JPH0640847U - マイクロ化した赤外線分析計用赤外光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 必要な印加電流を小さくできるとともに、応
答性に優れ、発光面の温度分布を均一にできるマイクロ
化した赤外線分析計用赤外光源を提供することにある。 【構成】 発光部２０、この発光部を載置する金属ステ
ム２１および前記発光部２０を封止するとともに、この
発光部で発光した赤外光が透過しうる赤外透過窓１３を
有する金属キャップ２２とを備え、更に、前記発光部２
０が、中央部に熱分離空間Ｈを有する導電型のＳｉ（シ
リコン）基板１１と、このＳｉ基板上に前記熱分離空間
Ｈを跨いで形成された、ｐ型のＳｉでキャリヤの濃度が
大きいもので構成される架橋構造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフ
ィラメントＦと、このフィラメントの両端に前記熱分離
空間Ｈを介して設けられた一対のフィラメント印加用電
極１２，１２とからなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案はマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源に関し、さらに詳しくは、 フィラメント温度が６００〜８００℃程度となるよう電流が印加されることによ って赤外光源として波長２〜６μｍの赤外域で赤外放射を得ることができる赤外 線分析計用赤外光源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、赤外線ガス分析計に用いられる赤外光源としては、発光のふらつきが 小さく、経時的にも劣化が小さく、かつ、安定発光までの時間が短いことが求め られている。この赤外光源では、波長２〜６μｍの赤外域での赤外放射を得るた め、フィラメント温度が６００〜８００℃程度となるよう電流が印加されている 。

【０００３】 従来この種の赤外光源として、発光部のフィラメントがタングステンや白金線 等の金属線をコイル状に巻いたものや、さらに、コイル表面をアルミナ等のセラ ミックで被覆することにより、赤外域での発光効率を高めたものなどが一般的で ある。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、このような構造の光源では、発光部のフィラメント部分の経時的な劣 化や、温度上昇による各部の機械的歪みの発生などを考慮する必要があり、小型 化、マイクロ化する上で障害となっていた。また、金属コイルの場合、抵抗の温 度係数が負特性を示すため、温度分布が生じやすいという欠点があった。

【０００５】 また、小型化したものとしては、図２７に示すように、発光部１としてタング ステン又はモリブデンの金属線１をコイル状に巻いてなる長さＬが略５ｍｍ長の フィラメントと、発光部１を載置する金属ステム２と、発光部１を覆う金属キャ ップ３とからなる赤外光源が提案されている。しかし、上記の欠点を持ちながら 、加えて、発光部の熱容量が大きいため、必要なフィラメント温度が６００〜８ ００℃程度まで上昇させるに必要な印加電流を大きくする必要があり、赤外放射 率が悪い。また、応答性も一般的に速くすることが難しい。

【０００６】 この考案は、上記問題に鑑みてなしたもので、その目的は、必要な印加電流を 小さくできるとともに、応答性に優れ、発光面の温度分布を均一にできるマイク ロ化した赤外線分析計用赤外光源を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、この考案のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光 源は、発光部、この発光部を載置する金属ステムおよび前記発光部を封止すると ともに、この発光部で発光した赤外光が透過しうる赤外透過窓を有する金属キャ ップとを備え、更に、前記発光部が、中央部に熱分離空間を有する導電型のＳｉ 基板と、このＳｉ基板上に前記熱分離空間を跨いで形成された、ｐ型のＳｉでキ ャリヤの濃度が大きいもので構成される架橋構造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメン トと、このフィラメントの両端に前記熱分離空間を介して設けられた一対のフィ ラメント印加用電極とからなる。

【０００８】 この考案におけるＳｉ基板としては単結晶Ｓｉを用いたｎ型のｎ−Ｓｉ基板が 多用され、その製作、加工には公知のＳｉプロセスを用いる。 このＳｉ基板１１は、図１０、図１４に示すように、中央部に形成された熱分 離空間Ｈの周囲に、フィラメントＦの両端に配設された一対のフィラメント印加 用電極１２位置よりもさらに高い位置にまで形成され、それによって、フィラメ ントＦで発光した赤外光を赤外透過窓（例えば、図１２参照）１３に導きうる赤 外光反射壁１４を有することが好ましい。すなわち、例えば、図１０に示すよう に、Ｓｉ基板１１は、下部Ｓｉ基板部分１１ａと上部Ｓｉ基板部分としての赤外 光反射壁１４からなる。この上部Ｓｉ基板部分１４のミラー加工は、異方性エッ チングにより行うことができ、下部Ｓｉ基板部分１１ａとの接合は公知の直接接 合法や陽極接合法を用いて行うことができる。さらに、好ましい例として、この 考案では、この赤外光反射壁１４は、図１０に示すように、その壁面にアルミニ ウム又は金等の赤外光を反射しうる金属薄膜１５を有する。なお、この考案にお ける一対のフィラメント印加用電極としては、材質は下地がＣｒで、このＣｒ膜 上に積層されたＡｕ膜からなる２層積層膜や、下地がＡｌで、このＡｌ膜上に積 層されたＮｉ膜からなる２層積層膜が好ましいものとして挙げられる。

