JP5266321B2 - 量子型赤外線センサおよびそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計 - Google Patents

Description

本発明は、量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計に関し、より詳細には、量子型赤外線センサ及びそれを利用した非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ）ガス濃度計（以下、ＮＤＩＲガス濃度計という）に関する。

従来から大気中のガス濃度の測定を行う赤外線ガス濃度計として、ガスの種類によって吸収される赤外線（ＩＲ；Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｙ）の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定するＮＤＩＲガス濃度計が使用されている。このＮＤＩＲガス濃度計は、検出するガスの波長に限定した赤外線を透過するフィルタと赤外線センサを組み合わせ、その吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものである。

このＮＤＩＲガス濃度計は、小型化かつ高精度で、種々の環境でも安定して測定できるものが求められている。この種のものとして、大気中などのガス濃度を、波長選択型赤外線検出素子を用いて測定する赤外線ガス分析計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを一体的に構成した赤外線ガスセンサが開示されている。つまり、赤外線センサとしてボロメータを用いたＮＤＩＲ方式のガス分析計が開示されているが、封止室に中空で浮かせた構造であり、しかも、真空封止や不活性ガス封止する必要がある。量子型の赤外線検出器も使用可能との記載はあるものの、その具体的な構造や実施例については開示も示唆もされていない。

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ_３）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）があり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いられるのが一般的であった。従って、上記のＮＤＩＲ方式のガスセンサには応用しにくくなっていた。

また、熱型赤外線センサを使用した場合には、熱の遮断を目的として、缶パッケージの開口部に赤外線を透過させる光学フィルタを接合し、この光学フィルタを透過した赤外線の検出を行う赤外線検出素子を缶パッケージの内部に収納する形状が用いられている。

また、サーモパイル型センサとして、簡素化や耐久性の向上を図るために、缶パッケージを使用せずにモールド樹脂中に構成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載のものは、特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過させる平板状の光フィルタと、一方の面に光フィルタを透過した赤外光を検出するための検出素子部が形成された赤外線検出素子と、光フィルタと赤外線検出素子における検出素子形成面との間に設けられ、光フィルタと赤外線検出素子とを接着するとともに、光フィルタと検出素子形成面との間に所定の隙間を確保するための支持体とを備えたものである。

つまり、この特許文献２に記載のものは、赤外線センサを、缶パッケージを採用しない簡素化した構成とし、かつ赤外線センサの検出素子形成面上に所定の隙間を確保して光学フィルタを設ける構造とすることで、小型化や軽量化を図ることが開示されている。また、その実施例においては、赤外線センサはサーモパイルが用いられており、中空構造にすることが開示されている。さらに、この隙間は、赤外線素子の検出素子の破損や、接触面のキズをさけるために確保することが記載されている。

また、この特許文献２に記載の支持体は、隙間を確保するためだけのもので、この隙間から光フィルタを透過しない不要な光が赤外線検出素子へ入射することを防止する機能や光フィルタや赤外線検出素子の接触面のキズや赤外線検出素子の破損を防止するという機能を有するものであって、光フィルタを保持したり、パッケージ化するための機能を有するものではない。

これに対して、本発明のものは、後述する図７に示すように、検出素子面はモールド樹脂の内部に設けられ、光学フィルタと接触する面は、検出素子の基板の裏面となっているため、図６に示すように、光学フィルタと赤外線センサが隙間なく接触している構造も好ましく用いられる。このことにより、より小型化や薄型化が実現できる。

また、量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果や光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子で、一般に冷却して用いるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。

また、基板上に室温で動作可能な量子型光電変換部を備え、フィルタとともに封止樹脂でパッケージした量子型赤外線センサも提案されている（例えば、特許文献４参照）。

しかしながら、上述した特許文献３及び特許文献４には、量子型赤外線センサについて開示されているものの、この量子型赤外線センサをガスセンサに適用したことについては何ら開示されていない。

つまり、上述した特許文献３及び特許文献４には、室温動作が可能で、樹脂パッケージされた量子型赤外線センサが開示されているが、その赤外線センサを用いて、光学フィルタや保持部材と組み合わせてＮＤＩＲ方式によるガス濃度計に用いることができるという記載や示唆もない。

そこで、量子型赤外センサを用いたガスセンサについては、例えば、特許文献５に開示されている。この特許文献５に記載のものは、測定セルと基準セルとが並列に配置され、各セルに照射される赤外線の透過量の比較に基づいて試料ガスの成分濃度を検出するために、セルと量子型赤外線センサの間に測定対象成分ガスに対応する光学フィルタとフィルタ回転式チョッパを備えたものである。

しかしながら、この特許文献５に記載のものは、量子型赤外線センサをガスセンサに適用した点については開示されているものの、フィルタ回転式チョッパを用いているため小型化を実現することは困難であり、赤外線センサ素子と光学フィルタとをモジュール化して小型化を図るとともに、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにした具体的な構成については何ら開示されていない。

