TWI426259B - 紅外線式氣體檢測器及紅外線式氣體量測裝置 - Google Patents

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Description

紅外線式氣體檢測器及紅外線式氣體量測裝置
本發明係關於紅外線式氣體檢測器及紅外線式氣體量測裝置。
先前已知有一種紅外線式氣體量測裝置，其利用由氣體吸收特定波長之紅外線之方法，進行氣體之量測。紅外線式氣體量測裝置，藉由量測吸收波長之紅外線(紅外光)的吸光度，來量測測定氣體的濃度，其中上述吸收波長係對應量測氣體的分子構造而被決定(參照日本特開平7-72078號公報、特開平3-205521號公報、特開平10-281866號公報)。
記載於特開平7-72078號公報之紅外線式氣體偵測器，具備：濾光片，其使規定波長之紅外線透射；及熱電型光偵測器，其檢測透射過濾光片之紅外線。濾光片，係直接被形成於熱電型光偵測器上。因此，其熱容量會變大，並且難以確保熱絕緣性，造成響應性降低。
記載於特開平3-205521號公報之紅外線檢測器，具備由殼體與底座所構成之封裝外殼。在封裝外殼中，收納著收容紅外線檢測元件之支架。在殼體上，形成了用來使紅外線入射至紅外線檢測元件之開口部。開口部，係由藍寶石等透射紅外線之窗材所封閉。在支架上，光學濾光片被裝設在位於紅外線檢測元件的前方。光學濾光片，係具有基板。此基板的一表面上，形成了使規定之波長帶域之紅外線透射之帶通面(透射濾光片)；基板的另一表面上，形成了將上述規定之波長帶域以外之紅外線除去之短長截斷面(遮斷濾光片)。透射濾光片及遮斷濾光片，係為積層Ge膜與SiO膜之多層膜。SiO膜，具有將波長比透射過透射濾光片之紅外線波長帶域(亦即透射帶域)更長之帶域的紅外線吸收之特性。因此，具有透射濾光片或遮斷濾光片本身的溫度上昇，而放射出吸收波長帶域之紅外線的風險。在此，若光學濾光片及紅外線檢測元件中產生溫度分布，便會在起因於光學濾光片的遠紅外線吸收之長波長紅外線放射強度，與紅外線檢測元件的紅外線受光強度之間產生差距，因而會有產生起因於溫度分布之輸出的風險。
本發明係鑑於上述事由而開發出來。本發明之目的，係提供一種可低成本化及高靈敏度化之紅外線式氣體檢測器及紅外線式氣體量測裝置。
本發明之紅外線式氣體檢測器，具備：紅外線受光部、收納上述紅外線受光部之封裝外殼、及光學濾光片。上述紅外線受光部，具有複數個熱型紅外線檢測元件，其利用熱能來檢測紅外線。上述複數個熱型紅外線檢測元件，係被並排著配置。上述封裝外殼，具有窗孔，其用來使紅外線入射至上述紅外線受光部。上述光學濾光片，具有複數個濾光片要素部，其以封閉上述窗孔之方式而接合於上述封裝外殼，且分別對應於上述複數個熱型紅外線檢測元件。上述各濾光片要素部，具備：濾光片基板，其由使紅外線透射之材料所形成；透射濾光片，其被構成為選擇性地使規定之選擇波長之紅外線透射；及遮斷濾光片，其被構成為將波長比上述透射濾光片的上述選擇波長更長之紅外線加以吸收。上述透射濾光片和上述遮斷濾光片，分別被形成於上述濾光片基板上。上述濾光片基板，係熱性結合於上述封裝外殼。上述各濾光片要素部，其上述透射濾光片的上述選擇波長彼此相異。
較佳之形態中，上述紅外線受光部，具有一對上述熱型紅外線檢測元件。上述熱型紅外線檢測元件，係為熱電元件或熱電堆。上述一對熱型紅外線檢測元件，以反向串聯或反向並聯之方式相連接。
更佳之形態中，具備放大上述紅外線受光部的輸出之放大電路。上述放大電路，係被收納於上述封裝外殼中。
另一較佳之形態中，紅外線式氣體檢測器，具備放大電路。上述紅外線受光部，具有一對上述熱型紅外線檢測元件。上述熱型紅外線檢測元件，係為熱電元件或熱電堆。上述放大電路，係為差動放大電路，其將上述一對熱型紅外線檢測元件的各輸出之差值放大。
另一較佳之形態中，上述濾光片基板，係由矽(Si)基板或者鍺(Ge)基板所形成。
更佳之形態中，上述封裝外殼，具備金屬製之屏蔽部，其防止電磁波進入上述封裝外殼的內部。上述濾光片基板，係電性連接於上述屏蔽部。
另一較佳之形態中，上述濾光片基板，具有朝向上述封裝外殼的內側之第一表面與朝向上述封裝外殼的外側之第二表面。上述透射濾光片，被形成於上述濾光片基板的上述第一表面。上述遮斷濾光片，被形成於上述濾光片基板的上述第二表面。
另一較佳之形態中，上述各濾光片要素部的上述濾光片基板，係互相為一體成形。
另一較佳之形態中，上述透射濾光片，具備第一λ/4多層膜、第二λ/4多層膜、及介於上述第一λ/4多層膜與上述第二λ/4多層膜間之波長選擇層。上述第一λ/4多層膜和上述第二λ/4多層膜，係各自積層折射率相異且光學膜厚度相等之複數種薄膜而形成。上述波長選擇層的光學膜厚度，係對應上述透射濾光片的上述選擇波長，而設定成與上述薄膜的光學膜厚度相異之大小。上述遮斷濾光片，係積層折射率相異之複數種薄膜而形成之多層膜。上述複數種薄膜中的至少一種，係由吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料所形成。
本發明之紅外線式氣體量測裝置，係具備：紅外光源，其放射紅外線至規定之空間；及紅外線式氣體檢測器，其接收通過上述規定之空間後之紅外線。上述紅外線式氣體檢測器，具備：紅外線受光部、收納上述紅外線受光部之封裝外殼、及光學濾光片。上述紅外線受光部，具有複數個熱型紅外線檢測元件，其利用熱能來檢測紅外線。上述複數個熱型紅外線檢測元件，係被並排著配置。上述封裝外殼，具有窗孔，其用來使紅外線入射至上述紅外線受光部。上述光學濾光片，具有複數個濾光片要素部，其以封閉上述窗孔之方式而接合於上述封裝外殼，且各自對應於上述複數個熱型紅外線檢測元件。上述各濾光片要素部，具備：濾光片基板，其由使紅外線透射之材料所形成；透射濾光片，其被構成為選擇性地使規定之選擇波長之紅外線透射；及遮斷濾光片，其被構成為將波長比上述透射濾光片的上述選擇波長更長之紅外線吸收。上述透射濾光片和上述遮斷濾光片，分別被形成於上述濾光片基板上。上述濾光片基板，係熱性結合於上記封裝外殼。上述各濾光片要素部，其上述透射濾光片的上述選擇波長彼此相異。
較佳之形態中，具備驅動電路，其驅動上述紅外光源，使上述紅外光源間歇性地放射紅外線。
更佳之形態中，上述紅外光源，具備：基板、被形成於上述基板上之保持層、被積層於上述保持層上之紅外線放射層、以及介於上述基板與上述保持層間之氣體層。上述紅外線放射層，被構成為藉由伴隨通電所產生之熱能而放射紅外線。上述氣體層，被構成為下述形態：當上述紅外線放射層被通電時，抑制上述保持層的溫度下降；當上述紅外線放射層未通電時，促進從上述保持層至上述基板之熱傳導。
更佳之形態中，當給予上述紅外線放射層之電壓為頻率f[Hz]之正弦波電壓，上述氣體層的導熱率為αg [W/mK]，且上述氣體層的體積熱容量為Cg[J/m3 K]時，上述氣體層的厚度Lg被設定為滿足以下之關係：0.05×Lg’<Lg<3×Lg’(其中，Lg’=(2αg/ωCg)1/2 ，ω=2πf)。
更佳之形態中，上述保持層，其導熱率低於上述基板。上述保持層，被構成為下述形態：根據吸收在被通電的上述紅外線放射層上所產生之熱能、或者反射從上述紅外線放射層放射出之紅外線，而產生從上述保持層朝向上述紅外線放射層之紅外線。上述紅外線放射層，被構成為使上述保持層產生之紅外線透射。
[實施形態1]
本實施形態之紅外線式氣體檢測器(紅外線受光單元)，如第1圖及第2圖所示，係具備：電路方塊6，在其上設有信號處理電路，該電路對具有複數(在此為兩個)熱電元件41 、42 之紅外線受光元件(紅外線受光部)40及紅外線受光元件40的輸出進行信號處理；封裝外殼7，其由收納電路方塊6之金屬外殼所構成。此外，本實施形態中，熱電元件41 、42 ，係為利用熱能來檢測紅外線之熱型紅外線檢測元件。
封裝外殼7，係由金屬製之底座71與金屬製之上蓋72所構成。在底座71中，電路方塊6透過由絕緣材料構成之分隔器9而裝設於其上。上蓋72，係覆蓋電路方塊6地固定於底座71。在底座71中，以貫穿底座71之形態設有複數根(在此為三根)端子接腳75，該等接腳係電性連接於電路方塊6的適當部位。底座71，係形成為圓盤狀，而上蓋72，形成為後方開放之有底圓筒狀的形狀。上蓋72的後方，係由底座71所封閉。此外，分隔器9，係使用黏膠而固定於電路方塊6及底座71上。
上蓋72，係構成封裝外殼7的一部分。上蓋72，具有位於紅外線受光元件40的前方之前壁。在上蓋72的前壁上，形成了矩形(在本實施形態中為正方形)之窗孔7a。窗孔7a，係用來使紅外線入射至紅外線受光元件40。在上蓋72的內側，紅外線光學濾光片(光學濾光片)20以覆蓋住窗孔7a之方式裝設於其上。亦即，光學濾光片20，係位於紅外線受光元件40的前方，以封閉住封裝外殼7的窗孔7a之形態接合於封裝外殼7上。
又，在底座71上，朝其厚度方向貫穿設置了複數端子用孔71b，其用來讓上述之各端子接腳75個別插入並貫穿。各端子接腳75，使用封口部74，以插入並貫穿端子用孔71b之形態而封接於底座71上。
上蓋72及底座71係由鋼板所形成。藉由將從上蓋72的後端邊緣向外側延伸設置之外鍔部72c，焊接至被形成於底座周邊之凸緣部71c，而將上蓋72封接於底座71。
電路方塊6，係由第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、第二電路基板67所構成。第一電路基板62，係為印刷電路板(例如複合銅張積層板等)，在其不同表面上，裝設了上述信號處理電路的構成要素，亦即積體電路63及晶片狀電子零件64。樹脂層65，係被積層於第一電路基板62中電子零件64的裝設面上。屏蔽板66，具有由玻璃環氧等構成之絕緣性基材，與由形成於絕緣性基材的表面之金屬材料(例如銅等)所構成之金屬層(以下稱為屏蔽層)。屏蔽板66，被積層於樹脂層65上。第二電路基板67，係為印刷電路板(例如複合銅張積層板)。在第二電路基板67上，裝設著紅外線受光元件40。第二電路基板67，被積層於屏蔽板66上。此外，亦可僅用銅箔或金屬板來形成屏蔽層，以代替屏蔽板66。
積體電路63，係倒裝(flip chip)於第一電路基板62的第一表面(第2圖中之下表面)上。複數電子零件64，係以焊錫回流之方式裝設於第一電路基板62的第二表面(第2圖中之上表面)上。
紅外線受光元件40，係具有彼此帶有不同極性之一對熱電元件41 、42 ，與由熱電材料(例如鉭酸鋰(Lithium Tantalate，LiTaO3 )等)所構成之熱電元件形成用基板41。一對熱電元件41 、42 ，係被並排著配置於熱電元件形成用基板41上。紅外線受光元件40，係為雙元件，其為了能夠獲得兩個熱電元件41 、42 的差動輸出，而將兩個熱電元件41 、42 以反向串聯的形式相連接(參照第3圖(b))。
積體電路63，係具有放大紅外線受光元件40的特定頻率帶(例如0.1~10Hz程度)輸出之放大電路(帶通放大器)63a(參照第18圖)，或該放大電路63a後段的窗形比較器等。
本實施形態之電路方塊6，因為具備屏蔽板66，故可防止起因於紅外線受光元件40與上述放大電路間的電容耦合等之振盪現象的發生。又，紅外線受光元件40，被構成為能夠獲得一對熱電元件41 、42 的差動輸出即可。因此，一對熱電元件41 、42 ，例如亦可如第3圖(c)所示地以反向並聯的形式相連接。
在第二電路基板67上，朝其厚度方向貫穿設置了熱絕緣用孔67a，其係用來在熱電元件41 、42 與第二電路基板67間作熱絕緣。因此，在熱電元件41 、42 與屏蔽板66間形成空隙，而提高了靈敏度。此外，亦可以在熱電元件41 、42 與第二電路基板67間形成空隙之形態，設置支撐紅外線受光元件40之支撐部於第二電路基板67上，來取代貫穿設置熱絕緣用孔67a於第二電路基板67上之作法。
在第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、及第二電路基板67上，各朝其厚度方向貫穿設置了讓端子接腳75插穿之通過孔62b、65b、66b、67b。紅外線受光元件40與上述信號處理電路，係經由端子接腳75而被電性連接。此外，若將第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、及第二電路基板67積層之後再朝電路方塊6的厚度方向形成貫穿之貫穿孔，便可經由一次開孔加工來形成通過孔62b、65b、66b、67b。若採用這種零件內藏基板製程，便可謀求製程的簡略化，並讓電路方塊6內的電性連接變得容易。
三根端子接腳75中，一根為供電用之端子接腳75(75a)，另一根為信號輸出用之端子接腳75(75b)，剩下的一根為接地用之端子接腳75(75c)。屏蔽板66的屏蔽層係電性連接於接地用之端子接腳75c。在此，將端子接腳75a、75b封接於底座71之封口部74、74(74a、74b)，係由具有絕緣性之封接用玻璃所形成。將端子接腳75c封接於底座71之封口部74(74c)，係由金屬材料所形成。亦即，相對於端子接腳75a、75b與底座71間為電性絕緣，端子接腳75c與底座71係處於等電位。於是，屏蔽板66的電位被設定為接地電位。此外，屏蔽板66的電位，亦可為接地電位以外之電位，只要該電位為能夠行使屏蔽功能之特定電位。此外，本實施形態中，上蓋72與底座71構成遮斷來自外部的電磁波之屏蔽部。亦即，在本實施形態中，封裝外殼7，係具備防止電磁波進入封裝外殼7內部之金屬製屏蔽部。
製造本實施形態之紅外線式氣體檢測器時，首先將搭載紅外線受光元件40之電路方塊6經由分隔器9而裝設於底座71上。然後，將上蓋72的外鍔部72c焊接於底座71的凸緣部71c，將封裝外殼7的內部封口，其中紅外線光學濾光片20係以封閉窗孔7a之形態固定於上蓋72。在此為了防止因溼度等之影響造成紅外線受光元件40的特性變化，而於封裝外殼7內封入乾燥氮氣。此外，本實施形態之封裝外殼7，因其為金屬外殼，故可提高對外來雜訊之屏蔽效果，又，因為可改善其氣密性，故可改善耐氣候性。但是，封裝外殼7，亦可為設置了屏蔽層，因而具有屏蔽效果之陶瓷外殼，其中該屏蔽層作為屏蔽部而由金屬層所構成。
光學濾光片20，係具有濾光片本體部20a與凸緣部20b。濾光片本體部20a，具備濾光片形成用基板(濾光片基板)1、窄帶域透射濾光片部(透射濾光片)2(21 、22 )、寬帶域遮斷濾光片部(遮斷濾光片)3。凸緣部20b，係從濾光片本體部20的邊緣(濾光片基板1的邊緣)向外側延伸設置。凸緣部20b，利用接合部58固定於上蓋72中的窗孔7a的邊緣。藉此，濾光片基板1，係與封裝外殼7作熱結合。此外，為了使光學濾光片與封裝外殼7效果更好地作熱結合，在接合部58上，使用了導熱性較高之黏膠，例如銀糊(含有金屬性填充劑之環氧樹脂)或焊錫糊等。濾光片部20a的平面視覺形狀，係為矩形(本實施形態中為正方形)，且凸緣部20b的外緣形狀，係為矩形(本實施形態中為正方形)。此外，在本實施形態中，雖然將濾光片本體部20a的平面形狀製成數mm平方之正方形，但濾光片本體部20a的平面形狀或長度並無特別限制。
光學濾光片20(濾光片本體部20a)，係如第4圖所示，具備：濾光片基板1，其由紅外線透射材料(例如Si等)形成；一對透射濾光片21 、22 ，其被構成為選擇性地讓規定選擇波長之紅外線透射；遮斷濾光片3，其被構成為吸收波長比任一透射濾光片21 、22 的選擇波長更長之紅外線。透射濾光片21 、22 及遮斷濾光片3，各自被形成於濾光片基板1上。一對透射濾光片21 、22 ，係以各自對應各熱電元件41 、42 之方式而被形成於濾光片基板1的第一表面(第4圖中之上表面)上。一對透射濾光片21 、22 ，彼此具有不同的選擇波長。遮斷濾光片3，係被形成於濾光片基板1的第二表面(第4圖中之下表面)。遮斷濾光片3，吸收波長比由各透射濾光片21 、22 所設定之紅外線的反射帶域更長之紅外線。也就是指，遮斷濾光片3，係吸收超過特定波長之紅外線，其中該特定波長之波長比各透射濾光片21 、22 的選擇波長更長。此外，在本實施形態中，由以下各者構成一濾光片要素部：一透射濾光片部21 、濾光片基板1中與透射濾光片部21 重疊之部位、遮斷濾光片3中與透射濾光片部21 重疊之部位；又，以下各者構成另一濾光片要素部：另一透射濾光片部22 、濾光片基板1中與透射濾光片部22 重疊之部位、遮斷濾光片3中與透射濾光片部22 重疊之部位。亦即，在本實施形態中，複數個濾光片要素部共用濾光片形成用基板1。換句話說，各濾光片要素部的濾光片基板1，係互相為一體成形。
