(57)【要約】【課題】  シリコン基板上に形成された小型・高感度であって、生産性に優れた分光式ガスセンサを提供する。【解決手段】  赤外線を発生する赤外線光源と、光強度を電気信号に変換する受光素子と、特定の波長域を通過するフィルタと、検出ガスを含む大気を介して赤外線光源の光を受光素子に導く導光管と、を有する分光式ガスセンサにおいて、赤外線光源をシリコン基板上に一体成形して、フォトリソグラフィ法によりシリコン基板に溝部を形成し、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合することによって導光管を形成してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を発生する赤外線光源と、光強度を電気信号に変換する受光素子と、特定の波長域を通過するフィルタと、検出ガスを含む大気を介して赤外線光源からの光を受光素子に導く導光管と、を有する分光式ガスセンサにおいて、
赤外線光源をシリコン基板上に一体成形してなり、フォトリソグラフィ法によりシリコン基板に溝部を形成し、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合することによって導光管を形成してなることを特徴とする分光式ガスセンサ。
【請求項２】
受光素子をシリコン基板上に一体成形してなるものであることを特徴とする請求項１に記載の分光式ガスセンサ。
【請求項３】
フィルタをシリコン基板上に一体成形してなるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分光式ガスセンサ。
【請求項４】
導光管は、渦巻き形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分光式ガスセンサ。
【請求項５】
導光管は、つづら折り形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分光式ガスセンサ。
【請求項６】
導光管の端部に赤外線光源からの光を受光素子に向って反射する反射鏡を配設してなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の分光式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線放射素子を用いた分光式ガスセンサであってシリコン等の基板上に一体成形したものに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外放射源から放射される赤外線の吸収を測定することによる赤外線放射素子を用いた分光式ガスセンサが使用されている。これらの分光式ガスセンサで赤外放射源として従来用いられているのは、ハロゲンランプであり、このものは大型であるため、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は容易ではない。
【０００３】
そこで、シリコン基板上に、溝部(セル)、赤外光源、赤外線検出器等を形成したガス分析装置が特許文献１、２に開示されている。これらのガス分析装置は、３層のシリコン基板を接合することより、マイクロ化された赤外光源等が一体的に形成されているので、小型化が実現している。
【特許文献１】特開平８−２７１４２６号公報
【特許文献２】特開平９−８９７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガスセンサとしての検出感度を高くするためには、放射された赤外線の光路のうち、検知するガスと接する部分の距離を長くさせる必要がある。特許文献１、２に開示されているガス分析装置は、赤外線の光路長が必ずしも長くなっていないために、高感度になっているとはいえない。ガス検出感度を高めるためには、赤外線の光路となる溝部の形状を複雑なものとして、この溝部の長さを長くする必要がある。
【０００５】
ここで、特許文献１、２では、シリコン基板の表面に形成された酸化シリコン膜を介することによって、シリコン基板同士を陽極接合している。溝部の形状が比較的簡単な場合には、この方法によっても容易にシリコン基板を接合することは可能である。しかしながら、溝部の形状が複雑になると、確実にシリコン基板同士を接合するためには、シリコン基板の接合表面を鏡面に仕上げて、できるだけ平坦とすることが必要となる。さらに、家庭用等のガスセンサの場合には、この接合状態に不具合があると、経時変化のために接合部が離合するおそれがあり、長期間の信頼性を確保することが困難となる。したがって、ガスの検出感度が良好で、長期間の信頼性を有するガスセンサを製造するためには、シリコン基板の表面を原子レベルで平坦とすることが必要となる。しかし、このようなことは容易ではなく、生産性を確保することが困難となっていた。なお、シリコン基板を接合する他の方法としては、接着剤を用いる方法がある。しかし、通常の接着剤は有機物であり、シリコン基板の無機物と比べると特性の経時劣化が大きく、長期間の安定性を確保することが容易でない。