つまり、この特許文献５には、光導電型の赤外線検出センサを用いたＮＤＩＲ方式のガス分析計が開示されているが、この赤外線ガス分析計では、一つの赤外線センサと回転式チョッパを用いることで複数の成分ガス濃度を検出できるものの、複数の量子型赤外線センサと複数の光学フィルタと貫通孔を設けた保持部材を用いて構成される本発明のような量子型赤外線センサに関する記載はない。

上述したサーモパイル素子を利用したＮＤＩＲガス濃度計は、測定する気体の温度や流量が大幅に変化した場合に、センサ温度が大幅に変化するため、センサ出力が大きく変動する問題があり、このような状況下で使用する場合には実用的な測定が行えないという問題があった。

また、従来の赤外線センサ素子では、上述したセンサ温度の大幅な変化に対応するため、缶パッケージを用いて、センサ素子の周辺に空隙を設け、更に真空化したり、熱伝導率の小さいガスを充填したり、又は熱容量の大きなヒートシンク部をつけたりして、熱的に検知部を遮断、安定化することによって、この現象を緩和させられる方法が取られている。しかしながら、これらの構成では、素子の形状を複雑化、大型化、重量増加させるとともに、パッケージに高い工作精度を要求し、コストを上昇させる原因になっていた。

また、缶パッケージを使用せずにモールド樹脂等のパッケージを使用したり、赤外線素子の表面上に直接フィルタをつけたものなども提案されているが、これらのものの場合、熱型の赤外線センサ素子を利用した場合には、熱的な分離が不充分なために測定する気体の温度や流量が大幅に変化した場合には、安定な測定が行えないという問題があった。

また、従来の量子型赤外線センサを用いた場合、常温で安定に高い感度を得ることが出来ないため、素子を大型のヒートシンクで熱的に安定化させる方法や、ペルチェ素子や液体窒素で素子を冷却する方法が行われる。素子を冷却することによる結露を防ぐためと、外部への熱伝導を抑えるためにＸｅ、Ｎｅ等の熱伝導率の低いガスで封入する等の目的で、熱型赤外線センサと同様に缶パッケージが使用される。そのため、素子の大型化や形状の複雑化、パッケージに高い工作精度を要求するため、コストを上昇させるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計用の量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計を提供することにある。

特開２００１−２２８０２２号公報 特開２００６−１９４７９１号公報 国際公開第ＷＯ２００５／０２７２２８号パンフレット 国際公開第ＷＯ２００６／０９５８３４号パンフレット 特開平８−７５６４２号公報

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、複数の量子型赤外線センサ素子と、該量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ、各々異なる特定の波長帯域の赤外線を選択的に透過する複数の光学フィルタと、少なくとも前記光学フィルタを保持し、前記量子型赤外線センサ素子に対して前記赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材とを備え、前記量子型赤外線センサと前記光学フィルタとが、前記保持部材の前記貫通孔に嵌め込まれ、前記光学フィルタと前記量子型赤外線センサ素子とが密接していることを特徴とする。（図２Ａ乃至図２Ｃ、図６）

また、前記保持部材は、下段と上段を備え、前記下段と前記上段に前記量子型赤外線センサ素子に対向して赤外線を受光するための第１及び第２の貫通孔を設けた階層構造を有し、前記下段には、第１及び第２の量子型赤外線センサ素子が設けられ、前記上段には、第１及び第２の光学フィルタが前記第１及び第２の量子型赤外線センサ素子に対向して設けられていることを特徴とする。（図２Ｂ）

また、前記光学フィルタは、前記赤外線光源からの参照光透過用の光学フィルタと、前記参照光と異なる波長帯域透過用の光学フィルタとの一対からなることを特徴とする。（図２Ａ乃至図２Ｃ）

また、前記光学フィルタは、前記赤外線光源からの参照光透過用の光学フィルタと、前記参照光と各々異なる複数の波長帯域透過用の光学フィルタとからなることを特徴とする。（図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ乃至図５Ｃ）

また、前記保持部材は、予め成型したパッケージ材であることを特徴とする。

また、前記パッケージ材は、表面実装用の端子を有する量子型赤外線センサ素子の該端子を用いて表面実装可能にしたことを特徴とする。

また、前記光学フィルタと前記量子型赤外線センサ素子とが密接していることを特徴とする。（図６）

また、前記量子型赤外線センサ素子はセンサ素子部を有し、該センサ素子部は、基板上に設けられた第１のコンタクト層と、該コンタクト層上に設けられた吸収層と、該吸収層上に設けられたバリア層と、該バリア層上に設けられた第２のコンタクト層と、該第２のコンタクト層上に設けられた第２の電極と、前記第１のコンタクト層と前記吸収層と前記バリア層と前記第２のコンタクト層に隣接して設けられたパッシベーション層と、前記パッシベーション層を介して前記基板上に設けられた第１の電極とを備えたことを特徴とする。（図７）

また、前記第１のコンタクト層はｎ型のＩｎＳｂからなり、前記吸収層はπ型のＩｎＳｂからなり、前記バリア層はｐ型のＡｌＩｎＳｂからなり、前記第２のコンタクト層はｐ型のＩｎＳｂからなることを特徴とする。（図７）

