N4とを備えている。ガスセンサNは、赤外線光源1、反射構造体N2、赤外線検出器N3および回路部N4が筐体N1に一体となって設けられ、単体として取扱い可能なモジュールを形成している。しかし、ガスセンサNは、たとえば回路部N4が筐体N1とは別に設けられてもよく、その構成は図示された例に限定されない。
The gas sensor N detects the detection target gas by irradiating the detection target gas with the infrared rays L and measuring the absorption intensity (attenuation intensity) of the infrared rays absorbed by the detection target gas. The gas sensor N can be configured, for example, as the well-known non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) type. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the gas sensor N includes a housing N1 having an internal space V, an
筐体N1は、本実施形態では、赤外線光源1、反射構造体N2、赤外線検出器N3および回路部N4を収容し、内部空間Vに検知対象ガスが供給される部材である。筐体N1は、図1に示されるように、赤外線光源1と赤外線検出器N3とを結ぶ方向(図1中、左右方向)に延びる筒状に形成され、その内部に内部空間Vが設けられる。また、筐体N1は、内部空間V内に検知対象ガスを導入するガス導入部(図示せず)と、内部空間Vから検知対象ガスを排出するガス排出部(図示せず)とを備えている。筐体N1では、ガス導入部から検知対象ガスが導入されて、内部空間V内に検知対象ガスが供給されて、ガス排出部から検知対象ガスが排出される。筐体N1は、特に限定されることはなく、たとえば樹脂材料などにより形成される。筐体N1は、本実施形態では一方向に延びる筒状に形成されているが、略直方体形状など他の形状に形成されてもよい。
In this embodiment, the housing N1 is a member that houses the
赤外線光源1は、本実施形態では、検知対象ガスを検知するために利用可能な赤外線Lを放射する。ガスセンサNに適用される場合、赤外線光源1により放射される赤外線Lは、少なくとも検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長を有する光を含んでいればよく、その波長の単色光であっても、その波長を含む広い波長範囲の光であってもよい。赤外線光源1は、図1に示されるように、回路部N4に通信可能に接続されて、回路部N4によってその出力が制御される。赤外線光源1は、たとえば、連続光やパルス光を放射するように構成されてもよい。赤外線光源1は、後述する赤外線発光体3の種類を適宜選択することによって、必要な波長の赤外線を放射することが可能である。赤外線光源1の詳細は後述する。
In this embodiment, the
反射構造体N2は、筐体N1の内部空間V内において、赤外線光源1から放射された赤外線L、または他の反射構造体N2の部分から反射された赤外線Lを反射して、さらに他の反射構造体N2の部分、または赤外線検出器N3に赤外線Lを導く。反射構造体N2は、本実施形態では、図1に示されるように、内部空間Vに隣接する筐体N1の内面に設けられる。反射構造体N2としては、特に限定されることはなく、公知の反射鏡などを採用することができる。
The reflective structure N2 reflects the infrared rays L emitted from the
赤外線検出器N3は、赤外線Lを検出して、赤外線Lの強度を測定する。赤外線検出器N3は、図1に示されるように、赤外線光源1から放射されて筐体N1の内部空間V内を伝搬した後の赤外線Lを検出する。赤外線検出器N3は、赤外線光源1から放射された赤外線L、および/または反射構造体N2から反射された赤外線Lを検出するように位置合わせされる。赤外線検出器N3は、回路部N4に通信可能に接続されて、検出した赤外線に対応する信号を回路部N4に送信する。赤外線検出器N3としては、特に限定されることはなく、公知の赤外線検出器を採用することができる。
The infrared detector N3 detects the infrared rays L and measures the intensity of the infrared rays L. As shown in FIG. 1, the infrared detector N3 detects the infrared rays L emitted from the
回路部N4は、図1に示されるように、赤外線光源1および赤外線検出器N3に通信可能に接続され、赤外線光源1および赤外線検出器N3を制御する。また、回路部N4は、赤外線光源1から放射された赤外線Lの強度と、赤外線検出器N3により測定された赤外線Lの強度とを比較することで、検知対象ガスの有無を判定し、あるいは検知対象ガスの濃度を算出する。回路部N4は、たとえば公知の中央演算処理装置(CPU)により構成することができる。
