JPH05281030A - 紫外線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 紫外線照射時（ＯＮ）と非照射時（ＯＦＦ）
とで明確な差異の出力を示し、一定条件下での出力が経
時的に変化しない安定した出力を示す紫外線検出素子を
得る。 【構成】 基板８とこの基板８上に成長させられたダイ
ヤモンド薄膜層９とを有し、基板側に第一電極部４ｂを
ダイヤモンド薄膜層９の表面側に第二電極部４ａとを備
えて紫外線検出素子を構成するとともに、第二電極４ａ
を光透過性の部材で防水手段として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば火焔から放射さ
れる紫外線を検出して火焔の状態を判別する火焔センサ
等に利用される紫外線検出素子に関するものであり、さ
らに詳細には、ダイヤモンドからなる検知部にその検知
部の電気抵抗を検出するための電極を付設して構成され
る紫外線検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の紫外線検出素子は、最近提案さ
れているものであり、ダイヤモンドが、エネルギーギャ
ップ５．４７ｅＶで、ほぼ２２５ｎｍよりも短波長側に
感度領域を有している特性を利用して、紫外線の検出を
有効におこなうものである（特願平４ー３６３４）。こ
のような紫外線検出素子は、従来、検知部に一対の金等
の電極を備えて構成され、紫外線が照射されて、その抵
抗値が変化する受光部が水分を含有する大気中に露出さ
れていた。このような素子の構成を図３の（ロ）に示し
た。即ち、図示するものはダイヤモンド薄膜層１００の
表面側に一対の電極２００が付設されて構成され、ダイ
ヤモンド薄膜層１００内を横方向（表面に平行）に電流
が流れるとともに、この表面側にある両電極２００間の
中間部位は、空気に露出されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来構成の紫外線検出
素子に於ける紫外線照射時（ＯＮ）と非照射時（ＯＦ
Ｆ）の出力特性を図５に示した。図示するものは、比較
的極端な例ではあるが、程度の差はあるものの、この構
成の紫外線検出素子では、紫外線照射時（ＯＮ）と非照
射時（ＯＦＦ）の各出力が、経時的に変化しており（紫
外線照射時は、抵抗が増加する側に変化し、非照射時は
逆の方向に変化している）、紫外線の照射、非照射状態
を、例えば一定抵抗値を基準として判定しようとする
と、不正確な判定しか得られなかった。さらに、検出素
子としては、紫外線照射時（ＯＮ）と非照射時（ＯＦ
Ｆ）とで、理論に合致する矩形波型の出力が得られるこ
とが好ましいが、この点においても図５に示すものは甚
だ不満足なものである。

【０００４】そこで本発明の目的は、紫外線照射時（Ｏ
Ｎ）と非照射時（ＯＦＦ）とで明確な差異の出力を示
し、一定の条件下でその出力が経時的に変化しない安定
した出力を示す紫外線検出素子を得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による紫外線検出素子の特徴構成は、検知部を
防水する防水手段が設けられていることにあり、その作
用・効果は次の通りである。

【０００６】

【作用】素子に照射される紫外線によりその抵抗値が変
化するダイヤモンドを利用する紫外線検出素子において
は、このダイヤモンドの受光面に存在する水分が、その
抵抗値の検出に影響する。即ち、例えばダイヤモンド薄
膜層を備えた素子においては、この薄膜の表面に吸着さ
れたり、この面から放散したりする水分により、測定さ
れる抵抗測定値が経時的に変化する。従って、防水手段
を設けると、こういった水分の吸着、放散の影響が回避
される。結果、この水の影響のない紫外線検出素子が得
られる。

【０００７】

【発明の効果】よって、紫外線照射時（ＯＮ）と非照射
時（ＯＦＦ）とで明確な差異を備えた出力を示し、一定
の状態下でその出力が経時的に変化を起こさない安定し
た出力が得られる紫外線検出素子を得ることができた。

【０００８】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説
明する。なお、説明にあたって、本発明の紫外線検出素
子１はその実施の一形態として火焔センサ２に組み込ま
れて使用されるものであるから、別個に説明を行なわ
ず、火焔センサ２の説明時に紫外線検出素子１の説明を
併せておこなうものとする。

