專利名稱：紅外線式氣體檢測器以及紅外線式氣體測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外線式氣體檢測器以及紅外線式氣體測量裝置。
背景技術(shù)：
以往，已知有利用通過氣體吸收特定波長的紅外線的原理來進(jìn)行氣體測量的紅外線式氣體測量裝置。紅外線式氣體測量裝置通過測量由被測量氣體的分子構(gòu)造所決定的吸收波長的紅外線(紅外光)的吸光度，從而測量出被測氣體的濃度(參照日本特開平 7-72078號(hào)公報(bào)、日本特開平3-205521號(hào)公報(bào)、日本特開平10481866號(hào)公報(bào))。日本特開平7-72078號(hào)公報(bào)中記載的紅外線式氣體傳感器具備使規(guī)定波長的紅外線透過的濾波器和對(duì)透過濾波器的紅外線進(jìn)行檢測的熱電型光傳感器。濾波器直接形成在熱電型光傳感器上。因此，導(dǎo)致熱容變大，并且難以確保熱絕緣性，響應(yīng)性會(huì)降低。日本特開平3-205521號(hào)公報(bào)中記載的紅外線檢測器具備由外殼和管座構(gòu)成的封裝體。封裝體中收納有容納紅外線檢測元件的保持件。外殼中形成有用于使紅外線射入紅外線檢測元件的開口部。開口部利用藍(lán)寶石等的透過紅外線的窗材進(jìn)行封閉。保持件中以位于紅外線檢測元件的前方的方式安裝有光學(xué)濾波器。光學(xué)濾波器具有基板。在該基板的一面形成有使規(guī)定的波段的紅外線透過的帶通面(透過濾波器)，在基板的另一面形成有除去上述規(guī)定的波段以外的紅外線的長短切斷面(遮斷濾波器)。透過濾波器以及遮斷濾波器是層疊Ge膜和SiO膜而成的多層膜。SiO膜具有對(duì)與透過了透過濾波器的紅外線的波段(即透過波段)相比更長波段的紅外線進(jìn)行吸收的特性。因此，有可能導(dǎo)致透過濾波器、 遮斷濾波器本身的溫度上升，放射出吸收波段的紅外線。此處，如果在光學(xué)濾波器以及紅外線檢測元件中產(chǎn)生溫度分布，則有可能由于光學(xué)濾波器的遠(yuǎn)紅外線的吸收，在長波長的紅外線放射強(qiáng)度與紅外線檢測元件的紅外線受光強(qiáng)度間產(chǎn)生差值，從而產(chǎn)生因溫度分布所致的輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而作出的。本發(fā)明的目的在于提供一種可以實(shí)現(xiàn)低成本化以及高靈敏度化的紅外線式氣體檢測器及紅外線式氣體測量裝置。本發(fā)明所涉及的紅外線式氣體檢測器具備紅外線受光部、收納上述紅外線受光部的封裝體以及光學(xué)濾波器。上述紅外線受光部具有利用熱檢測紅外線的多個(gè)熱型紅外線檢測元件。上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件并列配置。上述封裝體具有用于使紅外線射入上述紅外線受光部的窗孔。上述光學(xué)濾波器以封閉上述窗孔的方式與上述封裝體接合，且具有分別與上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件對(duì)應(yīng)的多個(gè)濾波器要素部。上述各濾波器要素部具備由使紅外線透過的材料形成的濾波基板、以選擇性地使規(guī)定的選擇波長的紅外線透過的方式構(gòu)成的透過濾波器、以及以吸收波長比上述透過濾波器的上述選擇波長更長的紅外線的方式構(gòu)成的遮斷濾波器。上述透過濾波器及上述遮斷濾波器分別形成在上述濾波基板上。 上述濾波基板與上述封裝體熱結(jié)合。上述各濾波器要素部中，上述透過濾波器的上述選擇波長相互不同。在優(yōu)選的方式中，上述紅外線受光部具有一對(duì)上述熱型紅外線檢測元件。上述熱型紅外線檢測元件是熱電元件或者熱電堆。上述一對(duì)熱型紅外線檢測元件反向串聯(lián)或者反向并聯(lián)連接。在更優(yōu)選的方式中，具備對(duì)上述紅外線受光部的輸出進(jìn)行放大的放大電路。上述放大電路被收納在上述封裝體內(nèi)。在其他優(yōu)選的方式中，紅外線式氣體檢測器具備放大電路。上述紅外線受光部具有一對(duì)上述熱型紅外線檢測元件。上述熱型紅外線檢測元件是熱電元件或者熱電堆。上述放大電路是對(duì)上述一對(duì)熱型紅外線檢測元件各自輸出的差進(jìn)行放大的差動(dòng)放大電路。在其他優(yōu)選的方式中，上述濾波基板由Si基板或Ge基板形成。在更優(yōu)選的方式中，上述封裝體具備防止電磁波進(jìn)入上述封裝體內(nèi)部的金屬制的屏蔽部。上述濾波基板與上述屏蔽部電連接。在其他優(yōu)選的方式中，上述濾波基板具有朝向上述封裝體內(nèi)側(cè)的第一表面和朝向上述封裝體外側(cè)的第二表面。上述透過濾波器形成在上述濾波基板的上述第一表面。上述遮斷濾波器形成在上述濾波基板的上述第二表面。在其他優(yōu)選的方式中，上述各濾波器要素部的上述濾波基板相互一體地形成。在其他優(yōu)選的方式中，上述透過濾波器具備第一 λ/4多層膜、第二 λ/4多層膜、 以及介于上述第一 λ/4多層膜和上述第二 λ/4多層膜之間的波長選擇層。上述第一 λ/4 多層膜以及上述第二 λ/4多層膜通過分別層疊折射率相互不同的、且光學(xué)膜厚相等的多種薄膜而形成。上述波長選擇層的光學(xué)膜厚根據(jù)上述透過濾波器的上述選擇波長設(shè)定為與上述薄膜的光學(xué)膜厚不同的大小。上述遮斷濾波器是通過層疊折射率相互不同的多種薄膜而形成的多層膜。上述多種薄膜中的至少1種是利用吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料而形成。本發(fā)明所涉及的紅外線式氣體測量裝置具備將紅外線放射到規(guī)定的空間的紅外光源、對(duì)通過上述規(guī)定的空間的紅外線進(jìn)行接受的紅外線式氣體檢測器。上述紅外線式氣體檢測器具備紅外線受光部、收納上述紅外線受光部的封裝體以及光學(xué)濾波器。上述紅外線受光部具有利用熱來檢測紅外線的多個(gè)熱型紅外線檢測元件。上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件并列配置。上述封裝體具有用于使紅外線射入上述紅外線受光部的窗孔。上述光學(xué)濾波器以封閉上述窗孔的方式與上述封裝體接合、且具有分別與上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件對(duì)應(yīng)的多個(gè)濾波器要素部。上述各濾波器要素部具備利用使紅外線透過的材料而形成的濾波基板、以選擇性地使規(guī)定的選擇波長的紅外線透過的方式構(gòu)成的透過濾波器、以及以吸收波長比上述透過濾波器的上述選擇波長更長的紅外線的方式構(gòu)成的遮斷濾波器。上述透過濾波器以及上述遮斷濾波器分別形成在上述濾波基板上。上述濾波基板與上述封裝體熱結(jié)合。上述各濾波器要素部中，上述透過濾波器的上述選擇波長相互不同。在優(yōu)選的方式中，具備以上述紅外光源間歇地放射紅外線的方式驅(qū)動(dòng)上述紅外光源的驅(qū)動(dòng)電路。在更優(yōu)選的方式中，上述紅外光源具備基板、形成在上述基板上的保持層、層疊在上述保持層上的紅外線放射層、以及介于上述基板和上述保持層之間的氣體層。上述紅外線放射層以利用伴隨通電而產(chǎn)生的熱來放射紅外線的方式構(gòu)成。上述氣體層構(gòu)成為，在上述紅外線放射層通電時(shí)，抑制上述保持層的溫度降低，在上述紅外線放射層不通電時(shí)，促進(jìn)從上述保持層向上述基板的熱傳遞。在更優(yōu)選的方式中，施加到上述紅外線放射層的電壓為頻率f (Hz)的正弦波電壓，上述氣體層的熱傳導(dǎo)率為ag〔W/mK〕，上述氣體層的體積熱容為Cg〔J/πΛθ時(shí)，按將上述氣體層的厚度 Lg 滿足 0.05XLg' <Lg< 3XLg'(其中，Lg' = (2 α g/ωCg)1/2, ω =