Circuit portion N4 is communicatively connected to
赤外線光源1は、図2に示されるように、基板2と、基板2上に設けられ、熱を吸収して赤外線を発する赤外線発光体3と、基板2と赤外線発光体3との間に設けられ、赤外線発光体3を加熱する加熱層4とを備えている。赤外線光源1は、加熱層4により赤外線発光体3に熱が加えられ、赤外線発光体3がその熱を吸収して赤外線を発することにより、赤外線を放射する。
As shown in FIG. 2, the infrared
基板2は、赤外線発光体3、加熱層4、および以下で説明する追加の層を含む積層構造を支持する。基板2は、この積層構造を支持することができれば、特に限定されることはなく、半導体材料、誘電体材料、または金属材料により構成することができる。たとえば、基板2としては、シリコン基板、サファイア基板、またはガラス基板を採用することができる。基板2の厚さについては、特に限定されることはないが、強度の観点から、たとえば0.3mm以上、好ましくは0.5mm以上、さらに好ましくは0.7mm以上、よりさらに好ましくは0.9mm以上に設定され、取り扱い容易性の観点から、たとえば2.0mm以下、好ましくは1.8mm以下、さらに好ましくは1.6mm以下、よりさらに好ましくは1.4mm以下に設定される。
赤外線発光体3は、熱を吸収して赤外線を発することができれば、その構造は特に限定されない。本実施形態では、赤外線発光体3は、図2に示されるように、熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層31と、金属微細構造層31の下層に設けられる誘電体層32と、金属微細構造層31との間で誘電体層32を挟み込むように誘電体層32の下層に設けられる金属層33とを備えている。赤外線発光体3では、熱を吸収したときに、局在表面プラズモン共鳴が生じ、赤外線の放射率が増加する。特に、赤外線発光体3では、誘電体層32を介して金属微細構造層31と金属層33とが積層されることで、局在表面プラズモン共鳴が増強される。これは、熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴が生じたときに、金属微細構造層31と金属層33との間に積層された誘電体層32内に強い電場が局在することになり、局在した電場の影響を受けて局在表面プラズモン共鳴が増強されるためだと考えられる。なお、赤外線発光体3は、図示されるように、金属微細構造層31、誘電体層32および金属層33のそれぞれの層間に密着性を確保するなどの目的のためにクロム(Cr)やチタン(Ti)などの接着層A1が設けられてもよい(図示された例では、誘電体層32と金属層33との間にのみ設けられている)。
The structure of the
金属微細構造層31は、熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る層である。金属微細構造層31に熱が加えられると、金属微細構造層31の表面において自由電子のプラズモン振動が励起され、金属微細構造層31内で自由電子の粗密が生じることで、金属微細構造層31に分極状態が生じる。熱の吸収によって放射する赤外線の波長と金属微細構造層31の誘電率とが互いに共鳴条件を満足するとき、熱によって金属微細構造層31に生じる分極が非常に大きくなって、金属微細構造層31に局在表面プラズモン共鳴が生じる。赤外線発光体3は、金属微細構造層31において局在表面プラズモン共鳴が生じることによって、共鳴条件を満たす赤外線の放射率が高くなる。金属微細構造層31は、熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その形成方法は特に限定されることはなく、たとえば公知の半導体製造技術、具体的にはフォトリソグラフィーにより形成することができる。
The
金属微細構造層31は、局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その構造は特に限定されない。金属微細構造層31は、たとえば、複数の島状の金属体が2次元に分散配置されたナノディスクアレイ構造を有していてもよいし、金属層に複数の孔が2次元に分散配置されたナノホールアレイ構造を有していてもよい。金属微細構造層31は、本実施形態では、図2に示されるように、基板2の表面に対して垂直方向の上から見たときに略円形である略円板状の複数の金属微細構造体31aを備えている。複数の金属微細構造体31aのそれぞれは、誘電体層32上で、互いに間隔を空けて配列されている。
The structure of the metal
金属微細構造体31aの形状および大きさは、特に限定されることはなく、熱が吸収されたときに金属微細構造体31aに局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように適宜設定することができる。たとえば形状に関しては、金属微細構造体31aの形状に応じて局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長が変化する。金属微細構造体31aの形状を、たとえば棒状や板状とすることで、局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属微細構造体31aは、局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長に応じて、本実施形態のように略円板状や、その他にも略矩形板状、略半球状、略棒状など任意の形状を選択することができる。また、たとえば大きさに関しては、金属微細構造体31aの大きさに応じて局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長が変化する。金属微細構造体31aが大きくなると(たとえば金属微細構造体31aの直径が大きくなると)、局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長が長波長側にシフトする。したがって、金属微細構造体31aは、局在表面プラズモン共鳴に起因して放射する赤外線の波長に応じて、その大きさを適宜選択することができる。
