WO2010150787A1

WO2010150787A1 - 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置

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Publication number: WO2010150787A1
Application number: PCT/JP2010/060570
Authority: WO
Inventors: 西川　尚之; 渡部　祥文; 雄一稲葉; 孝彦平井; 北村　啓明
Original assignee: パナソニック電工株式会社
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2010-12-29
Also published as: KR20120071381A; KR101311322B1; EP2447705A1; TWI426259B; CN102575983A; TW201129790A; US20120235038A1

Abstract

　赤外線式ガス検知器は、赤外線受光部と、上記赤外線受光部を収納するパッケージと、光学フィルタと、を備える。上記赤外線受光部は、熱を利用して赤外線を検出する複数の熱型赤外線検出素子を有する。上記複数の熱型赤外線検出素子は、並べて配置される。上記パッケージは、赤外線を上記赤外線受光部に入射させるための窓孔を有する。上記光学フィルタは、上記窓孔を閉塞するように上記パッケージに接合され、上記複数の熱型赤外線検出素子にそれぞれ対応する複数のフィルタ要素部を有する。上記各フィルタ要素部は、赤外線を透過させる材料により形成されたフィルタ基板と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された透過フィルタと、上記透過フィルタの上記選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタとを、備える。上記透過フィルタおよび上記遮断フィルタは、それぞれ上記フィルタ基板上に形成される。上記フィルタ基板は、上記パッケージに熱的に結合される。上記各フィルタ要素部は、上記透過フィルタの上記選択波長が互いに異なっている。

Description

赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置

　本発明は、赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置に関する。

　従来から、ガスにより特定波長の赤外線が吸収されることを利用してガスの計測を行う赤外線式ガス計測装置が知られている。赤外線式ガス計測装置は、計測ガスの分子構造に応じて決定される吸収波長の赤外線（赤外光）の吸光度を計測することにより、測定ガスの濃度を計測する（特開平７－７２０７８号公報、特開平３－２０５５２１号公報、特開平１０－２８１８６６号公報参照）。

　特開平７－７２０７８号公報に記載された赤外線式ガスセンサーは、所定波長の赤外線を透過させるフィルタと、フィルタを透過した赤外線を検出する焦電型光センサとを備える。フィルタは、焦電型光センサの上に直接的に形成されている。そのため、熱容量が大きくななるとともに熱絶縁性の確保が難しくなり、応答性が低下してしまう。

　特開平３－２０５５２１号公報に記載された赤外線検出器は、ケースとステムとで構成されるパッケージを備えている。パッケージには、赤外線検出素子を収容するホルダが収納されている。ケースには、赤外線を赤外線検出素子に入射させるための開口部が形成されている。開口部は、サファイアなどの赤外線を透過する窓材で閉塞されている。ホルダには、光学フィルタが赤外線検出素子の前方に位置するように取り付けられている。光学フィルタは、基板を有する。この基板の一面には、所定の波長帯域の赤外線を透過させるバンドパス面（透過フィルタ）が形成され、基板の他面には、上記所定の波長帯域以外の赤外線を除去するショートロングカット面（遮断フィルタ）が形成されている。透過フィルタおよび遮断フィルタは、Ｇｅ膜とＳｉＯ膜とを積層した多層膜である。ＳｉＯ膜は、透過フィルタが透過させる赤外線の波長帯域（すなわち透過帯域）よりも長波長帯域の赤外線を吸収する特性も有している。そのため、透過フィルタや遮断フィルタ自体の温度が上昇して、吸収波長帯の赤外線が放射されてしまうおそれがある。ここで、光学フィルタおよび赤外線検出素子に温度分布が生じると、光学フィルタの遠赤外線の吸収に起因した長波長の赤外線放射強度と赤外線検出素子の赤外線受光強度に差が生じて、温度分布に起因した出力が発生するおそれがある。

　本発明は上記事由に鑑みて為された。本発明の目的は、低コスト化および高感度化が可能な赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置を提供することである。

　本発明に係る赤外線式ガス検知器は、赤外線受光部と、上記赤外線受光部を収納するパッケージと、光学フィルタと、を備える。上記赤外線受光部は、熱を利用して赤外線を検出する複数の熱型赤外線検出素子を有する。上記複数の熱型赤外線検出素子は、並べて配置される。上記パッケージは、赤外線を上記赤外線受光部に入射させるための窓孔を有する。上記光学フィルタは、上記窓孔を閉塞するように上記パッケージに接合され、上記複数の熱型赤外線検出素子にそれぞれ対応する複数のフィルタ要素部を有する。上記各フィルタ要素部は、赤外線を透過させる材料により形成されたフィルタ基板と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された透過フィルタと、上記透過フィルタの上記選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタとを、備える。上記透過フィルタおよび上記遮断フィルタは、それぞれ上記フィルタ基板上に形成される。上記フィルタ基板は、上記パッケージに熱的に結合される。上記各フィルタ要素部は、上記透過フィルタの上記選択波長が互いに異なっている。

　好ましい形態では、上記赤外線受光部は、一対の上記熱型赤外線検出素子を有する。上記熱型赤外線検出素子は、焦電素子またはサーモパイルである。上記一対の熱型赤外線検出素子は、逆直列または逆並列に接続されている。

　より好ましい形態では、上記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路を備える。上記増幅回路は、上記パッケージに収納されている。

　別の好ましい形態では、赤外線式ガス検知器は、増幅回路を備える。上記赤外線受光部は、一対の上記熱型赤外線検出素子を有する。上記熱型赤外線検出素子は、焦電素子またはサーモパイルである。上記増幅回路は、上記一対の熱型赤外線検出素子のそれぞれの出力の差を増幅する差動増幅回路である。

　別の好ましい形態では、上記フィルタ基板は、Ｓｉ基板もしくはＧｅ基板により形成されている。

　より好ましい形態では、上記パッケージは、上記パッケージの内部に電磁波が入ることを防止する金属製のシールド部を備える。上記フィルタ基板は、上記シールド部に電気的に接続されている。

　別の好ましい形態では、上記フィルタ基板は、上記パッケージの内側を向いた第１表面と、上記パッケージの外側を向いた第２表面と、を有する。上記透過フィルタは、上記フィルタ基板の上記第１表面に形成される。上記遮断フィルタは、上記フィルタ基板の上記第２表面に形成されている。

　別の好ましい形態では、上記各フィルタ要素部の上記フィルタ基板は、互いに一体に形成されている。

　別の好ましい形態では、上記透過フィルタは、第１のλ／４多層膜と、第２のλ／４多層膜と、上記第１のλ／４多層膜と上記第２のλ／４多層膜との間に介在された波長選択層と、を備える。上記第１のλ／４多層膜および上記第２のλ／４多層膜は、それぞれ屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が互いに等しい複数種類の薄膜を積層して形成される。上記波長選択層の光学膜厚は、上記透過フィルタの上記選択波長に応じて上記薄膜の光学膜厚と異なる大きさに設定される。上記遮断フィルタは、屈折率が互いに異なる複数種類の薄膜を積層して形成された多層膜である。上記複数種類の薄膜のうちの少なくとも１種類は、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されている。

　本発明に係る赤外線式ガス計測装置は、所定の空間に赤外線を放射する赤外光源と、上記所定の空間を通過した赤外線を受け取る赤外線式ガス検知器と、を備える。上記赤外線式ガス検知器は、赤外線受光部と、上記赤外線受光部を収納するパッケージと、光学フィルタと、を備える。上記赤外線受光部は、熱を利用して赤外線を検出する複数の熱型赤外線検出素子を有する。上記複数の熱型赤外線検出素子は、並べて配置される。上記パッケージは、赤外線を上記赤外線受光部に入射させるための窓孔を有する。上記光学フィルタは、上記窓孔を閉塞するように上記パッケージに接合され、上記複数の熱型赤外線検出素子にそれぞれ対応する複数のフィルタ要素部を有する。上記各フィルタ要素部は、赤外線を透過させる材料により形成されたフィルタ基板と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された透過フィルタと、上記透過フィルタの上記選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタとを、備える。上記透過フィルタおよび上記遮断フィルタは、それぞれ上記フィルタ基板上に形成される。上記フィルタ基板は、上記パッケージに熱的に結合される。上記各フィルタ要素部は、上記透過フィルタの上記選択波長が互いに異なっている。

　好ましい形態では、上記赤外光源が間欠的に赤外線を放射するように上記赤外光源を駆動する駆動回路を備える。

　より好ましい形態では、上記赤外光源は、基板と、上記基板に形成された保持層と、上記保持層に積層された赤外線放射層と、上記基板と上記保持層との間に介在された気体層と、を備える。上記赤外線放射層は、通電に伴って発生した熱によって赤外線を放射するように構成される。上記気体層は、上記赤外線放射層が通電されているときには上記保持層の温度が低下することを抑制し、上記赤外線放射層が通電されていないときには上記保持層から上記基板への熱伝達を促進するように構成される。

　より好ましい形態では、上記赤外線放射層に与えられる電圧が周波数ｆ〔Ｈｚ〕の正弦波電圧であり、上記気体層の熱伝導率がα_g〔Ｗ／ｍＫ〕であり、上記気体層の体積熱容量がＣｇ〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕であるとき、上記気体層の厚みＬｇは、０．０５×Ｌｇ´＜Ｌｇ＜３×Ｌｇ´の（ただし、Ｌｇ´＝（２αｇ／ωＣｇ）^1/2、ω＝２πｆ）の関係を満たすように設定される。

　より好ましい形態では、上記保持層は、熱伝導率が上記基板よりも低い。上記保持層は、通電された上記赤外線放射層で発生した熱を吸収すること、または、上記赤外線放射層から放射された赤外線を反射することによって、上記保持層から上記赤外線放射層に向かう赤外線を発生させるように構成される。上記赤外線放射層は、上記保持層が発生させた赤外線を透過させるように構成される。

実施形態１の赤外線式ガス検知器を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線式ガス検知器の概略分解斜視図である。同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図、（ｃ）は他の構成例の回路図である。同上の赤外線式ガス検知器の光学フィルタの概略断面図である。同上の光学フィルタにおける設定波長と反射帯域との関係説明図である。同上の光学フィルタの反射帯域幅を説明するための屈折率周期構造の透過スペクトル図である。同上の屈折率周期構造における低屈折率材料の屈折率と反射帯域幅との関係説明図である。同上の光学フィルタのフィルタ本体部の基本構成を示す概略断面図である。同上の基本構成の特性説明図である。同上の基本構成の特性説明図である。同上の光学フィルタにおける遠赤外線吸収材料により形成した薄膜の透過スペクトル図である。同上の光学フィルタの製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の光学フィルタの２つの透過フィルタにより構成される部分の透過スペクトル図である。同上におけるイオンビームアシスト蒸着装置を用いて形成した薄膜の膜質をＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）により分析した結果を示す図である。（ａ）はＳｉ基板上に膜厚が１μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を成膜した参考例の透過スペクトル図、（ｂ）は（ａ）の透過スペクトル図に基づいて算出したＡｌ₂Ｏ₃膜の光学パラメータ（屈折率、吸収係数）の説明図である。同上の光学フィルタの透過スペクトル図である。同上の光学フィルタの遮断フィルタの透過スペクトル図である。同上の赤外線式ガス検知器を備えた赤外線式ガス計測装置の概略構成図である。物体の温度と放射エネルギーとの関係説明図である。赤外光源の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。赤外光源の出力の説明図である。同上における光学フィルタの説明図である。同上における赤外線受光素子の出力の説明図である。同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図、（ｃ）は別の構成例の回路図である。Ｓｉの透過特性の説明図である。Ｇｅの透過特性の説明図である。同上の赤外線式ガス検知器における熱型赤外線検出素子の他の構成例を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図である。ガスの濃度と透過率との関係説明図である。実施形態２の全体構成を示す概略構成図である。同上に用いる透過フィルタの断面図である。同上に用いる透過フィルタと遮断フィルタとの特性図である。同上に用いる放射素子の一例を示す断面図である。同上に用いる放射素子の動作説明図である。同上の放射素子の保持層の温度特性を示す図である。（ａ）は、放射素子の電極間に印加される駆動電圧の波形を示し、（ｂ）は、赤外線放射層の温度変化を示し、（ｃ）は、放射素子の第１比較例の赤外線放射層の温度変化を示し、（ｄ）は、放射素子の第２比較例の赤外線放射層の温度変化を示す。同上の放射素子の第１変形例の断面外略図である。同上の放射素子の第１変形例の上面図である。同上の放射素子の第１変形例の製造方法の説明図である。同上の放射素子の第１変形例において第２不純物拡散領域を有していない場合の概略図を示す。同上の放射素子の第１変形例の他例を示す断面図である。同上の放射素子の第２変形例の上面図である。同上の放射素子の第３変形例の製造方法の説明図である。

　（実施形態１）
　本実施形態の赤外線式ガス検知器（赤外線受光ユニット）は、図１および図２に示すように、複数（ここでは、２つ）の焦電素子４₁，４₂を有する赤外線受光素子（赤外線受光部）４０および赤外線受光素子４０の出力を信号処理する信号処理回路が設けられた回路ブロック６と、回路ブロック６を収納するキャンパッケージからなるパッケージ７とを備えている。なお、本実施形態では、焦電素子４₁，４₂は、熱を利用して赤外線を検出する熱型赤外線検出素子である。

　パッケージ７は、金属製のステム７１と、金属製のキャップ７２とからなる。ステム７１には、回路ブロック６が絶縁材料からなるスペーサ９を介して実装される。キャップ７２は、回路ブロック６を覆うようにステム７１に固着される。ステム７１には、回路ブロック６の適宜部位と電気的に接続される複数本（ここでは、３本）の端子ピン７５がステム７１を貫通する形で設けられている。ステム７１は、円盤状に形成され、キャップ７２は、後面が開放された有底円筒状の形状に形成されている。キャップ７２の後面は、ステム７１により閉塞される。なお、スペーサ９は、回路ブロック６およびステム７１に接着剤を用いて固着されている。

　キャップ７２は、パッケージ７の一部を構成する。キャップ７２は、赤外線受光素子４０の前方に位置する前壁を有する。キャップ７２の前壁には、矩形状（本実施形態では、正方形状）の窓孔７ａが形成されている。窓孔７ａは、赤外線を赤外線受光素子４０に入射させるために用いられる。キャップ７２の内側には、赤外線光学フィルタ（光学フィルタ）２０が窓孔７ａを覆うようにして取り付けられている。要するに、光学フィルタ２０は、赤外線受光素子４０の前方に位置しており、パッケージ７の窓孔７ａを閉塞する形でパッケージ７に接合されている。

　また、ステム７１には、上述の各端子ピン７５それぞれが挿通される複数の端子用孔７１ｂが厚み方向に貫設されている。各端子ピン７５は、端子用孔７１ｂに挿通された形で封止部７４を用いてステム７１に封着されている。

　キャップ７２およびステム７１は鋼板により形成されている。ステム７１の周部に形成されたフランジ部７１ｃに、キャップ７２の後端縁から外方に延設された外鍔部７２ｃを溶接することで、キャップ７２をステム７１に封着してある。

　回路ブロック６は、第１の回路基板６２と、樹脂層６５と、シールド板６６と、第２の回路基板６７とで構成されている。第１の回路基板６２は、上述の信号処理回路の構成要素である集積回路６３およびチップ状の電子部品６４が互いに異なる面に実装されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板など）である。樹脂層６５は、第１の回路基板６２における電子部品６４の実装面に積層されている。シールド板６６は、ガラスエポキシなどからなる絶縁性基材と、絶縁性基材の表面に形成された金属材料（例えば、銅など）からなる金属層（以下、シールド層と称す）とを有する。シールド板６６は、樹脂層６５に積層されている。第２の回路基板６７は、プリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板）である。第２の回路基板６７には、赤外線受光素子４０が実装される。第２の回路基板６７は、シールド板６６に積層される。なお、シールド板６６の代わりに、銅箔や金属板のみでシールド層を形成してもよい。

　集積回路６３は、第１の回路基板６２の第１面（図２における下面）にフリップチップ実装されている。複数の電子部品６４は、第１の回路基板６２の第２面（図２における上面）に半田リフローにより実装されている。

　赤外線受光素子４０は、互いに極性の異なる一対の焦電素子４₁，４₂と、焦電材料（例えば、リチウムタンタレートなど）からなる焦電素子形成用基板４１と、を有する。一対の焦電素子４₁，４₂は、焦電素子形成用基板４１上に並べて配置されている。赤外線受光素子４０は、２つの焦電素子４₁，４₂の差動出力が得られるように２つの焦電素子４₁，４₂が逆直列に接続されたデュアル素子である（図３（ｂ）参照）。

　集積回路６３は、赤外線受光素子４０の所定周波数帯域（例えば、０．１～１０Ｈｚ程度）の出力を増幅する増幅回路（バンドパスアンプ）６３ａ（図１８参照）や当該増幅回路６３ａの後段のウインドウコンパレータなどを有する。

　本実施形態における回路ブロック６は、シールド板６６を備えているので、赤外線受光素子４０と上記増幅回路との容量結合などに起因した発振現象の発生を防止できる。また、赤外線受光素子４０は、一対の焦電素子４₁，４₂の差動出力が得られるように構成されていればよい。したがって、一対の焦電素子４₁，４₂は、例えば、図３（ｃ）に示すように、逆並列に接続されていてもよい。

　第２の回路基板６７には、焦電素子４₁，４₂と第２の回路基板６７とを熱絶縁するための熱絶縁用孔６７ａが厚み方向に貫設されている。そのため、焦電素子４₁，４₂とシールド板６６との間に空隙が形成されて、感度が高くなる。なお、第２の回路基板６７に熱絶縁用孔６７を貫設する代わりに、第２の回路基板６７に、焦電素子４₁，４₂と第２の回路基板６７との間に空隙が形成される形で赤外線受光素子４０を支持する支持部を突設してもよい。

　第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７それぞれには、端子ピン７５が挿通されるスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂが厚み方向に貫設されている。赤外線受光素子４０と上記信号処理回路とは、端子ピン７５を介して電気的に接続されている。なお、第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７を積層した後に回路ブロック６の厚み方向に貫通する貫通孔を形成すれば、１回の孔あけ加工でスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂを形成できる。このような部品内蔵基板工法を採用すれば、製造工程の簡略化を図れるとともに回路ブロック６内の電気的な接続が容易になる。

