(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源と、
前記第１の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部および第２センサ部を備え、
第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第１の光源と前記第１センサ部とが設けられた第１基板と、
第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第２センサ部が設けられた第２基板と、をさらに備え、
前記第１センサ部の配置位置は、前記第１基板の第１主面であって、前記第１の光源から出力されて該第１基板内に直接入射され該第１基板内を進行した光のうちの該第１基板の第２主面で反射して該第１基板内を戻ってきた光が該第１基板から直接入射する位置に設定されているガスセンサ。
【請求項２】
前記第２基板は、前記第１基板とは別の基板である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１の光源と前記第１センサ部とは、前記第１基板の第１主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有する請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１センサ部からの出力信号と前記第２センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記演算部は、前記第１センサ部からの出力信号と前記第２センサ部からの出力信号との比を演算する請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第１センサ部と前記第２センサ部は、同一の温度特性を有する請求項１から請求項５の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記第１基板と前記第２基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた光遮断部をさらに備える請求項１から請求項６の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記光遮断部は封止樹脂を含む請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
ガスセルをさらに備え、
前記ガスセル内の前記第１基板及び前記第２基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第１基板の第２主面から出射した光を前記第２センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備える請求項１から請求項８の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記第１基板の第２主面上に設けられ、
前記第１の光源から出力される光のうち、前記第１基板内で散乱する光の光量と、前記第１基板の第２主面から前記ガスセル内の空間へ放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備える請求項９に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記第１の光源から出力された光を前記第１センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備える請求項１から請求項１０の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記第１センサ部と前記第２センサ部及び前記第１の光源がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなる請求項１から請求項１１の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
前記積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含む請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記第１基板の第２主面から出射した光が前記第２センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備える請求項１から請求項１３の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記第１センサ部と前記第２センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、
該受光部の数は前記第１センサ部と前記第２センサ部とで異なる請求項１から請求項１４の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１６】
前記第１基板と前記第２基板は、同一の材料からなる請求項１から請求項１５の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１７】
前記第２基板の第１主面上に設けられた、第２の光源をさらに備え、
前記第２センサ部は、前記第２の光源から出力されて前記第２基板内に直接入射され該第２基板内を進行した光のうち、前記第２基板の第２主面で反射して該第２基板内を戻ってきた光が該第２基板から直接入射する位置に設定されている請求項１から請求項３の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項１８】
前記第２の光源と前記第２センサ部とは、前記第２基板の第１主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有する請求項１７に記載のガスセンサ。
【請求項１９】
前記第１の光源及び前記第２の光源に電力を供給し、前記第１センサ部からの出力信号及び前記第２センサ部からの出力信号が入力される受発光制御部をさらに備える請求項１７又は請求項１８に記載のガスセンサ。
【請求項２０】
前記受発光制御部は、前記第１の光源及び前記第２の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しない請求項１９に記載のガスセンサ。
【請求項２１】
前記受発光制御部は、前記第１の光源及び前記第２の光源に同じ大きさの電力を供給する請求項１９又は請求項２０に記載のガスセンサ。
【請求項２２】
前記受発光制御部は、
前記第１センサ部と前記第２センサ部とが同じ温度となるように、前記第１の光源に供給する電力及び前記第２の光源に供給する電力を制御する請求項１９又は請求項２０に記載のガスセンサ。
【請求項２３】
前記受発光制御部は、前記第１センサ部の温度を測定する第１温度測定部と、
前記第２センサ部の温度を測定する第２温度測定部と、を有する請求項２２に記載のガスセンサ。
【請求項２４】
前記受発光制御部は、
前記第１センサ部の抵抗値に基づいて該第１センサ部の温度を算出し、
前記第２センサ部の抵抗値に基づいて該第２センサ部の温度を算出する請求項２２又は請求項２３に記載のガスセンサ。
【請求項２５】
前記受発光制御部は、
前記第１の光源及び前記第２の光源に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御する請求項２２から請求項２４の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項２６】
前記受発光制御部は、
前記第１の光源を周波数Ｆ１で駆動し、前記第２の光源を周波数Ｆ２（Ｆ１≠Ｆ２）で駆動する請求項２２から請求項２５の何れか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスの有無及び濃度測定が注目されており、なかでも環境ガス（例えば、ＣＯ２、ＮＯ、等）の有無及び濃度測定が注目されている。
これらのガスを高精度で測定するセンサには、化学反応式のガスセンサと光学式のガスセンサがある。測定精度の高さや、経時変化が少ないという観点から、光学式のガスセンサが特に注目されている。光学式のガスセンサは、測定対象のガスの分子が吸収する波長を放出する光源と、その信号を読み出すためのセンサを備えている。
上記の環境ガスは、波長が数μｍ付近（例えば、ＣＯ２の場合、波長４．３μｍ付近）の光を強く吸収するので、この波長帯の光を発光する光源と、該波長帯の光の強度に応じた信号を出力するセンサが要求される。中〜遠赤外域で発光するＬＥＤは、主として非分散型赤外線式（以下、ＮＤＩＲ方式）のガスセンサ用に用いられ、開発が進められている。【０００３】
図２９（ａ）は、第１の従来例に係るＮＤＩＲ方式のガスセンサの構成例を示す概念図である。図２９（ａ）に示すように、このＮＤＩＲ方式のガスセンサは、ガスセル９１０と、ガスの固有の吸収波長帯に対応した波長の赤外線を放射する光源９２０と、その波長帯の光の強度を検知することができる赤外線センサ９３０とを備える。光源９２０と赤外線センサ９３０はガスセル９１０内に設けられている。ＮＤＩＲ方式のガスセンサは、ガスセル９１０内に測定したい気体を流し、あるいは滞留させ、ガスセル内の光源９２０と赤外線センサ９３０との間の空間で吸収された赤外線量から測定したい気体の濃度を求めるものである。従って、ＮＤＩＲ方式のガスセンサの光源の強度が変化すると、測定された気体の濃度の絶対値がずれるため正確な濃度の測定ができなくなる。【０００４】
また、図２９（ｂ）は、第２の従来例に係るＮＤＩＲ方式のガスセンサの構成例を示す概念図である。図２９（ｂ）に示すように、一般には、被検出ガスによる吸収のない波長帯の光を検出することが可能な参照用センサ９３１と、被検出ガスによる吸収が生じる波長帯を含む波長の光を検出することが可能な検出用センサ９３２の両方の出力比を取ることで光源９２０の出力変動を相殺させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、特許文献２では２波長帯を用いたＮＤＩＲ方式のガスセンサを開示している。特許文献２のガスセンサでは、２つの光源を設けて、被検出ガスが吸収する波長の光と、被検出ガスが吸収しない波長の光のそれぞれをガスセルに通過させ、それぞれのセンサの出力比から検出したいガスの濃度を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５０３８６５号公報
【特許文献２】国際公開２００７／０８０３９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的なＮＤＩＲ方式では、特定の波長帯のみを透過するバンドパスフィルタを用いる。二酸化炭素の検知を例にとり説明すると、二酸化炭素による吸収が実質的にない３．９μｍ程度の波長帯の光を透過する参照用のバンドパスフィルタｆ´１と、二酸化炭素による吸収がある４．３μｍ前後の波長帯（４．３μｍ±（１００〜３００ｎｍ））のみの光を透過する吸収波長用のバンドパスフィルタｆ´２を用いて被検出ガスを検出している。この方式では、参照用と吸収波長用のバンドパスフィルタが２つ必要であり、かつそれぞれに独立したセンサを必要とする（図２９（ｂ）及び特許文献１を参照）。このため、部品の数が多く、システムの簡易化を実現するうえでの障害になっていた。【０００７】
また、特許文献２の様に２つの異なる波長の光源を用いる場合でも同様に、部品の数が多く、信号処理が複雑となる。さらに、光源及びセンサの温度による発光量変化や感度変化、あるいは光源の劣化により２つの光源間に光量差が発生した場合、ガスセンサとして動作させたときの温度補償はできなくなるという問題点があった。
さらに、光源とセンサの温度による信号の変化は、ガス濃度変化による信号変化より大きいため、温度の影響を除去するような補償は極めて難しい。
このような問題を解決するために、光路長を長くするという方法があるが、そうするとセンサ全体が大型化してしまうだけではなく、光源からの光の減衰が増え、センサ側が検出する信号のＳ／Ｎ比が低下してしまい、ガスセンサの測定バラツキが増えてしまい、高精度のガスセンサの実現は困難となる。【０００８】
一方で、参照用のフィルタを使用せず、外気など、二酸化炭素濃度がある程度分かっている環境で光源の発光強度の変化を定期的に校正して使用する方法もあるが、濃度既知の二酸化炭素を導入できない場合や、光源の強度が予想以上に大きく変化した場合は、測定値の誤差が大きくなるなどの問題があった。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定誤差を小さくすることができ、簡易かつ小型で信頼性の高いガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示すガスセンサを想到するに至った。
即ち、本発明の一態様に係るガスセンサは、第１の光源と、前記第１の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部および第２センサ部を備え、第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第１の光源と前記第１センサ部とが設けられた第１基板と、第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第２センサ部が設けられた第２基板と、をさらに備え、前記第１センサ部の配置位置は、前記第１基板の第１主面であって、前記第１の光源から出力されて該第１基板内に直接入射され該第１基板内を進行した光のうちの該第１基板の第２主面で反射して該第１基板内を戻ってきた光が該第１基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴とする。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第２基板は、前記第１基板とは別の基板とすることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１の光源と前記第１センサ部とは、前記第１基板の第１主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有することを特徴としてもよい。
【００１０】
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１センサ部からの出力信号と前記第２センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記演算部は、前記第１センサ部からの出力信号と前記第２センサ部からの出力信号との比を演算することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１センサ部と前記第２センサ部は、同一の温度特性を有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１基板と前記第２基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記光遮断部は封止樹脂を含むことを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、ガスセルをさらに備え、前記ガスセル内の前記第１基板及び前記第２基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第１基板の第２主面から出射した光を前記第２センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備えることを特徴としてもよい。
【００１１】
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記第１の光源から出力される光のうち、前記第１基板内で散乱する光の光量と、前記第１基板の第２主面から前記ガスセル内の空間へ放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記第１の光源から出力された光を前記第１センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１センサ部と前記第２センサ部及び前記第１の光源がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴としてもよい。【００１２】
また、上記のガスセンサにおいて、前記積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１基板の第２主面から出射した光が前記第２センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１センサ部と前記第２センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、該受光部の数は前記第１センサ部と前記第２センサ部とで異なることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１基板と前記第２基板は、同一の材料からなることを特徴としてもよい。【００１３】