的關(guān)系進(jìn)行設(shè)定。在更優(yōu)選的方式中，上述保持層的熱傳導(dǎo)率比上述基板小。上述保持層構(gòu)成為， 通過吸收在通電的上述紅外線放射層中產(chǎn)生的熱，或反射從上述紅外線放射層放射的紅外線，而產(chǎn)生從上述保持層向上述紅外線放射層的紅外線。上述紅外線放射層以使上述保持層產(chǎn)生的紅外線透過的方式構(gòu)成。


圖1表示實(shí)施方式1的紅外線式氣體檢測器，(a)是示意俯視圖，(b)是概略剖面圖。圖2是上述的紅外線式氣體檢測器的示意分解立體圖。圖3表示上述的紅外線式氣體檢測器中的紅外線受光元件，(a)是示意俯視圖， (b)是電路圖，(c)是其他的結(jié)構(gòu)例的電路圖。圖4是上述的紅外線式氣體檢測器的光學(xué)濾波器的概略剖面圖。圖5是上述的光學(xué)濾波器中的設(shè)定波長與反射頻帶之間的關(guān)系說明圖。圖6是用于說明上述的光學(xué)濾波器的反射帶寬的折射率周期構(gòu)造的透過光譜圖。圖7是上述的折射率周期構(gòu)造中的低折射率材料的折射率和反射帶寬之間的關(guān)系說明圖。圖8是表示上述的光學(xué)濾波器的濾波器主體部的基本結(jié)構(gòu)的概略剖面圖。圖9是上述的基本結(jié)構(gòu)的特性說明圖。圖10是上述的基本結(jié)構(gòu)的特性說明圖。圖11是上述的光學(xué)濾波器中的利用遠(yuǎn)紅外線吸收材料而形成的薄膜的透過光譜圖。圖12是用于說明上述的光學(xué)濾波器的制造方法的主要工序剖面圖。圖13是上述的光學(xué)濾波器的由2個(gè)透過濾波器構(gòu)成的部分的透過光譜圖。圖14是表示利用FT-IR(傅立葉變換紅外分光法)對(duì)使用上述的離子束輔助蒸鍍裝置而形成的薄膜的膜質(zhì)進(jìn)行分析的結(jié)果的圖。圖15的(a)是在Si基板上形成膜厚為1 μ m的Al2O3膜的參考例的透過光譜圖， (b)是基于(a)的透過光譜圖而計(jì)算出的Al2O3膜的光學(xué)參數(shù)(折射率、吸收系數(shù))的說明圖。圖16是上述的光學(xué)濾波器的透過光譜圖。圖17是上述的光學(xué)濾波器的遮斷濾波器的透過光譜圖。圖18是具備上述的紅外線式氣體檢測器的紅外線式氣體測量裝置的示意結(jié)構(gòu)圖。圖19是物體的溫度和放射能量之間的關(guān)系說明圖。
圖20表示紅外光源的其他的結(jié)構(gòu)例，(a)是概略剖面圖，(b)是主要部分概略剖面圖。圖21是紅外光源的輸出的說明圖。圖22是上述的光學(xué)濾波器的說明圖。圖23是上述的紅外線受光元件的輸出的說明圖。圖M表示上述的紅外線式氣體檢測器中的紅外線受光元件的其他的結(jié)構(gòu)例，(a) 是示意俯視圖，(b)是電路圖，(c)是其他的結(jié)構(gòu)例的電路圖。圖25是Si的透過特性的說明圖。圖沈是Ge的透過特性的說明圖。圖27表示上述的紅外線式氣體檢測器中的熱型紅外線檢測元件的其他的結(jié)構(gòu)例，(a)是主要部分示意俯視圖，(b)是概略剖面圖。圖觀表示上述的紅外線式氣體檢測器中的紅外線受光元件的其他的結(jié)構(gòu)例，(a) 是示意俯視圖，(b)是電路圖。圖四是氣體的濃度和透過率之間的關(guān)系說明圖。圖30是表示實(shí)施方式2的全體結(jié)構(gòu)的示意結(jié)構(gòu)圖。圖31是用于上述的紅外線式氣體檢測器的透過濾波器的剖面圖。圖32是用于上述的紅外線式氣體檢測器的透過濾波器和遮斷濾波器的特性圖。圖33是表示用于上述的紅外線式氣體檢測器的放射元件的一例的剖面圖。圖34是用于上述的紅外線式氣體檢測器的放射元件的動(dòng)作的說明圖。圖35是表示上述的放射元件的保持層的溫度特性的圖。圖36的(a)表示施加在放射元件的電極間的驅(qū)動(dòng)電壓的波形，(b)表示紅外線放射層的溫度變化，(c)表示放射元件的第一比較例的紅外線放射層的溫度變化，(d)表示放射元件的第二比較例的紅外線放射層的溫度變化。圖37是上述的放射元件的第一變形例的剖面概略圖。圖38是上述的放射元件的第一變形例的俯視圖。圖39是上述的放射元件的第一變形例的制造方法的說明圖。圖40是表示在上述的放射元件的第一變形例中不具有第二雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域的情況的概略圖。圖41是表示上述的放射元件的第一變形例的其他例的剖面圖。圖42是上述的放射元件的第二變形例的俯視圖。圖43是上述的放射元件的第三變形例的制造方法的說明圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施方式1)如圖1以及圖2所示，本實(shí)施方式的紅外線式氣體檢測器(紅外線受光單元)具備，設(shè)有具有多個(gè)(此處為2個(gè))熱電元件4p42的紅外線受光元件(紅外線受光部)40以及對(duì)紅外線受光元件40的輸出進(jìn)行信號(hào)處理的信號(hào)處理電路的電路模塊6和由收納電路模塊6的罐封裝體構(gòu)成的封裝體7。此外，在本實(shí)施方式中，熱電元件4”42是利用熱來檢測紅外線的熱型紅外線檢測元件。
封裝體7由金屬制的管座71和金屬制的頂蓋72構(gòu)成。在管座71上隔著由絕緣材料構(gòu)成的隔離墊9安裝有電路模塊6。頂蓋72以覆蓋電路模塊6的方式固定在管座71上。 在管座71上按貫通管座71的方式設(shè)置有與電路模塊6的適當(dāng)?shù)牟课浑娺B接的多根(此處為3根)端子銷75。管座71形成為圓盤狀，頂蓋72形成為背面開放的有底圓筒狀的形狀。 頂蓋72的背面被管座71封閉。此外，隔離墊9是使用粘合劑固定于電路模塊6以及管座 71。頂蓋72構(gòu)成封裝體7的一部分。頂蓋72具有位于紅外線受光元件40的前方的前壁。在頂蓋72的前壁形成有矩形狀(在本實(shí)施方式中為正方形)的窗孔7a。窗孔7a用于使紅外線射入紅外線受光元件40。在頂蓋72的內(nèi)側(cè)以覆蓋窗孔7a的方式安裝有紅外線光學(xué)濾波器(光學(xué)濾波器)20?？傊?，光學(xué)濾波器20位于紅外線受光元件40的前方，按封閉封裝體7的窗孔7a的方式與封裝體7接合。另外，在管座71上沿厚度方向貫通設(shè)置有分別插通上述各端子銷75的多個(gè)端子用孔71b。各端子銷75按插通于端子用孔71b的方式，利用封止部74被封裝在管座71。頂蓋72以及管座71由鋼板形成。將從頂蓋72的后端緣向外側(cè)延伸地配置的外凸緣部72c焊接在形成于管座71的圓周部的凸緣部71c上，從而將頂蓋72封裝在管座71 上。電路模塊6由第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、第二電路基板67構(gòu)成。