　３本の端子ピン７５は、１本が給電用の端子ピン７５（７５ａ）、他の１本が信号出力用の端子ピン７５（７５ｂ）、残りの１本がグランド用の端子ピン７５（７５ｃ）である。シールド板６６のシールド層はグランド用の端子ピン７５ｃに電気的に接続されている。ここで、端子ピン７５ａ，７５ｂをステム７１に封着する封止部７４，７４（７４ａ，７４ｂ）は、絶縁性を有する封着用のガラスにより形成されている。端子ピン７５ｃをステム７１に封着する封止部７４（７４ｃ）は、金属材料により形成されている。要するに、端子ピン７５ａ，７５ｂはステム７１と電気的に絶縁されているのに対し、端子ピン７５ｃはステム７１と同電位となっている。したがって、シールド板６６の電位はグランド電位に設定される。なお、シールド板６６の電位は、シールド機能を果たすことが可能な特定の電位であれば、グランド電位以外の電位であってもよい。なお、本実施形態では、キャップ７２とステム７１とが、外部からの電磁波を遮蔽するシールド部を構成している。要するに、本実施形態では、パッケージ７は、パッケージ７の内部に電磁波が入ることを防止する金属製のシールド部を備えている。

　本実施形態の赤外線式ガス検知器の製造にあたっては、まず、赤外線受光素子４０が搭載された回路ブロック６をステム７１にスペーサ９を介して実装する。その後に、赤外線光学フィルタ２０が窓孔７ａを閉塞する形で固着されたキャップ７２の外鍔部７２ｃをステム７１のフランジ部７１ｃに溶接して、パッケージ７内を封止する。ここで、パッケージ７内には、湿度などの影響による赤外線受光素子４０の特性変化を防止するために、ドライ窒素が封入されている。なお、本実施形態におけるパッケージ７は、キャンパッケージであるから、外来ノイズに対するシールド効果を高めることができ、また、気密性を向上できるから耐候性を向上できる。ただし、パッケージ７は、シールド部として金属層からなるシールド層が設けられてシールド効果を有するセラミックスパッケージであってもよい。

　光学フィルタ２０は、フィルタ本体部２０ａと、フランジ部２０ｂと、を有している。フィルタ本体部２０ａは、フィルタ形成用基板（フィルタ基板）１と、狭帯域透過フィルタ部（透過フィルタ）２（２₁，２₂）と、広帯域遮断フィルタ部（遮断フィルタ）３と、を備える。フランジ部２０ｂは、フィルタ本体部２０ａの周部（フィルタ基板１の周部）から外方に延設されている。フランジ部２０ｂは、キャップ７２における窓孔７ａの周部に接合部５８を利用して固着される。これによって、フィルタ基板１は、パッケージ７に熱的に結合される。なお、光学フィルタ２０をキャップ７２に熱的により良好に結合するため、接合部５８には、熱伝導性の高い接着剤、例えば銀ペースト（金属性フィラーを含有したエポキシ樹脂）や、半田ペーストなどが用いられる。フィルタ部２０ａの平面視形状は、矩形状（本実施形態では、正方形状）であり、フランジ部２０ｂの外周形状は、矩形状（本実施形態では、正方形状）である。なお、本実施形態では、フィルタ本体部２０ａの平面形状を数ｍｍ□の正方形状としてあるが、フィルタ本体部２０ａの平面形状や寸法は特に限定するものではない。

　光学フィルタ２０（フィルタ本体部２０ａ）は、図４に示すように、赤外線透過材料（例えば、Ｓｉなど）により形成されたフィルタ基板１と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された一対の透過フィルタ２₁，２₂と、いずれの透過フィルタ２₁，２₂の選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタ３とを、備える。透過フィルタ２₁，２₂および遮断フィルタ３は、それぞれフィルタ基板１上に形成される。一対の透過フィルタ２₁，２₂は、フィルタ基板１の第１表面（図４における上面）に、各焦電素子４₁，４₂それぞれに対応するように形成される。一対の透過フィルタ２₁，２₂は、互いに異なる選択波長を有する。遮断フィルタ３は、フィルタ基板１の第２表面（図４における下面）に形成される。遮断フィルタ３は、各透過フィルタ２₁，２₂により設定される赤外線の反射帯域よりも波長が長い赤外線を吸収する。つまり、遮断フィルタ３は、各透過フィルタ２₁，２₂の選択波長よりも波長が長い所定波長を超える赤外線を吸収する。なお、本実施形態では、１つの透過フィルタ部２₁と、フィルタ基板１において透過フィルタ部２₁と重複する部位と、遮断フィルタ３において透過フィルタ部２₁と重複する部位とで１つのフィルタ要素部が構成され、また、他の１つの透過フィルタ２₂と、フィルタ基板１において透過フィルタ部２₂と重複する部位と、遮断フィルタ３において透過フィルタ２₂と重複する部位とで他の１つのフィルタ要素部が構成されている。すなわち、本実施形態では、複数のフィルタ要素部がフィルタ形成用基板１を共用している。換言すれば、各フィルタ要素部のフィルタ基板１は、互いに一体に形成されている。

　透過フィルタ２₁は、第１のλ／４多層膜（第１多層膜）２１と、第２のλ／４多層膜（第２多層膜）２２と、第１多層膜２１と第２多層膜２２との間に介在された波長選択層２３（２３₁）と、を備えている。透過フィルタ２₂は、第１多層膜２１と、第２多層膜２２と、第１多層膜２１と第２多層膜２２との間に介在された波長選択層２３（２３₂）と、を備えている。第１多層膜２１および第２多層膜２２は、それぞれ屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が互いに等しい複数種類（ここでは、２種類）の薄膜２１ｂ，２１ａを交互に積層して形成されている。第１多層膜２１は、フィルタ基板１の第１表面上に形成されている。第２多層膜２２は、第１多層膜２１上に形成されている。すなわち、第２多層膜２２は、第１多層膜２１におけるフィルタ基板１側とは反対側に形成されている。波長選択層２３₁，２３₂の光学膜厚は、透過フィルタ２₁，２₂の選択波長に応じて薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚と異なる大きさに設定されている。なお、各薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚のばらつきの許容範囲は±１％程度であり、当該光学膜厚のばらつきに応じて物理膜厚のばらつきの許容範囲も決まる。

　薄膜２１ｂは、薄膜２１ａよりも屈折率が低い低屈折率層である。薄膜２１ｂの材料（低屈折率材料）は、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ₂Ｏ₃である。薄膜２１ａは、薄膜２１ｂよりも屈折率が高い高屈折率層である。薄膜２１ａの材料（高屈折率材料）は、Ｇｅである。波長選択層２３₁の材料は、波長選択層２３₁直下の第１多層膜２１の上から２番目の薄膜２１ｂの材料と同じである。波長選択層２３₂の材料は、波長選択層２３₂直下の第１多層膜２１の上から２番目の薄膜２１ａの材料と同じである。第２多層膜２２のうちフィルタ基板１から最も遠い薄膜２１ｂ，２１ｂは、上述の低屈折率材料により形成されている。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃に限らず、Ａｌ₂Ｏ₃以外の酸化物であるＳｉＯ₂や、Ｔａ₂Ｏ₅を採用してもよい。ＳｉＯ₂の方がＡｌ₂Ｏ₃よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。

　ところで、例えば住宅内などで発生する可能性のある各種ガスとしては、ＣＨ₄（メタン）や、ＳＯ₃（三酸化硫黄）、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯ（一酸化窒素）がある。ガスを検知（センシング）するための特定波長（吸収波長）は、ガスの種類によって決まる。例えば、ＣＨ₄（メタン）の特定波長は３．３μｍ、ＳＯ₃（三酸化硫黄）の特定波長は４．０μｍ、ＣＯ₂（二酸化炭素）の特定波長は４．３μｍ、ＣＯ（一酸化炭素）の特定波長は４．７μｍ、ＮＯ（一酸化窒素）の特定波長は５．３μｍである。ここに列挙した全ての特定波長を選択的に検知するためには、３．１μｍ～５．５μｍ程度の赤外領域に反射帯域を有する必要がある。また、２．４μｍ以上の反射帯域幅Δλが必要不可欠である。なお、反射帯域は、各薄膜２１ａ，２１ｂに共通する光学膜厚の４倍に相当する設定波長をλ₀とすれば、図５に示すように、入射光の波長の逆数である波数を横軸、透過率を縦軸とした透過スペクトル図において、１／λ₀を中心として対称となる。

　本実施形態では、波長選択層２３₁，２３₂の各光学膜厚を適宜設定することによって上述の各種ガスの検出が可能となるように、第１多層膜２１および第２多層膜２２の設定波長λ₀を４．０μｍとしている。また、薄膜２１ａの物理膜厚は、高屈折率材料の屈折率をｎ_Hとすると、λ₀／４ｎ_Hである。薄膜２１ｂの物理膜厚は、低屈折率材料の屈折率ｎ_Lとすると、λ₀／４ｎ_Lである。具体的には、高屈折率材料がＧｅである場合、ｎ_H＝４．０であるから、薄膜２１ａの物理膜厚は２５０ｎｍである。低屈折率材料がＡｌ₂Ｏ₃の場合、ｎ_L＝１．７であるから、薄膜２１ｂの物理膜厚は５８８ｎｍである。

　図６は、透過スペクトルのシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは、フィルタ基板１をＳｉ基板と、薄膜２１ｂと薄膜２１ａとを交互に積層してなるλ／４多層膜（屈折率周期構造）の積層数を２１と、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）とそれぞれ仮定している。また、設定波長λ₀は４μｍである。

　図６において、横軸は入射光（赤外線）の波長、縦軸は透過率を示す。図６中のＳ１０は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_H＝４．０）、低屈折率材料をＡｌ₂Ｏ₃（ｎ_L＝１．７）とした場合の透過スペクトルを示す。図６中のＳ１１は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_H＝４．０）、低屈折率材料をＳｉＯ₂（ｎ_L＝１．５）とした場合の透過スペクトルを示す。図６中のＳ１２は高屈折率材料をＧｅ（ｎ_H＝４．０）、低屈折率材料をＺｎＳ（ｎ_L＝２．３）とした場合の透過スペクトルを示す。

　図７は、高屈折率材料をＧｅとして、低屈折率材料の屈折率を変化させた場合のλ／４多層膜（屈折率周期構造）の反射帯域幅Δλをシミュレーションした結果を示す。なお、図７中のＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２は、それぞれ図６中のＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２の点に対応している。

　図６および図７から、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が大きくなるにつれて反射帯域幅Δλが増大することが分かる。また、高屈折率材料がＧｅの場合には、低屈折率材料としてＡｌ₂Ｏ₃もしくはＳｉＯ₂を採用することにより、少なくとも３．１μｍ～５．５μｍの赤外領域の反射帯域を確保できるとともに、反射帯域幅Δλを２．４μｍ以上とできることが分かる。

　図９および図１０は、図８に示す構成を用いて行った透過スペクトルのシミュレーション結果を示す。図８に示す構成では、第１多層膜２１の積層数が４、第２多層膜２２の積層数が６である。また、薄膜２１ａの高屈折率材料がＧｅ、薄膜２１ｂの低屈折率材料がＡｌ₂Ｏ₃、波長選択層２３の材料が低屈折率材料であるＡｌ₂Ｏ₃である。このシミュレーションでは、波長選択層２３の光学膜厚を０ｎｍ～１６００ｎｍの範囲で変化させた。図８中の矢印Ａ１は入射光を示し、矢印Ａ２は透過光を示し、矢印Ａ３は反射光を示している。また、波長選択層２３の光学膜厚は、当該波長選択層２３の材料の屈折率をｎ、当該波長選択層２３の物理膜厚をｄとすると、屈折率ｎと物理膜厚ｄとの積、つまり、ｎｄで求められる。なお、このシミュレーションにおいても、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）と仮定している。また、設定波長λ₀を４μｍとし、薄膜２１ａの物理膜厚を２５０ｎｍ、薄膜２１ｂの物理膜厚を５８８ｎｍとした。

　図９および図１０から、第１多層膜２１および第２多層膜２２により、３μｍ～６μｍの赤外領域に反射帯域が形成されていることが分かる。また、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、３μｍ～６μｍの反射帯域の中に狭帯域の透過帯域が局在していることが分かる。具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを０ｎｍ～１６００ｎｍの範囲で変化させることにより、透過ピーク波長を３．１μｍ～５．５μｍの範囲で連続的に変化させることが可能であることが分かる。より具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを、１３９０ｎｍ、０ｎｍ、９５ｎｍ、２３５ｎｍ、４９５ｎｍと変化させれば、透過ピーク波長がそれぞれ、３．３μｍ、４．０μｍ、４．３μｍ、４．７μｍ、５．３μｍとなる。

　したがって、第１多層膜２１および第２多層膜２２の設計を変えることなく波長選択層２３の光学膜厚ｎｄの設計のみを適宜変えることにより、特定波長が３．３μｍのＣＨ₄、特定波長が４．０μｍのＳＯ₃、特定波長が４．３μｍのＣＯ₂、特定波長が４．７μｍのＣＯ、特定波長が５．３μｍのＮＯなどの種々のガスや、特定波長が４．３μｍの炎のセンシングが可能となる。なお、光学膜厚ｎｄの０ｎｍ～１６００ｎｍの範囲は、物理膜厚ｄの０ｎｍ～９４１ｎｍの範囲に相当する。また、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合、つまり、図９において波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長が４０００ｎｍとなるのは、第１多層膜２１および第２多層膜２２の設定波長λ₀を４μｍ（４０００ｎｍ）に設定しているからである。第１多層膜２１および第２多層膜２２の設定波長λ₀を適宜変化させることにより、波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長を変化させることができる。

　上述の例では、低屈折率材料として、第１多層膜２１および第２多層膜２２により設定される赤外線の反射帯域（つまり、透過フィルタ２₁，２₂により設定される赤外線の反射帯域）よりも長波長域の赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＡｌ₂Ｏ₃を採用している。遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ_x、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xの５種類について検討した。図１１は、ＭｇＦ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ_x膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、ＳｉＮ_x膜それぞれの透過スペクトルを測定した結果を示す。ここで、ＭｇＦ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ_x膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、ＳｉＮ_x膜それぞれについて膜厚は１μｍである。下記の表１は、ＭｇＦ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ_x膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、ＳｉＮ_x膜のそれぞれをＳｉ基板上に成膜する際の成膜条件を示す。ＭｇＦ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ_x膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、ＳｉＮ_x膜の成膜装置としては、イオンビームアシスト蒸着装置を用いた。

　表１中の「ＩＢ条件」は、イオンビームアシスト蒸着装置で成膜する際のイオンビームアシストの条件を示す。「ＩＢなし」はイオンビームの照射なし、「酸素ＩＢ」は酸素イオンビームの照射あり、「ＡｒＩＢ」はアルゴンイオンビームの照射あり、を意味している。また、図１１では、横軸が波長、縦軸が透過率を示している。図１１中のＳ２０はＡｌ₂Ｏ₃膜、Ｓ２１はＴａ₂Ｏ₅膜、Ｓ２２はＳｉＯ_x膜、Ｓ２３はＳｉＮ_x膜、Ｓ２４はＭｇＦ₂膜、それぞれの透過スペクトルを示している。

　また、上述のＭｇＦ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ_x膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、ＳｉＮ_x膜について、「光学特性：吸収」、「屈折率」、「成膜容易性」を評価項目として、検討した結果を下記表２に示す。

　「光学特性：吸収」の評価項目については、図１１の透過スペクトルから算出した６μｍ以上の遠赤外線の吸収率により評価を行った。表２では、各評価項目それぞれについて、評価の高いランクから低いランクの順に「◎（Very good）」、「○（Good）」、「△（Average）」、「×（Poor）」を記載してある。「光学特性：吸収」の評価項目については、遠赤外線の吸収率が高いほど評価のランクを高く、遠赤外線の吸収率が低いほど評価のランクを低くしている。「屈折率」の評価項目については、高屈折率材料との屈折率差を大きくする観点から、屈折率が低いほど評価のランクを高く、屈折率が高いほど評価のランクを低くしている。「成膜容易性」の評価項目については、蒸着法もしくはスパッタ法により緻密な膜が得やすいほど評価のランクを高く、緻密な膜が得にくいほど評価のランクを低くしている。ただし、各評価項目について、ＳｉＯｘはＳｉＯ₂として、ＳｉＮｘはＳｉ₃Ｎ₄として評価した結果である。

　表２より、ＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ_x、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xの５種類に関して、「成膜容易性」の評価項目については大差がなく、「光学特性：吸収」および「屈折率」の評価項目に着目した結果、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ_x、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xのいずれかを採用することが好ましいとの結論に至った。ここにおいて、遠赤外線吸収材料としてＡｌ₂Ｏ₃もしくはＴ₂Ｏ₅を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_xやＳｉＮ_xである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。ただし、高屈折率材料との屈折率差を大きくするという観点からは、Ｔ₂Ｏ₅よりもＡｌ₂Ｏ₃の方が好ましい。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＮ_xを採用する場合には、遠赤外線吸収材料により形成される薄膜２１ｂの耐湿性を高めることができる。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＯ_xを採用すれば、高屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の積層数の低減を図れる。

　以下、透過フィルタ２₁，２₂の製造方法について図１２を参照しながら説明する。

　まず、第１多層膜形成工程を行う。第１多層膜形成工程では、Ｓｉ基板からなるフィルタ基板１の第１表面の全面に、低屈折率材料であるＡｌ₂Ｏ₃からなる所定の物理膜厚（ここでは、５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂと高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（ここでは、２５０ｎｍ）の薄膜２１ａとを交互に積層することで第１多層膜２１を形成する。この第１多層膜形成工程の後に、波長選択層形成工程を行う。波長選択層形成工程では、第１多層膜２１の表面の全面に、第１多層膜２１の上から２番目に位置する薄膜２１ｂと同じ材料（ここでは、低屈折率材料であるＡｌ₂Ｏ₃）からなり１つの透過フィルタ２₁の選択波長に応じて光学膜厚が設定された波長選択層２３₁を成膜する。これによって、図１２（ａ）に示す構造を得る。なお、各薄膜２１ｂ，２１ａおよび波長選択層２３₁の成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用できる。この場合、２種類の薄膜２１ｂ，２１ａを連続的に成膜することができる。低屈折率材料が上述のようにＡｌ₂Ｏ₃の場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜２１ｂの成膜時に酸素イオンビームを照射して薄膜２１ｂの緻密性を高めることが好ましい。また、低屈折率材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃以外の遠赤外線吸収材料であるＳｉＯ_x、Ｔ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xを採用してもよい。いずれにしても、遠赤外線吸収材料からなる薄膜２１ｂの成膜にあたっては、イオンビームアシスト蒸着法を採用することが望ましい。この場合、低屈折率材料からなる薄膜２１ｂの化学的組成を精密に制御できるとともに、薄膜２１ｂの緻密性を高めることができる。