【０００９】 この考案におけるフィラメントとしては、キャリヤとしてボロンイオンを高濃 度に添加してなるｐ⁺ −Ｓｉ薄膜が挙げられる。その厚みは、数μｍ程度が好ま しく、そのため、熱容量が小さく、数ｍ秒程度の時定数が得られるため、通電し てから安定するまでの時間が短く、比較的低い周波数ならば、光源を直接変調し ても、変調波形にほぼ追随した応答を示す。

【００１０】 すなわち、従来の赤外光源を直接変調すると、発光部であるフィラメントの熱 容量が大きいため、安定するまでに要する時間が長く、かつ、応答波形も制御信 号の波形からはかなりずれた波形になってしまう。図２６は制御信号に応答する 従来の光源の赤外放射量を示し、一方、図２１は制御信号（図２０参照）に応答 するこの考案の光源の赤外放射量を示す。これら図２０，２１，２６から、この 考案の光源の場合の方が、発光部の熱容量が小さく、Ｓｉ基板の熱伝導率が高い ので、印加電流を切ってから安定するまでの時間（ウォームアップ時間）が短く てすむことがわかる。このようにこの考案では、ウォームアップ時間を短縮でき る。

【００１１】 このフィラメントＦは、例えば、図３に示すように、その大きさは、長さＷが１ ．５ｍｍ、幅Ｄが０．５ｍｍ（５００μｍ）が好ましい。。

【００１２】 さらに、図１４に示すように、フィラメントＦの薄膜は、その上に積層される フィラメント保護膜１８を介してこのフィラメント保護膜上に、フィラメントの 発熱面Ｓの温度を一定に保つための薄膜の温度センサを有することが好ましい。 さらに、好ましい例として、この考案では、温度センサとして、銅−コンスタン タンあるいはクロメル−アルメル等の２層薄膜からなる熱電対１６が用いられて いる。

【００１３】 また、フィラメント部分は半導体であるため、抵抗の温度係数が正となるため 、発熱面に温度分布が生じにくく、金属コイルよりも均一な分布が得られる。

【００１４】 また、この考案では、発光部の発光面Ｓに温度センサとして熱電対が形成され ているため、熱電対出力によってフィードバックをかけて発光面の温度を常に一 定に保よう制御できて赤外光源を安定化できる。すなわち、図１９は、発光部の フィラメント上に設けた熱電対薄膜からの出力を利用して、設定温度（例えば、 フィラメント温度が８００℃）に安定するようフィラメント印加電流Ｉ（図１８ 参照）をＯＮ−ＯＦＦ制御した連続点灯させた際のフィラメント温度を示してい る。また、図１７は、発光部のフィラメント上に設けた熱電対薄膜からの出力を 利用して、設定温度（例えば、フィラメント温度が８００℃）に安定するようフ ィラメント印加電流Ｉ（図１６参照）を繰り返し点灯させた際のフィラメント温 度を示し、これにより、設定温度に温度コントロールできるので、各サイクルご との変動や、経時的な出力変動を抑制できる。

【００１５】 この考案における熱分離空間は、その周囲のＳｉ層１１を異方性エッチングに より除去することにより形成される。

【００１６】

【作用】

以上の構成によれば、発光部が、Ｓｉ基板上に熱分離空間を跨いで形成された 、キャリヤの濃度が大きいｐ型のＳｉで構成される架橋構造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜の フィラメントで構成されていることから、熱容量を小さくでき、必要なフィラメ ント温度が６００〜８００℃程度まで上昇させるに必要な印加電流を小さくでき る。すなわち、フィラメントの熱容量が小さく、Ｓｉ基板の熱伝導率が高いので 、数ｍ秒程度の時定数が得られるため、印加電流を切ってから安定するまでの時 間が短くてすみ、比較的低い周波数ならば、光源を直接変調しても、変調波形に ほぼ追随した高い応答性を示すことになる。また、薄膜のフィラメントが不純物 を高濃度に添加してなるＳｉ薄膜であるので、その抵抗の温度係数が正であるた め、発熱面の温度分布の均一性を向上できる。