第一電路基板62為上述的信號(hào)處理電路的構(gòu)成要素的集成電路63以及芯片狀的電子部件64 被安裝在相互不同的面的印刷布線板(例如，復(fù)合覆銅箔層壓板等)。樹脂層65層疊在第一電路基板62中的電子部件64的安裝面上。屏蔽板66具有由玻璃鋼等構(gòu)成的絕緣性基材和由形成于絕緣性基材的表面的金屬材料(例如銅等)構(gòu)成的金屬層(以下，稱為屏蔽層)。屏蔽板66層疊在樹脂層65上。第二電路基板67是印刷布線板(例如，復(fù)合覆銅箔層壓板)。在第二電路基板67上安裝有紅外線受光元件40。第二電路基板67層疊在屏蔽板66上。此外，也可以僅由銅箔、金屬板形成屏蔽層來代替屏蔽板66。集成電路63倒裝(Flip chip)安裝在第一電路基板62的第一面(圖2中的下表面)。多個(gè)電子部件64通過回流焊接安裝在第一電路基板62的第二面(圖2中的上表面)°紅外線受光元件40具有極性相互不同的一對(duì)熱電元件4p42，與由熱電材料(例如，鉭酸鋰等)構(gòu)成的熱電元件形成用基板41。一對(duì)熱電元件4p42并列配置在熱電元件形成用基板41上。紅外線受光元件40是以得到2個(gè)熱電元件U2的差動(dòng)輸出的方式將 2個(gè)熱電元件4p42反向串聯(lián)連接的雙元件(參照?qǐng)D3(b))。集成電路63具有對(duì)紅外線受光元件40的規(guī)定頻帶(例如，0. 1 IOHz左右)的輸出進(jìn)行放大的放大電路(帶通放大器)63a(參照?qǐng)D18)和該放大電路63a的后級(jí)的窗口比較器等。本實(shí)施方式中的電路模塊6具備屏蔽板66，所以能夠防止因紅外線受光元件40與上述放大電路的電容耦合等所致的振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。另外，紅外線受光元件40只要以能夠得到一對(duì)熱電元件4”42的差動(dòng)輸出的方式構(gòu)成即可。因此，如圖3(c)所示，一對(duì)熱電元件 4p42例如也可以反向并聯(lián)連接。在第二電路基板67沿厚度方向貫通設(shè)置有用于對(duì)熱電元件I、42與第二電路基板67進(jìn)行熱絕緣的熱絕緣用孔67a。因此，在熱電元件U2與屏蔽板66之間形成有空隙，靈敏度變高。此外，代替在第二電路基板67貫通設(shè)置熱絕緣用孔67，也可以在第二電路基板 67，按在熱電元件U2與第二電路基板67之間形成空隙的方式突設(shè)支承紅外線受光元件 40的支承部。在第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、第二電路基板67沿厚度方向分別貫通設(shè)置有用于端子銷75插入并通過的貫通孔62b、65b、66b、67b。紅外線受光元件40和上述信號(hào)處理電路經(jīng)由端子銷75電連接。此外，如果在層疊第一電路基板62、樹脂層65、屏蔽板66、第二電路基板67后形成沿電路模塊6的厚度方向貫通的貫通孔，則可以利用1次開孔加工形成貫通孔62b、65b、66b、67b。采用這樣的部件內(nèi)置基板法，可以實(shí)現(xiàn)制造工序的簡單化，且易于進(jìn)行電路模塊6內(nèi)的電連接。3根端子銷75中的1根為供電用的端子銷75(75a)、另1根為信號(hào)輸出用的端子銷75(7 )，剩余的1根為接地用的端子銷75 (75c)。屏蔽板66的屏蔽層與接地用的端子銷75c電連接。此處，將端子銷75a、7^封裝于管座71的封止部74、74(74a、74b)由具有絕緣性的封裝用玻璃形成。將端子銷75c封裝于管座71的封止部74(7 )由金屬材料形成。總之，將端子銷75a、7^與管座71電絕緣，而使端子銷75c與管座71成為同電位。因此，屏蔽板66的電位設(shè)定為接地電位。此外，屏蔽板66的電位只要是能夠起到屏蔽功能的特定電位，也可以是接地電位以外的電位。此外，在本實(shí)施方式中，頂蓋72和管座71構(gòu)成遮斷來自外部的電磁波的屏蔽部?？傊诒緦?shí)施方式中，封裝體7具備防止電磁波進(jìn)入封裝體7的內(nèi)部的金屬制的屏蔽部。在本實(shí)施方式的紅外線式氣體檢測器的制造時(shí)，首先，將搭載有紅外線受光元件 40的電路模塊6隔著隔離墊9安裝在管座71。其后，將按用紅外線光學(xué)濾波器20封閉窗孔7a的方式固定了紅外線光學(xué)濾波器20后的頂蓋72的外凸緣部72c焊接在管座71的凸緣部71c，對(duì)封裝體7內(nèi)進(jìn)行封止。此處，為了防止因濕度等的影響引起的紅外線受光元件 40的特性變化，在封裝體7內(nèi)封入干燥的氮?dú)?。此外，本?shí)施方式中的封裝體7是罐封裝體 (can package)，所以能夠提高對(duì)外來噪聲的屏蔽效果，另外，能夠提高氣密性，因而能夠提高耐老化性。但是，封裝體7也可以是設(shè)置有由金屬層構(gòu)成的屏蔽層作為屏蔽部而具有屏蔽效果的陶瓷封裝體。光學(xué)濾波器20具有濾波器主體部20a和凸緣部20b。濾波器主體部20a具備濾波器形成用基板(濾波基板)1、窄頻帶透過濾波器部(透過濾波器)2Qi、22)和寬頻帶遮斷濾波器部(遮斷濾波器)3。凸緣部20b從濾波器主體部20a的圓周部(濾波基板1的圓周部)向外側(cè)延設(shè)。凸緣部20b利用接合部58固定在頂蓋72中的窗孔7a的圓周部。因此， 濾波基板1與封裝體7進(jìn)行熱結(jié)合。此外，為了使光學(xué)濾波器20與頂蓋72進(jìn)行良好地?zé)峤Y(jié)合，所以作為接合部58，使用熱傳導(dǎo)性高的粘合劑，例如銀膏(含有金屬性填料的環(huán)氧樹脂)、或焊膏等。濾波器部20a的俯視形狀為矩形狀(在本實(shí)施方式中為正方形)，凸緣部 20b的外周形狀為矩形狀(在本實(shí)施方式中為正方形)。此外，在本實(shí)施方式中，將濾波器主體部20a的平面形狀制成數(shù)mm見方的正方形，但濾波器主體部20a的平面形狀和尺寸沒有特別限定。如圖4所示，光學(xué)濾波器20(濾波器主體部20a)具備由紅外線透過材料(例如，Si 等)形成的濾波基板1、以選擇性地使規(guī)定的選擇波長的紅外線透過的方式構(gòu)成的一對(duì)透過濾波器&、22，以對(duì)波長比任一個(gè)透過濾波器2^ 的選擇波長更長的紅外線進(jìn)行吸收的方式構(gòu)成的遮斷濾波器3。透過濾波器Ad2以及遮斷濾波器3分別形成在濾波基板1上。 一對(duì)透過濾波器^d2以分別與各熱電元件41、42對(duì)應(yīng)的方式形成在濾波基板1的第一表面(圖4中的上表面)上。一對(duì)透過濾波器Ad2具有相互不同的選擇波長。遮斷濾波器 3形成在濾波基板1的第二表面(圖4中的下表面)。遮斷濾波器3吸收波長比通過各透過濾波器4、22設(shè)定的紅外線的反射頻帶更長的紅外線。換言之，遮斷濾波器3吸收波長比各透過濾波器^d2的選擇波長更長的超過規(guī)定波長的紅外線。此外，在本實(shí)施方式中，由一個(gè)透過濾波器部^、在濾波基板1與透過濾波器部^重疊的部位、在遮斷濾波器3與透過濾波器部^重疊的部位構(gòu)成一個(gè)濾波器要素部，另外，由另一個(gè)透過濾波器4、在濾波基板1與透過濾波器部22重疊的部位、在遮斷濾波器3與透過濾波器22重疊的部位構(gòu)成另一個(gè)濾波器要素部。即，在本實(shí)施方式中，多個(gè)濾波器要素部共用濾波器形成用基板1。換言之，各濾波器要素部的濾波基板1相互一體地形成。