JPH04250337A - 気体集束作用を測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体集束作用を測定す
るための装置に関する。その装置は測定されるべき気体
上に放射線を放射するためのものであり、陽極および陰
極と、測定されるべき気体と同じ気体を放射気体として
具備する放射源と、測定されるべき前記気体を通して透
過された放射線を検知することができる放射線検知器と
を具備する。

【０００２】本発明はまた、気体集束作用を測定するた
めの方法に関する。

【０００３】本発明は、光吸収の助けを借りて気体或い
は液体の集束作用を測定するのに特に使用されるように
企図されている。

【０００４】

【従来の技術】通常の技術に基いた実施では、可視およ
び近赤外線波長の範囲内で十分に高い出力の小さな固体
ＬＥＤとレーザ構成要素とを使用する。また、広帯域放
射ハロゲン周期（ｈａｌｏｇｅｎ−ｃｙｃｌｅ　）白熱
灯およびいわゆる“グローバー（ｇｌｏｂａｒ）”光源
も使用される。

【０００５】固体ＬＥＤおよびレーザ構成要素はサイズ
が小さく消費電力も小さいので、吸収の測定に非常に有
用である。それらの欠点は、それらの出力波長が測定さ
れるべき気体或いは液体の吸収波長帯域と必ずしも一致
しないという点にある。さらに、それらから得ることが
できる最も長い波長はめったに　１．５μｍ　を越えな
い。白熱灯およびグローバー光源は放射源であり、大き
なサイズおよび大電力消費であることを特徴とし、それ
らの放射スペクトルは黒体の広スペクトル放射に極めて
近似している。このようなスペクトルからの望みの波長
は一般に、構造を機械的に複雑にするフィルタによって
選択されねばならない。特にフィルタが変調の目的のた
めに可動性でなければならないときにはそうである。

【０００６】米国特許第　３，７２５，７０１号明細書
から、分析されるべき気体が容器内に位置付けられ且つ
黒体によって放射されたＩＲ放射線によって照射される
気体分析器が公知である。そのときは気体内で生成され
た蛍光放射線が気体を検知するために使用される。この
実行の欠点は、調査中の気体を出すために使用される１
次放射線のエミッタとして使用するための高エネルギ消
費の高温黒体を必要とするという点である。調査中の気
体は、黒体放射線から望みの波長を分離する狭帯域フィ
ルタのように作用する。結果として、調査中の気体から
の放射線強度は、問題の狭帯域での黒体からの励起放射
線の強度よりもどうあっても高くあり得ない。それ故に
、調査中の気体から得ることができる強度は、黒体によ
って放射される励起放射線の全強度のほんの一部にまで
下がり非常に低く保持されることは必然である。

【０００７】欧州特許第　２３１　６３９号明細書は、
気体がその中で放電の助けを借りて励起される光源の実
行を開示している。このような実行の欠点は、光源内に
含まれた気体が放電でイオン化されることである。しか
しイオン化は結局、一方では高温の気体およびスペクト
ル線のドップラー広がりがあること、他方では気体が反
応状態にあり且つ化学反応によりその組成が次第に変化
を受けることを意味する。それ故に光源の寿命は、たと
え光源に結局光源をかさばるようにする気体タンクが設
けられているとしても数千時間に限定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上に
記載された技術の欠点を回避すること、および気体集束
作用を測定するための全く新しい装置および方法を得る
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、調査中の材料
と同一の分子を含むように放射源を設計するという着想
に基いており、それにより放射源によって放射される光
は正しい波長を正確に具備する。放射気体はイオン化さ
れず、そしてその解離は最小に保たれる。本発明による
と、放射気体の振動および回転のエネルギ状態は、適切
な圧力で電子衝撃の助けを借りて励起される。

【００１０】さらに特に、本発明による装置は、陰極が
電子エミッタとして働くことと、放射気体のイオン化或
いは解離が発生しないような低い動作電圧が前記陽極と
前記陰極との間に接続されることとを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明による方法は、前記放射源
が層状シリコン構造として組立てられ放射線放射気体と
して作用する気体がその層のボンディングの段階中にそ
の中へ封入されることを特徴とする。