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、シリコン基板上に形成された小型・高感度であって、生産性に優れた分光式ガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の分光式ガスセンサは、赤外線を発生する赤外線光源と、光強度を電気信号に変換する受光素子と、特定の波長域を通過するフィルタと、検出ガスを含む大気を介して赤外線光源の光を受光素子に導く導光管と、を有する分光式ガスセンサにおいて、赤外線光源をシリコン基板上に一体成形して、フォトリソグラフィ法によりシリコン基板に溝部を形成し、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合することによって導光管を形成してなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の分光式ガスセンサは、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合するとによって導光管を形成して、分光式ガスセンサを製造している。このために、金属薄膜同士を接合することにより、基板を接着しているので、シリコン基板の接合面が原子レベルで平坦でなくても、確実に接着することができる。あわせて、溝部に反射膜を形成して、赤外線の光路を同時に形成することができる。この結果として、シリコン基板上に形成された小型・高感度であって、生産性に優れた分光式ガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施形態１）
本実施形態の分光式ガスセンサについて図１及び２に基づいて説明する。本実施形態の分光式ガスセンサは、図１に示すように、それぞれ厚さ１ｍｍ、縦横１ｃｍの形状の第１シリコン基板１と第２シリコン基板２とを接合することによって得られる。
【００１０】
まず、第１シリコン基板１の一方の表面にフォトリソグラフィ法により、深さがそれぞれ約０．８ｍｍの凹部３、４を形成することによって、ダイヤフラム５、６を形成する。次に、一方、ダイヤフラム５、６の他方の表面側にエッチング等によってブリッジ状の梁構造で支持する支持部７、８を成形する。そして、第１シリコン基板１の他方の表面のダイヤフラム５、６の部分以外の全面にわたって、金等の金属薄膜９をスパッタ法等によって付着させる。この後、支持部７に赤外線光源１０を、支持部８にフィルタ１１を取り付ける。ここで、赤外線光源１０は、ヒータを蒸着することによって形成し、通電用の電極と電線(図示せず)を接合させる。この後、凹部４の一方の表面側に、赤外線を受光して、検出する受光素子１２を取り付ける。
【００１１】
一方、第２シリコン基板２の一方の表面にフォトリソグラフィ法により、深さ約０．５ｍｍの渦巻き状の溝部１３を形成する。溝部１３は、その側面が第２シリコン基板２の表面と垂直になっていることが望ましいので、この形成にはフォトリソグラフィ法の中でＩＣＰエッチング法を用いる。そして、検出ガスの流入出部１４となる貫通孔を溝部１３の底部に穿設する。さらに、溝部１３の両側の端部以外をマスキングして、異方性エッチングすることにより、第２シリコン基板２の表面に対して約５５度の傾斜を有する斜向反射鏡１５、１６を形成する。この後、金等の金属薄膜９をスパッタ法によって、第２シリコン基板２の全面に渡って形成する。こうすることにより、溝部１３の全面に赤外線の反射膜が形成されて、導光管となる。
【００１２】
この後、第１シリコン基板１と第２シリコン基板２とを、金属薄膜９が付着されている表面をあわせて、押圧させることにより接合させる。具体的には、図１（ａ）に示す第１のシリコン基板１のＡ−Ａ’、Ｘ−Ｘ’、Ｂ−Ｂ’を、それぞれ図１（ｂ）に示す第１のシリコン基板１のＤ−Ｄ’、Ｙ−Ｙ’、Ｃ−Ｃ’に合わせて接合させる。このとき、それぞれの金属薄膜９が押圧されることによって塑性変形して、両面が接合する。この後、加熱することによって、両方の金属薄膜９同士を拡散させることによって、接合強度を高くすることもできる。ここで、接合後のＸ−Ｘ’面及びＹ−Ｙ’面での断面図を図２（ａ）、（ｂ）に示している。
【００１３】
以下に、本実施形態の分光式ガスセンサの動作について説明する。分光式ガスセンサを所定の雰囲気中に設置すると、ガス流出入部６から、溝部１３に検知ガスが流入していく。この状態で、赤外線光源１０に通電することにより、赤外線を放射させる。ここで、赤外線光源１０は、ブリッジ状の梁構造を有する支持部７によって支持されているので、ここで発生する熱は、シリコン基板１を通じて放熱されにくくなっていて、この結果として、十分な量の赤外線が放射されることになる。放射された赤外線は斜向反射鏡１５に反射されて、溝部１３である導光管の内部を反射しながら通過していく。ここで、導光管は渦巻き状をしていて、光路長が約６５ｍｍあるので、この間で検出ガスと接して赤外線を十分に吸収することになる。そして、赤外線は斜向反射鏡１６に反射して、フィルタ１１を通過して余分な赤外線を除去した後、ダイヤフラム５を透過して受光素子１２に入射する。ここで、受光された赤外線は、電気信号に変換されて出力される。このとき、検知ガス濃度に応じて、赤外線は、ガスに吸収されて光強度が減衰するので、受光素子１２によって検知される赤外線強度から、ガス濃度を知ることができる。また、必要に応じて、検知ガスが所定濃度以上となった場合には、電気信号によって、報知器（図示せず）から警報を発することもできる。
【００１４】