また、上記のガスセンサにおいて、前記第２基板の第１主面上に設けられた、第２の光源をさらに備え、前記第２センサ部は、前記第２の光源から出力されて前記第２基板内に直接入射され該第２基板内を進行した光のうち、前記第２基板の第２主面で反射して該第２基板内を戻ってきた光が該第２基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第２の光源と前記第２センサ部とは、前記第２基板の第１主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記第１の光源及び前記第２の光源に電力を供給し、前記第１センサ部からの出力信号及び前記第２センサ部からの出力信号が入力される受発光制御部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１の光源及び前記第２の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しないことを特徴としてもよい。
【００１４】
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１の光源及び前記第２の光源に同じ大きさの電力を供給することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１センサ部と前記第２センサ部とが同じ温度となるように、前記第１の光源に供給する電力及び前記第２の光源に供給する電力を制御することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１センサ部の温度を測定する第１温度測定部と、前記第２センサ部の温度を測定する第２温度測定部と、を有することを特徴としてもよい。【００１５】
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１センサ部の抵抗値に基づいて該第１センサ部の温度を算出し、前記第２センサ部の抵抗値に基づいて該第２センサ部の温度を算出することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１の光源及び前記第２の光源に供給される電力の電流又は電圧について、パルスの幅、振幅、及びデューティ比からなる群より選択される少なくとも一つを制御することを特徴としてもよい。
また、上記のガスセンサにおいて、前記受発光制御部は、前記第１の光源を周波数Ｆ１で駆動し、前記第２の光源を周波数Ｆ２（Ｆ１≠Ｆ２）で駆動することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、測定誤差を小さくすることができ、簡易かつ小型で信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図９】本発明の第９実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１１】本発明の第１１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１２】本発明の第１２実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１３】本発明の第１３実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１４】第１３実施形態において、光遮断部を設けた場合の構成例を示す図である。
【図１５】本発明の第１４実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１６】本発明の第１５実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１７】本発明の第１６実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図１８】第１６実施形態における回路構成の一例を示す図である。
【図１９】第１６実施形態における信号の流れの一例を示す図である。
【図２０】本発明の第１７実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２１】本発明の第１８実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２２】本発明の第１９実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２３】第１９実施形態における、温度測定部の一例を示す図である。
【図２４】本発明の第２０実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２５】本発明の第２１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す図である。
【図２６】本発明の実施例で得られた結果であり、第２センサ部の出力信号の変化率について、ＣＯ２ガス濃度及び温度との関係を示すグラフである。
【図２７】本発明の実施例で得られた結果であり、第１センサ部の出力信号の変化率について、ＣＯ２ガス濃度及び温度との関係を示すグラフである。
【図２８】本発明の実施例で得られた結果であり、ガスセンサの出力信号の変化率について、温度及び補償有無との関係を示すグラフである。
【図２９】従来のガスセンサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について説明する。まず、本実施形態の一例である第１の態様として、１個の光源を有するガスセンサについて説明する。次に、本実施形態の一例である第２の態様として、２個以上の光源を有するガスセンサについて説明する。その後、本実施形態のより具体的な態様（即ち、具体例）として、第１〜第２１実施形態について説明する。
【００１９】
＜第１の態様＞
第１の態様に係るガスセンサは、第１の光源と、第１の光源から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部及び第２センサ部を有するガスセンサである。この構成のガスセンサは非分散型赤外線式のガスセンサとして用いることができる。
このガスセンサは、第１主面（例えば、表面）と、第１主面と対向する第２主面（例えば、裏面）とを有し、第１主面上に第１の光源と第１センサ部とが設けられた第１基板を備える。また、このガスセンサは、第１主面（例えば、表面）と、第１主面と対向する第２主面（例えば、裏面）とを有し、第１主面上に第２センサ部が設けられた第２基板を備える。第１センサ部の配置位置は、第１基板の第１主面であって、第１の光源から出力された光のうちの該第１基板の第２主面で反射した光が入射する位置に設定されている。これにより、第１の光源から第１センサ部に至る光路中に光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を設けることなく、第１の光源出力の劣化による経時変化や動作時の温度による出力変動を精密に補償することが可能になる。
【００２０】
第１の態様に係るガスセンサは、被検出ガスを導入することが可能なガスセルをさらに備えていてもよい。所定のガスセルを予め備えていることにより、該所定のガスセルの光路や材質等に基づいた、より高精度なガス濃度演算のための所定の補正演算等が可能になる。
また、第１の態様に係るガスセンサは、第１センサ部からの出力信号と第２センサ部からの出力信号とが入力される演算部をさらに備えることが好ましい。第１センサ部からの出力信号と第２センサ部からの出力信号とに基づいて、ガス濃度の演算が可能になる。第１の光源と同一基板の同一平面上に設けられた第１センサ部の出力信号を、参照用信号としてガス濃度の演算に用いるという技術思想により、本発明の実施形態に係るガスセンサは、参照用フィルタを用いることのない簡易な構成で、従来よりも測定誤差を小さくすることができるという効果をより効果的に奏する。ここで、ガス濃度の演算とは、空間中のガス濃度の絶対値を演算するものであってもよいし、所定の閾値を超えるものであるか否かを判定する演算であってもよい。
【００２１】
また、第１の態様に係るガスセンサにおいて、第１のセンサ部と第２のセンサ部は、同一の温度特性を有することが好ましい。本実施形態において「同一の温度特性」とは、本発明の効果を妨げない程度に温度特性が概ね揃っている状態を意味する。具体的には、被検出ガスが存在しない条件下において、ガスセンサの一般的な使用温度範囲（例えば０℃から５０℃の範囲）ではセンサ温度がＴｘにおいて、第１センサ部の出力信号がＳ１、第２センサ部の出力信号がＳ２とした場合を考える。この場合で、温度が１℃変化した場合、つまりセンサ温度がＴｘ±１℃となった時に、第１センサ部の出力信号がａ×Ｓ１へ、第２センサ部の出力信号がｂ×Ｓ２へと変化した場合、ａ／ｂが１℃あたり０．８以上１．２以下であることが好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましく、０．９９以上１．０１以下であることが更に好ましい。
【００２２】
１℃あたりの第１センサ部及び第２センサ部の出力の変化係数の比（ａ／ｂ［／℃］）の最大値と最小値の比が０．８以上１．２以下であれば、ガスセンサの環境温度によらず、被検出ガスの濃度を高精度に補償することが可能になるため好ましい。具体的には、第１センサ部及び第２センサ部の温度を０℃から５０℃まで変化させたときの第１センサ部及び第２センサ部の出力変化係数（ａ及びｂ）を求め、温度をΔＴ変化させたときの、ａ／ｂ／ΔＴ比を計算することによって、上記の１℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。
【００２３】
第１センサ部及び第２センサ部の１℃あたりの出力の変化係数の比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第１センサ部及び第２センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第１センサ部及び第２センサ部の温度特性は理論上同一となる。
また、第１センサ部と第２センサ部の温度特性を同じにするには、積層構造が同じであることと、同時に製造される（即ち、積層構造を構成する各層について、第１センサ部及び第２センサ部の間で同時に形成する）ことが好ましい。
【００２４】
また、ガスセンサ全体の高いＳ／Ｎ比を実現するために、第１センサ部と第２センサ部の基板内の面積を変えても良い。例えば、第１センサ部に届く光が強い場合、第１センサ部の受光面積をＳ／Ｎが低下しない程度に小さくしても、ガスセンサ全体のＳ／Ｎ比（ガス濃度表示値の最小分解能）が低下しないため、第１センサ部の受光面積を小さくし、その分、第１の光源が占める面積を広くすることができ、ガスセンサ全体のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００２５】
また、第１センサ部及び第２センサ部は、多数の受光部で形成されると良い。この場合、受光面積が受光部の数に比例し、受光面積が大きい程、高いＳ／Ｎ比が得られる。また第１センサ部と第２センサ部の受光面積を変えても、分光感度特性や温度特性が変わることないので、本発明の効果は維持される。第１センサ部の受光部の数をｎとし、第２センサ部の受光部の数をｍとしたとき、受光部の数の比は、ｎ：ｍが１／５００程度でも良いが、場合によって、１／１００程度でも良く、１／１０程度でも良い。セルの設計や第１の光源の発光能力に応じて、受光部の数の比を設計することが好ましい。
【００２６】
また、同一基板上に、同一材料、同一工程で第１センサ部と第２センサ部を形成することによって、第１センサ部の分光感度特性と第２センサ部の分光感度特性とが同一になると共に、第１センサ部の温度特性と第２センサ部の温度特性とが同一となり、本発明の効果をもっとも発揮できる。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。後述のように、第１基板の第２主面上に光を選択するような光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を設けることによって、第１センサ部と第２センサ部に入射する光の波長帯を選択することが可能となる。このような光学フィルタは光路の途中に設ける必要はあるが、第１基板及び／若しくは第２基板の第２主面に設けると良い。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性（数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ）を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。ガスセルに導入されるガスが混合ガスで且つ、被検出ガスの吸収波長が他のガス（干渉ガス）の吸収波長に近い場合、光学フィルタを設けると、ガスセンサの選択性は向上され、干渉ガスの影響を受けずに、正確に被検出ガスの濃度測定が実現できる。このため、光学フィルタを設けることは、より好ましい形態となる。  
【００２７】
基板面積の利用効率の観点から、第１センサ部と第２センサ部は、同一の構造の多数の受光部を有し、該受光部の数が異なっていることが好ましい。受光部の数の相違数は特に制限されないが、一般的に第１の光源と同じ基板に設置される受光部は、異なる基板に設置される受光部より、単位面積当たり、多くの光束を吸収することができるため、一般的に第１基板の受光面積を第２基板の受光面積よりも小さくしても良い。
このため、第１センサ部と第２センサ部の両方の信号のＳ／Ｎ比のバランスを無駄なく保つために、受光面積（受光部の数）が異なることは好ましい。第１の態様に係るガスセンサでは、第１センサ部と第２センサ部の出力信号（Ｉｐ１、Ｉｐ２）に基づいて、濃度を計算するため、ガスセンサ全体の最小分解能は第１センサ部と第２センサ部のＳ／Ｎ比で決まる。
出力信号比（Ｉｐ１／Ｉｐ２）は、第１基板及び第２基板の各材質、第１基板の第２主面及び第２基板の第２主面の各加工方法、制御層の有無やその光学特性等によって変化する。後述のように、これらを出力信号比が適切な割合になるように設計すれば、基板の利用効率を高め、センサ部の面積を最低限にして小型化を図りながら所望の精度を有するガスセンサが設計できる。
【００２８】
次に、ガスセンサの各構成部について、より具体的に説明する。
［ガスセル］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、ガスセルは被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、前記導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。
ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、第１の光源から出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。
第１基板の第１主面と対向する第２主面から出射した光を、効率的に第２センサ部に入射する観点から、ガスセルの内壁の一部が高い反射率の材料で覆われていることが好ましい。また、反射率を高める観点から、ガスセル内の内壁のラフネスは１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましい。
【００２９】
［第１基板］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、第１基板は、第１主面上に第１の光源と第１センサ部を有する。第１基板の材料は特に制限されない。例えばＳｉ、ＧａＡｓ、サファイヤ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ｇｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第１センサ部と第１の光源を電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作製可能であり、大口径化が可能である観点から、ＧａＡｓ基板は特に好ましい。測定感度向上の観点から、第１基板の材料は、第１の光源から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、第１の光源の出力変動を高精度に補償する観点から、第１基板の材料は、第２主面において第１の光源から出力された光が効率的に反射する材料であることが好ましい。
【００３０】
第１センサ部、第２センサ部、第１の光源に用いられる材料としては、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体が好ましく、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）からなる群より選択される少なくとも一つのＩＩＩ族原子と、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）からなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子の化合物半導体であることがより好ましく、ＩｎＳｂあるいは、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｓＩｎＳｂを少なくとも含む化合物半導体であることがより更に好ましい。被検出ガスがＣＯ２の場合、ＣＯ２の波長４．３μｍ付近の吸収を検出するために、ＡｌＩｎＳｂ若しくはＧａＩｎＳｂを利用すると良い。また、気化したアルコールのような気体を検出する場合、更に長波長（９〜１０μｍ）にする必要があり、この場合ＡｓＩｎＳｂを利用すると良い。
【００３１】