また、前記センサ素子部を複数個設け、該複数のセンサ素子部を直列接続させたことを特徴とする。（図８）

また、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に上述したいずれかの赤外線センサを配置したことを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計である。（図９）

また、前記量子型赤外線センサからのセンサ信号を増幅する増幅器及びノイズを除去するフィルタを介して入力され、回路オフセットメモリからの信号を前記センサ信号から減算してオフセットを除去する減算手段と、該減算手段からの各々の信号に基づいて、前記測定対象ガスの吸収帯の透過光量と前記測定対象ガスの吸収のない波長帯の透過光量の信号の比を演算する演算手段と、該演算手段からの信号に、２波長帯を用いることによるガスオフセットメモリからの比例係数分オフセットを加算する加算手段と、該加算手段からの信号に基づいて、ガス定数メモリからのガスの吸光度係数とガス路長の定数を除算する除算手段とを備え、前記測定対象ガスの吸収帯の透過光量と前記測定対象定量ガスの吸収のない波長帯の透過光量を用いてガスの濃度の定量を行うようにしたことを特徴とする。（図１０）

本発明によれば、複数の量子型赤外線センサ素子と、この量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ、各々異なる特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過する複数の光学フィルタと、少なくとも複数の光学フィルタを保持し、量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材とを備えたので、小型・薄型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計用の量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

図１Ａは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で上面からの斜視図である。 図１Ｂは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で底面からの斜視図である。 図２Ａは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で上面図を示している。 図２Ｂは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で断面図を示している。 図２Ｃは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で底面図を示している。 図３Ａは、本発明に係る量子型赤外線センサの保持部材の構成図で上面からの斜視図である。 図３Ｂは、本発明に係る量子型赤外線センサの保持部材の構成図で底面からの斜視図である。 図４Ａは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で上面からの斜視図である。 図４Ｂは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で底面からの斜視図である。 図５Ａは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で上面図を示している。 図５Ｂは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で断面図を示している。 図５Ｃは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で底面図を示している。 図６は、図２Ｂ及び図５Ｂに示した光学フィルタと量子型赤外線センサ素子との空隙をなくした構成図である。 図７は、図２Ｂに示した量子型赤外線センサ素子の具体的な構成図である。 図８は、図７に示した量子型赤外線センサ素子のセンサ素子部を直列に接続した構成図である。 図９は、本発明のＮＤＩＲガス濃度計を説明するための構成図である。 図１０は、図９に示したＮＤＩＲガス濃度計の信号処理の構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図１Ａ及び図１Ｂ、図２Ａ乃至図２Ｃは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例１の構成図で、図１Ａ及び図１Ｂは、上面及び底面からの斜視図で、図２Ａ乃至図２Ｃは、上面図、断面図、底面図を各々示している。なお、図２Ｂは、図２ＡにおけるＡ−Ａ'線断面図である。

本発明の量子型赤外線センサ１２は、複数の量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂと、この量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂに対して赤外線光源側に設けられ、各々異なる特定の波長帯域の赤外線を選択的に透過する複数の光学フィルタ１６ａ，１６ｂと、少なくともこれらの光学フィルタ１６ａ，１６ｂを保持し、量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂに対して赤外線光源側に向けて複数の貫通孔１５ａ，１５ｂを設けた保持部材１５とを備えている。なお、量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂの受光部は、センサ素子部１０３ａ，１０３ｂで示されている。

本発明の赤外線センサは、量子型赤外線センサであるため、貫通孔１５ａ，１５ｂは、光を通す穴が開いていればよく、真空にする必要はない。また、不活性ガスや窒素ガスなどの封止も必要ない。したがって、本発明のように、複数の赤外線センサと複数の光学フィルタと保持部材で構成された構造は、非常に簡便で、かつ小型化や薄型化を実現することができる。

図１Ａに示すように、一対の光学フィルタ１６ａ，１６ｂは、赤外線光源からの参照光透過用の光学フィルタと、参照光と異なる波長帯域透過用の光学フィルタとの一対からなっている。

また、本発明に使用する特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過する光学フィルタとは、赤外線等の電磁波を透過する光学部材を使用して、特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過するようにしたものである。光学部材は、特定の波長帯域の赤外光を選択的に透過する機能を有するものであれば、光学部材単体でも使用することができる。また、光学部材上に異なる屈折率を有する誘電体を層状に蒸着した誘電体多層膜フィルタも用いられる。

以下に、この光学フィルタの一例を示すが、本実施例における光学フィルタは、この例に限定されるものではなく、赤外光を選択的に透過する機能を有するものであれば、この例に限定されることなく使用することができる。光学フィルタの例としては、光学部材と、この光学部材上に多層で形成された薄膜とで、長波長又は短波長、又はその両方の波長の赤外線を透過させない機能を有するものであり、これらの透過機能を組み合わせて結果的に、特定の波長の赤外線のみを透過させる機能を有する光学フィルタである。