The shape and size of the
金属微細構造体31aは、特に限定されないが、たとえば後述するように誘電体層32が有機高分子材料を含む場合に、有機高分子材料に含まれる分子結合の振動に起因した赤外線の放射強度を高めるという観点から、たとえば1000nm以上、5000nm以下の直径を有し、その中でも、1000nm以上、2000nm以下の直径を有することが好ましく、1000nm以上、1800nm以下の直径を有することがさらに好ましく、1000nm以上、1600nm以下の直径を有することがよりさらに好ましい。
The
金属微細構造層31は、吸収する熱により局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができればよく、その膜厚は特に限定されない。金属微細構造層31の膜厚は、局在表面プラズモン共鳴を増強させるという観点から、10~200nmであることが好ましく、30~100nmであることがさらに好ましく、35nm~75nmであることがよりさらに好ましく、40nm~70nmであることが最も好ましい。
The thickness of the
金属微細構造層31は、吸収する熱により局在表面プラズモン共鳴を生じさせる金属により構成されていれば、その構成金属は特に限定されない。金属微細構造層31は、たとえば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成される。金属微細構造層31は、表面の化学的安定性の観点および局在表面プラズモン共鳴による赤外線の放射率を高めるという観点から、たとえば、金(Au)、銀(Ag)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成されることが好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金(Au)が好ましく、局在表面プラズモン共鳴による赤外線の放射率を高めるという観点からは、銀(Ag)が好ましい。
The constituent metal of the metal
誘電体層32は、図2に示されるように、金属微細構造層31と金属層33との間に積層されて、金属微細構造層31に局在表面プラズモン共鳴が生じた際に電場が局在し得る層である。誘電体層32は、金属層33の表面内で連続した膜として形成される。誘電体層32は、特に限定されることなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着、スピンコートなど、公知の成膜手法により形成することができる。
The
誘電体層32は、金属微細構造層31と金属層33との間に積層されて、金属微細構造層31に局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができれば、その構成材料は、特に限定されることはない。誘電体層32は、たとえば、酸化シリコン(SiO2など)、酸化アルミニウム(Al2O3など)、窒化シリコン(Si3N4など)、シリコン(Si)、酸化ジルコニウム(ZrO2など)、酸化チタン(TiO2など)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成することができる。誘電体層32は、金属微細構造層31で生じる局在表面プラズモンの消失を抑制するという観点から、酸化シリコン(SiO2など)、酸化アルミニウム(Al2O3など)、窒化シリコン(Si3N4など)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成されることが好ましい。
If the
上述した無機系材料を含む誘電体層32の膜厚は、特に限定されることはないが、金属微細構造層31で生じる局在表面プラズモンが金属層33により影響を受けて消失するのを抑制するという観点から、10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがさらに好ましく、30nm以上であることがよりさらに好ましく、50nm以上であることが最も好ましい。また、誘電体層32の膜厚は、金属微細構造層31により生じる局在表面プラズモン共鳴を増強し、それによって赤外線の放射率を向上させるという観点から、200nm以下であることが好ましく、150nm以下であることがさらに好ましく、100nm以下であることがよりさらに好ましく、80nm以下であることが最も好ましい。
The film thickness of the
誘電体層32は、以上に述べた材料以外にも、熱を吸収して振動が励起され、その振動に起因して赤外線を放射し得る分子結合を有する有機高分子材料を含んでいてもよい。それにより、赤外線発光体3に熱が吸収された際に、分子振動の励起に起因した赤外線の放射が生じる。有機高分子材料に含まれる分子結合の振動の励起に起因した放射ピーク(たとえばC=O結合の振動に起因した放射ピーク)の波長幅は、局在表面プラズモン共鳴に起因した放射ピークの波長幅に比べて小さい。したがって、この分子振動の励起に起因した放射ピークを利用することで、狭帯域の赤外線放射特性を実現することができる。
