JP7456903B2 - 受発光装置 - Google Patents
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Description
本開示はガスセンサ及び光源装置に関する。
一般に、物体を加熱すると、物体の温度、放射率、表面状態等に応じた放射スペクトルを有する電磁波が放出される熱輻射が生じる。このように熱輻射を利用した光源の利用法としては、光源と受光部とを隔てて配置し、光源と受光部との間に気体を導入することで、気体中の特定成分による赤外線吸収量を測定し、気体中の特定成分の濃度を算出する非分散赤外吸収型（ＮＤＩＲ：ｎｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガスセンサなどが知られている（例えば特許文献１）。例えば、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出するために、検出対象ガスの他に、異なる波長帯に赤外線の吸収率のピークを持つ酸素の濃度をリファレンスとして測定することで、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出する技術が知られている（例えば特許文献２）。
光源装置によって得られる放射スペクトルは広い波長領域で強度を持つため、様々な種類のガスの測定に適した光源として広く利用されている。しかし、一般的にＭＥＭＳ型ヒータのような光源装置の動作範囲（数百～千℃程度）では、熱輻射によって放出される赤外線の放射強度が最大となる波長は１．５μｍ未満であり、それより波長の長い中赤外領域及び遠赤外領域では波長の増加とともに放射強度が低下する。これにより、例えば二酸化炭素及びエタノールなど、中赤外領域又は遠赤外領域に赤外線吸収波長を持つガスの測定精度が低下する問題、測定精度の低下を防止するために光源－受光部間の光路長の延長することで小型化が妨げられる問題が生じる。また、放射強度を増加するためには光源装置の動作温度を高めることが有効であるが、これは光源装置の寿命を縮める。
ガスセンサのサイズ及び光源装置の寿命を保ちつつ、ガスセンサの測定精度を向上するためには、光源装置の赤外線放射面における中赤外領域及び遠赤外領域の波長範囲における放射率を増大させることが有効である。そのための手段として、炭化ケイ素を主成分とするセラミック粒子とガラス質材料を含む放射性膜を赤外線光源の表面に形成する方法が知られている（例えば特許文献３）。しかし、炭化ケイ素は、酸素分圧が低い環境では７００℃以上の高温でＳｉＣ＋Ｏ2＝ＳｉＯ＋ＣＯで表される酸化反応が継続的に生じるため、赤外線光源が低酸素分圧中の雰囲気に密閉されるようなパッケージで使用する場合などでは、放射部が化学的に変化し、安定した動作が期待できない。
本開示の目的は、中赤外領域及び遠赤外領域の波長領域において高い強度を持つ赤外線を取り出すことができ、低酸素分圧の雰囲気においても安定した動作を実現する光源装置及び、測定精度の向上及び小型化が容易なガスセンサを提供することにある。
一実施形態に係るガスセンサは、
光源装置と、前記光源装置から放出される光を受光する受光部と、前記光源装置と前記受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備え、
前記光源装置は、
電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、
前記電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、前記電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する、少なくとも１００ｎｍより大きい厚さを有し、外界との界面の全体又は一部が露出している放射部と、を備え、
前記放射部の主成分が酸化物又は酸窒化物であり、前記放射部が２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有することを特徴とする。
光源装置と、前記光源装置から放出される光を受光する受光部と、前記光源装置と前記受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備え、
前記光源装置は、
電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、
前記電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、前記電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する、少なくとも１００ｎｍより大きい厚さを有し、外界との界面の全体又は一部が露出している放射部と、を備え、
前記放射部の主成分が酸化物又は酸窒化物であり、前記放射部が２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有することを特徴とする。
また、一実施形態に係る光源装置は、
電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、前記電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、前記電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する放射部と、を備え、前記放射部の主成分が酸化物又は酸窒化物であり、前記放射部が２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有することを特徴とする。