透射濾光片21 ，係具備：第一λ/4多層膜(第一多層膜)21、第二λ/4多層膜(第二多層膜)22、介於第一多層膜21與第二多層膜22間之波長選擇層23(231 )。透射濾光片22 ，係具備：第一λ/4多層膜(第一多層膜)21、第二λ/4多層膜(第二多層膜)22、介於第一多層膜21與第二多層膜22間之波長選擇層23(232 )。第一多層膜21及第二多層膜22，各由折射率不同且光學膜厚度相等之複數種(在此為兩種)薄膜21b、21a交互積層而形成。第一多層膜21，被形成於濾光片基板1的第一表面上。第二多層膜22，被形成於第一多層膜21上。亦即，第二多層膜22，對第一多層膜21而言，係形成於與濾光片基板1所在之該側相反之一側。波長選擇層231 、232 的光學膜厚度，係對應於透射濾光片21 、22 的選擇波長，而被設定成與薄膜21a、21b的光學膜厚度不同之大小。此外，各薄膜21a、21b的光學膜厚度的偏差容許範圍為±1%之程度，而物理膜厚度的偏差容許範圍亦對應該光學膜厚度的偏差而決定。
薄膜21b，係為折射率小於薄膜21a之低折射率層。薄膜21b的材料(低折射率材料)，係為吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料的一種：Al2 O3 。薄膜21a，係為折射率大於薄膜21b之高折射率層。薄膜21a的材料(高折射率材料)，係為Ge。波長選擇層231 的材料，與波長選擇層231 正下方之第一多層膜21中，從上數來第二層之薄膜21b的材料相同。波長選擇層232 的材料，與波長選擇層232 正下方之第一多層膜21中，從上數來第二層之薄膜21a的材料相同。第二多層膜22中與濾光片基板1相距最遠之薄膜21b、21b，係由上述之低折射率材料所形成。在此，作為遠紅外線吸收材料，不一定要使用Al2 O3 ，亦可採用Al2 O3 以外之氧化物：SiO2 或Ta2 O5 。因為SiO2 的折射率小於Al2 O3 ，故可加大高折射率材料與低折射率材料間的折射率差。
另外，作為具有在住宅內等處產生之可能性之各種氣體，例如有CH4 (甲烷)、SO3 (三氧化硫)、CO2 (二氧化碳)、CO(一氧化碳)、或NO(一氧化氮)。用於檢測(偵測)氣體之特定波長(吸收波長)，根據氣體的種類而定。例如，CH4 (甲烷)的特定波長為3.3μm、SO3 (三氧化硫)的特定波長為4.0μm、CO2 (二氧化碳)的特定波長為4.3μm、CO(一氧化碳)的特定波長為4.7μm、而NO(一氧化氮)的特定波長為5.3μm。為了選擇性地檢測此處所列舉出之所有特定波長，必須對3.1μm~5.5μm程度的紅外區域具有反射帶域。又，必需要有2.4μm以上之反射帶域寬度Δλ。此外，反射帶域，若將設定波長寫作λ0 (該波長相當於與各薄膜21a、21b共通之光學膜厚度的四倍)，則如第5圖所示，在將波數(即入射光波長的倒數)作為橫軸，透射率作為縱軸之透射頻譜圖中，以1/λ0 為中心呈現對稱形狀。
在本實施形態中，係將第一多層膜21及第二多層膜22的設定波長λ0 設為4.0μm，如此一來根據適當地設定波長選擇層231 、232 的各光學膜厚度，便可檢測上述之各種氣體。又，若將高折射率材料的折射率寫作nH ，則薄膜21a的物理膜厚度為λ0 /4nH 。若將低折射率材料的折射率寫作nL ，則薄膜21b的物理膜厚度為λ0 /4nL 。具體而言，當高折射率材料為Ge時，因nH =4.0，故薄膜21a的物理膜厚度為250nm。當低折射率材料為Al2 O3 時，因nL =1.7，故薄膜21b的物理膜厚度為588nm。
第6圖係表示透射頻譜的模擬結果。在模擬中，分別作了以下假設：濾光片基板1為Si基板；由薄膜21b與薄膜21a交互積層而成之λ/4多層膜(折射率週期構造)的積層數為21；各薄膜21a、21b中無吸收(也就是指，各薄膜21a、21b的消光係數為0)。又，設定波長λ0 為4μm。
第6圖中，橫軸表示入射光(紅外線)的波長，縱軸表示透射率。第6圖中的S10表示高折射率材料為Ge(nH =4.0)，低折射率材料為Al2 O3 (nL =1.7)時之透射頻譜。第6圖中的S11表示高折射率材料為Ge(nH =4.0)，低折射率材料為SiO2 (nL =1.5)時之透射頻譜。第6圖中的S12表示高折射率材料為Ge(nH =4.0)，低折射率材料為ZnS(nL =2.3)時之透射頻譜。
第7圖係表示將高折射率材料固定為Ge，而改變低折射率材料的折射率時，λ/4多層膜(折射率週期構造)的反射帶域寬度Δλ之模擬結果。此外，第6圖中的S10、S11、S12，係分別對應第7圖中的S10、S11、S12各點。
從第6圖及第7圖，可得知：反射帶域寬度Δλ會隨著高折射率材料與低折射率材料間的折射率差變大而增大。又，可得知：當高折射率材料為Ge時，藉由採用Al2 O3 或SiO2 來作為低折射率材料，可確保至少3.1μm~5.5μm的紅外區域的反射帶域，並使反射帶域寬度Δλ在2.4μm以上。
第9圖及第10圖係表示使用第8圖所示之構成來進行之透射頻譜的模擬結果。在第8圖所示之構成中，第一多層膜21的積層數為4，而第二多層膜22的積層數為6。又，薄膜21a的高折射率材料為Ge，薄膜21b的低折射率材料為Al2 O3 ，而波長選擇層23的材料為低折射率材料之Al2 O3 。在此模擬中，使波長選擇層23的光學膜厚度在0nm~1600nm之範圍中變化。第8圖中的箭頭A1表示入射光，箭頭A2表示透射光，而箭頭A3表示反射光。又，若將波長選擇層23的材料的折射率寫作n，該波長選擇層23的物理膜厚度寫作d，則該波長選擇層23的光學膜厚度係為折射率n與物理膜厚度d之積，也就是以nd之形式被求得。此外，此模擬中亦假設各薄膜21a、21b中無吸收(也就是指，各薄膜21a、21b的消光係數為0)。又，將設定波長λ0 設為4μm，薄膜21a的物理膜厚度設為250nm，而薄膜21b的物理膜厚度設為588nm。
從第9圖及第10圖，可得知：根據第一多層膜21及第二多層膜22，在3μm~6μm的紅外區域中會形成反射帶域。又，可得知：根據適當地設定波長選擇層23的光學膜厚度nd，在3μm~6μm的反射帶域中會局部地存在窄帶域之透射帶域。具體而言，可得知：根據使波長選擇層23的光學膜厚度nd在0nm~1600nm之範圍中變化，可使透射峰值波長在3.1μm~5.5μm之範圍中連續地變化。更具體而言，若使波長選擇層23的光學膜厚度nd變化為1390nm、0nm、95nm、235nm、495nm，則透射峰值波長分別會成為3.3μm、4.0μm、4.3μm、4.7μm、5.3μm。
因此，不需變更第一多層膜21及第二多層膜22的設計，只要根據適當地變更波長選擇層23的光學膜厚度nd的設計，便可偵測特定波長為3.3μm之CH4 、特定波長為4.0μm之SO3 、特定波長為4.3μm之CO2 、特定波長為4.7μm之CO、與特定波長為5.3μm之NO等各種氣體，或特定波長為4.3μm之火焰。此外，光學膜厚度nd的0nm~1600nm之範圍，相當於物理膜厚度的0nm~941nm之範圍。又，當波長選擇層23的光學膜厚度nd為0nm，也就是指，第9圖中沒有波長選擇層23時，透射峰值波長之所以會為4000nm，係因為將第一多層膜21及第二多層膜22的設定波長λ0 設定為4μm(4000nm)所致。根據適當地改變第一多層膜21及第二多層膜22的設定波長λ0 ，可改變當沒有波長選擇層23時之透射峰值波長。
上述實例中，作為低折射率材料，採用了遠紅外線吸收材料Al2 O3 ，其可吸收波長比由第一多層膜21及第二多層膜22所設定之紅外線的反射帶域(也就是指，由透射濾光片21 、22 所設定之紅外線的反射帶域)更長之紅外線。作為遠紅外線吸收材料，檢討過五種：MgF2 、Al2 O3 、SiOx 、Ta2 O5 、SiNx 。第11圖係表示MgF2 膜、Al2 O3 膜、SiOx 膜、Ta2 O5 膜、SiNx 膜各自的透射頻譜之測量結果。在此，MgF2 膜、Al2 O3 膜、SiOx 膜、Ta2 O5 膜、SiNx 膜的膜厚度各為1μm。下述之表1係表示MgF2 膜、Al2 O3 膜、SiOx 膜、Ta2 O5 膜、SiNx 膜中的各膜成膜於Si基板上時之成膜條件。作為MgF2 膜、Al2 O3 膜、SiOx 膜、Ta2 O5 膜、SiNx 膜的成膜裝置，係使用離子束輔助(ion-beam assisted)蒸鍍裝置。
表1中的「IB條件」，係表示用離子束輔助蒸鍍裝置成膜時之離子束輔助條件。「無IB」意指不照射離子束，「氧IB」意指照射氧離子束，而「ArIB」意指照射氬離子束。又，第11圖中，橫軸表示波長，縱軸表示透射率。第11圖中的各曲線表示各膜的透射頻譜，其中的對應關係為：S20表示Al2 O3 膜、S21表示Ta2 O5 膜、S22表示SiOx 膜、S23表示SiNx 膜、S24表示MgF2 膜。
又，對於上述之MgF2 膜、Al2 O3 膜、SiOx 膜、Ta2 O5 膜、SiNx 膜，以「光學特性：吸收」、「折射率」、「成膜容易性」作為評價項目，而檢討過之結果表示於下述表2。
對於「光學特性：吸收」之評價項目，係根據第11圖的透射頻譜所算出之6μm以上之遠紅外線的吸收率來進行評價。表2中，對於各評價項目，從評價較高之等級至較低之等級，依序記載為「◎(非常好)」、「○(好)」、「Δ(平均)」、「╳(差)」。對於「光學特性：吸收」之評價項目，遠紅外線的吸收率越高則評價之等級越高，遠紅外線的吸收率越低則評價之等級越低。對於「折射率」之評價項目，從增大與高折射率材料間的折射率差之觀點來看，折射率越低則評價越高，折射率越高則評價越低。對於「成膜容易性」之評價項目，使用蒸鍍法或濺鍍法，越容易得到緻密之膜則評價越高，越不易得到緻密之膜則評價越低。不過，對於各評價項目，係為將SiOx 作為SiO2 、SiNx 作為Si3 N4 而進行評價之結果。
根據表2，可作出以下之結論：關於MgF2 、Al2 O3 、SiOx 、Ta2 O5 、SiNx 這五種材料，其對於「成膜容易性」之評價項目無太大差異，而著眼於「光學特性：吸收」及「折射率」之評價項目的結果，作為遠紅外線吸收材料，較佳者係採用Al2 O3 、SiOx 、Ta2 O5 、SiNx 中任一者。在此，作為遠紅外線吸收材料而採用Al2 O3 或Ta2 O5 的情況，與遠紅外線吸收材料為SiOx 或SiNx 的情況相比，可改善遠紅外線的吸收性。不過，從增大與高折射率材料間的折射率差之觀點來看，Al2 O3 比Ta2 O5 更佳。又，作為遠紅外線吸收材料而採用SiNx 的情況中，可提高由遠紅外線吸收材料所形成之薄膜21b的耐溼性。又，若作為遠紅外線吸收材料而採用SiOx ，則可增大與高折射率材料間的折射率差，而謀求第一λ/4多層膜21及第二λ/4多層膜22的積層數之減低。
以下，參照第12圖說明透射濾光片21 、22 的製造方法。
首先，進行第一多層膜形成製程。第一多層膜形成製程中，係在由Si基板所構成之濾光片基板1的整個第一表面上形成第一多層膜21，該形成過程係將由低折射率材料亦即Al2 O3 所構成，具有規定之物理膜厚度(在此為588nm)的薄膜21b，與由高折射率材料亦即Ge所構成，具有規定之物理膜厚度(在此為250nm)的薄膜21a交互積層而成。此第一多層膜形成製程之後，進行波長選擇層形成製程。波長選擇層形成製程中，係在第一多層膜21的整個表面上將波長選擇層231 成膜，該波長選擇層231 係由與第一多層膜21中從上數來位於第二層之薄膜21b相同的材料(在此為低折射率材料Al2 O3 )所構成，且其光學膜厚度對應於一透射濾光片21 的選擇波長而被設定。藉此，得到如第12(a)圖所示之構造。此外，作為各薄膜21b、21a及波長選擇層231 的成膜方法，例如可採用蒸鍍法或濺鍍法等。此時，可連續地將兩種薄膜21b、21a成膜。當低折射率材料為如同上述之Al2 O3 時，較佳者係採用離子束輔助蒸鍍法，在薄膜21b成膜時照射氧離子束而提高薄膜21b的緻密性。又，作為低折射率材料，亦可採用Al2 O3 以外之遠紅外線吸收材料：SiOx 、Ta2 O5 、SiNx 。不論採用何者，由遠紅外線吸收材料所構成之薄膜21b的成膜時，均以採用離子束輔助蒸鍍法為佳。此時，可精密地控制由低折射率材料所構成之薄膜21b的化學組成，並提高薄膜21b的緻密性。
在波長選擇層形成製程之後，進行阻抗層形成製程。阻抗層形成製程中，係利用光刻(photolithography)技術，形成僅覆蓋與透射濾光片21 對應之部位的阻抗層31。藉此，得到如第12(b)圖所示之構造。
之後，進行波長選擇層圖案成形製程。波長選擇層圖案成形製程中，係將阻抗層31作為遮罩，並將第一多層膜21的最上面一層薄膜21a作為蝕刻阻止層，而選擇性地蝕刻掉波長選擇層231 的不需要部分。藉此，得到如第12(c)圖所示之構造。在此，波長選擇層圖案成形製程中，若如前文所述，低折射率材料為氧化物(Al2 O3 )，高折射率材料為半導體材料(Ge)，則藉由採用以氟酸系溶液用作蝕刻液之溼蝕刻，比起採用乾蝕刻的情況，可進行蝕刻選擇比較高之蝕刻。這是因為，Al2 O3 或SiO2 之類的氧化物容易溶解於氟酸系溶液中，但相對地Ge非常不容易溶於氟酸系溶液。舉一實例，若使用由作為氟酸系溶液之氟酸(HF)與純水(H2 O)的混合液所構成之稀氟酸(例如氟酸濃度為2%之稀氟酸)來進行溼蝕刻，則Al2 O3 的蝕刻速率約為300nm/min，而Al2 O3 與Ge間的蝕刻速率比約為500：1。因此，可進行蝕刻選擇比較高之蝕刻。
在波長選擇層圖案成形製程之後，進行阻抗層除去製程。阻抗層除去製程中，藉由除去阻抗層31，得到第12(d)圖所示之構造。
在阻抗層除去製程之後，進行第二多層膜形成製程。第二多層膜形成製程中，係在波長選擇層23的整個表面上形成第二多層膜22，該形成過程係將由高折射率材料亦即Ge所構成，具有規定之物理膜厚度(250nm)的薄膜21a，與由低折射率材料亦即Al2 O3 所構成，具有規定之物理膜厚度(588nm)的薄膜21b交互積層而成。藉此，得到第12(e)圖所示之構造。在此，藉由進行第二多層膜形成製程，在與透射濾光片22 對應之領域中，直接將第二多層膜22的最下層薄膜21a積層於第一多層膜21的最上層薄膜21a上。藉此，第一多層膜21的最上層薄膜21a與第二多層膜22的最下層薄膜21a構成了透射濾光片22 的波長選擇層232 。此透射濾光片22 的透射頻譜，相當於第10圖的模擬結果中，光學膜厚度nd為0nm之情況。此外，作為各薄膜21a、21b的成膜方法，例如若採用蒸鍍法或濺鍍法，則可連續地將兩種薄膜21a、21b成膜。當低折射率材料為Al2 O3 時，較佳者係採用離子束輔助蒸鍍法，在薄膜21b成膜時照射氧離子束，來提高薄膜21b的緻密性。
亦即，透射濾光片21 、22 的製造，係在濾光片基板1的第一表面上，積層折射率不同且光學膜厚度相等之複數種(在此為兩種)薄膜21b、21a之基本製程的途中，進行一次波長選擇層形成製程。藉此，形成複數個透射濾光片部21 、22 。波長選擇層形成製程，包含波長選擇層形成製程與波長選擇層圖案成形製程。波長選擇層形成製程中，係將波長選擇層23i (在此i=1)成膜於基本製程的途中之積層膜(在此為第一多層膜21)上，其中該波長選擇層23i 係由與上述積層膜中從上數來第二層相同之材料所構成。此波長選擇層23i (在此i=1)的光學膜壓，係對應於複數個透射濾光片21 ，…，2m (在此m=2)中的任意一透射濾光片2i (在此i=1)的選擇波長而被設定。波長選擇層圖案成形製程中，係以上述積層膜的最上層作為蝕刻阻止層，將波長選擇層成膜製程中所成膜之波長選擇層中，除了與上述任意一透射濾光片2i 對應之部分以外的不需要部分蝕刻掉。在此，若在上述之基本製程途中，進行複數次波長選擇層形成製程，則可製造出具有更多選擇波長之光學濾光片20。因此，能夠在一晶片中實現用來偵測上述所有氣體(CH4 、SO3 、CO2 、CO、NO)之光學濾光片20。
又，上述製造方法中，係在上述基本製程的途中，將對應於各透射濾光片21 ，…，2m (在此m=2)中的任意一透射濾光片2i (在此i=1)的選擇波長而設定其光學膜厚度之薄膜，成膜於該時點已形成之積層膜(在此為第一多層膜21)上，其中該薄膜係由與上述積層膜中從上數來第二層相同之材料所構成。並將成膜於上述積層膜上之薄膜中，與上述任意一透射濾光片2i (在此i=1)對應的部分以外之部分蝕刻掉。藉此，形成一波長選擇層231 的圖案。不過，亦可形成複數個波長選擇層23的圖案。例如，當波長選擇層232 與波長選擇層231 材料相同，且其光學膜厚度被設定成小於波長選擇層231 時，亦可藉著將上述積層膜上的薄膜蝕刻到中途為止之方式，而形成兩個波長選擇層231 、232 的圖案。
又，不限於上述之製造方法，亦可根據遮罩蒸鍍，於第一多層膜形成製程與第二多層膜形成製程之間，在與各透射濾光片21 ，…，2m (在此m=2)對應之各部位上形成光學膜厚度彼此相異之波長選擇層231 ，…，23m (在此m=2)。