この光学フィルタは、特定の波長の赤外線のみを透過させる機能を１枚で行っても良いし、場合によっては複数枚を使用することもできる。また、この光学部材の材料としては、シリコン（Ｓｉ），硝子（ＳｉＯ_２），サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３），Ｇｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣａＦ_２，ＢａＦ_２などの所定の赤外線が透過する材料が用いられ、また、これに蒸着される薄膜材料としては、シリコン（Ｓｉ），硝子（ＳｉＯ_２），サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３），Ｇｅ，ＺｎＳ，ＴｉＯ_２，ＭｇＦ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５などが使用される。また、光学部材上に異なる屈折率を有する誘電体を層状に積層した誘電体多層膜フィルタは、表面、裏面異なる所定の厚み構成で両面に作られていてもよいし、また、片面のみに形成されていてもよい。また、不要な反射を防止する目的で反射防止膜が表面、裏面の両面、又は片面の最表層に形成されていても構わない。

本発明に用いられる光学フィルタのサイズは、縦と横のサイズは、量子型赤外線センサのサイズと同等以下であればよい。低コスト化のため、より好ましくは、量子型赤外線センサの受光部と丁度同じサイズであるか、もしくは該受光部をカバーできるサイズであればよい。具体的には、受光部が０．７ｍｍ×０．７ｍｍの場合は、０．７ｍｍ×０．７ｍｍ丁度のサイズか、あるいは、光学フィルタを固定するためののりしろとして、１ｍｍ×１ｍｍ程度など少し大きいサイズにすることも行われる。光学フィルタの厚みについては、光学フィルタ自身での赤外線の吸収を少なくするため、より薄い方が好ましい。具体的には、０．８ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下、より好ましくは、０．４ｍｍ以下である。

また、図１Ｂに示すように、光学フィルタ１６ａ，１６ｂを透過した赤外光を常温で検出することのできる量子型赤外線センサとしては、光起電力型、光導電効果型、光電子放出効果型等の形式があり、本発明にはこれらのいずれの形式も使用できるが、光電子放出効果型は、高真空等の特殊な環境が必要であり装置自体やセンサ部が大きくなるという問題があり、光導電効果型ではセンサ自信に電流を通電させるため、ノイズが大きくなる欠点があり、常温では高感度で測定することが難しい。したがって、好適には光起電力型が最も好ましい。

以下に常温で動作する量子型赤外線センサの構成例を示すが、本発明の光学フィルタを透過した赤外線を常温で検出することのできる量子型赤外線センサは、この例に限定されるものではない。

本発明の常温で動作する量子型赤外線センサは、基板上に赤外線によって光起電力効果を生じるフォトダイオード構造を有する受光部を形成したものである。この基板には、単結晶のＳｉ基板、ガラス基板、又はＧａＡｓ基板などを使用することが可能であるが、ここでは一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を使用する。

また、受光部は、赤外線の光量子（フォトン）によって受光面が励起され、この励起によって受光面の電気的性質が変化する量子型の受光部である。受光部では、その受光面での光電変換によって赤外線エネルギーが電気エネルギーに変換される。量子型であるため、受光部の赤外線検出感度は、当該受光部及びその周辺の熱容量にほとんど影響されない。

また、受光部の受光面は、例えば、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦１）で構成されており、波長１乃至１１μｍ程度までの赤外線を効率良く光電変換することができるようになっている。受光部は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＳｂ系の量子型ＰＩＮフォトダイオードで構成されている。

また、このＩｎＳｂ系の量子型ＰＩＮフォトダイオードは、基板と、この基板上に形成されたｎ型のＩｎＳｂ層（コンタクト層）と、このｎ型のＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型ドープされたＩｎＳｂ層（吸収層）と、このｐ型ドープされたＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型のＡｌＩｎＳｂ層（バリア層）と、このｐ型のＡｌＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型のＩｎＳｂ層（コンタクト層）とを備えてもよい（この構成については、図７に基づいて後述する）。また、本発明の常温で動作する量子型赤外線センサの構成の例としては、特許文献４に記載の形状でも構わない。

センサ素子部（受光部）では、各ＰＩＮフォトダイオードは接続配線によって直列に接続されている（この接続については、図８に基づいて後述する）。基板の裏面（すなわち、ＰＩＮフォトダイオードが形成されている面の反対）側から赤外線が入射すると、その赤外線輻射量に応じた光起電力がＰＩＮフォトダイオードで発生し、接続配線を通って受光部の外へ出力されるようになっている。

常温で動作する量子型赤外線センサは、従来一般に用いられるサーモパイルなどの熱起電力型の素子よりも高い感度であり、シグナルあたりのノイズ量、すなわち、ＳＮ比もそれらよりも良好である。また、この量子型赤外線センサは、その組み立て成型時に表面実装可能な形状とすることも可能である。