In addition to the materials described above, the
また、分子振動の励起に起因した放射と同時に局在表面プラズモン共鳴に起因した放射が生じることで、分子振動の励起に起因した赤外線の放射率が大きくなる。したがって、赤外線発光体3は、金属微細構造層31と金属層33との間に有機高分子材料を含む誘電体層32を積層することで、狭い波長幅の赤外線を高い放射率で放射することができる。特に、局在表面プラズモン共鳴に起因した放射ピークの波長が、分子振動の励起に起因した放射ピークの波長に近いほど、分子振動の励起に起因した放射による赤外線の放射率が大きくなる。これは、誘電体層32における分子振動と金属微細構造層31における局在表面プラズモン共鳴とが強結合することによるものと考えられる。分子振動に起因した放射ピークの強度を増強し、その放射ピークの波長域の赤外線の放射率を増大させるという観点から、局在表面プラズモン共鳴に起因した放射ピークの波長を、分子振動に起因した放射ピークの波長に近くなるように設定することが好ましい。たとえば、局在表面プラズモン共鳴に起因した放射ピークの波長は、分子振動に起因した放射ピークの波長の±3μmの範囲であることが好ましく、±2μmの範囲であることがさらに好ましく、±1μmの範囲であることがよりさらに好ましい。
In addition, radiation due to localized surface plasmon resonance is generated at the same time as radiation due to excitation of molecular vibration, so that the infrared emissivity due to excitation of molecular vibration is increased. Therefore, the
誘電体層32に含まれる有機高分子材料としては、熱を吸収して振動が励起され得る分子結合を有していればよく、特に限定されることはない。有機高分子材料は、加熱層4により加熱される際に、その熱に耐え得る耐熱性を有する耐熱性有機高分子材料であることが好ましい。ここでいう耐熱性とは、加熱されても大きく変性することがないことを意味し、たとえば、耐熱性有機高分子材料を、少なくとも100~200℃の範囲で、好ましくは200~300℃の範囲で、さらに好ましくは300~400℃の範囲で、よりさらに好ましくは400~500℃の範囲で加熱しても、振動が励起され得る分子結合が、加熱前と比べて、少なくとも60%以上、好ましくは70%以上、さらに好ましくは80%以上、よりさらに好ましくは90%以上残存する性質を意味する。
The organic polymer material contained in the
耐熱性有機高分子材料としては、耐熱性を有し、熱を吸収して振動が励起され、その振動に起因した赤外線を放射し得る分子結合を有していればよく、特に限定されることはないが、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含むことが好ましい。耐熱性有機高分子材料は、局在表面プラズモン共鳴をより増強し、分子振動をより増強するという観点から、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂および熱硬化性エラストマー樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含むことがさらに好ましい。 The heat-resistant organic polymer material is not particularly limited as long as it has heat resistance, absorbs heat, excites vibration, and has a molecular bond capable of emitting infrared rays caused by the vibration. However, it preferably contains one or more selected from the group consisting of polyimide resins, epoxy resins, thermosetting elastomer resins, melamine resins, fluororesins and urea resins. The heat-resistant organic polymer material is one or two selected from the group consisting of polyimide resins, epoxy resins and thermosetting elastomer resins, from the viewpoint of enhancing localized surface plasmon resonance and enhancing molecular vibration. More preferably, it contains more than one species.
