(57)【要約】【課題】濃度を検知したいガスに複数の成分が含まれている場合でも、その濃度を検知したいガスを吸収する特性を持つ赤外線の波長を同時に透過させることができるファブリペロー干渉計を提供すること。【解決手段】基板１０上に設けられ、この基板１０に固定された第１の干渉計ミラー２０と、第１の干渉計ミラー２０との間のギャップ６０を介して対向配置された第２の干渉計ミラー３０と、からなり、第１の干渉計ミラー２０、または、第２の干渉計ミラー３０の少なくとも一方は、段差５０を有するように形成され、第１の干渉計ミラー２０、および、第２の干渉計ミラー３０間に、複数の異なるギャップ長が設定される。【選択図】        図２
2006220623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられ、前記基板に固定された第１の干渉計ミラーと、
前記第１の干渉計ミラーとギャップを介して対向配置された第２の干渉計ミラーと、からなり、
前記第１および第２の干渉計ミラーの少なくとも一方は、段差を有するように形成され、前記第１および第２の干渉計ミラー間に、複数の異なるギャップ長が設定されることを特徴とするファブリペロー干渉計。
【請求項２】
前記段差は、階段状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のファブリペロー干渉計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のファブリペロー干渉計と、
前記ファブリペロー干渉計に向けて赤外光を照射する赤外線光源と、
前記ファブリペロー干渉計における複数の異なるギャップ長部分を透過した赤外光をそれぞれ検出する複数の赤外線センサと、
を備えたことを特徴とする赤外線センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファブリペロー干渉計、および、それを用いた赤外線センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの濃度を測定する赤外線センサ装置として、例えば、特許文献１に示すようなファブリペロー干渉計を用いたものが知られている。成分濃度を検知したいガス（被測定ガス）に赤外線を照射すると、被測定ガスに含まれる成分濃度によって、照射した赤外線に含まれる波長から特定の波長の赤外線が被測定ガスに吸収される性質がある。このような性質を利用し、ファブリペロー干渉計は、例えば、被測定ガスによって吸収される波長の赤外線と、被測定ガスに含まれるどの成分にも吸収されない波長（基準波長）の赤外線と、を透過させるように構成される。
【０００３】
このようなファブリペロー干渉計の一例を図５に示す。図５に示すファブリペロー干渉計５ｃでは、電源８２より干渉計ミラー２０、３０に設けられた電極８０間に所定のタイミング毎に電位差（波長選択電圧）を与えて、基板１０上に形成された第１の干渉計ミラー２０と第２の干渉計ミラー３０との間に静電気力を発生させる。すると、第２の干渉計ミラー３０は波長選択電圧が与えられたタイミング毎に所定の変位量で第１の干渉計ミラー２０の方向へ変位する。その結果、干渉計ミラー２０，３０間のギャップ長ｔは所望のギャップ長Ｔへと変化する。
【０００４】
これらのギャップ長ｔ、Ｔはそれぞれ上述した吸収波長赤外線と基準波長赤外線を透過するように設定される。これにより、入射赤外線７０がファブリペロー干渉計５ｃに入射すると吸収波長赤外線と基準波長赤外線とが透過赤外線７５として異なるタイミングで抽出される。この吸収波長赤外線と基準波長赤外線とを赤外線センサ６で検出し、その強度を比較すれば、被測定ガスの濃度を求めることができる。
【特許文献１】特開平６−２４１９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、被測定ガスに含まれる成分濃度は刻々と変化し続けるものである。ファブリペロー干渉計をこうした刻々と変化し続ける成分濃度に対応させるためには、干渉計ミラーに設けられた電極８０間に所定のタイミングで波長選択電圧を与えて、ギャップ長を変化させる必要がある。このため、第２の干渉計ミラー３０は所定周期で振動する。
【０００６】
しかし、ファブリペロー干渉計５ｃのギャップ長を所定のタイミング毎に変化させることによって、複数波長の赤外線を検出する場合、その検出までの時間が長くなってしまう。このような問題は検出すべき赤外線の数が増えるほど、顕著となる。また、第２の干渉計ミラー３０を常時振動させると、第２の干渉計ミラー３０が疲労を起こす。
【０００７】
