(57)【要約】【課題】高感度化および低コスト化が可能な赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置を提供する。【解決手段】赤外線受光素子（赤外線受光部）４０は、２つ１組の焦電素子（熱型赤外線検出素子）４１，４２が焦電素子形成用基板４１において並設され逆直列に接続されている。赤外線光学フィルタ２０が、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板１と、当該フィルタ形成用基板１において焦電素子４１，４２に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部２１，２２と、フィルタ形成用基板１に形成され狭帯域透過フィルタ部２１，２２の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部３とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部２１，２２の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージ７における赤外線受光素子４０の前方の窓孔７ａを閉塞する形でパッケージ７に接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線受光部がパッケージ内に収納され、赤外線受光部の前方に赤外線光学フィルタ部が配置された赤外線式ガス検知器であって、赤外線受光部は、複数の熱型赤外線検出素子が並設されてなり、赤外線光学フィルタ部は、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、当該フィルタ形成用基板において熱型赤外線検出素子に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板に形成され狭帯域透過フィルタ部の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージにおける赤外線受光部の前方の窓孔を閉塞する形でパッケージに接合されてなることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
【請求項２】
前記熱型赤外線検出素子が焦電素子であり、前記赤外線受光部は、２つ１組の焦電素子が逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項３】
前記熱型赤外線検出素子がサーモパイルであり、前記赤外線受光部は、２つ１組のサーモパイルが逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項４】
前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路の構成部品が前記パッケージ内に収納されてなることを特徴とする請求項２または請求項３記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項５】
前記熱型赤外線検出素子が焦電素子もしくはサーモパイルであり、２つ１組の焦電素子もしくは２つ１組のサーモパイルの出力を差動増幅する増幅回路を備えることを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項６】
前記フィルタ形成用基板は、Ｓｉ基板もしくはＧｅ基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項７】
前記パッケージが、外部からの電磁波を遮蔽するシールド部を備え、前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板が前記パッケージのシールド部に電気的に接続されてなることを特徴とする請求項６記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項８】
前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板における前記熱型赤外線検出素子側である一表面側に前記狭帯域透過フィルタ部が形成され、前記フィルタ形成用基板の他表面側に前記広帯域遮断フィルタ部が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項９】
前記赤外線光学フィルタ部は、前記複数の前記フィルタ要素部で前記フィルタ形成用基板が共用されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項１０】
前記各狭帯域透過フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における前記フィルタ形成用基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを有し、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項１１】
赤外線光源から赤外線を所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出する赤外線式ガス計測装置であって、赤外線光源と、赤外線光源を駆動する駆動部と、赤外線光源から放射され所定空間を通過した赤外線を受光する赤外線受光ユニットとを備え、赤外受光ユニットとして請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器を備えてなることを特徴とする赤外線式ガス計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスにより特定波長の赤外線が吸収されることを利用してガスの計測を行う赤外線式ガス計測装置が知られており、このような赤外線式ガス計測装置は、計測ガスの分子構造から決定する吸収波長の赤外線（赤外光）の吸光度を計測することにより、測定ガスの濃度を計測するものである。
【０００３】
ここにおいて、物質に入射する光の強度をＩ０、物質中を光路長Ｌだけ通過した後の光の強度をＩとすると、吸光度Ｄは、ランベルト・ベールの法則により、下記（１）式で与えられる。
Ｄ＝−log10（Ｉ／Ｉ０）      （１）式
また、物質に固有の吸収係数（その物質の吸収波長および温度により決まる定数）をα、物質の濃度をＣ、光路長をＬとすると、吸光度Ｄは、ランベルト・ベールの法則に従い、下記（２）式で与えられ、吸光度Ｄが物質の濃度Ｃおよび光路長Ｌに比例することが分かる。
Ｄ＝αＣＬ      （２）式
また、透過率Ｔは、下記（３）式で表される。
Ｔ＝Ｉ0／Ｉ      （３）式
よって、（２）式および（３）式から、透過率Ｔは下記（４）式で与えられる。
Ｔ＝１０−Ｄ＝１０−αＣＬ      （４）式
したがって、赤外線光源から放射された任意の波長λの赤外線の光量をＰ、計測ガスを光路長Ｌだけ通過した後の赤外線受光素子で受光する赤外線の受光量（受光パワー）をＩとすると、受光量Ｉは、下記（５）式で求められ、図２９に示す関係が得られる。
Ｉ＝Ｐ×１０−αＣＬ      （５）式
上述の（５）式および図２９から分かるように、受光量Ｉとガスの濃度との関係は、ガスの濃度が高くなるにつれて受光量Ｉが徐々に減衰する曲線となるので、受光量Ｉの減衰量を計測することでガスの濃度を計測することが可能となる。
【０００４】
したがって、測定ガスの吸収波長を含む狭帯域の赤外線を透過させる狭帯域透過フィルタと赤外線受光素子とを組み合わせて用いることで、ガスの濃度を測定することが可能となる。なお、吸収波長は、例えば、ＣＨ４（メタン）が３．３μｍ、ＳＯ３（三酸化硫黄）が４．０μｍ、ＣＯ２（二酸化炭素）が４．３μｍ、ＣＯ（一酸化炭素）が４．７μｍ、ＮＯ（一酸化窒素）が５．３μｍである。
【０００５】
しかしながら、一般的に、雑ガスによる影響や赤外線光源の出力パワーのばらつきがあることが多く、高精度の計測が要求される場合には、雑ガスや赤外線光源の出力パワーのばらつきに起因した誤差を補正するために、測定ガスの赤外線吸収波長帯の検出光をモニタする光学系と、測定ガスの赤外線吸収波長帯以外の赤外線の波長帯の参照光をモニタする光学系とを設け、２つの光学系それぞれの赤外線受光素子の出力信号に基づいて誤差を補正するようにした赤外線式ガス計測装置が用いられるのが一般的であった。
【０００６】
この種の赤外線式ガス計測装置としては、図３０に示すように、ハロゲンランプなどからなる赤外線光源１０と、赤外線光源１０を駆動する駆動回路１１と、赤外線光源１０から放射された光をコリメートするレンズ１２と、計測ガスが導入されるガス流入路１３ｂおよび排出されるガス排出路１３ｃが形成されたチャンバ１３と、互いに透過波長域の異なる２つの狭帯域透過フィルタからなる赤外線光学フィルタ２０１，２０２と、各赤外線光学フィルタ２０１，２０２それぞれを透過した赤外線を各別に受光する２つの赤外線受光素子４０１，４０２と、各赤外線受光素子４０１，４０２それぞれの出力を各別に増幅する２つの増幅回路５０１，５０２と、両増幅回路５０１，５０２の出力に基づいてガスの濃度を求める演算を行う演算回路６０とを備えたものが知られている。
【０００７】
ここにおいて、２つの赤外線光学フィルタ２０１，２０２と、２つの赤外線受光素子４０１，４０２と、両赤外線光学フィルタ２０１，２０２および両赤外線受光素子４０１，４０２を収納したパッケージ７とで、赤外線式ガス検知器（赤外線受光ユニット）が構成されている。また、２つの赤外線光学フィルタ２０１，２０２は、測定ガスの吸収波長の赤外線と参照光の波長として設定した波長の赤外線とを各別に透過できるように透過波長域を設定してある。なお、この種のパッケージ７としては、図３１に示すように、金属製のステム７１と金属製のキャップ７２とで構成されるＣＡＮパッケージが用いられており、各赤外線光学フィルタ２０１，２０２が、キャップ７２に設けられた２つの透光窓それぞれを閉塞する形でキャップ７２に実装されている。
【０００８】
