WO2016024503A1 - ガス測定装置、集合基板、および、それらの製造方法、並びに、赤外線光源および焦電型赤外線センサの製造方法 - Google Patents

ガス測定装置、集合基板、および、それらの製造方法、並びに、赤外線光源および焦電型赤外線センサの製造方法 Download PDF

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観照 山本
重夫 伊藤
潤哉 菰田
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株式会社村田製作所
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    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a gas measuring device, a collective substrate, a manufacturing method thereof, and a manufacturing method of an infrared light source and a pyroelectric infrared sensor.
  • an infrared light source that emits infrared light and an infrared device (such as a gas measuring device) using the infrared light source are known.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-207891
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 9-184757
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-53088
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-834778 disclose a type of infrared light source having a radiator.
  • the infrared light source described in Patent Document 1 includes a substrate, a membrane provided on the substrate, and a resistor (heater) provided on the membrane. When energized, the resistor generates heat and emits infrared rays.
  • the infrared light source described in Patent Document 2 includes a substrate, a first insulating layer formed on the substrate, a radiation surface layer formed on the first insulation layer, a second insulation layer formed on the radiation surface layer, A first metal layer formed on the second insulating layer; a third insulating layer formed on the first metal layer; and a second metal layer for contact formed on the third insulating layer.
  • the metal layer forms an incandescent filament (heater).
  • the infrared light source described in Patent Document 3 includes a heating element (heater) and a radiator disposed on the heating element, and the outermost surface of the radiator includes a first metal layer, and the surface of the first metal layer. A plurality of cylindrical microcavities are arranged.
  • the infrared light source described in Patent Document 3 selectively emits infrared light having a specific wavelength by a radiator.
  • the infrared light source described in Patent Document 4 includes a heating element (heater) and a radiator disposed on the heating element, and a groove having a rectangular cross section extending in a certain direction is fixed on the surface of the radiator. It is formed with a period.
  • the infrared light source described in Patent Document 4 selectively emits infrared light having a specific wavelength by a radiator.
  • NDIR Non Dispersive Infrared
  • Many gases each have a specific infrared absorption wavelength in the region of the infrared spectrum.
  • the NDIR method is a method for detecting a specific gas using such characteristics.
  • Such a gas measuring device mainly includes an infrared light source, a gas cell, a band pass optical filter, and an infrared sensor.
  • NDIR type gas measuring devices are disclosed in, for example, Patent Document 5 (Japanese Patent Publication No. 2000-503122), Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-113692), and Patent Document 7 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-220419). Has been.
  • the infrared light sources described in Patent Documents 1 and 2 cannot selectively emit infrared light having a specific wavelength.
  • infrared rays having a specific wavelength can be selectively emitted by having the radiator disposed on the heating element.
  • the heating element and the radiator need to be formed by different processes, the manufacturing process becomes complicated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a gas measuring device, a collective substrate, an infrared light source, a pyroelectric infrared sensor, and a method for manufacturing them, which can be manufactured by an easy process. With the goal.
  • a gas measuring device comprising an infrared light source, a sensor, and a gas cell
  • the infrared light source includes a first upper electrode, a first intermediate layer, and a first lower electrode
  • the sensor includes a second upper electrode made of the same material as the first upper electrode, a second intermediate layer made of the same material as the first intermediate layer, and a second lower electrode made of the same material as the first lower electrode.
  • a gas measuring device comprising an infrared light source, a sensor, and a gas cell
  • the infrared light source includes a first upper electrode, a first intermediate layer, and a first lower electrode
  • the sensor includes a second upper electrode made of the same material as the first upper electrode, a second intermediate layer made of the same material as the first intermediate layer, and a second lower electrode made of the same material as the first lower electrode.
  • a gas measuring device comprising an infrared light source, a sensor, and a gas cell
  • the infrared light source includes a first upper electrode
  • the first upper electrode has a periodic structure for selectively emitting infrared light having a specific wavelength, and has a meander shape.
  • the first upper electrode has a periodic structure for selectively emitting infrared light of a specific wavelength
  • the first lower electrode has a meander shape
  • the first upper electrode and the second upper electrode include, as a main material, at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Mo, W, and Ru,
  • the first lower electrode and the second lower electrode are at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Mo, W, and Ru independently of the first upper electrode and the second upper electrode.
  • the gas measuring device according to any one of [1] to [4], comprising:
  • a first protective film that covers the first upper electrode and a second protective film that covers the second upper electrode, The gas measurement according to any one of [1] to [5], wherein the first protective film and the second protective film include at least one selected from the group consisting of SiN, SiO 2 and AlN as a main material. apparatus.
  • the sensor is a pyroelectric infrared sensor
  • the second intermediate layer is a pyroelectric layer
  • the gas measurement device is a non-dispersive infrared absorption gas measurement device. 6] The gas measuring device according to any one of
  • a method for manufacturing a gas measuring device comprising: simultaneously manufacturing the infrared light source and the sensor in the same process on the same wafer or chip.
  • a collective substrate comprising a wafer or chip, and an infrared light source and a sensor provided on the same wafer or chip
  • the infrared light source includes a first upper electrode, a first intermediate layer, and a first lower electrode
  • the sensor includes a second upper electrode made of the same material as the first upper electrode, a second intermediate layer made of the same material as the first intermediate layer, and a second lower electrode made of the same material as the first lower electrode.