また、第１基板は、光取り出し効率及び光反射・散乱効率の観点から、第１基板の第２主面上に、第１の光源から出力される光のうち、基板内で散乱する光量及び反射・散乱角度と、第１基板の第２主面からセル内に放射される光量及び放射角度を制御するための制御層を有することが好ましい。一般的に使われる基板材料の屈折率は高いため、基板から外部への光取り出しは難しく、第１の光源から出力された光の多くが基板内で散乱することとなる。第１の態様に係るガスセンサにおいては、第１基板の第２主面上に制御層を設けることによって、センサ全体のＳ／Ｎ比を高くする（高分解能が得られる）ように設計することが可能になる。制御層の具体例としては、反射防止膜や、屈折率の異なる多数の材料の積層膜、粗面化した層、または、それらの組み合わせが挙げられる。
【００３２】
［第１の光源］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、第１の光源は第１基板の第１主面上に形成される。第１の光源は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。第１の光源の具体的な形態は第１基板の第１主面上に形成できるものであれば何でも良い。具体的な例としては、ＭＥＭＳやＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールということから、ＬＥＤ構造は望ましい場合がある。
【００３３】
図２９（ｂ）に示した２つのセンサを用いる従来のガスセンサにおいて、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力する第１の光源を使用した場合、参照用バンドパスフィルタは被検出ガスの吸収波長帯の光を遮断する為、参照用センサの出力がゼロになり、安定したガスセンサは実現できない。これに対し、第１の態様に係るガスセンサでは、第１の光源から（参照用センサである）第１センサ部に至る光路中にバンドパスフィルタが不要である為、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力する第１の光源を使用しても、高精度に出力変動の補償が可能になる。
【００３４】
第１の光源はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）若しくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜したＰＮ接合若しくはＰＩＮ接合の積層構造部を持つことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）として動作し、積層構造部の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。この積層構造部（通称：活性層）がＩｎまたはＳｂを含むことにより赤外線領域の光（即ち、赤外線）を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いることにより、１〜１０μｍの波長を出力することができる。被検出ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素ガスは波長４．３μｍ付近に強い吸収を示すため、活性層にＩｎＡｌＳｂを利用することが好ましい。ここで、Ａｌの含有量をＬＥＤの発光ピークが４．３μｍになるようにチューニングすることで高感度・高分解能のガスセンサが実現できる。また、１０μｍ付近に吸収のあるＣＯ結合を持つガス（例えば、１０μｍ付近に吸収がある気化したアルコール）であれば、活性層にＩｎＡｓＳｂを利用することが好ましい。
【００３５】
ＬＥＤの第１の光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長にチューニングすることにより、光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、ガスセンサの構造が簡略化され、より好ましい形態となる。
【００３６】
［第１センサ部］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、第１センサ部は、第１基板の第１主面上に形成される。第１センサ部の配置位置は、第１の光源から出力された光のうち、第１基板の第１主面と対向する第２主面において反射した光が入射する位置であれば特に制限されない。信号処理の応答速度の観点から、第１センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。更に被検出ガスの吸収波長に応じてＧａ、Ａｌ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
また、温度特性を揃える観点から、第１センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、第１の光源の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
【００３７】
センサ部を回路（増幅器）に接続した場合のＳ／Ｎ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳ／Ｎ比が実現できる。そのため、本実施形態の第１センサ部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
また、第１の光源と第１センサ部とが同じ第１基板に配置されているため、第１センサ部に入射する光量は、第２センサ部に入射する光量よりも大きくなる傾向がある。このため、第１センサ部の受光部の総面積は、第２センサ部の受光部の総面積よりも小さくすることができる。これにより、ガスセンサのより一層の小型化が図られる。
【００３８】
［第２基板］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、第２基板は第１主面上に第２センサ部を有していれば特に制限されない。第２主面側から入射した光は、第２基板内部を通過して、第２センサ部に入射される。
第２基板の材料は特に制限されない。例えばＳｉ基板、ＧａＡｓ基板、サファイヤ等が挙げられるがこの限りではない。測定感度向上の観点から、第２基板の材料は、第２主面側から入射した光に対する透過性が高いものであることが好ましい。
小型化の観点から、第２基板は、第１基板と互いに側面を対向させて隣り合って配置され、第１基板と第２基板との間に光遮断部が配置されることが好ましい。この形態のガスセンサは、後述の光反射部を備えることが好ましい。また、上記の光遮断部は、第１基板及び第２基板の接合部に配置されることが好ましい。該光遮断部を有することにより、第１の光源から出力された光がガスセル内の空間を通過せずに第２センサ部に入射することを防ぐことができ、検出感度（ガス濃度変化による信号の変化）を向上することができるため好ましい。
【００３９】
［第２センサ部］
第１の態様に係るガスセンサにおいて、第２センサ部は、第２基板上に配置されるものであれば特に制限されない。前述のとおり、第２センサ部と第１センサ部の温度特性を同等のものにする観点から、第２センサ部と第１センサ部は、その製造工程において同一基板上に形成されたものであることが好ましく、同じ積層構造を有することがより好ましい。
信号処理の応答速度の観点から、第２センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことが好ましい。
測定感度向上の観点から、第１基板の第２主面から放射された光が第２センサ部に入射するまでの光路中に、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタを有することが好ましい。第１の光源から出力される光が広範な波長帯の光である場合、特に上記光学フィルタを有することが好ましい。
【００４０】
第１センサ部を有する第１基板と第２センサ部を有する第２基板は元々同じウエハーであり、第１センサ部と第２センサ部が同様の積層構造であると、第１センサ部と第２センサ部間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果がより発揮することができる。具体的に、第１センサ部の感度がＲｉ２（λ）［Ａ／Ｗ］、第２センサ部２の感度がＲｉ２（λ）［Ａ／Ｗ］  だとすると、｜Ｒｉ２（λ）−Ｒｉ１（λ）｜／（Ｒｉ１（λ））が２０％以内であればよく、１０％以下にすると更に良く、５％以下にすると更に好ましいが、２％以内、更に１％以下であった方が本発明の効果を更に発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。
【００４１】
［光反射部］
被検出ガスに対する検出感度向上の観点から、第１の態様に係るガスセンサは、第１基板及び第２基板の第２主面側のガスセル空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第１基板及び第２基板からそれぞれ離れた位置であって、第１基板の第２主面側及び第２基板の第２主面側に、光反射部を備えることが好ましい。該光反射部は、第１基板の第２主面から放射された光を反射し、該反射された光が第２センサ部に入射するものであることが好ましい。効率的に第２センサ部に光を入射させるために、該光反射部は、集光型光反射部であることが好ましい。
【００４２】
［光遮断部］
第１の光源から出射した光のうち、第２センサ部に入力される光は、全てガスセル内の空間を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、第１の光源と第１センサ部が配置されている第１基板と第２センサ部が配置される第２基板とを対向して配置する方法がある。一方で、ガスセンサ全体を小型化するためには、第１基板と第２基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましいが、単純に隣り合うように配置すると、第１の光源から出射した光のうち、一部がガスセル内の空間を通過せずに第２センサ部に入力され、ガス濃度の変化に依存する信号変化分がガス濃度の変化に依存しない信号成分（オフセット）になってしまい、ガスセンサの感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第１基板と第２基板とを隣り合うように配置する場合には、第１基板と第２基板との間に光遮断部を備えていることが好ましい。
＜第２の態様＞
次に、第２の態様に係るガスセンサとして、２光源２センサ型のガスセンサについて説明する。このガスセンサの各構成部の説明及び好ましい形態は、上述の第１の態様や、後述の具体的な実施形態等にそれぞれ独立又は組み合わせて適用される。
第２の態様に係るガスセンサは、第１の態様で説明したガスセンサの構成に加えて、第２基板の第１主面上に設けられた、第２の光源をさらに備える。第２センサ部は、この第２の光源から出力された光のうち、第２基板の第１主面と対向する第２主面で反射した光が入射する位置に設定されていることが好ましい。
【００４３】
上記構成により、第１の光源から出力された光は、ガスの有無や濃度等に依存しない環境である第１基板中の光路を通過して第１センサ部（第１の光源からみて、モニタリング用の受光素子）に入射する。このため、使用環境の変化や経年劣化で第１の光源の発光特性が変化した場合でも、第２センサ部（第１の光源からみて、状態検知用の受光素子）による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
また、第２の光源から出力された光についても同様である。即ち、第２の光源から出力された光は、ガスの有無や濃度等に依存しない環境である第２基板中の光路を通過して第２センサ部（第２の光源からみて、モニタリング用の受光素子）に入射する。このため、使用環境の変化や経年劣化で第２の光源の発光特性が変化した場合でも、第１センサ部（第２の光源からみて、状態検知用の受光素子）による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
【００４４】
また、第２の態様に係るガスセンサにおいて、第１センサ部と第２センサ部は、同一の温度特性を有することが好ましい。本実施形態において「同一の温度特性」とは、本発明の効果を妨げない程度に温度特性が概ね揃っている状態を意味する。具体的には、ガスを検出する用途の場合、被検出ガスが存在しない条件下において、ガスセンサの一般的な使用温度範囲（例えば０℃から５０℃の範囲）であるセンサ温度Ｔｘにおいて、第１センサ部の出力信号をＳ１、第２センサ部の出力信号をＳ２とした場合を想定する。この想定下で温度が１℃変化したとき、つまりセンサ温度がＴｘ±１℃となったときに、第１センサ部の出力信号がａ×Ｓ１へ、第２センサ部の出力信号がｂ×Ｓ２へと変化した場合、ａ／ｂが１℃あたり０．８以上１．２以下であることが好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましく、０．９９以上１．０１以下であることがさらに好ましい。
【００４５】
第１センサ部の１℃あたりの出力変化係数ａと、第２センサ部の１℃あたりの出力変化係数ｂの比（ａ／ｂ［／℃］）の最大値と最小値の比が０．８以上１．２以下であれば、第１の光源の発光特性が変化した場合でも、ガスセンサの使用環境温度によらず、発光・受光の信号変動を第１センサ部の出力に基づいて補償することができ、第２センサ部による空間状態の検知を正確に行うことが可能になるため好ましい。また同様に、第２の光源の発光特性が変化した場合でも、ガスセンサの環境温度によらず、発光・受光の信号変動を第２センサ部の出力に基づいて補償することができ、第１センサ部による空間状態の検知を正確に行うことが可能になるため好ましい。
【００４６】
具体的には、第１センサ部及び第２センサ部の各温度を０℃から５０℃まで変化させたときの第１センサ部及び第２センサ部の各出力変化係数（ａ及びｂ）を求める。そして、温度をΔＴ変化させたときの、ａ／ｂ／ΔＴ比を計算する。これにより、上記の１℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。
第１センサ部及び第２センサ部の１℃あたりの出力の変化係数比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第１センサ部及び第２センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第１センサ部及び第２センサ部の温度特性は理論上同一となる。
【００４７】
また、第１センサ部と第２センサ部の温度特性を同じにするには、同一の材料及び同一の積層構造であることに加え、第１センサ部の積層構造と第２センサ部の積層構造とが層毎に同時に製造される（即ち、第１センサ部と第２センサ部とを同時に形成する）ことが好ましい。
また、同一基板上に、同一材料、同一工程で同時に第１センサ部と第２センサ部とを形成することによって、両センサ部の分光感度特性が同一になると共に、両センサ部の温度特性が同一となり、本発明の効果はより発揮される。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。
【００４８】
後述のように、第１基板及び第２基板の少なくとも一方の第２主面上に、若しくは光路の途中に光を選択するような光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を設けることによって、第１センサ部及び第２センサ部の少なくとも一方に入射する光の波長帯を選択することが可能となる。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性（数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ）を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。
基板面積の利用効率の観点から、第１センサ部及び第２センサ部は同一構造の受光部をそれぞれ複数有し、かつ、第１センサ部が有する受光部の数と、第２センサ部が有する受光部の数とが同一であることが好ましい。
【００４９】
第２の態様に係るガスセンサでは、第１センサ部の出力信号（Ｉｐ１）と第２センサ部の出力信号（Ｉｐ２）とに基づいて、発光部からセンサ部に至る間の空間状態の検知（例えば、空間に存在する被検出物質の濃度計算）を行う。このため、ガスセンサの最小分解能は第１センサ部と第２センサ部のＳ／Ｎ比で決まる。
本実施形態では、第１の光源及び第２の光源に電力を供給し、第１センサ部及び第２センサ部からの出力信号を検出する受発光制御部を備える。受発光制御部は、第１の光源及び第２の光源の一方の発光部に電力を供給している間は、他方の発光部に電力を供給しなくてもよい。また、受発光制御部は、第１の光源及び第２の光源に同じ大きさの電力を供給してもよい。或いは、受発光制御部は、第１センサ部と第２センサ部とが同じ温度になるように、第１の光源に供給する電力及び第２の光源に供給する電力を制御してもよい。後述のように、受発光制御部を利用したいくつかの実施形態を説明する。
【００５０】
第１センサ部の感度と第２センサ部の感度とが等しく、第１の光源の発光特性と第２の光源の発光特性とが等しく、さらに、第１センサ部の温度と第２センサ部の温度とが等しいときに、第１センサ部から得られる出力信号と第２センサ部から得られる出力信号が等しくなる。この場合、本発明の効果はより発揮される。
後述のように、第１の光源と第２の光源とが、同一構造で同一組成の化合物半導体積層部からなる場合、受発光制御部が第１の光源と第２の光源とを交互に駆動させることによって、又は、第１の光源と第２の光源とに同一の電力を供給することによって、第１の光源が発熱する熱量と第２の光源が発熱する熱量とが定常的に等しくなり、第１の光源の温度と第２の光源の温度とが等しくなる。
【００５１】