図３０に示した構成の赤外線式ガス計測装置では、赤外線光源１０から放射された赤外線がレンズ１２によりコリメートされ、チャンバ１３内を通過した赤外線のうち赤外線光学フィルタ２０１，２０２を透過した赤外線が赤外線受光素子４０１，４０２で受光される。ここで、チャンバ１３内のガスの濃度と光路長に応じて特定波長（ガスの吸収波長）の赤外線が減衰する。
【０００９】
また、赤外線式ガス検知器（赤外線受光ユニット）のパッケージに収納して用いる赤外線受光モジュールとして、図３２に示すように、ＭｇＯ基板からなる基板３００の一表面側に２つの赤外線受光素子４００１，４００２が形成され、各赤外線受光素子４００１，４００２それぞれに互いに透過波長の異なる狭帯域透過フィルタ部２００１，２００２が積層されたものが提案されている（特許文献１参照）。ここにおいて、各赤外線受光素子４００１，４００２および各狭帯域透過フィルタ部２００１，２００２はスパッタ法などを利用して形成されており、各赤外線受光素子４００１，４００２は、Ｐｔ膜からなる下部電極４０１１，４０１２と、下部電極４０１１，４０１２上のＰｂＴｉＯ３膜からなる焦電体膜４０２１，４０２２と、焦電体膜４０２１，４０２２上のＮｉＣｒ膜からなる上部電極４０３１，４０３２とからなる焦電素子で構成され、各狭帯域透過フィルタ部２００１，２００２となる各多層膜を構成する複数種類の薄膜の材料の組み合わせとしては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，ＬｉＦ，ＮａＦ，ＣａＦ２，ＭｇＦ２の群から選択した材料の組み合わせなどが採用されている。なお、図３２に示した構成の赤外線光学モジュールでは、２つの赤外線受光素子４００１，４００２の下部電極４０１１，４０１２同士が連続一体に形成されて電気的に接続されている。
【００１０】
また、従来から、図３３に示すように、互いに透過波長の異なる複数個の赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４を同一厚さとして当該複数個の赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４の隣り合う側面同士を接着剤からなる接着層１９を介して接着することにより形成された赤外線光学フィルタモジュール５と、各赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４それぞれを透過した赤外線を受光する複数個の赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４とが、金属製のステム７１と金属製のキャップ７２とで構成されるＣＡＮパッケージからなるパッケージ７内に収納されるとともに、キャップ７２の前壁に設けられた窓孔７ａがサファイア基板からなる赤外線透過部材８０により閉塞され、パッケージ７内にＮ２もしくは乾燥空気が封入された赤外線式ガス検知器（赤外線受光ユニット）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
ここにおいて、上記特許文献２に開示された各赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４は、Ｓｉ基板からなるフィルタ形成用基板１の一表面側に、赤外線の所定の波長帯域を透過させる狭帯域透過フィルタ部２’が形成されるとともに、フィルタ形成用基板１の他表面側に、狭帯域透過フィルタ部２’での透過帯域以外のノイズ成分を除くために、赤外線の短波長帯域と長波長帯域とをカットする広帯域遮断フィルタ部３’が形成されている。ここで、上記特許文献２では、狭帯域透過フィルタ部２’および広帯域遮断フィルタ部３’それぞれを、Ｇｅ膜とＳｉＯ膜とを交互に積層した多層膜などで形成することが記載されている。
【００１２】
ところで、上述の透過率Ｔについて具体的な数値例を挙げれば、光路長Ｌが１５０ｍｍ、ＣＯガスの濃度Ｃが１０ｐｐｍの場合、透過帯域の中心波長が４．７μｍで帯域幅が０．２μｍの赤外線光学フィルタを用いたとしても、透過率Ｔは約０．００２３％という非常に小さな減衰率でしか変化しない。
【００１３】
そこで、赤外線式ガス検知器の分野においては、赤外線受光素子として、高感度の測定が可能な焦電素子が用いられることが多い。焦電素子の出力を増幅する方式としては、ＦＥＴと当該ＦＥＴのゲートに接続した抵抗とを用いた電流電圧変換回路や、演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間にコンデンサを接続した電流電圧変換回路（例えば、特許文献３参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−７２０７８号公報
【特許文献２】特開平３−２０５５２１号公報
【特許文献３】特開平１０−２８１８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、図３２に示した構成の赤外線光学モジュールでは、赤外線受光素子４００１，４００２が焦電素子などの熱型赤外線受光素子であるにもかかわらず、赤外線受光素子４００１，４００２上に直接、狭帯域透過フィルタ部２００１，２００２が積層されているので、熱容量が大きくななるとともに熱絶縁性の確保が難しくなり、応答性が低下してしまうため、赤外線受光素子４００１，４００２が焦電素子などの熱型赤外線受光素子の場合に応答性の低下を防止するには、狭帯域フィルタ部２００１，２００２を赤外線受光素子４００１，４００２とは別途のフィルタとして設ける必要がある。
【００１６】
また、図３３に示した構成の赤外線式ガス検知器では、キャップ７２の前壁に設けられた窓孔７ａがサファイア基板からなる赤外線透過部材８０により閉塞されており、赤外線透過部材８０が、赤外線光源から放射された遠赤外線を吸収により遮断する機能を含んでいる。その一方で、図３３に示した構成の赤外線式ガス検知器の各赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４における広帯域遮断フィルタ部３’および狭帯域透過フィルタ部２’が、Ｇｅ膜とＳｉＯ膜とを積層した多層膜により構成されているが、ＳｉＯ膜は狭帯域透過フィルタ部２’の透過帯域よりも長波長帯域の赤外線を吸収する特性も有しており、逆に広帯域遮断フィルタ部３’自体、狭帯域透過フィルタ部２’自体の温度が高い場合は吸収波長帯の赤外線を放射しやすいという特性も有している。このような特性を持つフィルタ材料（ＳｉＯ）を用いた図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４および赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４に温度分布が生じると、赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４の遠赤外線の吸収に起因した長波長の赤外線放射強度と赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４の赤外線受光強度に差が生じて、温度分布に起因した出力が発生することが考えられる。
【００１７】
ここで、上記特許文献２には、効果として開示されていないが、図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器は、キャップ７２の前壁に設けられた窓孔７ａがサファイア基板からなる赤外線透過部材８０により閉塞されたパッケージ７内に赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４を配置してあることにより、赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４の温度分布を抑制することができ、また、狭帯域透過フィルタ部２’の透過帯域よりも長波長の赤外線の吸収による温度分布が生じた場合に当該温度分布によって長波長の赤外線放射強度に分布が生じる特性を有する赤外線透過部材８０からの長波長の赤外線放射強度の分布が、赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４によって抑制されるものと推察される。
【００１８】
しかしながら、図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器では、高価なサファイア基板からなる赤外線透過部材８０を赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４とは別途に設ける必要があり、パッケージ７における光学系が赤外線透過部材８０と赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４とを用いた２段のフィルタ構成となっているので小型化が困難である、赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４がキャップ７２の前壁の窓孔７ａより後方においてパッケージ７内に配置されるため、開口角が狭くなって感度が低下するという、問題が生じる。
【００１９】
また、上記特許文献２に開示された図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器では、フィルタ特性の異なる複数種の赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４を互いに異なるウェハに形成してから、各ウェハそれぞれから個別の赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４にダイシングした後で、フィルタ特性の異なる赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４同士を接着剤で接着する必要があり、コストが高くなるとともに、複数個の赤外線光学素子４０１，４０２，４０３，４０４により構成される赤外線光学素子モジュールの小型化が難しく赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４の中心間距離が大きくなって検出光と参照光との光路長の差が大きくなってしまうとともに各赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４の受光効率が低下してしまう。
