(57)【要約】【課題】被検知対象の濃度等を測定するための赤外線センサにおいて、赤外線吸収量の測定をより高精度化する。【解決手段】この赤外線センサは、単位センシング部（Ｕ１，Ｕ２）として、入射光を分光する分光器（ＦＰ１，ＦＰ２）と、該分光器により分光された光を受光する熱型の赤外線検知器（ＩＲ１，ＩＲ２）と、を有する。この単位センシング部を複数有するとともに、全ての単位センシング部は、同一の第１基板（１３）上に形成される。  そして、分光器（ＦＰ１）の分光波長λＲが固定もしくは可変とされて、被検知対象に吸収されないように設定された少なくとも１つのリファレンス測定部（Ｕ１）と、  分光器（ＦＰ２）の分光波長λＳが可変とされて、被検知対象に吸収されるように設定された本測定部（Ｕ２）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位センシング部（Ｕ１，Ｕ２）として、入射光を分光する分光器（ＦＰ１，ＦＰ２）と、該分光器により分光された光を受光する熱型の赤外線検知器（ＩＲ１，ＩＲ２）と、を有する赤外線センサであって、
前記単位センシング部を複数有するとともに、全ての前記単位センシング部は、同一の第１基板（１３）上に形成され、
前記分光器（ＦＰ１）の分光波長λＲが固定もしくは可変とされつつ、被検知対象に吸収されないように設定された少なくとも１つのリファレンス測定部（Ｕ１）と、
前記分光器（ＦＰ２）の分光波長λＳが可変とされつつ、被検知対象に吸収されるように設定された本測定部（Ｕ２）と、を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記分光器は、ファブリペロー共振器であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
複数の前記単位センシング部は、
全ての前記分光器が同一の第２基板（２０）に形成されつつ、前記分光器における透過領域の形状および面積が互いに同一とされ、
全ての前記赤外線検知器が同一の第３基板（６０）に形成されつつ、互いに同一の形状および面積で形成され、
前記分光器と前記赤外線検知器との間の光路長が互いに等しくされて形成されることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
１つの前記リファレンス測定部と、１つの前記本測定部とが隣り合って並設され、
前記並設方向に直交する面に対して、前記リファレンス測定部と前記本測定部とが鏡面対称に配置されることを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記リファレンス測定部の分光器により、前記波長λＲで分光された光について、透過スペクトルのピークをガウス分布関数で近似したときの標準偏差をσＲとし、
前記本測定部により検出される波長λＳにおける吸収スペクトルのピークをガウス分布関数で近似したときの標準偏差をσＳとしたとき、
前記波長λＲと前記波長λＳとの波長差Ｗが、
Ｗ＝｜λＲ−λＳ｜≧３σＲ＋３σＳ
の関係を満たすように、前記波長λＲが設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検知対象の濃度等を測定するための赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
被検知対象に吸収される赤外線の波長と量を検知することによって、被検知対象に含まれる成分と濃度を同定するマルチ成分センサがある。このマルチ成分センサとして、特許文献１には、ガスの濃度を測定する非分散型赤外分光計（ＮＤＩＲ）が提案されている。このＮＤＩＲは、被検知対象が封入されたサンプリングポイントを挟んで、赤外線を放射する放射線源と検知器が配置されている。放射線源から放射された光のうち、被検知対象に吸収される波長とその吸収量とを、検知器により測定して、被検知対象に含まれる成分と濃度を同定する。ここで、検知器（赤外線センサ）は、放射線源から放射された光を分光する分光器と、分光された光の量を測定する赤外線検知器と、を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３３３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなマルチ成分センサに用いられる赤外線センサとして、飲酒検知等の観点から高精度化が求められている。
【０００５】
特許文献１に記載のＮＤＩＲを用いる場合には、被検知対象に吸収されない赤外線の強度を測定するリファレンス測定と、被検知対象に吸収される赤外線の強度を測定する本測定と、を別々に実施し、その差分を計算することにより吸収量の絶対値を保証している。しかしながら、リファレンス測定と本測定とを別々に実施すると、両測定に時間的な差が生じてしまう。このため、急激な温度変化が生じうる環境下においては、両測定の測定条件が異なってしまう虞がある。すなわち、赤外線吸収量の測定精度を保証できない虞がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、赤外線吸収量の測定をより高精度化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、