透過濾波器&具備第一 λ/4多層膜(第一多層膜)21、第二 λ/4多層膜(第二多層膜)22、介于第一多層膜21和第二多層膜22之間的波長選擇層23(23)。透過濾波器 22具備第一多層膜21、第二多層膜22、介于第一多層膜21和第二多層膜22之間的波長選擇層23 032)。第一多層膜21以及第二多層膜22是分別交替地層疊折射率相互不同的、且光學(xué)膜厚相同的多種(此處為2種)薄膜21b、21a而形成的。第一多層膜21形成在濾波基板1的第一表面上。第二多層膜22形成在第一多層膜21上。即，第二多層膜22形成在第一多層膜21的與濾波基板1側(cè)相反的一側(cè)。波長選擇層23^2 的光學(xué)膜厚根據(jù)透過濾波器Ad2的選擇波長而設(shè)定為與薄膜21a、21b的光學(xué)膜厚不同的大小。此外，各薄膜21a、 21b的光學(xué)膜厚的偏差允許范圍為士左右，物理膜厚偏差的允許范圍根據(jù)該光學(xué)膜厚的偏差來決定。薄膜21b是折射率比薄膜21a低的低折射率層。薄膜21b的材料(低折射率材料) 是吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料的一種、即Al2O315薄膜21a是折射率比薄膜21b高的高折射率層。薄膜21a的材料(高折射率材料)為Ge。波長選擇層23工的材料與波長選擇層23i正下的第一多層膜21的上面開始的第二個(gè)薄膜21b的材料相同。波長選擇層2 的材料與波長選擇層2 正下的第一多層膜21的上面開始的第二個(gè)薄膜21a的材料相同。第二多層膜22中離濾波基板1最遠(yuǎn)的薄膜21b、21b由上述的低折射率材料形成。此處，作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料并不局限于Al2O3，也可以采用Al2O3以外的氧化物、即3102或1^205。SiO2 的折射率比Al2O3的折射率小，所以能夠增大高折射率材料和低折射率材料的折射率差。然而，例如作為有可能在住宅內(nèi)等產(chǎn)生的各種氣體，有CH4(甲烷)、S03(三氧化硫)、C02 (二氧化碳)、C0 (—氧化碳)、N0 (—氧化氮)。用于檢測(sensing)氣體的特定波長(吸收波長)根據(jù)氣體的種類而決定。例如，CH4 (甲烷)的特定波長為3.3 μ m，SO3 (三氧化硫)的特定波長為4. 0 μ m，CO2 ( 二氧化碳)的特定波長為4. 3 μ m，CO ( —氧化碳)的特定波長為4.7 μ m，NO (—氧化氮)的特定波長為5.3 μ m。為了選擇性地檢測此處列舉的全部的特定波長，需要在3. 1 μ m 5. 5 μ m左右的紅外區(qū)域具有反射頻帶。另外，需要2. 4 μ m 以上的反射帶寬△ λ。此外，對(duì)于反射頻帶而言，如果將相當(dāng)于各薄膜21a、21b所共用的光學(xué)膜厚4倍的設(shè)定波長設(shè)為λ…則如圖5所示，將射入光的波長的倒數(shù)、即波數(shù)作為橫軸， 將透過率作為縱軸的透過光譜圖中，以1/λ ^為中心對(duì)稱。
在本實(shí)施方式中，將第一多層膜21以及第二多層膜22的設(shè)定波長λ ^設(shè)為4. 0 μ m 以使得通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定波長選擇層23^2 的各光學(xué)膜厚能夠進(jìn)行上述各種氣體的檢測。 另外，如果將高折射率材料的折射率設(shè)為nH，則薄膜21a的物理膜厚為λ 0/4ηΗΟ如果將低折射率材料的折射率設(shè)為Ik，則薄膜21b的物理膜厚為Xtl7^rv具體而言，高折射率材料為 Ge時(shí)，nH = 4. 0，所以薄膜21a的物理膜厚為250nm。低折射率材料為Al2O3時(shí)，nL = 1. 7， 所以薄膜21b的物理膜厚為588nm。圖6表示透過光譜的模擬結(jié)果。在模擬中，分別假定濾波基板1為Si基板，交替層疊薄膜21b和薄膜21a而成的λ/4多層膜(折射率周期構(gòu)造)的層疊數(shù)為21，在各薄膜 21a、21b中的沒有被吸收(換言之，各薄膜21a、21b的消光系數(shù)為0)。另外，設(shè)定波長X0 為 4 μ m0在圖6中，橫軸表示射入光(紅外線)的波長，縱軸表示透過率。圖6中的SlO表示高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)、低折射率材料為Al2O3Ok = 1. 7)時(shí)的透過光譜。圖6中的Sll表示高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)、低折射率材料為SiO2Ok = 1. 5)時(shí)的透過光譜。 圖6中的S12表示高折射率材料為Ge(nH = 4. 0)、低折射率材料為SiSO^ = 2. 3)時(shí)的透過光譜。圖7表示對(duì)將高折射率材料設(shè)為Ge，使低折射率材料的折射率發(fā)生變化時(shí)的λ /4 多層膜(折射率周期構(gòu)造)的反射帶寬Δ λ進(jìn)行模擬得到的結(jié)果。其中，圖7中的S10、 S11、S12分別與圖6中的S10、S11、S12的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。從圖6以及圖7可知，隨著高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差增大， 反射帶寬Δ λ增大。另外，高折射率材料為Ge時(shí)，通過采用Al2O3或SiOJt為低折射率材料，至少能夠確保3. 1 μ m 5. 5 μ m的紅外區(qū)域的反射頻帶，并且，能夠使反射帶寬Δ λ為 2. 4μ 以上。圖9以及圖10表示使用圖8所示的構(gòu)成進(jìn)行的透過光譜的模擬結(jié)果。圖8所示的構(gòu)成中，第一多層膜21的層疊數(shù)為4，第二多層膜22的層疊數(shù)為6。另外，薄膜21a的高折射率材料為Ge，薄膜21b的低折射率材料為Al2O3，波長選擇層23的材料為低折射率材料Al2O315在該模擬中，在Onm ieOOnm的范圍內(nèi)使波長選擇層23的光學(xué)膜厚變化。圖8 中的箭頭Al表示射入光，箭頭A2表示透過光，箭頭A3表示反射光。另外，將該波長選擇層 23的材料的折射率設(shè)為n，將該波長選擇層23的物理膜厚設(shè)為d時(shí)，則波長選擇層23的光學(xué)膜厚通過折射率η和物理膜厚d之積、即η d而求得。此外，在該模擬中，假定在各薄膜 21a、21b中沒有吸收(換言之，各薄膜21a、21b的消光系數(shù)為0)。另外，將設(shè)定波長λ ^設(shè)為4μ m，將薄膜21a的物理膜厚設(shè)為250nm，將薄膜21b的物理膜厚設(shè)為588nm。從圖9以及圖10可知，因第一多層膜21以及第二多層膜22，在3μπι 6μπι的紅外區(qū)域形成反射頻帶。并且可知，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定波長選擇層23的光學(xué)膜厚nd，在3 μ m 6ym的反射頻帶中局部存在窄頻帶的透過頻帶。具體而言，通過使波長選擇層23的光學(xué)膜厚nd在Onm 1600nm的范圍內(nèi)變化，能夠使透過峰波長在3. 1 μ m 5. 