【００１２】本発明は顕著な利点を提供する。

【００１３】本発明による放射源の電子エミッタは気体
が充満された空洞の低い高さとイオン化のない動作とが
組合わさって通常　１５０ｍＷのオーダである非常に低
い熱電力レベルで動作するので、気体およびそれと同時
に小さいサイズの放射源全体の温度は周囲の温度と非常
に近い状態にある。これは結果として、気体が充満され
たチューブ状の放電源の場合のように熱い気体で起こる
ドップラー遷移に関しては付随するより小さなドップラ
ー遷移によって生じる、放射光の狭いスペクトル帯域幅
となる。測定において気体の温度を低く維持することは
、吸収測定技術にとって都合が良い。何故なら、測定さ
れるべき気体自身は一般に周囲の温度に非常に近接した
温度であり、したがって狭い吸収線幅を有するからであ
る。 他方、もし放射源が例えば煙道の気体測定のように一緒
に加熱を受けるならば、放射される線幅が上昇した温度
のせいで広がることは測定の精度にとって特に有害とい
うわけではない。何故なら、調査中の気体の線幅もまた
同様の増加を受けるからである。小さなサイズの測定装
置は、調査中の気体によって実際に取囲まれた位置に容
易に設置することができる。

【００１４】放射源のシリコン／ガラス構造は、光導波
管がシリコンから作られている一体化された光学的構造
の一部として設計されることができることを特徴とする
。そして使用可能な波長の範囲は約１μｍ　から始まり
、シリコンのＩＲ透過特性によるより長い波長まで延在
する。特定の目的に対して非常に重要な約１μｍ　から
１２μｍ　へと延在する波長の範囲は、本発明による構
造を使用して網羅されることができる。１μｍ　より短
い波長は本発明の代わりの実施例によって発生される。