有機高分子材料を含む誘電体層32の膜厚は、特に限定されることはないが、誘電体層32に含まれる分子結合の振動を励起することにより放射する赤外線の放射強度を高める観点から、50nm以上が好ましく、100nm以上がさらに好ましく、200nm以上がよりさらに好ましい。また、誘電体層32の膜厚は、局在表面プラズモン共鳴をより増強して、誘電体層32に含まれる分子結合の分子振動をより増強するという観点から、600nm以下が好ましく、500nm以下がさらに好ましく、400nm以下がよりさらに好ましい。
The thickness of the
金属層33は、誘電体層32を介して金属微細構造層31と積層されることで、金属微細構造層31で生じる局在表面プラズモン共鳴を増強させる。金属層33は、少なくとも金属成分を含み、導電性を有する層として形成される。金属層33は、本実施形態では、図2に示されるように、誘電体層32の下層に連続した膜として形成される。金属層33は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができれば、特に限定されることはなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着など、公知の成膜手法により形成することができる。
The
金属層33は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができればよく、その膜厚は特に限定されない。金属層33は、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、赤外線反射率が赤外線透過率よりも高くなるように構成されることが好ましい。金属層33の膜厚は、赤外線を反射させるとともに、赤外線の透過を抑制するという観点から、たとえば、100nm以上が好ましく、150nm以上がより好ましく、200nm以上がよりさらに好ましい。また、金属層33の膜厚は、均一性の観点から、1000nm以下が好ましく、600nm以下がさらに好ましく、400nm以下がよりさらに好ましい。
The thickness of the
金属層33は、局在表面プラズモン共鳴を増強させることができればよく、その構成材料は特に限定されない。金属層33は、たとえば、赤外線に対する反射率の高い金属により構成されることが好ましく、その観点から、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、アルミニウム(Al)、オスミウム(Os)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成されることが好ましい。また、金属層33としては、たとえばスズ(Sn)およびインジウム(In)という金属成分を含む酸化スズインジウム(ITO)などを採用することもできる。金属層33は、表面の化学的安定性の観点から、金(Au)、銀(Ag)からなる群から選択される1種または2種以上を含んで構成されることがさらに好ましい。表面の化学的安定性の観点からは、金(Au)が最も好ましい。
The material of the
加熱層4は、赤外線発光体3を加熱する層である。赤外線光源1は、加熱層4が基板2と赤外線発光体3との間に設けられ、基板2を介在することなく赤外線発光体3に近接して設けられることで、基板の、赤外線発光体が設けられる側とは反対側に加熱層が設けられる場合と比べて、基板への熱拡散が抑制されて、加熱開始から短時間で安定して赤外線を放射することができる。本実施形態では、加熱層4は、基板2と赤外線発光体3との間に連続した膜として形成される。加熱層4は、特に限定されることなく、抵抗加熱蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着など、公知の成膜手法により形成することができる。
The heating layer 4 is a layer that heats the
加熱層4は、赤外線発光体3を加熱することができれば、特に限定されることはなく、たとえば通電により発熱する公知の抵抗体を用いて形成することができる。使用可能な抵抗体としては、たとえば、ニクロム合金、カンタル合金、タングステン、白金などを例示することができる。
The heating layer 4 is not particularly limited as long as it can heat the
加熱層4は、赤外線発光体3を加熱することができればよく、その膜厚は特に限定されない。加熱層4の膜厚は、加熱容量を高める観点から、たとえば、100nm以上が好ましく、150nm以上がさらに好ましく、200nm以上がよりさらに好ましい。また、加熱層4の膜厚は、均一性の観点から、1000nm以下が好ましく、600nm以下がさらに好ましく、400nm以下がよりさらに好ましい。
The thickness of the heating layer 4 is not particularly limited as long as it can heat the