第１の光源が発光する場合、第１センサ部で検出されるＳ／Ｎ比をＳＮＲ１１とし、第２センサ部で検出されるＳ／Ｎ比をＳＮＲ２１とする。また、第２の光源が発光する場合、第１センサ部で検出されるＳ／Ｎ比をＳＮＲ１２とし、第２センサ部で検出されるＳ／Ｎ比をＳＮＲ２２とする。被検出物質を介しない光路（第１の光源から第１センサ部へ、第２の光源から第２センサ部へ）で得られるＳ／Ｎ比は式（１）で示される。
ＳＮＲＲＥＦ＝［（ＳＮＲ１１）１／２＋（ＳＮＲ２２）１／２］１／２・・・（１）
また、被検出物質を透過した光（第１の光源から第２センサ部へ、第２の光源から第１センサ部へ）で得られるＳ／Ｎ比は式（２）で示される。
ＳＮＲＴＲＡＳＭ＝［（ＳＮＲ１２）１／２＋（ＳＮＲ２１）１／２］１／２
・・・（２）
従って、式（１）及び式（２）より、双方向に発光・受光を行うことによって、片方向の場合に比べて、システムのＳＮＲが改善することが分かる。
【００５２】
第１センサ部から得られる信号として、第１の光源が発光した場合の信号Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１及び、第２の光源が発光した場合の信号Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿２がある。第２センサ部から得られる信号として、第２の光源が発光した場合の信号Ｉｐ＿ＲＥＦ＿２及び、第１の光源が発光した場合の信号Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿１がある。出力信号比（Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿１／Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１）及び（Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿２／Ｉｐ＿ＲＥＦ＿２）は、第１基板及び第２基板の各材質、第１基板の第２主面及び第２基板の第２主面の各加工方法、後述のように基板の第２主面上に形成される制御層の有無やその光学特性等によって変化する。
【００５３】
［第１基板、第２基板］
第２の態様に係るガスセンサにおいて、第１基板は、第１主面上に第１の光源と第１センサ部とを有する。また、第２基板は、第１主面上に第２の光源と第２センサ部とを有する。第１基板、第２基板の各材料として、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、サファイヤ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ｇｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第１基板、第２基板にはそれぞれ、センサ部と発光部とを電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作成可能であり、大口径化が可能である観点から、ＧａＡｓ基板が特に好ましい。測定感度向上の観点から、第１基板、第２基板の各材料は、発光部から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、第１基板、第２基板の各材料は、発光素子から出力された光が第２主面において効率的に反射する材料であることが好ましい。さらに、後述のようにインジウム（Ｉｎ）若しくはアンチモン（Ｓｂ）を含む積層構造の第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源を形成しやすい観点から、ＧａＡｓ基板が好ましい。
【００５４】
第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源に用いられる材料としては、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体が好ましく、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）からなる群より選択される少なくとも一つのＩＩＩ族原子と、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）からなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子の化合物半導体であることがより好ましく、ＩｎＳｂ或いは、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｓＩｎＳｂを少なくとも含む化合物半導体であることがよりさらに好ましい。
ガスセンサに用いる場合において、被検出ガスがＣＯ２の場合を想定する。この場合、ＣＯ２の吸収波長４．３μｍ付近での光の吸収を検出するために、第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源に用いられる材料として、ＡｌＩｎＳｂ若しくはＧａＩｎＳｂを利用するとよい。また、気化したアルコールのような気体を検出する場合、さらに長波長（９〜１０μｍ）にする必要がある。この場合は、第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源に、ＡｓＩｎＳｂを利用するとよい。
【００５５】
第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源は同じ膜組成の化合物半導体（即ち、同一組成の化合物半導体積層部）を有すると、本発明の効果を最も発揮できる。同じ膜組成は、同一基板上に同一成膜工程で膜を積層すると実現できる。つまり、第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源は同じウエハー上に形成すると好ましい場合がある。さらに、ウエハー面内で隣り合って形成されたチップのペアを、同じガスセンサに組み込むことが好ましい場合がある。これにより、組み立て後のガスセンサにおいて、成膜工程で生じたウエハー面内の組成バラつきを緩和でき、第１センサ部の温度特性と第２センサ部の温度特性とを等しくすることができ、また、第１の光源の発光特性と第２の光源の発光特性とを等しくすることができるので、高精度の温度補償が可能となる。
【００５６】
また、第１基板の第２主面上、第２基板の第２主面上には、光取り出し効率及び光反射・散乱効率の観点から、制御層を有することが好ましい場合がある。この制御層は、発光素子から出力される光のうち、基板内で散乱する光量及び反射・散乱角度と、基板の第２主面から光路（例えガスセンサの場合、ガスセル）に放射される光量及び放射角度を制御するための層である。
一般的に使われる基板材料の屈折率は高いため、基板から外部への光取り出しは難しく、発光素子から出力された光の多くが基板内で散乱することとなる。第２の態様に係るガスセンサにおいては、第１基板の第２主面上、第２主面の第２主面上に制御層を設けることによって、センサ全体のＳ／Ｎ比を高くする（高分解能が得られる）ように設計することが可能になる。制御層の具体例としては、反射防止膜や、屈折率の異なる多数の材料の積層膜、粗面化した層、又は、それらの組み合わせが挙げられる。
【００５７】
［第１の光源、第２の光源］
第２の態様に係るガスセンサにおいて、第１の光源は第１基板の第１主面上に形成され、第２の光源は第２基板の第１主面上に形成される。第１の光源と第２の光源は、被検出物質（ガス等）によって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。第１の光源、第２の光源の具体的な形態は、第１基板の第１主面上、第２基板の第１主面上にそれぞれ形成できるものであれば何でもよい。具体的な例としては、ＭＥＭＳやＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出物質（ガス等）以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出物質の吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールできるという理由から、ＬＥＤ構造が望ましい場合がある。
【００５８】
発光素子はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）若しくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜したＰＮ接合若しくはＰＩＮ接合の積層構造部をもつことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）として動作し、積層構造部の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。この積層構造部（通称：活性層）がＩｎ又はＳｂを含むことにより赤外線領域の光（即ち、赤外線）を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いることにより、１〜１２μｍの波長を有する光を出力することができる。
【００５９】
活性層がＩｎ及び／又はＳｂを含むようなナローバンドギャップ材料は、一般的に温特（発光素子自体の温度による発光特性の変化）が大きい。しかしながら、第２の態様に係るガスセンサによれば、大きな発光特性の変化であっても常に正確にモニタリングすることが可能であり、このモニタリング結果に基づいて発光素子の動作を制御することで常に一定の発光特性を実現することが可能である。
【００６０】
［第１センサ部、第２センサ部］
第２の態様に係るガスセンサにおいて、第１センサ部は第１基板の第１主面上に形成され、第２センサ部は第２基板の第１主面上に形成される。第１センサ部の配置位置は、第１の光源から出力された光のうち、第１基板の第１主面と対向する第２主面において反射した光が入射する位置である。第２センサ部の配置位置は、第２の光源から出力された光のうち、第２基板の第１主面と対向する第２主面において反射した光が入射する位置である。
【００６１】
また、第１の光源から出力された光のうち、第１センサ部までの光路Ｐ１１の長さをＬ１１、第２センサ部までの光路Ｐ１２の長さをＬ１２とする。また、第２の光源から出力された光のうち、第２センサ部までの光路の長さをＬ２２、第１センサ部までの光路Ｐ２１の長さをＬ２１とする。この場合、信号処理の観点から、Ｌ１２＝Ｌ２１、Ｌ１１＝Ｌ２２が成り立つとよい。さらに、ガスセンサの被検出物質の濃度や吸収率によって、光路Ｐ１２と光路Ｐ２１の透過特性が同様に変化するように設計するとよい。また、高いＳ／Ｎ比を実現できるように、Ｌ１２及びＬ２１が最も長くなるように設計するとよい。
【００６２】
信号処理の応答速度の観点から、第１センサ部、第２センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでもよい。さらに、上記のダイオード構造は、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料にＧａ、Ａｌ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料、を含んでもよい。また、温度特性を揃える観点から、第１センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、発光素子の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
センサ部を回路（増幅器）に接続した場合のＳ／Ｎ比の観点から、本実施形態の第１センサ部、第２センサ部は、複数の受光素子をそれぞれ直列に接続した形態であることが好ましい。その理由は、多数の受光素子を設けることによって、センサ部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳ／Ｎ比を実現できるからである。
【００６３】
また、第１センサ部を有する第１基板と第２センサ部を有する第２基板は元々（即ち、ダイシング前は）同じウエハーであり、第１センサ部と第２センサ部とが同様の積層構造であることが好ましい。これにより、第１センサ部と第２センサ部との間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果をより発揮することができる。具体的には、第１センサ部の感度をＲｉ１（λ）［Ａ／Ｗ］とし、第２センサ部の感度をＲｉ２（λ）［Ａ／Ｗ］とする。このとき、使用温度範囲内（例えば、０〜５０℃）に於いて、｜Ｒｉ２（λ）−Ｒｉ１（λ）｜／（Ｒｉ１（λ））が２０％以内であればよく、１０％以下にするとさらに良く、５％以下にするとさらに好ましいが、２％以内、さらに１％以下であった方が本発明の効果をさらに発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。
【００６４】
［光反射部］
被検出物質（ガス等）に対する検出感度向上の観点から、第２の態様に係るガスセンサは、第１基板の第２主面側及び第２基板の第２主面側に位置する基板外部の空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第１基板及び第２基板からそれぞれ離れた位置であって、第１基板の第２主面側及び第２基板の第２主面側に、光反射部を備えることが好ましい。この光反射部は、第１基板の第２主面から出射した光を反射し、この反射した光を第２センサ部に入射させるものであることが好ましい。また、この光反射部は、第２基板の第２主面から出射した光を反射し、この反射した光を第１センサ部に入射させるものであることが好ましい。第１の光源からの出力光を第２センサ部に効率的に入射させ、第２の光源からの出力光を第１センサ部に効率的に入射させるために、光反射部は集光型光反射部であることが好ましい。
【００６５】
［光遮断部］
第１の光源から出力された光のうち、第２センサ部に入射する光、第２の光源から出力された光のうち、第１センサ部に入射する光は、全て基板外部の空間（外部空間）を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、第１の光源と第１センサ部が配置されている第１基板と第２センサ部が配置される第２基板とを対向して配置する方法がある。同様に、第２の光源と第２センサ部が配置されている第２基板と第１センサ部が配置される第１基板とを対向して配置する方法がある。つまり、第１基板と第２基板とを対向して配置することが好ましい。
【００６６】
一方で、ガスセンサ全体を小型化するためには、第１基板と第２基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましい。但し、単純に側面が隣り合うように配置すると、発光部から出力された光のうち、一部が外部空間を通過せずに隣の基板にある受光部に入力され、外部空間の状態変化に依存する信号変化分が外部空間の状態変化に依存しない信号成分（オフセット）になってしまい、ガスセンサの測定感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第１基板と第２基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置する場合は、第１基板の側面と第２基板の側面との間に光遮断部を備えていることが好ましい。
ここまで、第１基板と第２基板とが独立して存在する場合を説明したが、光遮断部を必要としない場合、第１センサ部、第２センサ部、第１の光源、第２の光源が共通の基板の第１主面上に形成されてもよい。この場合、第１センサ部が第１の光源付近に、第２センサ部が第２の光源に形成されように基板を設計するとよい。
【００６７】
＜実施形態の効果＞
［第１の態様の効果］
第１の態様は、以下の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）第１の光源から第１センサ部に至る光路は第１基板内にあり、該光路中に光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）やガスセル内の空間は存在しない。これにより、該光路中にバンドパスフィルタやガスセル内の空間が存在する場合と比べて、ガスセンサの使用環境によらず、該光路での光の減衰を抑えることができ、第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。
（２）また、第１の光源は一つで足りるため、２つの異なる波長の第１の光源間で光量差が発生することはない。これにより、第１の光源の発光強度を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。
【００６８】
（３）上述したように、第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。また、第１の光源の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、ガスセンサの測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
（４）また、第１センサ部に光学フィルタは不要である。さらに、第１の光源は一つで足りる。このように、ガスセンサを構成する部品数を少なくすることができるため、簡易かつ小型のガスセンサを提供することができる。
【００６９】
［第２の態様の効果］
第２の態様は、以下の効果（５）〜（８）を奏する。