単位センシング部（Ｕ１，Ｕ２）として、入射光を分光する分光器（ＦＰ１，ＦＰ２）と、該分光器により分光された光を受光する熱型の赤外線検知器（ＩＲ１，ＩＲ２）と、を有する赤外線センサであって、
単位センシング部を複数有するとともに、全ての前記単位センシング部は、同一の第1基板（１３）上に形成され、
分光器（ＦＰ１）の分光波長λＲが固定もしくは可変とされつつ、被検知対象に吸収されないように設定された少なくとも１つのリファレンス測定部（Ｕ１）と、
分光器（ＦＰ２）の分光波長λＳが可変とされつつ、被検知対象に吸収されるように設定された本測定部（Ｕ２）と、を有することを特徴としている。
【０００８】
これによれば、本発明に係る赤外線センサは、同一の第１基板上に、少なくとも２つの単位センシング部を有する。そして、そのうち１つは、被検知対象に吸収されない赤外線の強度を測定するリファレンス測定部であり、別の１つは、被検知対象に吸収される赤外線の強度を測定する本測定部である。このため、被検知対象に吸収される赤外線の強度と、吸収されない赤外線の強度とを同時に測定することができる。したがって、リファレンス測定と本測定との時間的な差を抑制でき、両測定をほぼ同一の条件下で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す上面図である。
【図３】赤外光源から放射される赤外線強度の波長依存性を示し、第２実施形態におけるリファレンス測定部に設定する波長（λＲ１，λＲ２）の一例を示す図である。
【図４】被検知対象の吸収スペクトルのピーク（λＳ）と、リファレンス測定部に設定する波長（λＲ）との関係を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す断面図である。
【図６】その他の実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。本実施形態では、分光器としてのファブリペローフィルタを構成する一対のミラーｍ１，Ｍ１間、およびｍ２，Ｍ２間のギャップがエアギャップ（空隙）である例を示す。
【００１１】
（第１実施形態）
最初に、図１および図２を参照して、本実施形態に係る赤外線センサの概略構成について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る赤外線センサ１０は、分光器として、第１ファブリペロー共振器ＦＰ１と第２ファブリペロー共振器ＦＰ２とを有するファブリペローフィルタ１１を備えている。また、熱型の赤外線検知器として、第１感赤外素子ＩＲ１と第２感赤外素子ＩＲ２とを有する赤外線検知部１２を備えている。ファブリペローフィルタ１１は赤外線検知部１２上に積層・一体化されている。そして、赤外線検知部１２は、第１基板としての回路基板１３上に配置されている。
【００１３】
まず、分光器としてのファブリペローフィルタ１１について説明する。
【００１４】
本実施形態におけるファブリペローフィルタ１１は、単結晶シリコンからなる基板２０（特許請求の範囲における第２基板に相当。以下、ＦＰ基板２０と示す）と、ＦＰ基板２０上にＭＥＭＳ技術を利用して形成されたファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２と、を備える。ファブリペローフィルタ１１は、ＦＰ基板２０上に配置され、透過領域Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ可動ミラーｍ１，ｍ２を有する第１ミラー構造体３０と、支持部材４０を介して第１ミラー構造体３０上に配置され、透過領域Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ可動ミラーＭ１．Ｍ２を有する第２ミラー構造体５０と、を備えている。
【００１５】
第１ミラー構造体３０は、例えばポリシリコンからなり、ＦＰ基板２０上に、絶縁膜２１を介して配置されている。より詳しくは、第１ミラー構造体３０のうち、透過領域Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ取り囲む周辺領域Ｔが絶縁膜２１を介してＦＰ基板２０上に配置されている。この絶縁膜２１は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなり、略均一の厚みをもってＦＰ基板２０上に形成されている。また、第１ミラー構造体３０のうち、周辺領域Ｔの部分には不純物がドーピングされて電極３１が形成され、電極３１は支持部材４０を貫通するビア３２などを介してパッド３３と電気的に接続されている。また、本実施形態では、ＦＰ基板２０のうち、透過領域Ｓ１，Ｓ２の部分が、エッチングにより除去されている。このため、ミラーｍ１，ｍ２は変位可能なメンブレンとなっている。
【００１６】
一方、第２ミラー構造体５０は、例えばポリシリコンからなり、支持部材４０を介して第１ミラー構造体３０上に配置されている。後に詳述するが、支持部材４０は、透過領域Ｓ１とＳ２との間の位置にも形成され、エアギャップＡＧを分離している。そして、第２ミラー構造体５０のエアギャップＡＧを架橋する部分は変位可能なメンブレンとなっている。第２ミラー構造体５０のうち、周辺領域Ｔの部分には不純物がドーピングされて電極５１，５２が形成されている。なお、符号５３，５４はそれぞれ電極５１，５２用のパッドである。また、符号５５，５６は、メンブレンを貫通し、エアギャップＡＧと外部とを連通させる貫通孔であり、この貫通孔５５，５６は、エッチングにより支持部材４０の一部を除去してエアギャップＡＧとするための貫通孔である。