【００１７】

【実施例】

以下、この考案に係るマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源の実施例を、図 面に基づいて説明する。なお、こ考案はそれによって限定されるものではない。 図１〜３はこの考案の第１の実施例を示す。 図１〜３において、赤外光源は、発光部２０、この発光部を載置する金属ステ ム２１および発光部を封止するとともに、この発光部２０で発光した赤外光が透 過しうる赤外透過窓材（Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＢａＦ₂ ，Ｓｉ等）からなる赤外透過窓１ ３を有する金属キャップ２２とを備え、更に、発光部２０が、中央部に熱分離空 間Ｈを有するｎ型のｎ−Ｓｉ基板１１と、このＳｉ基板上に熱分離空間Ｈを跨い で形成された架橋構造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメントＦと、このフィラメント の両端に熱分離空間Ｈを介して設けられた一対のフィラメント印加用電極１２， １２とから主としてなる。この際、発光部２０を架橋構造とするため、フィラメ ントＦを形成する部分にボロンイオン（Ｂ⁺ ）を多く熱拡散することにより、エ ッチングに選択性を持たせている。

【００１８】 この実施例のものは上記構成を有するから、金属ステム２１のリード端子２３ ，２３から電流を印加することにより、発光部２０で発光した赤外光は赤外透過 窓１３を通して外部に放射される。フィラメントＦの両端には、電極（材質は下 地がＣｒで、このＣｒ膜上に積層されたＡｕ膜からなる２層積層膜でも、下地が Ａｌで、このＡｌ膜上に積層されたＮｉ膜からなる２層積層膜でも良い）１２， １２が構成されており、金属ステム２１のリードピン２４，２４に接続されてい る。フィラメントの厚みは、数μｍ程度であるため、熱容量が小さく、数ｍ秒程 度の時定数が得られるため、通電してから安定するまでの時間が短く、比較的低 い周波数ならば、光源を直接変調しても、変調波形にほぼ追随した応答を示す。 この実施例の場合は、発光部２の大きさは、長さ１．５ｍｍ、幅０．５ｍｍであ る。また、フィラメント部分は半導体であるため、抵抗の温度係数が正となるた め、発熱面Ｓに温度分布が生じにくく、金属コイルよりも均一な分布が得られる 。

【００１９】 以下製造方法について簡単に説明する。 まず、図４に示すように、ｎ型のＳｉ基板１１をその（１，０，０）面を介し て熱酸化し、ＳｉＯ₂ の熱酸化膜３１，３２を形成する。この際、熱酸化処理は 、例えば、ウエット雰囲気中で、１１００℃の温度下でＳｉ基板１１を約２時間 保持することにより行う。 次に、図５に示すように、熱酸化膜３１の選択エッチングを行い、発光部形成 領域Ｒを形成する。この際、公知のフォトレジスト技術をもちいて未露光部分を 除去する。 次に、図６に示すように、発光部形成領域Ｒにボロンイオンを高濃度に添加し て１２００℃の温度下で拡散を行って長さ１．５ｍｍ、幅０．５ｍｍ、厚みが数 μｍ程度のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメントＦを形成する。 続いて、図７に示すように、フィラメントＦの薄膜上に０．３〜１．０μｍの 膜厚ｄのフィラメント保護膜１８を積層し、ｒｆスパッタリングでフィラメント 印加用電極形成領域Ｇ，Ｇを形成する。 次に、図８に示すように、形成領域Ｇ，Ｇにｒｆスパッタリングで下地が０． ０５μｍの膜厚のＡｌ薄膜とその上に積層された０．１μｍの膜厚のＮｉ薄膜と からなる電極１２，１２を形成する。 最後に、図９に示すように、周囲のＳｉ層１１を異方性エッチングにより除去 することにより熱分離空間Ｈを形成する。 以上のようにして得られた発光部を構成する赤外光源チップＣは、さらに、図 １に示すように、金属ステム２１上に載置される。この際、金属ステム２１のイ ンナーリード（図示せず）とフィラメント印加用電極１２とは公知のワイヤーボ ンディングなどを用いて配線されている。続いて、赤外光源チップＣを含む金属 ステム２１は、上述したように、金属キャップ２２により封止され、かつ、金属 キャップ２２の上面には赤外光を効率良く透過させるためのＡｌ₂ Ｏ₃ ，ＢａＦ ₂ ，Ｓｉ等の赤外透過窓材からなる赤外透過窓１３が接合されて赤外線分析計用 赤外光源を形成する。