【００１５】

【実施例】放射源は、通常のシリコンのマイクロメカニ
カル処理方法を使用して、単結晶シリコンおよびガラス
から作られることができる。これらはガラスをシリコン
上に静電ボンディングすることと、シリコンの異方性エ
ッチングと、薄膜メタライズ処理とを具備する。本発明
によって使用するのに適切なシリコンのグレードは、例
えばｐタイプ、結晶方位（１００　）で厚さが　０．４
乃至１．３ｍｍ　であるシリコンウェハである。製造は
ウェハレベルで実行される。本体部分１０はシリコン層
１とガラスウェハ２とを具備する。中間部分２０はシリ
コンから作られており、被覆部分３０は被覆部分シリコ
ン層４とガラスウェハ５とを具備する。シリコン層１お
よび中間部分２０の比抵抗は通常、０．０１乃至１オー
ムｃｍの範囲内にあることができる。被覆部分シリコン
層４の比抵抗はこの層内の放射線吸収を低い値まで減少
させるため１オームｃｍより上に増加されることさえで
きる。本体部分１０を製造するために、シリコンウェハ
の上面は、例えばダイヤモンドペースト研磨材研磨を使
用して厚さ　１００乃至　２００μｍ　まで薄くされた
Ｃｏｒｎｉｎｇ　７０７０ガラスでできたガラスウェハ
２をそのシリコンウェハの上面に接着することによって
被覆される。次に、ガラスウェハ２の表面が可能な研磨
（ｌａｐ　）の後に鏡面研磨（ｐｏｌｉｓｈ）される。 そして、ウェル６および７が例えば　ＢＨＦエッチング
を使用してガラス層にエッチングされ、それによって陰
極として作動するグローフィラメント９がウェル７の所
に自己支持状態でとどまる。次に、補助導電体８が通常
の機械的マスクを使用する薄膜メタライズによって作ら
れる。補助導電体の目的は、一方ではウェル６の開口部
を介して本体部分１へと、他方では圧縮／拡散ボンディ
ングを介して中間部分２０へと電気的接触をさせること
である。グローフィラメント９は、（リードフレーム技
術を使用して）薄いシート金属からエッチングによって
例えばタングステンから作られることができる。グロー
フィラメントは、例えば超音波ボンディングによって、
補助導電体８に接着される。代わりに陰極は、Ｉ．Ｂｒ
ｏｄｉｅ　ａｎｄ　Ｊ．Ｍｕｒａｙによる“Ｔｈｅ　ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏ
ｎ　”，Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ，１９８３、に開示
された陰極のような電界放射陰極のように作られること
ができる。中間部分２０に対する開口部はまずシリコン
の通常のマイクロメカニカル処理方法を使用して１つ或
いは両方の側部からシリコンウェハをエッチングして作
られ、そして機械的マスクを使用して接触メタライズ１
３を作製する。上部部分３０を形成するシリコンウェハ
は最初に、ガラスウェハ２の表面と同じ方法で鏡面研磨
される接着されたガラスウェハ５によって被覆される。 次にウェル５が、シリコンウェハ表面へ向けてガラスウ
ェハ５内でエッチングされる。空洞１２は、ウェルの底
部が約　１００μｍ　の厚さになるまで、シリコン被覆
部分４を例えばＫＯＨ　によって、ウェルの領域で異方
性にエッチングすることにより作られることができる。 そこでウェルの底部は、放射源の光出口窓１５として作
動する。 次のステップは接触メタライズ１１を生成することであ
る。その次に、３つのすべてのウェハ１０，２０，３０
が例えば静電ボンディングを使用して一緒にボンディン
グされる。この処理の間、ボンディング装置は適切な圧
力の望みの気体混合物で充満され、それによって望みの
圧力の適切な気体混合物がチップ空洞内に封入されたま
まになる。最終的に、チップパケット１０，２０，３０
はチップに切断される。グローフィラメントに対する電
圧は、中間部分２０の接触部１３および本体部分１の接
触部３を介して印加される。グローフィラメントに対し
て必要な電力入力は　１００乃至２００ｍＷ　の範囲内
で変化し、都合が良いのは約１５０ｍＷ　である。約０
．５　乃至５Ｖの低い電圧は、陰極として作用するグロ
ーフィラメント９と陽極として作用する被覆部分４との
間に印加される。必要な電圧のレベルは、例えば使用さ
れた充填気体に依存する。陽極４と陰極９との間に印加
される電圧は励起処理の強度を決定するので、本発明に
より、励起するべき気体のイオン化を回避するためにで
きるだけ低い電圧レベルを維持することが肝要である。 放射源チップのサイズは適切に例えば３×３×４ｍｍ３
　であることができ、そしてそのチップはＴＯ−５の金
属外囲器内に封入されることができる。それは、例えば
本体部分１が前記金属外囲器に電気ボンディングされる
ようになるようなダイボンディング技術を使用して封入
される。放射線透過に適したサイズの開口部が外囲器の
上部に作られる。

【００１６】シリコンは近ＩＲ範囲内で約３．５　の屈
折率を有するので、強い反射が中間面上に入射する放射
線の約３０％でシリコン中間面から発生する。この反射
は、図３に示された反射防止膜３１を出口窓１５の中間
面両側部に適用することによって徹底的に減少されるこ
とができる。

【００１７】いくつかの場合では、望ましい波長はシリ
コン窓を通して透過されない可視波長の範囲内にあり得
る。したがって図４に示された構造が、ガラスの窓４０
によって置換されたシリコン窓を持たせて使用されるこ
とができる。ガラスの窓４０は通常、　０．３乃至３μ
ｍ　の範囲内で光を透過させることができる。電気接触
は、上部部分の導電性シリコン領域４４上に設けられた
メタライズされた領域４２によって作られる。

【００１８】放射源はまた、気体の流動を必要とするシ
ステム内で使用されることもできる。そして、放射源は
図５に見られるように気体流れ用パイプ６０に装着され
ており、その圧力は放射源の有益な機能に対して適切な
レベルで維持される。この実施例では、本体部分６２に
は供給穴６４が設けられている。例えば図１に示される
ような中間および被覆部分は本体部分６２上に配置され
ている。 放射される放射線のスペクトル線の波長および強度はパ
イプ内を流れる気体混合物の組成および集束作用によっ
て決定されるので、図面に示された実施例は気体パイプ
内の気体の内容を同時に分析且つモニタすることができ
る。