【００１７】
このように、ミラー構造体３０，５０として、ポリシリコンを採用すると、赤外光に対して透明である。このため、マルチ成分センサ等における赤外線センサの、波長選択フィルタとして好適である。なお、ポリシリコン以外にもポリゲルマニウムやポリシリコンゲルマニウムなど、シリコンおよびゲルマニウムの少なくとも一方を含む半導体薄膜を採用することができる。また、本実施形態では、ミラー構造体３０，５０のうち、透過領域Ｓ１，Ｓ２の部分が、単層膜とされた例を示したが、屈折率の異なる複数の膜を組み合わせた光学多層膜構造としてもよい。
【００１８】
支持部材４０は、第１ミラー構造体３０と第２ミラー構造体５０との間に形成され、互いを固定する。また、透過領域Ｓ１とＳ２との間の位置にも形成され、エアギャップＡＧを分離している。そして、第２ミラー構造体５０は、このエアギャップＡＧを分離している支持部材４０を挟んで、透過領域Ｓ１側と透過領域Ｓ２側とで電気的に分離されるように形成されている。第１ミラー構造体３０のエアギャップＡＧを架橋する部分のうち透過領域Ｓ１，Ｓ２の部分は、変位可能なメンブレンとなっている。また、第２ミラー構造体５０のエアギャップＡＧを架橋する部分も変位可能なメンブレンとなっている。第１ミラー構造体３０の電極３１と、第２ミラー構造体５０の電極５１および５２と、の間に印加される電位に基づいて生じる静電気力によりメンブレンが変形する。すなわち、ミラーｍ１−Ｍ１間の対向距離、および、ミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離が変化し、対向距離に応じた所望波長の光を選択的に透過させることができる。なお、第２ミラー構造体５０は、透過領域Ｓ１側と透過領域Ｓ２側とで電気的に分離されるように形成されているため、ミラーｍ１−Ｍ１間の対向距離と、ミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離とは、それぞれ独立に設定することができる。本実施形態では、図１に示すように、ミラーｍ１およびＭ１から構成されるファブリペロー共振器をＦＰ１と称し、ミラーｍ２およびＭ２から構成されるファブリペロー共振器をＦＰ２と称している。
【００１９】
次いで、赤外線検知器としての赤外線検知部１２について説明する。
【００２０】
本実施形態における赤外線検知部１２は、単結晶シリコンからなる基板６０（特許請求の範囲における第３基板に相当。以下、ＩＲ基板６０と示す）と、ＩＲ基板６０に形成された感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２と、を備える。本実施形態における感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２は、ＩＲ基板６０において、絶縁膜６１を介してファブリペローフィルタ１１側の一面に形成され、図示しない吸収膜と熱電対（サーモパイル）とを有する。そして、図２に示すように、透過領域Ｓ１およびＳ２を透過してくる赤外線を受光するように配置されている。すなわち、透過領域Ｓ１において、ミラーＭ１、ミラーｍ１、感赤外素子ＩＲ１が、ミラー構造体３０，５０に直交する方向にこの順で並んで配置されている。同様に、透過領域Ｓ２において、ミラーＭ２、ミラーｍ２、感赤外素子ＩＲ２が、ミラー構造体３０，５０に直交する方向にこの順で並んで配置されている。また、本実施形態におけるＩＲ基板６０の一部は、透過領域Ｓ１，Ｓ２の全てを含む領域において、感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２が形成された一面の反対の面側からエッチングされて除去されている。すなわち、ＩＲ基板６０のうち、少なくとも透過領域Ｓ１，Ｓ２に相当する絶縁膜６１の部分がメンブレンとなっている。なお、ＩＲ基板６０の透過領域に相当する部分は、必ずしもメンブレン状になっている必要はない。しかしながら、メンブレンとなっていることにより、透過領域Ｓ１，Ｓ２と、周辺領域Ｔとの熱容量差を大きくすることができる。これにより、感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２を構成する吸収膜に赤外線が受光した際に、透過領域Ｓ１，Ｓ２と、周辺領域Ｔとの温度差を大きくすることができ、より精度良く温度（赤外線の受光量）を検出することができる。また、感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２としては、サーモパイル以外にも、ボロメータ、焦電型素子、量子型素子などを採用することができる。
【００２１】
上記したように、本実施形態に係る赤外線センサ１０は、共通のＦＰ基板２０に、独立に変位し、任意の波長の光を透過させるファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とを有している。また、各ファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２を透過した光を受光する感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２が、共通のＩＲ基板６０における、ＦＰ１，ＦＰ２に対応する位置に、配置されている。換言すれば、この赤外線センサ１０は、ＦＰ１およびＩＲ１を有する第１の単位センシング部Ｕ１と、ＦＰ２およびＩＲ２を有する第１の単位センシング部Ｕ２と、を有し、互いに独立した単位センシング部Ｕ１，Ｕ２が隣り合って並設されている。