　波長選択層成膜工程の後、レジスト層形成工程を行う。レジスト層形成工程では、透過フィルタ２₁に対応する部位のみを覆うレジスト層３１をフォトリソグラフィ技術を利用して形成する。これによって、図１２（ｂ）に示す構造を得る。

　その後、波長選択層パターニング工程を行う。波長選択層パターニング工程では、レジスト層３１をマスクとし、第１多層膜２１の一番上の薄膜２１ａをエッチングストッパ層として波長選択層２３₁の不要部分を選択的にエッチングする。これによって、図１２（ｃ）に示す構造を得る。ここで、波長選択層パターニング工程では、上述のように低屈折率材料が酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）、高屈折率材料が半導体材料（Ｇｅ）であれば、エッチング液としてフッ酸系溶液を用いたウェットエッチングを採用することにより、ドライエッチングを採用する場合に比べて、エッチング選択比の高いエッチングが可能となる。これは、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂のような酸化物がフッ酸系溶液に溶解しやすいのに対して、Ｇｅはフッ酸系溶液に非常に溶けにくいためである。一例を挙げれば、フッ酸系溶液としてフッ酸（ＨＦ）と純水（Ｈ₂Ｏ）との混合液からなる希フッ酸（例えば、フッ酸の濃度が２％の希フッ酸）を用いてウェットエッチングを行えば、Ａｌ₂Ｏ₃のエッチングレートが３００ｎｍ／ｍｉｎ程度で、Ａｌ₂Ｏ₃とＧｅとのエッチングレート比が５００：１程度である。そのため、エッチング選択比の高いエッチングを行うことができる。

　波長選択層パターニング工程の後、レジスト層除去工程を行う。レジスト層除去工程では、レジスト層３１を除去することによって、図１２（ｄ）に示す構造を得る。

　レジスト層除去工程の後、第２多層膜形成工程を行う。第２多層膜形成工程では、波長選択層２３の表面の全面に、高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（２５０ｎｍ）の薄膜２１ａと低屈折率材料であるＡｌ₂Ｏ₃からなる所定の物理膜厚（５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂとを交互に積層することで第２多層膜２２を形成する。これによって、図１２（ｅ）に示す構造を得る。ここにおいて、第２多層膜形成工程を行うことによって、透過フィルタ２₂に対応する領域では、第１多層膜２１の最上層の薄膜２１ａ上に直接、第２多層膜２２の最下層の薄膜２１ａが積層される。これによって、第１多層膜２１の最上層の薄膜２１ａと第２多層膜２２の最下層の薄膜２１ａとが透過フィルタ２₂の波長選択層２３₂を構成している。この透過フィルタ２₂の透過スペクトルは、図１０のシミュレーション結果における光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合に相当する。なお、各薄膜２１ａ，２１ｂの成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば２種類の薄膜２１ａ，２１ｂを連続的に成膜することができる。低屈折率材料がＡｌ₂Ｏ₃の場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜２１ｂの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜２１ｂの緻密性を高めることが好ましい。

　要するに、透過フィルタ２₁，２₂の製造にあたっては、フィルタ基板１の第１表面に屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類（ここでは、２種類）の薄膜２１ｂ，２１ａを積層する基本工程の途中で、波長選択層形成工程を１回行っている。これによって、複数の透過フィルタ部２₁，２₂が形成される。波長選択層形成工程は、波長選択層形成工程と、波長選択層パターニング工程とを含む。波長選択層形成工程では、基本工程の途中における積層膜（ここでは、第１多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる波長選択層２３_i（ここでは、ｉ＝１）を上記積層膜上に成膜する。この波長選択層２３_i（ここでは、ｉ＝１）の光学膜圧は、複数の透過フィルタ２₁，・・・，２_m（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つの透過フィルタ２_i（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて設定されている。波長選択層パターニング工程では、波長選択層成膜工程にて成膜した波長選択層２３のうち上記任意の１つの透過フィルタ２_iに対応する部分以外の不要部分を上記積層膜の１番上の層をエッチングストッパ層としてエッチングする。ここで、上述の基本工程の途中で、波長選択層形成工程を複数回行えば、より多くの選択波長を有する光学フィルタ２０を製造できる。そのため、上述の全てのガス（ＣＨ₄、ＳＯ₃、ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ）をセンシングするための光学フィルタ２０を１チップで実現できる。

　また、上述の製造方法においては、上記基本工程の途中で、その時点ですでに形成されている積層膜（ここでは、第１多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる薄膜であって各透過フィルタ２₁，・・・，２_m（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つの透過フィルタ２_i（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて光学膜厚を設定した薄膜を上記積層膜上に成膜する。上記積層膜上に成膜した薄膜のうち上記任意の１つの透過フィルタ２_i（ここでは、ｉ＝１）に対応する部分以外の部分をエッチングする。これによって、１つの波長選択層２３₁のパターンを形成している。しかしながら、複数の波長選択層２３のパターンを形成してもよい。例えば、波長選択層２３₂が、波長選択層２３₁と同じ材料であり且つ波長選択層２３₁よりも光学膜厚が小さく設定されている場合には、上記積層膜上の薄膜を途中までエッチングすることで２つの波長選択層２３₁，２３₂のパターンを形成してもよい。

　また、上述の製造方法に限らず、第１多層膜形成工程と第２多層膜形成工程との間に、各透過フィルタ２₁，・・・，２_m（ここでは、ｍ＝２）に対応する部位それぞれに互いに光学膜厚の異なる波長選択層２３₁，・・・，２３_m（ここでは、ｍ＝２）をマスク蒸着により形成してもよい。

　また、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_xもしくはＳｉＮ_xであり、他方の薄膜２１ａがＳｉである場合には、Ｓｉを蒸発源とするイオンビームアシスト蒸着装置を用いてもよい。この場合、Ｓｉからなる薄膜２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、酸化物であるＳｉＯ_xからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素イオンビームを照射し、窒化物であるＳｉＮ_xからなる薄膜２１ｂを成膜するときは窒素イオンビームを照射すればよい。このようにすれば、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂに同じ蒸発源を用いることができるので、複数の蒸発源を備えたイオンビームアシスト蒸着装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。同様に、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_xもしくはＳｉＮ_xであり、他方の薄膜２１ａがＳｉである場合、Ｓｉをターゲットとするスパッタ装置を用いてもよい。この場合、Ｓｉからなる薄膜２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、ＳｉＯ_xからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮ_xからなる薄膜２１ｂを成膜するときは窒素雰囲気とすればよい。このようにすれば、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂとでターゲットを同じにできるので、複数のターゲットを備えたスパッタ装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。

　例えば、波長選択層２３₁，２３₂それぞれの光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、図１３に示すように、３．８μｍと４．３μｍとに透過ピーク波長を有する赤外線光学フィルタ２０を１チップで実現することができる。

　なお、第１多層膜２１および第２多層膜２２は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。

　次に、遮断フィルタ３について説明する。

　遮断フィルタ３は、屈折率が異なる複数種類（ここでは、２種類）の薄膜３ａ，３ｂを積層することにより形成された多層膜である。遮断フィルタ３では、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜３ａの材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ₂Ｏ₃が採用され、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜３ｂの材料としてＧｅが採用されている。遮断フィルタ３では、薄膜３ａと薄膜３ｂとが交互に積層されており、その積層数は１１である。しかしながら、この積層数は特に限定されない。ただし、遮断フィルタ３では、フィルタ形成用基板１から最も遠い最上層を低屈折率層である薄膜３ａにより構成することが光学特性の安定性の観点から望ましい。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃に限らず、Ａｌ₂Ｏ₃以外の酸化物であるＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅を採用してもよい。ＳｉＯ₂の方がＡｌ₂Ｏ₃よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。また、遠赤外線吸収材料としては、窒化物であるＳｉＮ_xを採用してもよい。

　上述のように、遮断フィルタ３は、２種類の薄膜３ａ，３ｂのうちの１種類の薄膜３ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＡｌ₂Ｏ₃により形成されているが、複数種類のうちの少なくとも１種類が遠赤外線吸収材料により形成されていればよい。例えば、３種類の薄膜としてＧｅ膜とＡｌ₂Ｏ₃膜とＳｉＯ_x膜とが、Ｓｉ基板よりなるフィルタ基板１に近い側からＧｅ膜－Ａｌ₂Ｏ₃膜－Ｇｅ膜－ＳｉＯ_x膜－Ｇｅ膜－Ａｌ₂Ｏ₃膜－Ｇｅ膜・・・の順に積層された多層膜としてもよい。この場合は、３種類の薄膜のうち２種類の薄膜が遠赤外線吸収材料により形成されることとなる。

　ところで、上述の遮断フィルタ３は、透過フィルタ２₁，２₂により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長域の遠赤外線を吸収する。ここで、遮断フィルタ３では、赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料としてＡｌ₂Ｏ₃を採用しているが、上述の透過フィルタ２₁，２₂と同様、遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ_x、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xの５種類について検討した。

　本願発明者らは、イオンビームアシストの効果を確認するために、Ｓｉ基板上にＡｌ₂Ｏ₃膜を成膜する時のイオンビームの照射量を種々変化させたサンプルを用意し、各サンプルのＡｌ₂Ｏ₃膜の膜質の違いをＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）により分析した。図１４は、ＦＴ－ＩＲによる分析結果を示し、横軸が波数、縦軸が吸収率を示している。図１４中のＳ４０はイオンビームアシストなしの場合のサンプル、Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４４、Ｓ４５はイオンビームの照射量を少ない方から多い方へ変化させた場合の各サンプルそれぞれの分析結果を示している。この分析結果から、イオンビームを照射することにより、水分に起因した３４００ｃｍ^-1付近の吸収率を低減できることがわかる。また、イオンビームの照射量を多くするほど水分に起因した３４００ｃｍ^-1付近の吸収率が低下していることが分かる。要するに、イオンビームアシストによりＡｌ₂Ｏ₃膜の膜質を向上でき、緻密性を高めることができると推測される。

　また、上述のように、遠赤外線吸収材料としてＡｌ₂Ｏ₃もしくはＴ₂Ｏ₅を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯ_xやＳｉＮ_xである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。

　また、本願発明者らは、Ｓｉ基板上に１μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を成膜した参考例の透過スペクトルを測定したところ図１５（ａ）のＳ５０に示すような実測値が得られた。また、実測値Ｓ５０が図１５（ａ）中のＳ５１に示す計算値からずれているという知見を得た。そして、Ａｌ₂Ｏ₃により形成される薄膜３ａの光学パラメータ（屈折率、吸収係数）を図１５（ａ）の実測値Ｓ５０からコーシー（Ｃａｕｃｈｙ）の式により算出した。この算出した光学パラメータを図１５（ｂ）に示してある。図１５（ｂ）に示した新規の光学パラメータでは、屈折率および吸収係数のいずれも８００ｎｍ～２００００ｎｍの波長域で一定という訳ではなく、波長が長くなるにつれて屈折率が徐々に低下している。また、波長が７５００ｎｍ～１５０００ｎｍの波長域では波長が長くなるにつれて吸収係数が徐々に大きくなる。

　図１６のＳ６０は、上述のＡｌ₂Ｏ₃膜の新規の光学パラメータを用いた実施例の光学フィルタ２０についての透過スペクトルのシミュレーション結果を示す。この実施例の光学フィルタ２０において、透過フィルタ２₁は、下記表３の積層構造を有し透過ピーク波長が４．４μｍであり、遮断フィルタ３は、下記表４の積層構造を有している。また、図１６のＳ６１は、上述のＡｌ₂Ｏ₃膜の新規の光学パラメータを用いずに、Ａｌ₂Ｏ₃膜の屈折率を一定、吸収係数を０で一定とした比較例の光学フィルタ２０についてのシミュレーション結果を示す。なお、実施例、比較例のいずれもＧｅの屈折率を４．０で一定、吸収係数を０．０で一定としてシミュレーションした。

　図１６では、横軸が入射光（赤外線）の波長、縦軸が透過率を示している。比較例の透過スペクトルＳ６１では、９０００ｎｍ～２００００ｎｍの遠赤外線が遮断されていないのに対して、実施例の透過スペクトルＳ６０では９０００ｎｍ～２００００ｎｍの遠赤外線も遮断されている。また、実施例によれば、積層数が２９の遮断フィルタ３と積層数が１１の透過フィルタ２₁とで波長が８００ｎｍ～２００００ｎｍの広帯域の赤外線を遮断できる。その結果、４．４μｍ付近のみに狭帯域の透過帯域を局在させることができる。なお、遮断フィルタ３の透過スペクトルは、例えば、図１７に示すようになる。図１７に示す例では、４μｍ以下の近赤外線と５．６μｍ以上の遠赤外線とが遮断される。

　本実施形態の光学フィルタ２０の製造にあたっては、まず、遮断フィルタ形成工程を行ってから、上述のようにして透過フィルタ２₁，２₂を形成すればよい。遮断フィルタ形成工程では、Ｓｉ基板からなるフィルタ基板１の第２表面に例えばＡｌ₂Ｏ₃膜からなる薄膜３ａと例えばＧｅ膜からなる薄膜３ｂとを交互に積層することで遮断フィルタ３を形成する。

　次に、本実施形態の赤外線式ガス検知器を用いた赤外線式ガス計測装置について図１８を参照しながら説明する。

　図１８に示した赤外線式ガス計測装置は、赤外光源１０と、駆動回路１１と、レンズ１２と、チャンバ１３と、赤外線受光素子４０と、光学フィルタ２０と、増幅回路６３ａと、演算回路（図示せず）とを備えている。赤外光源１０は、例えば、ハロゲンランプである。駆動回路１１は、赤外線光源１０を駆動するように構成される。レンズ１２は、赤外光源１０から放射された赤外線をコリメートするように構成される。チャンバ１３には、計測ガス（検知対象ガス）が導入されるガス流入路１３ｂおよび排出されるガス排出路１３ｃが形成されている。増幅回路６３ａは、赤外線受光素子４０の出力（一対の焦電素子４₁，４₂の差動出力）を増幅するように構成されている。演算回路は、増幅回路６３ａの出力に基づいてガスの濃度を求める演算を行うように構成されている。要するに、図１８に示した構成の赤外線ガス計測装置は、赤外光源１０から赤外線をチャンバ１３の内部空間である所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出する。この赤外線ガス計測装置は、赤外光源１０から放射され所定空間を通過した赤外線を受光する赤外線受光ユニットとして上述の赤外線式ガス検知器を備えている。なお、増幅回路６３ａと演算回路とは上述の集積回路６３に設けられているが、これらの回路は、パッケージ７の外側に設けてもよい。

　ところで、ハロゲンランプのような熱の放射により赤外線を発生する赤外光源１０を用いる場合、放射スペクトルは発光ダイオードに比べて非常にブロードなスペクトルとなる。ここで、物体が黒体の場合、物体の温度と放射エネルギーとの関係は図１９に示すようになる。そのため、物体から放射される赤外線の放射エネルギー分布は、物体の温度に依存する。なお、ウィーンの変位側によれば、放射エネルギー分布の極大値を与える赤外線の波長をλ〔μｍ〕、物体の絶対温度をＴ〔Ｋ〕とすれば、波長λは、λ＝２８９８／Ｔとなる。

　図１８に示した赤外線式ガス計測装置では、赤外線光源１０としてハロゲンランプを用いる一方で、赤外線受光素子４０のセンシングエレメントとして焦電素子４₁，４₂を用いている。そのため、駆動回路１１によって赤外光源１０から放射される光の強度（発光パワー）を変調させる。例えば、駆動回路１１は、赤外光源１０から放射される光の強度を一定周期で周期的に変化させるように構成される。なお、駆動回路１１は、赤外光源１０から放射される光の強度を連続的に変化させてもよいし間欠的に変化させてもよい。

　赤外光源１０は、ハロゲンランプに限られない。例えば、赤外光源１０は、図２０に示すように、赤外線放射素子１１０と、赤外線放射素子１１０を収納するキャンパッケージからなるパッケージ１００とで構成されていてもよい。赤外線放射素子１１０は、単結晶のシリコン基板（半導体基板）からなる支持基板１１１と、支持基板１１１の一表面に形成されたヒータ層（発熱体層）１１４と、ヒータ層１１４と支持基板１１１との間に形成された多孔質シリコン層からなる熱絶縁層１１３と、を有する。また、赤外線放射素子１１０は、ヒータ層１１４に電気的に接続された一対のパッド１１５，１１５を備える。各パッド１１５，１１５は、ボンディングワイヤ１２４，１２４を介して端子ピン１２５，１２５に電気的に接続されている。図２０に示した構成の赤外線光源１０では、一対の端子ピン１２５，１２５間に電圧を印加してヒータ層１１４へ入力電力が与えることによって、ヒータ層１１４から赤外線が放射される。なお、図２０に示した構成の赤外線光源１０では、パッケージ１００に、赤外線放射素子１１０の前方に位置する窓孔１００ａが形成されている。この窓孔１００ａは、赤外線を透過する光学部材１３０により閉塞されている。また、支持基板１１１の一表面において熱絶縁層１１３が形成されていない部分にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１２が形成されている。

　ヒータ層１１４の材料は特に限定されないが、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＮｉＣｒ、導電性アモルファスシリコンなどを採用できる。図２０に示す構成を有する赤外線放射素子１１０は、支持基板１１１が単結晶のシリコン基板により形成されるとともに、熱絶縁層１１３が多孔質シリコン層により形成されている。そのため、支持基板１１１の熱容量および熱伝導率それぞれが熱絶縁層１１３よりも大きい。したがって、支持基板１１１がヒートシンクとしての機能を有する。そのため、小型で入力電圧または入力電流に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることができる。