本発明の量子型赤外線センサ１３ａ、１３ｂは、小型化を達成するために樹脂でパッケージされているものが好ましく用いられる。その量子型赤外線センサ１個のサイズは、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×厚１ｍｍ以下という小型化されたものが好ましく、より好ましくは、縦２ｍｍ×横３ｍｍ×厚０．５ｍｍ以下、さらに好ましくは縦１．５ｍｍ×横２．５ｍｍ×厚０．４ｍｍ以下のものが用いられる。

また、光学フィルタと、常温で動作する量子型赤外線センサは、隙間を形成した状態で固定され、フィルタ付量子型赤外線センサ素子となる。光学フィルタと常温で動作する量子型赤外線センサとを固定する方法は任意に選択できる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の赤外線センサの保持部材の構成図で、図３Ａは上面からの斜視図、図３Ｂは底面からの斜視図である。

保持部材１５は、下段と上段を備え、下段と上段及びその中間部に第１及び第２の量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂに対向して赤外線を受光するための第１及び第２の貫通孔１５ａ，１５ｂを設けた階層構造を有している。下段には、第１及び第２の量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂが設けられ、上段には、第１及び第２の光学フィルタ１６ａ，１６ｂが第１及び第２の貫通孔１５ａ，１５ｂを介して第１及び第２の量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂに対向して設けられている。

また、保持部材１５は、予め成型したパッケージ材又は前記量子型赤外線センサ素子と電気的に接続可能な端子を備えて成型した端子付パッケージ材であることが望ましい。また、パッケージ材は、表面実装用の端子を有する量子型赤外線センサ素子の該端子を用いて表面実装可能にすることが望ましい。

また、保持部材１５を構成するパッケージ材は、絶縁性のセラミックや樹脂などの電子部品用パッケージ材が使用できる。具体的には、セラミックとしては、アルミナ，ムライト，コーディエライト，ステアタイト，窒化アルミニウム，炭化ケイ素，シリコンなどとこれらの混合物、樹脂としては、エポキシ樹脂，シリコン樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂，ウレタン樹脂，ポリフェニレンサルファイド樹脂などの樹脂が用いられ、またこれらに硬化剤，硬化促進剤，フィラー，離型剤，改質剤などの添加剤が加えられていても構わない。

また、量子型赤外線センサ素子自身に配置された接続端子を直接表面実装に用いる場合は、保持部材にアルミニウムなどの成型が容易な金属も用いることができる。金属を保持部材に用いる場合には、保持部材と量子型赤外線センサの接続端子は電気的に絶縁されていなければならない。

これらのパッケージ材を成型し、赤外線が光学フィルタを透過した赤外線が赤外線センサの受光面に到達できるように設置されるよう所定の形状としたものに、光学フィルタ及び赤外線センサを固定する。固定方法は、特に限定されないが、接着剤などで接着してもよいし、パッケージ材と同等のものを使用してその他の取り付け部材を作成して固定してもよい。また、嵌め合い構造として、特に接着しない方法でも構わない。

光学フィルタを保持部材に取り付ける場合、光学フィルタの上面が、保持部材の外側の面と一致しているか、もしくは保持部材の外側の面より下側にくるように取り付ける。もし、保持部材の外側の面から、光学フィルタがはみ出した場合には、光学フィルタの側面から外乱光が入り、正確なバンドパスフィルタとして機能しなくなる可能性がある。

保持部材に貫通孔をあけることによって、２つの貫通孔の間に形成される隔壁は、重要な役割を有する。この隔壁によって、各々の光学フィルタを透過してきた赤外線が、お互い干渉することを防ぐことができ、バンドパスフィルタを通過してきた赤外線量をより正確に計測することが可能となる。

本発明の光学フィルタと量子型赤外線センサ間の隙間は、気密封止（ハーメッティク）構造や真空、あるいはガスが充填された構造を必要とせず、外気との通気ができるようにすることも可能である。これは量子型赤外線センサ素子が、その素子の特性上、外気の温度、外気の移動速度による影響を受けにくいことによって可能となった。

また、量子型赤外線センサは、その組み立て時に表面実装可能な形状としたものを、この表面実装端子が成型したパッケージ下面に出るようにすることで、量子型赤外線センサ素子のパッケージ化された後でも、リフロー半田付けなどの表面実装が可能になる。

本発明の保持部材に嵌め込まれた複数の光学フィルタおよび複数の量子型赤外線センサをあわせた全体のサイズは、これまでにない小型が実現できる。縦と横のサイズは、測定するガスの種類の数によって変わるが、参照光用と測定光用の１対からなる場合には、例えば縦×横が５ｍｍ×８ｍｍ、厚みが３ｍｍの小型化が実現できる。また、光学フィルタと量子型赤外線センサの隙間を無くし、接触させる構造の場合は、さらに厚み２ｍｍ以下という薄型とすることも可能となる。

上述したような構成の量子型赤外線センサを用いて量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。この量子型赤外線ガス濃度計は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、サンプルセル内の他端に本発明の赤外線センサを配置したもので、例えば、二酸化炭素の吸収特性に合わせたバンドパスフィルタ（中心波長４．３μｍ、半値幅２７０ｎｍ、透過率７５％以上）と、参照光としての波長の赤外線を透過させる他方のバンドパスフィルタ（中心波長３．８μｍ、半値幅２４５ｎｍ、透過率７５％以上）で２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線センサにより検出される。