【００２２】
特に、本実施形態においては、図１および図２に示すように、単位センシング部Ｕ１，Ｕ２は、単位センシング部Ｕ１，Ｕ２の並設方向に直交する面Ｌに対してほぼ鏡面対称に形成されている。換言すれば、ファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とが略同一の形状を成している。そして、ミラー構造体３０，５０の厚さ方向に略直交する面の面積（赤外線の透過面）の面積も略同一とされている。また、感赤外素子ＩＲ１とＩＲ２とが略同一の形状を成している。そして、感赤外素子ＩＲ１とＩＲ２の厚さ方向に略直交する面の面積（赤外線の受光面）の面積も略同一とされている。また、ＦＰ１とＩＲ１との相対的な位置関係と、ＦＰ２とＩＲ２との相対的な位置関係と、が略同一とされている。なお、ファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とが略同一の形状であるとは、第１ミラー構造体３０の電極３１と、第２ミラー構造体５０の電極５１，５２との間に電位差がなく、ミラーｍ１，ｍ２、Ｍ１，Ｍ２が変形していない状態における形状を指す。また、電極３１と電極５１の間の電位差と、電極３１と電極５２の間の電位差が同一の場合には、ミラーｍ１，Ｍ１の変形形状と、ミラーｍ２，Ｍ２の変形形状が略同一となることを指す。
【００２３】
最後に、回路基板１３について説明する。
【００２４】
回路基板１３は、ファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２に電圧を供給するための配線およびパッド（図示せず）を有し、感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２の出力を増幅するオペアンプ（図示せず）等が実装されている。ファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２および感赤外素子ＩＲ１，ＩＲ２と、回路基板１３に形成されたパッド等との電気的な接続は、一般的に知られた方法により行うことができる。例えば、パッド間をボンディングワイヤで接続する方法や、貫通電極を用いて接続する方法が有効である。
【００２５】
次に、本実施形態に係る赤外線センサ１０の作用効果について説明する。以下、被検知対象が二酸化炭素とエタノールとを含む混合気体である場合を例に説明する。
【００２６】
先ず、従来（例えば特許文献１に記載のＮＤＩＲ）のように、単位センシング部が１つである構成について簡単に説明する。
【００２７】
最初に、赤外線センサの使用者は、分光器で分光する赤外線の波長を、二酸化炭素に吸収されず、且つ、エタノールにも吸収されない波長λＲ（例えば、略５μｍ）に設定する。すなわち、この波長λＲの赤外線に対して被検知対象は透明となる。そして、被検知対象および分光器を透過した赤外線の強度ＩＲを測定する。これは、理想的には被検知対象の影響を受けていない、波長λＲの赤外線の強度である。この強度ＩＲを基準として、被検知対象に吸収される赤外線の量を求める。波長λＲの赤外線の強度ＩＲは、所謂リファレンス値である。
【００２８】
次いで、使用者は、分光器で分光する赤外線の波長を、例えば二酸化炭素の吸収スペクトルがピークを有する波長λＣＯ２（例えば、略４．３μｍ）に設定する。そして、被検知対象および分光器を透過した赤外線の強度ＩＣＯ２を測定する。ここで測定される赤外線の強度ＩＣＯ２は、被検知対象に含まれる二酸化炭素に吸収されて減衰した波長λＣＯ２の赤外線強度である。
【００２９】
そして、赤外線強度のリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＣＯ２の比（ＩＣＯ２／ＩＲ）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、二酸化炭素の濃度を算出する。
【００３０】
エタノールの濃度を測定する場合についても二酸化炭素の場合と同様である。使用者は、分光器で分光する赤外線の波長を、エタノールの吸収スペクトルがピークを有する波長λＥＴＨ（例えば、略９．４μｍ）に設定する。そして、被検知対象および分光器を透過した赤外線の強度ＩＥＴＨを測定する。ここで測定される赤外線の強度ＩＥＴＨは、被検知対象に含まれるエタノールに吸収されて減衰した波長λＥＴＨの赤外線強度である。
【００３１】
そして、赤外線強度のリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＥＴＨの比（ＩＥＴＨ／ＩＲ）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、エタノールの濃度を算出する。
【００３２】