【００２０】
また、図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器では、上述の赤外線透過部材８０により太陽光や照明光などの外乱光の遠赤外線を遮断することができるが、サファイア基板は高価であるとともにダイシングなどの加工が難しいため、コストが高くなってしまう。また、図３３に示す構成の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４間で導通をとるために接着剤として銀ペーストなどの導電性接着剤を用いた場合には、機械的強度が低くなってしまう。また、図３３に示した構成では、各赤外線光学フィルタ２０１，２０２，２０３，２０４それぞれの一表面および他表面の周部が露出しているので、不要な赤外線が赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４に入射しないように複数個の赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４を保持するホルダ９０に複数個の収納部９０１，９０２，９０３，９０４を設け、各収納部９０１，９０２，９０３，９０４に各別に赤外線受光素子４０１，４０２，４０３，４０４を収納する必要がある。
【００２１】
また、上記特許文献３に記載された電流電圧変換回路により構成される増幅回路では、各赤外線受光素子の出力を各別に増幅する必要があるが、ガスの濃度Ｃを受光量Ｉの減衰量に基づいて求める場合、受光量Ｉには太陽光などの外乱光の直流バイアス成分があるので、増幅回路の出力の飽和により増幅回路のゲインを高めることが制限され、Ｓ／Ｎ比の向上が制限される。また、焦電素子は、赤外線を熱エネルギとして吸収し、その結果生じる電荷量の変化（焦電効果）を検出するいわゆる微分型の検出素子であるから、赤外線の変化分しか検出することができず、０．１〜１０Ｈｚ程度という低周波の赤外線を検出する必要があり、上述の各電流電圧変換回路のインピーダンスは、１００ＧΩ〜１ＴΩと非常に大きく、高インピーダンスによる高Ｓ／Ｎ化を図ることは効果的であるが、インピーダンスが高いため、外来の輻射ノイズの影響を受けやすい。
【００２２】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで高感度化が可能な赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１の発明は、赤外線受光部がパッケージ内に収納され、赤外線受光部の前方に赤外線光学フィルタ部が配置された赤外線式ガス検知器であって、赤外線受光部は、複数の熱型赤外線検出素子が並設されてなり、赤外線光学フィルタ部は、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、当該フィルタ形成用基板において熱型赤外線検出素子に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板に形成され狭帯域透過フィルタ部の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージにおける赤外線受光部の前方の窓孔を閉塞する形でパッケージに接合されてなることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、赤外線光学フィルタ部は、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、当該フィルタ形成用基板において熱型赤外線検出素子に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板に形成され狭帯域透過フィルタ部の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージにおける赤外線受光部の前方の窓孔を閉塞する形でパッケージに接合されているので、広帯域遮断フィルタ部において赤外線を吸収することにより発生した熱がパッケージを通して効率良く放熱されるから、狭帯域透過フィルタ部の温度上昇や温度分布を抑制でき、低コストで高感度化が可能となる。また、パッケージ内に赤外線受光部の出力を信号処理する増幅回路などの回路部品を収納してある場合には、回路部品の温度上昇により回路部品から放射されパッケージの内壁面で反射される赤外線を広帯域遮断フィルタ部により吸収することができ、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。
【００２５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱型赤外線検出素子が焦電素子であり、前記赤外線受光部は、２つ１組の焦電素子が逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、前記赤外線受光部は、２つ１組の焦電素子が逆直列もしくは逆並列に接続されているので、組をなす２つの焦電素子の直流バイアス成分を相殺することができるとともに、前記赤外線受光部の出力のダイナミックレンジを大きくでき、特に２つ１組の焦電素子が１枚の焦電素子形成基板に形成されている場合には、前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路を前記パッケージ内に収納する場合の小型化を図りやすく、しかも、前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路のゲインを大きくできてＳ／Ｎ比の向上が可能となる。
【００２７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記熱型赤外線検出素子がサーモパイルであり、前記赤外線受光部は、２つ１組のサーモパイルが逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、前記赤外線受光部は、２つ１組のサーモパイルが逆直列もしくは逆並列に接続されているので、組をなす２つのサーモパイルの直流バイアス成分を相殺することができるとともに、前記赤外線受光部の出力のダイナミックレンジを大きくでき、特に２つ１組のサーモパイルが１枚の支持基板に形成されている場合には、前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路を前記パッケージ内に収納する場合の小型化を図りやすく、しかも、前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路のゲインを大きくできてＳ／Ｎ比の向上が可能となる。
【００２９】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路の構成部品が前記パッケージ内に収納されてなることを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、前記赤外線受光部と増幅回路との電路を短くでき、Ｓ／Ｎ比のより一層の向上による高感度化を図れる。
【００３１】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記熱型赤外線検出素子が焦電素子もしくはサーモパイルであり、２つ１組の焦電素子もしくは２つ１組のサーモパイルの出力を差動増幅する増幅回路を備えることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、各焦電素子それぞれの出力もしくは各サーモパイルそれぞれの出力を個別に増幅する複数の増幅回路を設ける場合に比べて、小型化および低コスト化を図れる。
【００３３】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記フィルタ形成用基板は、Ｓｉ基板もしくはＧｅ基板であることを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、前記フィルタ形成用基板がサファイア基板やＭｇＯ基板やＺｎＳ基板である場合に比べて低コスト化を図れ、しかも、前記フィルタ形成用基板の温度上昇を抑制でき、前記赤外線光学フィルタ部の温度上昇による赤外線放射を抑制できる。
【００３５】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記パッケージが、外部からの電磁波を遮蔽するシールド部を備え、前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板が前記パッケージのシールド部に電気的に接続されてなることを特徴とする。
【００３６】
この発明によれば、前記フィルタ形成用基板と前記パッケージとで電磁シールドを行うことができ、前記赤外線受光部への外来の輻射ノイズ（電磁ノイズ）の影響を防止でき、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。
【００３７】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板における前記熱型赤外線検出素子側である一表面側に前記狭帯域透過フィルタ部が形成され、前記フィルタ形成用基板の他表面側に前記広帯域遮断フィルタ部が形成されてなることを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、前記広帯域遮断フィルタ部において赤外線を吸収することにより発生した熱が前記熱型赤外線検出素子へ伝熱されにくくなり、前記広帯域遮断フィルタ部が前記熱型赤外線検出素子側となる形で配置されている場合に比べて、前記パッケージの低背化を図りながらも応答性の向上を図れる。また、この発明によれば、前記熱型赤外線検出素子側に前記狭帯域透過フィルタ部が形成されているので、前記赤外線光学フィルタ部に斜め方向から入射する赤外線に起因したクロストークの発生を抑制でき、前記熱型赤外線検出素子の受光領域を大きくすることによる高感度化を図れる。