又，上述之製造方法中，當上述之兩種薄膜21a、21b的其中一方之薄膜21b的遠紅外線吸收材料為SiOx 或SiNx ，且另一方之薄膜21a為Si時，亦可使用將Si作為蒸發源之離子束輔助蒸鍍裝置。在此情況中，當由Si所構成之薄膜21a成膜時使其處於真空環境，由氧化物SiOx 所構成之薄膜21b成膜時照射氧離子束，而由氮化物SiNx 所構成之薄膜21b成膜時照射氮離子束即可。若如此實行，因為可使用相同蒸發源於兩種薄膜21a、21b，故不需要準備具備複數蒸發源之離子束輔助蒸鍍裝置，可謀求製造成本的低成本化。同樣地，上述之製造方法中，當上述之兩種薄膜21a、21b的其中一方之薄膜21b的遠紅外線吸收材料為SiOx 或SiNx ，且另一方之薄膜21a為Si時，亦可使用以Si為目標之濺鍍裝置。在此情況中，當由Si所構成之薄膜21a成膜時使其處於真空環境，由SiOx 所構成之薄膜21b成膜時使其處於氧氣環境，由SiNx 所構成之薄膜21b成膜時使其處於氮氣環境即可。若如此實行，因為可對兩種薄膜21a、21b使用相同目標，故不需要準備具備複數目標之濺鍍裝置，可謀求製造成本的低成本化。
例如，根據適當地設定波長選擇層231 、232 個別的光學膜厚度nd，可如第13圖所示，在一晶片上實現在3.8μm與4.3μm處具有透射峰值波長之紅外線光學濾光片20。
此外，第一多層膜21及第二多層膜22，只要具有折射率週期構造即可，其亦可為積層三種以上之薄膜者。
接著，說明遮斷濾光片3。
遮斷濾光片3，係根據積層折射率不同之複數種(在此為兩種)薄膜3a、3b而形成之多層膜。遮斷濾光片3中，作為折射率相對較低之低折射率層亦即薄膜3a的材料，採用吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料的一種：Al2 O3 ；而作為折射率相對較高之高折射率層亦即薄膜3b的材料，採用Ge。在遮斷濾光片3中，薄膜3a與薄膜3b係被交互積層，其積層數為11。不過，此積層數並無特別限制。但是，從光學特性的安定性之觀點來看，遮斷濾光片3中，較佳者係由低折射率層亦即薄膜3a來構成距離濾光片形成用基板1最遠之最上層。在此，作為遠紅外線吸收材料，並不限於Al2 O3 ，亦可採用Al2 O3 以外之氧化物：SiO2 、Ta2 O5 。因為SiO2 的折射率比Al2 O3 低，故可增大高折射率材料與低折射率材料間的折射率差。又，作為遠紅外線吸收材料，亦可採用氮化物：SiNx 。
雖然如上所述，遮斷濾光片3，其兩種薄膜3a、3b中的其中一種薄膜3a係由吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料Al2 O3 所形成，但只要複數種薄膜中的至少一種係由遠紅外線吸收材料所形成即可。例如，亦可為將作為三種薄膜之Ge膜、Al2 O3 膜與SiOx 膜，從靠近由Si基板所構成之濾光片基板1之一側開始，依序以Ge膜─Al2 O3 膜─Ge膜─SiOx 膜─Ge膜─Al2 O3 膜─Ge膜…之順序積層之多層膜。此時，三種薄膜中的兩種薄膜係由遠紅外線吸收材料所形成。
不過，上述之遮斷濾光片3，係吸收波長範圍比由透射濾光片21 、22 所設定之紅外線反射帶域更長之遠紅外線。在此，遮斷濾光片3中，雖然採用了Al2 O3 作為吸收紅外線之遠紅外線吸收材料，但與上述之透射濾光片21 、22 相同地，作為遠紅外線吸收裝置，檢討過五種材料：MgF2 、Al2 O3 、SiOx 、Ta2 O5 、SiNx 。
本案的發明者們，為了確認離子束輔助的效果，而準備了對成膜Al2 O3 膜於Si基板上時之離子束照射量作了各種變化之樣本，並根據FT-IR(傅立葉變換紅外分光)分析各樣本的Al2 O3 膜的膜質差異。第14圖係表示根據FT-IR之分析結果，其中橫軸表示波數，縱軸表示吸收率。第14圖中的S40係表示無離子束輔助時之樣本，而S41、S42、S43、S44、S45係分別表示使離子束的照射量由少至多變化之各樣本的分析結果。從此分析結果可得知：根據照射離子束，可減低起因於水分之3400cm-1 附近的吸收率。又，可得知：離子束的照射量越多，起因於水分之3400cm-1 附近的吸收率便越低。亦即，可推測出：根據離子束輔助，可改善Al2 O3 膜的膜質，提高緻密性。
又，如上所述，採用Al2 O3 或Ta2 O5 作為遠紅外線吸收材料時，比起遠紅外線吸收材料為SiOx 或SiNx 的情況，可改善遠紅外線的吸收性。
又，本案的發明人，在測量成膜1μm之Al2 O3 膜於Si基板上之參考例的透射頻譜時，得到如第15(a)圖的S50所示之實測值。又，得到實測值S50與第15(a)圖中的S51所示之計算值有偏差之見解。然後，根據柯西(Cauchy)的算式，從第15(a)圖的實測值S50算出由Al2 O3 所形成之薄膜3a的光學參數(折射率、吸收係數)。此算出之光學參數係表示於第15(b)圖。第15(b)圖所示之新光學參數中，折射率及吸收係數在800nm~20000nm之波長區域中均非定值，折射率會隨著波長增長而漸漸低下。又，在波長為7500nm~15000nm之波長區域中，吸收係數會隨著波長增長而漸漸增大。
第16圖的S60，係表示使用了上述之Al2 O3 膜的新光學參數之實施例的光學濾光片20的透射頻譜模擬結果。在此實施例的光學濾光片20中，透射濾光片21 ，係具有下述表3之積層構造，其透射峰值波長為4.4μm，而遮斷濾光片3，係具有下述表4之積層構造。又，第16圖的S61，係表示未使用上述之Al2 O3 膜的新光學參數，而將Al2 O3 膜的折射率設為定值、吸收係數固定設為0之比較例的光學濾光片20的模擬結果。此外，實施例、比較例均將Ge的折射率固定為4.0、吸收係數固定為0.0地進行模擬。
第16圖中，橫軸表示入射光(紅外線)的波長，縱軸表示透射率。在比較例的透射頻譜S61中，9000nm~20000nm之遠紅外線未被遮斷，相對地在實施例的透射頻譜S60中，9000nm~20000nm之遠紅外線也被遮斷掉。又，根據實施例，藉著積層數為29之遮斷濾光片3與積層數為11之透射濾光片21 ，可遮斷波長為800nm~20000nm之寬帶域的紅外線。結果，可僅在4.4μm附近局部地存在窄帶域之透射帶域。此外，遮斷濾光片3的透射頻譜，例如如第17圖所示。第17圖所示之實例中，4μm以下之近紅外線與5.6μm以上之遠紅外線均被遮斷。
本實施形態之光學濾光片20的製造，係首先進行遮斷濾光片形成製程，然後如上述地形成透射濾光片21 、22 即可。在遮斷濾光片形成製程中，係藉著交互積層例如由Al2 O3 膜所構成之薄膜3a與例如由Ge膜所構成之薄膜3b之方式，在由Si基板所構成之濾光片基板1的第二表面上形成遮斷濾光片3。
接著，參照第18圖而說明使用本實施形態之紅外線式氣體檢測器的紅外線式氣體量測裝置。
第18圖所示之紅外線式氣體量測裝置，係具備：紅外光源10、驅動電路11、透鏡12、腔體13、紅外線受光元件40、光學濾光片20、放大電路63a、及運算電路(未圖示出)。紅外光源10，例如為鹵素燈泡。驅動電路11，被構成來驅動紅外線光源10。透鏡12，被構成來使從紅外光源10放射之紅外線成為平行光。在腔體13上，形成了導入量測氣體(檢測對象氣體)之氣體流入路13a及排出量測氣體之氣體排出路13b。放大電路63a，被構成來放大紅外線受光元件40的輸出(一對熱電元件41 、42 的差動輸出)。運算電路，被構成來執行基於放大電路63a的輸出而求出氣體的濃度之運算。亦即，第18圖所示之構成之紅外線式氣體量測裝置，係將紅外線從紅外光源10朝向規定空間(亦即腔體13的內部空間)放射，並利用規定空間內的檢測對象氣體對紅外線之吸收，而檢測出檢測對象氣體。此紅外線式氣體量測裝置，係具備上述紅外線式氣體檢測器，其用來作為紅外線受光單元，以接收從紅外光源10放射並通過規定空間後之紅外線。此外，放大電路63a與運算電路雖然設置於上述之積體電路63中，但這些電路亦可設置於封裝外殼7的外側。
不過，當使用鹵素燈泡之類，藉由熱能放射而產生紅外線之紅外光源10時，其放射頻譜與發光二極體相比，係為頻帶非常寬之頻譜。在此，當物體為黑體時，物體溫度與放射能量間的關係如第19圖所示。因此，從物體放射之紅外線的放射能量分布，係依存於物體的溫度。此外，根據維恩位移定律，若將提供放射能量分布的最大值之紅外線的波長寫作λ[μm]，物體的絕對溫度寫作T[K]，則波長λ，為λ=2898/T。
在第18圖所示之紅外線式氣體量測裝置中，一方面使用鹵素燈泡作為紅外線光源10，另一方面使用熱電元件41 、42 作為紅外線受光元件40的偵測元件。因此，根據驅動電路11而調變從紅外光源10放射之光的強度(發光功率)。例如，驅動電路11，被構成來使從紅外光源10放射之光的強度，以一定週期作週期性變化。此外，驅動電路11，亦可使從紅外光源10放射之光的強度連續地變化，或是間歇性地變化。
紅外光源10，並不限於鹵素燈泡。例如，紅外光源10，亦可如第20圖所示，由紅外線放射元件110，與由收納紅外線放射元件110之金屬外殼構成之封裝外殼100所構成。紅外線放射元件110，係具有：支撐基板111，其由單結晶矽基板(半導體基板)所構成；加熱器層(發熱體層)114，其被形成於支撐基板111的一表面上；熱絕緣層113，其由形成於加熱器層114與支撐基板111間之多孔性矽層所構成。又，紅外線放射元件110，係具備一對金屬板115、115，其電性連接於加熱器層114。各金屬板115、115，經由接合導線124、124而電性連接於端子接腳125、125。第20圖所示之構成之紅外線光源10中，係藉由施加電壓於一對端子接腳125、125之間，對加熱器層114供給輸入電力，而從加熱器層114放射紅外線。此外，第20圖所示之構成之紅外線光源10中，在封裝外殼100上，係形成了位於紅外線放射元件110的前方之窗孔100a。此窗孔100a，係由透射紅外線之光學材料所封閉。又，形成由矽氧化膜所構成之絕緣膜112於支撐基板100的一表面中，未形成熱絕緣層113的部分上。
加熱層114的材料並無特別限制，例如可採用W、Ta、Ti、Pt、Ir、Nb、Mo、Ni、TaN、TiN、NiCr、導電性非晶矽等。具有第20圖所示之構成之紅外線放射元件110，係由單晶體之矽基板形成其支撐基板111，並由多孔性矽層形成其熱絕緣層113。因此，支撐基板111的熱容量及導熱率均大於熱絕緣層113。於是，支撐基板111具有作為散熱器的功能。因此，能夠作為小型元件而加快對輸入電壓或輸入電流之響應速度，且改善紅外線放射特性的安定性。
考慮以下情況：測量對象氣體為CO2 ，透射濾光片21 、22 的透射峰值波長設為λ1 =3.9μm、λ2 =4.3μm，由鹵素燈泡所構成之紅外線光源10放射之光的強度(發光功率)如第21圖所示之曲線般變化。並且，假設光學濾光片20具有如第22圖所示之透射特性。又，將透射濾光片21 對波長λ1 之透射率表示為τ1 ，透射濾光片22 對波長λ2 之透射率為τ2 ，第21圖的曲線的振幅為Pa ，偏壓成分(導因於太陽光等外來光之直流成分)為Pb ，角頻率為ω(=2πf)，並將根據測量對象氣體之紅外線吸收率表示為T(C)。此時，透射過各透射濾光片21 、22 之紅外線的強度(功率)P1 、P2 ，係各由下述(1)式、下述(2)式所表示。
P1 =τ1 (Pa sin(ωt)+Pb )　……(1)
P2 =T(C) τ2 (Pa sin(ωt)+Pb )　……(2)
又，若將接收透射過透射濾光片21 之紅外線之熱電元件41 的受光面側極性設為正(+)，接收透射過透射濾光片22 之紅外線之熱電元件42 的受光面側極性設為負(-)，則各熱電元件41 、42 的輸出I1 、I2 ，係各由下述(3)式、下述(4)式所表示(不過，省略導因於熱電元件41 、42 處的電流轉換之常數)。
I1 =ωτ1 Pa cos(ωt) ……(3)
I2 =-T(C)ωτ2 Pa cos(ωt) ……(4)
如第3(b)圖所示，兩個熱電元件41 、42 ，以能夠獲得兩個熱電元件41 、42 的差動輸出之方式而連接。因此，若將紅外線受光元件40的輸出表示為I，輸出I係由下述(5)式所表示。
I=I1 +I2 =ωτ1 Pa cos(ωt)-T(C)ωτ2 Pa cos(ωt)……(5)
若設τ1 =τ2 ，則紅外線受光元件40的輸出I，係由下述(6)式所表示。
I=ωτ1 Pa cos(ωt)(1-T(C))……(6)
又，若將物質固有之吸收係數(由該物質的吸收波長及溫度所決定之常數)表示為α，物質的濃度為C，光路長為L，則紅外線的吸收率T(C)，基於朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law)，係由下述(7)式所表示。
T(C)=10-αCL ……(7)
於是，藉由將(6)式代入(7)式，紅外線受光元件40的輸出I，係由下述(8)式所表示。
I=ωτ1 Pa cos(ωt)(1-10-αCL )……(8)
若基於此(8)式，將氣體的濃度C與紅外線受光元件40的輸出信號(輸出I)間的關係繪成圖形，則如第23圖所示。藉此，可藉著量測紅外線受光元件40的輸出信號的振幅，來求得氣體的濃度。
以上所說明之本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，彼此極性相異之一對熱電元件41 、42 係以反向串聯之方式連接。因此，一對熱電元件41 、42 的直流偏壓成分(導因於雜質氣體或太陽光等外來光之偏壓成分)可互相抵消(也就是指，當測量對象氣體的濃度為零時，紅外線受光元件40的輸出亦為零)。而且，可增大紅外線受光元件40的輸出的動態範圍。特別是當兩個一組之熱電元件41 、42 被形成於一枚熱電元件形成基板41上時，即使將放大電路63a收納於封裝外殼7內時，亦可謀求其小型化。而且，能夠增加放大電路63a的增益，而改善S/N比(訊噪比)。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器，係具備：紅外線受光元件(紅外線受光部)40、收納紅外線受光元件40之封裝外殼7、光學濾光片20。紅外線受光元件40，具有複數個熱型紅外線檢測元件(熱電元件)41 、42 ，其利用熱能來檢測紅外線。複數熱電元件41 、42 ，係被並排著配置。封裝外殼7，具有用來讓紅外線入射至紅外線受光元件40之窗孔7a。光學濾光片20，係具有複數濾光片要素部，其各自對應於複數熱電元件41 、42 ，且接合於封裝外殼7上以封閉窗孔7a。各濾光片要素部，係具備：濾光片基板1，其由透射紅外線之材料所形成；透射濾光片2，其被構成為選擇性地使規定之選擇波長的紅外線透射；遮斷濾光片3，其被構成為吸收波長比透射濾光片2的選擇波長更長之紅外線。透射濾光片2和遮斷濾光片3，係各自被形成於濾光片基板1上。濾光片基板1，係熱性結合於封裝外殼7。各濾光片要素部的透射濾光片21 、22 ，其上述選擇波長彼此相異。
若根據本實施形態之紅外線氣體檢測器，則可透過封裝外殼7，而效率良好地散去在遮斷濾光片3中因吸收紅外線而產生之熱能。因此，可抑制透射濾光片21 、22 的溫度上昇或溫度分布，而能在低成本下達成高靈敏度化。又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，係將電路方塊6收納於封裝外殼7中，這樣的構造可藉由遮斷濾光片3吸收因電路方塊6的電路零件的溫度上升而從電路零件放射出，並在封裝外殼7的內壁面被反射之紅外線，而謀求因S/N比的改善所導致之高靈敏度化。在此，本實施形態中，兩個一組之熱電元件41 、42 雖然係以反向串聯或反向並聯之方式連接於熱電元件形成基板41上，但兩個一組之熱電元件41 、42 亦可不作連接，而讓本實施例具備放大電路(差動放大電路)，來放大兩個一組之熱電元件41 、42 其各自輸出的差值。在此情況下，比起設置複數放大電路來個別放大各熱電元件41 、42 各自的輸出之情況，更能圖謀求小型化及低成本化。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，濾光片基板1，係具有朝向封裝外殼7內側之第一表面，與朝向封裝外殼7外側之第二表面。透射濾光片2，被形成於濾光片基板1的第一表面，而遮斷濾光片3，被形成於濾光片基板1的第二表面。因此，遮斷濾光片3中，因吸收紅外線而產生之熱能，不易傳導至熱電元件41 、42 。藉此，相較於遮斷濾光片3被形成於濾光片基板1的第一表面之情況，更能謀求封裝外殼7的低高度化與響應性的改善。又，因為透射濾光片21 、22 係被形成於濾光片基板1的第一表面上，故可抑制因從斜方向入射進光學濾光片20之紅外線而導致之串音(cross talk)的發生。藉此，可藉由加大熱電元件41 、42 的受光領域，而謀求高靈敏度化。