上記した従来の測定方法によれば、リファレンス値ＩＲの測定と、二酸化炭素およびエタノールに吸収されて減衰した赤外線の強度ＩＳ（ＩＣＯ２あるいはＩＥＴＨ）を、同時に測定することができない。このため、測定の周辺環境が変化する状況下、例えば、赤外線センサに人が触れたり息が吹きかかったりしてしまい温度変化が生じるなどの環境下では、比をとる対象であるリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＳ（ＩＣＯ２あるいはＩＥＴＨ）とが、異なる環境下で測定された値となる。したがって、リファレンス値ＩＲが、理想的な値とは異なってしまうこと虞があった。
【００３３】
これに対して、本実施形態に係る赤外線センサ１０は、２つの単位センシング部Ｕ１，Ｕ２を有している。単位センシング部Ｕ１とＵ２は、それぞれ異なる波長の赤外線の強度を同時に測定することができる。以下、測定手順の簡単な説明と作用効果を説明する。
【００３４】
最初に、赤外線センサ１０の使用者は、単位センシング部Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長を、二酸化炭素に吸収されず、且つ、エタノールにも吸収されない波長λＲ（例えば、略５μｍ）に設定する。すなわち、この波長λＲの赤外線に対して被検知対象は透明となる。従来の場合と同様、単位センシング部Ｕ１は、被検知対象による赤外線の減衰前における、赤外線強度のリファレンス値を測定する部分であり、特許請求の範囲に記載のリファレンス測定部に相当する。
【００３５】
また、使用者は、単位センシング部Ｕ２のファブリペロー共振器ＦＰ２で分光する赤外線の波長を、例えば二酸化炭素の吸収スペクトルがピークを有する波長λＣＯ２（例えば、略４．３μｍ）に設定する。単位センシング部Ｕ２は、被検知対象による赤外線の減衰後における、赤外線強度を測定する部分であり、特許請求の範囲に記載の本測定部に相当する。
【００３６】
次いで、使用者は、図示しない赤外光源から放射される光を被検知対象に透過させる。これにより、単位センシング部Ｕ１の感赤外素子ＩＲ１には、被検知対象に吸収されずに透過した波長λＲの赤外線が入射する。すなわち、被検知対象の影響をほぼ受けない赤外線強度のリファレンス値ＩＲが測定される。同時に、単位センシング部Ｕ２の感赤外素子ＩＲ２には、被検知対象に含まれる二酸化炭素に吸収されずに透過した波長λＣＯ２の赤外線が入射する。すなわち、二酸化炭素の影響を受けて減衰した赤外線の強度ＩＣＯ２が測定される。そして、赤外線強度のリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＣＯ２の比（ＩＣＯ２／ＩＲ）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、二酸化炭素の濃度を算出する。
【００３７】
エタノールの濃度を測定する場合についても二酸化炭素の場合と同様である。本実施形態では単位センシング部（リファレンス測定部）Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長を、二酸化炭素を測定したときと同一のλＲ（≒５μｍ）のまま変更しない例を示す。一方、単位センシング部Ｕ２のファブリペロー共振器ＦＰ２で分光する赤外線の波長を、例えばエタノールの吸収スペクトルがピークを有する波長λＥＴＨ（例えば、略９．４μｍ）に設定する。これにより、単位センシング部Ｕ１において被検知対象の影響をほぼ受けない赤外線強度のリファレンス値ＩＲが測定されると同時に、エタノールの影響を受けて減衰した赤外線の強度ＩＥＴＨが測定される。そして、赤外線強度のリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＥＴＨの比（ＩＥＴＨ／ＩＲ）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、エタノールの濃度を算出する。
【００３８】
なお、本実施形態では、測定対象（二酸化炭素およびエタノール）の測定順として、二酸化炭素を先に、エタノールを後に測定する例を示したが、言うまでもなく、この順番は逆でもよい。
【００３９】
本実施形態に係る赤外線センサ１０を用いた測定によれば、リファレンス値ＩＲの測定と、二酸化炭素およびエタノールに吸収されて減衰した赤外線の強度ＩＳ（ＩＣＯ２あるいはＩＥＴＨ）を、同時に測定することができる。このため、測定の周辺環境が変化する状況下でも、比をとる対象であるリファレンス値ＩＲと、減衰後の強度ＩＳ（ＩＣＯ２あるいはＩＥＴＨ）とが、略同一の環境下で測定された値となる。したがって、従来の構成による測定に較べて、赤外線吸収量の測定精度を向上させることができる。
【００４０】
とくに、本実施形態では、ファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とが共通のＦＰ基板２０（第２基板）に形成されている。また、ＦＰ１とＦＰ２とが面Ｌに対して鏡面対称に形成されている。すなわち、上記したように、ＦＰ１とＦＰ２とが、共通のＦＰ基板２０に、同一の形状および面積をもって形成されている。このため、各ミラーｍ１，ｍ２，Ｍ１，Ｍ２の屈折率の差や、変形度合のズレを最小限に抑えることができる。
【００４１】
さらには、感赤外素子ＩＲ１とＩＲ２とが共通のＩＲ基板６０（第３基板）に形成されている。また、ＩＲ１とＩＲ２とが面Ｌに対して鏡面対称に形成されている。すなわち、上記したように、ＩＲ１とＩＲ２とが、共通のＩＲ基板６０に、同一の形状および面積をもって形成されている。このため、各素子ＩＲ１，ＩＲ２およびその周辺の熱伝導率等の熱特性の差を最小限に抑えることができる。