（５）第１の光源から第１センサ部に至る光路は第１基板内にあり、第２の光源から第２センサ部に至る光路は第２基板内にあり、これらの光路中に光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）や外部空間は存在しない。これにより、第１の光源から第１センサ部に至る光路中や第２の光源から第２センサ部に至る光路中に参照信号用バンドパスフィルタや外部空間が存在する場合と比べて、ガスセンサの使用環境によらず、これらの光路での光の減衰を抑えることができる。従って、第１の光源からの光信号を検出するときの第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比及び、第２の光源からの光信号を検出するときの第２センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。
【００７０】
（６）上述したように、第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比及び、第２センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。また、発光部の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、ガスセンサの測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高いガスセンサを提供することができる。
（７）第１の光源付近に配置される第１センサ部の温度と、第２の光源付近に配置される第２センサ部の温度は、それぞれの近くに配置された発光部に供給する（印加する）電力によって、支配される。このため、第１センサ部と第２センサ部とが温度によって変化する感度特性を有する場合でも、第１の光源に供給する電力及び第２の光源に供給する電力を制御することによって、第１センサ部と第２センサ部とを同一温度に近づけることが安易となり、高精度の温度補償が可能となる。
【００７１】
（８）本発明の効果を最大に発揮するためには、第１センサ部の温度特性と第２センサ部の温度特性とが同一である必要がある。ウエハー面内での温度特性のバラつきを最大に緩和し、温度特性を極力同一にするための一つの方法として、ガスセンサの製造工程では、ウエハー面内で隣り合う位置から２つのチップ（即ち、第１基板及び第２基板）をピックアップして実装するとよい。この際、ガスセンサの組み立てのし易さの観点から、両方の基板は同じ形状・同じレイアウトを有することが好ましい。これにより、異なる基板（例えば発光部のみを有する基板及びセンサ部のみを有する基板の２種類の基板）を交合に実装する場合と比べて、組み立てを容易に行うことができるため、好ましい場合はある。
即ち、本実施形態は、経時変化や使用環境の温度変化により生じる、発光・受光の信号変動を補償し、発光部の発光特性が変化した場合でも、又は、温度によって発光素子（第１センサ部、第２センサ部）の感度が変化したとしても、状態検知用のセンサ部による空間状態の検知をより高精度に行うことを可能としたガスセンサを提供することができる。
【００７２】
＜実施形態の適用＞
以上記載したように、本実施形態に係るガスセンサは、種々の機器に適用することが可能であり、例えば建物や測定機器中の特定のガスの濃度を検出するためのガスセンサや、携帯電話やスマートフォンなどの携帯通信機器に搭載されるガスセンサや、自動車や電車、航空機等の移動手段中のガス濃度を検出するためのガスセンサとして用いることができる。
例えば、ＣＯ２濃度は生物の睡眠との相関性があると考えられており、本実施形態に係るガスセンサの測定対象ガスをＣＯ２とした場合、周囲の温度が大きく変化しやすい環境下であっても、高精度にＣＯ２濃度を検出することが可能になり、たとえば、車の運転における居眠り防止装置（例えば、所定のＣＯ２濃度に達したら警報を発する／自動的に換気を行う等）として好適である。
【００７３】
また、本実施形態に係るガスセンサは従来のガスセンサと比較してＳ／Ｎ比が高い為、従来よりも小型・薄型化しても同等以上の性能を示すため、従来適用することが困難であった小型の機器（例えば携帯通信機器）等への適用が可能になる。このような用途においては、実装スペースの制限の観点から、具体的なデバイスの寸法として、横×縦寸法は２０×２０ｍｍ２以下が良く、１５×１５ｍｍ２以下が更に良く、１０×１０ｍｍ２以下は更に望ましく、また、高さ１０ｍｍ以下が良く、５ｍｍ以下は望ましく、３ｍｍ以下はさらに望ましい場合がある。本発明を実施することによって、このような寸法でも高感度・高精度のガスセンサを実現することができる。
【００７４】
さらに、本実施形態に係るガスセンサの構成によれば、ガスセンサ以外の用途の受発光装置としても適用可能である。すなわち、上記で説明した「ガスセンサ」をすべて「受発光装置」に読み替えることで導かれる発明も本明細書の開示事項である。例えば、基板外部の光路空間の状態（ガス以外のものとしては、流体の特定成分の有無や濃度等）を検知することが可能になる。例えば、第１の光源と第２センサ部間（２光源２センサの形態の場合は、第１の光源と第２センサ部間および第２光源と第１センサ部間）の光路空間を流れる物質（例えば水や体液）の成分検知装置又は成分濃度測定装置などに用いることができる。例えば、この成分検知装置又は成分濃度測定装置は、上記の光路空間を流れる物質が血液の場合、血液中のグルコース濃度測定などに用いることができる。
【００７５】
血液中のグルコース検知は、波長９．６μｍの光の吸収を測定することより血糖中のグルコース濃度を測定することができる。すなわち、小型で高精度・高信頼性の非侵襲式のグルコース濃度測定計を実現することができる。このようなグルコース濃度測定計を実現することによって、糖尿病の患者が自分自身で、侵襲式の方法で生じるようなダメージを皮膚に与えずに、精度良く血糖値を調べることができ、投薬（例えばインスリン）のより正確な管理を実現することができる。
【００７６】
＜実施形態の具体例＞
次に、図面を参照して本実施形態の具体例（第１〜第２１実施形態）について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図１に示すように、このガスセンサは、被検出ガスを導入することが可能なガスセル１０と、被検出ガスによって吸収される波長を含む赤外線領域の光（即ち、赤外線）を出力する第１の光源２０と、第１の光源２０から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部３１及び第２センサ部３２と、第１の光源２０と第１センサ部３１を第１主面４１１上に有する第１基板４１と、第２センサ部３２を第１主面４２１上に有する第２基板４２と、を有するガスセンサである。
【００７７】
このガスセンサにおいて、第１センサ部３１は、第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第１主面４１１と対向する第２主面４１２において反射した光（破線で示す）が入射する位置に配置されている。また、第１基板４１と第２基板４２はガスセル１０内で第２主面４１２と第２主面４２２を対向して配置されており、このガスセル１０内の空間を挟んで、第１の光源２０と第２センサ部３２は対向する位置に配置されている。
第１実施形態に係るガスセンサによれば、第１センサ部３１は、第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第１主面４１１と対向する第２主面４１２において反射した光（破線で示す）が入射する位置に配置されている。これにより、使用環境によらず第１の光源２０の発光強度の変化による測定誤差を一定に補償することが可能な簡易、小型、かつ信頼性の高いガスセンサを実現できる。
【００７８】
［第２実施形態］
図２は本発明の第２実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図２に示すように、このガスセンサでは、第１基板４１と第２基板４２とが互いに側面（即ち、外周側面の一部）を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第１基板４１と第２基板４２とが平行配置されている点で第２実施形態は第１実施形態と異なる。それ以外の構成については、第２実施形態は第１実施形態と同じである。なお、第１基板の第２主面から出射した光を第２センサ部に効率的に入射させる観点から、第２実施形態及び、後述の第３、第５、第６実施形態では特に、ガスセル１０の内壁の一部が高い反射率の材料で覆われていることが好ましい。
第２実施形態に係るガスセンサによれば、第２基板４２と第１基板４１とを平行配置させていることにより、ガスセンサの更なる小型化が可能である。
【００７９】
［第３実施形態］
図３は本発明の第３実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図３に示すように、このガスセンサでは、第１基板４１と第２基板４２の間に光遮断部５０が設けられている。この光遮断部５０が設けられている点で、第３実施形態は第２実施形態と異なる。この光遮断部５０には封止樹脂を利用しても良い。それ以外の構成については、第３実施形態は第２実施形態と同じである。
第３実施形態に係るガスセンサによれば、光遮断部５０を備えることにより、第１の光源２０から出力された赤外線領域の光（即ち、赤外線）のうち、第１基板４１の第２主面４１２で反射した光が、第１センサ部３１には到達するが、第２センサ部３２には到達しない。第２センサ部３２に到達する光は全てガスセル１０内の空間を通過した光となるため、より高精度なガス検知が可能になる。
【００８０】
［第４実施形態］
図４は本発明の第４実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図４に示すように、このガスセンサは、第１基板４１の第２主面４１２側及び第２基板４２の第２主面４２２側のガスセル空間中に、光反射部６０を備える。即ち、このガスセンサは、ガスセル１０内の第１基板４１及び第２基板４２からそれぞれ離れた位置に配置され、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光を第２センサ部３２に向けて反射する光反射部６０を備える。この光反射部６０が設けられている点で、第４実施形態は第２実施形態と異なる。それ以外の構成については、第４実施形態は第２実施形態と同じである。
第４実施形態に係るガスセンサによれば、光反射部６０を備えることにより、第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第２主面４１２から出射した赤外線（一点破線）を、該光反射部６０で反射し選択的に第２センサ部３２に入射させることが可能になるため、より高感度なガスセンサを実現することが可能になる。
【００８１】
［第５実施形態］
図５は本発明の第５実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図５に示すように、このガスセンサは、第１基板４１の第２主面４１２上に設けられ、第１の光源２０から出力される光のうち、第１基板４１内で散乱する光（点線）の光量と、第１基板４１の第２主面４１２からガスセル１０内の空間へ放射される光（一点破線）の光量及び放射角度とを制御する制御層７０を備える。この制御層７０を備える点で、第５実施形態は第２実施形態と異なる。それ以外の構成については、第５実施形態は第２実施形態と同じである。
第５実施形態に係るガスセンサによれば、制御層７０を備えることにより、第１センサ部３１に入射させたい光量と第２センサ部３２に入射させたい光量の比率を制御することができ、高Ｓ／Ｎ比のセンサを容易に設計することが可能になる。この制御層７０は第２基板４２の第２主面に設けても良い。
【００８２】
［第６実施形態］
図６は本発明の第６実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図６に示すように、このガスセンサは、第１基板の第２主面上に設けられ、第１の光源から出力された光を第１センサ部に向けて反射する光反射層７０１を備える。光反射層７０１に使われる材料としては、光の反射をする材料であれば何でも良く、金属光沢をもつ全反射する材料であれば更に良い。具体的には、反射率が良いという観点から、ＡｌやＡｕを含む材料は好ましい場合がある。この光反射層７０１を備える点で、第６実施形態は第２実施形態と異なる。それ以外の構成については、第６実施形態は第２実施形態と同じである。
第６実施形態に係るガスセンサによれば、光反射層７０１を備えることにより、第１センサ部３１に入射させたい光量を高めることができる。これにより、第１センサ部３１の信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。場合によって、Ｓ／Ｎ比を保ったまま第１センサ部の受光面積を小さくし、基板の利用効率を高めることができる。
【００８３】
［第７実施形態］
図７は本発明の第７実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。図７において、符号２０１、３１１、３２１は第１導電型の半導体層（例えばＮ型半導体層）であり、符号２０２、３１２、３２２は第２導電型の半導体層（例えばＰ型半導体層）であり、符号２０３、２０４、３１３、３１４、３２３、３２４は電極を示す。
図７に示すように、第１の光源２０は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型の半導体層２０１と、半導体層２０１上に形成された第２導電型の半導体層２０２及び電極２０３と、半導体層２０２上に形成された電極２０４とを有する。
また、第１センサ部３１は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型の半導体層３１１と、半導体層３１１上に形成された第２導電型の半導体層３１２及び電極３１３と、半導体層３１２上に形成された電極３１４とを有する。
【００８４】
第２センサ部３２は、例えば、第２基板４２の第１主面４２１上に形成された第１導電型の半導体層３２１と、半導体層３２１上に形成された第２導電型の半導体層３２２及び電極３２３と、半導体層３２２上に形成された電極３２４とを有する。
ここで、第１導電型の半導体層２０１、３１１、３２１は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第２導電型の半導体層２０２、３１２、３２２は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。  
なお、図７においては、第１センサ部３１、第２センサ部３２は一つの素子として示したが、Ｓ／Ｎ比の観点から複数の素子を電気的に接続して各々一つのセンサ部としてもよい。また、発光効率の観点から、第１の光源２０も電気的に接続された多数の素子であっても良い。また、第１導電型の半導体層２０１、３１１、３２１と、第２導電型の半導体層２０２、３１２、３２２の間にそれぞれ真正半導体層（いわゆるｉ型半導体層）を挿入し、ＰＩＮ接合を形成してもよい。
【００８５】
第７実施形態に係るガスセンサによれば、第１導電型の各半導体層２０１、３１１、３２１及び第２導電型の各半導体層２０２、３１２、３２２として、材料及び膜厚がそれぞれ同様のものを採用することにより、第１の光源２０、第１センサ部３１、第２センサ部３２が同じ温度特性を示す様になり、環境温度の変化によらず、高精度なガスセンサを実現することが可能になる。
【００８６】
［第８実施形態］
図８は本発明の第８実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図８に示すように、このガスセンサは、第２実施形態に係るガスセンサに、第３〜第６実施形態のガスセンサの特徴を全て組み込んでいる。第８実施形態に係るガスセンサによれば、第２〜第６実施形態の特徴を全て組み込むことにより、最も高精度・高感度な小型のガスセンサを実現することが可能になる。図８に示す光遮断部５０は第３実施形態（図３）で説明した光遮断部と同様の役割を持つ。
【００８７】
［第９実施形態］
図９は本発明の第９実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図９に示すように、このガスセンサは、第１実施形態に係るガスセンサの第１基板４１及び第２基板４２をそれぞれ封止樹脂２００で封止し、かつ、第１の光源２０、第１センサ部３１及び第２センサ部３２に対して、駆動部や信号処理部を接続した例である。
即ち、第９実施形態に係るガスセンサは、第１の光源２０に対して電力を供給するための光源電源供給部１０１と、第１センサ部３１及び第２センサ部３２からの出力信号が入力され、被検出ガスのガス濃度を演算するガス濃度演算部１０４と、を備える。低消費電力化の観点から、光源電源供給部１０１はパルス状の信号（電圧または電流）を第１の光源２０に与えるものであることが好ましい。
第９実施形態に係るガスセンサによれば、第１の光源２０、第１センサ部３１及び第２センサ部３２に対して、駆動部や信号処理部を接続することにより、ガスセル１０内に導入された被検出ガスのガス濃度を自動的に算出し、その結果を出力することができる。
【００８８】
［第１０実施形態］
図１０は本発明の第１０実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図１０に示すように、このガスセンサは、第９実施形態に係るガスセンサに対して、第１センサ部３１からの出力信号を増幅するための第１増幅部１０２、第２センサ部３２からの出力信号を増幅するための第２増幅部１０３、ガスセル１０内の温度を測定するための温度測定部１０５、及び、光源電源供給部１０１と第１増幅部１０２と第２増幅部１０３とに駆動信号を供給するための駆動信号供給部１０６をさらに備える。
【００８９】