5 μ m的范圍內(nèi)連續(xù)地變化。更具體而言，如果使波長選擇層23的光學(xué)膜厚nd變化為1390nm、0nm、95nm、 235nm、495nm，則透過峰波長分別為 3. 3 μ m、4. 0 μ m、4. 3 μ m、4. 7 μ m、5. 3 μ m。因此，不改變第一多層膜21以及第二多層膜22的設(shè)計(jì)，而僅適當(dāng)?shù)馗淖儾ㄩL選擇層23的光學(xué)膜厚nd的設(shè)計(jì)，就能夠進(jìn)行特定波長為3. 3 μ m的CH4、特定波長為4. 0 μ m的SO3、特定波長為4. 3 μ m的CO2、特定波長為4. 7 μ m的CO、特定波長為5· 3 μ m的NO等各種氣體，或特定波長為4. 3 μ m的火焰的檢測。此外，光學(xué)膜厚nd的Onm 1600nm的范圍相當(dāng)于物理膜厚d的Onm 941nm的范圍。另外，波長選擇層23的光學(xué)膜厚nd為Onm時(shí)、即在圖9中沒有波長選擇層23時(shí)的透過峰波長為4000nm是因?yàn)閷⒌谝欢鄬幽?1以及第二多層膜22的設(shè)定波長λ Q設(shè)定為4 μ m(4000nm)。通過適當(dāng)?shù)刈兓谝欢鄬幽?1以及第二多層膜22的設(shè)定波長λ。，能夠使沒有波長選擇層M時(shí)的透過峰波長發(fā)生變化。在上述的例中，作為低折射率材料，采用吸收與利用第一多層膜21以及第二多層膜22設(shè)定的紅外線的反射頻帶(換言之，利用透過濾波器4、22設(shè)定的紅外線的反射頻帶)相比更長波長區(qū)域的紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料、即αι2Ο3。作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料，對(duì) MgF2, A1203、SiOx, Ta2O5, SiNx 這 5 種進(jìn)行了研究。圖 11 表示分別對(duì) MgF2 膜、Al2O3 膜、SiOx 膜、Tii2O5膜、SiNx膜的透過光譜進(jìn)行測量的結(jié)果。此處，MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Tii2O5膜、 SiNx膜的膜厚分別為1 μ m。下述的表1表示分別將MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Tii2O5膜、SiNx 膜在Si基板上成膜時(shí)的成膜條件。使用離子束輔助蒸鍍裝置作為MgF2膜、Al2O3膜、SiOx 膜、Ta2O5膜、SiNx膜的成膜裝置。[表 1]
^一^—一MgF2A 1 ,O3S i OxTa2O5S 3Ν4折射率1. 381. 681, 702. 102. 30成膜條件共同條件基板Si基板、膜厚Ιμιη蒸銷基板溫度2 5 O0C二速率5A/secIB條件無IB 氧IB無IB氧 IB !ArIE表1中的“IB條件”表示在離子束輔助蒸鍍裝置中成膜時(shí)的離子束輔助的條件。 “無IB”表示沒有離子束的照射，“氧IB”表示氧離子束的照射，“ArIB”表示氬離子束的照射。另外，圖11中，橫軸表示波長，縱軸表示透過率。圖11中的S20表示Al2O3膜的透過光譜，S21表示Tii2O5膜的透過光譜，S22表示SiOx膜的透過光譜，S23表示SiNx膜的透過光譜，S24表示MgF2膜的透過光譜。另外，下述表2表示針對(duì)上述的MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Tei2O5膜、SiNx膜、將“光學(xué)特性吸收”、“折射率”、“成膜容易性”作為評(píng)價(jià)項(xiàng)目，做研究的結(jié)果。[表2]
MgFaA 1 203S i O51Ta 2OsS i 3Ν4光學(xué)特性吸收X〇厶OΔ折射率◎OOΔ厶成膜容易性Δ◎ΔOΔ 針對(duì)“光學(xué)特性吸收”的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，通過由圖11的透過光譜計(jì)算得到的6 μ m以上的遠(yuǎn)紅外線的吸收率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。表2中，針對(duì)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目，均按從評(píng)價(jià)高的等級(jí)到低的等級(jí)的順序記載了“ ◎(很好)”，“〇(好)”，“Δ (一般)”，“Χ(不良)”。針對(duì)“光學(xué)特性 吸收”的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，遠(yuǎn)紅外線的吸收率越高，評(píng)價(jià)的等級(jí)越高，遠(yuǎn)紅外線的吸收率越低，評(píng)價(jià)的等級(jí)越低。針對(duì)“折射率”的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，從增大與高折射率材料的折射率差的觀點(diǎn)考慮， 折射率越低，評(píng)價(jià)的等級(jí)越高，折射率越高，評(píng)價(jià)的等級(jí)越低。針對(duì)“成膜容易性”的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，通過蒸鍍法或?yàn)R鍍法，越易于得到致密的膜，評(píng)價(jià)的等級(jí)越高，越難以得到致密的膜，評(píng)價(jià)的等級(jí)越低。只是，針對(duì)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目，是將SiOx設(shè)為SiO2，將SiNx設(shè)為Si3N4進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果。從表2可得出以下結(jié)論，關(guān)于MgF2、A1203、SiOx, Ta2O5, SiNx這5種，“成膜容易性” 的評(píng)價(jià)項(xiàng)目沒有明顯的差別，著眼于“光學(xué)特性吸收”以及“折射率”的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，其結(jié)果作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料，優(yōu)選采用A1203、SiOx, Ta2O5, SiNx中的任一種。此處，采用Al2O3或 T2O5作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料的情況與遠(yuǎn)紅外線吸收材料為SiOx、SiNx的情況相比較，能夠提高遠(yuǎn)紅外線的吸收性。但是，從增大與高折射率材料的折射率差的觀點(diǎn)考慮，與T2O5相比， 優(yōu)選Al2O315另外，在采用SiNx作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料的情況下，能夠提高由遠(yuǎn)紅外線吸收材料形成的薄膜21b的耐濕性。