  • a collective board characterized by comprising:
  • a method for manufacturing a collective substrate according to [9] A method for manufacturing an aggregate substrate, comprising: simultaneously manufacturing the infrared light source and the sensor in the same process on the same wafer or chip.
  • a method of manufacturing an infrared light source and a sensor The infrared light source includes a first upper electrode, a first intermediate layer, and a first lower electrode, The sensor includes a second upper electrode made of the same material as the first upper electrode, a second intermediate layer made of the same material as the first intermediate layer, and a second lower electrode made of the same material as the first lower electrode.
  • Including A method for manufacturing an infrared light source and a sensor comprising the steps of simultaneously manufacturing the infrared light source and the sensor in the same process on the same wafer or chip.
  • a gas measuring device comprising a gas cell, and the infrared light source and the sensor manufactured by the manufacturing method according to [11].
  • a gas measuring device a collective substrate, an infrared light source and a pyroelectric infrared sensor that can be manufactured by an easy process, and manufacturing methods thereof.
  • FIG. (A) shows an example of a gas measuring device
  • (b) shows another example of a gas measuring device. It is a figure which shows the structure of the infrared light source and sensor in the gas measuring device of Embodiment 1.
  • (A) is a schematic top view which shows the aggregate substrate in which the infrared light source and the sensor were formed
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows a part of aggregate substrate. It is a figure which shows the structure of the infrared light source in the gas measuring device of Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the sensor in the first embodiment. It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the infrared light source in Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the sensor in the first embodiment. It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the infrared light source in Embodiment 2.
  • the gas measuring device of the present invention includes an infrared light source, a sensor, and a gas cell.
  • the infrared light source includes a first upper electrode, a first intermediate layer, and a first lower electrode
  • the sensor includes a second upper electrode made of the same material as the first upper electrode and a second upper electrode made of the same material as the intermediate layer. 2 intermediate layers and a second lower electrode made of the same material as the first lower electrode. That is, the infrared light source and the sensor have the same layer structure made of the same material, and only the shape of the electrode (electrode pattern) is different.
  • the gas measuring device (gas sensor) of this embodiment is an NDIR type gas measuring device (infrared device) 100 as shown in FIG.
  • the gas measuring device 100 includes an infrared light source 1, a gas cell 3, and a sensor (pyroelectric infrared sensor) 2.
  • the gas measuring device 100 is a device that measures the concentration of the sample gas and the like according to the absorbance and the like of the sample gas existing in the gas cell 3 between the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2.
  • the gas cell 3 has, for example, an internal space, and a sample gas can be circulated through the internal space.
  • a sample gas introduction pipe (not shown) is connected to one end side (infrared light source 1 side) of the gas cell 3, and the other end side (pyroelectric infrared sensor 2 side) of the gas cell 3 is A sample gas outlet pipe (not shown) is connected.
  • the sample gas introduced into the internal space of the gas cell 3 through the sample gas introduction pipe is discharged from the sample gas outlet pipe.
  • the infrared light source 1 emits infrared light.
  • the infrared light source 1 for example, a filament light source can be adopted. Part of the infrared light emitted from the infrared light source 1 is absorbed by the sample gas based on the absorption characteristics of the sample gas. Infrared light emitted from the infrared light source 1 mainly travels in the optical axis direction (arrow direction in the figure) and reaches the pyroelectric infrared sensor 2.
  • the pyroelectric infrared sensor 2 is electrically connected to a signal processing circuit board (not shown), and outputs an output signal to the signal processing circuit board based on the detected amount of infrared rays.
  • the signal processing circuit board calculates the concentration of the sample gas based on the output signal.
  • no bandpass optical filter is provided. This is because the periodic structure of the first upper electrode of the infrared light source 1 described later and the second upper electrode of the pyroelectric infrared sensor 2 serves as a bandpass optical filter.
  • the infrared light source 1 and the sensor (pyroelectric infrared sensor) 2 may be arrange
  • the first upper electrode of the infrared light source 1 has a periodic structure for selectively emitting infrared light of a specific wavelength, and has a meander shape so as to generate heat uniformly when energized.
  • the second upper electrode of the sensor has a periodic structure for selectively absorbing infrared light of a specific wavelength.
  • the infrared light source 1 includes a substrate (Si wafer) 10 having an opening that is a through-hole, and a membrane portion provided so as to cover the opening.
  • the membrane part has a support layer 14, a first lower electrode 12, a first intermediate layer 13, and a first upper electrode 11.
  • the first upper electrode 11 has a meander shape and functions as a heater.
  • the first upper electrode 11 has a periodic structure (hole array) including a plurality of openings 11 a arranged periodically. For this reason, the infrared light source 1 can selectively emit infrared rays having a specific wavelength.
  • the first lower electrode 12 functions as an infrared reflecting film.
  • the sensor (pyroelectric infrared sensor) 2 includes a substrate 20 having an opening that is a through-hole and a membrane portion provided so as to cover the opening.
  • the membrane portion has a support layer 24, a second lower electrode 22, a second intermediate layer (pyroelectric layer) 23, and a second upper electrode 21.
  • the second upper electrode 21 has a periodic structure (hole array). For this reason, the pyroelectric infrared sensor 2 can selectively absorb infrared rays having a specific wavelength such as the absorption wavelength of the gas to be detected.