電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、前記電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、前記電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する放射部と、を備え、前記放射部の主成分が酸化物又は酸窒化物であり、前記放射部が２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有することを特徴とする。
一実施形態に係るガスセンサは、
光源装置と、前記光源装置から放出される光を受光する受光部と、
前記光源装置と前記受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備え、
前記光源装置は電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、
前記電熱変換部上に配置された上部保護膜と、
前記電熱変換部上に、前記上部保護膜とは反対の面に配置された下部保護膜を有し、
赤外線を前記上部保護膜と接する外界から照射したとき、前記上部保護膜と前記電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、前記電熱変換部と前記下部保護膜からなる領域における反射率Ｒの比Ａ／Ｒが、２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において１より大きい波長領域を有し、前記受光部に到達する光は前記上部保護膜から放出されることを特徴とする。
光源装置と、前記光源装置から放出される光を受光する受光部と、
前記光源装置と前記受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備え、
前記光源装置は電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、
前記電熱変換部上に配置された上部保護膜と、
前記電熱変換部上に、前記上部保護膜とは反対の面に配置された下部保護膜を有し、
赤外線を前記上部保護膜と接する外界から照射したとき、前記上部保護膜と前記電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、前記電熱変換部と前記下部保護膜からなる領域における反射率Ｒの比Ａ／Ｒが、２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において１より大きい波長領域を有し、前記受光部に到達する光は前記上部保護膜から放出されることを特徴とする。
上記のガスセンサ及び光源装置の概要は、本開示の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションは本開示に含まれ得る。
本開示によれば、中赤外領域及び遠赤外領域の波長領域において高い強度を持つ赤外線を取り出すことができ、低酸素分圧の雰囲気においても安定した動作を実現する光源装置及び、測定精度の向上及び小型化が容易なガスセンサを提供することができる。
以下、実施の形態を通じて本開示を説明するが、以下の実施形態は本開示を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが必須であるとは限らない。
［ガスセンサ］
本実施形態のガスセンサは、光源装置と、光源装置から放出される光を受光する受光部と、光源装置と受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備える。
本実施形態のガスセンサは、光源装置と、光源装置から放出される光を受光する受光部と、光源装置と受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備える。
気体はその種類により特定の波長の赤外線を吸収することが知られている。本実施形態のガスセンサは、このことを利用して、光源装置から発せられた光の減衰量を受光部で計測することで、気体の濃度の測定を行うＮＤＩＲガスセンサである。
［光源装置］
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する放射部とを有する。放射部の主成分は酸化物又は酸窒化物である。放射部は２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有する。本実施形態の光源装置は、ガスセンサの用途に好適に用いることができる。また、本実施形態の光源装置は、ガスセンサ以外の用途に用いることもできる。特に制限はないが、例えば液中成分濃度センサ、寸法測定器としても使用できる。
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、電熱変換部上に直接又は薄膜を介して配置され、電熱変換部の熱を受けて赤外線を外界に向けて放出する放射部とを有する。放射部の主成分は酸化物又は酸窒化物である。放射部は２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において放射率が６０％以上である波長を有する。本実施形態の光源装置は、ガスセンサの用途に好適に用いることができる。また、本実施形態の光源装置は、ガスセンサ以外の用途に用いることもできる。特に制限はないが、例えば液中成分濃度センサ、寸法測定器としても使用できる。