　測定対象のガスがＣＯ₂であり、透過フィルタ２₁，２₂の透過ピーク波長がλ₁＝３．９μｍ、λ₂＝４．３μｍであるとし、ハロゲンランプよりなる赤外線光源１０から放射される光の強度（発光パワー）が図２１に示す曲線のように変化するとする。そして、光学フィルタ２０が図２２に示すような透過特性を有すると仮定する。また、透過フィルタ２₁の波長λ₁での透過率をτ₁、透過フィルタ２₂の波長λ₂での透過率をτ₂とし、図２１の曲線の振幅をＰ_a、バイアス成分（太陽光などの外来光による直流成分）をＰ_b、角振動数をω（＝２πｆ）として、測定対象のガスによる赤外線の吸収率をＴ（Ｃ）とする。この場合、透過フィルタ２₁，２₂それぞれを透過した赤外線の強度（パワー）Ｐ₁，Ｐ₂は、それぞれ下記（１）式、下記（２）式で表される。
Ｐ₁＝τ₁（Ｐ_asin(ωｔ)＋Ｐ_b）　・・・（１）
Ｐ₂＝Ｔ（Ｃ）τ₂（Ｐ_asin(ωｔ)＋Ｐ_b）　・・・（２）
　また、透過フィルタ２₁を透過した赤外線を受光する焦電素子４₁の受光面側の極性を正（＋）、透過フィルタ２₂を透過した赤外線を受光する焦電素子４₂の受光面側の極性を負（－）とすると、各焦電素子４₁，４₂の出力Ｉ₁，Ｉ₂は、それぞれ下記（３）式、下記（４）式で表される（ただし、焦電素子４₁，４₂での電流変換による定数は省いてある）。
Ｉ₁＝ωτ₁Ｐ_acos（ωｔ）　・・・（３）
Ｉ₂＝－Ｔ（Ｃ）ωτ₂Ｐ_acos（ωｔ）　・・・（４）
　図３（ｂ）に示すように、２つの焦電素子４₁，４₂は、２つの焦電素子４₁，４₂の差動出力が得られるように接続されている。そのため、赤外線受光素子４０の出力をＩとすると、出力Ｉは下記（５）式で表される。
Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂＝ωτ₁Ｐ_acos（ωｔ）－Ｔ（Ｃ）ωτ₂Ｐ_acos（ωｔ）　・・・（５）
　τ₁＝τ₂とすれば、赤外線受光素子４０の出力Ｉは、下記（６）式で表される。
Ｉ＝ωτ₁Ｐ_acos（ωｔ）（１－Ｔ（Ｃ））　・・・（６）
　また、物質に固有の吸収係数（その物質の吸収波長および温度により決まる定数）をα、物質の濃度をＣ、光路長をＬとすると、赤外線の吸収率Ｔ（Ｃ）は、ランベルト・ベールの法則に基づいて、下記（７）で表される。
Ｔ（Ｃ）＝１０^-α^CL　・・・（７）
　したがって、赤外線受光素子４０の出力Ｉは、（６）式に（７）式を代入することにより、下記（８）式で表される。
Ｉ＝ωτ₁Ｐ_acos（ωｔ）（１－１０^-α^CL）　・・・（８）
　この（１３）式に基づいて、ガスの濃度Ｃと赤外線受光素子４０の出力信号（出力Ｉ）との関係をグラフにすると、図２３に示すようになる。よって、赤外線受光素子４０の出力信号の振幅を計測することでガスの濃度を求めることができる。

　以上説明した本実施形態の赤外線式ガス検知器では、互いに極性の異なる一対の焦電素子４₁，４₂が逆直列に接続されている。そのため、一対の焦電素子４₁，４₂の直流バイアス成分（雑ガスや太陽光などの外来光によるバイアス成分）を相殺できる（つまり、測定対象のガスの濃度が零の場合には、赤外線受光素子４０の出力も零となる）。しかも、赤外線受光素子４０の出力のダイナミックレンジを大きくできる。特に２つ１組の焦電素子４₁，４₂が１枚の焦電素子形成基板４１に形成されている場合、増幅回路６３ａをパッケージ７内に収納する場合であっても、小型化を図ることができる。しかも、増幅回路６３ａのゲインを大きくできてＳ／Ｎ比の向上が可能となる。

　また、本実施形態の赤外線ガス検知器は、赤外線受光素子（赤外線受光部）４０と、赤外線受光素子４０を収納するパッケージ７と、光学フィルタ２０と、を備える。赤外線受光素子４０は、熱を利用して赤外線を検出する複数の熱型赤外線検出素子（焦電素子）４₁，４₂を有する。複数の焦電素子４₁，４₂は、並べて配置される。パッケージ７は、赤外線を赤外線受光素子４０に入射させるための窓孔７ａを有する。光学フィルタ２０は、窓孔７ａを閉塞するようにパッケージ７に接合され、複数の焦電素子４₁，４₂にそれぞれ対応する複数のフィルタ要素部を有する。各フィルタ要素部は、赤外線を透過させる材料により形成されたフィルタ基板１と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された透過フィルタ２と、透過フィルタ２の選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタ３とを、備える。透過フィルタ２および遮断フィルタ３は、それぞれフィルタ基板１上に形成される。フィルタ基板１は、パッケージ７に熱的に結合される。各フィルタ要素部の透過フィルタ２₁，２₂は、上記選択波長が互いに異なっている。

　本実施形態の赤外線ガス検知器によれば、遮断フィルタ３において赤外線を吸収することにより発生した熱がパッケージ７を通して効率良く放熱される。そのため、透過フィルタ２₁，２₂の温度上昇や温度分布を抑制でき、低コストで高感度化が可能となる。また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、パッケージ７に回路ブロック９を収納してあるが、回路ブロック９の回路部品の温度上昇により回路部品から放射されパッケージ７の内壁面で反射される赤外線を遮断フィルタ３により吸収でき、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。ここで、本実施形態では、２つ１組の焦電素子４₁，４₂を焦電素子形成基板４１上で逆直列もしくは逆並列に接続してあるが、２つ１組の焦電素子４₁，４₂を接続せず、２つ１組の焦電素子４₁，４₂のそれぞれの出力の差を増幅する増幅回路（差動増幅回路）を備えるようにしてもよい。この場合には、各焦電素子４₁，４₂それぞれの出力を個別に増幅する複数の増幅回路を設ける場合に比べて、小型化および低コスト化を図れる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、フィルタ基板１は、パッケージ７の内側を向いた第１表面と、パッケージ７の外側を向いた第２表面と、を有する。透過フィルタ２は、フィルタ基板１の第１表面に形成され、遮断フィルタ３は、フィルタ基板１の第２表面に形成されている。そのため、遮断フィルタ３において赤外線を吸収することにより発生した熱が焦電素子４₁，４₂へ伝熱されにくくなる。よって、遮断フィルタ３がフィルタ基板１の第１表面に形成されている場合に比べて、パッケージ７の低背化を図りながらも応答性の向上を図れる。また、透過フィルタ２₁，２₂がフィルタ基板１の第１表面に形成されているので、光学フィルタ２０に斜め方向から入射する赤外線に起因したクロストークの発生を抑制できる。よって、焦電素子４₁，４₂の受光領域を大きくすることで高感度化を図れる。

　なお、赤外線受光素子４０は、例えば、図２４（ａ）に示すように、２つ１組の焦電素子４₁，４₂に加えて、２つ１組の焦電素子４₃，４₄を備えていてもよい。これら焦電素子４₁，４₂，４₃，４₄は、差動出力が得られるように、図２４（ｂ）や図２４（ｃ）に示すように接続される。この場合、光学フィルタ２０は、各焦電素子４₁，４₂，４₃，４₄に対応する透過フィルタ２を有していてもよい。図２４（ｂ）の場合には、２種類のガスの検知が可能となる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、各透過フィルタ２₁，２₂は、第１多層膜２１と、第２多層膜２２と、第１多層膜２１と第２多層膜２２との間に介在された波長選択層２３と、を備える。第１多層膜２１および第２多層膜２２は、それぞれ屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が互いに等しい複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂを積層して形成される。波長選択層２３の光学膜厚は、透過フィルタ２₁，２₂の選択波長に応じて薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚と異なる大きさに設定される。そのため、光学フィルタ２０を小型化できて、低コスト化が図れる。しかも、複数の透過フィルタ２₁，２₂の中心間距離を短くできて検出光と参照光との光路長の差を小さくできる。よって、赤外線受光素子４０の各焦電素子４₁，４₂の受光効率を向上できる。また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、複数のフィルタ要素部でフィルタ基板１が共用されているので、透過フィルタ２₁，２₂が互いに異なるフィルタ基板１に形成されている場合に比べて、透過フィルタ２₁，２₂同士の温度差を低減でき、検出精度や感度を向上できる。なお、複数のフィルタ要素部は個別部品であってもよい。この場合、パッケージ７には、窓孔７ａがフィルタ要素部の数だけ設けられる。すなわち、光学フィルタ２０は、各窓孔７ａを塞ぐようにパッケージ７に接合される複数のフィルタ要素部により構成される。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、遮断フィルタ３は、屈折率が互いに異なる複数種類の薄膜３ａ，３ｂを積層して形成された多層膜である。複数種類の薄膜３ａ，３ｂのうち少なくとも１種類の薄膜３ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されている。そのため、遮断フィルタ３を構成する多層膜による光の干渉効果と、多層膜を構成する薄膜３ａの遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現できる。よって、サファイア基板を用いる必要がないから、低コスト化を図れる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、透過フィルタ２₁，２₂においても、第１多層膜２１および第２多層膜２２による光の干渉効果と、第１多層膜２１と波長選択層２３₁，２３₂と第２多層膜２２とで構成される多層膜における薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料での遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有する。よって、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有し、且つ、所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させることが可能な光学フィルタ２０の製造コストを低くできる。

　また、上述の光学フィルタ２０では、遠赤外線吸収材料として、酸化物もしくは窒化物を採用しているので、遠赤外線吸収材料からなる薄膜３ａ，２１ｂが酸化して光学特性が変化するのを防止することができる。また、上述の光学フィルタ２０では、遮断フィルタ３および各透過フィルタ２₁，２₂のいずれもフィルタ基板１から最も遠い最上層が上述の酸化物もしくは窒化物により形成されている。そのため、空気中の水分や酸素などとの反応や不純物の吸着や付着などに起因して最上層の薄膜３ａ，２１ｂの物性が変化するのを防止できる。よって、フィルタ性能の安定性が高くなる。また、遮断フィルタ３および各透過フィルタ２₁，２₂の表面での反射を低減できるから、フィルタ性能を向上できる。

　また、上述の赤外線光学フィルタ２０では、遮断フィルタ３が、遠赤外線吸収材料により形成された薄膜３ａと、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された薄膜３ｂとを交互に積層して形成された多層膜である。そのため、高屈折率材料がＳｉやＰｂＴｅやＺｎＳである場合に比べて、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができる。よって、遮断フィルタ３を構成する多層膜の積層数を低減できる。また、高屈折率材料としてＳｉを採用した場合には、高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、多層膜における高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができる。よって、遮断フィルタ３を構成する多層膜の積層数を低減できる。また、透過フィルタ２₁，２₂に関しても、同様の理由により積層数を低減できる。

　ところで、本実施形態では、フィルタ基板１としてＳｉ基板を用いているが、フィルタ基板１はＳｉ基板に限らず、Ｇｅ基板を用いてもよい。ＳｉおよびＧｅそれぞれの透過特性についてインターネット上で開示されているデータをそれぞれ、図２５，２６に示す（〔平成２１年２月２５日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k#kessho.files/ktp.htm＞）。

　本実施形態の赤外線式ガス検知器では、上述のように、フィルタ基板１としてＳｉ基板もしくはＧｅ基板を用いることにより、サファイア基板やＭｇＯ基板やＺｎＳ基板を用いる場合に比べて製造コストを低くできる。しかも、Ｇｅは熱伝導が比較的高く、特にＳｉは熱伝導率が高い。そのため、フィルタ基板１の温度上昇を抑制でき、光学フィルタ２０の温度上昇による赤外線放射を抑制できる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器は、パッケージ７が金属製であり、導電性を有するＳｉやＧｅ等のフィルタ基板１がパッケージ７のキャップ７２に導電性の接合材料（例えば、銀ペースト、半田など）からなる接合部５８により接合されている。すなわち、フィルタ基板１がパッケージ７に電気的に接続されている。よって、フィルタ基板１とパッケージ７とで電磁シールドを行うことができる。そのため、赤外線受光素子４０が外来の輻射ノイズ（電磁ノイズ）の影響を受けることを防止でき、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、窓孔７ａが矩形状である。また、光学フィルタ２０に、キャップ７２における窓孔７ａの内周面および周部に位置決めされる段差部２０ｃが形成されている。段差部２０ｃは、接合部５８を介してキャップ７２に固着されている。したがって、光学フィルタ２０と赤外線受光素子４０との平行度を高めることができる。その結果、光学フィルタ２０の各透過フィルタ２₁，２₂の光軸方向における各透過フィルタ２₁，２₂と赤外線受光素子４０の各焦電素子４₁，４₂との距離精度を高めることができる。また、各透過フィルタ２₁，２₂の光軸と各焦電素子４₁，４₂の受光面の光軸との合わせ精度を高めることができる。

　また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線受光素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａ（の構成部品）がパッケージ７に収納されている。そのため、赤外線受光素子４０と増幅回路６３ａとの電路を短くできる。また、増幅回路６３ａも電磁シールドされる。よって、Ｓ／Ｎ比のより一層の向上による高感度化を図れる。

　ところで、上述の実施形態では、熱型赤外線検出素子として焦電素子４₁，４₂を例示したが、熱型赤外線検出素子は、これに限らず、例えば、図２７に示すようなサーモパイルや、抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子であってもよい。熱型赤外線検出素子がサーモパイルである場合、２つ１組のサーモパイルの出力を差動増幅回路で差動増幅するようにしてもよい。また、図２８に示すように２つ１組のサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆直列に接続して出力電圧Ｖoutを増幅回路で増幅するようにしてもよい。また、２つ１組のサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を逆並列に接続して出力電圧を増幅回路で増幅するようにしてもよい。熱型赤外線検出素子が抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子である場合、２つ１組の抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子と互いに抵抗値の等しい２つの固定抵抗とでブリッジ回路を構成してもよい。この場合、当該ブリッジ回路の出力に基づいて検知対象ガスの有無や濃度を求めるようにしてもよい。

　上述の図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子は、主表面が｛１００｝面の単結晶のシリコン基板からなる支持基板４２と、支持基板４２の主表面に形成されて支持基板４２に支持されたシリコン窒化膜からなるメンブレン部４３と、メンブレン部４３における支持基板４２側とは反対側に形成されたサーモパイルＴＰとを備える。支持基板４２に、メンブレン部３における支持基板４２側の表面を露出させるように矩形状に開口された開孔部４２ａが形成されている。開孔部４２ａは、エッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングを利用して形成されている。サーモパイルＴＰは、互いに直列接続された複数の熱電対により構成されている。各熱電対は、メンブレン部４３において支持基板４２の開孔部４２ａに重なる領域と支持基板４２の開孔部４２ａの周部に重なる領域とに跨って形成された細長の第１の熱電要素４４および細長の第２の熱電要素４５とで構成される。サーモパイルＴＰでは、第１の熱電要素４４と第２の熱電要素４５との一端部同士の接合部で温接点が構成され、互いに異なる熱電対の第１の熱電要素４４の他端部と第２の熱電要素４５の他端部との接合部で冷接点が構成されている。また、第１の熱電要素４４は、ゼーベック係数が正の材料により形成し、第２の熱電要素は、ゼーベック係数が負の材料により形成されている。

　また、図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子では、支持基板４２の主表面に、各熱電要素４４，４５およびメンブレン部４３において各熱電要素４４，４５が形成されていない部位を覆う絶縁膜４６が形成されている。絶縁膜４６上には、サーモパイルＴＰの各温接点を含む所定領域を覆う赤外線吸収部４７が形成されている。赤外線吸収部４７は、赤外線吸収材料（例えば、金黒など）を用いて形成されている。ここで、赤外線受光素子４０の一対のパッド４９，４９は、絶縁膜４６に形成された開口部（図示せず）を通して露出している。なお、絶縁膜４６は、例えば、ＢＰＳＧ膜とＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜である。しかしながら、絶縁膜４６は、例えば、ＢＰＳＧ膜とシリコン窒化膜との積層膜であってもよい。また、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＸ－Ｘ’断面に相当する概略断面図であり、図２７（ａ）では、絶縁膜４６の図示が省略されている。

　また、図２８に示した構成の赤外線受光素子４０の基本構成は、図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子と略同じであり、図２７におけるサーモパイルＴＰと同じ構成の２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を備え、これら２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２が金属層４８を介して逆直列に接続（逆極性で直列接続）されている点が相違するだけである。なお、上述の２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆並列に接続（逆極性で並列接続）してもよい。このように２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆直列もしくは逆並列に接続することにより、組をなす２つのサーモパイルの直流バイアス成分を相殺することができるとともに、赤外線受光素子４０の出力のダイナミックレンジを大きくできる。特に２つ１組のサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２が１枚の支持基板４２に形成されている場合には、増幅回路６３ａをパッケージ７に収納する場合であっても、小型化を図ることができる。しかも、増幅回路６３ａのゲインを大きくできてＳ／Ｎ比を向上できる。

　（実施形態２）
　本実施形態では、ガス漏れ警報器のような用途に用いる赤外線式ガス計測装置について説明する。この種の赤外線式ガス計測装置は、図３０に示すように、電気信号の入力により赤外線を放射する赤外光源１００１と、赤外線を検知する赤外線センサ（赤外線式検知器）１００２とを有している。赤外光源１００１と赤外線センサ１００２との間には、ガス検知管１００３が配置されている。ガス検知管１００３内には、検知対象ガス（測定ガス）が導入される。なお、赤外線センサ１０２としては、実施形態１に記載の赤外線式検知器を採用できる。