  • the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 have the same layer configuration made of the same material, and only the electrode pattern is different. For this reason, as shown in FIG. 2A, the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 can be manufactured on the same wafer by the same manufacturing process. For example, a chip having an infrared light source 1 and a pyroelectric infrared sensor 2 as shown in FIG. 2B is cut out from the collective substrate 4 manufactured as described above, so that it can be easily used in the gas measuring device 100. Infrared light source 1 and pyroelectric infrared sensor 2 can be obtained.
  • the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer (pyroelectric layer) 23 preferably contain at least one of AlN and ZnO as a main material.
  • AlN and ZnO as a main material.
  • the main material is the material most contained in the member, and the ratio of the main material to the whole material is preferably 80% by weight or more, more preferably 90% by weight or more. is there.
  • the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer (pyroelectric layer) 23 may be doped with a metal such as Sc.
  • the upper electrode is at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Mo, W, and Ru. Is preferably included as a main material.
  • the lower electrode preferably contains at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Mo, W, and Ru as a main material. Since these materials reflect infrared rays well, there is an advantage that absorption of infrared rays having wavelengths other than a specific wavelength can be suppressed. It has a high melting point and can be heated to 500 to 600 ° C.
  • the first upper electrode and the second upper electrode are made of the same material, and the first lower electrode and the second lower electrode are made of the same material.
  • the upper electrode (first upper electrode and second upper electrode) and the lower electrode (first lower electrode and second lower electrode) may be made of different materials independently.
  • the support layers 14 and 24 in the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 are made of, for example, AlN.
  • the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 may include a first protective film 15 that covers the first upper electrode and a second protective film 25 that covers the second upper electrode.
  • the first protective film 15 and the second protective film 25 include, for example, at least one selected from the group consisting of SiN, SiO 2 and AlN as a main material.
  • the protective film is not particularly necessary.
  • the periodic structure of the upper electrode and the lower electrode for selectively absorbing or emitting infrared light having a specific wavelength is preferably a periodic structure or a quasi-periodic structure.
  • a periodic structure is a structure with spatial symmetry as typified by translational symmetry, and a quasiperiodic structure is a structure that does not have translational symmetry but maintains ordering in the array. That is.
  • the periodic structure is classified into a one-dimensional periodic structure, a two-dimensional periodic structure, or a three-dimensional periodic structure according to the symmetry dimension. Among these periodic structures, a two-dimensional periodic structure is preferably used.
  • the periodic structure is composed of, for example, a plurality of openings periodically arranged in at least one direction on the main surface of the electrode.
  • An example of such a periodic structure is a two-dimensional periodic structure in which a plurality of openings 11a are periodically arranged in a square lattice shape when viewed from above (see FIG. 3B).
  • the period of the periodic structure such as the arrangement period (pitch) of the openings 11a is appropriately designed according to the absorption wavelength of the gas to be measured. That is, the period of the periodic structure is designed so that infrared rays having an absorption wavelength of the gas to be measured can be selectively absorbed or emitted. Specifically, it is designed so that the arrangement period of the openings 11a in the periodic structure is approximately the same as the absorption wavelength of the gas to be measured. For example, when the measurement target gas is CO 2 gas (absorption wavelength is 4.2 to 4.4 ⁇ m), the arrangement period of the openings 11a in the periodic structure is designed to be about 4.1 to 4.5 ⁇ m. It is preferable.
  • the shape in the top view of several opening 11a arranged periodically is circular, it is not limited to such a shape,
  • the shape in top view is a rectangle or a hexagon It may be.
  • all of the openings 11a may be periodically arranged, and a part of the openings 11a are aperiodically arranged within a range in which infrared rays having a desired wavelength can be selectively absorbed or emitted. May be.
  • a pyroelectric infrared sensor simply uses infrared light as a heat source, and the wavelength dependence of the sensor itself is low.
  • a specific sample gas for example, CO 2
  • a separate band is conventionally used.
  • the NDIR type gas measuring device infrared device
  • a photoacoustic spectroscopy (PAS) method is used as another example of the gas measuring device using an infrared light source.
  • PAS photoacoustic spectroscopy
  • the gas measuring apparatus of the present invention may be an infrared spectrometer using such a PAS method.
  • PAS method infrared light is emitted to the sample in a state where the sample is placed in a sealed cell, and (ii) the energy of the infrared light absorbed by the sample becomes heat and is re-emitted from the sample.
  • the re-radiated heat propagates to the gas in the cell to generate a rough wave, and (iv) the generated rough wave is detected by an acoustic sensor and converted into a spectrum, which is equivalent to the absorption spectrum.
  • This is a method for obtaining a photoacoustic spectrum having information.
  • the infrared spectroscopic device includes, for example, an infrared light source, a bandpass optical filter, a cell, and an acoustic sensor.
  • a microphone see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-118639
  • a piezoelectric element is used.
  • an acoustic sensor having the same structure as the infrared light source is provided as the sensor.
  • the intermediate layer functions as a piezoelectric layer for detecting sound waves.
  • a support layer 24, a second lower electrode 22, a second intermediate layer 23, and a second upper electrode 21 are sequentially formed on a double-side polished substrate (Si wafer) 20 by sputtering from the bottom. Form.
  • the second upper electrode 21 is patterned to have a periodic structure (hole array) by a dry etching method.
  • a second protective film 25 is formed on the second upper electrode 21 by sputtering (entire film formation).