【００３９】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記赤外線光学フィルタ部は、前記複数の前記フィルタ要素部で前記フィルタ形成用基板が共用されてなることを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、前記狭帯域透過フィルタ部が互いに異なる前記フィルタ形成用基板に形成されている場合に比べて、前記狭帯域透過フィルタ部同士の温度差をより低減でき、検出精度や感度の向上を図れる。また、この発明によれば、前記複数の前記フィルタ要素部を有する前記赤外線光学フィルタ部の小型化および低コスト化を図れ、しかも、複数の前記狭帯域透過フィルタ部の中心間距離を短くできて検出光と参照光との光路長の差を小さくすることができ、前記赤外線受光部の前記各熱型赤外線検出素子の受光効率の向上を図れる。
【００４１】
請求項１０の発明によれば、請求項１ないし請求項９の発明において、前記各狭帯域透過フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第１のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜における前記フィルタ形成用基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第２のλ／４多層膜と、第１のλ／４多層膜と第２のλ／４多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを有し、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなることを特徴とする。
【００４２】
この発明によれば、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも１種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されているので、前記広帯域遮断フィルタ部を構成する多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜の遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することができ、低コスト化を図れる。
【００４３】
請求項１１の発明は、赤外線光源から赤外線を所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出する赤外線式ガス計測装置であって、赤外線光源と、赤外線光源を駆動する駆動部と、赤外線光源から放射され所定空間を通過した赤外線を受光する赤外受光ユニットとを備え、赤外受光ユニットとして請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器を備えてなることを特徴とする。
【００４４】
この発明によれば、赤外受光ユニットとして請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器を備えているので、低コストで高感度化の赤外線式ガス計測装置を提供することが可能になる。
【発明の効果】
【００４５】
請求項１の発明は、低コストで高感度化が可能な赤外線式ガス検知器を提供することが可能になるという効果がある。
【００４６】
請求項１１の発明は、低コストで高感度化が可能な赤外線式ガス計測装置を提供することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態の赤外線式ガス検知器を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】同上の赤外線式ガス検知器の概略分解斜視図である。
【図３】同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図、（ｃ）は他の構成例の回路図である。
【図４】同上の赤外線式ガス検知器における赤外線光学フィルタの概略断面図である。
【図５】同上の赤外線光学フィルタにおける設定波長と反射帯域との関係説明図である。
【図６】同上の赤外線光学フィルタの反射帯域幅を説明するための屈折率周期構造の透過スペクトル図である。
【図７】同上の屈折率周期構造における低屈折率材料の屈折率と反射帯域幅との関係説明図である。
【図８】同上の赤外線光学フィルタのフィルタ本体部の基本構成を示す概略断面図である。
【図９】同上の基本構成の特性説明図である。
【図１０】同上の基本構成の特性説明図である。
【図１１】同上の赤外線光学フィルタにおける遠赤外線吸収材料により形成した薄膜の透過スペクトル図である。
【図１２】同上の赤外線光学フィルタの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図１３】同上の赤外線光学フィルタの２つの狭帯域透過フィルタ部により構成される部分の透過スペクトル図である。
【図１４】同上におけるイオンビームアシスト蒸着装置を用いて形成した薄膜の膜質をＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）により分析した結果を示す図である。
【図１５】（ａ）はＳｉ基板上に膜厚が１μｍのＡｌ２Ｏ３膜を成膜した参考例の透過スペクトル図、（ｂ）は（ａ）の透過スペクトル図に基づいて算出したＡｌ２Ｏ３膜の光学パラメータ（屈折率、吸収係数）の説明図である。
【図１６】同上の赤外線光学フィルタの透過スペクトル図である。
【図１７】同上の赤外線光学フィルタの広帯域遮断フィルタ部の透過スペクトル図である。
【図１８】同上の赤外線式ガス検知器を備えた赤外線式ガス計測装置の概略構成図である。
【図１９】物体の温度と放射エネルギとの関係説明図である。
【図２０】赤外線光源の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。
【図２１】赤外線光源の出力の説明図である。
【図２２】同上における赤外線光学フィルタの説明図である。
【図２３】同上における赤外線受光素子の出力の説明図である。
【図２４】同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図、（ｃ）は別の構成例の回路図である。
【図２５】Ｓｉの透過特性の説明図である。
【図２６】Ｇｅの透過特性の説明図である。
【図２７】同上の赤外線式ガス検知器における熱型赤外線検出素子の他の構成例を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２８】同上の赤外線式ガス検知器における赤外線受光素子の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は回路図である。
【図２９】ガスの濃度と透過率との関係説明図である。
【図３０】従来の赤外線式ガス計測装置の概略構成図である。
【図３１】従来例の赤外線式ガス検知器の概略構成図である。
【図３２】従来の赤外線受光モジュールの概略断面図である。
【図３３】他の従来例の赤外線式ガス検知器を示し、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は概略横断面図、（ｃ）は赤外線受光素子の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本実施形態の赤外線式ガス検知器（赤外線受光ユニット）は、図１および図２に示すように、複数（ここでは、２つ）の焦電素子４１，４２を有する赤外線受光素子４０および赤外線受光素子４０の出力を信号処理する信号処理回路が設けられた回路ブロック６と、回路ブロック６を収納するキャンパッケージからなるパッケージ７とを備えている。なお、本実施形態では、赤外線受光素子４０が赤外線受光部を構成し、焦電素子４１，４２それぞれが熱型赤外線検出素子を構成している。
【００４９】
パッケージ７は、回路ブロック６が絶縁材料からなるスペーサ９を介して実装される金属製のステム７１と、回路ブロック６を覆うようにステム７１に固着される金属製のキャップ７２とを備え、回路ブロック６の適宜部位と電気的に接続される複数本（ここでは、３本）の端子ピン７５がステム７１を貫通する形で設けられている。ここにおいて、ステム７１は、円盤状に形成され、キャップ７２は、後面が開放された有底円筒状の形状に形成されており、後面がステム７１により閉塞されている。なお、スペーサ９と回路ブロック６およびステム７１とは接着剤により固着されている。
【００５０】
また、パッケージ７の一部を構成する上述のキャップ７２において赤外線受光素子４０の前方に位置する前壁には、矩形状（本実施形態では、正方形状）の窓孔７ａが形成されており、赤外線光学フィルタ２０が窓孔７ａを覆うようにキャップ７２の内側から配設されている。要するに、赤外線光学フィルタ２０は、赤外線受光素子４０の前方においてパッケージ７の窓孔７ａを閉塞する形でパッケージ７に接合されている。なお、本実施形態では、赤外線光学フィルタ２０が赤外線光学フィルタ部を構成している。
【００５１】
また、ステム７１は、上述の各端子ピン７５それぞれが挿通される複数の端子用孔７１ｂが厚み方向に貫設されており、各端子ピン７５が端子用孔７１ｂに挿通された形で封止部７４により封着されている。
【００５２】
上述のキャップ７２およびステム７１は鋼板により形成されており、ステム７１の周部に形成されたフランジ部７１ｃに対して、キャップ７２の後端縁から外方に延設された外鍔部７２ｃを溶接により封着してある。
【００５３】