【００２０】 このように本実施例では、発光部が、ｎ−Ｓｉ基板上に熱分離空間を跨いで形 成されたＳｉで構成される架橋構造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメントで形成され ていることから、熱容量を小さくでき、必要なフィラメント温度が６００〜８０ ０℃程度まで上昇させるに必要な印加電流を小さくできる。すなわち、フィラメ ントの熱容量が小さく、Ｓｉ基板の熱伝導率が高いので、数ｍ秒程度の時定数が 得られるため、印加電流を切ってから安定するまでの時間が短くてすみ、比較的 低い周波数ならば、光源を直接変調しても、変調波形にほぼ追随した高い応答性 を示すことになる。また、薄膜のフィラメントが不純物を高濃度に添加してなる Ｓｉ薄膜であるので、その抵抗の温度係数が正であるため、発熱面の温度分布の 均一性を向上できる。

【００２１】 図１０〜１２は、赤外放射のパワー密度を上げるために赤外光源の前面にマイ クロ反射ミラーを取り付けたこの考案の第２の実施例を示す。 このｎ−Ｓｉ基板１１は、図１０、図１１に示すように、中央部に形成された 熱分離空間Ｈの周囲に、ｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメントＦの両端に配設された一 対のフィラメント印加用電極１２位置よりもさらに高い位置にまで形成され、そ れによって、フィラメントＦで発光した赤外光を赤外透過窓（図１２参照）１３ に導きうる赤外光反射壁１４を有する。すなわち、この際、図１０に示すように 、Ｓｉ基板１１は、下部Ｓｉ基板部分１１ａと上部Ｓｉ基板部分としての赤外光 反射壁１４からなる。

【００２２】 図１３〜１５は、赤外放射のパワー密度を上げるために赤外光源の前面にマイ クロ反射ミラーを取り付けるとともに、発光部の発光面Ｓに温度センサとして熱 電対を形成したこの考案の第３の実施例を示す。 赤外光源では、フィラメントＦに積層されるＳｉＯ₂ のフィラメント保護膜１ ８を介してこのフィラメント保護膜上に、フィラメントＦの発熱面Ｓの温度を一 定に保つための薄膜の熱電対１６を有する。この熱電対１６は銅−コンスタンタ ンあるいはクロメル−アルメル等の２層薄膜からなる。

【００２３】 この実施例のものは、発光部の発光面Ｓに温度センサとして熱電対が形成され ているため、熱電対出力によってフィードバックをかけて発光面Ｓの温度を常に 一定に保よう制御できて赤外光源を安定化できる。 なお、熱電対１６の形成方法について簡単に説明する。 図２２に示すように、電極１２，１２が形成されたフィラメントＦのフィラメ ント保護膜１８上に、下地が０．０５μｍの膜厚のＴａ₂ Ｏ₅ 膜上に０．１５μ ｍの膜厚のＡｕ膜４０をｒｆスパッタリングで積層し、図２３に示すように、Ａ ｕ膜４０上に、０．１μｍの膜厚のＮｉ膜４１をｒｆスパッタリングで積層して 熱電対１６を形成する。 続いて、図２４に示すように、熱電対１６上に０．３μｍの膜厚のＳｉＯ₂ 膜 ４２をｒｆスパッタリングで積層し、最後に、図２５に示すように、周囲のＳｉ 層１１を異方性エッチングにより除去することにより熱分離空間Ｈを形成する。

【００２４】

【考案の効果】

以上説明したように、この考案のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源は、 発光部が、Ｓｉ基板上に熱分離空間を跨いで形成されたＳｉで構成される架橋構 造のｐ⁺ −Ｓｉ薄膜のフィラメントで形成されていることから、熱容量を小さく でき、必要なフィラメント温度が６００〜８００℃程度まで上昇させるに必要な 印加電流を小さくできる。すなわち、フィラメントの熱容量が小さく、Ｓｉ基板 の熱伝導率が高いので、数ｍ秒程度の時定数が得られるため、印加電流を切って から安定するまでの時間が短くてすみ、比較的低い周波数ならば、光源を直接変 調しても、変調波形にほぼ追随した高い応答性を示すことになる。また、薄膜の フィラメントが不純物を高濃度に添加してなるＳｉ薄膜であるので、その抵抗の 温度係数が正であるため、発熱面の温度分布の均一性を向上できる効果を奏する 。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の第１の実施例を示す分解構成説明図
である。