  • the second protective film 25 and the like are partially removed by wet etching to expose a part of the second lower electrode 22 and a part of the second upper electrode 21.
  • the electrode pad 26 is formed.
  • the second protective film 25 is further removed by wet etching.
  • a part of the substrate 20 is removed from the back surface side by a deep reactive ion etching (DRIE) method to form a through hole.
  • the support layer 24 functions as an etching stop layer.
  • the first upper electrode of the infrared light source 1 is used when the upper electrode described with reference to FIG. It has a meander shape and is formed to have a periodic structure (hole array) (see FIG. 3B).
  • the infrared light source 1 can be manufactured basically by the same process as the sensor 2.
  • the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 can be simultaneously manufactured on the same wafer or chip. Thereby, the dispersion
  • the gas measurement apparatus of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except for the structure (electrode pattern) of the infrared light source, which is different from that of the first embodiment. That is, in the infrared light source, the first upper electrode has a periodic structure for selectively emitting infrared light having a specific wavelength, and the first lower electrode has a meander shape and functions as a heater and an infrared reflecting film. Only differs from the first embodiment. Since the other points are the same as those of the first embodiment, a duplicate description is omitted.
  • the first upper electrode 11 has a periodic structure (hole array) including a plurality of openings 11a arranged periodically.
  • the infrared light source 1 can selectively radiate infrared rays having a specific wavelength including the absorption wavelength of the gas to be detected.
  • the first lower electrode 12 has a meander shape. For this reason, the first lower electrode 12 not only functions as a heater but also functions as an infrared reflection film.
  • the infrared light source 1 of the present embodiment which has a shape (electrode pattern) different from that of the first embodiment.
  • the overlapping description is abbreviate
  • a support layer 14 and a first lower electrode 12 are formed on a double-side polished substrate (Si wafer) 10 in order from the bottom by a sputtering method.
  • the first lower electrode 12 is patterned by a dry etching method so as to have a meander shape.
  • a first intermediate layer 13 and a first upper electrode 11 are formed thereon by sputtering.
  • the first upper electrode 11 is patterned by a dry etching method so as to have a periodic structure (hole array) (see FIG. 3B).
  • the infrared light source 1 of the present embodiment can be manufactured through the same steps as those of the first embodiment described with reference to FIGS. Also in this embodiment, if two types of mask patterns used for etching are prepared, the infrared light source 1 and the pyroelectric infrared sensor 2 can be simultaneously manufactured on the same Si wafer.

Abstract

 本発明は、容易なプロセスで製造することのできるガス測定装置、集合基板、赤外線光源および焦電型赤外線センサ、並びに、それらの製造方法を提供する。本発明は、赤外線光源と、センサと、ガスセルとを備えるガス測定装置であって、前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする、ガス測定装置である。