【０００９】図１に示すように、ダイヤモンドからなる
検知部３に、その検知部３の電気抵抗を検出するための
電極４を付設した紫外線検出素子１を設け、この紫外線
検出素子１の電極４を介して検出した電気抵抗情報に基
づいて火焔５の状態を判別するための火焔判別手段６を
設け、もって、工業用バーナ７の火焔５の立ち消えを検
出するための火焔センサを構成してある。紫外線検出素
子１の構成について説明すると、この素子１は、シリコ
ン基板８とダイヤモンド薄膜層９とこの薄膜９の表面側
に設けられる金薄膜４ａを備えて構成される。即ち、検
知部３は、シリコンからなる基板８上に、数μｍの厚さ
のダイヤモンド薄膜層９を形成するとともに、このダイ
ヤモンド薄膜層９の表面の一部を被覆する状態で２００
Å（５０〜５００Å程度）の厚みの金薄膜４ａが形成さ
れている。ここで、この金薄膜４ａの厚さは光を通し電
気をも通す程度の厚さである。そして、前述のシリコン
基板８と金薄膜４ａに、夫々銀電極４ｂが取り付けられ
ている。ここで、基板８の下部に備えられる銀電極４ｂ
を第一電極部と、さらに金薄膜４ａを第二電極部と呼
ぶ。従って、この構成においては、電流はダイヤモンド
薄膜層９の膜形成方向（これはダイヤモンド薄膜層９を
形成する個々の結晶においては、これを単結晶とみなす
ことができ、結晶粒界を横断しない方向となっている）
に流れることとなる。さらに、ダイヤモンド薄膜層９上
に金薄膜４ａを形成することにより、この被覆部４ａは
ダイヤモンド薄膜層９に水分が付着するのを防止するこ
ととなる。即ち、この金薄膜４ａは、ダイヤモンド薄膜
層９に対して防水手段として働く。一方、前記火焔判別
手段６は、前記の一対の銀電極４ｂに対して、電源６ａ
及び電流計６ｂを配設して、この電流計６ｂで計測され
る電流量の変化から、素子の抵抗変化を検出し、この結
果より演算処理装置６ｃによって火焔の状態を判断でき
るように構成されている。

【００１０】以下に、紫外線検出素子１の作成方法につ
いて説明する。低抵抗シリコンからなる基板８を用意
し、その表面を、＃８００のダイヤモンド砥粒で傷付け
処理を行なう。この処理は、次工程で微小で良質なダイ
ヤモンド核を迅速にかつ多く発生させるために行なうも
のである。次に、一酸化炭素と水素とを、それぞれ一定
温度での単位時間当りの供給体積比が１５：８５となる
状態で供給しつつ、マイクロ波パワーを３００Ｗとして
基板８の表面温度を９００℃に維持し、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法で、ダイヤモンド薄膜層９を形成する。な
お、ダイヤモンド薄膜層９の膜厚は、ダイヤモンドの結
晶が密実に並んで基板８の表面を覆うことができるよう
に、１マイクロメートル以上とすることが好ましい。さ
らに、このダイヤモンド薄膜層９の表面の一部に金薄膜
４ａを形成して、素子の形成を完了することができる。

【００１１】次に、この火焔センサを用いての火焔５の
状態判別の原理について説明する。ダイヤモンドは、そ
のエネルギーギャップは５．４７ｅＶであって、ほぼ２
２５ｎｍ以下の波長領域で光導電性を示す。ここで、バ
ーナ７が燃焼継続状態にある場合、そのバーナ７の火焔
５からは、紫外領域から赤外領域にわたる光が放射され
ているから、上述したほぼ２２５ｎｍ以下の波長領域の
紫外線が照射されることで前記ダイヤモンド薄膜層８は
光導電性を示し、その抵抗率は比較的低く保たれる。そ
の状態から、立ち消え等によって火焔５が消滅すると、
火焔５からの放射紫外線を受けなくなったダイヤモンド
薄膜層８は光導電性を示さなくなり、その抵抗率は急増
する。従って、この抵抗率の急増を検出することで、火
が消えたことを判別することができる。