図４Ａ及び図４Ｂ、図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明に係る量子型赤外線センサの実施例２の構成図で、図４Ａ及び図４Ｂは、上面及び底面からの斜視図で、図５Ａ乃至図５Ｃは、上面図、断面図、底面図を各々示している。なお、図５Ｂは、図５ＡにおけるＡ−Ａ'線断面図である。図中符号１３ａ乃至１３ｄは量子型赤外線センサ素子、１６ａ乃至１６ｄは光学フィルタを示している。

本実施例２は、図１Ａ及び図１Ｂ、図２Ａ乃至図２Ｃに示した実施例１における量子型赤外線センサ素子及び光学フィルタを４つにした実施例を示している。

４つの光学フィルタ１６ａ乃至１６ｄは、赤外線光源からの参照光透過用の１つの光学フィルタと、参照光と各々異なる波長帯域透過用の３つの光学フィルタとからなっている。

本実施例２においても上述した実施例１と同様な構成を採ることが可能であり、赤外線濃度計に適用できることは明らかである。本実施例では、３つの異なるガス種の濃度をそれぞれ測定することができる例を示したものである。

このように本発明の実施例１又は２の構成により、小型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガスセンサ用の量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

図６は、図２Ｂ及び図５Ｂに示した光学フィルタと量子型赤外線センサ素子との空隙をなくした構成図である。つまり、光学フィルタ１６ａ，１６ｂと量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂとを密接させて間隙をなくす構造にすることもできる。保持部材１５に量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂを取り付けた後に光学フィルタ１６ａ，１６ｂを取り付けることもできる。本発明の量子型赤外線センサでは、本実施例のように、光学フィルタ１６ａ，１６ｂと量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂとの間に隙間を設ける必要はなく、より小型で薄型の赤外線センサが実現できる。

図７は、図２Ｂに示した量子型赤外線センサ素子の具体的な構成図で、符号１０３ａ（１０３ｂ）はセンサ素子部を示している。量子型赤外線センサ素子１３ａ，１３ｂはセンサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を有し、このセンサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）は、基板１０５上に設けられた第１のコンタクト層１０６と、この第１のコンタクト層１０６上に設けられた吸収層１０７と、この吸収層１０７上に設けられたバリア層１０８と、このバリア層１０８上に設けられた第２のコンタクト層１０９と、この第２のコンタクト層１０９上に設けられた第２の素子部電極１１１ｂと、第１のコンタクト層１０６と吸収層１０７とバリア層１０８と第２のコンタクト層１０９に隣接して設けられたパッシベーション層１１０と、このパッシベーション層１１０を介して基板上１０５に設けられた第１の素子部電極１１１ａとを備えている。

つまり、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）の受光面を除いた全体は、樹脂モールド１０１で覆われ、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）の両側には、センサ信号を取り出すためのセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂが設けられている。さらに、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）は、赤外線を取り込めるように、樹脂モールド１０１の一部分から窓をあけた状態で設置されている。さらに、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を構成する第１の素子部電極１１１ａと第２の素子部電極１１１ｂに接続され、基板１０５上に形成されたパッド電極１０４ａ，１０４ｂは、ワイヤーボンディング１１３によりセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂと電気的に接続されている。

さらに、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）をより詳細に説明する。例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５上にｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６と、ｎ型のＩｎＳｂ吸収層１０７と、ｐ型のＡｌＩｎＳｂバリア層１０８と、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９が形成され、ｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６は、一方のパッド電極１０４ａに素子部電極１１１ａで電気的に接続され、さらに、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９は、他方のパッド電極１０４ｂに第２の素子部電極１１１ｂで電気的に接続されている。

センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を構成する半導体薄膜の材料は、上述した例に限定されるものではない。素子部電極１１１ａ，１１１ｂが、半導体層とコンタクトしないように所定の位置にＳｉＮなどのパッシベーション膜１１０が形成されている。さらに、半絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面は、赤外線を取り込む窓となるため、保護膜１１２が形成されている。この保護膜１１２は、入射する赤外線の反射防止やセンサ部の保護のために設けられ、測定したい波長の赤外線をできるだけ多く透過させる材質が好ましく選択される。例えば、酸化シリコン、窒化シリコンや酸化チタンなどが好ましく用いられる。保護膜の膜厚は、５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

このような構成により、光学フィルタ１６ａ，１６ｂを透過してきた赤外線は、センサ素子部１０３ａ，１０３ｂの保護膜１１２から半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５へ入射する。光学フィルタ１６ａ，１６ｂを透過してきた赤外線は、３．８μｍや４．３μｍなどの波長であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５はエネルギーバンドギャップが広く、光学フィルタ１６ａ，１６ｂを透過してきた赤外線は、ＧａＡｓ基板１０５で吸収されることなく透過する。ＧａＡｓ基板１０５を透過した赤外線は、センサ素子部１０３ａ，１０３ｂのｎ型のＩｎＳｂ吸収層１０７で吸収され、ｎ型のＩｎＳｂ吸収層１０７内では光励起された電子により光電流が発生する。この光電流の発生量により、素子部電極１１１ａ，１１１ｂから出力電圧を取り出すことができる。