　ガス検知管１００３は、赤外光源１００１から赤外線センサ１００２まで赤外線を導く管路１０３１を有する。管路１０３１の内周面は赤外線を反射するように構成されている。例えば、管路１０３１の内周面には、赤外線を反射する反射膜が形成される。上記反射膜は、例えば、Ａｕなどの金属薄膜であり、スパッタリングなどの薄膜形成法により管路１０３１の内周面の全面に形成される（この場合、実質的には、反射膜の表面が管路１０３１の内周面である）。なお、赤外線を反射する材料でガス検知管１００３（管路１０３１）を形成してもよい。赤外光源１００１から放射された赤外線は、図３０に破線で示すように、管路１０３１の内周面で繰り返し反射されて赤外線センサ１００２に到達する。

　ガス検知管１００３は、管路１０３１の内部空間と外部空間とを連通させる多数の連通孔１０３２を有する。連通孔１０３２は、管路１０３１の管壁に貫設される。したがって、管路１０３１の外部空間に存在する検知対象ガスは、連通孔１０３２を通して管路１０３１の内部空間に導入される。ガス検知管１００３の管路１０３１内に検知対象ガスが存在すると、赤外光源１００１から放射された赤外線の一部が、検知対象ガスに吸収されるか反射されるから、赤外線センサ１００２の受光強度に変化が生じる。この受光強度の変化を検出することによって、検知対象ガスの存在および濃度を検出することが可能になる。すなわち、管路１０３１の内部空間を監視空間として検知対象ガスを検知する。

　管路１０３１は、直管状であってもよいが、図３０に示すように蛇行状であることが望ましい。管路１０３１の内周面は赤外線を反射するから、管路１０３１が蛇行状に形成されていても赤外光源１００１から赤外線センサ１００２まで赤外線を伝達できる。

　管路１０３１を蛇行状とすると、赤外光源１００１から赤外線センサ１００２までの赤外線の経路を長くできる。そのため、管路１０３１に導入された検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなる。よって、管路１０３１内に存在する検知対象ガスによる赤外線への影響を検出しやすくなる。また、管路１０３１の内周面で赤外線が反射を繰り返すことによっても、検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなる。よって、蛇行状のガス検知管１００３（管路１０３１）を用いることにより検知対象ガスに対する感度を高めることができる。

　赤外光源１００１は、駆動回路１００４から間欠的に電圧が印加されることにより赤外線を間欠的に放射する。すなわち、駆動回路１００４は、赤外光源１００１が間欠的に赤外線を放射するように赤外光源１００１を駆動するように構成される。赤外光源１００１は、通電開始からの立ち上がり時間が短く、かつ通電終了からの立ち下がり時間が短くなるように構成されている。赤外光源１００１の具体構成については後述する。

　駆動回路１００４から赤外光源１００１に印加する電圧波形は、単発のパルス波または複数個（５～１０個程度）のパルスからなるバースト波である。また、赤外光源１００１に電圧を印加する時間間隔は、たとえば１０～６０ｓに設定される。赤外光源１００１に電圧を印加する時間（１パルス当たりのパルス幅）は赤外線センサ１００２の応答速度にもよるが、たとえば１００μｓ～１０ｍｓとし、バースト波を用いる場合には、たとえば１００ｍｓ程度の継続時間とする。

　図３０に示すように、赤外光源１００１は、金属製のパッケージ（キャンパッケージ）１０１０と、キャンパッケージ１０１０に収納された放射素子（赤外線放射素子）１０１１とを備える。パッケージ１０１０には放射素子１０１１の前方に位置する窓孔１０１２が形成されている。窓孔１０１２には投光レンズ１０１３が装着される。投光レンズ１０１３はＳｉを材料として形成され、半導体プロセスにより形成される。また、パッケージ１０１０には放射素子１０１１を駆動回路１００４に接続するための２本のリードピン１０１４が突設される。投光レンズ１０１３には、ガス検出に必要な特定波長帯の反射を抑制するように、赤外線反射防止膜が両面に形成されている。なお、投光レンズ１０１３に代えて集光ミラーを設けてもよい。

　赤外線センサ１００２は、金属製のパッケージ（キャンパッケージ）１０２０と、パッケージ１０２０に収納された焦電素子からなる２個の受光素子１０２１ａ，１０２１ｂを備える。パッケージ１０２０には２個の受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの前方に位置する１個の窓孔１０２２が形成される。この窓孔１０２２には、管路１０３１の内部空間から各受光素子１０２１ａ，１０２１ｂに入射する赤外線の波長を選択するためのフィルタ（光学フィルタ）１０２９が装着される。さらに、パッケージ１０２０には受光素子１０２１ａ，１０２１ｂを検知回路１００５に接続するためのリードピン１０２４が突設される。

　受光素子１０２１ａ，１０２１ｂは、熱型赤外線検出素子と量子型赤外線検出素子とのいずれでも用いることができるが、焦電素子のような熱型赤外線検出素子を用いることが好ましい。熱型赤外線検出素子は、量子型赤外線検出素子よりも取り扱いが容易である上に高感度であり、しかも低価格である。

　フィルタ１０２９は、２つの透過フィルタ（狭帯域透過フィルタ部）１０２５ａ，１０２５ｂと、１つの広帯域遮断フィルタ部（除去フィルタ、遮断フィルタ）１０２６と、を備える。２つの透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、管路１０３１の内部空間である監視空間から各受光素子１０２１ａ，１０２１ｂへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置され、それぞれ特定波長帯の赤外線を選択的に透過させるように構成されている。遮断フィルタ１０２６は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線を除く波長域の赤外線を吸収するように構成されている。２つの透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂと遮断フィルタ１０２６とは重ねられている。

　フィルタ１０２９は、Ｓｉからなるフィルタ基板（フィルタ形成用基板）１０２３を有する。フィルタ基板１０２３の第１表面（受光素子１０２１ａ，１０２１ｂ側の一面）には、２つの透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂが並べて形成されている。フィルタ基板１０２３の第２表面（他面）に遮断フィルタ１０２６が形成されている。すなわち、各透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、監視空間から各受光素子１０２１ａ，１０２１ｂへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置されている。遮断フィルタ１０２６は、監視空間と透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂとの間に配置されている。したがって、監視空間からの赤外線は、除去フィルタ１０２６により透過する波長域が狭められた後に、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂにより特定波長帯のみが選択的に透過されて受光素子１０２１ａ，１０２１ｂに到達する。

　透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、いずれも放射素子１０１１が放射する中赤外線ないし遠赤外線の波長域において狭帯域の透過特性を有している。一方の透過フィルタ１０２５ａは検知対象ガスによる吸収が生じる特定波長帯を透過させ、他方の透過フィルタ１０２５ｂは検知対象ガスによる吸収が生じない特定波長帯を透過させるように、透過特性が設計される。

　例えば、透過フィルタ１０２５ａは、検知対象ガスに応じた特定波長帯を透過するように構成される。検知対象ガスが二酸化炭素である場合には、４．３μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成され、検知対象ガスが一酸化炭素である場合に４．７μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成され、検知対象ガスがメタンである場合に３．３μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成される。また、透過フィルタ２５ｂは、これらの検知対象ガスによる吸収が生じないように、たとえば、３．９μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成される。

　透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、例えば、図３１に示すように、第１のλ／４多層膜（第１多層膜）１１２７ａと、第２のλ／４多層膜（第２多層膜）１１２７ｂと、第１多層膜１１２７ａと第２多層膜１１２７ｂとの間に介在された波長選択層１０２８と、を備える。第１多層膜１１２７ａおよび第２多層膜１１２７ｂは、それぞれ屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が互いに等しい複数種類の薄膜１０２７ｘ，１０２７ｙを積層して形成されている。図３１に示す例では、薄膜１０２７ｘと薄膜１０２７ｙとが交互に積層されている。このように第１多層膜１１２７ａおよび第２多層膜１１２７ｂは周期構造を有する多層膜である。波長選択層１０２８の光学膜厚は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂの選択波長（特定波長帯）に応じて薄膜１０２７ｘ，１０２７ｙの光学膜厚と異なる大きさに設定される。なお、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂの選択波長によっては、波長選択層１０２８を省略することもできる。薄膜１０２７ｘ，１０２７ｙは、それぞれ４分の１波長の光学膜厚を有するように構成される。

　遮断フィルタ１０２６は、赤外線を吸収する材料（赤外線吸収材料）により形成された赤外線吸収層である。赤外線吸収層材料には、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＴａ₂Ｏ₃が用いられる。遮断フィルタ１０２６は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂと同様に、多層膜フィルタであってもよい。すなわち、遮断フィルタ１０２６は、屈折率が互いに異なる複数種類の薄膜を積層して形成された多層膜であってもよい。例えば、遮断フィルタ１０２６では、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜の材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ₂Ｏ₃を採用でき、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜の材料としてＧｅを採用できる。すなわち、多層膜フィルタのうちの少なくとも１層は透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯よりも長波長の遠赤外線を吸収する赤外線吸収層である。

　遮断フィルタ１０２６が上記の赤外線吸収層である場合、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線を吸収することなく、特定波長帯よりも長波長側の赤外線を広帯域に亘って吸収できる。また、遮断フィルタ１０２６が上記の多層膜フィルタである場合、赤外線の吸収のみではなく反射も利用して不要な波長域の赤外線が受光素子１０２１ａ，１０２１ｂに入射するのを防止できる。

　図３２は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂの特性（特性Ｓ７０は透過フィルタ１０２５ａ、特性Ｓ７１は透過フィルタ１０２５ｂ）と、遮断フィルタ１０２６（特性Ｓ７２）との関係を示す。図３２からわかるように、遮断フィルタ１０２６は、長波長側の不要な波長域（遠赤外線の波長域）の赤外線を透過せずに吸収することによって除去する。そのため、遮断フィルタ１０２６を透過した短波長側の波長域（中赤外線ないし遠赤外線の波長域）のうち特定波長帯の赤外線が狭帯域の透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する。

　フィルタ基板１０２３は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂおよび遮断フィルタ１０２６を支持する機能を有する。また、フィルタ基板１０２３は、パッケージ２０に熱的に結合され、これによって、遮断フィルタ１０２６の放熱を行う機能を有する。フィルタ基板１０２３は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線を透過させる材料により形成される。フィルタ基板１０２３の材料としては、例えば、上述したＳｉのほか、ＧｅやＺｎＳを用いることも可能である。

　２つの受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力を用いてガス検知管１００３の中のガスの存否および濃度を検出するには、両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力値（出力）の差または比を求めればよい。仮に、検知対象ガスがガス検知管１００３内に存在しないときの両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力がそれぞれＶａ，Ｖｂであるとする。また、検知対象ガスがガス検知管１００３内に存在するときに、受光素子１０２１ａの出力のみがΔＶだけ低下したとする。上述の例では、透過フィルタ１０２４ａが前方に配置された受光素子１０２１ａでは二酸化炭素が存在すると受光強度が低下し、透過フィルタ１０２４ｂが前方に配置された受光素子１０２１ｂでは二酸化炭素が存在しても受光強度が低下しない。よって、検知対象ガスが存在するときに受光素子１０２１ａの出力のみが低下するという仮定は妥当である。ここで、両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の差は、（Ｖａ－Ｖｂ）から（Ｖａ－ΔＶ－Ｖｂ）に変化し、両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の比は（Ｖａ／Ｖｂ）から｛（Ｖａ－ΔＶ）／Ｖｂ｝に変化する。

　受光素子１０２１ａ，１０２１ｂが焦電素子である場合には、焦電素子の極性を利用して、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の差を得ることができる。例えば、両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂを逆直列に接続すればよい。また、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力を差動増幅器（差動増幅回路）に入力することにより、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの種類に関わらず、両受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の差分が得られる。

　受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の差と比とのどちらを用いるかにかかわらず、赤外光源１００１から単発のパルス波に対応する赤外線を受光するだけでは外光などのノイズと誤認する可能性がある。よって、赤外光源１００１からはバースト波に対応する赤外線を受光するのが望ましい。バースト波に対応する赤外線を受光すれば、複数回の受光で得られた差あるいは比の平均値を求めることにより、ノイズの影響を低減してＳ／Ｎを向上できる。

　本実施形態では、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂとして焦電素子を用いるから、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂを逆直列に接続することによって、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの差を検知回路１００５に出力する。検知回路１００５では、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力の差からガス検知管１００３の内部において、例えば対象ガスとして所定濃度以上の二酸化炭素の存在を検出する。検知回路１００５は、パッケージ１０２０の内部空間と外部とのいずれに設けられていてもよい。

　検知回路１００５は、ガス検知管１００３の内部における検知対象ガスの濃度が規定値以上か否かを判断し、検知対象ガスの濃度が規定値以上になると、警報信号を出力するように構成されている。警報信号は、聴覚的あるいは視覚的に警報を与える警報装置に出力される。

　検知回路１００５は、例えば、電流－電圧変換回路と、比較器と、出力回路と、を備える。電流－電圧変換回路は、バースト波に対応する受光素子１０２１ａ，１０２１ｂの出力を平均化する積分機能を備える。比較器は、電流－電圧変換回路の出力値を閾値と比較するように構成される。出力回路は、比較器での比較結果により警報信号を出力するように構成される。検知回路１００５は、上記の構成に限定されない。検知回路１００５は、検知対象ガスの濃度に対応する出力を発生させるように構成されていてもよい。この場合、検知回路１００５は、上記電流－電圧変換回路と、上記電流－電圧変換回路の出力値を検知対象ガスの濃度に換算する換算回路と、換算回路での換算結果により検知対象ガスの濃度に対応する出力を発生させる出力回路とを備える。

　駆動回路１００４からの単発のパルスあるいはバースト波に応答して赤外線を放射するためには、放射素子１０１１に、１０μｓ～１０ｍｓ程度の応答速度が要求される。この要求を満たす放射素子１０１１の一例を図３３に示す。図３３に示す放射素子１０１１の構成は一例であって、この構成に限定する趣旨ではない。

　図３３に示す放射素子１０１１は、基板１０４１と、保持層１０４２と、赤外線放射層１０４３と、を備える。保持層１０４２は、基板１０４１の一表面に形成された薄膜である。赤外線放射層１０４３は、保持層１０４２における基板１０４１側とは反対側の面に積層された薄膜である。赤外線放射層１０４３は、通電に伴って発生した熱により赤外線を放射するように構成される。さらに、基板１０４１において保持層１０４２を設けている一表面には基板１０４１の一部と保持層１０４２とに囲まれた厚み寸法の小さい気体層１０４４が形成される。すなわち、放射素子１０１１は、基板１０４１と保持層１０４２との間に介在された気体層１０４４を備えている。図３３に示す例では、基板１０４１の一表面に、凹所１０４６が形成されている。この凹所１０４６の上面は、保持層１０４２により閉塞されている。凹所１０４６の内面と保持層１０４２との間の空間が、気体層１０４４として用いられる。

　基板１０４１は、半導体基板（たとえば、単結晶のシリコン基板）であって直方体状に形成されている。また、保持層１０４２は、基板１０４１の一表面の周部を残した領域に陽極酸化を施すことにより、基板１０４１を多孔質化して形成される。陽極酸化の条件（電解液の組成、電流密度、処理時間など）は、基板１０４１の導電形および導電率に応じて適宜設定される。

　陽極酸化は、フッ化水素水溶液中で行い、これによって、多孔度が略７０％の多孔質半導体層（たとえば、ポーラスシリコン層）からなる保持層１０４２が形成される。また、基板１０４１の導電形は、ｐ形とｎ形とのどちらでもよいが、ｐ形のシリコン基板はｎ形のシリコン基板に比較して陽極酸化による多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい。よって、基板４１にはｐ形のシリコン基板を用いるのが望ましい。

　陽極酸化により基板１０４１の一部を多孔質化して形成された保持層１０４２は、熱容量および熱伝導率が小さい上に耐熱性が高く、しかも表面が平滑であるという特徴を有している。さらに、保持層１０４２の熱伝導率を低減するために保持層１０４２の一部あるいは全部について酸化あるいは窒化を行ってもよい。酸化あるいは窒化を行えば電気絶縁性も高くなる。

　保持層１０４２は、熱酸化により形成した半導体酸化膜であってもよい。また、熱酸化により保持層１０４２となる半導体酸化膜を形成する代わりに、ＣＶＤ法により酸化物を含む材料の保持層１０４２を形成することも可能である。熱酸化ないしＣＶＤ法により保持層１０４２を形成すれば、多孔質化により保持層１０４２を形成する場合に比較して製造プロセスが簡単になるから、量産性を高めることが可能になる。なお、ＣＶＤ法により保持層１０４２を形成する場合には、アルミナのような熱絶縁性の高い酸化物を用いたり、この種の酸化物を含む材料を用いることが可能である。保持層１０４２は、この種の材料の多孔体で形成することも可能である。

　赤外線放射層１０４３は、ＴａＮとＴｉＮとから選択した材料により形成される。これらの材料は耐熱性および耐酸化性に優れているから、赤外線放射層１０４３を空気雰囲気で使用することが可能になる。そのため、放射素子１０１１をパッケージに収納せずにベアチップとして基板に実装することが可能になる。また、放射素子１０１１をパッケージに収納する場合でも、放射素子１０１１からの赤外線を出射させるためにパッケージに形成された窓孔を窓部材で閉塞する必要がなくなる。そのため、窓部材によって赤外線が減衰されることがないから、赤外線の放射効率を高めることができる。これらの材料は、赤外線放射層１０４３としての耐久性を満たしながらも応答性を確保するのに適した厚み寸法（数十ｎｍ）において、シート抵抗が所望値になるという物性を有している。

　これらの材料を用いて赤外線放射層１０４３を成膜する際には窒素ガスを導入するから、導入した窒素ガスの分圧によってシート抵抗を制御することが可能である。たとえば、ＴａＮを反応性スパッタ法により所定の位置に赤外線放射層１０４３を成膜することができる。そして、窒素ガスの分圧を制御することにより、所定の発熱温度でシート抵抗が所望値になるように形成することができる。ただし、赤外線放射層１０４３を形成する材料は、ＴａＮ，ＴｉＮ以外も使用可能であり、他の窒化金属や炭化金属を用いてもよい。