回路ブロック６は、上述の信号処理回路の構成要素であるＩＣ６３およびチップ状の電子部品６４が互いに異なる面に実装されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板など）からなる第１の回路基板６２と、第１の回路基板６２における電子部品６４の実装面側に積層された樹脂層６５と、ガラスエポキシなどからなる絶縁性基材の表面に金属材料（例えば、銅など）からなる金属層（以下、シールド層と称す）が形成され樹脂層６５に積層されたシールド板６６と、赤外線受光素子４０が実装されるとともにシールド板６６に積層されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板）からなる第２の回路基板６７とで構成されている。なお、シールド板６６の代わりに、銅箔や金属板のみでシールド層を形成してもよい。
【００５４】
第１の回路基板６２は、図２における下面側にＩＣ６３がフリップチップ実装され、図２における上面側に複数の電子部品６４が半田リフローにより実装されている。
【００５５】
上述の赤外線受光素子４０は、互いに極性の異なる２つ１組の焦電素子４１，４２が焦電材料（例えば、リチウムタンタレートなど）からなる焦電素子形成用基板４１において並設され且つ２つの焦電素子４１，４２の差動出力が得られるように逆直列に接続されたデュアル素子であり（図３（ｂ）参照）、ＩＣ６３は、赤外線受光素子４０の所定周波数帯域（例えば、０．１〜１０Ｈｚ程度）の出力を増幅する増幅回路（バンドパスアンプ）６３ａ（図１８参照）や当該増幅回路６３ａの後段のウインドウコンパレータなどが集積化されている。ここで、本実施形態における回路ブロック６では、上述のシールド板６６が設けられているので、赤外線受光素子４０と上記増幅回路との容量結合などに起因した発振現象の発生を防止することができる。また、赤外線受光素子４０は、２つ１組の焦電素子４１，４２の差動出力が得られるものであればよく、２つ１組の焦電素子４１，４２が逆直列に接続されたものに限らず、例えば、図３（ｃ）に示すように、逆並列に接続されたものでもよい。
【００５６】
第２の回路基板６７には、赤外線受光素子４０の焦電素子４１，４２と第２の回路基板６７とを熱絶縁するための熱絶縁用孔６７ａが厚み方向に貫設されているので、赤外線受光素子４０の焦電素子４１，４２とシールド板６６との間に空隙が形成され、感度が高くなる。なお、第２の回路基板６７に熱絶縁用孔６７を貫設する代わりに、第２の回路基板６７に、赤外線受光素子４０の焦電素子４１，４２と第２の回路基板６７との間に空隙が形成される形で赤外線受光素子４０を支持する支持部を突設してもよい。
【００５７】
回路ブロック６は、第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７それぞれに、上述の端子ピン７５が挿通されるスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂが厚み方向に貫設されており、赤外線受光素子４０と上記信号処理回路とが端子ピン７５を介して電気的に接続されている。なお、第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７を積層し、回路ブロック６の厚み方向に貫通する貫通孔を形成する１回の孔あけ加工でスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂを形成するような部品内蔵基板工法を採用すれば、製造工程の簡略化を図れるとともに回路ブロック６内の電気的な接続が容易になる。
【００５８】
上述の３本の端子ピン７５は、１本が給電用の端子ピン７５（７５ａ）、他の１本が信号出力用の端子ピン７５（７５ｂ）、残りの１本がグランド用の端子ピン７５（７５ｃ）であり、シールド板６６におけるシールド層はグランド用の端子ピン７５ｃと電気的に接続されている。ここで、端子ピン７５ａ，７５ｂを封着する封止部７４，７４（７４ａ，７４ｂ）は、絶縁性を有する封着用のガラスにより形成されており、端子ピン７５ｃを封着する封止部７４（７４ｃ）は、金属材料により形成されている。要するに、端子ピン７５ａ，７５ｂはステム７１と電気的に絶縁されているのに対し、グランド用の端子ピン７５ｃはステム７１と同電位となっている。したがって、シールド板６６の電位はグランド電位に設定されるが、シールド機能を果たすことが可能な特定の電位であれば、グランド電位以外の電位に設定してもよい。なお、本実施形態では、キャップ７２とステム７１とで、外部からの電磁波を遮蔽するシールド部を構成している。要するに、本実施形態では、パッケージ７が、シールド部を備えている。
【００５９】
本実施形態の赤外線式ガス検知器の製造にあたっては、赤外線受光素子４０が搭載された回路ブロック６をステム７１にスペーサ９を介して実装した後、赤外線光学フィルタ２０が窓孔７ａを閉塞する形で固着されたキャップ７２の外鍔部７２ｃとステム７１のフランジ部７１ｃとを溶接することにより、キャップ７２とステム７１とからなる金属製のパッケージ２内を封止すればよい。ここで、パッケージ７内は、湿度などの影響による赤外線受光素子４０の特性変化を防止するために、ドライ窒素が封入されている。なお、本実施形態におけるパッケージ７は、上述のようにキャンパッケージであり、外来ノイズに対するシールド効果を高めるとともに、気密性の向上による耐候性の向上を図れる。ただし、パッケージ７は、シールド部として金属層からなるシールド層が設けられてシールド効果を有するセラミックスパッケージにより構成してもよい。
【００６０】
ところで、上述の赤外線光学フィルタ２０は、後述の各狭帯域透過フィルタ部２１，２２および広帯域遮断フィルタ部３が形成されたフィルタ本体部２０ａと当該フィルタ本体部２０ａの周部から外方に延設されキャップ７２における窓孔７ａの周部に固着されるフランジ部２０ｂとを有している。ここにおいて、赤外線光学フィルタ２０は、フィルタ部２０ａの平面視形状が矩形状（本実施形態では、正方形状）であり、フランジ部２０ｂの外周形状が矩形状（本実施形態では、正方形状）に形成されている。なお、本実施形態では、フィルタ本体部２０ａの平面形状を数ｍｍ□の正方形状としてあるが、フィルタ本体部２０ａの平面形状や寸法は特に限定するものではない。
【００６１】
赤外線光学フィルタ２０は、図４に示すように、赤外線透過材料（例えば、Ｓｉなど）からなるフィルタ形成用基板１と、当該フィルタ形成用基板１の一表面側（図４における上面側）において各焦電素子４１，４２それぞれに対応する部位に形成され互いに異なる所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる２つ１組の狭帯域透過フィルタ部２１，２２と、フィルタ形成用基板１の他表面側（図４における下面側）に形成され、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部３とを備えている。つまり、広帯域遮断フィルタ部３は、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２の選択波長よりも長波長の所定波長を超える赤外線を吸収する。なお、本実施形態では、１つの狭帯域透過フィルタ部２１とフィルタ形成用基板１および広帯域遮断フィルタ部３それぞれにおいて狭帯域透過フィルタ部２１に重なる各部位とで１つのフィルタ要素部が構成され、他の１つの狭帯域透過フィルタ部２２とフィルタ形成用基板１および広帯域遮断フィルタ部３それぞれにおいて狭帯域透過フィルタ部２２に重なる各部位とで他の１つのフィルタ要素部が構成されている。しかして、本実施形態では、複数のフィルタ要素部でフィルタ形成用基板１が共用されている。
【００６２】
上述の赤外線光学フィルタ２０は、フィルタ形成用基板１の上記一表面側で２つ１組の狭帯域透過フィルタ部２１，２２が並設されており、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類（ここでは、２種類）の薄膜２１ｂ，２１ａが積層された第１のλ／４多層膜２１と、第１のλ／４多層膜２１におけるフィルタ形成用基板１側とは反対側に形成され上記複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂが積層された第２のλ／４多層膜２２と、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在し所望の選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚とは異ならせた波長選択層２３１，２３２とを備えている。なお、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂについての光学膜厚のばらつきの許容範囲は±１％程度であり、当該光学膜厚のばらつきに応じて物理膜厚のばらつきの許容範囲も決まる。
【００６３】
ところで、赤外線光学フィルタ２０は、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２における低屈折率層である薄膜２１ｂの材料（低屈折率材料）として遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ２Ｏ３を採用し、高屈折率層である薄膜２１ａの材料（高屈折率材料）としてＧｅを採用しており、波長選択層２３１，２３２の材料を当該波長選択層２３１，２３２直下の第１のλ／４多層膜２１の上から２番目の薄膜２１ｂ，２１ａの材料と同じ材料とし、第２のλ／４多層膜２２のうちフィルタ形成用基板１から最も遠い薄膜２１ｂ，２１ｂが上述の低屈折率材料により形成されている。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ２Ｏ３に限らず、Ａｌ２Ｏ３以外の酸化物であるＳｉＯ２や、Ｔａ２Ｏ５を採用してもよく、ＳｉＯ２の方がＡｌ２Ｏ３よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。
【００６４】