【図２】図１におけるａ−ａ線の矢印の方向にみた構成
説明図である。

【図３】上記実施例における要部構成説明図である。

【図４】上記実施例における製造工程の第１ステップを
示す図である。

【図５】上記実施例における製造工程の第２ステップを
示す図である。

【図６】上記実施例における製造工程の第３ステップを
示す図である。

【図７】上記実施例における製造工程の第４ステップを
示す図である。

【図８】上記実施例における製造工程の第５ステップを
示す図である。

【図９】上記実施例における製造工程の第６ステップを
示す図である。

【図１０】この考案の第２の実施例を示す要部構成説明
図である。

【図１１】同じく上記第２の実施例を示す要部構成説明
図である。

【図１２】同じく上記第２の実施例を示す分解構成説明
図である。

【図１３】この考案の第３の実施例を示す分解構成説明
図である。

【図１４】同じく上記第３の実施例を示す要部構成説明
図である。

【図１５】同じく上記第３の実施例を示す要部構成説明
図である。

【図１６】この考案の発光部のフィラメント上に設けた
熱電対薄膜からの出力を利用して、設定温度（例えば、
フィラメント温度が８００℃）に安定するよう印加され
るフィラメント印加電流Ｉを示す図である。

【図１７】この考案の発光部のフィラメント上に設けた
熱電対薄膜からの出力を利用して、設定温度（例えば、
フィラメント温度が８００℃）に安定するよう印加され
るフィラメント印加電流Ｉを繰り返し点灯させた際のフ
ィラメント温度を示す図である。

【図１８】上記図１６相当図である。

【図１９】上記図１７相当図である。

【図２０】この考案の制御信号を示す図である。

【図２１】この考案の制御信号に応答する光源の赤外放
射量を示す図である。

【図２２】上記第３の実施例における製造工程の第１ス
テップを示す図である。

【図２３】上記第３の実施例における製造工程の第２ス
テップを示す図である。

【図２４】上記第３の実施例における製造工程の第３ス
テップを示す図である。

【図２５】上記第３の実施例における製造工程の第４ス
テップを示す図である。

【図２６】従来の光源の赤外放射量を示す図である。

【図２７】従来例を示す分解構成説明図である。

【符号の説明】

１１…ｎ−Ｓｉ基板、１２，１２…一対のフィラメント
印加用電極、１３…赤外透過窓、２０…発光部、１…金
属ステム、２２…金属キャップ、Ｆ…ｐ⁺ −Ｓｉ薄膜の
フィラメント、Ｃ…発光部を構成する赤外光源チップ、
Ｈ…熱分離空間。

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光部、この発光部を載置する金属ステ
   ムおよび前記発光部を封止するとともに、この発光部で
   発光した赤外光が透過しうる赤外透過窓を有する金属キ
   ャップとを備え、更に、前記発光部が、中央部に熱分離
   空間を有する導電型のＳｉ基板と、このＳｉ基板上に前
   記熱分離空間を跨いで形成された、ｐ型のＳｉでキャリ
   ヤの濃度が大きいもので構成される架橋構造のｐ⁺ −Ｓ
   ｉ薄膜のフィラメントと、このフィラメントの両端に前
   記熱分離空間を介して設けられた一対のフィラメント印
   加用電極とからなるマイクロ化した赤外線分析計用赤外
   光源。
2. 【請求項２】 Ｓｉ基板はその導電型がｎ型であるｎ−
   Ｓｉ基板であり、フィラメントはキャリヤとしてボロン
   イオンを高濃度に添加してなるｐ⁺ −Ｓｉ薄膜である請
   求項１に記載のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光
   源。
3. 【請求項３】 Ｓｉ基板は、中央部に形成された熱分離
   空間の周囲に、フィラメントの両端に配設された一対の
   フィラメント印加用電極位置よりもさらに高い位置にま
   で形成され、それによって、フィラメントで発光した赤
   外光を赤外透過窓に導きうる赤外光反射壁を有する請求
   項１に記載のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源。
4. 【請求項４】 赤外光反射壁は、その壁面にアルミニウ
   ム又は金等の赤外光を反射しうる金属薄膜を有する請求
   項３に記載のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源。
5. 【請求項５】 フィラメントの薄膜は、その上に積層さ
   れるフィラメント保護膜を介してこのフィラメント保護
   膜上に、フィラメントの発熱面の温度を一定に保つため
   の薄膜の温度センサを有する請求項１に記載のマイクロ
   化した赤外線分析計用赤外光源。
6. 【請求項６】 温度センサが、銅−コンスタンタンある
   いはクロメル−アルメル等の２層薄膜からなる熱電対で
   ある請求項５に記載のマイクロ化した赤外線分析計用赤
   外光源。
7. 【請求項７】 熱分離空間が、その周囲のＳｉ層を異方
   性エッチングにより除去することにより形成される請求
   項１に記載のマイクロ化した赤外線分析計用赤外光源。