図８は、図７に示した量子型赤外線センサ素子のセンサ素子部を直列に接続した構成図で、センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を複数個設け、この複数のセンサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を直列接続させたものである。これにより大きな出力信号を得ることができる。センサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）の個数は、同一面積の基板上に多く直列接続させる方が、量子型赤外線センサの感度が向上するため、微細加工技術を駆使してできるかぎり多くのセンサ素子部１０３ａ（１０３ｂ）を形成することが好ましい。

図９は、本発明のＮＤＩＲガス濃度計を説明するための構成図である。このＮＤＩＲガス濃度計は、１光源２波長比較ＮＤＩＲガス濃度計で、例えば二酸化炭素の吸収特性に合わせた光学フィルタ１６ｂ（中心波長４．３μｍ、半値幅２７０ｎｍ、透過率７５％以上）と、参照光として各種ガスの吸収がない波長、例えば、約３．８μｍ近傍の波長の赤外線を透過させる光学フィルタ１６ａで２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ量子型赤外線センサ１３ａおよび１３ｂにより検出される。この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源１０の劣化や、サンプルセル１１の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。

本発明のＮＤＩＲガス濃度計の例としては、二酸化炭素ガスの濃度計には、光学フィルタ１６ｂに二酸化炭素の吸収のある４．３μｍのバンドパスフィルタを用いればよい。また、一酸化炭素ガスの濃度計には、光学フィルタ１６ｂに一酸化炭素の吸収のある４．６μｍのバンドパスフィルタを用いる。さらに、窒素酸化物（ｅｘ.ＮＯ）には、５．２μｍのバンドパスフィルタ、ホルムアルデヒドの場合には、５．６μｍのバンドパスフィルタをそれぞれ光学フィルタ１６ｂに用いることにより、それぞれのガスの濃度計を実現できる。参照光用の光学フィルタと異なる３つのガス種の光学フィルタを用いた量子型赤外線センサは、実施例２（図４）に示している。本実施例２によれば、非常に小型で薄型の量子型赤外線センサが実現でき、かつＮＤＩＲガス濃度計全体としても従来にない小型化が達成できる。

図１０は、図９に示したＮＤＩＲガス濃度計の信号処理の構成を示す回路図である。本発明のＮＤＩＲガス濃度計は、以下のような演算により測定の対象となるガスのガス濃度の定量を行なうことができる。ランバートベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）則によれば、ガス濃度ｃは、ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0、ガス吸収帯の透過光度Ｉｇ、吸光度係数ε、ガス路長Ｌとすると、以下のような式で表すことができる。

ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0は、吸収のない波長帯の透過光度Ｉｂに比例するので、比例係数をαとすると、

したがって、ガスの吸収帯の透過光量とガスの吸収のない波長帯の透過光量を用いて、ガスの濃度の定量が以下のような式によって求められる。

このような演算方法を赤外線の光量に比例して出力するセンサを用いる場合、信号処理回路は、図１０に示したとおりである。つまり、サンプルセル１１内の他端であって基準側及びガス吸収側にフィルタ１１９ａ，１１９ｂを介して量子型赤外線センサ素子１２０ａ，１２０ｂが設けられている。この量子型赤外線センサ素子１２０ａ，１２０ｂからの各々のセンサ信号（基準側Ｖ１，ガス吸収側Ｖ２）は、増幅器（アンプ）１２１ａ，１２１ｂを介して増幅される。この場合、センサ出力が、電圧の場合は電圧増幅アンプを用い、電流の場合は電流電圧変換アンプを用いる。

増幅器１２１ａ，１２１ｂからのセンサ信号は、ノイズフィルタ１２２ａ，１２２ｂを介してセンサや回路や外来のノイズが除去される。このノイズフィルタ１２２ａ，１２２ｂは、帯域制限のためのローパスフィルタやバンドパスフィルタや信号を平均化するための積分器などが用いられる。

このノイズフィルタ１２２ａ，１２２ｂからの各々の信号と、回路オフセットメモリ１２４からの信号が減算器１２３ａ，１２３ｂに入力され、回路オフセットメモリ１２４からの値をセンサ信号から減算してオフセットを除去する。この減算器１２３ａ，１２３ｂは、センサや回路のオフセットを除去するためのものであるが、予めもしくは定量動作中定期的に値を更新して設定した回路オフセットメモリ１２４からの値を、センサ信号から減算することにより信号のオフセットを除去することができる。