ところで、例えば住宅内などで発生する可能性のある各種ガスを検知（センシング）するための特定波長は、ＣＨ４（メタン）が３．３μｍ、ＳＯ３（三酸化硫黄）が４．０μｍ、ＣＯ２（二酸化炭素）が４．３μｍ、ＣＯ（一酸化炭素）が４．７μｍ、ＮＯ（一酸化窒素）が５．３μｍであり、ここに列挙した全ての特定波長を選択的に検知するためには、３．１μｍ〜５．５μｍ程度の赤外領域に反射帯域を有する必要があって、２．４μｍ以上の反射帯域幅Δλが必要不可欠である。なお、反射帯域は、各薄膜２１ａ，２１ｂに共通する光学膜厚の４倍に相当する設定波長をλ０とすれば、図５に示すように、入射光の波長の逆数である波数を横軸、透過率を縦軸とした透過スペクトル図において、１／λ０を中心として対称となる。
【００６５】
ここにおいて、本実施形態では、波長選択層２３１，２３２の各光学膜厚を適宜設定することによって上述の各種ガスの検出が可能となるように、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ０を４．０μｍとしている。また、各薄膜２１ａ，２１ｂの物理膜厚は、薄膜２１ａの材料である高屈折率材料の屈折率をｎＨ、薄膜２１ｂの材料である低屈折率材料の屈折率ｎＬとすると、それぞれλ０／４ｎＨ、λ０／４ｎＬとなるように設定してある。具体的には、高屈折率材料がＧｅ、低屈折率材料がＡｌ２Ｏ３の場合、ｎＨ＝４．０、ｎＬ＝１．７として、高屈折率材料により形成する薄膜２１ａの物理膜厚を２５０ｎｍに設定し、低屈折率材料により形成する薄膜２１ｂの物理膜厚を５８８ｎｍに設定してある。
【００６６】
ここで、Ｓｉ基板からなるフィルタ形成用基板１の一表面側に低屈折率材料からなる薄膜２１ｂと高屈折率材料からなる薄膜２１ａとを交互に積層したλ／４多層膜（屈折率周期構造）の積層数を２１とし、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）と仮定して、設定波長λ０を４μｍとした場合の透過スペクトルのシミュレーション結果を図６に示す。
【００６７】
図６は、横軸が入射光（赤外線）の波長、縦軸が透過率であり、同図中の「イ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＡｌ２Ｏ３（ｎＬ＝１．７）とした場合の透過スペクトルを、同図中の「ロ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＳｉＯ２（ｎＬ＝１．５）とした場合の透過スペクトルを、同図中の「ハ」は高屈折率材料をＧｅ（ｎＨ＝４．０）、低屈折率材料をＺｎＳ（ｎＬ＝２．３）とした場合の透過スペクトルを、それぞれ示している。
【００６８】
また、図７に、高屈折率材料をＧｅとして、低屈折率材料の屈折率を変化させた場合のλ／４多層膜（屈折率周期構造）の反射帯域幅Δλをシミュレーションした結果を示す。なお、図７中の「イ」、「ロ」、「ハ」は、それぞれ図６中の「イ」、「ロ」、「ハ」の点に対応している。
【００６９】
図６および図７から、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差が大きくなるにつれて反射帯域幅Δλが増大することが分かり、高屈折率材料がＧｅの場合には、低屈折率材料としてＡｌ２Ｏ３もしくはＳｉＯ２を採用することにより、少なくとも３．１μｍ〜５．５μｍの赤外領域の反射帯域を確保できるとともに、反射帯域幅Δλを２．４μｍ以上とできることが分かる。
【００７０】
次に、図８に示すように、第１のλ／４多層膜２１の積層数を４、第２のλ／多層膜２２の積層数を６として、薄膜２１ａの高屈折率材料をＧｅ、薄膜２１ｂの低屈折率材料をＡｌ２Ｏ３、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在させる波長選択層２３の材料を低屈折率材料であるＡｌ２Ｏ３とし、当該波長選択層２３の光学膜厚を０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で種々変化させた場合の透過スペクトルについてシミュレーションした結果を図９および図１０に示す。ここで、図８中の矢印Ａ１は入射光、矢印Ａ２は透過光、矢印Ａ３は反射光をそれぞれ示している。また、波長選択層２３の光学膜厚は、当該波長選択層２３の材料の屈折率をｎ、当該波長選択層２３の物理膜厚をｄとすると、屈折率ｎと物理膜厚ｄとの積、つまり、ｎｄで求められる。なお、このシミュレーションにおいても、各薄膜２１ａ，２１ｂでの吸収がない（つまり、各薄膜２１ａ，２１ｂの消衰係数を０）と仮定して、設定波長λ０を４μｍ、薄膜２１ａの物理膜厚を２５０ｎｍ、薄膜２１ｂの物理膜厚を５８８ｎｍとした。
【００７１】
図９および図１０から、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２により、３μｍ〜６μｍの赤外領域に反射帯域が形成されていることが分かるとともに、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、３μｍ〜６μｍの反射帯域の中に狭帯域の透過帯域が局在していることが分かる。具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で変化させることにより、透過ピーク波長を３．１μｍ〜５．５μｍの範囲で連続的に変化させることが可能であることが分かる。より具体的には、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄを、１３９０ｎｍ、０ｎｍ、９５ｎｍ、２３５ｎｍ、４９５ｎｍと変化させれば、透過ピーク波長がそれぞれ、３．３μｍ、４．０μｍ、４．３μｍ、４．７μｍ、５．３μｍとなる。
【００７２】
したがって、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設計を変えることなく波長選択層２３の光学膜厚ｎｄの設計のみを適宜変えることにより、特定波長が３．３μｍのＣＨ４、特定波長が４．０μｍのＳＯ３、特定波長が４．３μｍのＣＯ２、特定波長が４．７μｍのＣＯ、特定波長が５．３μｍのＮＯなどの種々のガスや、特定波長が４．３μｍの炎のセンシングが可能となる。なお、光学膜厚ｎｄの０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲は、物理膜厚ｄの０ｎｍ〜９４１ｎｍの範囲に相当する。また、波長選択層２３の光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合、つまり、図９において波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長が４０００ｎｍとなるのは、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ０を４μｍ（４０００ｎｍ）に設定しているからであり、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の設定波長λ０を適宜変化させることにより、波長選択層２３がない場合の透過ピーク波長を変化させることができる。
【００７３】
ところで、薄膜２１ｂの低屈折率材料として、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２により設定される赤外線の反射帯域（つまり、狭帯域透過フィルタ部２１，２２により設定される赤外線の反射帯域）よりも長波長域の赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＡｌ２Ｏ３を採用しているが、遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘの５種類について検討した。具体的には、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ膜それぞれについて膜厚を１μｍに設定してＳｉ基板上に成膜する際の成膜条件を下記表１のように設定し、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ膜それぞれの透過スペクトルを測定した結果を図１１に示す。ここで、ＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ膜の成膜装置としては、イオンビームアシスト蒸着装置を用いた。
【００７４】
【表１】
2011027699.tif 000003
【００７５】
ここにおいて、表１中の「ＩＢ条件」は、イオンビームアシスト蒸着装置で成膜する際のイオンビームアシストの条件であり、「ＩＢなし」は、イオンビームの照射なし、「酸素ＩＢ」は、酸素イオンビームの照射あり、「ＡｒＩＢ」は、アルゴンイオンビームの照射あり、を意味している。また、図１１は、横軸が波長、縦軸が透過率であり、同図中の「イ」がＡｌ２Ｏ３膜、「ロ」がＴａ２Ｏ５膜、「ハ」がＳｉＯｘ膜、「ニ」がＳｉＮｘ膜、「ホ」がＭｇＦ２膜、それぞれの透過スペクトルを示している。
【００７６】
また、上述のＭｇＦ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯｘ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＮｘ膜について、「光学特性：吸収」、「屈折率」、「成膜容易性」を評価項目として、検討した結果を下記表２に示す。
【００７７】
【表２】
2011027699.tif 000004
【００７８】
ここにおいて、「光学特性：吸収」の評価項目については、図１１の透過スペクトルから算出した６μｍ以上の遠赤外線の吸収率により評価した。表２では、各評価項目それぞれについて、評価の高いランクから低いランクの順に「◎」、「○」、「△」、「×」を記載してある。ここで、「光学特性：吸収」の評価項目については、遠赤外線の吸収率が高い方が評価のランクを高く、遠赤外線の吸収率が低い方を評価のランクを低くしてある。また、「屈折率」の評価項目については、高屈折率材料との屈折率差を大きくする観点から、屈折率が低い方が評価のランクを高く、屈折率が高い方が評価のランクを低くしてある。また、「成膜容易性」の評価項目については、蒸着法もしくはスパッタ法により緻密な膜の得やすい方が評価のランクを高く、緻密な膜の得にくい方が評価のランクを低くしてある。ただし、各評価項目について、ＳｉＯｘはＳｉＯ２として、ＳｉＮｘはＳｉ３Ｎ４として評価した結果である。