第３の様態のガスセンサにおける光源装置は、電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、電熱変換部上に配置された上部保護膜と、電熱変換部上に、上部保護膜とは反対の面に配置された下部保護膜を有する。赤外線を上部保護膜と接する外界から照射したとき、上部保護膜と電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、電熱変換部と下部保護膜からなる領域における反射率Ｒの比Ａ／Ｒが２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において１より大きい波長領域を有する。上部保護膜から放出された光が受光部に到達することで、気体の濃度を測定することができる。
［電熱変換部］
電熱変換部の全体としての形状は特に制限されないが、電流を流すことでジュール熱を発生する膜状、板状、棒状又は線状の形状となり得る。
電熱変換部の全体としての形状は特に制限されないが、電流を流すことでジュール熱を発生する膜状、板状、棒状又は線状の形状となり得る。
電熱変換部の材料に特に制限はないが、電流への耐性の観点から、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｈｆ及びＮのうち、少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。高温における耐久性の観点から、ＭｏＳｉ2、ＳｉＣ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、Ｐｔ又はＷを含むことがより好ましい。
［放射部］
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置の放射部の主成分は酸化物又は酸窒化物である。ここで放射部とは、電熱変換部上に配置され、電熱変換部の熱を直接的又は間接的に受け、少なくとも１００ｎｍの厚さを有し、外界に赤外線を直接放出し、外界との界面の全体又は一部が露出している。ここで、外界との界面が露出しているとは、他の薄膜、構造体などの部材によって覆われないことを意味する。電熱変換部上に配置されるとは、電熱変換部上に直接又は薄膜等を介して間接的に配置されることを意味する。本開示において、薄膜とは厚さ２μｍ以下の膜を指す。主成分とは、放射部を構成する元素の物質量の５０％以上、好ましくは８０％以上を占める成分であることとして定義される。放射部の主成分としては、中赤外領域及び遠赤外領域の放射率を効率よく向上できることから、二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、五酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、二酸化鉄、三酸化鉄、酸化銅（ＩＩ）、酸化銅（Ｉ）、酸化インジウム（ＩＩＩ）又は酸化マグネシウムであることが好ましい。放射部の主成分は、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）などで分析することができる。電熱変換部の熱を直接的又は間接的に受けるとは、電熱変換部の熱を、電熱変換部と接することで直接受けることを意味してよいし、電熱変換部との間に存在する固体を介して受けることを意味してよい。
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置の放射部の主成分は酸化物又は酸窒化物である。ここで放射部とは、電熱変換部上に配置され、電熱変換部の熱を直接的又は間接的に受け、少なくとも１００ｎｍの厚さを有し、外界に赤外線を直接放出し、外界との界面の全体又は一部が露出している。ここで、外界との界面が露出しているとは、他の薄膜、構造体などの部材によって覆われないことを意味する。電熱変換部上に配置されるとは、電熱変換部上に直接又は薄膜等を介して間接的に配置されることを意味する。本開示において、薄膜とは厚さ２μｍ以下の膜を指す。主成分とは、放射部を構成する元素の物質量の５０％以上、好ましくは８０％以上を占める成分であることとして定義される。放射部の主成分としては、中赤外領域及び遠赤外領域の放射率を効率よく向上できることから、二酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、五酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、二酸化鉄、三酸化鉄、酸化銅（ＩＩ）、酸化銅（Ｉ）、酸化インジウム（ＩＩＩ）又は酸化マグネシウムであることが好ましい。放射部の主成分は、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）などで分析することができる。電熱変換部の熱を直接的又は間接的に受けるとは、電熱変換部の熱を、電熱変換部と接することで直接受けることを意味してよいし、電熱変換部との間に存在する固体を介して受けることを意味してよい。
放射部の面積に特に制限はないが、放出される赤外線の強度を向上する観点から、電熱変換部の領域よりも広いことが好ましい。
放射部の厚さは、中赤外領域及び遠赤外領域の波長領域における放射率を向上する観点から、１００ｎｍ以上であることが好ましい。