Ｌｏｇ演算器１２５は、減算器１２３ａ，１２３ｂからの各々の信号に基づいて、ガスの吸収帯の透過光量の信号（Ｖ１）と、ガスの吸収のない波長帯の透過光量の信号（Ｖ２）のＬｏｇ比を演算する。加算器１２６は、Ｌｏｇ演算器１２５からの信号に、２波長帯を用いることによるガスオフセットメモリ１２７からの比例係数分オフセットＬｏｇαを加算する。除算器１２８は、加算器１２６からの信号から、ガス定数メモリ１２９からのガスの吸光度係数εとガス路長Ｌ分の定数を除算する。

このようにして、以下の式から、ガスの吸収帯の透過光量とガスの吸収のない波長帯の透過光量を用いてガスの濃度の定量分析を行うことができる。

ただし、α＝Ｖ２´／Ｖ１で、αは比例係数、Ｖ１は基準側の出力電圧、Ｖ２はガス吸収側の出力電圧、Ｖ２´はガス吸収側の吸収がない時の電圧値、εは吸光度係数、Ｌはガス路長である。

なお、上述した減算器１２３ａ，１２３ｂから除算器１２８までの信号処理部は、アナログ的に処理するほか、Ａ／Ｄ変換器を用いて信号をデジタル化しＣＰＵなどの演算器で処理をしても良い。

本発明は、量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計に関するもので、小型・薄型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計用の量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

Claims (11)

1. 複数の量子型赤外線センサ素子と、
   該量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ、各々異なる特定の波長帯域の赤外線を選択的に透過する複数の光学フィルタと、
   少なくとも前記光学フィルタを保持し、前記量子型赤外線センサ素子に対して前記赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材と
   を備え、前記量子型赤外線センサと前記フィルタとが、前記保持部材の前記貫通孔に嵌め込まれ、前記光学フィルタと前記量子型赤外線センサ素子とが密接していることを特徴とする量子型赤外線センサ。
2. 前記保持部材は、下段と上段を備え、前記下段と前記上段に前記量子型赤外線センサ素子に対向して赤外線を受光するための第１及び第２の貫通孔を設けた階層構造を有し、
   前記下段には、第１及び第２の量子型赤外線センサ素子が設けられ、前記上段には、第１及び第２の光学フィルタが前記第１及び第２の量子型赤外線センサ素子に対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の量子型赤外線センサ。
3. 前記光学フィルタは、前記赤外線光源からの参照光透過用の光学フィルタと、前記参照光と異なる波長帯域透過用の光学フィルタとの一対からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子型赤外線センサ。
4. 前記光学フィルタは、前記赤外線光源からの参照光透過用の光学フィルタと、前記参照光と各々異なる複数の波長帯域透過用の光学フィルタとからなることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の量子型赤外線センサ。
5. 前記保持部材は、予め成型したパッケージ材であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の量子型赤外線センサ。
6. 前記パッケージ材は、表面実装用の端子を有する量子型赤外線センサ素子の該端子を用いて表面実装可能にしたことを特徴とする請求項５に記載の量子型赤外線センサ。
7. 前記量子型赤外線センサ素子はセンサ素子部を有し、該センサ素子部は、
   基板上に設けられた第１のコンタクト層と、該第１のコンタクト層上に設けられた吸収層と、該吸収層上に設けられたバリア層と、該バリア層上に設けられた第２のコンタクト層と、該第２のコンタクト層上に設けられた第２の電極と、前記第１のコンタクト層と前記吸収層と前記バリア層と前記第２のコンタクト層に隣接して設けられたパッシベーション層と、該パッシベーション層を介して前記基板上に設けられた第１の電極とを備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の量子型赤外線センサ。
8. 前記第１のコンタクト層はｎ型のＩｎＳｂからなり、前記吸収層はπ型のＩｎＳｂからなり、前記バリア層はｐ型のＡｌＩｎＳｂからなり、前記第２のコンタクト層はｐ型のＩｎＳｂからなることを特徴とする請求項７に記載の量子型赤外線センサ。
9. 前記センサ素子部を複数個設け、該複数のセンサ素子部を直列接続させたことを特徴とする請求項７又は８に記載の量子型赤外線センサ。
10. 測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に請求項１乃至９のいずれかに記載の量子型赤外線センサを配置したことを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計。
11. 前記量子型赤外線センサからのセンサ信号を増幅する増幅器及びノイズを除去するフィルタを介して入力され、回路オフセットメモリからの信号を前記センサ信号から減算してオフセットを除去する減算手段と、
    該減算手段からの各々の信号に基づいて、前記測定対象ガスの吸収帯の透過光量と前記測定対象ガスの吸収のない波長帯の透過光量の信号の比を演算する演算手段と、
    該演算手段からの信号に、２波長帯を用いることによるガスオフセットメモリからの比例係数分オフセットを加算する加算手段と、
    該加算手段からの信号に基づいて、ガス定数メモリからのガスの吸光度係数とガス路長の定数を除算する除算手段と
    を備え、前記測定対象ガスの吸収帯の透過光量と前記測定対象ガスの吸収のない波長帯の透過光量を用いてガスの濃度の定量を行うようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の量子型赤外線ガス濃度計。

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