另外，如果采用SiOx作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料，則能夠增大與高折射率材料的折射率差，實(shí)現(xiàn)第一 λ /4多層膜21以及第二 λ /4多層膜22的層疊數(shù)的減少。以下，邊參照?qǐng)D12邊對(duì)透過濾波器2^ 的制造方法進(jìn)行說明。首先，進(jìn)行第一多層膜形成工序。第一多層膜形成工序中，在由Si基板構(gòu)成的濾波基板1的第一表面的整面，通過交替層疊由作為低折射率材料的Al2O3構(gòu)成的規(guī)定物理膜厚(此處為588nm)的薄膜21b和由作為高折射率材料的Ge構(gòu)成的規(guī)定物理膜厚(此處為 250nm)的薄膜21a，從而形成第一多層膜21。在該第一多層膜形成工序之后，進(jìn)行波長選擇層形成工序。波長選擇層形成工序中，在第一多層膜21的表面的整面，對(duì)由與位于從第一多層膜21的上面開始的第二位的薄膜21b相同的材料(此處是作為低折射率材料的Al2O3) 構(gòu)成的且根據(jù)一個(gè)透過濾波器^的選擇波長來設(shè)定光學(xué)膜厚的波長選擇層23i進(jìn)行成膜。 由此，得到圖12(a)所示的構(gòu)造。此外，作為各薄膜21b、21a以及波長選擇層23工的成膜方法，例如，可以采用蒸鍍法、濺鍍法等。此時(shí)，能夠連續(xù)地對(duì)2種薄膜21b、21a進(jìn)行成膜。如上所述，低折射率材料為Al2O3時(shí)，優(yōu)選采用離子束輔助蒸鍍法，在薄膜21b的成膜時(shí)照射氧離子束，從而提高薄膜21b的致密性。另外，作為低折射率材料，也可以采用Al2O3以外的遠(yuǎn)紅外線吸收材料、即SiOx、T2O5, SiNx。總之，在由遠(yuǎn)紅外線吸收材料構(gòu)成的薄膜21b的成膜時(shí)，優(yōu)選采用離子束輔助蒸鍍法。此時(shí)，能夠精密控制由低折射率材料構(gòu)成的薄膜21b的化學(xué)的組成，并且，能夠提高薄膜21b的致密性。在波長選擇層成膜工序后，進(jìn)行抗蝕層形成工序。在抗蝕層形成工序中，利用光刻技術(shù)，形成僅覆蓋與透過濾波器A對(duì)應(yīng)的部位的抗蝕層31。因此，得到圖12(b)所示的構(gòu)造。其后，進(jìn)行波長選擇層圖案化工序。波長選擇層圖案化工序中，將抗蝕層31作為掩模，將第一多層膜21的最上面的薄膜21a作為蝕刻阻擋層，選擇性地對(duì)波長選擇層23i的無用部分進(jìn)行蝕刻。因此，得到圖12(c)所示的構(gòu)造。此處，波長選擇層圖案化工序中，如上述那樣，如果低折射率材料為氧化物(Al2O3),高折射率材料為半導(dǎo)體材料(Ge)，則通過采用使用氟酸系溶液作為蝕刻液的濕式蝕刻，與采用干式蝕刻的情況相比較，能夠進(jìn)行蝕刻選擇比高的蝕亥lj。這是由于Al203、Si02這樣的氧化物易于溶解于氟酸系溶液，而Ge非常難溶于氟酸系溶液。舉出一個(gè)例子，如果使用由氟酸(HF)和純水(H2O)的混合液構(gòu)成的稀氟酸(例如，氟酸的濃度為2%的稀氟酸)作為氟酸系溶液進(jìn)行濕式蝕刻，則Al2O3的蝕刻速率為300nm/min左右，Al2O3和Ge的蝕刻速率比為500 1左右。因此，能夠進(jìn)行蝕刻選擇比較高的蝕刻。在波長選擇層圖案化工序后，進(jìn)行抗蝕層除去工序?？刮g層除去工序中，通過除去抗蝕層31，得到圖12(d)所示的構(gòu)造。在抗蝕層除去工序后，進(jìn)行第二多層膜形成工序。在第二多層膜形成工序中，在波長選擇層23表面的整面，交替層疊由作為高折射率材料的Ge構(gòu)成的規(guī)定物理膜厚O50nm) 的薄膜21a和由作為低折射率材料的Al2O3構(gòu)成的規(guī)定物理膜厚(588nm)的薄膜21b，從而形成第二多層膜22。由此，得到圖12(e)所示的構(gòu)造。此處，通過進(jìn)行第二多層膜形成工序，在與透過濾波器4對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，在第一多層膜21的最上層的薄膜21a上直接層疊第二多層膜22的最下層的薄膜21a。由此，第一多層膜21的最上層的薄膜21a和第二多層膜22的最下層的薄膜21a構(gòu)成透過濾波器22的波長選擇層232。該透過濾波器22的透過光譜相當(dāng)于圖10的模擬結(jié)果中的光學(xué)膜厚nd為Onm的情況。此外，如果作為各薄膜21a、 21b的成膜方法，例如采用蒸鍍法、濺鍍法等，則能夠連續(xù)地對(duì)2種薄膜21a、21b進(jìn)行成膜。 在低折射率材料為Al2O3的情況下，優(yōu)選采用離子束輔助蒸鍍法，在薄膜21b的成膜時(shí)照射氧離子束，從而提高薄膜21b的致密性。總之，在透過濾波器A、4的制造時(shí)，在濾波基板1的第一表面對(duì)折射率不同的、且光學(xué)膜厚相等的多種(此處為2種)薄膜21b、21a進(jìn)行層疊的基本工序的中途，進(jìn)行1次波長選擇層形成工序。因此，形成多個(gè)透過濾波器部^、22。波長選擇層形成工序包括波長選擇層形成工序和波長選擇層圖案化工序。在波長選擇層形成工序中，在上述層疊膜上對(duì)由與基本工序的中途的層疊膜(此處為第一多層膜21)的上面開始的第二層相同的材料構(gòu)成的波長選擇層23i (此處i = 1)進(jìn)行成膜。該波長選擇層23i (此處i = 1)的光學(xué)膜壓
根據(jù)多個(gè)透過濾波器A.....2m (此處m =幻中的任一個(gè)透過濾波器& (此處i = 1)的選
擇波長進(jìn)行設(shè)定。在波長選擇層圖案化工序中，將上述層疊膜的最上面的層作為蝕刻阻擋層，對(duì)在波長選擇層成膜工序中成膜的波長選擇層23中與上述任一個(gè)透過濾波器&對(duì)應(yīng)的部分以外的無用部分進(jìn)行蝕刻。此處，如果在上述的基本工序的中途，多次進(jìn)行波長選擇層形成工序，則能夠制造出具有更多選擇波長的光學(xué)濾波器20。因此，能夠以單片實(shí)現(xiàn)用于對(duì)上述全部的氣體(CH4、S03、C02、C0、N0)進(jìn)行檢測的光學(xué)濾波器20。另外，在上述的制造方法中，在上述基本工序的中途，在上述層疊膜上對(duì)由與當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)形成的層疊膜(此處為第一多層膜21)的上面開始的第二層相同的材料構(gòu)成的薄
膜、且根據(jù)各透過濾波器.....2m(此處m=幻中的任一個(gè)透過濾波器& (此處i = 1)
的選擇波長而設(shè)定光學(xué)膜厚的薄膜進(jìn)行成膜。對(duì)在上述層疊膜上成膜的薄膜中的與上述任一個(gè)透過濾波器^ (此處i = 1)對(duì)應(yīng)的部分以外的部分進(jìn)行蝕刻。因此，形成一個(gè)波長選擇層23J々圖案。然而，也可以形成多個(gè)波長選擇層23的圖案。例如，波長選擇層2 被設(shè)定為與波長選擇層23i為相同的材料、且光學(xué)膜厚比波長選擇層23i的光學(xué)膜厚小時(shí)，也可以在中途停止對(duì)上述層疊膜上的薄膜進(jìn)行蝕刻，從而形成2個(gè)波長選擇層23^2 的圖案。另外，并不局限于上述的制造方法，也可以在第一多層膜形成工序和第二多層膜
形成工序之間，在與各透過濾波器.....2m(此處m = 2)對(duì)應(yīng)的部位利用掩模蒸鍍分別形