赤外線光源1は、図2に示されるように、上述した基板2、赤外線発光体3および加熱層4に加えて、基板2と加熱層4との間に設けられる熱伝導抑制層5と、加熱層4と赤外線発光体3との間に設けられる絶縁層6とをさらに備えている。つまり、赤外線光源1は、基板2の上層に熱伝導抑制層5が設けられ、熱伝導抑制層5の上層に加熱層4が設けられ、加熱層4の上層に絶縁層6が設けられ、絶縁層6の上層に赤外線発光体3が設けられている。ただし、赤外線光源1は、図示されるように、それぞれの層間の密着性を確保するなどの目的のために、それぞれの層間にクロム(Cr)やチタン(Ti)などの接着層A2が設けられてもよい(図示された例では、赤外線発光体3と絶縁層6との間にのみ設けられている)。
As shown in FIG. 2, the infrared
熱伝導抑制層5は、基板2と加熱層4との間の熱伝導を抑制する層である。赤外線光源1は、熱伝導抑制層5により基板2と加熱層4との間の熱伝導を抑制することにより、赤外線発光体3に伝達されるべき熱が基板2に拡散するのを抑制することができる。それによって、加熱層4の加熱開始から短時間で安定して赤外線を赤外線発光体3から放射させることができる。
The heat conduction suppressing layer 5 is a layer that suppresses heat conduction between the
熱伝導抑制層5は、基板2と加熱層4との間の熱伝導を抑制することができれば、特に限定されることはなく、公知の低熱伝導率材料により形成することができる。低熱伝導率材料としては、20℃における熱伝導率が0.8W/m・K以下、好ましくは0.6W/m・K以下、より好ましくは0.4W/m・K以下、よりさらに好ましくは0.3W/m・K以下の材料を用いることができる。そのような低熱伝導率材料として、耐熱性有機高分子材料が例示され、熱伝導抑制層5は、耐熱性有機高分子材料を含むことが好ましい。耐熱性有機高分子材料としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性エラストマー樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂および尿素樹脂からなる群から選択される1種または2種以上が例示される。
The heat conduction suppressing layer 5 is not particularly limited as long as it can suppress heat conduction between the
熱伝導抑制層5は、基板2と加熱層4との間の熱伝導を抑制することができればよく、その膜厚は特に限定されない。熱伝導抑制層5の膜厚は、熱伝導をより抑制するという観点から、200nm以上が好ましく、400nm以上がさらに好ましく、500nm以上がよりさらに好ましい。熱伝導抑制層5の膜厚は、熱伝導抑制層5の均一性の観点から、5000nm以下が好ましく、3000nm以下がさらに好ましく、1000nm以下がよりさらに好ましい。
The thickness of the heat conduction suppressing layer 5 is not particularly limited as long as it can suppress heat conduction between the
絶縁層6は、加熱層4と赤外線発光体3との間を電気的に絶縁する層である。赤外線光源1は、絶縁層6により加熱層4と赤外線発光体3との間を電気的に絶縁することで、加熱層4と赤外線発光体3との間で電流が流れるのを抑制して、赤外線発光体3による赤外線の放射の変動を抑制することができる。特に、本実施形態のように、赤外線発光体3に局在表面プラズモン共鳴を生じさせる構造を採用している場合には、加熱層4と赤外線発光体3との間で電流が流れるのを抑制することで、局在表面プラズモン共鳴の減衰を抑制することができる。
The insulating
絶縁層6は、加熱層4と赤外線発光体3との間を電気的に絶縁することができれば、特に限定されることはなく、公知の高抵抗材料により形成することができる。高抵抗材料としては、体積抵抗率が106Ω・cm以上、好ましくは109Ω・cm以上、さらに好ましくは1011Ω・cm以上、よりさらに好ましくは1013Ω・cm以上の材料を用いることができる。絶縁層6は、加熱層4と赤外線発光体3との間の絶縁性を担保しつつ、加熱層4から赤外線発光体3への熱伝導を阻害しない材料により形成されることが好ましい。そのような観点から、絶縁層6は、たとえば上述した熱伝導抑制層5よりも熱伝導率の高い材料により形成されることが好ましく、より具体的には、無機(電気)絶縁材料を含むことが好ましい。無機絶縁材料としては、たとえば、酸化シリコン(SiO2など)、窒化シリコン(Si3N4など)、酸化アルミニウム(Al2O3など)、酸化ハフニウム(HfO2など)、酸化ジルコニウム(ZrO2など)、酸化チタン(TiO2など)からなる群から選択される1種または2種以上が例示される。
The insulating
絶縁層6は、加熱層4と赤外線発光体3との間を電気的に絶縁することができればよく、その膜厚は特に限定されない。絶縁層6の膜厚は、絶縁性の観点から、10nm以上が好ましく、30nm以上がさらに好ましく、50nm以上がよりさらに好ましい。また、絶縁層6の膜厚は、熱伝導性の観点から、200nm以下が好ましく、150nm以下がさらに好ましく、100nm以下がよりさらに好ましい。