この疲労によって、第２の干渉計ミラー３０の柔軟性や強度が低下した場合に、第２の干渉計ミラー３０に塑性変形や損傷が起こりやすい。第２の干渉計ミラー３０が塑性変形すると、反応速度の低下や、与えられる波長選択電圧と変位する量との相関的な関係の変化につながる。また、第２の干渉計ミラー３０が損傷してしまうと、ファブリペロー干渉計５ｃは、もはやその機能を果たさなくなる。
【０００８】
そこで、本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、干渉計ミラーを振動させることなく、入射赤外線７０がファブリペロー干渉計を透過する際に、同時に複数の特定の赤外線波長の赤外光を透過させることが可能なファブリペロー干渉計およびそれを用いた赤外線センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に係るファブリペロー干渉計は、基板上に設けられ、この基板に固定された第１の干渉計ミラーと、第１の干渉計ミラーとギャップを介して対向配置された第２の干渉計ミラーと、からなり、第１および第２の干渉計ミラーの少なくとも一方は、段差を有するように形成され、第１および第２の干渉計ミラー間に、複数の異なるギャップ長が設定されることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、長さの異なるギャップ長を複数設定することができるので、照射赤外光がファブリペロー干渉を透過する際に、設定されたギャップ長とギャップ長の数とに応じて、同時に複数の特定の赤外線波長の赤外光を透過させることができる。
【００１１】
請求項２に係るファブリペロー干渉計は、段差が階段状に形成されたことを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、ギャップ内にそれぞれ異なるギャップ長となる部分がより多く設定されるので、そのギャップ長に応じて、より多くの特定の赤外線波長の赤外光を同時に透過させることができる。
【００１２】
請求項３に係る赤外線センサ装置は、赤外線光源と、複数のギャップ長に対応する赤外線センサと、上記した本発明に係るファブリペロー干渉計と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載のように、本発明に係るファブリペロー干渉計を赤外線センサ装置に適用することで、被測定ガスの複数の成分を同時に測定することができる赤外線センサ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の赤外線センサ装置１００の構成図である。赤外線センサ装置１００は、被測定ガスの入口２および出口３が設けられた試料セル４と、この試料セル４の内部に設けられ被測定ガスに照射する照射赤外光を発する赤外線光源１と、所望の波長の赤外線を透過させるファブリペロー干渉計５と、ファブリペロー干渉計５を透過した透過赤外線７１、７２の強度を検出する赤外線センサ６ａおよび６ｂと、赤外線センサ６ａおよび６ｂからの出力信号を出力する出力端子７と、を備える。
【００１５】
赤外線センサ装置１００では、試料セル４内に入口２から被測定ガスを流入させ、且つ、出口３から流出させる。この被測定ガスに向けて赤外線光源１は、入射赤外線７０を照射する。
【００１６】
入射赤外線７０は、赤外線光源１からファブリペロー干渉計５に至る入射赤外線７０の光路内に充満する被測定ガスによって、入射赤外線７０の特定波長の赤外線が吸収される。
【００１７】
ファブリペロー干渉計５は、そのギャップ長に応じた波長の赤外光のみを透過させる。本実施形態では、後に詳細に説明するように、被測定ガスによって吸収されない波長の赤外光と、その被測定ガスによって吸収される波長の赤外光とが、ファブリペロー干渉計５を同時に透過するようにファブリペロー干渉計５に二種類のギャップ長が設定されている。このため、ファブリペロー干渉計５を透過した透過赤外光７１、７２の一方を基準赤外光とし、他方を測定赤外光として、強度を比較することにより、被測定ガスの濃度を精度良く求めることができる。なお、赤外線光源１が略一定強度の赤外光を照射する場合には、基準赤外光は不要である。この場合、ファブリペロー干渉計５は被測定ガスに含まれる二種類のガス成分の濃度を同時に測定するために用いることができる。
【００１８】
図２は、本発明のファブリペロー干渉計５の基本的な構成を説明するための模式的な断面図である。ファブリペロー干渉計５は、基板１０と、段差５０を有するように形成された第１の干渉計ミラー２０と、第２の干渉計ミラー３０とからなる。このため、第１の干渉計ミラー２０に形成された段差５０によって、第１の干渉計ミラー２０と第２の干渉計ミラー３０との間には、異なる長さのギャップ長ｔ１、ｔ２が設定されるようにギャップ６０が形成されている。
【００１９】