【００４２】
なお、本実施形態において、単位センシング部Ｕ１をリファレンス測定部とし、単位センシング部Ｕ２を本測定部としたが、Ｕ１およびＵ２は略等価であって、どちらをリファレンス測定部としてもよい。そして、リファレンス測定部とされない単位センシング部が本測定部となる。
【００４３】
（第２実施形態）
第１実施形態では、単位センシング部（リファレンス測定部）Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長λＲを、測定対象（二酸化炭素かエタノールか）によらず一定のλＲのまま変更しない例を示した。これに対して、本実施形態では、リファレンス測定部Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長λＲを、測定対象によって変更する例を示す。なお、赤外線センサ１０の構成要素は、第１実施形態と同様であるため、詳細な記載を省略する。また、本実施形態においても、被検知対象が二酸化炭素とエタノールとを含む混合気体である場合を例に説明する。
【００４４】
ところで、リファレンス測定部Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光される光の波長λＲと、本測定部Ｕ２のファブリペロー共振器ＦＰ２で分光される光の波長λＳ（＝λＣＯ２，λＥＴＨ）とは必ず異なる。また、図示しない赤外光源から放射される赤外線の強度は、プランク則に従った波長依存性を持つ。図３に示すように、長波長になるほど赤外線の強度は小さくなる。このため、仮にリファレンス値ＩＲの測定と、減衰後の赤外線強度（ＩＣＯ２あるいはＩＥＴＨ）の測定とが同時に行われても、λＲとλＳとの差が大きいと、ランベルト・ベール則により計算された濃度と真の濃度との差が大きくなってしまう。上記したように、被検知対象に対して透明となる波長λＲと、より被検知対象に吸収されやすい波長λＳとは一致させることができないが、その差がより小さいことが好ましい。
【００４５】
本実施形態では、測定対象ごとに、リファレンス測定部Ｕ１のファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長λＲを変更する。以下、測定手順と作用効果を説明する。
【００４６】
先ず、赤外線センサ１０の使用者は、リファレンス測定部としての単位センシング部Ｕ１の、ファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長λＲ１を設定する。この波長λＲ１は、図３に示すように、二酸化炭素およびエタノールに吸収されず、且つ、二酸化炭素の吸収波長λＣＯ２近傍の波長（例えば、略４．７μｍ）に設定する。
【００４７】
また、第１実施形態と同様に、使用者は、単位センシング部Ｕ２のファブリペロー共振器ＦＰ２で分光する赤外線の波長を、例えば二酸化炭素の吸収スペクトルがピークを有する波長λＣＯ２（≒４．３μｍ）に設定する。
【００４８】
次いで、第１実施形態と同様に、リファレンス値ＩＲ１と、減衰した赤外線の強度ＩＣＯ２とを測定する。そして、これらの比（ＩＣＯ２／ＩＲ１）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、二酸化炭素の濃度を算出する。
【００４９】
次いで、使用者は、リファレンス測定部としての単位センシング部Ｕ１の、ファブリペロー共振器ＦＰ１で分光する赤外線の波長λＲ２を設定する。この波長λＲ２は、図３に示すように、二酸化炭素およびエタノールに吸収されず、且つ、エタノールの吸収波長λＥＴＨ近傍の波長（例えば、略８．５μｍ）に設定する。
【００５０】
また、第１実施形態と同様に、使用者は、単位センシング部Ｕ２のファブリペロー共振器ＦＰ２で分光する赤外線の波長を、例えばエタノールの吸収スペクトルがピークを有する波長λＥＴＨ（≒９．４μｍ）に設定する。
【００５１】
次いで、第１実施形態と同様に、リファレンス値ＩＲ２と、減衰した赤外線の強度ＩＥＴＨとを測定する。そして、これらの比（ＩＥＴＨ／ＩＲ２）に基づき、ランベルト・ベール則に従って、二酸化炭素の濃度を算出する。
【００５２】
本実施形態に係る赤外線センサ１０を用いた測定によれば、リファレンス値（ＩＲ１，ＩＲ２）と、減衰後の赤外線強度ＩＳ（ＩＣＯ２，ＩＥＴＨ）を同時に測定できるとともに、測定対象ごとに、吸収波長に近い波長でリファレンス値を測定することができる。より詳しくは、二酸化炭素の濃度測定時にはλＣＯ２（≒４．３μｍ）とλＲ１（≒４．７μｍ）、エタノールの濃度測定時にはλＥＴＨ（≒９．４μｍ）とλＲ２（≒８．５μｍ）、のように測定することができる。このため、プランク則に従う赤外線強度の波長依存性に起因する測定対象の濃度のズレを抑制することができる。
【００５３】
本実施形態では、単位センシング部Ｕ１およびＵ２のファブリペロー共振器ＦＰ１およびＦＰ２が、ともに、変位可能なミラーｍ１，ｍ２，Ｍ１，Ｍ２を有しているため、上記した測定を実現することができる。
【００５４】