［保護層］
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電熱変換部上に保護層を備えることが好ましい。保護層の材料は特に限定されない。ただし、耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性及びガスバリア性向上の観点から、保護層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ、Ｔｉ、Ａｌ及びＣｅのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。さらに耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性、ガスバリア性を向上する観点から、保護層は、酸化セリウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタンであることがより好ましい。
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電熱変換部上に保護層を備えることが好ましい。保護層の材料は特に限定されない。ただし、耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性及びガスバリア性向上の観点から、保護層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ、Ｔｉ、Ａｌ及びＣｅのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。さらに耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性、ガスバリア性を向上する観点から、保護層は、酸化セリウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタンであることがより好ましい。
第３の様態のガスセンサにおける光源装置は、電熱変換部上に上部保護膜を備え、電熱変換部上の上部保護膜とは反対の面に下部保護膜を備える。上部保護膜と電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、電熱変換部と下部保護膜からなる領域における反射率Ｒの比Ａ／Ｒが、２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において１より大きい波長領域を有する。Ａ／Ｒは、電熱変換部、上部保護膜、下部保護膜の屈折率及び消衰係数を分光エリプソメーター等で測定した上で、上部保護膜及び電熱変換部からなる領域と、電熱変換部及び下部保護膜からなる領域を別々にモデル化し、光学的計算によってＡとＲを算出した上で求めることもできる。上部保護膜及び下部保護膜の材料は特に限定されない。ただし、耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性、ガスバリア性向上の観点から、上部保護膜及び下部保護膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ、Ｔｉ、Ａｌ及びＣｅのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。さらに耐酸化性、耐薬品性、耐摩耗性、ガスバリア性を向上する観点から、上部保護膜及び下部保護膜は、酸化セリウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタンであることがより好ましい。また、上部保護膜と下部保護膜は多層膜構造になっていてよい。
［基板］
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電熱変換部を支持する基板を更に備えることが好ましい。電熱変換部の急峻な温度変化を実現するための観点から、基板は貫通部又はキャビティを有することが好ましい。基板の材料に特に制限はないが、高温動作時の耐久性の観点から、シリコン、ガリウムひ素、アルミナ、サファイア、酸化アルミニウムのいずれかであることが好ましい。
第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置は、電熱変換部を支持する基板を更に備えることが好ましい。電熱変換部の急峻な温度変化を実現するための観点から、基板は貫通部又はキャビティを有することが好ましい。基板の材料に特に制限はないが、高温動作時の耐久性の観点から、シリコン、ガリウムひ素、アルミナ、サファイア、酸化アルミニウムのいずれかであることが好ましい。
［電極部］
本実施形態の光源装置は、電熱変換部に電気的に接続する電極部を更に備えることが好ましい。電極部の材料に特に制限はないが、コンタクト抵抗抑制の観点から、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ及びＰｔのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましく、Ｎｉ／Ｖ合金、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔのうち２元素以上からなる積層構造がより好ましい。