基板１０は、赤外線を透過させる材料、例えば、シリコン、ゲルマニウム等で形成されている。
【００２０】
第１および第２の干渉計ミラー２０、３０は基板１０上において、上述したギャップ６０を介して、それぞれ所定の膜厚となるように、赤外線透過材料によって形成される。
【００２１】
第１および第２の干渉計ミラー２０、３０を形成するための赤外線透過材料としては、例えば、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン等のシリコン化合物単体を用いることができる。このシリコン化合物が、所定の膜厚となるように、基板１０上に単層膜、若しくは、多層膜として堆積される。第１および第２の干渉計ミラー２０，３０が多層膜からなる場合、その各薄膜の材料は同じであっても良いし、異なっていても良い（例えば、ポリシリコンと酸化シリコン等）。
【００２２】
なお、第１の干渉計ミラー２０は、一旦、ギャップ長ｔ２に対応する膜厚となるように、シリコン化合物を基板１０上に堆積し、その後、一部をエッチング除去することにより、段差５０を形成する。若しくは、第１の干渉計ミラー２０の段差５０は、一旦、ギャップ長ｔ１に対応する膜厚となるようにシリコン化合物を堆積し、その後、一部の領域のみにさらにシリコン化合物を段差５０に相当する膜厚だけ堆積することによって形成することも可能である。
【００２３】
また、第２の干渉計ミラー３０を形成するためのシリコン化合物は、エッチング除去可能な、例えば、平坦化された酸化物が介して、第１の干渉計ミラー２０と対向するように堆積される。その後、第２の干渉計ミラー３０の周囲に酸化物層に達する貫通孔を形成し、その貫通孔にエッチング液を導入することによって、ギャップ６０が形成される。
【００２４】
なお、第１の干渉計ミラー２０、第２の干渉計ミラー３０の各ミラーの膜厚ｄ１、ｄ２は、赤外線光源（図示せず）から放射される入射赤外線７０の中心波長をλとすると、それぞれ、λ／４＝ｎ１・ｄ１（ｎ１：屈折率）、λ／４＝ｎ２・ｄ２（ｎ２：屈折率）の条件をほぼ満たす光学膜厚（ｎｄ）を有するように形成されるものである。
【００２５】
赤外線センサ６ａ、６ｂは、特定の波長の赤外線が被測定ガスに吸収された透過赤外線７１、７２の強度を検出する。赤外線センサ６ａ、６ｂは、透過赤外線７１、７２同士の干渉を避け、検知の精度を高めるために、所定の間隔を空けて配置することが望ましい。
【００２６】
ところで、赤外線センサ６ａ、６ｂで検出される透過赤外線７１、７２において、ギャップの間隔長ｔ１の部分を透過した透過赤外線７１の波長をλ１、ギャップの間隔長ｔ２の部分を透過した透過赤外線７２の波長をλ２とすると、それぞれ、２・ｎ１・ｔ１＝Ｎ・λ１（ｎ１：屈折率、Ｎ：整数）、２・ｎ２・ｔ２＝Ｎ’・λ２（ｎ２：屈折率、Ｎ’：整数）の関係を満たす。
【００２７】
なお、本実施形態では、透過赤外線の波長λ１、λ２が上式のように明確に定義されるので、λ１、λ２のどちらかを基準波長として用いることができる。
【００２８】
以上、述べたように、本実施形態では、ファブリペロー干渉計５は、第１の干渉計ミラー２０が段差５０を有するように形成され、ギャップ６０内には、複数の異なるギャップ長ｔ１、ｔ２が設定される。そして、ファブリペロー干渉計５は、設定されたギャップ長ｔ１、ｔ２に応じて、同時に２つの波長の赤外線を抽出可能となる。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態に係る赤外線センサ装置について説明する。
【００２９】
上述した第１の実施形態による赤外線センサ装置１００ではファブリペロー干渉計が２つのギャップ長ｔ１、ｔ２を有するものであった。本実施形態に係る赤外線センサ装置では、さらに、多くの波長の赤外線を同時に検出することを可能とするために、図３に示すファブリペロー干渉計５ａのギャップ６０内に３種類のギャップ長を設定するものである。
【００３０】
図３に示すファブリペロー干渉計５ａは、基板１０と、階段状の段差５１を有するように形成された第１の干渉計ミラー２０と、第２の干渉計ミラー３０とからなる。
【００３１】
第１の干渉計ミラー２０上に階段状に形成された段差５１によって、第１の干渉計ミラー２０と第２の干渉計ミラー３０との間には、異なる長さの３つのギャップ長ｔ１、ｔ２、ｔ３が設定されるように、ギャップ６０が形成されている。
【００３２】
なお、第１の干渉計ミラー２０は、一旦、ギャップ長ｔ３に対応する膜厚となるように、シリコン化合物を基板１０上に堆積する。次に、その一部をギャップ長ｔ２に対応する膜厚となるようにエッチング除去する。その次に、ギャップ長ｔ２の箇所の一部をギャップ長ｔ１に対応する膜厚となるようにエッチング除去する。このようなプロセスで、階段状に形成された段差５１を得ることができる。