Description

ガス測定装置、集合基板、および、それらの製造方法、並びに、赤外線光源および焦電型赤外線センサの製造方法
 本発明は、ガス測定装置、集合基板、および、それらの製造方法、並びに、赤外線光源および焦電型赤外線センサの製造方法に関する。
 従来より、赤外線を放射する赤外線光源や、赤外線光源を用いた赤外線装置(ガス測定装置など)が知られている。
 特許文献1(特開2005-207891号公報)および特許文献2(特開平9-184757号公報)には、メンブレン構造を有するタイプの赤外線光源が開示されている。また、特許文献3(特開2014-53088号公報)および特許文献4(特開2013-83478号公報)には、放射体を有するタイプの赤外線光源が開示されている。
 特許文献1に記載の赤外線光源は、基板と、基板に設けられたメンブレンと、メンブレンに設けられた抵抗体(ヒータ)とを備え、通電することにより抵抗体を発熱させ、赤外線を放射する。特許文献2に記載の赤外線光源は、基板と、基板上に形成された第1絶縁層、第1絶縁層上に形成された放射表面層、放射表面層上に形成された第2絶縁層、第2絶縁層上に形成された第1金属層、第1金属層上に形成された第3絶縁層、および第3絶縁層上に形成された接触用の第2金属層からなり、第1金属層は白熱フィラメント(ヒータ)を形成している。
 特許文献3に記載の赤外線光源は、発熱体(ヒータ)と、発熱体上に配置された放射体とを有し、放射体の最表面は第1金属層からなり、第1金属層の表面には円筒形のマイクロキャビティが複数配列されている。特許文献3に記載の赤外線光源は、放射体により、特定の波長の赤外線を選択的に放射する。
 特許文献4に記載の赤外線光源は、発熱体(ヒータ)と、発熱体上に配置された放射体とを有し、放射体の表面には一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成されている。特許文献4に記載の赤外線光源は、放射体により、特定の波長の赤外線を選択的に放射する。
 赤外線光源を用いたガス測定装置としては、非分散型赤外線吸収(NDIR:Non Dispersive Infrared)方式のガス測定装置が知られている。多くのガスが、赤外線スペクトルの領域において、それぞれ特有の赤外線吸収波長を有しているが、その特性を利用した特定のガスの検出手法がNDIR法である。このようなガス測定装置は、主に赤外線光源、ガスセル、バンドパス光学フィルタおよび赤外線センサから構成されている。NDIR方式のガス測定装置は、例えば、特許文献5(特表2000-503122号公報)、特許文献6(特開2013-113692号公報)および特許文献7(特開2012-220419号公報)に開示されている。
特開2005-207891号公報 特開平9-184757号公報 特開2014-53088号公報 特開2013-83478号公報 特表2000-503122号公報 特開2013-113692号公報 特開2012-220419号公報
 特許文献1および2に記載の赤外線光源では、特定の波長の赤外線を選択的に放射することができない。特許文献3および4に記載の赤外線光源では、発熱体上に配置された放射体を有することにより、特定の波長の赤外線を選択的に放射することができる。しかし、発熱体と放射体をそれぞれ異なるプロセスで形成する必要があるため、製造工程が複雑となる。
 また、特許文献1~4に記載の赤外線光源を用いてNDIR方式のガス測定装置などを製造する場合、赤外線光源と赤外線センサとをそれぞれ異なるプロセスで製造して用意する必要があり、製造工程が複雑となる。
 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、容易なプロセスで製造することのできるガス測定装置、集合基板、赤外線光源および焦電型赤外線センサ、並びに、それらの製造方法を提供することを目的とする。
 [1] 赤外線光源と、センサと、ガスセルとを備えるガス測定装置であって、
 前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
 前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする、ガス測定装置。
 [2] 前記第1上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、かつミアンダ形状を有し、
 前記第2上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に吸収するための周期構造を有する、[1]に記載のガス測定装置。
 [3] 前記第1上部電極は特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、
 前記第1下部電極はミアンダ形状を有し、
 前記第2上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に吸収するための周期構造を有する、[1]に記載のガス測定装置。
 [4] 前記第1中間層および前記第2中間層は、AlNおよびZnOの少なくともいずれかを主材料として含む、[1]~[3]のいずれかに記載のガス測定装置。
 [5] 前記第1上部電極および前記第2上部電極は、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含み、
 前記第1下部電極および前記第2下部電極は、前記第1上部電極および前記第2上部電極とは独立に、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含む、[1]~[4]のいずれかに記載のガス測定装置。
 [6] さらに、前記第1上部電極を覆う第1保護膜、および、前記第2上部電極を覆う第2保護膜を備え、
 前記第1保護膜および前記第2保護膜は、SiN、SiOおよびAlNからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含む、[1]~[5]のいずれかに記載のガス測定装置。
 [7] 前記センサは焦電型赤外線センサであり、前記第2中間層は焦電体層であり、前記ガス測定装置は非分散型赤外線吸収方式のガス測定装置である、[1]~[6]のいずれかに記載のガス測定装置。
 [8] [1]~[7]のいずれかに記載のガス測定装置の製造方法であって、
 同一のウエハまたはチップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、ガス測定装置の製造方法。
 [9] ウエハまたはチップと、同一の前記ウエハまたは前記チップ上に設けられた赤外線光源およびセンサとを備える集合基板であって、
 前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
 前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする、集合基板。
 [10] [9]に記載の集合基板の製造方法であって、
 同一の前記ウエハまたは前記チップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、集合基板の製造方法。
 [11] 赤外線光源およびセンサの製造方法であって、
 前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
 前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含み、