本実施形態の光源装置は、電熱変換部に電気的に接続する電極部を更に備えることが好ましい。電極部の材料に特に制限はないが、コンタクト抵抗抑制の観点から、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ及びＰｔのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましく、Ｎｉ／Ｖ合金、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔのうち２元素以上からなる積層構造がより好ましい。
次に、図面を用いて、本実施形態の光源装置が詳細に説明される。
［第１の実施形態］
図１から図３は、第１の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。本実施形態の光源装置は、特にガスセンサで用いられるガスセンサ用光源装置である。
図１から図３は、第１の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。本実施形態の光源装置は、特にガスセンサで用いられるガスセンサ用光源装置である。
図１は第１の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第１の実施形態では、電熱変換部３０と放射部２０が直接接しており、放射部２０は電熱変換部３０の熱を直接受けて赤外線を外界に放出する。
［第２の実施形態］
図２は第２の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第２の実施形態の光源装置では、電熱変換部３０上に保護層４０ａが配置されている。これによって、高温動作時の電熱変換部３０の化学的耐性が向上する。
図２は第２の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第２の実施形態の光源装置では、電熱変換部３０上に保護層４０ａが配置されている。これによって、高温動作時の電熱変換部３０の化学的耐性が向上する。
［第３の実施形態］
図３は第３の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第３の光源装置では、電熱変換部３０上に配置された保護層４０ａの上に、電熱変換部３０より広い面積に放射部２０が配置されている。これにより、放射部２０が電熱変換部３０から保護層４０ａを介して受けた熱を、赤外線としてより効率よく外界に放出することができる。また、放射部２０は保護層４０ａを介して電熱変換部３０の両側に放射部２０が配置されている。これにより、光源装置の両側から、高い放射強度を持つ赤外線を外界に放出することが可能となる。
図３は第３の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第３の光源装置では、電熱変換部３０上に配置された保護層４０ａの上に、電熱変換部３０より広い面積に放射部２０が配置されている。これにより、放射部２０が電熱変換部３０から保護層４０ａを介して受けた熱を、赤外線としてより効率よく外界に放出することができる。また、放射部２０は保護層４０ａを介して電熱変換部３０の両側に放射部２０が配置されている。これにより、光源装置の両側から、高い放射強度を持つ赤外線を外界に放出することが可能となる。
［第４の実施形態］
図４は第４の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第４の実施形態では、電熱変換部３０上に上部保護膜７１と下部保護膜７２が接しており、上部保護膜７１と下部保護膜７２は電熱変換部３０の熱を直接受けて赤外線を外界に放出する。
図４は第４の実施形態の光源装置の構成を説明するための模式図である。第４の実施形態では、電熱変換部３０上に上部保護膜７１と下部保護膜７２が接しており、上部保護膜７１と下部保護膜７２は電熱変換部３０の熱を直接受けて赤外線を外界に放出する。
ここで、第１～第３の実施形態の光源装置は、上記の第１の様態のガスセンサにおける光源装置及び第２の様態の光源装置に対応する。また、第４の実施形態の光源装置は、上記の第３の様態のガスセンサにおける光源装置に対応する。
［光源装置の製造方法］
図面を用いて、本実施形態の光源装置の第１の製造方法が説明される。図５から図９は第１の製造方法を説明するための模式図である。まず、基板５０の上にＬＰ－ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＥ－ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はスパッタリング法などの公知の方法で保護層４０ｂが形成される。次に、保護層４０ｂの上に電熱変換部３０の材料がスパッタリング法などの公知の方法で蒸着される（図５参照）。次に、電熱変換部３０の一部がエッチング等の公知の方法で除去される（図６参照）。次に、電熱変換部３０の周囲に保護層４０ａがＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で形成される。さらに、放射部２０がＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で形成される（図７参照）。次に、放射部２０と保護層４０ａの一部がエッチング等の公知の方法で除去され、電極部６０の材料が蒸着される（図８参照）。最後に、必要に応じて基板５０の一部がエッチングされて、本実施形態の光源装置を得ることが出来る（図９参照）。