The insulating
1 赤外線光源
2 基板
3 赤外線発光体
31 金属微細構造層
31a 金属微細構造体
32 誘電体層
33 金属層
4 加熱層
5 熱伝導抑制層
6 絶縁層
A1、A2 接着層
L 赤外線
M ガス検知器
M1 操作部
M2 表示部
N ガスセンサ
N1 筐体
N2 反射構造体
N3 赤外線検出器
N4 回路部
V 内部空間
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
前記基板上に設けられ、熱を吸収して赤外線を発する赤外線発光体と、
前記基板と前記赤外線発光体との間に設けられ、前記赤外線発光体を加熱する加熱層と
を備える赤外線光源であって、
前記赤外線光源が、
前記基板と前記加熱層との間に設けられ、前記基板と前記加熱層との間の熱伝導を抑制する熱伝導抑制層と、
前記加熱層と前記赤外線発光体との間に設けられ、前記加熱層と前記赤外線発光体との間を電気的に絶縁する絶縁層と
をさらに備え、
前記熱伝導抑制層が、耐熱性有機高分子材料を含む、
赤外線光源。 a substrate;
an infrared light emitter provided on the substrate and absorbing heat to emit infrared light;
An infrared light source comprising a heating layer provided between the substrate and the infrared emitter and heating the infrared emitter,
The infrared light source is
a heat conduction suppression layer provided between the substrate and the heating layer for suppressing heat conduction between the substrate and the heating layer;
an insulating layer provided between the heating layer and the infrared emitter and electrically insulating between the heating layer and the infrared emitter ;
The heat conduction suppressing layer contains a heat-resistant organic polymer material,
infrared light source.
熱を吸収して局在表面プラズモン共鳴を生じさせ得る金属微細構造層と、
前記金属微細構造層の下層に設けられる誘電体層と、
前記金属微細構造層との間で前記誘電体層を挟み込むように前記誘電体層の下層に設けられる金属層と
を備える、
請求項1に記載の赤外線光源。 The infrared light emitter is
a metal microstructure layer capable of absorbing heat to produce localized surface plasmon resonance;
a dielectric layer provided under the metal microstructure layer;
a metal layer provided under the dielectric layer so as to sandwich the dielectric layer between the metal microstructure layer;
An infrared light source according to claim 1.
請求項1または2に記載の赤外線光源。 The heat conduction suppressing layer has a film thickness of 500 nm or more and 5000 nm or less.
3. An infrared light source according to claim 1 or 2 .
請求項1~3のいずれか1項に記載の赤外線光源。 wherein the insulating layer comprises an inorganic insulating material;
An infrared light source according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~4のいずれか1項に記載の赤外線光源。 The insulating layer has a thickness of 50 nm or more and 100 nm or less,
An infrared light source according to any one of claims 1-4 .
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