 同一のウエハまたはチップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、赤外線光源およびセンサの製造方法。
 [12] ガスセルと、[11]に記載の製造方法によって製造された前記赤外線光源および前記センサとを備える、ガス測定装置。
 本発明によれば、容易なプロセスで製造することのできるガス測定装置、集合基板、赤外線光源および焦電型赤外線センサ、並びに、それらの製造方法を提供することができる。
実施形態1のガス測定装置の全体の概要を示す概略断面図である。(a)はガス測定装置の一例を示し、(b)はガス測定装置の別の例を示す。 実施形態1のガス測定装置における赤外線光源およびセンサの構成を示す図である。(a)は赤外線光源およびセンサが形成された集合基板を示す概略上面図であり、(b)は集合基板の一部を示す概略断面図である。 実施形態1のガス測定装置における赤外線光源の構成を示す図である。(a)は(b)のA-A’断面における概略断面図であり、(b)は概略上面図である。 実施形態2のガス測定装置における赤外線光源の構成を示す図である。(a)は(b)のA-A’断面における概略断面図であり、(b)は概略上面図である。 実施形態1におけるセンサの製造工程を説明するための概略断面図である。 実施形態2における赤外線光源の製造工程を説明するための概略断面図である。
 本発明のガス測定装置は、赤外線光源と、センサと、ガスセルとを備える。そして、赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、センサは、第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、中間層と同じ材料からなる第2中間層と、第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする。つまり、赤外線光源とセンサとは、同一の材料からなる同一の層構成を有しており、電極の形状(電極パターン)のみが異なっている。
 このため、赤外線光源およびセンサを、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術等を用いて、同一ウエハまたはチップ上に同一の工程で同時に作製することができるため、容易なプロセスでガス測定装置を製造することが可能である。
 以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
 <実施形態1>
 まず、図1を参照して、本実施形態のガス測定装置100の全体の概要について説明する。
 本実施形態のガス測定装置(ガスセンサ)は、図1に示すようなNDIR方式のガス測定装置(赤外線装置)100である。ガス測定装置100は、赤外線光源1と、ガスセル3と、センサ(焦電型赤外線センサ)2とを備えている。ガス測定装置100は、赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2との間のガスセル3内に存在する試料ガスの吸光度等に応じて、試料ガスの濃度等を測定する装置である。
 ガスセル3は、例えば、内部空間を有しており、該内部空間に試料ガスを流通させることができる。具体的には、ガスセル3の一端側(赤外線光源1側)には、試料ガス導入管(図示せず)が接続され、ガスセル3の他端側(焦電型赤外線センサ2側)には、試料ガス導出管(図示せず)が接続されている。試料ガス導入管を介してガスセル3の内部空間に導入された試料ガスは、試料ガス導出管から排出される。
 赤外線光源1は、赤外線を出射する。赤外線光源1としては、たとえばフィラメント型光源を採用することができる。赤外線光源1から出射された赤外線の一部は、試料ガスの有する吸収特性に基づいて試料ガスに吸収される。赤外線光源1から出射された赤外線は、主として、光軸方向(図中の矢印方向)に進行して焦電型赤外線センサ2に到達する。
 焦電型赤外線センサ2は、信号処理回路基板(図示せず)に電気的に接続されており、赤外線の検出量に基づいて出力信号を信号処理回路基板に出力する。信号処理回路基板は、出力信号に基づいて試料ガスの濃度等を算出する。
 本実施形態のガス測定装置では、バンドパス光学フィルタは設けられていない。これは、後述する赤外線光源1の第1上部電極および焦電型赤外線センサ2の第2上部電極の周期構造がバンドパス光学フィルタの役割を果たすためである。
 なお、本実施形態のガス測定装置においては、図1(a)に示すように、赤外線光源1とセンサ(焦電型赤外線センサ)2とが対向するように配置されていてもよく、また、図1(b)に示すように、赤外線光源1とセンサ(焦電型赤外線センサ)2とが隣接しており、1つのチップ内に形成されていてもよい。なお、後者の場合、赤外線光源から放射され試料ガスを通過した後にガスセル3で反射された赤外線を焦電型赤外線センサ2で検出する。この場合、赤外線光源とセンサとを同一ウエハ上で製造した後に1つのチップとして取り出すことができ、より簡単なプロセスでガス測定装置を製造することができる。
 次に、赤外線光源1とセンサ(焦電型赤外線センサ)2の詳細について説明する。本実施形態のガス測定装置においては、赤外線光源1の第1上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、かつ通電によって均一に発熱するようにミアンダ形状を有し、センサの第2上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に吸収するための周期構造を有している。
 図2および図3を参照して、赤外線光源1は、貫通孔である開口部を有する基板(Siウエハ)10と、開口部を覆うように設けられたメンブレン部とから構成される。メンブレン部は、支持層14、第1下部電極12、第1中間層13および第1上部電極11を有する。
 主に図3(b)を参照して、第1上部電極11はミアンダ形状であり、ヒーターとして機能する。また、第1上部電極11は、周期的に配列された複数の開口11aを含む周期構造(ホールアレイ)を有している。このため、赤外線光源1は、特定波長の赤外線を選択的に放射することができる。また、第1下部電極12は、赤外線の反射膜として機能する。
 図2を参照して、センサ(焦電型赤外線センサ)2は、貫通孔である開口部を有する基板20と、開口部を覆うように設けられたメンブレン部とから構成される。メンブレン部は、支持層24、第2下部電極22、第2中間層(焦電体層)23および第2上部電極21を有する。第2上部電極21は、周期構造(ホールアレイ)を有している。このため、焦電型赤外線センサ2は、検出対象のガスの吸収波長などの特定波長の赤外線を選択的に吸収することができる。
 このように、赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2とは、同一の材料からなる同一の層構成を有し、電極パターンのみが異なる。このため、図2(a)に示すように、赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2とを同一ウエハ上で同じ製造プロセスで製造することができる。このようにして製造された集合基板4から、例えば、図2(b)に示すような赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2とを有するチップを切り出すことで、容易にガス測定装置100に用いられる赤外線光源1および焦電型赤外線センサ2を得ることができる。