図面を用いて、本実施形態の光源装置の第１の製造方法が説明される。図５から図９は第１の製造方法を説明するための模式図である。まず、基板５０の上にＬＰ－ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＥ－ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はスパッタリング法などの公知の方法で保護層４０ｂが形成される。次に、保護層４０ｂの上に電熱変換部３０の材料がスパッタリング法などの公知の方法で蒸着される（図５参照）。次に、電熱変換部３０の一部がエッチング等の公知の方法で除去される（図６参照）。次に、電熱変換部３０の周囲に保護層４０ａがＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で形成される。さらに、放射部２０がＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で形成される（図７参照）。次に、放射部２０と保護層４０ａの一部がエッチング等の公知の方法で除去され、電極部６０の材料が蒸着される（図８参照）。最後に、必要に応じて基板５０の一部がエッチングされて、本実施形態の光源装置を得ることが出来る（図９参照）。
以下、本実施形態の光源装置の第２の製造方法が説明される。まず、基板５０の上にＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で下部保護膜７２が形成される。次に、下部保護膜７２の上に電熱変換部３０の材料がスパッタリング法などの公知の方法で蒸着される。次に、電熱変換部３０の一部がエッチング等の公知の方法で除去される。次に、電熱変換部３０の周囲に上部保護膜７１がＬＰ－ＣＶＤ、ＰＥ－ＣＶＤ又はスパッタリング法などの公知の方法で形成される。次に、上部保護膜７１の一部がエッチング等の公知の方法で除去され、電極部６０の材料が蒸着される。最後に、必要に応じて基板５０の一部がエッチングされて、本実施形態の光源装置を得ることが出来る。
上述した工程において、電熱変換部３０の一部の除去は必須ではないが、これにより電熱変換部３０が露出しない構造となるため、動作安定性の観点から好ましい場合がある。電熱変換部３０の一部の除去は、電熱変換部３０の材料を形成する際にリフトオフ法などの公知の方法で特定の領域に蒸着されないようにしても同様の結果が得られる。
次に、図面を用いて、本実施形態のガスセンサが詳細に説明される。
［ガスセンサ］
図１０は、本実施形態のガスセンサ１００を説明するための模式図である。ガスセンサ１００は、筐体１１０と、熱輻射光源１２０と、受光部１３０と、を備える。筐体１１０は、気体を筐体１１０の内部に導入する導入ポート１１１と、気体を筐体１１０の外部に排出する排出ポート１１２と、を有する。
図１０は、本実施形態のガスセンサ１００を説明するための模式図である。ガスセンサ１００は、筐体１１０と、熱輻射光源１２０と、受光部１３０と、を備える。筐体１１０は、気体を筐体１１０の内部に導入する導入ポート１１１と、気体を筐体１１０の外部に排出する排出ポート１１２と、を有する。
ガスセンサ１００は、上記の光源装置を熱輻射光源１２０として用いる。上記のいずれの実施形態に係る光源装置も、熱輻射光源１２０として使用することができる。ガスセンサ１００において、熱輻射光源１２０から出射された赤外線を含む光が、筐体１１０の内部の気体を通過して受光部１３０に入射する。上記のように、ガスセンサ１００は熱輻射光源１２０から発せられた光の減衰量を受光部１３０で計測することで、気体の濃度の測定を行うＮＤＩＲガスセンサである。
受光部１３０は、気体によって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有するものであれば特に制限されない。受光部１３０には、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）、ボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型センサ、ＰＩＮ構造を持ったフォトダイオードのような量子型センサ等が好適である。受光部１３０は、気体に合わせて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えてよい。例えば、光学フィルタは、特定の波長帯の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタであってよい。
筐体１１０は、測定対象の気体を導入する内部空間を有する。また、筐体１１０は、熱輻射光源１２０と、受光部１３０と、を保持して、これらの位置関係を定める。筐体１１０は射出成型が可能な樹脂を材料としてよい。筐体１１０の材質は、例えばポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）などであってよい。
ガスセンサ１００は、高い放射強度を持つ赤外線を放出できる上記の光源装置を熱輻射光源１２０として用いるため、測定精度を向上させることができる。また、ガスセンサ１００は、薄膜技術であるＬＰ－ＣＶＤなどの方法で製造される上記の光源装置を熱輻射光源１２０として用いるため、小型化が容易である。また、上記の光源装置は、炭化ケイ素を用いていないため、低酸素分圧の雰囲気においても安定した動作を実現できる。
ここで、第１～第３の実施形態の光源装置を熱輻射光源１２０として備えるガスセンサ１００は、上記の第１の様態のガスセンサに対応する。また、第４の実施形態の光源装置を熱輻射光源１２０として備えるガスセンサ１００は、上記の第３の様態のガスセンサに対応する。