【００１２】紫外線検出素子１の感度領域と上述した火
焔５の判別との関係について述べると、バーナ７の周辺
に放射される紫外線は、バーナ７の火焔５から放射され
たもののほか、バーナ７の先端や図示はしないが燃焼室
を構成するパネルといったように、燃焼に伴なって加熱
された部分から放射されたものがある。この加熱部分か
らの放射は、短波長成分ほど少なく、温度が低いほど少
ない。図２に、加熱部分からの放射を温度をパラメータ
として表わしたもの（ａ〜ｅのライン）を、火焔５から
の放射（ｆのライン）とともに示す。このような状態で
の燃焼中に火が消えた場合、加熱部分はすぐには冷えな
いのでそこからの紫外線は継続して放射されることとな
る。そのため、紫外線検出素子の感度領域が長波長領域
まで広がっていると、火焔５から紫外線が放射されてい
ないにも拘らず、加熱部分からの紫外線の放射を受けて
未だ火焔５があると誤って判別してしまう。一方、本発
明の紫外線検出素子１の感度領域はほぼ２２５ｎｍ以下
の比較的短波長の領域であるから、たとえ加熱部分の温
度が高くても、その波長領域での紫外線の放射量が火焔
５からのものに比して加熱部分からのものにおいて充分
少ないから、火が消えたときに直ぐにそれを検出でき
る。また、この波長領域では、より短波長側の領域にお
いてよりも火焔５からの紫外線の放射量が充分あるの
で、ＳＮ比の高い火焔５の状態判別を行なえるのであ
る。

【００１３】以上が、ダイヤモンド利用の紫外線検出素
子１の構成と概略的な作動原理であるが、以下に、従来
構成の素子と今回の素子の構成、作用の差異を説明しな
がら、今回の素子の利点について説明する。図３には今
回と従来の紫外線検出素子の差異を明らかにするため
の、模式図が示されている。ここで、図３（イ）が本願
の構成を、図３（ロ）が従来の構成を示している。図４
には本願の紫外線検出素子の分光抵抗率の出力が示され
ており、図５には前述のように従来構成のものの出力状
態が示されている。図４、図５において、対応する紫外
線照射時（ＯＮ）と非照射時（ＯＦＦ）との状況が示さ
れている。

【００１４】各素子の構成要件を整理して以下に示す。 受光部の防水構成 電流の方向 本願の構成 金薄膜で被覆 粒界を横断し難い上下方向 従来の構成 空気に露出 粒界を横断し易い横方向 結果、図４と図５とを比較すると、図４においては、ノ
イズが残留しているものの、出力が理論（一点鎖線で示
す）に近い出力形状を描いているのに対して、図５のも
のは一定条件下においても抵抗値の変動がみられる（こ
こで、破線で示しているものは、薄膜面上に水分がない
場合に期待される出力形状である）。さらに結果につい
て述べると、出力値自体についても、抵抗値に大きな差
異（図４は１０の１０乗オーダーなのに対して、図５の
ものは１０の６乗オーダーである）が見られるととも
に、紫外線照射時（ＯＮ）と非照射時（ＯＦＦ）とでの
出力割合（ＯＮ、ＯＦＦ時の出力差／ＯＦＦ時の出力）
も大きな差（図４は２／２．５であるのに対して、図５
のものは０．１５／１．９である）が認められる。即
ち、従来は薄膜面に平行に電流を流していたため、ダイ
ヤモンドの粒界を電流が通らなければならず、センサと
しての感度が落ちてしまっていた（光を当てたときと、
消したときの抵抗の変化が小さい）のであり、さらに、
出力特性についても防水構成が採用されていなかったた
めに、光を照射あるいは遮断することにより、ダイヤモ
ンド表面に吸着している水が脱離したり吸着されたりし
て、表面抵抗がゆっくり変化して、一定条件下において
も、尚出力の安定がえられなかったものと考えられる。
そこで、本願に示すように電極構成を変えたところ、電
流を基板面に垂直に流しているため粒界の影響が少なく
なり、表面を電極で覆っているので吸着種である水の影
響も受けにくくなり、出力状況が改善された。