 第1中間層13および第2中間層(焦電体層)23は、AlNおよびZnOの少なくともいずれかを主材料として含むことが好ましい。これらの材料を用いることで、通常の半導体の製造プロセスが利用でき、赤外線光源の第1中間層として用いた場合に、高温になっても光源としての性能が安定である。また、AlNは熱伝導性が高いため、赤外線光源の第1中間層として用いた場合は、ヒーター温度を均一にすることができる。
 なお、本明細書中において、主材料とは、部材中に最も多く含まれる材料であり、主材料の材料全体に対する比率は、好ましくは80重量%以上であり、より好ましくは90重量%以上である。また、第1中間層13および第2中間層(焦電体層)23には、Scなどの金属がドープされていてもよい。
 また、赤外線光源1および焦電型赤外線センサ2において、上部電極(第1上部電極および第2上部電極)は、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含むことが好ましい。また、下部電極(第1下部電極および第2下部電極)も同様に、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含むことが好ましい。これらの材料は、赤外線をよく反射するため、特定波長以外の波長の赤外線の吸収を抑制することができるという利点がある。また、融点が高く、500~600℃に加熱することができる。
 なお、第1上部電極と第2上部電極とは同じ材料から構成され、第1下部電極と第2下部電極とも同じ材料から構成される。ただし、上部電極(第1上部電極および第2上部電極)と下部電極(第1下部電極および第2下部電極)とは、独立に異なる材料から構成されていてもよい。
 赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2における支持層14,24は、例えばAlNからなる。
 赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2は、第1上部電極を覆う第1保護膜15、および、第2上部電極を覆う第2保護膜25を備えていても良い。この場合、上部電極(第1上部電極11および第2上部電極21)の酸化を防止することが出来る。第1保護膜15および第2保護膜25は、例えば、SiN、SiOおよびAlNからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含む。なお、上部電極及び下部電極がAuやPtなどの酸化しにくい金属からなる場合は、保護膜は特に必要ではない。
 上部電極および下部電極が有する、特定波長の赤外線を選択的に吸収または放射するための周期構造は、好ましくは周期構造や準周期構造である。周期構造とは、並進対称性に代表される様な空間対称性を持つ構造のことであり、準周期構造とは、並進対称性は持たないが配列には秩序性が保たれている構造のことである。周期構造は、その対称の次元に応じて、1次元周期構造、2次元周期構造または3次元周期構造に分類される。これらの周期構造のうちでも、2次元周期構造が好適に用いられる。
 周期構造は、例えば、電極の主面上の少なくとも一方向に周期的に配置された複数の開口から構成される。このような周期構造としては、例えば、複数の開口11aが上面視において正方格子状に周期的に配列されてなる2次元周期構造が挙げられる(図3(b)参照)。
 開口11aの配列周期(ピッチ)などの周期構造の周期は、測定対象となるガスの吸収波長に応じて適宜設計される。すなわち、周期構造の周期は、測定対象のガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収または放射できるように設計される。具体的には、周期構造における開口11aの配列周期が測定対象のガスの吸収波長と同程度の長さになるように設計される。例えば、測定対象のガスがCOガス(吸収波長は4.2~4.4μm)である場合、周期構造における開口11aの配列周期が4.1~4.5μm程度であるように設計されることが好ましい。
 なお、図3(b)では、周期的に配列された複数の開口11aの上面視における形状が円形であるが、このような形状に限定されず、例えば、上面視における形状が長方形や六角形であってもよい。また、開口11aは、その全てが周期的に配置されていてもよく、所望の波長の赤外線を選択的に吸収または放射可能な範囲内で、一部の開口11aが非周期的に配置されていてもよい。
 焦電型赤外線センサは、赤外線を単に熱源として用いており、センサ自体の波長依存性が低いため、従来は、特定の試料ガス(例えばCO)を選択的に測定するためには、別途バンドパス光学フィルタを設ける必要があったが、上記のような周期構造がバンドパス光学フィルタとして機能するため、別途高価なバンドパス光学フィルタを設ける必要がなく、装置の小型化が可能であると共に、部材コストを低減することができる。
 なお、本実施形態では、NDIR方式のガス測定装置(赤外線装置は)について説明したが、赤外線光源を用いたガス測定装置の他の例としては、光音響分光(PAS:Photoacoustic Spectroscopy)法を用いた赤外分光装置が挙げられる。
 本発明のガス測定装置は、このようなPAS法を用いた赤外分光装置であってもよい。PAS法は、(i)密閉されたセル内に試料を配置した状態で赤外光を試料に放射し、(ii)試料によって吸収された赤外光のエネルギーは熱となって試料から再放出され、(iii)再放出された熱がセル内のガスに伝搬し粗密波が発生し、(iv)発生した粗密波を音響センサで検出し、スペクトルに変換することで、吸収スペクトルと同等の情報を持った光音響スペクトルを得る方法である。赤外分光装置は、例えば、赤外線光源、バンドパス光学フィルタ、セルおよび音響センサで構成されている。音響センサとしては、マイクロフォン(例えば、特開2008-118639号公報参照)や圧電素子が用いられる。この場合、実施形態1の焦電型赤外線センサに代えて、センサとして、赤外線光源と同じ構造を有する音響センサを備える。なお、音響センサにおいては、中間層は音波を検知するための圧電体層として機能する。
 (製造方法)
 次に、本実施形態のセンサ(焦電型赤外線センサ)2および赤外線光源1の製造方法の一例について説明する。まず、図5を参照して、センサ(焦電型赤外線センサ)2の製造装置工程について先に説明する。
 図5(a)を参照して、両面研磨した基板(Siウエハ)20上に、下から順に支持層24、第2下部電極22、第2中間層23、第2上部電極21をスパッタリング法により形成する。
 次に、図5(b)を参照して、ドライエッチング法により、第2上部電極21を周期構造(ホールアレイ)を有するようにパターニングする。
 次に、図5(c)を参照して、スパッタリング法により第2上部電極21上に第2保護膜25を形成(全面成膜)する。
 次に、図5(d)を参照して、ウェットエッチング法により第2保護膜25などを部分的に除去し、第2下部電極22の一部及び第2上部電極21の一部を露出させ電極パッド26を形成する。
 次に、図5(e)を参照して、ウェットエッチング法により第2保護膜25をさらに除去する。深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)法により裏面側より基板20の一部を除去し、貫通孔を形成する。ここで、支持層24はエッチングストップ層として機能する。