【００７９】
表２より、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘの５種類に関して、「成膜容易性」の評価項目については大差がなく、「光学特性：吸収」および「屈折率」の評価項目に着目した結果、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘのいずれかを採用することが好ましいとの結論に至った。ここにおいて、遠赤外線吸収材料としてＡｌ２Ｏ３もしくはＴ２Ｏ５を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘやＳｉＮｘである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。ただし、高屈折率材料との屈折率差を大きくするという観点からは、Ｔ２Ｏ５よりもＡｌ２Ｏ３の方が好ましい。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＮｘを採用する場合には、遠赤外線吸収材料により形成される薄膜２１ｂの耐湿性を高めることができる。また、遠赤外線吸収材料としてＳｉＯｘを採用すれば、高屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２の積層数の低減を図れる。
【００８０】
以下、赤外線光学フィルタ２０における狭帯域透過フィルタ部２１，２２の製造方法について図１２を参照しながら説明する。
【００８１】
まず、Ｓｉ基板からなるフィルタ形成用基板１の一表面側の全面に、低屈折率材料であるＡｌ２Ｏ３からなる所定の物理膜厚（ここでは、５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂと高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（ここでは、２５０ｎｍ）の薄膜２１ａとを交互に積層することで第１のλ／４多層膜２１を形成する第１のλ／４多層膜形成工程を行い、続いて、フィルタ形成用基板１の上記一表面側（ここでは、第１のλ／４多層膜２１の表面側）の全面に、第１のλ／４多層膜２１の上から２番目に位置する薄膜２１ｂと同じ材料（ここでは、低屈折率材料であるＡｌ２Ｏ３）からなり１つの狭帯域透過フィルタ部２１の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層２３１を成膜する波長選択層成膜工程を行うことによって、図１２（ａ）に示す構造を得る。なお、各薄膜２１ｂ，２１ａおよび波長選択層２３１の成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば２種類の薄膜２１ｂ，２１ａを連続的に成膜することができるが、低屈折率材料が上述のようにＡｌ２Ｏ３の場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜２１ｂの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜２１ｂの緻密性を高めることが好ましい。また、低屈折率材料としては、Ａｌ２Ｏ３以外の遠赤外線吸収材料であるＳｉＯｘ、Ｔ２Ｏ５、ＳｉＮｘを採用してもよい。いずれにしても、遠赤外線吸収材料からなる薄膜２１ｂの成膜にあたっては、イオンビームアシスト蒸着法により成膜することが望ましく、低屈折率材料からなる薄膜２１ｂの化学的組成を精密に制御できるとともに、薄膜２１ｂの緻密性を高めることができる。
【００８２】
上述の波長選択層成膜工程の後、狭帯域透過フィルタ部２１に対応する部位のみを覆うレジスト層３１をフォトリソグラフィ技術を利用して形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図１２（ｂ）に示す構造を得る。
【００８３】
その後、レジスト層３１をマスクとし、第１のλ／４多層膜２１の一番上の薄膜２１ａをエッチングストッパ層として波長選択層２３１の不要部分を選択的にエッチングする波長選択層パターニング工程を行うことによって、図１２（ｃ）に示す構造を得る。ここで、波長選択層パターニング工程では、上述のように低屈折率材料が酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、高屈折率材料が半導体材料（Ｇｅ）であれば、エッチング液としてフッ酸系溶液を用いたウェットエッチングを採用することにより、ドライエッチングを採用する場合に比べて、エッチング選択比の高いエッチングが可能となる。これは、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２のような酸化物はフッ酸系溶液に溶解しやすいのに対して、Ｇｅはフッ酸系溶液に非常に溶けにくいためである。一例を挙げれば、フッ酸系溶液としてフッ酸（ＨＦ）と純水（Ｈ２Ｏ）との混合液からなる希フッ酸（例えば、フッ酸の濃度が２％の希フッ酸）を用いてウェットエッチングを行えば、Ａｌ２Ｏ３のエッチングレートが３００ｎｍ／ｍｉｎ程度で、Ａｌ２Ｏ３とＧｅとのエッチングレート比が５００：１程度であり、エッチング選択比の高いエッチングを行うことができる。
【００８４】
上述の波長選択層パターニング工程の後、レジスト層３１を除去するレジスト層除去工程を行うことによって、図１２（ｄ）に示す構造を得る。
【００８５】
上述のレジスト層除去工程の後、フィルタ形成用基板１の上記一表面側の全面に、高屈折率材料であるＧｅからなる所定の物理膜厚（２５０ｎｍ）の薄膜２１ａと低屈折率材料であるＡｌ２Ｏ３からなる所定の物理膜厚（５８８ｎｍ）の薄膜２１ｂとを交互に積層することで第２のλ／４多層膜２２を形成する第２のλ／４多層膜形成工程を行うことによって、図１２（ｅ）に示す構造を得る。ここにおいて、第２のλ／４多層膜形成工程を行うことによって、狭帯域透過フィルタ部２２に対応する領域では、第１のλ／４多層膜２１の最上層の薄膜２１ａ上に直接、第２のλ／４多層膜２２の最下層の薄膜２１ａが積層されることとなり、当該最上層の薄膜２１ａと当該最下層の薄膜２１ａとで狭帯域透過フィルタ部２２の波長選択層２３２を構成している。ただし、この狭帯域透過フィルタ部２２の透過スペクトルは、図１０のシミュレーション結果では、光学膜厚ｎｄが０ｎｍの場合に相当する。なお、各薄膜２１ａ，２１ｂの成膜方法としては、例えば、蒸着法やスパッタ法などを採用すれば２種類の薄膜２１ａ，２１ｂを連続的に成膜することができるが、低屈折率材料が上述のようにＡｌ２Ｏ３の場合には、イオンビームアシスト蒸着法を採用し、薄膜２１ｂの成膜時に酸素イオンビームを照射するようにして薄膜２１ｂの緻密性を高めることが好ましい。
【００８６】
要するに、赤外線光学フィルタ２０の狭帯域透過フィルタ部２１，２２の製造にあたっては、フィルタ形成用基板１の上記一表面側に屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類（ここでは、２種類）の薄膜２１ｂ，２１ａを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜（ここでは、第１のλ／４多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる波長選択層２３ｉ（ここでは、ｉ＝１）であって複数の狭帯域透過フィルタ部２１，・・・，２ｍ（ここでは、ｍ＝２）うちの任意の１つの狭帯域透過フィルタ部２ｉ（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて光学膜厚を設定した波長選択層２３ｉを上記積層膜上に成膜する波長選択層成膜工程と、波長選択層成膜工程にて成膜した波長選択層２３のうち上記任意の１つの狭帯域透過フィルタ部２ｉに対応する部分以外の不要部分を上記積層膜の１番上の層をエッチングストッパ層としてエッチングする波長選択層パターニング工程とからなる波長選択層形成工程を１回行っており、複数の狭帯域透過フィルタ部２１，２２が形成される。ここで、上述の基本工程の途中で、波長選択層形成工程を複数回行うようにすれば、より多くの選択波長を有する赤外線光学フィルタ２０を製造することができ、上述の全てのガスをセンシングする赤外線光学フィルタ２０を１チップで実現することもできる。
【００８７】
また、上述の製造方法においては、基板１の上記一表面側に複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂを積層する基本工程の途中で、当該途中における積層膜（ここでは、第１のλ／４多層膜２１）の上から２番目の層と同じ材料からなる薄膜であって各狭帯域透過フィルタ部２１，・・・，２ｍ（ここでは、ｍ＝２）のうちの任意の１つの狭帯域透過フィルタ部２ｉ（ここでは、ｉ＝１）の選択波長に応じて光学膜厚を設定した薄膜を上記積層膜上に成膜し、上記積層膜上に成膜した薄膜のうち上記任意の１つの狭帯域透過フィルタ部２ｉ（ここでは、ｉ＝１）に対応する部分以外の部分をエッチングすることで少なくとも１つの波長選択層２３１のパターンを形成しているが、少なくとも１つの波長選択層２３１のパターンを形成すればよく、例えば、波長選択層２３２が、波長選択層２３１と同じ材料であり且つ波長選択層２３１よりも光学膜厚が小さく設定されている場合には、上記積層膜上の薄膜を途中までエッチングすることで２つの波長選択層２３１，２３２のパターンを形成するようにしてもよい。
【００８８】
また、上述の製造方法に限らず、フィルタ形成用基板１の上記一表面側に第１のλ／４多層膜２１を形成する第１のλ／４多層膜形成工程と、第１のλ／４多層膜におけるフィルタ形成用基板１側とは反対側に第２のλ／４多層膜２２を形成する第２のλ／４多層膜形成工程との間で、各狭帯域透過フィルタ部２１，・・・，２ｍ（ここでは、ｍ＝２）に対応する各部位それぞれに互いに光学膜厚の異なる波長選択層２３１，・・・，２３ｍ（ここでは、ｍ＝２）をマスク蒸着により形成するようにしてもよい。