以上、本開示を実施の形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書及び図面中において示した装置、システム、プログラム及び方法における動作、手順、ステップ及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
厚さ約５００μｍのシリコン基板上に、厚さ２００ｎｍの窒化ケイ素からなる保護膜が形成された。その上にシリコン、モリブデン、炭素を主成分とする厚さ１２５ｎｍの電熱変換部が形成された。その上に窒化ケイ素からなる厚さ２００ｎｍの保護膜が形成された。その上に放射部として厚さ０～６００ｎｍの二酸化ケイ素の層が形成された。図１１は、二酸化ケイ素の厚さを変化させたときの分光放射率の測定結果を示す。図１１から明らかなように、１００ｎｍ以上の放射部を形成することで、二酸化ケイ素からなる放射部を形成しない場合と比較して、９～１５μｍにおける放射率が増大し、その増大率は放射部の厚さが厚くなるほど顕著になった。この光源を使用したＮＤＩＲガスセンサによって、９～１５μｍに赤外線吸収帯を持つアセトン、二酸化硫黄、エタノール、メタノール、アンモニア及びアセチレンなどのガスにおいて、高い測定精度を実現することができる。特に、９．５μｍにおける放射率を向上することでエタノールの測定精度が向上することから、放射部から放出される赤外線の９．５μｍにおける放射率が６０％以上であることが好ましい。放射率の測定方法としては、例えば光源装置に通電し、加熱した光源装置から放出される光の分光スペクトルをフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）によって測定し、黒体スペクトルとの比から算出する方法が挙げられる。また、放射率の測定方法としては、例えばＦＴ－ＩＲによって透過率Ｔと反射率Ｒを測定し、吸収率ＡをＡ＝１－Ｔ－Ｒから算出し、キルヒホッフの法則より放射率ＥをＥ＝Ａとして算出する方法が挙げられる。
図１２は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素をこの順で配置し、その上に厚さ６００ｎｍ、４００ｎｍ、２５０ｎｍの二酸化ケイ素を配置した試料及び二酸化ケイ素を配置しなかった試料の放射スペクトルを示す。厚さ１０００ｎｍ及び厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素は保護膜である。シリコン系導電材料は電熱変換部である。二酸化ケイ素は放射部である。放射部として二酸化ケイ素を配置することで、８～１３μｍの波長領域で放射強度が増大することが分かる。
図１３は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素をこの順で配置し、その上に二酸化ケイ素を０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、・・・７５０ｎｍ、１０００ｎｍを順に配置した試料及び二酸化ケイ素を配置しなかった試料の、９．５μｍにおける放射率の測定値を示す。厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素は保護膜である。シリコン系導電材料は電熱変換部である。二酸化ケイ素は放射部である。放射部として厚さ１５０ｎｍ以上の二酸化ケイ素を配置することで、９．５μｍの波長領域で放射率が６０％を超えることが分かる。また、放射部として約４００ｎｍの二酸化ケイ素を配置することで、放射率が最大になることが分かる。
図１４は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのタングステン、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素、酸化アルミニウムを順に配置した試料の分光放射率を示す。厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素は保護膜である。タングステンは電熱変換部である。酸化アルミニウムは放射部である。放射部として酸化アルミニウムを配置することで、６μｍの波長領域で放射率が増大することが分かる。
図１５は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのタングステン、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素、酸化チタンを順に配置した試料の分光放射率を示す。厚さ１０００ｎｍ及び厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素は保護膜である。タングステンは電熱変換部である。酸化チタンは放射部である。放射部として酸化チタンを配置することで、６～１４μｍの波長領域で放射率が増大することが分かる。
図１６は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのタングステン、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素、酸化鉄（ＩＩＩ）を順に配置した試料の分光放射率を示す。厚さ１０００ｎｍ及び厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素は保護膜である。タングステンは電熱変換部である。酸化鉄（ＩＩＩ）は放射部である。酸化鉄（ＩＩＩ）の膜厚を増大させると、８～１４μｍの波長領域で放射率が増大することが分かる。