 なお、赤外線光源1については、上述のとおり上部電極のパターンがセンサ2とは異なるため、図5(b)を用いて説明した上部電極のエッチングの際に、赤外線光源1の第1上部電極はミアンダ形状を有し、かつ、周期構造(ホールアレイ)を有するように形成する(図3(b)参照)。それ以外は、基本的にセンサ2と同様の工程によって赤外線光源1を製造することができる。
 このため、上記の製造方法を用いて、上部電極のエッチングに用いるマスクパターンを赤外線光源1および焦電型赤外線センサ2の上部電極の形状に応じて2種類用意すれば、赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2とを同一のウエハまたはチップ上に同時に作製することができる。また、これにより、赤外線光源1とセンサ2とのパターンのばらつきを抑制することができる。
 <実施形態2>
 本実施形態のガス測定装置は、赤外線光源の構造(電極パターン)が実施形態1と異なるが、それ以外の点は実施形態1と同様である。すなわち、赤外線光源において、第1上部電極は特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、第1下部電極はミアンダ形状を有し、ヒーターおよび赤外反射膜として機能する点のみが実施形態1とは異なる。それ以外の点は、実施形態1と同様であるため、重複する説明は省略する。
 具体的には、図4(a)および(b)を参照して、第1上部電極11は、周期的に配列された複数の開口11aを含む周期構造(ホールアレイ)を有している。このため、赤外線光源1は、検出対象のガスの吸収波長を含む特定の波長の赤外線を選択的に放射することができる。また、第1下部電極12はミアンダ形状を有している。このため、第1下部電極12は、ヒーターとして機能するだけではなく、赤外線の反射膜としても機能する。
 次に、実施形態1と形状(電極パターン)が異なる本実施形態の赤外線光源1について、製造工程を説明する。なお、電極パターンが異なる点以外は、基本的に実施形態1と同様であるため、重複する説明については省略する。
 図6(a)を参照して、両面研磨した基板(Siウエハ)10上に、下から順に支持層14および第1下部電極12をスパッタリング法により形成する。次に、ドライエッチング法により、第1下部電極12がミアンダ形状を有するようにパターニングする。その上に、スパッタリング法により第1中間層13および第1上部電極11を形成する。
 次に、図6(b)を参照して、ドライエッチング法により、第1上部電極11が、周期構造(ホールアレイ)を有するようにパターニングする(図3(b)参照)。
 以後は、図5(c)~(e)を用いて説明した実施形態1と同様の工程を経ることで、本実施形態の赤外線光源1を製造することができる。本実施形態においても、エッチングに用いるマスクパターンを2種類用意すれば、赤外線光源1と焦電型赤外線センサ2とを同一のSiウエハ上に同時に作製することができる。
 今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
 1 赤外線光源、10,20 基板、11 第1上部電極、11a 開口、12 第1下部電極、13 第1中間層、14,24 支持層、15 第1保護膜、16,26 電極パッド、2 センサ(焦電型赤外線センサ)、21 第2上部電極、22 第2下部電極、23 第2中間層、25 第2保護膜、3 ガスセル、4 集合基板、100 ガス測定装置。

Claims (12)

  1.  赤外線光源と、センサと、ガスセルとを備えるガス測定装置であって、
     前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
     前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする、ガス測定装置。
  2.  前記第1上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、かつミアンダ形状を有し、
     前記第2上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に吸収するための周期構造を有する、請求項1に記載のガス測定装置。
  3.  前記第1上部電極は特定波長の赤外線を選択的に放射するための周期構造を有し、
     前記第1下部電極はミアンダ形状を有し、
     前記第2上部電極は、特定波長の赤外線を選択的に吸収するための周期構造を有する、請求項1に記載のガス測定装置。
  4.  前記第1中間層および前記第2中間層は、AlNおよびZnOの少なくともいずれかを主材料として含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のガス測定装置。
  5.  前記第1上部電極および前記第2上部電極は、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含み、
     前記第1下部電極および前記第2下部電極は、前記第1上部電極および前記第2上部電極とは独立に、Au、Ag、Pt、Mo、WおよびRuからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のガス測定装置。
  6.  さらに、前記第1上部電極を覆う第1保護膜、および、前記第2上部電極を覆う第2保護膜を備え、
     前記第1保護膜および前記第2保護膜は、SiN、SiOおよびAlNからなる群から選択される少なくとも1種を主材料として含む、請求項1~5のいずれか1項に記載のガス測定装置。
  7.  前記センサは焦電型赤外線センサであり、前記第2中間層は焦電体層であり、前記ガス測定装置は非分散型赤外線吸収方式のガス測定装置である、請求項1~6のいずれか1項に記載のガス測定装置。
  8.  請求項1~7のいずれか1項に記載のガス測定装置の製造方法であって、
     同一のウエハまたはチップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、ガス測定装置の製造方法。
  9.  ウエハまたはチップと、同一の前記ウエハまたは前記チップ上に設けられた赤外線光源およびセンサとを備える集合基板であって、
     前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
     前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含むことを特徴とする、集合基板。
  10.  請求項9に記載の集合基板の製造方法であって、
     同一の前記ウエハまたは前記チップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、集合基板の製造方法。
  11.  赤外線光源およびセンサの製造方法であって、
     前記赤外線光源は、第1上部電極と第1中間層と第1下部電極とを含み、
     前記センサは、前記第1上部電極と同じ材料からなる第2上部電極と、前記第1中間層と同じ材料からなる第2中間層と、前記第1下部電極と同じ材料からなる第2下部電極とを含み、
     同一のウエハまたはチップ上に、前記赤外線光源と前記センサとを同一の工程で同時に作製するステップを含む、赤外線光源およびセンサの製造方法。
  12.  ガスセルと、請求項11に記載の製造方法によって製造された前記赤外線光源および前記センサとを備える、ガス測定装置。
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