本実施形態の分光式ガスセンサは、赤外線を発生する赤外線光源と、光強度を電気信号に変換する受光素子と、特定の波長域を通過するフィルタと、検出ガスを含む大気を介して赤外線光源の光を受光素子に導く導光管と、を有する分光式ガスセンサにおいて、赤外線光源をシリコン基板上に一体成形して、フォトリソグラフィ法によりシリコン基板に溝部を形成し、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合することによって導光管を形成してなることを特徴としている。このため、本発明の分光式ガスセンサは、シリコン基板に金属反射膜を付着した後に、シリコン基板を接合するとによって導光管を形成して、分光式ガスセンサを製造している。このために、金属薄膜同士を接合することにより、基板を接着しているので、シリコン基板の接合面が原子レベルで平坦でなくても、確実に接着することができる。あわせて、溝部に反射膜を形成して、赤外線の光路を同時に形成することができる。この結果として、シリコン基板上に形成された小型・高感度であって、生産性に優れた分光式ガスセンサを提供することができる。
【００１５】
また、本実施形態の分光式ガスセンサは、受光素子をシリコン基板上に一体成形してなるものであるので、受光素子のスペースを別に設ける必要がなく、小型化が図れる。
【００１６】
また、本実施形態の分光式ガスセンサは、フィルタをシリコン基板上に一体成形してなるものであるので、フィルタのスペースを別に設ける必要がなく、小型化が図れる。
【００１７】
さらに、本実施形態の分光式ガスセンサの導光管は渦巻き形状であるので、導光管の長さを十分に長くすることができ、長い距離で検出ガス中に赤外線が放射することができる。このために、検出ガスによって十分に赤外線を吸収することが可能となり、分光式ガスセンサの感度を向上することができる。
【００１８】
加えて、本実施形態の分光式ガスセンサは、導光管の端部に赤外線光源からの光を受光素子に向って反射する反射鏡を配設してなるので、導光管を配設するシリコン基板とは異なるシリコン基板に赤外線放射素子と受光素子を設置することができる。この結果として、分光式ガスセンサの小型化が図れる。
【００１９】
（実施形態２）
本実施形態の分光式ガスセンサについて図３に基づいて説明する。この分光式ガスセンサの構成は、実施形態１のものとほぼ同じであるが、図３に示すように、溝部(導光管)の形状と、赤外線光源、フィルタ及び受光素子の構造が異なっている。この部分について主に説明する。
【００２０】
本実施形態の分光式ガスセンサは、第１シリコン基板、第２シリコン基板２の形状は、実施形態１とほぼ同じである。ただし、赤外線光源１７及びフィルタ内蔵受光素子１９がシリコン基板の外側に取り付けられているので、第１シリコン基板(図示せず) には、支持部等は、設けられていない。このため、第１シリコン基板は、平板状のシリコン基板に金属薄膜を付着した簡易な構造となっている。一方、第２シリコン基板２は、実施形態1と同様にして、フォトリソグラフィ法により、深さ約０．５ｍｍのつづら折り形状の溝部１３を形成して、検出ガスの流入出部１４となる貫通孔を溝部１３の底部に穿設する。この後、金等の金属薄膜をスパッタ法によって、第２シリコン基板２の全面に渡って形成する。実施形態１と同様にして、溝部１３の全面に赤外線の反射膜が形成されて、溝部１３が導光管となる。そして、同様にして、第１シリコン基板と第２シリコン基板２とを、金属薄膜が付着されている表面をあわせて、押圧させることにより接合させる。そして、赤外線反射鏡１８を取り付けた赤外線光源１７及びフィルタ内蔵受光素子１９を溝部１３の始端部と終端部とに接合させる。なお、本実施形態の分光式ガスセンサの動作は、実施形態１と略同じなので省略する。
【００２１】
本実施形態の分光式ガスセンサの導光管はつづら折り形状であるので、導光管の長さを十分に長くすることができ、長い距離で検出ガス中に赤外線が放射することができる。このために、検出ガスによって十分に赤外線を吸収することが可能となり、分光式ガスセンサの感度を向上することができる。さらに、赤外線光源、フィルタおよび受光素子を外付けしてなるので、市販の部品をそのまま使用することができ、コストダウンが図られるとともに、製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態１の分光式ガスセンサを構成するシリコン基板の平面図であり、（ａ）は第１シリコン基板、（ｂ）は第２シリコン基板の接合平面図である。
【図２】実施形態１の分光式ガスセンサを構成するシリコン基板の断面図であり、（ａ）は第１シリコン基板、（ｂ）は第２シリコン基板の断面図である。
【図３】実施形態２の分光式ガスセンサを構成する第２シリコン基板の平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１          第１シリコン基板
２          第２シリコン基板
３、４      凹部
５、６      ダイヤフラム
７、８      支持部
９          金属薄膜
１０        赤外線光源
１１        フィルタ
１２        受光素子
１３        溝部(導光管)
１４        ガス流出入部
１５、１６  斜向反射鏡
１７        赤外線光源
１８        赤外線反射鏡
１９        フィルタ内蔵受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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