此外，紅外線受光元件40，亦可例如第24(a)圖所示，在兩個一組之熱電元件41 、42 之外，再具備兩個一組之熱電元件43 、44 。這些熱電元件41 、42 、43 、44 ，係為了能夠得到其差動輸出，而如第24(b)圖或第24(c)圖所示地連接。此時，光學濾光片20，亦可具有對應於各熱電元件41 、42 、43 、44 之透射濾光片2。在第24(b)圖之情況中，能夠檢測兩種氣體。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，各透射濾光片21 、22 ，係具備第一多層膜21、第二多層膜22、以及介於第一多層膜21與第二多層膜22間之波長選擇層23。第一多層膜21及第二多層膜22，係各由折射率彼此相異且光學膜厚度彼此相等之複數種薄膜21a、21b積層而形成。波長選擇層23的光學膜厚度，係對應於透射濾光片21 、22 的選擇波長，而設定成與薄膜21a、21b的光學膜厚度相異之大小。因此，可使光學濾光片20小型化，而謀求其低成本化。而且，可縮短複數透射濾光片21 、22 的中心間距離，而縮小檢測光與參照光間的光路長的差值。藉此，可改善紅外線受光元件40的各熱電元件41 、42 的受光效率。又，相較於透射濾光片21 、22 被形成於不同濾光片基板1之情況，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，因為濾光片基板1被共用於複數濾光片要素部中，故可減低透射濾光片21 、22 間的溫度差，而改善檢測精準度或靈敏度。此外，複數濾光片要素部亦可為個別零件。此時，封裝外殼7上，將設置等同於濾光片要素部數量之窗孔7a。亦即，光學濾光片20，係由複數濾光片要素部所構成，該等濾光片要素部係接合於封裝外殼7上，以塞住各窗孔7a。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，遮斷濾光片3，係由折射率彼此相異之複數種薄膜3a、3b積層而形成之多層膜。複數種薄膜3a、3b中，至少一種之薄膜3a係由吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料所形成。因此，根據構成遮斷濾光片3之多層膜所造成之光干涉效果，與構成多層膜之薄膜3a的遠紅外線吸收效果，可實現從近紅外線到遠紅外線間之寬帶域的紅外線遮斷功能。藉此，因為沒有使用藍寶石基板之必要，故可謀求其低成本化。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，於透射濾光片21 、22 中，亦具有從近紅外線到遠紅外線間之寬帶域的紅外線遮斷功能，此係由第一多層膜21及第二多層膜22所造成之光干涉效果，與以第一多層膜21、波長選擇層231 、232 、第二多層膜22所構成之多層膜中，薄膜21b之遠紅外線吸收材料的遠紅外線吸收效果所致。藉此，能夠將具有從近紅外線到遠紅外線間之寬帶域的紅外線遮斷功能，且可選擇性地使期望之選擇波長的紅外線透射之光學濾光片20的製造成本降低。
又，在上述之光學濾光片20中，因為採用氧化物或氮化物來作為遠紅外線吸收材料，故可防止由遠紅外線吸收材料所構成之薄膜3a、21b氧化而改變光學特性的情形。又，在上述之光學濾光片20中，遮斷濾光片3及各透射濾光片21 、22 中距離濾光片基板1最遠之最上層，均由上述之氧化物或氮化物所形成。因此，可防止因與空氣中的水分或氧氣等之反應，或不純物之吸付等，而導致最上層薄膜3a、21b的物質特性產生變化的情形。藉此，提高濾光片性能的安定性。又，因為能夠減低在遮斷濾光片3及各透射濾光片21 、22 的表面之反射，故可改善濾光片性能。
又，上述之紅外線光學濾光片中，遮斷濾光片3，係為由遠紅外線吸收材料所形成之薄膜3a，與由折射率比遠紅外線吸收材料更高之材料Ge所形成之薄膜3b，兩者交互積層而形成之多層膜。因此，相較於高折射率材料為Si、PbTe或ZnS之情況，可更增大高折射率材料與低折射率材料間的折射率差。藉此，可減低構成遮斷濾光片3之多層膜的積層數。又，相較於高折射率材料為ZnS之情況，當採用Si作為高折射率材料時，可更增大多層膜中高折射率材料與低折射率材料間的折射率差。藉此，可減低構成遮斷濾光片3之多層膜的積層數。又，關於透射濾光片21 、22 ，也可用同樣之理由來減低積層數。
不過，在本實施形態中，雖然使用Si基板作為濾光片基板1，但濾光片基板1並不限於Si基板，而亦可使用Ge基板。關於Si及Ge各自的透射特性，揭示於網際網路上之資料係分別表示於第25、26圖([於2009年2月25日搜尋]，網際網路<URL：http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm>)。
本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，如上文所述，使用Si基板或Ge基板作為濾光片基板1，藉此而比使用藍寶石基板、MgO基板或ZnS基板之情況更能夠減低製造成本。而且，Ge的導熱率較高，而Si的導熱率更是特別高。因此，可抑制濾光片基板1的溫度上昇，而抑制由於光學濾光片20的溫度上昇而導致之紅外線放射。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，封裝外殼7係為金屬製，具有導電性之Si或Ge等之濾光片基板1，根據由導電性之接合材料(例如銀糊、焊錫等)所構成之接合部58，而接合於封裝外殼7的上蓋72。亦即，濾光片基板1係電性連接於封裝外殼7上。藉此，可以濾光片基板1與封裝外殼7進行電磁屏蔽。因此，可防止紅外線受光元件40受到外來輻射雜訊(電磁雜訊)的影響，而謀求因S/N比的改善所導致之高靈敏度化。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，窗孔7a係為矩形。又，光學濾光片20中，形成了段差部20c，其位置由上蓋72中之窗孔7a的內周面及邊緣部所決定。段差部20c，係經由接合部58而固定於上蓋72上。於是，可提高光學濾光片20與紅外線受光元件40間的平行度。結果，可提高各透射濾光片21 、22 與紅外線受光元件40的各熱電元件41 、42 在光學濾光片20的各透射濾光片21 、22 的光軸方向上之距離精準度。又，能夠提高各透射濾光片21 、22 的光軸與各熱電元件41 、42 的受光面光軸之對齊精準度。
又，本實施形態之紅外線式氣體檢測器中，放大紅外線受光元件40的輸出之放大電路63a(的構成零件)係收納於封裝外殼7中。因此，可縮短紅外線受光元件40與放大電路63a間的電路。又，放大電路63a亦可被電磁屏蔽。藉此，可謀求因S/N比的進一步改善所導致之高靈敏度化。
不過，上述實施形態中，作為熱型紅外線檢測元件，雖然例示了熱電元件41 、42 ，但熱型紅外線檢測元件並不限於此，例如亦可為如第27圖所示之熱電堆(thermopile)或阻抗輻射熱計(bolometer)型紅外線檢測元件。當熱型紅外線檢測元件為熱電堆時，亦可用差動放大電路將兩個一組之熱電堆的輸出加以差動放大。又，亦可如第28圖所示，將兩個一組之熱電堆TP1、TP2以反向串聯的方式連接，並以放大電路放大輸出電壓Vout。又，亦可將兩個一組之熱電堆TP1、TP2以反向並聯的方式連接，並以放大電路放大輸出電壓。當熱型紅外線檢測元件為阻抗輻射熱計型紅外線檢測元件時，亦可將兩個一組之阻抗輻射熱計型紅外線檢測元件，與阻抗值相等之兩個固定阻抗構成為橋式電路。此時，亦可基於該橋式電路的輸出而求得檢測對象氣體的有無或濃度。
上述第27圖所示之構成之熱型紅外線檢測元件，係具備：支撐基板42，其由主表面為{100}面之單結晶矽基板所構成；薄膜部43，其由被形成於支撐基板42的主表面，並由支撐基板42所支撐之矽氮化膜所構成；熱電堆TP，其被形成於對薄膜部43而言，與支撐基板42側相反之一側。在支撐基板42上，形成了成矩形開口之開孔部42a，其使薄膜部43中朝向支撐基板42一側的表面露出。開孔部42a，係利用溼式非等向性蝕刻而形成，該方法係利用蝕刻速度的結晶方向依存性。熱電堆TP，係由彼此串聯連接之複數熱電對所構成。各熱電對，係以細長之第一熱電要素44及細長之第二熱電要素45構成，該等熱電要素，係橫跨薄膜部43中，與支撐基板42的開孔部42a重疊之領域，以及與支撐基板42的開孔部42a的邊緣部重疊之領域而形成。熱電堆TP中，在第一熱電要素44與第二熱電要素45的一端點接合部上構成了溫接點，並在不同熱電對的第一熱電要素44的另一端點與第二熱電要素45的另一端點之接合部構成冷接點。又，第一熱電要素44，係由席貝克(Seebeck)係數為正之材料所形成，而第二熱電要素45，係由席貝克係數為負之材料所形成。
又，第27圖所示之構成之熱型紅外線檢測元件中，於支撐基板42的主表面上係形成了絕緣膜46，其覆蓋住各熱電要素44、45及薄膜部43中未形成各熱電要素44、45之部位。在絕緣膜46上，形成了紅外線吸收部47，其覆蓋住包含熱電堆TP的各溫接點之規定領域。紅外線吸收部47，係使用紅外線吸收材料(例如金黑(Au-black)等)而形成。在此，紅外線受光元件40的一對電極板49、49，係通過被形成於絕緣膜46上之開口部(未圖示)而露出。此外，絕緣膜46，例如為BPSG膜、PSG膜與NSG膜之積層膜。但是，絕緣膜46，例如亦可為BPSG膜與矽氮化膜之積層膜。又，第27(b)圖，係相對於第27(a)圖的X－X’剖面之概略剖面圖，在第27(a)圖中，省略絕緣膜46的圖示。
又，第28圖所示之構成之紅外線受光元件40的基本構成，與第27圖所示之構成的熱型紅外線檢測元件大略相同，並具備與第27圖中的熱電堆TP相同構成之兩個熱電堆TP1、TP2，其相異之處僅在於，這兩個熱電堆TP1、TP2係透過金屬層48而以反向串聯之方式連接(以反極性串聯連接)。此外，上述之兩個熱電堆TP1、TP2亦可以反向並聯之方式連接(以反極性並聯連接)。藉由像這樣將兩個熱電堆TP1、TP2以反向串聯或反向並聯之方式連接，可互相抵消合為一組之兩個熱電堆的直流偏壓成分，並增大紅外線受光元件40的輸出的動態範圍。特別是當兩個一組之熱電堆TP1、TP2係被形成於一枚支撐基板42上時，即使將放大電路63a收納於封裝外殼7內，亦可謀求其小型化。而且，可增大放大電路63a的增益，而改善S/N比。
[實施形態2]
在本實施形態中，對用於氣體漏洩警報器之類的用途之紅外線式氣體量測裝置進行說明。這種紅外線式氣體量測裝置，如第30圖所示，具有：紅外光源1001，其根據電力信號的輸入而放射紅外線；紅外線偵測器(紅外線式檢測器)1002，其檢測紅外線。在紅外光源1001與紅外線偵測器1002之間，配置了氣體檢測管1003。在氣體檢測管1003內，導入了檢測對象氣體(測量氣體)。此外，作為紅外線偵測器1002，可採用實施形態1所記載之紅外線式檢測器。
氣體檢測管1003，具有管路1031，其將紅外線從紅外光源1001導引至紅外線偵測器1002。管路1031的內周面被構為反射紅外線之形態。例如，在管路1031的內周面上，形成反射紅外線之反射膜。上述反射膜，例如為Au等之金屬薄膜，其根據濺鍍等薄膜形成法而被形成於管路1031內周面的全表面上(此時，反射膜的表面實質上成為管路1031的內周面)。此外，亦可使用反射紅外線之材料來形成氣體檢測管1003(管路1031)。從紅外光源1001放射之紅外線，如第30圖中之虛線所示，在管路1031的內周面上被重複反射而到達紅外線偵測器1002。
氣體檢測管1003，具有多數連通孔1032，其連通管路1031的內部空間與外部空間。連通孔1032，係貫穿性地設置於管路1031的管壁上。於是，存在於管部1031的外部空間之檢測對象氣體，通過連通孔1032而被導入管路1031的內部空間。一旦氣體檢測管1003的管路1031內存在檢測對象氣體，則從紅外光源1001放射之紅外線的一部分會被檢測對象氣體吸收或反射，因而使紅外線偵測器1002的受光強度產生變化。根據檢測此受光強度的變化，能夠檢測出檢測對象氣體的存在以及濃度。亦即，將管部1031的內部空間作為監視空間來對檢測對象氣體進行檢測。
管路1031，雖然亦可為直管狀，但較佳者係如第30圖所示地成蛇行狀。因管路1031的內周面會反射紅外線，即使管路1031形成為蛇行狀，亦可將紅外線從紅外光源1001傳達至紅外線偵測器1002。
若將管路1031作成蛇行狀，則可增長從紅外光源1001至紅外線偵測器1002為止之紅外線路徑。因此，紅外線通過導入管路1031內之檢測對象氣體之距離會變長。藉此，更容易檢測出存在於管路1031內之檢測對象氣體對紅外線造成之影響。又，也可藉由讓紅外線在管路1031的內周面上重複反射，來拉長紅外線通過檢測對象氣體之距離。因此，藉由使用蛇行狀之氣體檢測管1003(管路1031)，可提高對於檢測對象氣體之靈敏度。
紅外光源1001，係由驅動電路1004間歇性地施加電壓，藉此而間歇性地放射紅外線。亦即，驅動電路1004，係被構成為驅動紅外光源1001，使紅外光源1001間歇性地放射紅外線。紅外光源1001，係被構成為通電開始後之上升時間較短，且通電結束後之下降時間亦較短之形態。關於紅外光源1001的具體構成將於後述。
從驅動電路1004施加於紅外光源001之電壓波形，係為單個脈衝波，或是由複數個(約5~10個)脈衝波所組成之叢聚波。又，施加電壓於紅外光源1001之時間間隔，例如被設定為10~60s。施加電壓於紅外光源1001的時間(每一脈衝波的脈衝寬度)雖然會依存於紅外線偵測器1002的響應速度，但例如設為100μs~10ms，而當使用叢聚波時，例如設為100ms左右之持續時間。
如第30圖所示，紅外光源1001，係具備金屬製封裝外殼(金屬外殼)1010，以及收納於金屬外殼1010中之放射元件(紅外線放射元件)1011。在封裝外殼1010上形成了位於放射元件1011前方之窗孔1012。窗孔1012上裝設了投光透鏡1013。投光透鏡1013係以Si作為材料，根據半導體製程而形成。又，在封裝外殼1010上刺穿性地設置了兩根引線接腳1014，其用來將放射元件1011連接至驅動電路1004。在投光透鏡1013上，為了抑制氣體檢測所必要之特定波長帶的反射，而在其兩側表面上形成了紅外線反射防止膜。此外，亦可設置聚光鏡來取代投光透鏡1013。
紅外線偵測器1002，係具備金屬製之封裝外殼(金屬外殼)1020，以及收納於封裝外殼1020中，由熱電元件所構成之兩個受光元件1021a、1021b。在封裝外殼1020上形成了位於兩個受光元件1021a、1021b前方之一個窗孔1022。在此窗孔1022上，裝設了濾光片(光學濾光片)1029，其用於選擇從管路1031的內部空間入射至各受光元件1021a、1021b之紅外線的波長。進而，在封裝外殼1020上，刺穿性地設置了引線接腳1024，其用來將受光元件1021a、1021b連接於檢測電路1005。
受光元件1021a、1021b，雖然可使用熱型紅外線檢測元件與量子型紅外線檢測元件中的任一者，但較佳者為使用如熱電元件之類的熱型紅外線檢測元件。熱型紅外線檢測元件，比起量子型紅外線檢測元件更為容易運用，並具有高靈敏度且低價。
濾光片1029，係具備兩個透射濾光片(窄帶域透射濾光片部)1025a、1025b，以及一個寬帶域遮斷濾光片部(除去濾光片、遮斷濾光片)1026。兩個透射濾光片1025a、1025b，各自配置在紅外線從監視空間(亦即管路1031的內部空間)通往各受光元件1021a、1021b之入射路徑上，並各被構成為選擇性地使特定波長帶之紅外線透射。遮斷濾光片1026，被構成為將透射過透射濾光片1025a、1025b之特定波長帶的紅外線以外之波長域的紅外線吸收。兩個透射濾光片1025a、1025b與遮斷濾光片1026重疊在一起。
濾光片1029，具有由Si構成之濾光片基板(濾光片形成用基板)1023。在濾光片基板1023的第一表面(受光元件1021a、1021b所在之側的表面)上，並排著形成了兩個透射濾光片1025a、1025b。而濾光片基板1023的第二表面(另一表面)上形成了遮斷濾光片1026。亦即，各透射濾光片1025a、1025b，各自配置在從監視空間通往各受光元件1021a、1021b之紅外線的入射路徑上。遮斷濾光片1026，被配置在監視空間與透射濾光片1025a、1025b之間。於是，從監視空間過來之紅外線，會先由除去濾光片1026窄化其透射波長域，然後根據透射濾光片1025a、1025b來選擇性地僅讓特定波長帶透射，而到達受光元件1021a、1021b。
透射濾光片1025a、1025b，均在放射元件1011所放射之中紅外線或遠紅外線的波長域中具有窄帶域之透射特性。其依下述方式而設計透射特性：一方之透射濾光片1025a，使會產生由檢測對象氣體所造成之吸收情形之特定波長帶透射，另一方之透射濾光片1025b，使不會產生由檢測對象氣體所造成之吸收情形之特定波長帶透射。