なお、リファレンス値ＩＲの測定に用いる赤外線の波長λＲ、および、減衰後の赤外線の強度（ＩＣＯ２，ＩＥＴＨ）を測定する波長λＳは、できる限り近い波長とすることが好ましい。しかし、波長λＲが、波長λＳに近すぎると、リファレンス値ＩＲの測定に用いる赤外線が、被検知対象に吸収されてしまう。このため、波長λＲと波長λＳとの波長差Ｗは、Ｗ＝｜λＲ−λＳ｜≧３σＲ＋３σＳの関係を満たすことが好ましい。ここで、σＲは、被検知対象に吸収されずにリファレンス測定部のファブリペロー共振器を透過した赤外線の透過スペクトルのピークを、ガウス分布関数に近似したときの標準偏差である。また、σＳは、被検知対象に吸収された赤外線の吸収スペクトルのピークを、ガウス分布関数に近似したときの標準偏差である。以下、図４を参照して詳しく説明する。
【００５５】
吸収スペクトルのピークは、波長λＳにおける吸収量を極大値として、λＳ±３σＳの波長域で存在している。また、リファレンス値ＩＲの測定に用いる波長λＲの赤外線の透過スペクトルのピークも、λＲ±３σＲの波長域に存在している。これら２つのピークの波長域が重なると、リファレンス値ＩＲの測定に用いる赤外線が被検知対象に吸収されてしまい、正確なリファレンス値ＩＲを得ることができない。波長λＲを波長λＳよりも小さな値に設定する場合（図４中、実線で示す透過スペクトル）、λＲ＋３σＲ≦λＳ−３σＳでなければならない。すなわち、波長差Ｗは、Ｗ＝λＳ−λＲ≧３σＲ＋３σＳとなる。一方、波長λＲを波長λＳよりも大きな値に設定する場合（図４中、一点鎖線で示す透過スペクトル）、λＲ−３σＲ≧λＳ＋３σＳでなければならない。すなわち、波長差Ｗは、Ｗ＝λＲ−λＳ≧３σＲ＋３σＳとなる。以上から、波長差Ｗが、Ｗ＝｜λＲ−λＳ｜≧３σＲ＋３σＳの関係を満たすことにより、リファレンス値ＩＲの測定に用いる赤外線が被検知対象に吸収されることなく、測定を行うことができる。特許請求の範囲に記載の、「被検知対象に吸収されない」分光波長λＲとは、λＲとλＳとが｜λＲ−λＳ｜≧３σＲ＋３σＳの関係を満たすことを言う。
【００５６】
より好ましくは、上記の条件下で、λＲとλＳとがもっとも近い値になるように設定するとよい。すなわち、波長差Ｗが３σＲと３σＳの和に等しくなる条件であり、Ｗ＝｜λＲ−λＳ｜＝３σＲ＋３σＳの関係を満たすとよい。これによれば、リファレンス値ＩＲの測定に用いる赤外線が被検知対象に吸収されることなく、さらに、図３に示す赤外線強度の波長依存性の影響を最小限に抑制しつつ測定を行うことができる。
【００５７】
本実施形態におけるファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２の透過スペクトルは、例えば、σＲ≒８５ｎｍ（３σＲ≒０．２６μｍ）である。また、二酸化炭素の吸収スペクトルは、σＣＯ２≒５１ｎｍ（３σＣＯ２≒０．１５μｍ）であり、エタノールの吸収スペクトルは、σＥＴＨ≒２１３ｎｍ（３σＥＴＨ≒０．６４μｍ）である。
【００５８】
このため、二酸化炭素の濃度を測定する場合にリファレンス測定部Ｕ１に設定されるべき波長λＲ１は、λＲ１＝λＣＯ２±（３σＲ＋３σＣＯ２）であり、λＲ１は略３．９μｍまたは略４．７μｍである。また、エタノールの濃度を測定する場合にリファレンス測定部Ｕ１に設定されるべき波長λＲ２は、λＲ２＝λＥＴＨ±（３σＲ＋３σＥＴＨ）であり、λＲ２は略８．５μｍまたは略１０．３μｍである。本実施形態では、λＲ１≒４．７μｍ、λＲ２≒８．５μｍを採用している。
【００５９】
（第３実施形態）
上記した各実施形態では、単位センシング部Ｕ１，Ｕ２が、ともに変位可能なミラーｍ１，ｍ２，Ｍ１，Ｍ２を有する例を示した。これに対して、本実施形態では、２つのセンシング部Ｕ１，Ｕ２のうち片方が、変位しない固定ミラーを有する例を示す。このような構成は、被検知対象に含まれる成分のうち、決まった成分の濃度等を検出する際に有効である。
【００６０】
本実施形態では、図５に示すように、リファレンス測定部としての単位センシング部Ｕ１のミラーｍ１およびＭ１が固定ミラーとされ、ｍ１−Ｍ１間の対向距離が固定されている。より詳しくは、第１実施形態（図１）に対して、第２ミラー構造体５０のうち、単位センシング部Ｕ１側の部分に形成されたパッド５３が取り除かれ、ｍ１−Ｍ１間に電位差が生じないようになっている。また、ｍ１−Ｍ１間の距離は、所定波長の赤外線のみを透過するように、一定の距離をもって形成されている。
【００６１】
例えば、本実施形態に係る赤外線センサ１０をアルコール検知器として用いる場合を仮定する。被検知対象にエタノール（吸収スペクトルのピークの波長は略９．４μｍ）を含む。そして、リファレンス測定部としての単位センシング部Ｕ１のｍ１−Ｍ１間の距離は、例えば、透過する赤外線の波長λＲが略８．５μｍとなるようになっている。一方、単位センシング部Ｕ２は、第１実施形態および第２実施形態と同一の構成である。第１ミラー構造体３０に形成された電極３１と、第２ミラー構造体５０に形成された電極５２との間に電圧を印加し、ミラーｍ２およびＭ２を変位させてミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離を変位させることにより測定を行うことができる。
【００６２】