低消費電力化の観点から、駆動信号供給部１０６が供給する信号は、光源電源供給部１０１、第１増幅部１０２及び第２増幅部１０３の動作タイミングを決めるパルス状の同期信号であることが好ましい。
環境温度に起因したずれを補償するために、ガスセル１０周囲または内部の温度を測定する温度測定部１０５を備えていることが好ましい。環境温度によって、第１の光源２０の発光スペクトルが変化する場合がある。また、被検出ガスの種類によっては、環境温度によって光の吸収量が変化する場合がある。そこで、温度測定部１０５を備えていれば、該温度測定部１０５により得られる温度情報をガス濃度演算部１０４に与えることで、環境温度に起因するずれを補償することが可能になるため好ましい。
【００９０】
高Ｓ／Ｎ比で信号を増幅する観点から、第１増幅部１０２及び第２増幅部１０３は、ＰＳＤ（Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）機能を持つアンプ（通称：Ｌｏｃｋ−ｉｎ  Ａｍｐ）であることが好ましい。このＰＳＤ機能を持つアンプを用いる場合は、駆動信号供給部１０６から出力される信号がパルス状の同期信号であることが好ましい。
【００９１】
第１０実施形態に係るガスセンサによれば、駆動信号供給部１０６が、光源電源供給部１０１、第１増幅部１０２及び第２増幅部１０３にそれぞれ動作タイミングを決めるパルス状の同期信号を送信することにより、ガスセンサの低消費電力化が可能になる。さらに、温度測定部１０５がガス濃度演算部１０４に温度情報を与えることで、環境温度に起因するずれを補償することが可能になる。
【００９２】
［第１１実施形態］
図１１は本発明の第１１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図１１に示すように、このガスセンサは、第１基板４１と、第２基板４２、４２´とを備える。即ち、２つの第２基板を備える。第２基板４２、４２´の各々の第２主面（裏面）に異なる波長を透過するバンドパスフィルタｆ１、ｆ２を設けることによって、同時に２種類のガスを検出するこができる。当然ながら、３つ以上の第２基板を備えても良い。また、第２基板を共通にして、その第１主面上に多数（２つ以上）の受光部を設け、それぞれの受光部に光軸を合わせた光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を設けても良い。
【００９３】
第１１実施形態に係るガスセンサは、混合ガスの検出時にその効果が発揮できる。例えば、ガスセル１０内に導入される被検出ガスがＡガスとＢガスの混合ガスの場合、ガスＡが波長１に吸収があり、ガスＢが波長２に吸収を持つとした場合を考える。この場合、第２基板４２に波長１の光を透過するバンドパスフィルタｆ１を設け、第２基板４２´に波長２の光を透過するバンドパスフィルタｆ２を設けた構成のガスセンサを利用する。第２基板４２に設けられた第２センサ部３２の出力信号の強度と、第２基板４２´に設けられた第２センサ部３２´の出力信号の強度より、各々のガスの濃度を求めることができる。
【００９４】
また、ガスセル１０内に導入される被検出ガスがＡガスとＢガスの混合ガスの場合、ガスＡが波長１と波長２に吸収があり、ガスＢが同様に波長１と波長２に吸収を持つが、吸収割合はガスＡとガスＢで異なる場合を考える。この場合、第２基板４２に波長１の光を透過するバンドパスフィルタｆ１を設け、第２基板４２´に波長２の光を透過するバンドパスフィルタｆ２を設けた構成のガスセンサを利用する。第２基板４２に設けられた第２センサ部３２の出力信号の強度と、第２基板４２´に設けられた第２センサ部３２´の出力信号の強度を調べることによって、ガスセル１０内に導入されている被検出ガスにおけるガスＡとガスＢの混合割合を判断できる。
【００９５】
［ガス濃度演算方法］
次に、本実施形態に係るガスセンサを用いたガス濃度演算方法の具体例について説明する。第１センサ部３１が出力する信号をＩｐ１、第２センサ部３２が出力する信号をＩｐ２とする。Ｉｐ１とＩｐ２は式（３）及び式（４）で示すことができる。
Ｉｐ１  ＝  ＲｉＲＥＦ（Ｔ）  ×  φ（Ｔ）  ×  α    ・・・（３）
Ｉｐ２  ＝  ＲｉＧＡＳ（Ｔ）  ×  φ（Ｔ）  ×β×（１−Ａ（Ｃ））
・・・（４）
但し、
Ａ        ・・・  ガス濃度による吸収率
Ｃ        ・・・  ガス濃度
φ        ・・・  第１の光源の発光強度
α        ・・・  第１の光源から第１センサ部への伝達率
β        ・・・  基板からの光取り出し効率（若しくは、被検出物質（ガスなど）の吸収が無い場合の第１の光源から第２センサ部への伝達率）
Ｉｐ１    ・・・  第１センサ部の出力信号
Ｉｐ２    ・・・  第２センサ部の出力信号
ＲｉＲＥＦ・・・  第１センサ部の感度
ＲｉＧＡＳ・・・  第２センサ部の感度
【００９６】
図９又は図１０に示したガス濃度演算部１０４での演算方法の一つの例として式（５）を示す。
演算結果＝Ｉｐ２／Ｉｐ１
＝（ＲｉＧＡＳ（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ）））／（ＲｉＲＥＦ（Ｔ）×α）                                ・・・（５）
ここでは第１の光源の温度特性がそれぞれのセンサの温度特性が異なっていても良いが、第１センサ部の温度特性ｇ１（Ｔ）と第２センサ部の温度特性ｇ２（Ｔ）が等しいか、比例関係を持つのであれば、Ｉｐ２／Ｉｐ１∝（１−Ａ（Ｃ））となり、ガスセンサとしての温度依存性が除去でき、ガスの分子が吸収するときの真正な吸収率を得ることができる。また、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則より、（１−Ａ（Ｃ））からガス濃度Ｃを抽出することができる。
【００９７】
ここでは、α、βが波長に応じて変化しない、また温度によって変化しないことと仮定したが、仮に、変化したとしても、ＬＥＤ及び／若しくは第１センサ部の温度を測定し、この測定結果を温度補償に利用しても良い。基本的に、ガスセンサの分解能は式（６）で示すことができる。
分解能＝（ΔＣ／ΔＩｐ）／（ＳＮＲ）    ・・・（６）
但し、ΔＩｐはセンサの信号変化
ΔＣは被検出ガス濃度変化
ＳＮＲは第１の光源がＯＮとＯＦＦした場合（パルス駆動）に得られるセンサ部のＳ／Ｎ比を示す。
【００９８】
［経時変化補償］
式（５）から分かるように、第１の光源の光量は演算結果に表れないので、第１の光源が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、ガス濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係るガスセンサは、第１の光源２０と第１センサ部３１とが同一基板（第１基板４１）上に形成されており、第１の光源２０から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、第１の光源２０からの発光量を正確に測定することが可能である。第１の光源が多数の発光部からなる場合は、各発光部が発光する各々の光量の測定が可能になるように、第１の光源２０の各受光部と第１センサ部３１の各受光部の配置を適切に設計すればよい。
【００９９】
上記の第１の光源を連続的にＯＮ／ＯＦＦ（パルス駆動）し、また第１の光源がＯＮの時の信号とＯＦＦの時の第１センサ部及び第２センサ部からの信号を読み取り、その信号差を利用することによって外乱や回路によるオフセットが除去できる。その理由は回路や外乱によるオフセットは第１の光源のＯＮ／ＯＦＦに寄らず常に生じているため、ＯＮ時とＯＦＦ時の信号差を取ると、該オフセット成分が除去されるからである。
【０１００】
外乱の輻射及び回路オフセット揺らぎの周波数に対して、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を十分高い値に設定することによりオフセットの除去効果はより著しくなる。具体的には外乱とオフセットの変動周波数帯が０〜１ｋＨｚの場合、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え周波数をその１０倍（１０ｋＨｚ）程にすると良い。一般的にはこのオフセットのパワースペクトルは周波数ｆに反比例し、１／ｆと計算できる（通称：ピンクノイズ、１／ｆノイズ）。そのため、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を、１／ｆノイズの現れない周波数帯に設定すると良い。また、ここで説明したＯＮ／ＯＦＦというような信号変調方式の他に、通信システムによく使われる振幅変調方式（ＡＭ：Ａｍｐｌｉｔｕｔｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いても良い。
【０１０１】
上記の分解能が小さい程、低いガス濃度（ＣＯ２の場合、例えば数１０ｐｐｍ程度）の測定が可能である。上記の関係より、ガスの吸収量とセンサ側のＳ／Ｎ比がトレードオフの関係を持つため、第１の光源からある光量の出力が得られる場合、この光量に対して最良の分解能を得るのに最適なガス路長を設計する必要がある。
ガスセンサ全体の消費電力の低減を目指し、第１の光源を低電流で駆動し、ガスセルを長くしすぎると、十分なＳ／Ｎ比がとれないことがある。つまり、短いガス路が必要となるが、ガス路が短い程、ガスの濃度の変化による信号の変化よりも、温度による信号の変化が著しくなる。この場合、効果的な温度補償方法が不可欠となる。
【０１０２】
また第１センサ部及び第２センサ部は、高速に動作することができる（高速光パルスに応答をもつ）ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、ガスセンサの内部の温度を知ることができる。この方法を利用することで、温度測定部１０５を別途設ける必要がなくなるため、少ない部品数で温度補償が可能なガスセンサを実現できる。
【０１０３】
［第１２実施形態］
図１２は本発明の第１２実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図１２に示すように、このガスセンサは、第１の光源２０と第１センサ部３１とを第１主面４１１上に有する第１基板４１と、第１の光源２０´と第１センサ部３１´とを第１主面４１１´上に有する第２基板４１´とを備える。第１基板４１と第２基板４２は互いに同一の構造を有する。
【０１０４】
第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第１主面４１１と対向する第２主面４１２で反射した光（破線で示す）は第１センサ部３１に入射し、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光（一点鎖線で示す）は第２基板４１´の第２主面４１２´に入射し第２基板４１´の内部を通って第２センサ部３１´に入射する。また、第２の光源２０´から出力された光のうち、第２基板４１´の第１主面４１１´と対向する第２主面４１２´で反射した光（破線で示す）は第２センサ部３１´に入射し、第２基板４１´の第２主面４１２´から出射した光は第１基板４１の第２主面４１２に入射し第１基板４１の内部を通って第１センサ部３１に入射する。このような条件を満たすように、第１基板４１及び第２基板４１´は、第２主面４１２、４１２´を互いに対向させた状態で配置されている。
【０１０５】
即ち、第１センサ部３１は、第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第２主面４１２において反射した光が入射する位置に配置されている。第２センサ部３１´は、第２の光源２０´から出力された光のうち、第２基板４１´の第２主面４１２´において反射した光（図示せず）が入射する位置に配置されている。
また、第１２実施形態に係るガスセンサは、受発光制御部５０１を備える。受発光制御部５０１は、第１の光源２０及び第２の光源２０´に電力を供給し、第１センサ部３１及び第２センサ部３１´からの出力信号を検出する。受発光制御部５０１は、例えば、第１の光源２０付近に形成された第１センサ部３１の温度と、第２の光源２０´付近に配置された第２センサ部３１´の温度とが等しくなるように、第１の光源２０と第２の光源２０´とにそれぞれ所望の電力を供給する。
【０１０６】
第１センサ部３１の温度と第２センサ部３１´の温度とが等しい場合、第１センサ部３１と第２センサ部３１´の各感度が温度依存性を有していても、高精度の温度補償が可能となる。これにより、動作環境によらず、第１の光源２０の発光強度の変化による測定誤差や、第２の光源２０の発光強度の変化による測定誤差をそれぞれ一定に補償することが可能な、簡易、小型、かつ信頼性の高いガスセンサを実現することができる。
【０１０７】
［第１３実施形態］
図１３は本発明の第１３実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図１３に示すように、このガスセンサでは、第１基板４１と第２基板４１´とが互いに側面（即ち、外周側面の一部）を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第１基板４１と第２基板４１´とが平行配置されている点で第１３実施形態は第１２実施形態と異なる。
【０１０８】
また、このガスセンサでは、第１基板４１の第２主面４１２側及び第２基板４１´の第２主面４１２´側の空間中に、光反射部６０を備える。即ち、このガスセンサは、第１基板４１及び第２基板４１´からそれぞれ離れた位置に配置され、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光を第２センサ部３１´に向けて反射し、第２基板４１´の第２主面４１２´から出射した光を第１センサ部３１´に向けて反射する光反射部６０を備える。
このように、第１基板４１と第２基板４１´とが平行配置されている点、及び、光反射部６０が設けられている点で、第１３実施形態は第１２実施形態と異なる。それ以外の構成については、第１３実施形態は第１２実施形態と同じである。
【０１０９】
第１３実施形態に係るガスセンサによれば、第１基板４１と第２基板４１´とを平行配置させていることにより、ガスセンサの更なる小型化が可能である。また、光反射部６０を備えることにより、第１の光源２０から出力された光のうち、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光（一点破線）を光反射部６０で反射し第２センサ部３１´に選択的に入射させることが可能になる。また、第２の光源２０´から出力された光のうち、第２基板４１´の第２主面４１２´から出射した光（図示無し）を光反射部６０で反射し第１センサ部３１に選択的に入射させることが可能になる。このため、より高感度なガスセンサを実現することが可能になる。
【０１１０】
第１３実施形態では、図１４で示すように、第１基板４１と第２基板４１´との間に、光遮断部５０を設けてもよい。光遮断部５０を設けることによって、第１の光源２０から放出された光が第２基板４１´の側面を介して第２センサ部３１´に入射することを防ぐことができ、第２の光源２０´から放出された光が第１基板４１の側面を介して第１センサ部３１に入射することを防ぐことができるため、好ましい場合がある。この光遮断部５０は第１基板４１と第２基板４１´の封止に使われる樹脂モールドの一部であってもよい。
【０１１１】
［第１４実施形態］
図１５は本発明の第１４実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。第１３実施形態と違って、基板は共通で、一つのみとなる。即ち、第１４実施形態に係るガスセンサは、前述の第１基板及び第２基板が一体化した共通の基板４０を有する。そして、この基板４０の第１の面側４０１側に、第１の光源２０、第１センサ部３１、第２の光源２０´、第２センサ部３１´がそれぞれ配置されている。第１４実施形態に係るガスセンサは、第１の光源２０から第２センサ部３１´への反射光と、第２の光源２０´から第１センサ部３１への反射光とをそれぞれ十分に減衰できるような場合に有効である。また、第１、第１３実施形態と比べて、部品数が少ないため、好ましい場合がある。
【０１１２】
［第１５実施形態］
図１６は本発明の第１５実施形態に係るガスセンサの構成例を示す断面図である。
図１６に示すように、第１の光源２０は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型（例えば、Ｎ型）の半導体層２０１と、半導体層２０１上に形成された第２導電型（例えば、Ｐ型）の半導体層２０２及び電極２０３と、半導体層２０２上に形成された電極２０４とを有する。また、第２の光源２０´は、例えば、第２基板４１´の第１主面４１１´上に形成された第１導電型の半導体層２０１´と、半導体層２０１´上に形成された第２導電型の半導体層２０２´及び電極２０３´と、半導体層２０２´上に形成された電極２０４´とを有する。
【０１１３】
第１センサ部３１は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型の半導体層３１１と、半導体層３１１上に形成された第２導電型の半導体層３１２及び電極３１３と、半導体層３１２上に形成された電極３１４とを有する。第２センサ部３１´は、例えば、第２基板４１´の第１主面４１１´上に形成された第１導電型の半導体層３１１´と、半導体層３１１´上に形成された第２導電型の半導体層３１２´及び電極３１３´と、半導体層３１２´上に形成された電極３１４´とを有する。
【０１１４】