図１７は、厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素をこの順で配置し、その上に二酸化ケイ素をそれぞれ１０００ｎｍ、７５０ｎｍ、５００ｎｍ、３００ｎｍ、１００ｎｍ、０ｎｍを順に配置した試料及び二酸化ケイ素を配置しなかった試料の９．５ｎｍにおける放射率とＡ／Ｒの関係を示す。ここで、Ａ／Ｒは、上部保護膜と電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、電熱変換部と下部保護膜からなる領域における反射率Ｒとの比である。厚さ１０００ｎｍの窒化ケイ素は下部保護膜である。厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料は電熱変換部である。厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素と、その上に配置された二酸化ケイ素からなる多層膜は上部保護膜である。９．５μｍにおけるＡ／Ｒが１を超えると、放射率が６０％を超えることが分かる。
図１８は、厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料を配置し、その上に厚さ１０００ｎｍ、７５０ｎｍ、５００ｎｍ、３００ｎｍ、１００ｎｍの窒化ケイ素を順に配置した試料の分光放射率を示す。厚さ５００ｎｍの窒化ケイ素は下部保護膜である。厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料は電熱変換部である。厚さを変化させた窒化ケイ素は上部保護膜である。上部保護膜を厚くするほど、７．０μｍ及び１５．０μｍでの放射率は増大する。
また、図１９は７．０μｍにおける放射率とＡ／Ｒの関係を示したグラフである。７．０μｍにおけるＡ／Ｒが１を超えると、放射率が６０％を超えることが分かる。ここで、上半分放射率は上部保護膜からの放射率である。また、下半分放射率は下部保護膜からの放射率である。
図２０は、厚さ１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ、３０００ｎｍの窒化ケイ素上に、厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料を配置し、その上に厚さ６００ｎｍの窒化ケイ素を順に配置した試料の分光放射率を示す。厚さを変化させた窒化ケイ素は下部保護膜である。厚さ１２５ｎｍのシリコン系導電材料は電熱変換部である。厚さ６００ｎｍの窒化ケイ素は上部保護膜である。下部保護膜を薄くするほど、７．０μｍ及び１５．０μｍでの放射率は増大する。また、図２１は７．０μｍにおける放射率とＡ／Ｒの関係を示したグラフである。７．０μｍにおけるＡ／Ｒが増大するほど、放射率が増大する傾向がみられる。
２０ 放射部
３０ 電熱変換部
４０ａ （上面側の）保護層
４０ｂ （下面側の）保護層
５０ 基板
６０ 電極部
７１ 上部保護膜
７２ 下部保護膜
１００ ガスセンサ
１１０ 筐体
１１１ 導入ポート
１１２ 排出ポート
１２０ 熱輻射光源
１３０ 受光部
３０ 電熱変換部
４０ａ （上面側の）保護層
４０ｂ （下面側の）保護層
５０ 基板
６０ 電極部
７１ 上部保護膜
７２ 下部保護膜
１００ ガスセンサ
１１０ 筐体
１１１ 導入ポート
１１２ 排出ポート
１２０ 熱輻射光源
１３０ 受光部
Claims (8)
- 光源装置と、前記光源装置から放出される光を受光する受光部と、
前記光源装置と前記受光部の間に気体を導入することが可能な筐体とを備え、
前記光源装置は電流を流すことでジュール熱を発生する電熱変換部と、
前記電熱変換部上に配置された上部保護膜と、
前記電熱変換部上に、前記上部保護膜とは反対の面に配置された下部保護膜を有し、
赤外線を前記上部保護膜と接する外界から照射したとき、前記上部保護膜と前記電熱変換部からなる領域における吸収率Ａと、前記電熱変換部と前記下部保護膜からなる領域における反射率Ｒの比Ａ／Ｒが、２μｍ以上２０μｍ以下の波長領域において１より大きい波長領域を有し、前記受光部に到達する光は前記上部保護膜から放出されることを特徴とする受発光装置。 - 前記上部保護膜から放出される９．５μｍにおける放射率が６０％以上である、請求項１に記載の受発光装置。
- 前記電熱変換部を支持する基板を更に備える請求項１又は２に記載の受発光装置。
- 前記基板が貫通部又はキャビティを有する請求項３に記載の受発光装置。
- 前記電熱変換部に電気的に接続する電極部を更に備える請求項１から４のいずれか一項に記載の受発光装置。
- 前記電熱変換部がＭｏ、Ｓｉ、Ｃ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｈｆ、及びＮのうち、少なくとも１つの元素を含む請求項１から５のいずれか一項に記載の受発光装置。
- 前記基板がシリコン、ガリウムひ素、アルミナ、サファイア、酸化アルミニウムのいずれかである請求項３又は４に記載の受発光装置。
- 前記電極部がＡｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ及びＰｔのうち少なくとも１つの元素を含む請求項５に記載の受発光装置。
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