　電極１０４５間に印加する電圧（駆動電圧）で赤外線の放射強度を制御する場合に、赤外線放射層１０４３に投入する電力が同じであれば、シート抵抗が小さい赤外線放射層１０４３ほど駆動電圧を低減できる。駆動電圧が低ければ、昇圧による損失を低減できる。また、放射素子１０１１内の電界強度が小さくなるから、放射素子１０１１の破損を防止できる。よって、シート抵抗は小さいほうが望ましい。

　赤外線放射層１０４３は、温度上昇に伴ってシート抵抗が低下する負の抵抗温度係数を持っている。したがって、駆動電圧が同じであっても温度上昇に伴ってシート抵抗が低下して赤外線放射層１０４３を流れる電流が増加する。すなわち、温度上昇に伴って投入電力が増加し、到達最高点温度を高くできる。

　なお、赤外線放射層１０４３の材料がＴａＮである場合に、抵抗温度係数が－０．００１〔℃―¹〕に設定したとする。この場合、最高到達温度が５００〔℃〕であり、最高到達温度におけるシート抵抗が３００〔Ωｓｑ〕であるとすれば、室温での赤外線放射層１０４３のシート抵抗は５７１〔Ωｓｑ〕になる。

　ここで、昇圧回路を利用して駆動電圧を生成している場合には、上述のように赤外線放射層１０４３に負の抵抗温度係数を持たせることによって、到達最高点温度を高めながらも昇圧回路の昇圧比の増加を抑制できる。よって、昇圧回路での電力損失を抑制できる。

　赤外線放射層１０４３の表面には良導電性の金属材料により形成した一対の電極１０４５が設けられる。図３３では、一対の電極１０４５は、赤外線放射層１０４３の左右両端にそれぞれ積層されている。電極１０４５に用いる金属材料としては、赤外線放射層１０４３の材料と反応しにくく高温での安定性に優れたイリジウムなどが適している。また、赤外線放射層１０４３の温度上昇が小さい場合はアルミニウムなどの材料も電極１０４５に用いることができる。電極１０４５の材料は、これらの金属材料に限らず、他の導電性材料も使用可能である。

　上述したように、赤外光源１００１では、放射素子１０１１はパッケージ１０１０に収納されている。放射素子１０１１の各電極１０４５はそれぞれボンディングワイヤ１０１５を介して各リードピン１０１４に接続される。

　放射素子１０１１では、両電極１０４５の間に通電すると（両電極１０４５間に電圧を印加すると）、赤外線放射層１０４３がジュール熱により加熱され赤外線放射層１０４３から赤外線が放射される。また、通電を停止すると、赤外線放射層１０４３からの赤外線放射が停止する。

　赤外線放射層１０４３への通電時には通電時間が比較的短ければ、気体層１０４４では熱伝導および対流による熱の伝達がなされず、保持層１０４２の温度低下が抑制される。結果的に、赤外線放射層１０４３を高い温度に維持でき、赤外線放射が促進される。

　赤外線放射層１０４３の非通電時には基板１０４１と保持層１０４２とに温度差があれば、気体層１０４４の中に存在する気体により保持層１０４２から基板１０４１への熱伝導および対流による熱の伝達がなされる。そのため、保持層１０４２の放熱が促進されて、結果的に、赤外線放射層１０４３を迅速に冷却できる。そのため、赤外線放射をただちに停止させることができる。

　一対の電極１０４５間には、正弦波状に変化する電圧を印加してもよい。この場合であっても、電圧の増加期間に赤外線放射層１０４３の温度を上昇させ、電圧の減少期間に赤外線放射層１０４３の温度を下降させることができる。したがって、電極１０４５間に正弦波状に変化する電圧を印加することで、赤外光源１００１から放射される赤外線の強度を変調することができる。

　すなわち、図３４（ａ）に示すように、赤外線放射層１０４３にパルス状の電圧を印加すると（赤外線放射層１０４３に設けられた一対の電極１０４５間にパルス状の電圧を印加すると）、赤外線放射層１０４３は、図３４（ｂ）に示すように、電圧の立ち上がりから応答性よく赤外線を放射し、電圧の立ち下がりから比較的短時間で赤外線の放射を停止する。

　赤外線放射層１０４３から放射される赤外線のピーク波長λ〔μｍ〕は、ウィーンの変位則を満足している。そのため、ピーク波長λ〔μｍ〕と赤外線放射層１０４３の絶対温度Ｔ〔Ｋ〕との間の関係は、次式（９）を満たす。
λ＝２８９８／Ｔ　・・・（９）
　したがって、赤外線放射層１０４３の温度を変化させることにより、赤外線放射層１０４３から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。赤外線放射層１０４３の温度を調節するには、電極１０４５に印加する電圧の振幅や波形などを調節し、単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させればよい。

　例えば、両電極１０４５の間に１００Ｖ程度の正弦波状の電圧を印加することによりピーク波長が３～４〔μｍ〕の赤外線を放射させるように設計することが可能である。電圧を調節すれば、ピーク波長が４〔μｍ〕以上になる赤外線を放射させることも可能である。

　上述の構成の赤外光源の電極１０４５に正弦波状の電圧を印加する場合に、保持層１０４２の熱伝導率をαｐ〔Ｗ／ｍＫ〕、保持層１０４２の体積熱容量（比熱容量と密度との積）をＣｐ〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕、赤外線放射層１０４３が応答可能な周波数（印加電圧の周波数の２倍）をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、保持層１０４２の熱拡散長μは、次式（１０）で表される。
μ＝（２αｐ／ωＣｐ）^1/2　・・・（１０）
ただし、ω＝２πｆである。

　保持層１０４２は、赤外線放射層１０４３から交流的に変化する熱が与えられたときに、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２に向かって放射された赤外線が、保持層１０４２と気体層１０４４との境界面において気体層１０４４に渡されるように、厚み寸法Ｌｐを設定する必要がある。換言すれば、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐは、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２に向かって放射された赤外線が、保持層１０４２を通って気体層１０４４に到達できる大きさである必要がある。すなわち、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐは少なくとも熱拡散長μよりも小さい値に設定する（Ｌｐ＜μ）ことが望ましい。

　例えば、保持層１０４２がポーラスシリコンである場合に、ｆ＝１０〔ｋＨｚ〕、αｐ＝１．１〔Ｗ／ｍＫ〕、Ｃｐ＝１．０５×１０⁶〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕とすれば、上式（１０）より、μ＝５．８×１０^-6〔ｍ〕になる。したがって、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐを５．８〔μｍ〕よりも小さくすることが望ましい。

　赤外線の放射効率をさらに高めるには、赤外線に対して共鳴条件が成立するように保持層１０４２を形成することが望ましい。共鳴条件を成立させれば、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２に向かう赤外線を保持層１０４２と気体層１０４４との境界面において反射させることができる。これによって、赤外線放射層１０４３の後方に放射されて無駄になる赤外線量を低減させることがでる。よって、共鳴条件を成立させない場合に比べて、赤外線放射層１０４３から放射される赤外線の強度を高めることができる。この動作を可能とするには、目的波長の赤外線の共鳴条件を満足するように保持層１０４２の厚み寸法を設定すればよい。

　目的波長の赤外線に対して保持層１０４２で共鳴条件を満足させるには、目的波長の赤外線に対する保持層１０４２の光路長を目的波長の赤外線の４分の１波長の奇数倍にしなければならない。いま、保持層１０４２の厚み寸法をＬｐ〔ｍ〕、保持層１０４２の屈折率をｎとすると、光路長はｎ・Ｌｐである。よって、目的波長の赤外線の真空中での波長をλ〔ｍ〕とすれば、共鳴条件は次式（１１）で表される。
ｎ・Ｌｐ＝（２ｍ－１）λ／４　・・・（１１）
ここに、ｍは正整数である。

　上述したように、保持層１０４２をポーラスシリコンで形成した場合、保持層１０４２の屈折率は、たとえばｎ＝１．３５になる。目的波長の赤外線の波長が４〔μｍ〕であり、ｍ＝１であれば、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｑは０．７４〔μｍ〕になる。この場合、Ｌｐ＝０．７４〔μｍ〕＜５．８〔μｍ〕であるから保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐは、Ｌｐ＜μも満足する。

　以上述べた保持層１０４２は、赤外線放射層１０４３の昇温を阻害することがない。しかも、保持層１０４２をポーラスシリコンを用いて形成することにより、緻密な材料を用いて保持層１０４２を形成する場合に比べて保持層１０４２の体積熱容量を低減できる。よって、赤外線放射層１０４３と保持層１０４２との全体としての体積熱容量を小さくすることができる。また、多孔度が高くなるにつれて、保持層１０４２の熱伝導率が低くなり、体積熱容量が小さくなる。

　このように、保持層１０４２の体積熱容量を小さくでき、かつ保持層１０４２が赤外線放射層１０４３の昇温を阻害しないから、赤外線放射層１０４３の昇温効率を高めることができる。よって、印加された電圧の変化に高速に応答させることが可能になる。そのため、印加電圧の変調周波数を高くできる。

　さらに、保持層１０４２において赤外線放射層１０４３に接する面とは反対になる面は気体層１０４４に接している。気体層１０４４は保持層１０４２よりも熱伝導率が小さいから、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２を通る熱伝導の経路の熱抵抗が増加する。その結果、赤外線放射層１０４３の周辺への放熱が抑制される。したがって、図３５の曲線Ｓ８１で示すように、赤外線放射層１０４３の発熱時に保持層１０４２の温度は上昇するが、保持層１０４２の深さ方向において大きな温度差が生じない。なお、図３５の曲線Ｓ８０は、気体層１０４４がない場合の保持層１０４２の深さ方向における温度の変化を示している。

　ところで、気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇは、以下の条件で設定するのが望ましい。赤外線放射層１０４３への印加電圧が正弦波状であり、印加電圧の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、気体層１０４４の熱伝導率をαｇ〔Ｗ／ｍＫ〕、気体層１０４４の体積熱容量をＣｇ〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕とする。このとき、気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇは次式（１２）で表される範囲に設定される。
０．０５Ｌｇ′＜Ｌｇ＜３Ｌｇ′　・・・（１２）
ただし、Ｌｇ′＝（２αｇ／ωＣｇ）１／２、ω＝２πｆである。

　例えば、ｆ＝１０〔ｋＨｚ〕、αｇ＝０．０２５４〔Ｗ／ｍＫ〕、Ｃｇ＝１．２１×１０³〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕とすれば、上式（１２）から、１．３〔μｍ〕＜Ｌｇ＜７７．５〔μｍ〕になる。気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇを、例えば２５〔μｍ〕に設定することにより、上式（１２）式を満足することができる。望ましくは、気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇは、上式（１２）で決定される範囲内で温度振幅比が最大となる厚みに設定する。

　気体層１０４４は、基板１０４１の温度を一定とすれば、保持層１０４２の温度と厚み寸法Ｌｇとに依存して断熱性と放熱性とのいずれかの機能を持つ。気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇを上式（１２）で決定される範囲において適宜に調節することにより、図３６（ａ），（ｂ）に示すように、赤外線放射層１０４３への印加電圧が上昇する期間（昇温期間）Ｔ１には気体層１０４４に断熱性を持たせ、赤外線放射層１０４３への印加電圧が下降する期間（降温期間）Ｔ２には気体層１０４４に放熱性を持たせることが可能になる。

　すなわち、気体層１０４４が断熱性または放熱性を持つ期間を、赤外線放射層１０４３への印加電圧が上昇または下降する期間にほぼ一致させることが可能になる。赤外線放射層１０４３への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、赤外線放射層１０４３の温度を電圧の周波数に略同期するように変化させることが可能になる。つまり、気体層１０４４を設けることで応答性を高めることが可能になる。

　図３６（ｃ）は、放射素子１０１１の第１比較例の赤外線放射層の温度変化を示す。この第１比較例は、気体層１０４４を備えていない。このように放射素子１０１１が気体層１０４４を備えていない場合には、断熱性能が不足して放熱性能が断熱性能を上回る。例えば、１０ｋＨｚで変調された駆動電圧（図３６（ａ）参照）が電極１０４５間に印加された場合、図３６（ｃ）に示すように、赤外線放射層１０４３の温度が昇温期間Ｔ１中に所定の赤外線強度を得ることができる温度（所定温度）まで上昇せず、降温期間Ｔ２中に放熱されることで、低温に維持される。

　図３６（ｄ）は、放射素子１０１１の第２比較例の赤外線放射層の温度変化を示す。この第２比較例では、気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇが上式（１２）の上限である３Ｌｇ´を超えている（例えば、Ｌｇが５２５μｍである）。そのため、放熱性能が不足する。例えば、１０ｋＨｚで変調された駆動電圧（図３６（ａ）参照）が電極１０４５間に印加された場合、図３６（ｄ）に示すように、赤外線放射層１０４３の温度は、昇温期間Ｔ１中に上記所定温度まで上昇するが、降温期間Ｔ２中に十分に赤外線放射層１０４３の温度を下げることができず、赤外線放射層１０４３の温度が昇降温を繰り返す度に上昇して高温に維持される。

　なお、図３３は、赤外線放射層１０４３に通電することにより、赤外線放射層１０４３を発熱させることで赤外線放射層１０４３から赤外線を放射する直熱型の構成（放射素子１０１１）を例示する。しかしながら、赤外線放射層１０４３とは別に設けられた加熱層に通電して赤外線放射層１０４３を加熱することで赤外線放射層１０４３から赤外線を放射する傍熱型の構成（放射素子１０１１）を用いることも可能である。上記加熱層は、例えば、保持層１０４２と赤外線放射層１０４３との間や、赤外線放射層１０４３を挟んで保持層１０４２の反対側に設けられる。

　傍熱型の放射素子１１０では、赤外線放射層１０４３を保持層１０４２として兼用することも可能である。また、傍熱型の放射素子１１０では、赤外線放射層１０４３から放射された赤外線が加熱層を透過するように、目的波長の赤外線に対して共鳴条件が成立するように加熱層を形成して、目的波長の赤外線の放射効率を高める必要がある。なお、気体層１０４４を設ける代わりに、赤外線を反射させる反射層（図示せず）を設けてもよい。要するに、放射素子１０１１は、１０μｓ～１０ｍｓ程度のオン期間を持つパルスに追従して赤外線の強度が変化するように構成されていればよい。

　以上述べたように、本実施形態の赤外線式ガス計測装置は、赤外線を放射する赤外光源１００１と、赤外光源１００１から放射され検知対象ガスが導入される監視空間を通過した赤外線を検知する赤外線センサ１００２とを有する。本実施形態の赤外線式ガス計測装置は、赤外線センサ１００１の出力を用いて監視空間における検知対象ガスを検知する。赤外線センサ１００１は、受光素子１０２１ａ，１０２１ｂと、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂと、遮断フィルタ１０２６と、とを有する。受光素子１０２１ａ，１０２１ｂは、赤外線を電気信号に変換するように構成される。透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、監視空間から受光素子１０２１ａ，１０２１ｂへの赤外線の入射経路に配置される。透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂは、特定波長帯の赤外線を選択的に透過させるように構成される。遮断フィルタ１０２６は、監視空間と透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂとの間に配置される。遮断フィルタ１０２６は、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収することにより広帯域に赤外線を除去するように構成される。受光素子１０２１ａ，１０２１ｂは、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線に感度を有する。駆動回路１００４により、赤外光源１００１は、間欠的に赤外線を放射するように駆動される。

　本実施形態の赤外線式ガス計測装置によれば、遮断フィルタ１０２６によって検知対象ガスの検知には無関係な波長の赤外線の大部分を除去できるから、検知対象ガスに対する感度を高めることができる。遮断フィルタ１０２６を用いると、不要な赤外線の吸収による温度上昇により遮断フィルタ１０２６から赤外線が放射される可能性がある。しかしながら、赤外光源１００１から間欠的に赤外線が放射されるから、不要な赤外線の吸収による遮断フィルタ１０２６の温度上昇を抑制できる。よって、赤外光源１００１からの赤外線放射によって生じる遮断フィルタ１０２６の温度変化に伴う波長偏移も抑制できる。その結果、遮断フィルタ１０２６による不要な赤外線の除去の機能を有効に利用し、検知対象ガスを高精度に検知することが可能になる。しかも、赤外光源１００１から間欠的に赤外線を放射するから、赤外光源１００１から赤外線を連続的に放射させる場合に比べて、投入電力を低減できる。

　また、赤外光源１００１は、基板１０４１と、基板１０４１に形成された保持層１０４２と、保持層１０４２に積層された赤外線放射層１０４３と、基板１０４１と保持層１０４２との間に介在された気体層１０４４と、を備える。赤外線放射層１０４３は、通電に伴って発生した熱によって赤外線を放射するように構成される。気体層１０４４は、赤外線放射層１０４３が通電されているときには保持層１０４２の温度が低下することを抑制し、赤外線放射層１０４４が通電されていないときには保持層１０４２から基板１０４１への熱伝達を促進するように構成される。

　このような赤外線放射層１０４３と保持層１０４２と気体層１０４４とを備える赤外光源１００１では、赤外線放射層１０４３に電力を投入されている間は気体層１０４４が保持層１０４２の温度低下を抑制する。よって、投入電力（赤外線放射層１０４３に供給される電力）に対する赤外線放射量を高めることができる。一方、赤外線放射層１０４３に電力が投入されていない間は気体層１０４４が保持層１０４２から基板１０４１への熱伝達を促進して保持層１０４２の温度を低下させる。よって、赤外線の放射を短時間で停止させることが可能になる。つまり、赤外線放射層１０４３への電力の投入と停止とに対して応答性よく赤外線の放射と停止とを行うことができる。また、投入電力に対して効率よく赤外線を放射することができる。よって、赤外光源１００１として、白熱電球を用いたり、誘電体膜中にフィラメントを設けた構造物を用いたりする場合に比較すると消費電力を低くできる。

　遮断フィルタ１０２６として、赤外線吸収層を含む多層膜フィルタを用いると、吸収のみではなく反射も利用して除去する波長を調節することが可能になる。ここで、遮断フィルタ１０２６が吸収する赤外線の波長域は、赤外線吸収層に用いられる材料によって決定される。一方、遮断フィルタ１０２６が反射する赤外線の波長域は、多層膜を構成する各薄膜の屈折率および膜厚によって決定される。よって、吸収と反射とを補完的に用いることで除去する波長域の範囲を広げることが可能になる。言い換えると、広帯域の赤外線を放射する赤外光源１００１を用いながらも、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線をできるだけ除去できる。よって、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線が受光素子１０２１ａ，１０２１ｂに入射されるのを抑制でき、結果的に検知対象ガスに対する感度を高めることができる。