成光學(xué)膜厚相互不同的波長選擇層23i.....23m (此處m = 2)。另外，在上述的制造方法中，上述的2種薄膜21a、21b中一方的薄膜21b的遠(yuǎn)紅外線吸收材料為SiOx或SiNx,另一方的薄膜21a為Si時(shí)，可以使用以Si作為蒸發(fā)源的離子束輔助蒸鍍裝置。此時(shí)，對(duì)由Si構(gòu)成的薄膜21a進(jìn)行成膜時(shí)，設(shè)為真空氣氛，對(duì)由作為氧化物的SiOx構(gòu)成的薄膜21b進(jìn)行成膜時(shí)，照射氧離子束，對(duì)由作為氮化物的SiNx構(gòu)成的薄膜 21b進(jìn)行成膜時(shí)，照射氮離子束即可。這樣，在2種薄膜21a、21b可以使用相同的蒸發(fā)源，所以無須準(zhǔn)備具備多個(gè)蒸發(fā)源的離子束輔助蒸鍍裝置，實(shí)現(xiàn)制造成本的低成本化。同樣，在上述的制造方法中，上述的2種薄膜21a、21b中一方的薄膜21b的遠(yuǎn)紅外線吸收材料為SiOx 或SiNx,另一方的薄膜21a為Si時(shí)，可以使用以Si為靶子的濺鍍裝置。此時(shí)，對(duì)由Si構(gòu)成的薄膜21a進(jìn)行成膜時(shí)，設(shè)為真空氣氛，對(duì)由SiOx構(gòu)成的薄膜21b進(jìn)行成膜時(shí)，設(shè)為氧氣氛， 對(duì)由SiNx構(gòu)成的薄膜21b進(jìn)行成膜時(shí)，設(shè)為氮?dú)夥占纯?。這樣，能夠使靶子在這2種薄膜 21a、21b中相同，無須準(zhǔn)備具備多個(gè)靶子的濺鍍裝置，實(shí)現(xiàn)制造成本的低成本化。例如，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定波長選擇層23^2 各自的光學(xué)膜厚nd，如圖13所示，能夠以單片實(shí)現(xiàn)在3. 8 μ m和4. 3 μ m具有透過峰波長的紅外線光學(xué)濾波器20。此外，第一多層膜21以及第二多層膜22只要具有折射率周期構(gòu)造即可，也可以層疊3種以上的薄膜而成。接下來，對(duì)遮斷濾波器3進(jìn)行說明。遮斷濾波器3是通過層疊折射率不同的多種(此處為2種)薄膜3a、!3b而形成的多層膜。在遮斷濾波器3中，作為折射率相對(duì)較低的低折射率層的薄膜3a的材料，可以采用吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料中的一種Al2O3，作為折射率相對(duì)較高的高折射率層的薄膜北的材料，可以采用Ge。遮斷濾波器3中，交替層疊薄膜3a和薄膜北，其層疊數(shù)為11。 然而，該層疊數(shù)沒有特別限定。但是，在遮斷濾波器3中，從光學(xué)特性的穩(wěn)定性的觀點(diǎn)考慮， 優(yōu)選由作為低折射率層的薄膜3a構(gòu)成離濾波器形成用基板1最遠(yuǎn)的最上層。此處，作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料，并不局限于Al2O3，也可以采用Al2O3以外的氧化物Si02、T 05。SW2的折射率比Al2O3的折射率低，所以能夠增大高折射率材料和低折射率材料之間的折射率差。另外，作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料也可以采用氮化物SiNx。如上述那樣，對(duì)于遮斷濾波器3而言，2種薄膜3a、!3b中的1種薄膜3a由作為吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料的Al2O3形成，多種薄膜中的至少1種由遠(yuǎn)紅外線吸收材料形成即可。例如，可以是Ge膜、Al2O3膜以及SiOx膜作為3種薄膜從靠近由Si基板構(gòu)成的濾波基板1的一側(cè)按Ge膜-Al2O3膜-Ge膜-SiOx膜-Ge膜-Al2O3膜-Ge膜...的順序進(jìn)行層疊而成的多層膜。此時(shí)，3種薄膜中2種薄膜由遠(yuǎn)紅外線吸收材料形成。然而，上述的遮斷濾波器3吸收與利用透過濾波器4、22設(shè)定的紅外線的反射頻帶相比更長波長區(qū)域的遠(yuǎn)紅外線。此處，在遮斷濾波器3中，作為吸收紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料采用Al2O3,但與上述的透過濾波器AJ2相同，對(duì)作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料的MgF2、Al203、 SiOx, Ta2O5, SiNx這5種進(jìn)行了研究。本申請(qǐng)發(fā)明人等為了確認(rèn)離子束輔助的效果，準(zhǔn)備了使在Si基板上形成Al2O3膜時(shí)的離子束的照射量發(fā)生各種變化而得到的樣本，利用FT-IR(傅立葉變換紅外分光)對(duì)各樣本的Al2O3膜的膜質(zhì)的不同進(jìn)行了分析。圖14表示利用FT-IR得到的分析結(jié)果，橫軸表示波數(shù)，縱軸表示吸收率。圖14中的S40表示無離子束輔助時(shí)的樣本，S41、S42、S43、S44、 S45表示分別使離子束的照射量從少的一方向多的一方變化而得到的各樣本的分析結(jié)果。 從該分析結(jié)果可知，通過照射離子束，能夠減少由水分引起的MOOcnT1附近的吸收率。并且可知，離子束的照射量越多，由水分引起的3400CHT1附近的吸收率越低?？傊?，可以推測利用離子束輔助能夠提高Al2O3膜的膜質(zhì)，能夠提高致密性。另外，如上述那樣，在采用Al2O3或T2O5作為遠(yuǎn)紅外線吸收材料的情況下，與遠(yuǎn)紅外線吸收材料為SiOx、SiNx的情況相比較，能夠提高遠(yuǎn)紅外線的吸收性。另外，本申請(qǐng)發(fā)明人等對(duì)在Si基板上形成1 μ m的Al2O3膜的參考例的透過光譜進(jìn)行了測量，結(jié)果得到如圖15(a)的S50所示的實(shí)測值。并且發(fā)現(xiàn)，實(shí)測值S50偏離圖15(a) 中的S51所示的計(jì)算值。而且，由圖15(a)的實(shí)測值S50利用柯西(Cauchy)式計(jì)算出由 Al2O3形成的薄膜3a的光學(xué)參數(shù)(折射率、吸收系數(shù))。將該計(jì)算得到的光學(xué)參數(shù)示于圖 15(b)。圖15(b)所示的新光學(xué)參數(shù)中，折射率以及吸收系數(shù)在SOOnm 20000nm的波長區(qū)域都不是恒定的，隨著波長增大，折射率也緩緩地降低。另外，在波長為7500nm 15000nm 的波長區(qū)域，隨著波長的增大，吸收系數(shù)也緩緩地增大。圖16的S60表示使用上述的Al2O3膜的新光學(xué)參數(shù)的實(shí)施例的光學(xué)濾波器20的透過光譜的模擬結(jié)果。該實(shí)施例的光學(xué)濾波器20中，透過濾波器具有下述表3的層疊構(gòu)造，透過峰波長為4. 4 μ m，遮斷濾波器3具有下述表4的層疊構(gòu)造。另外，圖16的S61表示不使用上述的Al2O3膜的新光學(xué)參數(shù)，而使Al2O3膜的折射率恒定，使吸收系數(shù)恒定為0的比較例的光學(xué)濾波器20的模擬結(jié)果。其中，實(shí)施例、比較例均是將Ge的折射率恒定為4. 0， 將吸收系數(shù)恒定為0. 0進(jìn)行了模擬。[表 3]