例如，透射濾光片1025a，被構成為使對應於檢測對象氣體之特定波長帶透射。當檢測對象氣體為二氧化碳時，其被構成為使以4.3μm為中心之特定波長帶透射；當檢測對象氣體為一氧化碳時，其被構成為使以4.7μm為中心之特定波長帶透射；當檢測對象氣體為甲烷時，其被構成為使以3.3μm為中心之特定波長帶透射。又，透射濾光片1025b，為了不產生由這些檢測對象氣體所造成之吸收情形，例如被構成為使以3.9μm為中心之特定波長帶透射。
透射濾光片1025a、1025b，如第31圖所示，例如具備：第一λ/4多層膜(第一多層膜)1127a、第二λ/4多層膜(第二多層膜)1127b、以及介於第一多層膜1127a與第二多層膜1127b間之波長選擇層1028。第一多層膜1127a和第二多層膜1127b，係各自將折射率彼此相異且光學膜厚度彼此相等之複數種薄膜1027x、1027y積層而形成。第31圖所示之實例中，係交互地積層薄膜1027x與薄膜1027y。如該圖所示，第一多層膜1127a及第二多層膜1127b係為具有週期構造之多層膜。波長選擇層1028的光學膜厚度，係對應透射濾光片1025a、1025b的選擇波長(特定波長帶)，而被設定成與薄膜1027x、1027y的光學膜厚度相異之大小。此外，根據透射濾光片1025a、1025b的選擇波長，亦可省略波長選擇層1028。薄膜1027x、1027y，各被構成為具有四分之一波長之光學膜厚度。
遮斷濾光片1026，係由吸收紅外線之材料(紅外線吸收材料)所形成之紅外線吸收層。在紅外線吸收層材料中，使用了Al2 O3 或者Ta2 O3 。遮斷濾光片1026，亦可與透射濾光片1025a、1025b同樣地為多層膜濾光片。亦即，遮斷濾光片1026，亦可為將折射率彼此相異之複數種薄膜積層而形成之多層膜。例如，遮斷濾光片1026中，作為折射率相對較低之低折射率層薄膜的材料，可採用吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料的一種：Al2 O3 ；而作為折射率相對較高之高折射率層薄膜的材料，可採用Ge。亦即，多層膜濾光片中至少一層為紅外線吸收層，其吸收波長比可透射過透射濾光片1025a、1025b之特定波長帶更長之遠紅外線。
當遮斷濾光片1026為上述之紅外線吸收層時，其並不會吸收透射過透過濾光片1025a、1025b之特定波長帶的紅外線，而是可遍及於寬帶域地吸收波長比特定波長帶更長之一側的紅外線。又，當遮斷濾光片1026為上述之多層膜濾光片時，其不僅吸收紅外線，並可利用反射來防止不需要之波長區域的紅外線入射至受光元件1021a、1021b中。
第32圖，係表示透射濾光片1025a、1025b的特性(特性S70為透射濾光片1025a，特性S71為透射濾光片1025b)，以及與遮斷濾光片1026(特性S72)之關係。從第32圖可得知：藉由吸收長波長側之不需要之波長區域(遠紅外線之波長區域)的紅外線而不使其透射，將其除去。因此，透射過遮斷濾光片1026之短波長側之波長區域(中紅外線或是遠紅外線之波長域)中，僅有特定波長帶之紅外線透射過窄帶域之透射濾光片1025a、1025b。
濾光片基板1023，係具有支撐透射濾光片1025a、1025b及遮斷濾光片1026之功能。又，濾光片基板1023，係熱性結合於封裝外殼1020上，藉此，而具有實行遮斷濾光片1026之散熱的功能。濾光片基板1023，由可使透射過透射濾光片1025a、1025b之特定波長帶之紅外線透射之材料所形成。作為濾光片基板1023的材料，例如在上述的Si之外，亦可使用Ge或ZnS。
若要使用兩個受光元件1021a、1021b的輸出來檢測氣體檢測管1003中的氣體存在與否及其濃度，則求出兩受光元件1021a、1021b的輸出值(輸出)的差值或比值即可。假設，當氣體檢測管1003內不存在檢測對象氣體時，兩受光元件1021a、1021b的輸出分別為Va、Vb。又，當氣體檢測管1003內存在檢測對象氣體時，只有受光元件1021a的輸出減低了ΔV的量。在上述之實例中，若二氧化碳存在，則前方配置了透射濾光片1024a之受光元件1021a的受光強度會降低；而即使二氧化碳存在，前方配置了透射濾光片1024b之受光元件1021b的受光強度也不會降低。藉此，「當檢測對象氣體存在時，僅有受光元件1021a的輸出會降低」之假說是合理的。在此，兩受光元件1021a、1021b的輸出之差值，從(Va-Vb)變化為(Va-ΔV-Vb)，而兩受光元件1021a、1021b的輸出之比值，從(Va/Vb)變化為{(Va-ΔV)/Vb}。
當受光元件1021a、1021b為熱電元件時，可利用熱電元件的極性，而獲得受光元件1021a、1021b的輸出之差值。例如，將兩受光元件1021a、1021b以反向串聯之方式連接即可。又，藉由將受光元件1021a、1021b的輸出輸入至差動放大器(差動放大電路)，不論受光元件1021a、1021b的種類為何，均可得到兩受光元件1021a、1021b的輸出之差值。
不論使用受光元件1021a、1021b的輸出之差值與比值中的哪一種，若僅對與來自紅外光源1001之單發脈衝波對應之紅外線進行受光，則有跟外光等雜訊發生誤判之可能性。因此，較佳者係對與來自紅外光源1001之叢聚波對應之紅外線進行受光。若對與叢聚波對應之紅外線進行受光，則根據求出複數次受光中所得之差值或比值的平均值，可減低雜訊的影響而改善S/N。
本實施形態中，係使用熱電元件作為受光元件1021a、1021b，故藉由將受光元件1021a、1021b以反向串聯之方向連接，將受光元件1021a、1021b的差值輸出至檢測電路1005。在檢測電路1005，係由受光元件1021a、1021b的輸出之差值，檢測氣體檢測管1003內部中，例如作為對象氣體之規定濃度以上之二氧化碳的存在。檢測電路1005，設置於封裝外殼1020的內部空間或外部任一方均可。
檢測電路1005，係被構成為：判斷氣體檢測管1003內部之檢測對象氣體的濃度是否達到規定值以上，一旦檢測氣體的濃度達到規定值以上，便輸出警報信號。警報信號，被輸出至提供聽覺性或視覺性警報之警報裝置。
檢測電路1005，例如具備：電流-電壓轉換電路、比較器、及輸出電路。電流-電壓轉換電路，具備積分功能，其將對應於叢聚(burst)波之受光元件1021a、1021b的輸出平均化。比較器，被構成為比較電流-電壓轉換電路的輸出值與臨限值。輸出電路，被構成為根據比較器的比較結果而輸出警報信號。檢測電路1005，並不限定於上述之構成。檢測電路1005，亦可被構成為產生對應於檢測對象氣體的濃度之輸出。此時，檢測電路1005，具備：上述電流-電壓轉換電路；換算電路，其將上述電流-電壓轉換電路的輸出值換算成檢測對象氣體的濃度；輸出電路，其根據換算電路的換算結果，產生與檢測對象氣體的濃度對應之輸出。
為了響應從驅動電路1004來之單發脈衝波或叢聚波而放射紅外線，要求放射元件1011需有約10μs~10ms之響應速度。滿足此要求之放射元件之一例表示於第33圖。第33圖所示之放射元件1011的構成係為一例，而非意欲限定於此構成。
第33圖所示之放射元件1011，係具備：基板1041、保持層1042、及紅外線放射層1043。保持層1042，係為被形成於基板1041的一表面上之薄膜。紅外線放射層1043，係為積層於對保持層1042而言位於與基板1041側相反之一側的表面上之薄膜。紅外線放射層1043，被構成為根據伴隨著通電所產生之熱能，而放射紅外線。進而，在基板1041中設置了保持層1042之一表面上，形成了厚度長度較小之氣體層1044，其被基板1041的一部分與保持層1042所包圍。亦即，放射元件1011，係具備介於基板1041與保持層1042間之氣體層1044。在第33圖所示之實例中，凹處1046形成於基板1041的一表面上。此凹處1046的上方表面，由保持層1042所封閉。凹處1046的內側表面與保持層1042間之空間，作為氣體層1044而被使用。
基板1041，係為半導體基板(例如，單晶體矽基板)，其被形成為長方體狀。又，保持層1042，係根據施予陽極氧化於基板1041的一表面的邊緣以外之領域，將基板1041多孔性化而形成。陽極氧化的條件(電解液的組成、電流密度、處理時間等)，係對應基板1041的導電形態及導電率而被適當地設定。
陽極氧化，係於氟化氫水溶液中進行，藉此，形成了由多孔度約70%之多孔性半導體層(例如，多孔性矽層)所構成之保持層1042。又，基板1041的導電形態，雖然為p形或n 形任一方均可，但p形之矽基板跟n形之矽基板相比，根據陽極氧化來進行多孔性化時容易使多孔度變得較大。因此，較佳者係使用p形之矽基板來作基板1041。
根據陽極氧化，將基板1041的一部分多孔性化而形成之保持層1042，具有以下特徵：熱容量及導熱率小，耐熱性高，且表面平滑。進而，為了降低保持層1042的導熱率，亦可對保持層1042的一部分或全部進行氧化或氮化處理。若進行了氧化或氮化處理，其電絕緣性亦會提高。
保持層1042，亦可為根據熱氧化所形成之半導體氧化膜。又，亦可根據CVD法來形成含有氧化物之材料之保持層1042，以取代根據熱氧化來形成用作保持層1042之半導體氧化膜。若根據熱氧化或CVD法來形成保持層1042，則比起根據多孔性化來形成保持層1042的情況，更能簡化其製造流程，因而提高量產性。此外，根據CVD法來形成保持層1042時，可使用氧化鋁之類熱絕緣性高之氧化物，或是含有此種氧化物之材料。保持層1042，亦可用此種材料之多孔體形成。
紅外線放射層1043，係由從TaN與TiN中所選擇之材料來形成。因為這些材料在耐熱性及耐氧化性上特性優異，故讓紅外線放射層1043可在空氣環境中使用。因此，可不必將放射元件1011收納進封裝外殼中，而作為裸晶片(bare chip)安裝於基板上。又即使在將放射元件1011收納進封裝外殼中之情況中，也不必用窗材料封閉為了使從放射元件1011來之紅外線出射而形成於封裝外殼上之窗孔。因此，不會由於窗零件而導致紅外線衰減，而可提高紅外線之放射效率。這些材料，具有以下之物理性質：當其為滿足作為紅外線放射層1043之耐久性，並同時確保響應性之適合厚度尺寸(數十nm)時，薄片電阻為期望之值。
使用這些材料將紅外線放射層1043成膜時，因為導入了氮氣，故可根據導入之氮氣的分壓來控制薄片電阻。例如，可根據反應性濺鍍法，以TaN在特定之位置上將紅外線放射層1043成膜。並且，根據控制氮氣的分壓，可在規定之發熱溫度下，使薄片電阻形成為期望之值。不過，形成紅外線放射層1043之材料，亦能夠使用TaN、TiN以外之材料，可使用其他金屬氮化物或金屬碳化物。
藉著在電極1045間施加電壓(驅動電壓)來控制紅外線的放射強度時，若投入紅外線放射層1043之電力相同，則紅外線放射層1043的薄片電阻越小，越能減低驅動電壓。若驅動電壓較低，便可減低由於昇壓所導致之損失。又，因為放射元件1011內的電場強度變小，故可防止放射元件1011的破損。因此，薄片電阻係較小者為佳。
紅外線放射層1043，具有負阻抗溫度係數，其薄片電阻隨著溫度上升而下降。於是，即使驅動電壓相同，薄片電阻會隨著溫度上升而下降，而使流過紅外線放射層1043之電流增加。亦即，投入電力隨著溫度上升而增加，可提高到達最高點溫度。
此外，當紅外線放射層的材料為TaN時，阻抗溫度係數設定為-0.001[℃-1 ]。此時，若最高到達溫度為500[°C]，且處於最高到達溫度時之薄片電阻為300[Ωsq]，則處於室溫下之紅外線放射層1043的薄片電阻為571[Ωsq]。
在此，利用昇壓電路產生驅動電壓的情況中，根據如上述地讓紅外線放射層1043具有負阻抗溫度係數，可提高到達到高點溫度並同時抑制昇壓電路的昇壓比增加。藉此，可抑制昇壓電路中的電力損失。
在紅外線放射層1043的表面上，設置了由良導電性之金屬形料所形成之一對電極1045。第33圖中，一對電極1045，分別被積層於紅外線放射層1043的左右兩端。作為用於電極1045之金屬材料，合適者為不易與紅外線放射層1043的材料起反應，且高溫下之安定性優秀之銥等。又，當紅外線放射層1043的溫度上升較小時，亦可使用鋁等材料於電極1045。電極1045的材料，並不限於這些金屬材料，亦可使用其他導電性材料。
如上所述，在紅外光源1001中，放射元件1011係收納於封裝外殼1010中。放射元件1011的各電極1045，各自透過接合導線1015而連接於各引線接腳1014。
放射元件1011中，一旦在兩電極1045之間通電(施加電壓於兩電極1045間)，則紅外線放射層1043根據焦耳熱而被加熱，並從紅外線放射層1043放射紅外線。又，一旦停止通電，來自紅外線放射層1043之紅外線放射便停止。
若對紅外線放射層1043通電時，使通電時間相對較短，便不會進行氣體層1044中由於熱傳導及對流所導致之傳熱，而抑制保持層1042的溫度下降。結果，可將紅外線放射層1043維持在高溫，促進其紅外線放射。
若在紅外線放射層1043非通電時，基板1041與保持層1043間具有溫度差，則藉由存在於氣體層1044中之氣體，進行由保持層1043朝向基板1041之熱傳導及對流所造成之傳熱。因此，促進了保持層1042的散熱，結果，可迅速冷卻紅外線放射層1043。因此，可使紅外線放射即刻停止。
在一對電極1045間，亦可施加呈正弦波狀變化之電壓。即使在此情況下，亦可在電壓的增加期間中使紅外線放射層1043的溫度上昇，並在電壓的減少期間中使紅外線放射層1043的溫度下降。於是，藉著在電極1045間施加呈正弦波狀變化之電壓，可調變從紅外光源1001放射之紅外線的強度。
亦即，如第34圖(a)所示，一旦施加脈衝狀之電壓於紅外線放射層1043上(施加脈衝狀之電壓於設置在紅外線放射層1043上的一對電極1045間)，則紅外線放射層1043，如第34圖(b)所示，從電壓的上升處開始響應性良好地放射紅外線，並在電壓的下降處之後相對較短之時間內停止紅外線的放射。
從紅外線放射層1043放射出之紅外線的峰值波長λ[μm]，係滿足維恩位移定律。因此，峰值波長λ[μm]與紅外線放射層1043的絕對溫度T[K]間之關係，滿足以下之數學式(9)。
λ=2898/T……(9)
於是，根據使紅外線放射層1043的溫度產生變化，可使從紅外線放射層1043放射出之紅外線的峰值波長產生變化。要調節紅外線放射層1043的溫度時，只要調節施加於電極1045之電壓的振幅或波形等，使每單位時間中產生之焦耳熱發生變化即可。
例如，能夠設計成：根據施加約100V之正弦波狀電壓於兩電極1045之間，放射峰值波長為3~4[μm]之紅外線。而若調節電壓，亦能夠放射峰值波長到4[μm]以上之紅外線。
當施加正弦波狀電壓於上述構成之紅外光源的電極1045時，若將保持層1042的導熱率表示為αp[W/mK]，保持層1042的體積熱容量(比熱容量與密度之積)表示為Cp[J/m3 K]，紅外線放射層1043能夠響應之頻率(施加電壓的頻率的2倍)表示為f[Hz]，則保持層1042的熱擴散長μ，可以下述數學式(10)表示。
μ=(2αp/ωCp)1/2 ……(10)
其中，ω=2πf。
保持層1042，具有設定其厚度尺寸Lp之必要，藉此在從紅外線放射層1043給予其以交流性變化之熱能時，使從紅外線放射層1043朝向保持層1042放射之紅外線，在保持層1042與氣體層1044的境界面上能通過至氣體層1044。換句話說，保持層1042的厚度尺寸Lp，必需為可使從紅外線放射層1043朝向保持層1042放射之紅外線，穿過保持層1042而到達氣體層1044之大小。亦即，較佳者，係將保持層1042的厚度尺寸Lp設定為至少小於熱擴散長μ之值(Lp<μ)。
例如，當保持層1042為多孔性矽時，若將各值設為f=10[kHz]，αp=1.1[W/mK]，Cp=1.05×106 [J/m3 K]，根據上述(10)式，得出μ=5.8×10-6 [m]。於是，較佳者，係讓保持層1042的厚度尺寸Lp小於5.8[μm]。
若要進一步提高紅外線的放射效率，較佳者係以使對於紅外線之共鳴條件成立之方式來形成保持層1042。若使共鳴條件成立，便可在保持層1042與氣體層1044的境界面上，使從紅外線放射層1043朝向保持層1042之紅外線反射。藉此，可減低放射至紅外線放射層1043的後方而浪費掉之紅外線量。因此，與不使共鳴條件成立之情況相比，可提高從紅外線放射層1043放射出之紅外線的強度。若要使此動作成為可能，只要設定保持層1042的厚度尺寸，使其滿足目的波長之紅外線的共鳴條件即可。
為了在保持層1042滿足相對於目的波長之紅外線的共鳴條件，必需將相對於目的波長之紅外線之保持層1042的光路長，設為目的波長之紅外線的四分之一波長的奇數倍。現在若將保持層1042的厚度尺寸表示為Lp[m]，保持層1042的折射率表示為n，則光路長為n‧Lp。藉此，若將目的波長之紅外線在真空中之波長表示為λ[m]，則共鳴條件表示於下述數學式(11)。
n‧Lp=(2m-1)λ/4　……(11)
其中，m為正整數。