本実施形態でも、赤外線センサ１０が２つの単位センシング部Ｕ１，Ｕ２を有する。このため、リファレンス値ＩＲと被検知対象により減衰した赤外線の強度ＩＳ（ＩＥＴＨ）とを同時に測定することができる。したがって、ＩＲ測定時とＩＳ測定時の時間の差をなくすことができるため、赤外線吸収量の測定精度を向上させることができる。また、単位センシング部Ｕ１のミラーｍ１，Ｍ１が固定であるため、第１実施形態および第２実施形態のように、これらのミラーｍ１，Ｍ１に電圧を印加する機構を必要としない。このため、赤外線センサ１０の構成を簡略化できるとともに、外部に要する電源系回路も単純化することができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、第１実施形態（図１）に対して、第２ミラー構造体５０のうち、単位センシング部Ｕ１側の部分に形成されたパッド５３が取り除かれた例を示したが、パッド５３だけでなく、単位センシング部Ｕ１側の電極５１を形成しない構成とすることもできる。さらには、第１ミラー構造体３０においても、単位センシング部Ｕ１側の電極３１を形成しない構成とすることもできる。ただし、これらの電極３１，５１が形成されているほうが、単位センシング部Ｕ２との対称性を保つことができ、このため、各ミラーｍ１，ｍ２，Ｍ１，Ｍ２の変形度合のズレ等を最小限に抑えることができる。
【００６４】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００６５】
上記した各実施形態では、単位センシング部が２つである例を示したが、上記例に限定されるものではなく、単位センシング部は２つ以上配置することができる。特に、第３実施形態のように、固定ミラーを有する単位センシング部によりリファレンス値ＩＲを測定する場合に、複数の単位センシング部を有することが好適である。一つの測定対象（第３実施形態ではエタノール）だけでなく、被検知対象に含まれる複数の成分を測定対象とする場合には、各測定対象の吸収スペクトルのピークの波長に近い波長をもってリファレンス値ＩＲを測定することが好ましい。この要求を満たすために、図６に示すように、赤外線センサ１０が、各測定対象に対応した固定ミラー間距離をもって形成された単位センシング部Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６と、変位可能なミラーを有する単位センシング部Ｕ７と、を有する構成とすることができる。本形態では、単位センシング部Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６がリファレンス測定部に相当し、単位センシングＵ７が本測定部に相当する。
【００６６】
また、上記した第１実施形態〜第３実施形態では、単位センシング部Ｕ１，Ｕ２が、単位センシング部Ｕ１，Ｕ２の並設方向に直交する面Ｌに対してほぼ鏡面対称に形成されている例を示した。しかしながら、上記例に限定されるものではない。例えば、ファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とは同一の形状を成している必要はない。また、感赤外素子ＩＲ１とＩＲ２についても同一の形状を成している必要はない。また、ＦＰ１とＩＲ１との相対的な位置関係、および、ＦＰ２とＩＲ２との相対的な位置関係も、同一とされている必要はない。
【００６７】
さらに言えば、上記した第１実施形態〜第３実施形態では、ファブリペロー共振器ＦＰ１とＦＰ２とが共通のＦＰ基板２０に形成される例を示したが、ＦＰ１とＦＰ２とを異なる基板に形成して並設してもよい。また、感赤外素子ＩＲ１とＩＲ２とが共通のＩＲ基板６０に形成される例を示したが、ＩＲ１とＩＲ２とを異なる基板に形成して並設してもよい。
【００６８】
また、上記した各実施形態では、ファブリペロー共振器ＦＰ１のミラーｍ１，Ｍ１、および、ファブリペロー共振器ＦＰ２のミラーｍ２，Ｍ２の対向距離を静電気力で変化させる例を示した。しかしながら、上記例に限定されない。静電気力の他、圧電効果を利用してもよい。例えば、支持部材４０を伸縮させてミラーｍ１−Ｍ１間、および、ミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離を変化させても良い。また、ミラー構造体３０，５０として、バイモルフのように熱によって変形する構成を採用することで、ミラーｍ１−Ｍ１間、および、ミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離を変化させても良い。さらには、電磁力により、ミラーｍ１−Ｍ１間、および、ミラーｍ２−Ｍ２間の対向距離を変化させても良い。
【００６９】
また、上記した各実施形態では、分光器として、ファブリペロー共振器ＦＰ１，ＦＰ２を用いる例を示したが、この例に限定されない。分光器としては、例えば、マイケルソン干渉分光器等の可変分光器を用いることができる。また、分光する光の波長が固定でよい場合には、一般に知られた分光フィルタ等を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１０・・・赤外線センサ
１１・・・ファブリペローフィルタ
１２・・・赤外線検知部
１３・・・回路基板
２０・・・ＦＰ基板
３０・・・第１ミラー構造体，５０・・・第２ミラー構造体
６０・・・ＩＲ基板
Ｕ１，Ｕ２・・・単位センシング部
ＦＰ１，ＦＰ２・・・ファブリペロー共振器
ｍ１，ｍ２，Ｍ１，Ｍ２・・・ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014035258.tif 000007
【図６】
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