【００１９】本発明による好ましい実施例では、放射源
は図６に示されるような二重チャンネル吸収分析器で使
用される。放射源７０の強度は例えば１ｋＨｚ　のある
周波数でその陽極電圧を変化させることによって変調さ
れ、それによって本システムの長期間のドリフトの影響
が排除されることができる。実際には、変調はパルス化
された振幅変調として履行されるので、陽極電圧は一方
の１／２　サイクルの間の地電位に、そして他方の１／
２　サイクルの間の通常の動作電圧（　０．５乃至５Ｖ
）にされる。したがって、陽極と陰極との間の極性反転
は発生しない。基準チャンネル７５の目的は、測定信号
からの信号を基準チャンネル７５からの信号と対比する
ことによって、放射源７０内の変化を排除することであ
る。基準チャンネル７５は、測定されるべき気体７９を
含まない。測定チャンネルセンサ７４および基準チャン
ネルセンサの前方に配置されたフィルタ７６は、もし必
要ならば放射源の望みのスペクトル線を選択することが
できる。測定されるべき気体７９の温度Ｔ１　は放射源
７２の温度におよびそれ故に充填気体の温度Ｔ２　にほ
ぼ等しい。

【００２０】本発明による放射源の充填気体は気体混合
物でもあり得、それによって採ることのできるスペクト
ル線の選択および源の動作効率が改善されるであろう。

【００２１】放射源はシリコンおよびガラスから作られ
ることができ、それ故に使用する構造に応じて近ＵＶか
ら中ＩＲへの範囲で異なった波長を提供することができ
る。

【００２２】気体分子の振動および回転状態の代わりに
、気体原子の通常の励起状態を利用することもまた可能
であり、それによって放射された光の対応するより短い
波長が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放射源の側断面図。

【図２】図１に示された放射源の本体部分の平面図。

【図３】反射防止膜の設けられた本発明による放射源の
代わりの実施例の側断面図。

【図４】可視のおよび近ＩＲの波長で使用するために企
図された本発明による放射源の断面図。

【図５】連続した気体の流れと共に使用するために企図
された本発明による放射源の断面図。

【図６】基準チャンネルを設けられた本発明による測定
システムの断面図。

【符号の説明】

４…陽極、９…陰極、１０…本体部分、１５…出口窓、
２０…中間部分、３０…被覆部分、７０…放射源、７４
…放射線検知器、７９…気体。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定されるべき気体に放射線を放射す
   るためのもので、陽極および陰極と、放射気体として測
   定されるべき気体と同じ気体とを具備する放射源と、測
   定されるべき前記気体を通して透過された放射線を検知
   することができる放射線検知器とを具備する気体の集束
   作用を測定するための装置であり、陰極が電子エミッタ
   として働くことと、放射気体のイオン化或いは解離が発
   生しないような低い動作電圧が前記陽極と前記陰極との
   間に接続されることとを特徴とする装置。
2. 【請求項２】　　前記陰極がグローフィラメントである
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】　　前記陰極が電界放射陰極であることを
   特徴とする請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】　　５Ｖより低い動作電圧が前記陽極と前
   記陰極との間に接続されることを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれか１項記載の装置。
5. 【請求項５】　　前記放射源が層状シリコン構造として
   組立てられ、放射線放射気体として作用する気体がその
   層のボンディングの段階中にその中へ封入されることを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
6. 【請求項６】　　前記放射源のための出口窓がシリコン
   から作られていることを特徴とする請求項１乃至５のい
   ずれか１項記載の装置。
7. 【請求項７】　　放射線が測定されるべき気体へ放射さ
   れ、透過される放射線が検知される、気体の集束作用を
   測定するための方法であり、前記放射される放射線が、
   低電圧加速された電子の放射によって測定されるべき気
   体と同じ気体をイオン化せずに励起することによって発
   生されることを特徴とする方法。
8. 【請求項８】　　放射気体の振動および回転状態がグロ
   ーフィラメントによって励起されることを特徴とする請
   求項７記載の方法。
9. 【請求項９】　　放射気体が、約　１００乃至２００ｍ
   Ｗ　、好ましくは約１５０ｍＷ　の熱電力レベルで動作
   する電子エミッタによって励起されることを特徴とする
   請求項７記載の方法。
10. 【請求項１０】　　最大５Ｖの動作電圧が前記陽極と前
    記陰極との間に接続されることを特徴とする請求項１乃
    至９のいずれか１項記載の方法。