ここで、第１導電型の半導体層２０１、３１１、２０１´、３１１´は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第２導電型の半導体層２０２、３１２、２０２´、３１２´は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。つまり、第１の光源２０、第２の光源２０´、第１センサ部３１、第２センサ部３１´は同じ膜組成の化合物半導体（即ち、同一組成の化合物半導体積層部）を有する。また、図１６に示すように、第１の光源２０と第２の光源２０´は同一構造（即ち、形状と大きさが同じ）である。第１センサ部３１と第２センサ部３１´も同一構造である。
【０１１５】
なお、図１６においては、第１センサ部３１、第２センサ部３１´は一つの素子として示したが、Ｓ／Ｎ比の観点から複数の受光素子を電気的に接続して一つのセンサ部としてもよい。また、発光効率の観点から、第１の光源２０、第２の光源２０´も複数の発光素子を電気的に接続して一つの発光部としてもよい。また、第１導電型の半導体層２０１、３１１、２０１´、３１１´と、第２導電型の半導体層２０２、３１２、２０２´、３１２´の間にそれぞれ真正半導体層（いわゆるｉ型半導体層）を挿入し、ＰＩＮ接合を形成してもよい。
【０１１６】
第１５実施形態に係るガスセンサによれば、第１導電型の各半導体層２０１、３１１、２０１´、３１１´及び第２導電型の各半導体層２０２、３１２、２０２´、３１２´として、材料及び膜厚がそれぞれ同様のものを採用することにより、第１の光源２０、第２の光源２０´、第１センサ部３１、第２センサ部３１´が同じ温度特性を示すようになり、環境温度の変化によらず、高精度なガスセンサを実現することが可能になる。
また、第１の光源２０、第２の光源２０´、第１センサ部３１、第２センサ部３１´が同じ温度特性を示すことから、第１の光源２０及び第２の光源２０´に同じ大きさの電力を供給することにより、第１の光源２０及び第２の光源２０´を同じ温度に発熱させることができる。これにより、第１センサ部３１及び第２センサ部３１´を同じ温度にすることが可能となる。
【０１１７】
［第１６実施形態］
図１７は本発明の第１６実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図１７に示すように、このガスセンサは、第１２実施形態に係るガスセンサの第１基板４１及び第２基板４１´をそれぞれ封止樹脂２００、封止樹脂２００´で封止し、かつ、第１の光源２０、第１センサ部３１、第２の光源２０´、第２センサ部３１´に対して、受発光制御部５０１を接続した例である。
第１６実施形態に係るガスセンサは、第１基板４１と第２基板４１´との間の空間を囲み、この空間に被検出物質（ガス等）を導入することが可能なガスセル１０を有してもよい。図示しないが、このガスセル１０には、被検出物質を導入するための導入口が設けられている。
【０１１８】
この第１６実施形態に係るガスセンサでは、第１基板４１と第２基板４１´は、第２主面４１２、４１２´を互いに対向させた状態で配置されている。これにより、第１の光源２０から放出された光のうち、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光は、ガスセル１０内の空間を通って、第２基板４１´の第２主面４１２´に入射し第２基板４１´を通って第２センサ部３１´に入射する。また、第２の光源２０´から放出された光のうち、第２基板４１´の第２主面４１２´から出射した光は、ガスセル１０内の空間を通って、第１基板４１の第２主面４１２に入射し第１基板４１を通って第１センサ部３１に入射する。つまり、ガスセル１０内には、光路となる空間（光路空間）が存在する。
【０１１９】
図１８は、第１６実施形態における回路構成の一例を示す図である。図１８では、受発光制御部５０１のより詳細な構成例を示すと共に、第１センサ部３１、第２センサ部３１´にフォトダイオードを利用し、第１の光源２０、第２の光源２０´にＬＥＤを利用した場合の回路構成を示す。
図１８に示すように、受発光制御部５０１は、例えば、第１の光源２０に電力を供給して第１の光源２０を駆動する（即ち、発光させる）第１駆動部５０２と、第２の光源２０´に電力を供給して第２の光源２０´を駆動する第２駆動部５０２´と、第１センサ部３１の信号を処理する第１信号処理部５０３と、第２センサ部３１´の信号を処理する第２信号処理部５０３´と、第１信号処理部５０３と第２信号処理部５０３´とからの信号を演算（例えば、セル透過特性の算出、物質やガスの濃度計算等）する演算部５０４と、第１駆動部５０２、第２駆動部５０２´及び演算部５０４を制御する制御回路５０５と、を備える。
【０１２０】
第１信号処理部５０３及び第２信号処理部５０３´の具体的な例としては、Ｉ／Ｖ変換アンプが挙げられる。Ｉ／Ｖ変換アンプは第１センサ部３１、第２センサ部３１´がフォトダイオードの構造を有する場合、その出力電流を電圧に変換することができるため、有効である。低消費電力化の観点から、第１駆動部５０２及び第２駆動部５０２´はパルス状の信号（電圧又は電流）を第１の光源２０、第２の光源２０´に与えるものであることが好ましい。
【０１２１】
第１６実施形態に係るガスセンサによれば、図１８に示すように、第１の光源２０、第２の光源２０´、第１センサ部３１及び第２センサ部３１´に対して、受発光制御部５０１を接続する。即ち、第１の光源２０の両端の接続端子に第１駆動部５０２を接続する。第２の光源２０´の両端の接続端子に第２駆動部５０２´を接続する。第１センサ部３１の両端の接続端子に第１信号処理部５０３を接続する。第２センサ部３１´の両端の接続端子に第２信号処理部５０３´を接続する。
これにより、ガスセル１０内の光路空間の状態（特定のガスの有無や濃度、流体の特定成分の有無や濃度等）を検知することが可能になる。図１８に示すガスセンサは、第１の光源２０と第２の光源２０´とを交互に駆動させてもよい。図１９（ａ）は第１の光源２０を駆動しているときの信号流れを示し、図１９（ｂ）は第２の光源２０´を駆動しているときの信号の流れを示している。
【０１２２】
［第１７実施形態］
図２０は、本発明の第１７実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図２０に示すように、第１７実施形態に係るガスセンサは、例えば切り替えスイッチ５２１、５２２を利用して、第１の光源２０、第２の光源２０´に対して電力を交互に供給する駆動部５１２を有する。即ち、第１７実施形態では、第１の光源２０、第２の光源２０´を共通の駆動部５１２で交互に駆動する。この交互駆動は、切り替えスイッチ５２１、５２２を利用することによって行うことができる。
発光部に流れる電流が大きい場合、駆動部のサイズ（例えば、ＬＳＩの場合、回路が占めるチップ面積）は大きくなってしまう場合があるので、駆動部を１つにすることで、回路・ＬＳＩ全体のサイズを縮小することができ、チップの利用効率が改善できる。つまり、発光部の発光電流が大きい場合、例えば、１ｍＡ以上、若しくは１０ｍＡ以上、若しくは５０ｍＡ以上、若しくは１００ｍＡ以上の場合、第１７実施形態は有効である。
【０１２３】
［第１８実施形態］
図２１は、本発明の第１８実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図２１に示すように、第１８実施形態に係るガスセンサにおいて、受発光制御部５０１は、例えば、周波数Ｆ１で第１の光源２０を駆動する第１駆動部５０２と、周波数Ｆ２で第２の光源を駆動する第２駆動部５０２´と、第１信号処理部５０３と、第２信号処理部５０３と、第１復調器５３１と、第２復調器５３１´と、演算部５０４とを有する。なお、Ｆ１とＦ２は異なる数値である（Ｆ１≠Ｆ２）。
第１復調器５３１は、周波数Ｆ１で変調された２つの信号成分、つまり第１の光源２０から第２センサ部３１´へ入射した信号及び、第１の光源２０から第１センサ部３１へ入射した信号を復調する。第２復調器５３１´は、周波数Ｆ２で変調された２つの信号成分、つまり第２の光源２０´から第１センサ部３１へ入射した信号及び、第２の光源２０´から第２センサ部３１´へ入射した信号を復調する。演算部５０４は、第１復調器５３１、第２復調器５３１´からの信号を受け、物質の透過率（ガス濃度等）に応じた演算結果を出力する。
【０１２４】
第１８実施形態では、第１の光源２０が周波数Ｆ１の信号で駆動されると同時に、第２の光源２０´が周波数Ｆ２（Ｆ１≠Ｆ２）で駆動される。第１８実施形態では、切り替えスイッチを利用せずに、両方の発光部を駆動することができるため、第１センサ部３１、第２センサ部３１´の温度差はさらに生じにくくなり、高精度の温度補償ができる。
この場合、第１の光源２０から周波数Ｆ１で変調され、第１基板４１の内部を通って第１センサ部３１に入射した信号Ｉｐ＿ｒｅｆ＿ｆ１と、第２の光源２０´から周波数Ｆ２で変調され、光路空間を通って第１センサ部３１に入射した信号（即ち、被検出物質を透過した光に応じた信号）Ｉｐ＿ｔｒａｓｍ＿ｆ２の２つの信号の組み合わせが、第１信号処理部５０３で検出される信号Ａとなる。また、第２の光源２０´から周波数Ｆ２で変調され、第２基板の内部を通って第２センサ部３１´に入射した信号Ｉｐ＿ｒｅｆ＿ｆ２と、第１の光源２０から周波数Ｆ１で変調され、光路空間を通って第２センサ部３１´に入射した信号（即ち、被検出物質を透過した光に応じた信号）Ｉｐ＿ｔｒａｎｓｍ＿ｆ１の２つの信号の組み合わせが、第２信号処理部５０３´で検出される信号Ｂとなる。
【０１２５】
第１復調器５３１は、信号Ａ、信号Ｂ、周波数Ｆ１の同期信号ｒｅｆ１を受け、復調されたＩｐ＿ｒｅｆ＿ｆ１及び復調されたＩｐ＿ｔｒａｓｍ＿ｆ１を出力する。第２復調器５３１´は、信号Ａ、信号Ｂ、周波数Ｆ２の同期信号ｒｅｆ２を受け、復調されたＩｐ＿ｒｅｆ＿ｆ２及び復調されたＩｐ＿ｔｒａｎｓｍ＿ｆ２を出力する。
第１復調器５３１、第２復調器５３１´はそれぞれの周波数での振幅成分の信号を分離することができれば、どのような構成でもよい。第１復調器５３１、第２復調器５３１´の一例として、Ｌｏｃｋ−ｉｎ  Ａｍｐが挙げられる。Ｌｏｃｋ−ｉｎ  Ａｍｐは、様々な周波数成分を有する信号から、参照信号（上記ではｒｅｆ１及びｒｅｆ２の様な同期信号）と同じ周波数の信号のみを抽出し、出力することができるため、本発明では有効である。
【０１２６】
［第１９実施形態］
図２２は、本発明の第１９実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
図２２に示すように、第１９実施形態に係るガスセンサは、第１の光源２０及び第１センサ部３１に加えて、第１温度測定部５１が形成された第１基板４１と、第２の光源及び第２センサ部に加えて、第２温度測定部５１´が形成された第２基板４１´とを有する。
第１温度測定部５１と第２温度測定部５１´は互いに同様の構造を有し、第１センサ部３１の温度及び第２センサ部３１´の温度をそれぞれ精密に測定できる構造であれば、どのような構造でもよい。具体的な例としては、  第１温度測定部５１と第２温度測定部５１´は、発光部及びセンサ部と同様のフォトダイオード構造を有してもよい。
【０１２７】
図２３は、第１温度測定部５１がサーミスタ構造からなる場合を示している。第１温度測定部５１をサーミスタ構造とする場合は、第１温度測定部５１をフォトダイオードの例えばＮ層（基板の第１主面に近い半導体層が望ましい）を利用して、同一基板、同一製造工程で形成できるため、好ましい場合がある。また、サーミスタは電流を印加することによって、センサ部の温度に応じた出力信号を得ることができる。図示しないが、第２温度測定部５１´についても、サーミスタ構造とすることによって、上記と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
図２２に戻って、第１９実施形態に係るガスセンサは、温度制御部５４１をさらに有する。温度制御部５４１は、第１温度測定部５１からの温度情報及び第２温度測定部５１´からの温度情報を受け、第１センサ部３１の温度及び第２センサ部３１´の温度が互いに等しくなるように、第１の光源２０及び第２の光源２０´に必要な電力に応じた制御信号を出力する。
【０１２９】
本発明の第１９実施形態は、特に第１基板４１と第２基板４１´とが離れて配置された場合に有効である。例えば、特定の波長での光吸収が少ない被検出物質の濃度を測定する場合、長い光路が必要となり、設計によって、第１基板４１と第２基板４１´とを離れた場所に設置する必要がある場合もある。この場合、第１基板４１と第２基板４１´は温度勾配などのような熱的外乱の影響は受けやすくなる。しかしながら、第１９実施形態によれば、第１センサ部３１の温度と第２センサ部３１´の温度とをそれぞれ測定し、それぞれの温度が互いに同じになるように、第１の光源２０と第２の光源２０´とにそれぞれの所望の電力を加える。これにより、第１センサ部３１の温度と第２センサ部３１´の温度とを同じにすることができ、高精度の温度補償が可能となる。発光部に供給する電力の制御（変化）の方法として、電流（若しくは電圧）のパルスの幅、パルスの振幅、若しくはパルスのデューティ（Ｄｕｔｙ）比が考えられる。デューティ比は、デューティ値ともいう。
【０１３０】
［第２０実施形態］
図２４は、第２０実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。
第２０実施形態は第１９実施形態と同じく、第１センサ部の温度と第２センサ部の温度を測定し、第１の光源及び第２の光源に必要な電力を供給するために、温度制御部５４１が第１駆動部及び第２駆動部に制御信号を出力する。第２０実施形態と第１９実施形態の相違点は温度測定方法にある。第２０実施形態に係るガスセンサは、第１センサ部３１の抵抗値を算出することができる第１信号処理部５０３を有する（図２４では、第１信号処理部５０３の一例を示し、その他の回路の図示は省略した。）。図２４に示すように、第１信号処理部５０３は、フォトダイオード（例えば、第１センサ部３１）に逆方向電流を流すための電流源５５１と、アンプ５５２と、電流源５５１とアンプの入力端子とに接続されたコンデンサ５５３とを有する。
【０１３１】
第２０実施形態では、フォトダイオードの抵抗値に応じた電圧値が温度情報を有する信号となる。ＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いたフォトダイオード構造では、逆方向バイアスの抵抗値が温度に応じて変化するため、第１センサ部３１の温度を正確に測定することができる。このため、第２０実施形態は、より高精度の温度補償を実現することができる。また、第１センサ部３１が出力する受光強度に応じた信号は、コンデンサ５５３を介して直流成分から分離することができる。
なお、図示しないが、第２信号処理部についても、図２４に示した第１信号処理部と同様の構成とすることができる。
【０１３２】
［第２１実施形態］
本発明の第１から第２１実施形態では、第１の光源２０から第２センサ部３１´までの光路中、及び／又は、第２の光源２０´から第１センサ部３１までの光路中に、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタ（バンドパスフィルタ）を備えてもよい。
図２５は、本発明の第２１実施形態に係るガスセンサの構成例を示す概念図である。図２５に示すように、このガスセンサは、第１基板４１の第２主面４１２側にバンドパスフィルタ３５を有し、第２基板４１´の第２主面４１２´側にバンドパスフィルタ３５´を有する。バンドパスフィルタ３５は第２の光源２０´から第１センサ部３１に至る光路中に配置されている。また、バンドパスフィルタ３５´は第１の光源２０から第２センサ部３１´に至る光路中に配置されている。バンドパスフィルタ３５、３５´は、例えば、互いに異なる波長を透過する光学フィルタである。
【０１３３】
第２１実施形態に係るガスセンサは、例えば、混合物質（混合ガス等）を定性的又は定量的に検出する用途に用いることができる。例えば、セル内に導入される被検出物質がガスＡとガスＢの混合ガスの場合、ガスＡが波長１に吸収があり、ガスＢが波長２に吸収をもつ場合を考える。この場合、第２基板４１´に波長１の光を透過するバンドパスフィルタ３５´を設け、第１基板４１に波長２の光を透過するバンドパスフィルタ３５を設ける。第２基板４１´に設けられた第２センサ部３１´の出力信号の強度と、第１基板４１に設けられた第１センサ部３１の出力信号の強度より、ガスＡ、Ｂの検出や、ガスＡ、Ｂの濃度を求めることができる。
【０１３４】
［流体中特定物質濃度演算方法］
次に、本発明におけるガスセンサを用いた流体中にある特性物質の濃度演算方法の具体例について説明する。第１の光源２０が発光したときの第１センサ部３１が出力する信号をＩｐ＿ＲＥＦ＿１、第２センサ部３１´が出力する信号をＩｐ＿ＴＲＡＮＳＭ＿１とする。Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１とＩｐ＿ＴＲＡＮＳＭ＿１は式（７）及び式（８）で示すことができる。また、第２の光源２０´が発光したときの第２センサ部３１´が出力する信号をＩｐ＿ＲＥＦ＿２、第１センサ部３１が出力する信号をＩｐ＿ＴＲＡＮＳＭ＿２とする。Ｉｐ＿ＲＥＦ＿２とＩｐＴＲＡＮＳＭ  ２は式（９）及び式（１０）で示すことができる。
【０１３５】
Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１＝Ｒｉ１（Ｔ）×φ１（Ｔ）×α            ・・・（７）
Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿１＝Ｒｉ２（Ｔ）×φ１（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ））
・・・（８）
Ｉｐ＿ＲＥＦ＿２＝Ｒｉ２（Ｔ）×φ２（Ｔ）×α            ・・・（９）
Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿２＝Ｒｉ１（Ｔ）×φ２（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ））
・・・（１０）
但し、
Ａ        ・・・  被測定物質濃度による吸収率
Ｃ        ・・・  被測定物質の濃度
φ１        ・・・  第１の光源の発光強度
φ２        ・・・  第２の光源の発光強度
α        ・・・  第１の光源から第１センサ部への伝達率
【０１３６】
（第２の光源から第２センサ部への伝達率と同様）
β        ・・・  第１基板・第２基板からの光取り出し効率（若しくは、被検出物質の吸収が無い場合の、第１の光源から第２センサ部へ、第２の光源から第１センサ部への伝達率）
Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１・・・第１の光源が発光するときの第１センサ部の出力信号
Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿１・・・第１の光源が発光するときの第２センサ部の出力信号
Ｉｐ＿ＲＥＦ＿２・・・第２の光源が発光するときの第２センサ部の出力信号
Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿２・・・第２の光源が発光するときの第１センサ部の出力信号
Ｒｉ１・・・    第１センサ部の感度
Ｒｉ２・・・    第２センサ部の感度
この交互駆動は制御回路部５０５からの制御信号によって、第１駆動部と第２駆動部が動作し、交互に第１駆動部と第２駆動部が発光する。
【０１３７】
次に、演算部５０４による演算方法の一例を示す。例えば、演算部５０４は、第１の光源が発光しているときに演算結果１を計算し、第２の光源が発光しているときに演算結果２を計算することができる。即ち、演算結果１と演算結果２は式（１１）及び式（１２）で示すことができる。
演算結果１＝Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿１／Ｉｐ＿ＲＥＦ＿１
＝（Ｒｉ２（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ）））／（Ｒｉ１（Ｔ）×α）  
・・・（１１）
演算結果２＝Ｉｐ＿ＴＲＡＳＭ＿２／ＩｐＲＥＦ＿２
＝（Ｒｉ１（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ）））／（Ｒｉ２（Ｔ）×α）
・・・（１２）
【０１３８】
第１センサ部の温度特性Ｒｉ１（Ｔ）＝ｇ１（Ｔ）と第２センサ部の温度特性Ｒｉ２（Ｔ）ｇ２（Ｔ）が等しいか、比例関係をもつのであれば、演算結果１∝（１−Ａ（Ｃ））となり、同様に演算結果２∝（１−Ａ（Ｃ））となり、ガスセンサとしての温度依存性が除去でき、ガスの分子が吸収するときの真正な吸収率を得ることができる。演算結果１と演算結果２が同じであれば、最終的な演算結果として、式（１３）で示すような演算が考えられる。
演算結果３＝（演算結果１＋演算結果２）／２            ・・・（１３）
式（９）で示した演算結果を用いて、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則より、（１−Ａ（Ｃ））から被測定物質濃度Ｃを抽出することができる。
ここでは、α、βが波長に応じて変化しない、また温度によって変化しないことと仮定したが、仮に、変化したとしても、第１基板及び／又は第２基板、又はセルの温度を測定し、この測定結果を温度補償に利用してもよい。
【０１３９】
［経時変化補償］
式（７）〜（１３）から分かるように、発光部の光量は演算結果に表れないので、発光部が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、被検出物質の濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係るガスセンサは、第１の光源２０と第１センサ部３１とが同一基板（第１基板４１）上に形成されており、第１の光源２０から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、第１の光源２０からの発光量を正確に測定することが可能である。第２の光源２０´からの発光量に関しても同様である。発光部が多数の発光素子からなる場合は、各発光素子が発光する各々の光量の測定が可能になるように、発光部２０の各発光素子と第１センサ部３１の各受光素子の配置を適切に設計すればよい。
【０１４０】
上記の発光部を連続的にＯＮ／ＯＦＦ（パルス駆動）し、また発光部がＯＮの時とＯＦＦの時の第１センサ部及び第２センサ部からの信号を読み取り、その信号差を利用することによって外乱や回路によるオフセットが除去できる。その理由は回路や外乱によるオフセットは発光部のＯＮ／ＯＦＦによらず常に生じているため、ＯＮ時とＯＦＦ時の信号差を取ると、該オフセット成分が除去されるからである。
外乱の輻射及び回路オフセット揺らぎの周波数に対して、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を十分高い値に設定することによりオフセットの除去効果はより著しくなる。具体的には外乱とオフセットの変動周波数帯が０〜１ｋＨｚの場合、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数をその１０倍（１０ｋＨｚ）程度にするとよい。一般的にはこのオフセットのパワースペクトルは周波数ｆに反比例し、言い換えれば１／ｆとなる（通称：ピンクノイズ、１／ｆノイズ）。そのため、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を、１／ｆノイズの現れない周波数帯に設定するとよい。さらに、第７、第１９実施形態では、第１復調器と第２復調器で信号の干渉がないように、十分な周波数の差Δｆを設ける必要がある。また、ここで説明したＯＮ／ＯＦＦというような信号変調方式の他に、通信システムによく使われる振幅変調方式（ＡＭ：Ａｍｐｌｉｔｕｔｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いてもよい。
【０１４１】
ガスセンサ全体の消費電力の低減を目指し、発光部を低電流で駆動し、ガスセルを長くしすぎると、十分なＳ／Ｎ比がとれないことがある。つまり、短いガス路が必要となるが、ガス路が短い程、ガスの濃度の変化による信号の変化よりも、温度による信号の変化が著しくなる。この場合、効果的な温度補償方法が不可欠となる。
また第１センサ部及び第２センサ部は、高速に動作することができる（高速光パルスに対して十分な応答性をもつ）ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、ガスセンサの内部の温度を正確に知ることができる。
【０１４２】
＜その他＞
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、本実施形態の一例である第１の態様、第２の態様、本実施形態の具体例である第１〜第２１実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた各態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明のガスセンサは、赤外線式のガスセンサに限定されるものではなく、例えば紫外線式のガスセンサであってもよい。この場合は、第１の光源、第２の光源が紫外線を放射し、この放射された紫外線の一部を第１センサ部が受光し、紫外線の他の一部を第２センサ部が受光する。
また、上記の技術を利用すれば、環境温度の影響を受けない、高精度の濃度測定装置が実現できる。濃度測定装置の用途の一例としては、ガスセンサが挙げられる。
【実施例】
【０１４３】
次に、本発明の実施例と比較例について説明する。
＜実施例＞
本発明の実施例について、図１０に示した第１０実施形態に係るガスセンサを用いて説明する。第１基板４１、第２基板４２には半絶縁性のＧａＡｓ基板を利用し、第１の光源２０には４．３μｍ付近の波長を発光できるＰＩＮ構造のＬＥＤを、第１センサ部３１、第２センサ部３２には４．３μｍ付近の波長を検出できるＰＩＮ構造のフォトダイオードを利用した。
第１の光源（ＬＥＤ）２０、第１センサ部３１、第２センサ部３２は全て同様の積層構造を持ち、厚み２３０μｍのＧａＡｓ基板上に、厚み１μｍのｎ型ＡｌＩｎＳｂ、厚み２μｍのｉ型のアクティブ層、ｉ層よりバンドギャップの大きい厚み０．０２μｍのＡｌＩｎＳｂのバリア層、厚み０．５μｍのｐ型ＡｌＩｎＳｂをＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて基板上に成膜した。【０１４４】
第１基板４１と第２基板４２の面積は同様で、０．５３ｍｍ２とした。第１基板４１にある第１の光源２０のＬＥＤ面積（発光面積）を０．２６ｍｍ２、第１センサ部３１の受光部の面積（受光面積）０．０２５ｍｍ２とした。第２センサ部３２の受光面積は０．２８ｍｍ２とした。第１センサ部３１の受光部の数は３６個で、第２センサ部３２の受光部の数は３９６個とした。第１基板４１と第２基板４２は同様のウエハープロセスを実施した。まず、ＷＥＴエッチングを実施し、ＭＥＳＡ型の素子（受光素子、発光素子）を形成し、その後、Ｓｉ３Ｎ４を絶縁層として形成し、最後に、ｎ型層とｐ型層に電気的接続をするために、コンタクト穴を形成し、最後に、メタル配線を形成した。メタル配線にはＴｉを密着層として利用し、その上に配線抵抗を抑えるためのＡｕを用いた。【０１４５】
封止樹脂２００としては、４．３μｍの波長の光を透過しないナミックス社製のＣｈｉｐｃｏａｔ  Ｇ８３４５−６の樹脂を用いた。ガスセル１０には内部が鏡面仕上げされたアルミニウム製の筒を利用した。第１基板４１と第２基板４２の距離は２０ｍｍ（ガスセル長となる距離）とした。ガスセンサの全体の大きさとして、１０×１０×２５ｍｍ３となる。
第１の光源２０に電源を供給する光源電源供給部１０１として、矩形波のパルスを出力するパルスジェネレーター（パルス発生部）を利用した。第１増幅部１０２には第１ロックインアンプを利用し、第２増幅部１０３には第２ロックインアンプを利用した。両方のロックインアンプの同期信号として、パルスジェネレーターのトリガー信号を利用した。この実験で利用した被検出ガスは二酸化炭素（ＣＯ２）とした。【０１４６】
［測定実験］
このガスセンサを恒温槽内に設置し、恒温槽の温度を３０℃及び４０℃にそれぞれ設定し、ガスセル１０内に濃度５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍの二酸化炭素ガスを導入したときの、第２センサ部３２の出力信号を（３０℃、２０００ｐｐｍの時を基準とする）を図２６に示し、第１基板４１上にある第１センサ部３１の出力信号を図２７に示す。
また、図２８には二酸化炭素ガスの濃度を一定（１０００ｐｐｍ）にし、温度を０〜６０℃まで変化させた場合において、本実施形態の温度補償を適用した場合の出力信号（第２センサ部の出力信号／第１センサ部の出力信号）の変化率と、温度補償を適用しなかった場合の出力信号（第２センサ部の出力信号そのまま）の変化率（それぞれ温度０℃を基準）示す。【０１４７】
［結果］
図２６に示すように、第２センサ部３２の出力信号は、二酸化炭素ガスの濃度を５００〜５０００ｐｐｍまで変化させると、環境温度が３０℃と４０℃の場合のそれぞれにおいて、出力信号は約０．８％／１０００ｐｐｍ変化することが確認された。また、温度を１０℃（３０℃から４０℃へ）変化させると、出力信号は１０％／１０℃も変化することが確認された。すなわち、環境温度が変化すると、本来検知したいガス濃度範囲における出力信号の変化（０．８％／１０００ｐｐｍ）よりはるかに大きい信号変化が生じてしまい、ガス濃度が正しく検知できないことが理解できる。【０１４８】
一方、図２７に示すように、第１センサ部３１の出力信号は第２センサ部３２と同じように温度の影響を受けるが、ガス濃度の影響を受けないことが分かる。
図２８に示すように、温度補償しない場合であって温度を０〜６０℃変化させた場合は、約１５％の信号変化が生じてしまう。これに対し、本実施形態の温度補償を適用した場合、すなわち第２センサ部３２の信号を第１センサ部３１の信号で除した信号を出力とする場合、温度による影響は１％以内に大幅に抑えられることが示される。以上から、本実施形態の構成により、大幅にガス測定精度が高められることが示された。【０１４９】
＜比較例＞
［測定実験］
次に、比較例について、図２９（ｂ）に示したガスセンサを用いて説明する。
図２９（ｂ）に示す様に、第１センサ部（参照用センサ）９３１と第２センサ部（検出用センサ）９３２を第１の光源に対向するように配置し、参照用センサ９３１には参照用のバンドパスフィルタ（中心波長３．９μｍ、半値幅０．２μｍの波長帯を選択的に透過）ｆ´１を設置し、検出用センサ９３２には検出用のバンドパスフィルタ（中心波長４．３μｍ、半値幅０．２μｍの波長帯を選択的に透過）ｆ´２を設置した以外は実施例と同様の構成とし、同様の測定を行った。【０１５０】
［結果］
表１で示すように比較例ではメインセンサ信号（Ｓ２）とリファレンスセンサ信号（Ｓ１）の比のＳ／Ｎ比は３１９４に対して、本発明の実施例ではＳ１が１００倍拡大されるため、Ｓ２／Ｓ１のＳ／Ｎ比は４３８０となり、１．４倍の改善が確認できる。【０１５１】
【表１】
0006010702.tif 000002
【０１５２】
このようにして、本発明は様々なガス濃度センサに適用でき、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）のガス濃度センサに応用できる。地球上で人間が活動している環境では、二酸化炭素の濃度は数１００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍとされている。場合によって５０００ｐｐｍを超える場合もあるが、二酸化炭素の濃度は多くの場合、安全管理上、医療分野、または環境の快適さの観点から、モニタリングする必要がある。本発明は、比較的低濃度の二酸化炭素を２００ｐｐｍ、若しくは１００、５０、１０ｐｐｍ以下の分解能で、且つ広い温度範囲でモニタリングすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明により、温度補償及び劣化補償が不要なガスセンサを、より簡易な構成で実現することができる。
【符号の説明】
【０１５４】
１０  ガスセル
２０  第１の光源
２０´  第２の光源
３１  第１センサ部
３１´、３２  第２センサ部
４０    基板（共通の基板）
４１  第１基板
４１´、４２  第２基板
５０  光遮断部
５１    第１温度測定部
５１´  第２温度測定部
６０  光反射部
７０  制御層
１０１  光源電源供給部
１０２  第１増幅部
１０３  第２増幅部
１０４  ガス濃度演算部
１０５  温度測定部
１０６  駆動信号供給部
２００  封止樹脂
２０１、３１１、３２１、２０１´、３１１´  第１導電型の半導体層
２０２、３１２、３２２、２０２´、３１２´  第２導電型の半導体層
２０３、２０４、３１３、３１４、３２３、３２４、２０３´、２０４´、３１３´、３１４´  電極
４１１  第１主面
４１２  第２主面
５０１  受発光制御部
５０２  第１駆動部
５０２´  第２駆動部
５０３  第１信号処理部
５０３´  第２信号処理部
５０４  演算部
５０５  制御回路
５１２  駆動部
５２１、５２２  切り替えスイッチ
５３１  第１復調器
５３１´  第２復調器
５４１  温度制御部
５５１  電流源
５５２  アンプ
５５３  コンデンサ
７０１  光反射層
９１０  ガスセル
９２０  第１の光源
９３０  赤外線センサ
９３１  参照用センサ
９３２  検出用センサ
【図１】
0006010702.tif 000003
【図２】
0006010702.tif 000004
【図３】
0006010702.tif 000005
【図４】
0006010702.tif 000006
【図５】
0006010702.tif 000007
【図６】
0006010702.tif 000008
【図７】
0006010702.tif 000009
【図８】
0006010702.tif 000010
【図９】
0006010702.tif 000011
【図１０】
0006010702.tif 000012
【図１１】
0006010702.tif 000013
【図１２】
0006010702.tif 000014
【図１３】
0006010702.tif 000015
【図１４】
0006010702.tif 000016
【図１５】
0006010702.tif 000017
【図１６】
0006010702.tif 000018
【図１７】
0006010702.tif 000019
【図１８】
0006010702.tif 000020
【図１９】
0006010702.tif 000021
【図２０】
0006010702.tif 000022
【図２１】
0006010702.tif 000023
【図２２】
0006010702.tif 000024
【図２３】
0006010702.tif 000025
【図２４】
0006010702.tif 000026
【図２５】
0006010702.tif 000027
【図２６】
0006010702.tif 000028
【図２７】
0006010702.tif 000029
【図２８】
0006010702.tif 000030
【図２９】
0006010702.tif 000031