【００３３】
若しくは、一旦、ギャップ長ｔ１に対応する膜厚となるように、第１の干渉計ミラー２０上にシリコン化合物を堆積する。次に、ギャップ長ｔ１に対応する膜厚となるように堆積したシリコン化合物層の領域内に、さらにギャップ長ｔ２に対応する膜厚となるように、シリコン化合物を堆積する。その次に、ギャップ長ｔ２に対応する膜厚となるように堆積したシリコン化合物層の領域内に、さらにギャップ長ｔ３に対応する膜厚となるように、シリコン化合物を堆積することによって形成することも可能である。
【００３４】
したがって、ファブリペロー干渉計５ａは、設定されたギャップ長ｔ１、ｔ２、ｔ３に応じて同時に３つの波長の赤外線を抽出可能となる。図１に示す赤外線センサ装置１００のファブリペロー干渉計５をこのファブリペロー干渉計５ｂに置き換えれば、被測定ガスに含まれる成分濃度を３つ同時に測定することができる。なお、段差５１の数を増やせば、同時に測定できる成分濃度を更に増やすことができる。
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態に係る赤外線センサ装置について説明する。
【００３５】
図４に示すファブリペロー干渉計５ｂは、第１の干渉計ミラー２０上に段差５０を形成するとともに、ギャップ６０を介して、第２の干渉計ミラー３０上に、段差５０と対向する位置に、段差５０とは大きさが異なる段差５２をさらに形成したものである。
【００３６】
このように段差５０，５２を形成することで、ギャップ６０内に３つのギャップ長ｔ１、ｔ２、ｔ３を設定することができる。したがって、ファブリペロー干渉計５ｂは、照射赤外線７０がファブリペロー干渉計５ｂを透過する際に、ギャップ長ｔ１、ｔ２、ｔ３に応じて同時に３つの波長の赤外線を抽出可能となる。さらに、段差５０、５２の段差を増やして階段状にすると、ファブリペロー干渉計５ｂが同時に吸収できる赤外線波長をさらに増やすことができる。
【００３７】
なお、段差５２を有する第２の干渉計ミラー３０を形成するためのシリコン化合物は、エッチング除去可能な、例えば、ギャップ長ｔ１、ｔ２、ｔ３に対応する膜厚となるように順を追って堆積した酸化物を介して、第１の干渉計ミラー２０と対向するように積層される。その後、第２の干渉計ミラー３０の周囲に酸化物層に達する貫通孔を形成し、その貫通孔にエッチング液を導入することによって、ギャップ６０が形成される。
【００３８】
以上、述べたように、本願発明の構成を採用したファブリペロー干渉計では、第１の干渉計ミラー２０、および、前記第２の干渉計ミラー３０の少なくとも一方は、段差５０、５２を有するように形成されるので、ギャップ６０内に複数の異なるギャップ長が設定される。そして、このファブリペロー干渉計は、照射赤外線が透過する際にギャップ長に応じて同時に複数の特定の波長の赤外線を透過させることができる。
【００３９】
本実施形態のファブリペロー干渉計５ｂを、図１に示す赤外線センサ装置１００のファブリペロー干渉計５と置き換えれば、被測定ガスに含まれる成分濃度を３つ同時に測定することができる。なお、段差５０または５２の数を増やせば、同時に測定できる成分濃度を更に増やすことができる。
【００４０】
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の赤外線センサ装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るファブリペロー干渉計の断面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係るファブリペロー干渉計の断面図
【図４】本発明の第３の実施形態に係るファブリペロー干渉計の断面図
【図５】従来のファブリペロー干渉計の動作の概念を模式的に示した断面図
【符号の説明】
【００４２】
１  赤外線光源
２  被測定ガス入口
３  被測定ガス出口
４  試料セル
５、５ａ、５ｂ、５ｃ  ファブリペロー干渉計
６、６ａ、６ｂ、６ｃ  赤外線センサ
７  出力端子
１０  基板
２０  第１の干渉計ミラー
３０  第２の干渉計ミラー
５０、５１、５２  段差部
６０  ギャップ
７０  入射赤外線
７１、７２、７３、７４、７５  透過赤外線
８０  電極
８２  電源
１００  赤外線センサ装置
【図１】
2006220623.tif 000003
【図２】
2006220623.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006220623.tif 000006
【図５】
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