　また、赤外線吸収層の材料をＡｌ₂Ｏ₃とＴａ₂Ｏ₃とから選択すれば、ＳｉＯｘやＳｉＮｘを赤外線吸収層の材料に用いる場合に比較して、遠赤外線の吸収率を高めることができる。特に、赤外線吸収層の材料としてＡｌ₂Ｏ₃を用いた場合には、フィルタ基板１０２３の材料としてＳｉを用いることが好ましい。この場合には、ＳｉとＡｌ₂Ｏ₃との硬さが近いために、周囲温度の変化などによる伸縮が生じたとしても多層膜フィルタ（遮断フィルタ１０２６）がフィルタ基板１０２３から剥がれる可能性がない。よって、安定性や信頼性を向上させることができる。

　受光素子１０２１ａ，１０２１ｂとして、赤外光源１００１から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型赤外線検出素子を用いると、透過フィルタ１０２５ａ，１０２５ｂや遮断フィルタ１０２６の設計変更のみで、様々な種類の検知対象ガスに対応することが可能になる。よって、検知対象ガスが互いに異なる赤外線式ガス計測装置同士で部品の共用化が可能になる。結果的に赤外線式ガス計測装置の製造コストを低くできる。

　図３７，３８は、放射素子１０１１の第１変形例（放射素子１０１１Ａ）を示す。なお、以下の説明では、図３７における上下方向および左右方向を放射素子１０１１Ａの上下方向および左右方向とそれぞれ規定する。

　放射素子１０１１Ａは、図３７，３８に示すように、保持層１０４２を支持するために凹所１０４６の底面と保持層１０４２との間に支柱状の支持部（支持体）１０４７を備える点で、放射素子１０１１と異なる。

　支持部１０４７は、多孔質層よりも機械的強度の高い単結晶シリコンによって下から上に向かって拡径する略円錐台状に形成されている。図３７に示す例では、４つの支持部１０４７が気体層１０４４内において互いに所定の間隔を空けて設けられている。各支持部１０４７は、基板１０４１の上面（基板１０４１の凹所１０４６の底面）と保持層１０４２の下面とを連結し、基板１０４１に対して保持層１０４２を支持している。そのため、赤外線放射層１０４５と保持層１０４２との熱膨張係数の差に起因して、赤外線放射層１０４５の温度が変化した際に、保持層１０４２が基板１０４１に付着してしまうことを防止できる。よって、赤外線放射層１０４３の温度変化が阻害されてしまうことや、赤外線放射層１０４３が変形して破損してしまうことを防止できる。また、放射素子１０１１Ｂの製造時にウェット処理を行った場合、ウェット処理後の乾燥時に保持層１０４２が基板１０４１に付着することを防止できる。また、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐが上記共鳴条件を満たしている場合には、保持層１０４２が発熱によって変形するおそれがある。しかしながら、支持部１０４７を設けることで、保持層１０４２が発熱によって変形することを防止できる。なお、図３７に示す例では、支持部１０４７が保持層１０４２の下面に接触しているが、支持部１０４７は保持層１０４２を貫通した状態で支持していてもよい。

　なお、基板１０４１が単結晶シリコンにより形成されている場合には、凹所１０４６の形成時に基板１０４１の一部を支持部１０４７として残すようにしてもよい。このようにすれば、支持部１０４７と基板１０４１の接続部分に発生する応力がゼロになる。すなわち、支持部１０４７が基板１０４１に一体に形成されているから、支持部１０４７の強度を更に高くできる。

　放射素子１０１１Ａでは、電極１０４５間に電圧を印加することにより赤外線放射層１０４３が通電されると、図３７に示すように、赤外線放射層１０４３から上方へ赤外線Ｅ１が放射される。また、保持層１０４２は、赤外線放射層１０４３を直接的に支持しているから、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２には直接的に伝熱される。赤外線放射層１０４３から保持層１０４２への伝熱によって保持層１０４２が加熱され、保持層１０４２の一部の温度上昇により保持層１０４２から赤外線Ｅ２が放射される。

　赤外線放射層１０４３は、赤外線透過性を有するように形成されている。よって、保持層１０４２から赤外線放射層１０４３に向かう向きに放射された赤外線は赤外線放射層１０４３を透過して赤外線放射層１０４３の上方へ放射される。つまり、放射素子１０１１Ａからは、赤外線放射層１０４３から上方へ放射される赤外線Ｅ１と、保持層１０４２から赤外線放射層１０４３を透過して赤外線放射層１０４３の上方へ放射される赤外線Ｅ２とが併せて放射される。放射素子１０１１Ａでは、赤外線放射層１０４３が直熱型の赤外線放射源として機能し、保持層１０４２が傍熱型の赤外線放射源として機能する。このように、放射素子１０１１Ａでは、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２に向かって放射されるエネルギーの一部を利用して、保持層１０４２が赤外線を放射する。よって、投入電力に対する赤外線の放射効率を高めることができる。言い換えると、所望の量の赤外線を放射するのに必要な投入電力を低減できる。

　放射素子１０１１Ａにおいても、赤外線放射層１０４３の昇温時には、保持層１０４２と基板１０４１との間が気体層１０４４によって断熱される。そのため、断熱層として作用する気体層１０４４が赤外線放射層１０４３の昇温を促進するから昇温期間Ｔ１を短くできる。赤外線放射層１０４３の降温時には、赤外線放射層１０４３から保持層１０４２に伝達された熱が、気体層１０４４を介して基板１０４１へと放熱される。そのため、放熱層として作用する気体層１０４４が赤外線放射層１０４３の放熱を促進するから降温期間Ｔ２を短くできる。従って、図３７（ａ），（ｂ）に示すように、赤外線放射層１０４３の温度変化を、入力電圧の波形に同期させることができる。よって、放射素子１０１１Ａから放射される赤外線の出力を高めるとともに、放射素子１０１１Ａを高周波で駆動することが可能になる。また、更にはガスの計測に必要な時間を短縮できるから、消費電力を低くできる。

　また、保持層１０４２は、多孔質層である。多孔質層は、緻密な絶縁材料に比べて熱容量が小さく、熱伝導率が低い。そのため、保持層１０４２は、赤外線放射層１０４３の昇温を阻害しないから、昇温期間Ｔ１を短縮できる。そのため、保持層１０４２が多孔質層でない場合に比べて、小さなエネルギーで大きく昇温することで消費電力を低くできる。

　特に、保持層１０４２は、ポーラスシリコンまたはポーラスポリシリコンであることが好ましい。この場合、保持層１０４２の耐熱性を向上でき、赤外線放射層１０４３の温度上昇によって保持層１０４２が変形したり破損したりすることを防止できる。

　また、保持層１０４２は、その外周面で基板１０４１に固定されている。特に、図３７，３８に示す例では、保持層１０４２の外周面が基板１０４１の凹所１０４６の内周面に接合されている。そのため、赤外線放射層１０４３の温度上昇時に赤外線放射層１０４３と保持層１０４２との熱膨張率差に起因して発生する応力によって、保持層１０４２が変形したり破損したりすることを防止できる。

　次に、放射素子１０１１Ａの製造方法について図３９（ａ）～（ｅ）を用いて説明する。なお、以下の説明では、支持部１０４７の数を１つとしている。また、基板１０４１として、比抵抗が８０～１２０Ωｃｍ程度の略矩形板状のｐ形半導体基板を用いている。

　放射素子１０１１Ａの製造方法では、最初にドープ工程を行う。ドープ工程では、図３９（ａ）に示すように、基板１０４１の第１表面（図３９（ａ）における上面）に、矩形状の第１不純物拡散領域１０４８と、第２不純物拡散領域１０４９とを形成する。第１不純物拡散領域１０４８は、基板１０４１の第１表面において保持層１０４２を形成するための矩形状の領域（保持層形成領域）の中央に形成される。第２不純物拡散領域１０４９は、上記保持層形成領域を囲う矩形枠状に形成される。第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９は、基板１０４１の第１表面にｎ形不純物（例えばＰイオン）を高濃度で注入してから、ドライブインを行うことにより形成される。なお、第１不純物拡散領域１０４８は、支持部１０４７よりも外形サイズが大きくなるように形成される。また、第１不純物拡散領域１０４８は、気体層１０４４と同程度の厚みを持つように形成される。

　ドープ工程を行った後に、アニール工程（アニール処理）を行う。これによって、第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９の不純物を拡散させるとともに活性化させる。第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９は、ｎ形の陽極酸化マスクとして機能する。

　アニール工程を行った後、マスク形成工程を行う。マスク形成工程では、酸化処理を行うことで基板１０４１の第１表面（図３９（ａ）における上面）および第２表面（図３９（ｂ）における下面）それぞれの全面に、シリコン酸化膜を形成する。その後に、基板１０４１の第１表面に形成されたシリコン酸化膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングして、陽極酸化マスク１０５０を形成する（図３９（ｂ）参照）。陽極酸化マスク１０５０は、上記保持層形成領域および第２不純物拡散領域１０４９の一部を露出させるように形成される。一方、基板１０４１の第２表面に形成されたシリコン酸化膜は、エッチング技術を利用して除去される。その後、基板１０４１の第２表面に、スパッタ法を利用して、バックコンタクト用のアルミニウム電極１０５１を形成する。アルミニウム電極１０５１は、陽極酸化処理を行う際に基板１０４１に電位を与えるために使用される。そのため、アルミニウム電極１０５１は、基板１０４１にオーミック接触するように形成される。

　マスク形成工程を行った後に、多孔質化工程を行う。多孔質化工程では、陽極酸化を行うことで、前記保持層形成領域における第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９を除く領域が多孔質化される。これによって、図３９（ｃ）に示すように、ポーラスシリコンよりなる保持層１０４２が形成される。

　なお、半導体基板の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールの供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られている。Ｆイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールの供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。

　よって、多孔質化工程では、陽極酸化の電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合して得られたフッ化水素３０％の溶液を用いる。陽極酸化を行うにあたっては、基板１０４１の第１表面を上記電解液に浸す。そして、基板１０４１の第１表面に対向して配置された白金電極（図示せず）と、基板１０４１の第２表面に形成されたアルミニウム電極１０５１との間に電圧を印加して、所定の電流密度（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ²）の電流を所定時間だけ流す。これによって、厚み寸法Ｌｐが１μｍの保持層１０４２が形成される。なお、第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９をｎ形の陽極酸化マスクとして機能させるためには、陽極酸化時に、第１不純物拡散領域１０４８および第２不純物拡散領域１０４９に光があたらないようにする必要がある。

　上述したように、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐは、少なくとも熱拡散長μよりも小さい値に設定されていればよい。

　多孔質化工程を行った後に、電解研磨工程を行う。電解研磨工程では、上記多孔質化工程とは条件を変えて陽極酸化を行うことで、基板１０４１に凹所１０４６（気体層１０４４）を形成する（図３９（ｄ）参照）。この電解研磨工程では、第１不純物拡散領域１０４８がマスクとして作用するから、第１不純物拡散領域１０４８の下方の基板１０４１の部位が研磨されずに残存し、これによって支持部１０４７が形成される。支持部１０４７は、下から上に向かって拡径する略円錐台状である。このように電解研磨工程では、気体層１０４４と支持部１０４７とが同時に形成される。

　上述したように、半導体基板の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールの供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こる。

　そこで、電解研磨工程では、陽極酸化の電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合して得られたフッ化水素１５％の溶液を用いる。陽極酸化を行うにあたっては、保持層１０４２および陽極酸化マスク１０５０を上記電解液に浸す。そして、基板１０４１の第１表面に対向して配置された白金電極（図示せず）と、アルミニウム電極１０５１との間に電圧を印加して、所定の電流密度（例えば、１０００ｍＡ／ｃｍ²）の電流を所定時間だけ流す。保持層１０４２が多孔質化されているため、保持層１０４２を介して基板１０４１が研磨される。これによって厚み寸法Ｌｇが２５μｍの気体層１０４４が形成される。このとき、上述したように第１不純物拡散領域１０４８がマスクとして作用するため、基板１０４１において支持部１０４７となる部位は研磨されずに残存する。

　上述したように、気体層１０４４の厚み寸法Ｌｇは、上式（１２）を満たすように設定される。

　なお、電解研磨工程では、基板１０４１が等方的に研磨される。そのため、第２不純物拡散領域１０４９が存在しない場合には、図４０に示すように、保持層１０４２の周縁においても基板１０４１が研磨されてしまう。その結果、保持層１０４２が陽極酸化マスク１０５０だけで支持される。よって、放射素子１０１１Ａの機械的強度が小さくなる。しかしながら、図３９（ｄ）に示す例では、第２不純物拡散領域１０４９が存在しているので、保持層１０４２の周縁は第２不純物拡散領域１０４９（ｎ形領域）を介して基板１０４１に接合される。よって、放射素子１０１１Ａの機械的強度が大きくなる。

　すなわち、放射素子１０１１Ａの製造方法では、マスク工程の前に、基板１０４１の第１表面において陽極酸化マスク１０５０を形成する領域と保持層形成領域とに跨る第２不純物拡散領域１０４９を形成するドープ工程（第２ドープ工程）を行っている。第２不純物拡散領域１０４９は、陽極酸化マスクとして作用する。そのため、基板１０４１において第２不純物拡散領域１０４９の下方の部位は、基板１０４１の厚み方向に電解研磨されない。よって、基板１０４１は、第２不純物拡散領域１０４９をその下方から支持する。したがって、放射素子１０１１Ａでは、第２不純物拡散領域１０４９と、第２不純物拡散領域１０４９をその下方から支持する基板１０４１の部位とが、保持層１０４２と基板１０４１の接合を補強する補強部として機能する。よって、保持層１０４２と基板１０４１の接合部の強度を大きくできて、保持層１０４２が変形したり破損したりすることを防止できる。

　電解研磨工程を行った後、赤外線放射層形成工程を行う。赤外線放射層形成工程では、保持層１０４２上に（陽極酸化マスク１０５０で囲まれた領域）に、赤外線放射層１０４３を形成する。図３９（ｅ）では、赤外線放射層１０４３は、保持層１０４２と陽極酸化マスク１０５０の内周縁にまたがって形成されている。赤外線放射層１０４３は、通電により発熱する貴金属（例えば、Ｉｒ）により形成される。また、赤外線放射層１０４３の厚み寸法は１００ｎｍ程度に設定される。なお、赤外線放射層１０４３の材料は、Ｉｒに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等、通電により発熱する耐熱性材料であればよく、赤外線の放射率の高い材料が好ましい。

　赤外線放射層形成工程を行った後、電極形成工程を行う。電極形成工程では、赤外線放射層１０４３の両端（図３９（ｅ）における左右両端）にそれぞれ電極１０４５を形成する。電極１０４５は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などを利用して形成される。

　これによって、図３９（ｅ）に示す放射素子１０１１Ａが得られる。

　以上述べたように、放射素子１０１１Ａの製造方法は、陽極酸化マスク１０５０を形成するマスク工程と、陽極酸化を利用して多孔質層からなる保持層１０４２を形成する多孔質化工程と、陽極酸化を利用して電解研磨することで気体層１０４４を形成する電解研磨工程と、赤外線放射層１０４３を形成する赤外線放射層形成工程とを備える。

　以上述べた放射素子１０１１Ａの製造方法によれば、多孔質化工程において陽極酸化を利用して多孔質化を行うことで保持層１０４２を形成した後に、電解研磨工程において陽極酸化を利用して電解研磨を行うことで気体層１０４４を形成する。すなわち、条件を変えて陽極酸化を２回行うことで、体積熱容量が小さく及び断熱性が高い保持層１０４２を容易に中空上に形成することができる。

　また、放射素子１０１１Ａの製造方法は、マスク工程の前に、保持層形成領域に第１不純物拡散層１０４８を形成するドープ工程（第１ドープ工程）を備える。第１不純物拡散領域１０４８は、多孔質化工程において多孔質化されず、電解研磨工程においても電解研磨されない。このように、第１不純物拡散領域１０４８は、陽極酸化マスクとして作用する。そのため、基板１０４１における第１不純物拡散領域１０４８の下方の部位は、基板１０４１の厚み方向に電解研磨されない。そのため、第１不純物拡散領域１０４８の下方に支持部１０４７が形成される。

　このように、第１不純物拡散領域１０４８を陽極酸化マスクとして利用する。そのため、マスク工程において、保持層形成領域内に、陽極酸化マスク１０５０を形成する必要がない。陽極酸化マスク１０５０を保持層形成領域に形成すると、陽極酸化マスク１０５０と保持層形成領域の表面（基板１０４１の第１表面）との間に段差が生じる。すなわち、第１不純物拡散領域１０４８を形成することで、マスク工程において、別途段差を伴う陽極酸化マスク１０５０を形成する必要がなくなる。そのため、保持層１０４２の上面に積層される赤外線放射層１０４３に段切れの発生を防止でき、また、赤外線放射層１０４３の抵抗が不均一になってしまうことを防止できる。そのため、安定した動作が可能な放射素子１０１１Ａを製造できる。

　また、電解研磨工程の後には、基板１０４１や保持層１０４２を洗浄し、乾燥させる乾燥工程を行うが、電解研磨工程において支持部１０４７が形成されているので、乾燥工程において保持層１０４２が基板１０４１に付着してしまうことを防止できる。

　図４１は、保持層１０４２の他例を示す。図４１に示す保持層１０４２は、バルクシリコンを用いて形成されている。保持層１０４２は、板状のマクロポーラスシリコン部１０４２ａを有する。マクロポーラスシリコン部１０４２ａには、その厚み方向に沿って複数のマクロポア１０４２ｂが形成されている。マクロポア１０４２ｂの大きさは、例えば、数μｍ程度である。各マクロポア１０４２ｂ内には、ナノポーラスシリコン部１０４２ｃが隙間なく形成されている。ナノポーラスシリコン部１０４２ｃには、数ｎｍ程度のナノポアが形成されている。図示していないが、保護層１０４２の表面（図４１における上面）においてナノポーラスシリコン部１０４２ｃに対応する部位は、表面が微視的に波打っている。