權(quán)利要求
1.一種紅外線氣體檢測器，其特征在于，具備 紅外線受光部；收納所述紅外線受光部的封裝體；及光學(xué)濾波器，所述紅外線受光部具有利用熱來檢測紅外線的多個(gè)熱型紅外線檢測元件， 所述多個(gè)熱型紅外線檢測元件并列地配置， 所述封裝體具有用于使紅外線射入所述紅外線受光部的窗孔， 所述光學(xué)濾波器以封閉所述窗孔的方式與所述封裝體接合，且具有分別與所述多個(gè)熱型紅外線檢測元件對(duì)應(yīng)的多個(gè)濾波器要素部，所述各濾波器要素部具備由使紅外線透過的材料形成的濾波基板、以選擇性地使規(guī)定的選擇波長的紅外線透過的方式構(gòu)成的透過濾波器、以及以吸收波長比所述透過濾波器的所述選擇波長更長的紅外線的方式構(gòu)成的遮斷濾波器，所述透過濾波器以及所述遮斷濾波器分別形成在所述濾波基板上， 所述濾波基板與所述封裝體熱結(jié)合，所述各濾波器要素部的所述透過濾波器的所述選擇波長相互不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于， 所述紅外線受光部具有一對(duì)所述熱型紅外線檢測元件，所述熱型紅外線檢測元件為熱電元件或者熱電堆，所述一對(duì)熱型紅外線檢測元件以反向串聯(lián)或者反向并聯(lián)的方式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于， 具備用于放大所述紅外線受光部的輸出的放大電路，所述放大電路被收納在所述封裝體中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于， 具備放大電路，所述紅外線受光部具有一對(duì)所述熱型紅外線檢測元件， 所述熱型紅外線檢測元件為熱電元件或者熱電堆，所述放大電路為對(duì)所述一對(duì)熱型紅外線檢測元件各自的輸出之差進(jìn)行放大的差動(dòng)放大電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于， 所述濾波基板由Si基板或Ge基板形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于，所述封裝體具備金屬制的屏蔽部，該金屬制的屏蔽部用于防止電磁波進(jìn)入所述封裝體的內(nèi)部，所述濾波基板電連接于所述屏蔽部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于，所述濾波基板具有朝向所述封裝體的內(nèi)側(cè)的第一表面和朝向所述封裝體的外側(cè)的第二表面，所述透過濾波器形成于所述濾波基板的所述第一表面， 所述遮斷濾波器形成于所述濾波基板的所述第二表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于， 所述各濾波器要素部的所述濾波基板相互一體地形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器，其特征在于，所述透過濾波器具備第一 λ/4多層膜、第二 λ/4多層膜、以及介于所述第一 λ/4多層膜和所述第二 λ/4多層膜之間的波長選擇層，所述第一 λ/4多層膜以及所述第二 λ/4多層膜是分別層疊了折射率相互不同的、且光學(xué)膜厚互相相等的多種薄膜而形成的，所述波長選擇層的光學(xué)膜厚根據(jù)所述透過濾波器的所述選擇波長設(shè)定為與所述薄膜的光學(xué)膜厚不同的大小，所述遮斷濾波器是層疊折射率相互不同的多種薄膜而形成的多層膜， 所述多種薄膜中的至少1種由吸收遠(yuǎn)紅外線的遠(yuǎn)紅外線吸收材料形成。
10.一種紅外線式氣體測量裝置，其特征在于，具備 向規(guī)定的空間放射紅外線的紅外光源，接收在所述規(guī)定的空間通過的紅外線的權(quán)利要求1所述的紅外線式氣體檢測器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的紅外線式氣體測量裝置，其特征在于，具備以所述紅外光源間歇地放射紅外線的方式驅(qū)動(dòng)所述紅外線光源的驅(qū)動(dòng)電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的紅外線式氣體測量裝置，其特征在于，所述紅外光源具備基板、形成于所述基板的保持層、層疊于所述保持層的紅外線放射層、以及介于所述基板和所述保持層之間的氣體層，所述紅外線放射層構(gòu)成為利用伴隨通電而產(chǎn)生的熱來放射紅外線， 所述氣體層構(gòu)成為在所述紅外線放射層通電時(shí)抑制所述保持層的溫度降低，在所述紅外線放射層不通電時(shí)促進(jìn)從所述保持層向所述基板的熱傳遞。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的紅外線式氣體測量裝置，其特征在于，施加到所述紅外線放射層的電壓為頻率f (Hz)的正弦波電壓，所述氣體層的熱傳導(dǎo)率為cig〔W/mK〕，所述氣體層的體積熱容為Cg (J/m3K)時(shí)，所述氣體層的厚度Lg以滿足 0. 05XLg' <Lg<3XLg'的關(guān)系的方式進(jìn)行設(shè)定，其中，Lg' = (2 α g/ω Cg)1/2, ω =2 31 f。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的紅外線式氣體測量裝置，其特征在于， 所述保持層的熱傳導(dǎo)率比所述基板的熱傳導(dǎo)率低，所述保持層構(gòu)成為通過吸收在被通電的所述紅外線放射層中產(chǎn)生的熱，或者反射從所述紅外線放射層中放射的紅外線，而產(chǎn)生從所述保持層朝向所述紅外線放射層的紅外線， 所述紅外線放射層以使所述保持層產(chǎn)生的紅外線透過的方式構(gòu)成。
全文摘要
紅外線式氣體檢測器具備紅外線受光部、收納上述紅外線受光部的封裝體以及光學(xué)濾波器。上述紅外線受光部具有利用熱來檢測紅外線的多個(gè)熱型紅外線檢測元件。上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件并列地配置。上述封裝體具有將紅外線射入上述紅外線受光部的窗孔。上述光學(xué)濾波器以封閉上述窗孔的方式與上述封裝體接合，且具有分別與上述多個(gè)熱型紅外線檢測元件對(duì)應(yīng)的多個(gè)濾波器要素部。上述各濾波器要素部具備由使紅外線透過的材料形成的濾波基板、以選擇性地使規(guī)定的選擇波長的紅外線透過的方式構(gòu)成的透過濾波器、以及以吸收波長比上述透過濾波器的上述選擇波長更長的紅外線的方式構(gòu)成的遮斷濾波器。上述透過濾波器以及上述遮斷濾波器分別形成在上述濾波基板上。上述濾波基板與上述封裝體熱結(jié)合。上述各濾波器要素部的上述透過濾波器的上述選擇波長相互不同。
文檔編號(hào)G01J1/04GK102575983SQ201080036628
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者北村啟明, 平井孝彥, 渡部祥文, 稻葉雄一, 西川尚之 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社