【００１５】以下さらに、この紫外線検出素子に於ける
大気もしくは水の影響を調べるために単結晶ダイヤモン
ドを使用した素子について、発明者らがおこなった実験
結果について説明する。これらの実験においては、単結
晶ダイヤモンドを使用しているため、粒界の影響はほぼ
無視できる。図６、図７、図８は、図４に対応する実験
結果を示し、夫々、空気中での応答出力、乾燥空気中で
の応答出力、窒素雰囲気中での応答出力を示している。
図６において、単結晶の場合も光を照射したときは瞬時
に抵抗が下がるが、消した時は抵抗の回復が遅い。とこ
ろが水の無い図７、図８に示す状態では、回復もほぼ瞬
時におこなわわれている。よって、このような紫外線検
出素子を採用する場合は、受光面の防水処理を考慮する
ことが、非常に重要であることがわかる。ここで図６に
示す結果における抵抗値の変化挙動（ＯＦＦ時に抵抗が
増加している）は、図５に示す変化挙動に対して逆であ
る（ＯＦＦ時に抵抗が減少している）。これは、前者に
おいては水の吸着がダイヤモンドの抵抗変化を遅らせる
働いているため、後者においては一担、ダイヤモンドの
抵抗値が安定した後、さらに水の吸着が起こり全体とし
ての見かけの抵抗値が低下するためではないかと推測す
る。

【００１６】〔別実施例〕以下に本願の別実施例を箇条
書きする。 （イ）上記の実施例においては、金薄膜をダイヤモンド
薄膜層表面に設けられる電極として採用したが、これは
白金、銀、貴金属等であってもよい。 （ロ）さらに、素子に対する水の影響を防止するために
は、上記の実施例のようにダイヤモンド薄膜層を電極膜
で被覆するのみならず、実験例で示したように水分を除
去できるように、透明防水部材としての不活性ガスを封
入したガラス管内にこの紫外線検出素子を封入してもよ
い。 （ハ）上述した実施例では、検知部３として基板８上に
ダイヤモンド薄膜層９を形成した構成を説明したが、そ
れに替えて、ダイヤモンドの層が自立して保形性のある
ものであれば、基板８は不要である。従って、純度が充
分に高ければ、天然や合成のダイヤモンドを検知部３と
して用いることが可能である。また、検知部３の形態
は、層状であっても塊状であっても構わない。 （ニ）火焔センサにおける火焔判別手段６としては、検
知部３の電気抵抗の絶対値を測定することで火焔５の状
態を判別するものに替えて、火が消えたか否かの検出の
ためだけであれば、検知部３の電気抵抗の絶対値ではな
く単にそれが急増したことを検出する構成であってもよ
い。 （ホ）本発明による紫外線検出素子１は、本発明による
火焔センサに組み込まれて実施されるもののほか、各種
の紫外線発生ランプのモニタ用として実施したり、半導
体原料ガスの漏れの検出用として実施することが可能で
ある。

【００１７】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】紫外線検出素子の概略構成図

【図２】火焔の周囲の分光放射特性曲線

【図３】紫外線検出素子の構成模式図

【図４】紫外線検出素子の分光抵抗率の出力を示す図

【図５】従来構成の紫外線検出素子出力を示す図

【図６】単結晶ダイヤモンドを使用した紫外線検出素子
の空気中での出力

【図７】単結晶ダイヤモンドを使用した紫外線検出素子
の乾燥空気中での出力

【図８】単結晶ダイヤモンドを使用した紫外線検出素子
の窒素雰囲気中での出力

【符号の説明】

３ 検知部 ４ 電極 ４ａ 防水手段（第二電極部） ４ｂ 第一電極部 ８ 基板 ９ ダイヤモンド薄膜層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平木 昭夫 兵庫県宝塚市山本南３―１―１―901 (72)発明者 川原田 洋 神奈川県横浜市港北区中川２―９―８― 405

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンドからなる検知部（３）に、
   その検知部（３）の電気抵抗を検出するための電極
   （４）を付設してある紫外線検出素子であって、 前記検知部（３）を防水する防水手段（４ａ）が設けら
   れている紫外線検出素子。
2. 【請求項２】 基板（８）と前記基板（８）上に成長さ
   せられたダイヤモンド薄膜層（９）とを有し、前記基板
   側に第一電極部（４ｂ）を前記ダイヤモンド薄膜層
   （９）の表面側に第二電極部（４ａ）とを備えて構成さ
   れ、前記第二電極（４ａ）を光透過性の部材で前記防水
   手段として構成した請求項１記載の紫外線検出素子。
3. 【請求項３】 前記防水手段が、前記検知部の外周部全
   面を覆う透明防水部材である請求項１記載の紫外線検出
   素子。