　このような保持層１０４２は、基板１０４１の導電型や比抵抗、陽極酸化により多孔質化する際の条件（電解液の組成、電流密度、処理時間）を適宜選択することによって形成することができる。例えば、基板１０４１としては、１００Ωｃｍ程度の抵抗を有する高抵抗のｐ形シリコン基板を用いることができる。この場合、電解液としてフッ酸濃度が２５％程度の高濃度のフッ酸溶液を用い、電流密度を１００ｍＡ／ｃｍ²程度の比較的大きな値に設定すればよい。

　このように、図４１に示す保持層１０４２は、加熱時に空洞放射により赤外線を放射するマクロポア１０４２ｂがバルク半導体に形成され、かつマクロポア１０４２ｂ内にナノポアが形成された構造を有する。

　この保持層１０４２では、赤外線放射層１０４３からの熱で保持層１０４２が加熱されると、マクロポア１０４２ｂによる空洞放射が生じる。よって、赤外線の放射効率を一層高くすることができる。マクロポア１０４２ｂ内には、ナノポアが形成されたナノポーラスシリコン部１０４２ｃが形成されている。そのため、マクロポア１０４２ｂによる空洞放射を阻害せずにマクロポア１０４２ｂの形成に伴う保持層１０４２の強度の低下を補うことができる。さらに、保持層１０４２の断熱性能を向上できる。

　ここで、マクロポア１０４２ｂ内にナノポーラスシリコン部１０４２ｂが形成されていない場合には、保持層１０４２の表面には、マイクロサイズの凹凸が存在することになる。このようなマイクロサイズの凹凸が保持層１０４２の表面にある場合には、赤外線放射層１０４３の厚み寸法を数十ｎｍ程度にすることができない。一方、マクロポア１０４２ｂ内にナノポーラスシリコン部１０４２ｂが形成されている場合には、保持層１０４２の表面にナノサイズの微細な凹凸が生じるだけである。そのため、保持層１０４２の表面状態は、赤外線放射層１０４３にほとんど影響を与えない。よって、赤外線放射層１０４３の厚みを数十ｎｍ程度にすることができる。

　保持層１０４２から赤外線を放射させるには、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐを０．５μｍ以上に設定する必要がある。なお、保持層１０４２の厚み寸法Ｌｐは、上述したように、上式（１０）で定まるμより小さい値に設定される。

　図４２は、放射素子１０１１の第２変形例（放射素子１０１１Ｂ）を示す。放射素子１０１１Ｂでは、赤外線放射層１０４３が保持層１０４２の上面全面に積層されていた放射素子１０１１Ａとは異なり、保持層１０４２の上面に３つの赤外線放射層１０４３が形成されている。赤外線放射層１０４３は、所定方向（図４２における上下方向）に沿って所定間隔で３つ並べられている。よって、保持層１０４２は、その上面が赤外線放射層１０４３間から露出する露出部１０４２ｄを有する。支持部１０４７は、保持層１０４２の露出部１０４２ｄで保持層１０４２を支持するように構成されている。図４２に示す例では、支持部１０４７は、保持層１０４２の露出部１０４２ｄをその厚み方向に貫通している。図４２に示す例では、保持層１０４２は２つの露出部１０４２ｄを有し、各露出部１０４２ｄは、所定方向（図４２における左右方向）に沿って所定間隔で配置された２つの支持部１０４７によって基板１０４１に支持されている。なお、図４２に示す例では、赤外線放射層１０４３は３つ設けられているが、赤外線放射層１０４３は、２つ設けられていてもよいし、４以上設けられていてもよい。

　図４２に示す放射素子１０１１Ｂでは、赤外線放射層１０４３が支持部１０４７と直接的に接触していない。そのため、赤外線放射層１０４３で発生した熱は、保持層１０４２を通って支持部１０４７に伝達される。ここで、赤外線放射層１０４３は、保持層１０４２に比べて熱伝導率が高い（言い換えれば、保持層１０４２は、赤外線放射層１０４３よりも熱伝導率が低い）。そのため、赤外線放射層１０４３が直接的に支持部１０４７に接している場合に比べて、赤外線放射層１０４３で発生した熱が支持部１０４７を介して基板１０４１に伝達されることを抑制できる。よって、赤外線放射層１０４３の赤外線の発光効率（放射効率）を高めることができる。

　また、赤外線放射層１０４３と支持部１０４７とが直接接していないから、赤外線放射層１０４３と支持部１０４７との間に大きな温度勾配が発生することを抑制できる。そのため、温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層１０４３と支持部１０４７とが破損することを防止できる。

　なお、支持部１０４７は、保持層１０４２の露出部１０４２ｄの下面と凹所１０４６の底面とを連結し、これによって、保持層１０４２を支持するように構成されていてもよい。この場合であっても、図３７に示す例に比べて支持部１０４７から赤外線放射層１０４３を遠ざけることができる。よって、赤外線放射層１０４３で発生した熱が支持部１０４７を介して基板１０４１に伝達されることを抑制でき、赤外線放射層１０４３の発光効率（放射効率）を高めることができる。この場合であっても、赤外線放射層１０４３と支持部１０４７との間に大きな温度勾配が発生することを抑制できる。よって、温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層１０４３と支持部１０４７とが破損することを防止できる。

　図４２（ｆ）は、放射素子１０１１の第３変形例（放射素子１０１１Ｃ）を示す。放射素子１０１１Ｃは、放射素子１０１１Ａと同様に、基板１０４１と、保持層１０４２と、赤外線放射層１０４３と、気体層１０４４と、電極１０４５と、支持部１０４７とを有する。放射素子１０１１Ｃでは、基板１０４１ではなく保持層１０４２に、気体層１０４４のための凹所１０４６が形成されている。

　次に、放射素子１０１１Ｃの製造方法について図４３を参照して説明する。

　放射素子１０１１Ｃの製造方法では、最初に犠牲層形成工程を行う。犠牲層形成工程では、図４３（ａ）に示すように、基板４１の第１表面（図４３（ａ）における上面）に、犠牲層１０５２を形成する。犠牲層１０５２は、後のエッチング工程で除去される。犠牲層１０５２は、例えば、厚みが５μｍ程度のシリコン酸化膜である。犠牲層１０５２は、例えば、プラズマＣＶＤ法を利用して形成された厚みが５μｍ程度のシリコン酸化膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることで形成される。

　犠牲層形成工程を行った後に、ポリシリコン層形成工程を行う。ポリシリコン層形成工程では、まず、図４３（ｂ）に示すように、基板１０４１の第２表面（図４３（ｂ）における下面）にアルミニウム電極１０５１を形成する。その後に、基板１０４１の第１表面に、犠牲層１０５２を覆うポリシリコン層１０５３を形成する。ポリシリコン層１０５３は、保持層１０４２の基礎となる。ポリシリコン層１０５３は、その表面が平坦となるような厚みに形成される。また、ポリシリコン層１０５３の導電形は、Ｐ形である。ポリシリコン層１０５３は、例えば、ＣＶＤ法を利用してノンドープポリシリコン層を形成した後に、ノンドープポリシリコン層に、Ｐ形不純物のイオン注入を行ってからドライブインを行うことにより形成される。このポリシリコン層１０５３は、例えば、犠牲層１０５２上に位置する部位の厚みが１μｍとなるように形成される。

　なお、保持層１０４２の厚みＬｐは、上式（１０）により決定されるμより小さい値に設定されていればよい。放射素子１０１１Ｃにおいて、保持層１０４２の厚みＬｐは、保持層１０４２において気体層１０４４上に位置する部位の厚みをいう。

　ポリシリコン層形成工程を行った後に、ドープ工程を行う。ドープ工程では、図４３（ｃ）に示すように、ポリシリコン層１０５３において犠牲層１０５２上に位置する部位に、所定方向（図４３（ｃ）における左右方向）に沿って所定間隔で離間する不純物拡散領域１０５４を形成する。不純物拡散領域１０５４は、保持層１０４２にｎ型不純物（例えばＰイオン）を高濃度で注入してからドライブすることにより形成される。不純物拡散領域１０５４は、保持層１０４２をその厚み方向に貫通するように形成されている。なお、ドープ工程では、不純物拡散領域１０５４のアニールを行い、不純物拡散領域１０５４の不純物を拡散させるとともに活性化させる。不純物拡散領域１０５４は、ｎ型の陽極酸化マスクとして機能する。

　ドープ工程を行った後に、多孔質化工程を行う。多孔質化工程では、陽極酸化を行うことで、ポリシリコン層１０５３における不純物拡散領域１０５４を除く部位が多孔質化される。これによって、図４３（ｄ）に示すように、ポーラスシリコンよりなる保持層１０４２が形成される。

　多孔質化工程では、上述したように、陽極酸化の電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合して得られたフッ化水素３０％の溶液を用いる。陽極酸化を行うにあたっては、ポリシリコン層１０５３を上記電解液に浸す。そして、ポリシリコン層１０５３の表面（図４３（ｄ）における上面）に配置された白金電極（図示せず）と、アルミニウム電極１０５１との間に電圧を印加して、所定の電流密度（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ²）の電流を所定時間だけ流す。これによって、ポリシリコン層１０５３が多孔質化されて、保持層１０４２が形成される。なお、不純物拡散領域１０５４をｎ型の陽極酸化マスクとして機能させるためには、陽極酸化時に、不純物拡散領域１０５４に光があたらないようにする必要がある。

　多孔質化工程を行った後に、エッチング工程を行う。エッチング工程では、図４３（ｅ）に示すように、犠牲層１０５２をエッチング除去することで、気体層１０４４を形成する。犠牲層１０５２は、保持層１０４２で覆われているが、保持層１０４２が多孔質化されているために、エッチング液（例えばＨＦ溶液）を用いて犠牲層１０５２をエッチング除去することができる。このエッチング工程において、不純物拡散領域１０５４は、エッチングマスクとして作用する。そのたえ、不純物拡散領域１０５４の下方の犠牲層１０５２の部位がエッチング除去されずに残存し、これによって支持部１０４７が形成される。このようにエッチング工程では、気体層１０４４と支持部１０４７とが同時に形成される。

　エッチング工程を行った後に、赤外線放射層形成工程を行う。赤外線放射層形成工程では、保持層１０４２上に、赤外線放射層１０４３を形成する。図４３（ｅ）では、赤外線放射層１０４３は、気体層１０４４よりやや大きい外形サイズに形成されている。赤外線放射層１０４３は、通電により発熱する貴金属（例えば、Ｉｒ）により形成される。また、赤外線放射層１０４３の厚み寸法は１００ｎｍ程度に設定される。なお、赤外線放射層１０４３の材料は、Ｉｒに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等、通電により発熱する耐熱性材料であればよく、赤外線の放射率の高い材料が好ましい。

　赤外線放射層形成工程を行った後に、電極形成工程を行う。電極形成工程では、赤外線放射層１０４３の両端（図４３（ｅ）における左右両端）にそれぞれ電極１０４５を形成する。電極１０４５は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などを利用して形成される。

　これによって、図４３（ｆ）に示す放射素子１０１１Ｃが得られる。

　以上述べたように、放射素子１０１１Ｃの製造方法は、犠牲層形成工程と、ポリシリコン層形成工程と、多孔質化工程と、エッチング工程と、赤外線放射層形成工程とを備える。犠牲層形成工程では、基板１０４１の第１表面の所定の領域に犠牲層１０５２を形成する。ポリシリコン層形成工程では、犠牲層１０５２の表面に不純物ドープされたポリシリコン層１０５３を形成する。多孔質化工程では、ポリシリコン層１０５３を陽極酸化することにより多孔質層からなる保持層１０４２を形成する。エッチング工程では、保持層１０４２を介して犠牲層１０５２をエッチング除去して気体層１０４４を形成する。

　以上述べた放射素子１０１１Ｃの製造方法によれば、犠牲層１０５２を覆うポリシリコン層１０５３を多孔質化して保持層１０４２を形成した後に、保持層１０４２を介して犠牲層１０５２をエッチング除去することで、気体層１０４４を形成する。そのため、気体層１０４４および保持層１０４２を容易に形成できる。

　また、放射素子１０１１Ｃの製造方法は、ポリシリコン層形成工程と多孔質化工程との間に、ドープ工程を備える。ドープ工程では、ポリシリコン層１０５３に、多孔質化工程における陽極酸化によって多孔質化されない不純物拡散領域１０５４を形成する。

　そのため、多孔質化工程の後のエッチング工程において、不純物拡散領域１０５４が犠牲層１０５２のエッチングマスクとして作用する。そのため、犠牲層１０５２は、厚み方向において不純物拡散領域１０５４と重複する部位を残してエッチング除去される。犠牲層１０５２においてエッチング除去されなかった部位が、支持部１０４７となる。このように、放射素子１０１１Ｃの製造方法によれば、気体層１０４４と支持部１０４７とを容易に、しかも、同時に形成できる。

Claims

　赤外線受光部と、
　上記赤外線受光部を収納するパッケージと、
　光学フィルタと、を備え、
　　上記赤外線受光部は、熱を利用して赤外線を検出する複数の熱型赤外線検出素子を有し、
　　　上記複数の熱型赤外線検出素子は、並べて配置され、
　　上記パッケージは、赤外線を上記赤外線受光部に入射させるための窓孔を有し、
　　上記光学フィルタは、上記窓孔を閉塞するように上記パッケージに接合され、上記複数の熱型赤外線検出素子にそれぞれ対応する複数のフィルタ要素部を有し、
　　　上記各フィルタ要素部は、赤外線を透過させる材料により形成されたフィルタ基板と、所定の選択波長の赤外線を選択的に透過させるように構成された透過フィルタと、上記透過フィルタの上記選択波長よりも波長が長い赤外線を吸収するように構成された遮断フィルタとを、備え、
　　　　上記透過フィルタおよび上記遮断フィルタは、それぞれ上記フィルタ基板上に形成され、
　　　　上記フィルタ基板は、上記パッケージに熱的に結合され、
　　　上記各フィルタ要素部は、上記透過フィルタの上記選択波長が互いに異なっている
　ことを特徴とする赤外線ガス検出器。
　上記赤外線受光部は、一対の上記熱型赤外線検出素子を有し、
　上記熱型赤外線検出素子は、焦電素子またはサーモパイルであり、
　上記一対の熱型赤外線検出素子は、逆直列または逆並列に接続されている
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　上記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路を備え、
　上記増幅回路は、上記パッケージに収納されている
　ことを特徴とする請求項２記載の赤外線式ガス検知器。
　増幅回路を備え、
　上記赤外線受光部は、一対の上記熱型赤外線検出素子を有し、
　上記熱型赤外線検出素子は、焦電素子またはサーモパイルであり、
　上記増幅回路は、上記一対の熱型赤外線検出素子のそれぞれの出力の差を増幅する差動増幅回路である
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　上記フィルタ基板は、Ｓｉ基板もしくはＧｅ基板により形成されている
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　上記パッケージは、上記パッケージの内部に電磁波が入ることを防止する金属製のシールド部を備え、
　上記フィルタ基板は、上記シールド部に電気的に接続されている
　ことを特徴とする請求項５記載の赤外線式ガス検知器。
　上記フィルタ基板は、上記パッケージの内側を向いた第１表面と、上記パッケージの外側を向いた第２表面と、を有し、
　上記透過フィルタは、上記フィルタ基板の上記第１表面に形成され、
　上記遮断フィルタは、上記フィルタ基板の上記第２表面に形成されている
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　上記各フィルタ要素部の上記フィルタ基板は、互いに一体に形成されている
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　上記透過フィルタは、第１のλ／４多層膜と、第２のλ／４多層膜と、上記第１のλ／４多層膜と上記第２のλ／４多層膜との間に介在された波長選択層と、を備え、
　上記第１のλ／４多層膜および上記第２のλ／４多層膜は、それぞれ屈折率が互いに異なり且つ光学膜厚が互いに等しい複数種類の薄膜を積層して形成され、
　上記波長選択層の光学膜厚は、上記透過フィルタの上記選択波長に応じて上記薄膜の光学膜厚と異なる大きさに設定され、
　上記遮断フィルタは、屈折率が互いに異なる複数種類の薄膜を積層して形成された多層膜であり、
　上記複数種類の薄膜のうちの少なくとも１種類は、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されている
　ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
　所定の空間に赤外線を放射する赤外光源と、
　上記所定の空間を通過した赤外線を受け取る請求項１記載の赤外線式ガス検知器と、を備える
　ことを特徴とする赤外線式ガス計測装置。
　上記赤外光源が間欠的に赤外線を放射するように上記赤外線光源を駆動する駆動回路を備える
　ことを特徴とする請求項１０記載の赤外線式ガス計測装置。
　上記赤外光源は、基板と、上記基板に形成された保持層と、上記保持層に積層された赤外線放射層と、上記基板と上記保持層との間に介在された気体層と、を備え、
　　上記赤外線放射層は、通電に伴って発生した熱によって赤外線を放射するように構成され、
　　上記気体層は、上記赤外線放射層が通電されているときには上記保持層の温度が低下することを抑制し、上記赤外線放射層が通電されていないときには上記保持層から上記基板への熱伝達を促進するように構成される
　ことを特徴とする請求項１１記載の赤外線式ガス計測装置。
　上記赤外線放射層に与えられる電圧が周波数ｆ〔Ｈｚ〕の正弦波電圧であり、上記気体層の熱伝導率がαｇ〔Ｗ／ｍＫ〕であり、上記気体層の体積熱容量がＣｇ〔Ｊ／ｍ³Ｋ〕であるとき、上記気体層の厚みＬｇは、０．０５×Ｌｇ´＜Ｌｇ＜３×Ｌｇ´の（ただし、Ｌｇ´＝（２αｇ／ωＣｇ）^1/2、ω＝２πｆ）の関係を満たすように設定される
　ことを特徴とする請求項１２記載の赤外線式ガス計測装置。
　上記保持層は、熱伝導率が上記基板よりも低く、
　上記保持層は、通電された上記赤外線放射層で発生した熱を吸収すること、または、上記赤外線放射層から放射された赤外線を反射することによって、上記保持層から上記赤外線放射層に向かう赤外線を発生させるように構成され、
　上記赤外線放射層は、上記保持層が発生させた赤外線を透過させるように構成される
　ことを特徴とする請求項１３記載の赤外線式ガス計測装置。