如上所述，當保持層1042由多孔性矽所形成時，保持層1042的折射率，例如為n=1.35。若目的波長之紅外線的波長為4[μm]，m=1，則保持層1042的厚度尺寸為0.74[μm]。此時，Lp=0.74[μm]<5.8[μm]，故保持層1042的厚度尺寸Lp，亦滿足Lp<μ。
以上所述之保持層1042，並不會妨礙紅外線放射層1043的昇溫。而且，根據使用多孔性矽來形成保持層1042，比起使用緻密之材料來形成保持層1042之情況，更可減低保持層1042的體積熱容量。藉此，可減小紅外線放射層1043與保持層1042全體的體積熱容量。又，隨著多孔度提高，保持層1042的導熱率會降低，且體積熱容量變小。
如此，因為可減小保持層1042的體積熱容量，且保持層1042不會妨礙紅外線放射層1043的昇溫，故可提高紅外線放射層1042的昇溫效率。藉此，可高速地響應被施加之電壓的變化。因此，可提高施加電壓的調變頻率。
進而，保持層1042中，與紅外線放射層1043相接面相反之一面係與氣體層1044相接。因為氣體層1044的導熱率小於保持層1042，從紅外線放射層1043通過保持層1042之熱傳導路徑的熱抵抗會增加。結果，抑制了紅外線放射層1043向周邊散熱。於是，如第35圖的曲線S81所示，在紅外線放射層1043發熱時，保持層1042的溫度雖然會上昇，但在保持層1042的深度方向上不會產生太大的溫度差。此外，第35圖的曲線S80，表示沒有氣體層1044時，在保持層1042的深度方向上之溫度變化。
另外，氣體層1044的厚度尺寸Lg，較佳者係以下述之條件來設定。設對紅外線放射層1043之施加電壓為正弦波狀，施加電壓的頻率為f[Hz]，氣體層1044的導熱率為αg[W/mK]，氣體層1044的體積熱容量為Cg[J/m3 K]。此時，氣體層1044的厚度尺寸Lg被設定為下述數學式(12)所表示之範圍中。
0.05Lg’<Lg<3Lg’……(12)
其中，Lg’=(2αg/ωCg)1/2，ω=2πf。
例如，若f=10[kHz]，αg=0.0254[W/mK]，Cg=1.21×103 [J/m3 K]，則從上述(12)式，可得1.3[μm]<Lg<77.5[μm]。氣體層1044的厚度尺寸Lg，例如設定為25[μm]，藉此可滿足上述(12)式。較佳者，係將氣體層1044的厚度尺寸Lg，設定為在上述(12)式所定之範圍內，使溫度振幅比成為最大之厚度。
若基板1041的溫度係為恆定，則氣體層1044，依據保持層1042的溫度與厚度尺寸Lg而具有隔熱性或散熱性其中一方之功能。根據將氣體層1044的厚度尺寸Lg在上述(12)所決定之範圍內適當地調節，如第36圖(a)、(b)所示，可在對紅外線放射層1043之施加電壓上升期間(昇溫期間)T1，使氣體層1044具有隔熱性；而在對紅外線放射層1043之施加電壓下降期間(降溫期間)T2，使氣體層1044具有散熱性。
亦即，可使氣體層1044具有隔熱性或放熱性之期間，與對紅外線放射層1043之施加電壓為上昇或下降之期間幾乎一致。即使給予紅外線放射層1043之施加電壓被以高頻率進行調變時，仍可使紅外線放射層1043的溫度與電壓的頻率大略同步地變化。也就是說，藉著設置氣體層1044，可提高響應性。
第36圖(c)，表示放射元件1011之第一比較例的紅外線放射層的溫度變化。此第一比較例，不具備氣體層1044。像這樣，當放射元件1011未具備氣體層1044時，其隔熱性能不足，因而散熱性能優於隔熱性能。例如，將以10kHz進行調變之驅動電壓(參照第36圖(a))施加於電極1045間時，如第36圖(c)所示，紅外線放射層1043的溫度在昇溫期間T1中，未能上昇至可獲得規定之紅外線強度之溫度(規定溫度)，並且在降溫期間T2因被散熱，而維持於低溫。
第36圖(d)，表示放射元件1011之第二比較例的紅外線放射層的溫度變化。此第二比較例中，氣體層1044的厚度尺寸Lg超過上述(12)式之上限：3Lg’(例如，Lg為525μm)。因此，散熱性能不足。例如，將以10kHz進行調變之驅動電壓(參照第36圖(a))施加於電極1045間時，如第36圖(d)所示，紅外線放射層1043的溫度，雖然在昇溫期間T1中上昇至上述規定溫度，但在降溫期間T2中無法充分降低紅外線放射層1043的溫度，紅外線放射層1043的溫度於反覆昇降溫之中會上昇而維持於高溫。
此外，第33圖，係例示直接加熱型之構成(放射元件1011)，其藉由通電於紅外線放射層1043，使紅外線放射層1043發熱而從紅外線放射層1043放射紅外線。然而，亦可使用間接加熱型之構成(放射元件1011)，其通電於在紅外線放射層1043之外另外設置之加熱層，加熱紅外線放射層1043而從紅外線放射層1043放射紅外線。上述加熱層，例如可設置於保持層1042與紅外線放射層1043之間，或夾著紅外線放射層1043而設置於保持層1042的反對側。
間接加熱型之放射元件1011中，亦可將紅外線放射層1043兼用為保持層1042。又，間接加熱型之放射元件1011中，為了使從紅外線放射層1043放射出之紅外線透射過加熱層，必需以使對於目的波長之紅外線之共鳴條件成立之方式來形成加熱層，提高目的波長之紅外線的放射效率。此外，亦可設置反射紅外線之反射層(未圖示)，以取代設置氣體層1044。也就是說，放射元件1011，只要被構成為使紅外線的強度跟隨具有約為10μs~10ms之開啟(ON)期間之脈衝波來變化即可。
如以上所述，本實施形態之紅外線式氣體量測裝置，具有：紅外光源1001，其放射紅外線；紅外線偵測器1002，其檢測從紅外光源1001所放射出，並通過導入了檢測對象氣體之監視空間之紅外線。本實施形態之紅外線式氣體量測裝置，係使用紅外線偵測器1001的輸出，而檢測監視空間中之測對象氣體。紅外線偵測器1001，具有受光元件1021a、1021b、透射濾光片1025a、1025b、及遮斷濾光片1026。受光元件1021a、1021b，被構成為將紅外線轉換為電子信號。透射濾光片1025a、1025b，配置於從監視空間朝向受光元件1021a、1021b之紅外線的入射路徑上。透射濾光片1025a、1025b，被構成為選擇性地使特定波長帶之紅外線透射。遮斷濾光片1026，配置於監視空間與透射濾光片1025a、1025b之間。遮斷濾光片1026，被構成為將除了透射過透射濾光片1025a、1025b之特定波長帶以外之波長區域的紅外線吸收掉，藉此除去寬帶域中之紅外線。受光元件1021a、1021b，對於透射過透射濾光片1025a、1025b之特定波長帶的紅外線具有靈敏度。根據驅動電路1004，紅外光源1001，以間歇性地放射紅外線之方式被驅動。
若根據本實施形態之紅外線式氣體量測裝置，因為可根據遮斷濾光片1026，除去與檢測對象氣體之檢測無關之波長的紅外線中的大部分，故可提高對於檢測對象氣體之靈敏度。若使用遮斷濾光片1026，則有著因為不需要之紅外線的吸收而造成溫度上升，藉此而從遮斷濾光片1026放射出紅外線之可能性。然而，因為從紅外光源1001間歇性地放射紅外線，故可藉由不需要之紅外線的吸收，而抑制遮斷濾光片1026的溫度上昇。藉此，亦可抑制根據自紅外光源1001之紅外線放射，而產生之遮斷濾光片1026的溫度變化所伴隨而來之波長偏移。結果，可有效地利用藉著遮斷濾光片1026來除去不需要之紅外線的功能，而高精準度地對檢測對象氣體進行檢測。而且，因為從紅外光源1001間歇性地放射紅外線，故比起使紅外線從紅外光源1001連續性地放射之情況，更可減低投入電力。
又，紅外光源1001，係具備：基板1041、被形成於基板1041上之保持層1042、被積層於保持層1042上之紅外線放射層1043、介於基板1041與保持層1042間之氣體層1044。紅外線放射層1043，被構成為根據伴隨通電所產生之熱能來放射紅外線。氣體層1044，被以下述之方式來構成：當通電於紅外線放射層1043時，抑制保持層1042的溫度降低；並且當未通電於紅外線放射層1043時，促進從保持層1042朝向基板1041之傳熱。
在這種具備了紅外線放射層1043、保持層1042及氣體層1044之紅外光源1011中，投入電力至紅外線放射層1043之期間，氣體層1044抑制保持層1042的溫度降低。藉此，可提高相對於投入電力(供給於紅外線放射層1043之電力)之紅外線放射量。另一方面，未投入電力至紅外線放射層1043之期間，氣體層1044促進從保持層1044朝向基板1041之傳熱，而使保持層1042的溫度降低。藉此，可在短時間內使紅外線的放射停止。也就是指，對於供給至紅外線放射層1043之電力的投入與停止，可響應性良好地進行紅外線的放射與停止。又，對於投入電力可效率良好地放射紅外線。藉此，作為紅外光源1001，相較於使用白熱燈泡、或是使用在介電體膜中設置燈絲之構造物之情況，更可減低消費電力。
作為遮斷濾光片1026，若使用包含紅外線吸收層之多層膜濾光片，則不僅靠吸收，亦可利用反射來調節除去之波長。在此，遮斷濾光片1026所吸收之紅外線的波長域，係根據用於紅外線吸收層之材料而決定。另一方面，遮斷濾光片1026所反射之紅外線的波長域，係根據構成多層膜之各薄膜的折射率及膜厚度而決定。藉此，可互補地利用吸收與反射，來擴大除去之波長區域的範圍。換句話說，即使使用放射寬帶域紅外線之紅外光源1001，亦可盡可能地除去於檢測對象氣體的檢測中所不需要之波長的紅外線。藉此，可抑制於檢測對象氣體的檢測中所不需要之波長的紅外線入射至受光元件1021a、1021b中，結果來說提高了對於檢測對象氣體之靈敏度。
又，紅外線吸收層的材料若從Al2 O3 與Ta2 O3 中作選擇，則相較於使用SiOx 或SiNx 於紅外線吸收層的材料之情況，更可提高遠紅外線的吸收率。特別是，當使用Al2 O3 作為紅外線吸收層的材料時，較佳者係使用Si作為濾光片基板1023的材料。此時，因為Si與Al2 O3 的硬度相近，故即使由於周圍溫度的變化等而產生伸縮，亦不會有多層膜濾光片(遮斷濾光片1026)從濾光片基板1023上剝離之可能性。藉此，可改善安定性或信賴性。
作為受光元件1021a、1021b，若使用對於從紅外光源1001放射出之紅外線的全波長具有靈敏度之熱型紅外線檢測元件，則僅藉由透射濾光片1025a、1025b或遮斷濾光片1026的設計變更，便可對應各種檢測對象氣體。藉此，能夠以檢測對象氣體彼此相異之紅外線式氣體量測裝置達成零件的共用化。結果來說可降低紅外線式氣體量測裝置的製造成本。
第37、38圖係表示放射元件1011之第一變化例(放射元件1011A)。此外，在以下之說明中，將第37圖中之上下方向及左右方向，各定為放射元件1011A的上下方向及左右方向。
放射元件1011A，如第37、38圖所示，具備支柱狀之支撐部(支撐體)1047，其用來支撐保持層1042，且位於凹處1046的底面與保持層1042之間；就這點上，與放射元件1011不同。
支撐部1047，係根據機械性強度高於多孔性層之單晶矽，形成由下往上逐漸擴大其直徑之近似圓錐台狀。第37圖所示之實例中，四個支撐部1047互相空下規定之間隔而設置於氣體層1044內。各支撐部1047，與基板1041的上表面(基板1041的凹處1046的底面)及保持層1042的下表面相連接，對基板1041支撐著保持層1042。因此，可防止因紅外線放射層1045與保持層1042間的熱膨脹係數之差，而導致在紅外線放射層1045的溫度變化時，保持層1042附著於基板1041上之情況。藉此，可防止紅外線放射層1043的溫度變化遭受阻礙，或者紅外線放射層1043變形而導致破損。又，可防止在放射元件1011A的製造時進行過溼處理的情況中，於溼處理後之乾燥時使保持層1042附著於基板1041上之情況。又，當保持層1042的厚度尺寸Lp滿足上述共鳴條件時，具有保持層1042因發熱而變形之風險存在。不過，藉著設置支撐部1047，可防止保持層1042因發熱而變形。此外，第37圖所示之實例中，雖然支撐部1047接觸保持層1042的下表面，但支撐部1047亦可以貫穿保持層1042之狀態進行支撐。
此外，當基板1041由單晶矽所形成時，亦可在形成凹處1046時留下基板1041的一部份來作為支撐部1047。若如此進行，則在支撐部1047與基板1041的連接部分所產生之應力變為零。亦即，因為支撐部1047與基板1041為一體成形，故可進一步提高支撐部1047的強度。
放射元件1011A中，若藉由施加電壓於電極1045間而使紅外線放射層1043通電，則如第37圖所示，從紅外線放射層1043朝向上方放射出紅外線E1。又，保持層1042，直接地支撐紅外線放射層1043，因此從紅外線放射層1043直接地傳熱至保持層1042。藉由從紅外線放射層1043朝向保持層1042之傳熱，保持層1042被加熱，而藉由保持層1042的一部分的溫度上昇，從保持層1042放射出紅外線E2。
紅外線放射層1043，係以具有紅外線透射性之方式來形成。藉此，從保持層1042朝向紅外線放射層1043放射出之紅外線，透射過紅外線放射層1043而朝紅外線放射層1043的上方放射。也就是指，從紅外線放射層1043向上方放射之紅外線E1，與從保持層1042透射過紅外線放射層1043向紅外線放射層1043的上方放射之紅外線E2，一併從放射元件1011A放射。放射元件1011A中，紅外線放射層1043作為直接加熱型之紅外線放射源而發揮功能，且保持層1042作為間接加熱型之紅外線放射源而發揮功能。像這樣，放射元件1011A中，保持層1042利用了從紅外線放射層1043朝向保持層1042放射之能量的一部分，而放射紅外線。藉此，可提高相對於投入電力之紅外線放射效率。換句話說，可減低欲放射期望之量的紅外線所必要之投入電力。
放射元件1011A中，當紅外線放射層1043昇溫時，保持層1042與基板1041之間根據氣體層1044而隔熱。因此，作為隔熱層而發揮功能之氣體層1044促進紅外線放射層1043的昇溫，故可縮短昇溫期間T1。當紅外線放射層1043降溫時，從紅外線放射層1043傳達至保持層1042之熱能，經由氣體層1044而向基板1041散熱。因此，作為散熱層而發揮功能之氣體層1044促進紅外線放射層1043的散熱，故可縮短降溫期間T2。於是，如第36圖(a)、(b)所示，可使紅外線放射層1043的溫度變化與輸入電壓的波形同步。藉此，可提高從放射元件1011A所放射之紅外線的輸出，並能夠以高頻率驅動放射元件1011A。又，因可更進一步縮短氣體量測所必要之時間，故可減低消費電力。
又，保持層1042，係為多孔性層。多孔性層，與緻密的絕緣材料相比，其熱容量較小，導熱率較低。因此，保持層1042，不會妨礙紅外線放射層1043的昇溫，故可縮短昇溫期間T1。因此，相較於保持層1042非為多孔性層之情況，藉著較小之能量便可大幅昇溫，因而能夠減低消費電力。
特別是，較佳者，係讓保持層1042為多孔性矽或是多孔性多晶矽。此時，可改善保持層1042的耐熱性，而可防止由於紅外線放射層1043的溫度上昇而導致保持層1042變形、破損之情況。
又，保持層1042，以其外周面固定於基板1041上。特別是，第37、38圖所示之實例中，保持層1042的外周面接合於基板1041的凹處1046的內周面上。因此，可防止當紅外線放射層1043的溫度上昇時，由於因紅外線放射層1043與保持層1042間之熱膨脹率差所產生之應力，導致保持層1042變形、破損之情況。
接著，使用第39圖(a)~(e)對放射元件1011A的製造方法加以說明。此外，以下之說明中，將支撐部1047的數量設為一個。又，作為基板1041，使用比電阻約為80~120Ωcm，且大致呈矩形板狀之p形半導體基板。
放射元件1011A的製造方法中，最初進行摻雜製程。摻雜製程中，如第39圖(a)所示，在基板1041的第一表面(第39圖(a)中之上表面)上，形成矩形之第一不純物擴散領域1048，與第二不純物擴散領域1049。第一不純物擴散領域1048，係被形成於基板1041的第一表面中，用來形成保持層1042之矩形領域(保持層形成領域)的中央。第二不純物擴散領域1049，係被形成於圍繞上述保持層形成領域之矩形框。第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049，係根據將n形不純物(例如p離子)以高濃度注入基板1041的第一表面，然後進行驅入(drive-in)而形成。此外，第一不純物擴散領域1048，被形成為外形尺寸大於支撐部1047之形態。又，第一不純物擴散領域1048，被形成為具有與氣體層1044相同程度之厚度之形態。
進行了摻雜製程之後，進行退火製程(退火處理)。藉此，使第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049的不純物擴散並活性化。第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049，係作為n形之陽極氧化遮罩而發揮功能。
進行了退火製程之後，進行遮罩形成製程。遮罩形成製程中，藉由進行氧化處理，於基板1041的第一表面(第39圖(a)中之上表面)及第二表面(第39圖(b)中之下表面)各自的全表面上形成矽氧化膜。然後，利用光刻技術及蝕刻技術，對形成於基板1041的第一表面上之矽氧化膜進行圖案成形，而形成陽極氧化遮罩1050(參照第39圖(b))。陽極氧化遮罩1050，被形成為使上述保持層形成領域及第二不純物擴散領域1049的一部分露出之形態。另一方面，形成於基板1041的第二表面上之矽氧化膜，係利用蝕刻技術而被除去。然後，利用濺鍍法，將後部觸點用之鋁電極1051形成於基板1041的第二表面上。鋁電極1051，係用來於進行陽極氧化處理時給予基板1041電位。因此，鋁電極1051，被形成為歐姆接觸於基板1041之形態。
進行了遮罩形成製程之後，進行多孔性化製程。多孔性化製程中，藉由進行陽極氧化，使前述保持層形成領域中除了第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049以外之領域多孔性化。藉此，如第39圖(c)所示，形成由多孔性矽構成之保持層1042。
此外，半導體基板之陽極氧化中，已知藉由調配F離子的供給量與電洞的供給量，會發生多孔性化或者電解研磨。當F離子的供給量多於電洞的供給量時，發生多孔性化；而當電洞的供給量多於F離子的供給量時，發生電解研磨。
藉此，多孔性化製程中，作為陽極氧化的電解液，係使用混合氟化氫水溶液與乙醇而得之氟化氫30%溶液。進行陽極氧化時，將基板1041的第一表面浸於上述電解液中。然後，在以對向配置於基板1041的第一表面上之白金電極(未圖示)，與形成於基板1041的第二表面上之鋁電極1051間施加電壓，使規定電流密度(例如100mA/cm2 )之電流流通規定時間量。藉此，形成了厚度尺寸Lp為1μm之保持層1042。此外，為了使第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049作為n形陽極氧化遮罩而發揮功能，在陽極氧化時，必需讓光線無法照射到第一不純物擴散領域1048及第二不純物擴散領域1049。
如上所述，保持層1042的厚度尺寸Lp，只要設定成至少小於熱擴散長μ即可。
進行了多孔性化製程之後，進行電解研磨製程。電解研磨製程中，藉由與上述多孔性化製程不同之條件，進行陽極氧化，而在基板1041上形成凹處1046(氣體層1044)(參照第39圖(d))。此電解研磨製程中，因第一不純物擴散領域1048作為遮罩而發揮作用，故第一不純物擴散領域1048下方之基板1041的部位不會被研磨到而殘留下來，藉此形成支撐部1047。支撐部1047，係為由下往上逐漸擴大直徑之約略圓錐台狀。在這種電解研磨製程中，係同時形成氣體層1044與支撐部1047。
如上所述，半導體基板的陽極氧化中，藉著調配F離子的供給量與電洞的供給量，會發生多孔性化或者電解研磨。
於是，電解研磨製程中，作為陽極氧化的電解液，係使用混合氟化氫水溶液與乙醇而得之氟化氫15%溶液。進行陽極氧化時，將保持層1042及陽極氧化遮罩1050浸於上述電解液中。然後，在以對向配置於基板1041的第一表面上之白金電極(未圖示)與鋁電極1051間施加電壓，使規定電流密度(例如100mA/cm2 )之電流流通規定時間量。因為保持層1042已被多孔性化，故基板1041透過保持層1042而被研磨。藉此形成厚度尺寸Lg為25μm之氣體層1044。此時如上所述，因第一不純物擴散領域1048作為遮罩而發揮作用，故基板1041中成為支撐部1047之部位不會被研磨而殘留下來。
如上所述，氣體層1044的厚度尺寸Lg，係被設定為滿足上述之(12)式。
此外，電解研磨製程中，基板1041係等向性地被研磨。因此，當不存在第二不純物擴散領域1049時，如第40圖所示，保持層1042的邊緣上的基板1041亦被研磨掉。結果，保持層1042僅由陽極氧化遮罩1050支撐。因此，放射元件1011A的機械性強度會變小。然而，第39圖(d)所示之實例中，因為存在第二不純物擴散領域1049，保持層1042的邊緣透過第二不純物擴散領域1049(n形領域)而接合於基板1041。因此，放射元件1011A的機械性強度會變大。
亦即，放射元件1011A的製造方法中，係在遮罩製程之前，進行形成第二不純物擴散領域1049之摻雜製程(第二摻雜製程)，該第二不純物擴散領域1049，係跨接基板1041的第一表面上形成陽極氧化遮罩1050之領域與保持層形成領域。第二不純物擴散領域1049，作為陽極氧化遮罩而發揮作用。因此，基板1041中位於第二不純物擴散領域1049下位之部位，不會沿著基板1041的厚度方向被電解研磨。藉此，基板1041，從下方支撐第二不純物擴散領域1049。於是，放射元件1011A中，第二不純物擴散領域1049，與從下方支撐第二不純物擴散領域1049之基板1041的部位，係作為補強部而發揮功能，以補強保持層1042與基板1041之接合。藉此，可增大保持層1042與基板1041的接合部的強度，防止保持層1042變形、破損。
進行了電解研磨製程之後，進行紅外線放射層形成製程。紅外線放射層形成製程中，係在保持層1042之上(被陽極氧化遮罩1050所圍繞之領域)形成紅外線放射層1043。第39圖(e)中，紅外線放射層1043，係跨在保持層1042與陽極氧化遮罩1050的內邊緣上而形成。紅外線放射層1043，係由根據通電而發熱之貴金屬(例如Ir)所形成。又，紅外線放射層1043的厚度尺寸被設定為約100nm。此外，紅外線放射層1043的材料，並不限定於Ir，只要可根據通電而發熱之耐熱性材料即可，如耐熱性金屬、金屬氮化物、金屬碳化物等，其中較佳者為紅外線放射率較高之材料。
進行了紅外線放射層形成製程之後，進行電極形成製程。電極形成製程中，係分別形成電極1045於紅外線放射層1043的兩端(第39圖(e)中的左右兩端)。電極1045，利用使用了金屬遮罩等之蒸鍍法等來形成。
藉此，可得到第39圖(e)所示之放射元件1011A。
如以上所述，放射元件1011A的製造方法，係具備：遮罩製程，其形成陽極氧化遮罩1050；多孔性化製程，其利用陽極氧化，形成由多孔性層所構成之保持層1042；電解研磨製程，其利用陽極氧化進行電解研磨，而形成氣體層1044；紅外線放射層形成製程，其形成紅外線放射層1043。
若根據以上所述之放射元件1011A的製造方法，則在多孔性化製程中，利用陽極氧化進行多孔性化以形成保持層1042後，在電解研磨製程中，利用陽極氧化進行電解研磨以形成氣體層1044。亦即，藉由改變條件而進行兩次陽極氧化，可容易地在中空狀態下形成體積熱容量小及隔熱性高之保持層1042。
又，放射元件1011A的製造方法，係在遮罩製程式前具備摻雜製程(第一摻雜製程)，其於保持層形成領域上形成第一不純物擴散層1048。第一不純物擴散領域1048，並未在多孔性化製程中被多孔性化，在電解研磨製程中亦不會被電解研磨掉。像這樣，第一不純物擴散領域1048，作為陽極氧化遮罩而發揮作用。因此，基板1041中位於第一不純物擴散領域1048下方之部位，不會在基板1041的厚度方向上被電解研磨。因此，於第一不純物擴散領域1048的下方形成支撐部1047。
像這樣，將第一不純物擴散領域1048作為陽極氧化遮罩而加以利用。因此，遮罩製程中，於保持層形成領域內不需要形成陽極氧化遮罩1050。一旦將陽極氧化遮罩1050形成於保持層形成領域上，陽極氧化遮罩1050與保持層形成領域的表面(基板1041的第一表面)間便會產生段差。亦即，藉著形成第一不純物擴散領域1048，於遮罩製程中，不需要形成會另外伴隨著段差之陽極氧化遮罩1050。因此，可防止被積層於保持層1042的上表面之紅外線放射層1043發生因段差而間斷之情形。又，可防止紅外線放射層1043的電阻變得不平均。因此，可製造能安定地動作之放射元件1011A。
又，進行了電解研磨製程之後，進行將基板1041或保持層1042洗淨並乾燥之乾燥製程，但因電解研磨製程中形成了支撐部1047，故可防止在乾燥製程中保持層1042附著於基板1041上。
第41圖係表示保持層1042的另一實例。第41圖所示之保持層1042，係使用塊狀矽(bulk silicon)所形成。保持層1042，具有板狀之巨多孔性矽(macro porous silicon)部1042a。巨多孔性矽部1042a中，沿其厚度方向形成了複數巨細孔1042b(macropore)。巨細孔1042b的大小，例如約為數μm。各巨細孔1042b之內，無空隙地形成了奈米多孔性矽部1042c。奈米多孔性矽部1042c中，形成了約數nm之奈米細孔。圖中雖未顯示，但保持層1042的表面(第41圖中之上表面)上，與奈米多孔性矽1042c對應之部位，其表面在微觀下呈波浪狀。
這種保持層1042，可根據適當地選擇基板1041的導電型態或比電阻、及根據陽極氧化進行多孔性化時之條件(電解液的組成、電流密度、處理時間)而形成。例如，作為基板1041，可使用具有約100Ωcm之電阻之高電阻p形矽基板。此時，使用氟酸濃度約為25%之高濃度氟酸溶液作為電解液，並將電流密度設成約為100mA/cm2 的相對較大之值即可。
像這樣，第41圖所示之保持層1042，具有下述之構造：加熱時，根據空洞放射而放射紅外線之巨細孔1042b係被形成於塊狀半導體中，且於奈米細孔被形成於巨細孔1042b中。
此保持層1042中，一旦藉著來自紅外線放射層1043之熱能加熱保持層1042，便會產生由巨細孔1042b所進行之空洞放射。藉此，可進一步提高紅外線的放射效率。巨細孔1042b內，形成奈米多孔性矽部1042c，其形成了奈米細孔。因此，可在不妨礙巨細孔1042b所進行之空洞放射之情況下，瀰補伴隨著巨細孔1042b的形成而造成之保持層1042的強度降低。進而，可改善保持層1042的隔熱性能。
在此，當巨細孔1042b內未形成奈米多孔性矽部1042c時，於保持層1042的表面上，會存在微米尺度之凹凸。當保持層1042的表面上有這種微米尺寸之凹凸時，無法將紅外線放射層1043的厚度尺寸作到約數十nm。另一方面，當巨細孔1042b內形成了奈米多孔性矽部1042c時，保持層1042的表面上僅產生奈米尺度之細微凹凸。因此，保持層1042的表面狀態，幾乎不會對紅外線放射層1043造成影響。藉此，可將紅外線放射層1043的厚度作到約數十nm。
為了從保持層1042放射紅外線，必需將保持層1042的厚度尺寸Lp設定為0.5μm以上。此外，保持層1042的厚度尺寸Lp，如上文所述，被設定為小於上述(10)式所定之值。
第42圖係表示放射元件1011之第二變化例(放射元件1011B)。與紅外線放射層1043積層於保持層1042的全體上表面之放射元件1011A不同，在放射元件1011B中，於保持層1042的上表面形成了三塊紅外線放射層1043。紅外線放射層1043，沿著規定方向(第42圖中之上下方向)以規定間隔並排了三塊。藉此，保持層1042，具有露出部1042d，其上表面從紅外線放射層1043之間露出。支撐部1047，被構成為在保持層1042的露出部1042d支撐保持層1042。第42圖所示之實例中，支撐部1047，沿著保持層1042的露出部1042d之厚度方向將其貫穿。第42圖所示之實例中，保持層1042具有兩塊露出部1042d，各露出部1042d，由兩個支撐部1047支撐在基板1041上，其中上述兩個支撐部1047係沿著規定方向(第42圖中之左右方向)以規定間隔配置。此外，第42圖所示之實例中，雖然設置了三塊紅外線放射層1043，但紅外線放射層1043，亦可設置兩塊，或者亦可設置四塊以上。
第42圖所示之放射元件1011B中，紅外線放射層1043與支撐部1047並未直接接觸。因此，在紅外線放射層所產生之熱能，係經由保持層1042而傳達至支撐部1047。在此，紅外線放射層1043，其導熱率高於保持層1042(換句話說，保持層1042，其導熱率低於紅外線放射層1043)。因此，相較於紅外線放射層1043直接接觸於支撐部1047之情況，可抑制在紅外線放射層1043產生之熱能經由支撐部1047而傳達至基板1041。藉此，可提高紅外線放射層1043的紅外線發光效率(放射效率)。
又，因為紅外線放射層1043與支撐部1047並未直接接觸，故可抑制紅外線放射層1043與支撐部1047間產生較大之溫度梯度。因此，可防止由於較大之熱應力(起因於溫度梯度)而導致紅外線放射層1043與支撐部1047破損之情況。
此外，支撐部1047，與保持層1042的露出部1042d的下表面以及凹處1046的底面相連接，藉此，亦可將其構成為支撐著保持層1042。在這種情況中，與第37圖所示之實例相比，仍可使紅外線放射層1043遠離支撐部1047。藉此，可抑制在紅外線放射層1043產生之熱能經由支撐部1047而傳達至基板1041，而提高紅外線放射層1043的發光效率(放射效率)。在這種情況中，仍可抑制紅外線放射層1043與支撐部1047間產生較大之溫度梯度。藉此，可防止由於較大之熱應力(起因於溫度梯度)而導致紅外線放射層1043與支撐部1047破損之情況。
第43圖(f)係表示放射元件1011之第三變化例(放射元件1011C)。放射元件1011C，與放射元件1011A同樣具有：基板1041、保持層1042、紅外線放射層1043、氣體層1044、電極1045、及支撐部1047。在放射元件1011C中，用作氣體層1044之凹處1046係被形成於保持層1042上，而非基板1041上。
接著，參照第43圖對放射元件1011C的製造方法加以說明。
放射元件1011C的製造方法中，最初進行犧牲層形成製程。犧牲層形成製程中，如第43圖(a)所示，於基板41的第一表面(第43圖(a)中之上表面)上，形成犧牲層1052。犧牲層1052，將藉著之後的蝕刻製程而除去。犧牲層1052，例如為厚度約為5μm之矽氧化膜。犧牲層1052，例如以下述之方法形成：將利用電漿CVD法所形成，厚度約為5μm之矽氧化膜，利用光刻技術及蝕刻技術加以圖案成形。
進行了犧牲層形成製程之後，進行多晶矽層形成製程。多晶矽層形成製程中，首先如第43圖(b)所示，於基板1041的第二表面(第43圖(b)中之下表面)上形成鋁電極1051。然後，於基板1041的第一表面上，形成覆蓋犧牲層1052之多晶矽層1053。多晶矽層1053，係成為保持層1042的基礎。多晶矽層1053，被形成為使其表面為平坦之厚度。又，多晶矽層1053的導電形態，係為p形。多晶矽層1053，例如藉由下述方法而形成：利用CVD法形成了非摻雜多晶矽層之後，於非摻雜多晶矽層進行p形不純物之離子注入，再進行驅入。此多晶矽層1053，例如被形成為使位於犧牲層1052上方之部位的厚度為1μm。
此外，保持層1042的厚度Lp，只要被設定為小於由上述(10)式所決定之μ值即可。放射元件1011C中，保持層的厚度Lp，係指保持層1042中位於氣體層1044上方之部位的厚度。
進行了多晶矽層形成製程之後，進行摻雜製程。摻雜製程中，如第43圖(c)所示，在多晶矽層1053中位於犧牲層1052上方之部位中，形成沿著規定方向(第43圖(c)中之左右方向)，以規定間隔分離之不純物擴散領域1054。不純物擴散領域1054，係藉由以高濃度之n型不純物(例如P離子)注入保持層1042後，再進行驅入而形成。不純物擴散領域1054，被形成為朝保持層1042的厚度方向將其貫穿。此外，摻雜製程中，進行不純物擴散領域1054之退火，使不純物擴散領域1054的不純物擴散並活性化。不純物擴散領域1054，作為n型之陽極氧化遮罩而發揮功能。
進行了摻雜製程之後，進行多孔性化製程。多孔性化製程中，藉著進行陽極氧化，將多晶矽層1053中除了不純物擴散領域1054以外之部位多孔性化。藉此，如第43圖(d)所示，形成由多孔性矽所構成之保持層1042。
多孔性化製程中，如上所述，作為陽極氧化之電解液，係使用將氟化氫水溶夜與乙醇混合而得之氟化氫30%溶夜。進行陽極氧化時，係將多晶矽層1053浸於上述電解液中。然後，在配置於多晶矽層1053的表面(第43圖(d)中之上表面)上之白金電極(未圖示)與鋁電極1051間施加電壓，使規定電流密度(例如100mA/cm2 )之電流流通規定時間量。藉此，多晶矽層1053被多孔性化，而形成保持層1042。此外，為了使不純物擴散領域1054作為n型之陽極氧化遮罩而發揮功能，必需讓光線無法照射到不純物擴散領域1054。
進行了多孔性化製程之後，進行蝕刻製程。蝕刻製程中，如第43圖(e)所示，藉著蝕刻除去犧牲層1052而形成氣體層1044。犧牲層1052，雖然被保持層1042所覆蓋，但因保持層1042被多孔性化，故可使用蝕刻液(例如HF溶液)蝕刻除去犧牲層1052。此蝕刻製程中，不純物擴散領域1054，係作為蝕刻遮罩而發揮作用。因此，不純物擴散領域1054下方之犧牲層1052的部分不會被蝕刻除去而殘留下來，藉此而形成支撐部1047。在這種蝕刻製程中，係同時形成氣體層1044與支撐部1047。
進行了蝕刻製程之後，進行紅外線放射層形成製程。紅外線放射層形成製程中，於保持層1042上形成紅外線放射層1043。第43圖(e)中，紅外線放射層1043，被形成為稍大於氣體層1044之外形尺寸。紅外線放射層1043，係由藉著通電而發熱之貴金屬(例如Ir)所形成。又，紅外線放射層1043的厚度尺寸被設定為約100nm。此外，紅外線放射層1043的材料，並不限定於Ir，只要可藉由通電而發熱之耐熱性材料即可，如耐熱性金屬、金屬氮化物、金屬碳化物等，其中較佳者為紅外線放射率較高之材料。
進行了紅外線放射層形成製程之後，進行電極形成製程。電極形成製程中，於紅外線放射層1043的兩端(第43圖(e)中之左右兩端)分別形成電極1045。電極1045，係利用使用了金屬遮罩等之蒸鍍法等而形成。
藉此，可得到如第43圖(f)所示之放射元件1011C。
如以上所述，放射元件1011C的製造方法，係具備：犧牲層形成製程、多晶矽層形成製程、多孔性化製程、蝕刻製程、及紅外線放射層形成製程。在犧牲層形成製程中，於基板1041的第一表面的規定領域中形成犧牲層1052。在多晶矽層形成製程中，於犧牲層1052的表面上形成摻雜了不純物之多晶矽層1053。在多孔性化製程中，藉由將多晶矽層1053進行陽極氧化，而形成由多孔性層所構成之保持層1042。在蝕刻製程中，經由保持層1042蝕刻除去犧牲層1052，而形成氣體層1044。
若根據以上所述之放射元件1011C的製造方法，在將覆蓋犧牲層1052之多晶矽層1053多孔性化而形成保持層1042後，經由保持層1042蝕刻除去犧牲層1052，藉此形成氣體層1044。因此，可容易地形成氣體層1044及保持層1042。
又，放射元件1011C的製造方法，在多晶矽層形成製程與多孔性化製程之間具備摻雜製程。在摻雜製程中，於多晶矽層1053上，形成不純物擴散領域1054，其在多孔性化製程中未藉由陽極氧化而被多孔性化。
因此，於多孔性化製程之後的蝕刻製程中，不純物擴散領域1054係作為犧牲層1052的蝕刻遮罩而發揮作用。因此，犧牲層1052，僅留下在厚度方向上與不純物擴散領域1054重複之部位，其餘部位被蝕刻除去。犧牲層1052中未被蝕刻除去之部位，成為支撐部1047。像這樣，若根據放射元件1011C的製造方法，則可容易且同時地形成氣體層1044與支撐部1047。
1．．．濾光片形成用基板(濾光片基板)
2．．．窄帶域透射濾光片部(透射濾光片)
21 、22 ．．．透射濾光片
3．．．寬帶域遮斷濾光片部(遮斷濾光片)
3a、3b．．．薄膜
41 、42 、43 、44 ．．．熱電元件
6．．．電路方塊
7．．．封裝外殼
7a．．．窗孔
9．．．分隔器
10．．．紅外光源
11．．．驅動電路
12．．．透鏡
13．．．腔體
13a．．．流入路
13b．．．排出路
20．．．紅外線光學濾光片(光學濾光片)
20a．．．濾光片本體部
20b．．．凸緣部
20c．．．段差部
21．．．第一λ/4多層膜(第一多層膜)
21a、21b．．．薄膜
22．．．第二λ/4多層膜(第二多層膜)
23(231 、232 )．．．波長選擇層
31．．．阻抗層
40．．．紅外線受光元件(紅外線受光部)
41．．．熱電元件形成用基板
42．．．支撐基板
42a．．．開孔部
43．．．薄膜部
44．．．第一熱電要素
45．．．第二熱電要素
46．．．絕緣膜
47．．．紅外線吸收部
48．．．金屬層
49．．．金屬板
58．．．接合部
62．．．第一電路基板
62b．．．通過孔
63．．．積體電路
63a．．．放大電路(帶通放大器)
64．．．電子零件
65．．．樹脂層
65b．．．通過孔
66．．．屏蔽板
66b．．．通過孔
67．．．第二電路基板
67a．．．熱絕緣用孔
67b．．．通過孔
71．．．底座
71b．．．端子用孔
71c．．．凸緣部
72．．．上蓋
72c．．．外鍔部
74．．．封口部
74a、74b．．．封口部
75．．．端子接腳
75a．．．供電用端子接腳
75b．．．信號輸出用端子接腳
75c．．．接地用端子接腳
100．．．封裝外殼
100a．．．窗孔
110．．．紅外線放射元件
111．．．支撐基板
112．．．絕緣膜
113．．．熱絕緣層
114．．．加熱器層(發熱體層)
115．．．金屬板
124．．．接合導線
125．．．端子接腳
130．．．光學材料
1001．．．紅外光源
1002．．．紅外線偵測器(紅外線式檢測器)
1003．．．氣體檢測管
1004．．．驅動電路
1005．．．檢測電路
1010．．．封裝外殼(金屬外殼)
1011．．．放射元件(紅外線放射元件)
1011A、1011B、1011C．．．放射元件
1012．．．窗孔
1013．．．投光透鏡
1014．．．導引接腳
1015．．．接合導線
1020．．．封裝外殼(金屬外殼)
1021a、1021b．．．受光元件
1022．．．窗孔
1023．．．濾光片基板(濾光片形成用基板)
1024．．．導引接腳
1025a、1025b．．．透射濾光片(窄帶域透射濾光片部)
1026．．．寬帶域遮斷濾光片部(除去濾光片、遮斷濾光片)
1027x、1027y．．．薄膜
1028．．．波長選擇層
1029．．．濾光片(光學濾光片)
1031．．．管路
1032．．．連通孔
1041．．．基板
1042．．．保持層
1042a．．．巨多孔性矽部
1042b．．．巨細孔
1042c．．．奈米多孔性矽部
1042d．．．露出部
1043．．．紅外線放射層
1044．．．氣體層
1045．．．電極
1046．．．凹處
1047．．．支撐部(支撐體)
1048．．．第一不純物擴散領域
1049．．．第二不純物擴散領域
1050．．．陽極氧化遮罩
1051．．．鋁電極
1052．．．犧牲層
1053．．．多晶矽層
1054．．．不純物擴散領域
1127a．．．第一λ/4多層膜(第一多層膜)
1127b．．．第二λ/4多層膜(第二多層膜)
A1．．．入射光
A2．．．透射光
A3．．．反射光
E1、E2．．．紅外線
TP1、TP2．．．熱電堆
第1圖係表示實施形態1之紅外線式氣體檢測器，其中(a)為概略平面圖，(b)為概略剖面圖。
第2圖係為上圖中之紅外線式氣體檢測器的概略分解斜視圖。
第3圖係表示上圖中之紅外線式氣體檢測器中的紅外線受光元件，其中(a)為概略平面圖，(b)為電路圖，(c)為其他構成例的電路圖。
第4圖係為上圖中之紅外線式氣體檢測器的光學濾光片的概略剖面圖。
第5圖係為上圖中之光學濾光片中的設定波長與反射帶域間之關係說明圖。
第6圖係為用來說明上圖中之光學濾光片的反射帶域寬度之折射率周期構造的透射頻譜圖。
第7圖係為上圖中之折射率周期構造中的低折射率材料的折射率與反射帶域寬度間之關係說明圖。
第8圖係表示上圖中之光學濾光片的濾光片本體部的基本構成之概略剖面圖。
第9圖係為上圖中之基本構成之特性說明圖。
第10圖係為上圖中之基本構成之特性說明圖。
第11圖係為上述各圖中之光學濾光片中，由遠紅外線吸收材料所形成之薄膜的透射頻譜圖。
第12圖係為用來說明上圖中之光學濾光片的製造方法之主要製程剖面圖。
第13圖係為上圖中之光學濾光片中，由兩個透射濾光片所構成之部分的透射頻譜圖。
第14圖係表示根據FT-IR(傅立葉變換紅外分光法)，對上述各圖中的使用離子束輔助蒸鍍裝置而形成之薄膜的膜質進行分析而得的結果之圖。
第15圖(a)為於Si基板上將膜厚度為1μm之Al2 O3 膜成膜之參考例的透射頻譜圖；(b)為基於(a)之透射頻譜圖而算出之Al2 O3 膜的光學參數(折射率、吸收係數)之說明圖。
第16圖係為上述各圖中之光學濾光片的透射頻譜圖。
第17圖係為上圖中之光學濾光片的遮斷濾光片的透射頻譜圖。
第18圖係為具備以上各圖中之紅外線式氣體檢測器之紅外線式氣體量測裝置之概略構成圖。
第19圖係為物體的溫度與放射能量間之關係說明圖。
第20圖係表示紅外光源之其他構成例，其中(a)為其概略剖面圖，(b)為其關鍵部位概略剖面圖。
第21圖係為紅外光源的輸出之說明圖。
第22圖係為上述各圖中之光學濾光片之說明圖。
第23圖係為上述各圖中之紅外線受光元件的輸出之說明圖。
第24圖係表示上述各圖中之紅外線式氣體檢測器中的紅外線受元光件之其他構成例，其中(a)為其概略平面圖，(b)為其電路圖，(c)為另一構成例之電路圖。
第25圖係為Si的透射特性之說明圖。
第26圖係為Ge的透射特性之說明圖。
第27圖係表示上述各圖中之紅外線式氣體檢測器中的熱型紅外線檢出元件之其他構成例，其中(a)為其關鍵部位概略平面圖，(b)為其概略剖面圖。
第28圖係表示上述各圖中之紅外線式氣體檢測器中的紅外線受光元件之其他構成例，其中(a)為其概略平面器，(b)為其電路圖。
第29圖係為氣體的濃度與透射率間之關係說明圖。
第30圖係為表示實施形態2之全體構成之概略構成圖。
第31圖係為上圖中使用之透射濾光片之剖面圖。
第32圖係為上圖中使用之透射濾光片與遮斷濾光片間之特性圖。
第33圖係表示上述各圖中使用之放射元件之一實例之剖面圖。
第34圖係為上圖中使用之放射元件之動作說明圖。
第35圖係表示上圖中之放射元件的保持層的溫度特性之圖。
第36圖係表示下列各者：(a)表示施加於放射元件的電極間之驅動電壓的波形，(b)表示紅外線放射層的溫度變化，(c)表示放射元件之第一比較例的紅外線放射層的溫度變化，(d)表示放射元件之第二比較例的紅外線放射層的溫度變化。
第37圖係為上圖中之放射元件之第一變化例的剖面概略圖。
第38圖係為上圖中之放射元件之第一變化例的上表面圖。
第39圖係為上圖中之放射元件之第一變化例的製造方法之說明圖。
第40圖係表示在上圖中之放射元件之第一變化例中，未具有第二不純物擴散領域時之概略圖。
第41圖係表示上圖中之放射元件之第一變化例之其他例之剖面圖。
第42圖係為上述各圖中之放射元件之第二變化例的上表面圖。
第43圖係為上述各圖中之放射元件之第三變化例的製造方法之說明圖。
1．．．濾光片形成用基板(濾光片基板)
21 、22 ．．．透射濾光片
3．．．寬帶域遮斷濾光片部(遮斷濾光片)
41 、42 ．．．熱電元件
6．．．電路方塊
7．．．封裝外殼
7a．．．窗孔
9．．．分隔器
20．．．紅外線光學濾光片(光學濾光片)
20a．．．濾光片本體部
20b．．．凸緣部
20c．．．段差部
40．．．紅外線受光元件(紅外線受光部)
41．．．熱電元件形成用基板
58．．．接合部
62．．．第一電路基板
63．．．積體電路
65．．．樹脂層
66．．．屏蔽板
67．．．第二電路基板
67a．．．熱絕緣用孔
71．．．底座
71c．．．凸緣部
72．．．上蓋
72c．．．外鍔部
75．．．端子接腳

Claims (11)

  1. 一種紅外線式氣體檢測器，其特徵在於：具備紅外線受光部、收納上述紅外線受光部之封裝外殼、及光學濾光片；上述紅外線受光部，具有複數個熱型紅外線檢測元件，其利用熱能來檢測紅外線；上述複數個熱型紅外線檢測元件，係被並排著配置；上述封裝外殼，具有窗孔，其用來使紅外線入射至上述紅外線受光部；上述光學濾光片，具有複數個濾光片要素部，其以封閉上述窗孔之方式而接合於上述封裝外殼上，且分別對應於上述複數個熱型紅外線檢測元件；上述各濾光片要素部，具備：濾光片基板，其由使紅外線透射之材料所形成；透射濾光片，其被構成為選擇性地使規定選擇波長之紅外線透射；及遮斷濾光片，其被構成為將波長比上述透射濾光片的上述選擇波長更長之紅外線加以吸收；上述透射濾光片和上述遮斷濾光片，分別被形成於上述濾光片基板上；上述濾光片基板，熱性結合於上述封裝外殼； 上述各濾光片要素部，其上述透射濾光片的上述選擇波長彼此相異；上述透射濾光片，具備第一λ/4多層膜、第二λ/4多層膜、及介於上述第一λ/4多層膜與上述第二λ/4多層膜間之波長選擇層；上述第一λ/4多層膜和上述第二λ/4多層膜，係各自積層折射率彼此相異且光學膜厚度彼此相等之複數種薄膜而形成；上述波長選擇層的光學膜厚，對應於上述透射濾光片的上述選擇波長，而被設定成與上述薄膜的光學膜厚度相異之大小；上述遮斷濾光片，係積層折射率彼此相異之複數種薄膜而形成之多層膜；上述複數種薄膜中的至少一種，係由吸收遠紅外線之遠紅外線吸收材料所形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：上述紅外線受光部，具有一對上述熱型紅外線檢測元件；上述熱型紅外線檢測元件，係為熱電元件或熱電堆；上述一對熱型紅外線檢測元件，以反向串聯或反向並聯之方式相連接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：具備放大電路，其放大上述紅外線受光部的輸出；上述放大電路，係收納於上述封裝外殼中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：具備放大電路；上述紅外線受光部，具有一對上述熱型紅外線檢測元件；上述熱型紅外線檢測元件，係為熱電元件或熱電堆；上述放大電路，係為差動放大電路，其放大上述一對熱型紅外線檢測元件各自的輸出之差值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：上述濾光片基板，由Si基板或Ge基板所形成。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：上述封裝外殼，具備金屬製之屏蔽部，其防止電磁波進入上述封裝外殼的內部；上述濾光片基板，電性連接於上述屏蔽部。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器， 其中：上述濾光片基板，具有朝向上述封裝外殼的內側之第一表面與朝向上述封裝外殼的外側之第二表面；上述透射濾光片，被形成於上述濾光片基板的上述第一表面上；上述遮斷濾光片，被形成於上述濾光片基板的上述第二表面上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器，其中：上述各濾光片要素部的上述濾光片基板，係互相為一體成形。
  9. 一種紅外線式氣體量測裝置，其特徵在於具備：紅外光源，其放射紅外線至規定之空間；及申請專利範圍第1項所述之紅外線式氣體檢測器，其接收通過上述規定之空間後之紅外線。
  10. 一種紅外線式氣體量測裝置，其具備：紅外光源，其放射紅外線至規定之空間；紅外線式氣體檢測器，其接收通過上述規定之空間之紅外線；驅動電路，其驅動上述紅外光源，使上述紅外光源間歇性地放射紅外線； 上述紅外線式氣體檢測器，具備紅外線受光部、收納上述紅外線受光部之封裝外殼、及光學濾光片；上述紅外線受光部，具有複數個熱型紅外線檢測元件，其利用熱能來檢測紅外線；上述複數個熱型紅外線檢測元件，係被並排著配置；上述封裝外殼，具有窗孔，其用來使紅外線入射至上述紅外線受光部；上述光學濾光片，具有複數個濾光片要素部，其以封閉上述窗孔之方式而接合於上述封裝外殼上，且分別對應於上述複數個熱型紅外線檢測元件；上述各濾光片要素部，具備：濾光片基板，其由使紅外線透射之材料所形成；透射濾光片，其被構成為選擇性地使規定選擇波長之紅外線透射；遮斷濾光片，其被構成為將波長比上述透射濾光片的上述選擇波長更長之紅外線加以吸收；上述透射濾光片及上述遮斷濾光片，分別被形成於上述濾光片基板上；上述濾光片基板，熱性結合於上述封裝外殼；上述各濾光片要素部，其上述透射濾光片的上述選擇波長彼此相異；上述紅外光源，具備：基板、被形成於上述基板上之保持層、被積層於上述保持層上之紅外線放射層、及介於上述基板與上述保持層間之氣體層；上述紅外線放射層，被構成為根據伴隨著通電所產生 之熱能而放射紅外線；上述氣體層，被構成為下述形態：當上述紅外線放射層被通電時，抑制上述保持層的溫度降低；當上述紅外線放射層未通電時，促進從上述保持層至上述基板之傳熱；當給予上述紅外線放射層之電壓為頻率f[Hz]之正弦波電壓，上述氣體層的導熱率為α g[W/mK]，且上述氣體層的體積熱容量為Cg[J/m3 K]時，上述氣體層的厚度Lg，被設定為滿足以下關係式：0.05 x Lg’<Lg<3×Lg’(其中，Lg’=(2 α g/ω Cg)1/2 ，ω=2 π f)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之紅外線式氣體量測裝置，其中：上述保持層，其導熱率低於上述基板；上述保持層，被構成為下述之形態：根據吸收在被通電的上述紅外線放射層處所產生之熱能、或者反射從上述紅外線放射層放射出之紅外線，而產生從上述保持層朝向上述紅外線放射層之紅外線；上述紅外線放射層，被構成為使上述保持層所產生之紅外線透射。
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