【００８９】
また、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘであり、他方の薄膜２１ａがＳｉである場合には、Ｓｉを蒸発源とするイオンビームアシスト蒸着装置を用い、Ｓｉからなる薄膜２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、酸化物であるＳｉＯｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素イオンビームを照射し、窒化物であるＳｉＮｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは窒素イオンビームを照射するようにすれば、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂの蒸発源を共通化することができるので、複数の蒸発源を備えたイオンビームアシスト蒸着装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。同様に、上述の製造方法において、上述の２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのうち一方の薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘもしくはＳｉＮｘであり、他方の薄膜２１ａがＳｉである場合、Ｓｉをターゲットとするスパッタ装置を用い、Ｓｉからなる薄膜２１ａを成膜するときは真空雰囲気とし、ＳｉＯｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは酸素雰囲気とし、ＳｉＮｘからなる薄膜２１ｂを成膜するときは窒素雰囲気とするようにすれば、２種類の薄膜２１ａ，２１ｂのターゲットを共通化することができるので、複数のターゲットを備えたスパッタ装置を用意する必要がなく、製造コストの低コスト化を図れる。
【００９０】
上述の赤外線光学フィルタ２０の狭帯域透過フィルタ部２１，２２では、波長選択層２３１，２３２それぞれの光学膜厚ｎｄを適宜設定することにより、図１３に示すように、３．８μｍと４．３μｍとに透過ピーク波長を有する赤外線光学フィルタ２０を１チップで実現することができる。
【００９１】
なお、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２は、屈折率周期構造を有していればよく、３種類以上の薄膜を積層したものでもよい。
【００９２】
次に、赤外線光学フィルタ２０の広帯域遮断フィルタ部３について説明する。
【００９３】
広帯域遮断フィルタ部３は、屈折率が異なる複数種類（ここでは、２種類）の薄膜３ａ，３ｂが積層された多層膜により構成されている。ここにおいて、広帯域遮断フィルタ部３は、相対的に屈折率の低い低屈折率層である薄膜３ａの材料として、遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料の一種であるＡｌ２Ｏ３を採用し、相対的に屈折率の高い高屈折率層である薄膜３ｂの材料としてＧｅを採用しており、薄膜３ａと薄膜３ｂとを交互に積層し積層数を１１としてあるが、この積層数は特に限定するものではない。ただし、広帯域遮断フィルタ部３は、フィルタ形成用基板１から最も遠い最上層を低屈折率層である薄膜３ａにより構成することが光学特性の安定性の観点から望ましい。ここで、遠赤外線吸収材料としては、Ａｌ２Ｏ３に限らず、Ａｌ２Ｏ３以外の酸化物であるＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５を採用してもよく、ＳｉＯ２の方がＡｌ２Ｏ３よりも屈折率が低いので、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくできる。また、遠赤外線吸収材料としては、窒化物であるＳｉＮｘを採用してもよい。
【００９４】
上述のように、広帯域遮断フィルタ部３は、２種類の薄膜３ａ，３ｂのうちの１種類の薄膜３ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料であるＡｌ２Ｏ３により形成されているが、複数種類のうちの少なくとも１種類が遠赤外線吸収材料により形成されていればよく、例えば、３種類の薄膜としてＧｅ膜とＡｌ２Ｏ３膜とＳｉＯｘ膜とが、Ｓｉ基板よりなる半導体基板１に近い側からＧｅ膜−Ａｌ２Ｏ３膜−Ｇｅ膜−ＳｉＯｘ膜−Ｇｅ膜−Ａｌ２Ｏ３膜−Ｇｅ膜・・・の順に積層された多層膜としてもよく、この場合は、３種類の薄膜のうち２種類の薄膜が遠赤外線吸収材料により形成されることとなる。
【００９５】
ところで、上述の広帯域遮断フィルタ部３では、狭帯域透過フィルタ部２１，２２により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長域の遠赤外線を吸収する。ここで、広帯域遮断フィルタ部３では、赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料としてＡｌ２Ｏ３を採用しているが、上述の狭帯域透過フィルタ部２１，２２と同様、遠赤外線吸収材料としては、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘの５種類について検討した。
【００９６】
ここにおいて、本願発明者らは、イオンビームアシストの効果を確認するために、Ｓｉ基板上にＡｌ２Ｏ３膜を成膜する時のイオンビームの照射量を種々変化させたサンプルを用意し、各サンプルのＡｌ２Ｏ３膜の膜質の違いをＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）により分析した。図１４は、ＦＴ−ＩＲによる分析結果を示し、横軸が波数、縦軸が吸収率であり、同図中の「イ」はイオンビームアシストなしの場合のサンプル、「ロ」、「ハ」、「ニ」、「ホ」、「ヘ」はイオンビームの照射量を少ない方から多い方へ変化させた場合の各サンプルそれぞれの分析結果を示しており、イオンビームを照射することにより、水分に起因した３４００ｃｍ−１付近の吸収率を低減でき、イオンビームの照射量を多くするほど水分に起因した３４００ｃｍ−１付近の吸収率が低下していることが分かる。要するに、イオンビームアシストによりＡｌ２Ｏ３膜の膜質を向上でき、緻密性を高めることができるものと推測される。
【００９７】
また、上述のように、遠赤外線吸収材料としてＡｌ２Ｏ３もしくはＴ２Ｏ５を採用する場合には、遠赤外線吸収材料がＳｉＯｘやＳｉＮｘである場合に比べて、遠赤外線の吸収性を向上させることができる。
【００９８】
また、本願発明者らは、Ｓｉ基板上に１μｍのＡｌ２Ｏ３膜を成膜した参考例の透過スペクトルを測定したところ図１５（ａ）の「イ」に示すような実測値が得られ、実測値「イ」が同図（ａ）中の「ロ」に示す計算値からずれているという知見を得て、Ａｌ２Ｏ３により形成される薄膜３ａの光学パラメータ（屈折率、吸収係数）を図１５（ａ）の実測値「イ」からＣａｕｃｈｙの式により算出した。この算出した光学パラメータを図１５（ｂ）に示してある。図１５（ｂ）に示した新規の光学パラメータでは、屈折率および吸収係数のいずれも８００ｎｍ〜２００００ｎｍの波長域で一定という訳ではなく、波長が長くなるにつれて屈折率が徐々に低下し、また、波長が７５００ｎｍ〜１５０００ｎｍの波長域では波長が長くなるにつれて吸収係数が徐々に大きくなる。
【００９９】
上述のＡｌ２Ｏ３膜の新規の光学パラメータを用いて赤外線光学フィルタ２０として、下記表３の積層構造を有し透過ピーク波長が４．４μｍの狭帯域透過フィルタ部２１と、下記表４の積層構造を有する広帯域遮断フィルタ部３とがフィルタ形成用基板１の厚み方向において重なるように形成されている部分の透過スペクトルのシミュレーション結果を図１６の「イ」に示す。また、上述のＡｌ２Ｏ３膜の新規の光学パラメータを用いずに、Ａｌ２Ｏ３膜の屈折率を一定、吸収係数を０で一定とした比較例のシミュレーション結果を図１６の「ロ」に示す。なお、実施例、比較例のいずれもＧｅの屈折率を４．０で一定、吸収係数を０．０で一定としてシミュレーションした。
【０１００】
【表３】
2011027699.tif 000005
【０１０１】
【表４】
2011027699.tif 000006
【０１０２】
上述の図１６は、横軸が入射光（赤外線）の波長、縦軸が透過率であり、Ａｌ２Ｏ３膜の新規の光学パラメータを用いていない比較例の透過スペクトル「ロ」では、９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線が遮断されていないのに対して、Ａｌ２Ｏ３膜の新規の光学パラメータを用いた実施例の透過スペクトル「イ」では９０００ｎｍ〜２００００ｎｍの遠赤外線も遮断されており、積層数が２９層の広帯域遮断フィルタ部３と積層数が１１層の狭帯域透過フィルタ部２１とで波長が８００ｎｍ〜２００００ｎｍの広帯域の赤外線を遮断でき、４．４μｍ付近のみに狭帯域の透過帯域を局在させ得ることが分かる。なお、広帯域遮断フィルタ部３の透過スペクトルは、例えば、図１７に示すようになり、図１７の例では、４μｍ以下の近赤外線と５．６μｍ以上の遠赤外線とが遮断される。
【０１０３】
本実施形態の赤外線光学フィルタ２０の製造にあたっては、まず、Ｓｉ基板からなるフィルタ形成用基板１の上記他表面側に例えばＡｌ２Ｏ３膜からなる薄膜３ａと例えばＧｅ膜からなる薄膜３ｂとを交互に積層することで広帯域遮断フィルタ部３を形成する広域遮断フィルタ部形成工程を行い、その後、フィルタ形成用基板１の上記一表面側に上述のようにして狭帯域透過フィルタ部２１，２２を形成すればよい。
【０１０４】
次に、本実施形態の赤外線式ガス検知器を用いた赤外線式ガス計測装置について図１８を参照しながら説明する。
【０１０５】
図１８に示した赤外線式ガス計測装置は、ハロゲンランプなどからなる赤外線光源１０と、赤外線光源１０を駆動する駆動回路１１と、赤外線光源１０から放射された赤外線をコリメートするレンズ１２と、計測ガス（検知対象ガス）が導入されるガス流入路１３ｂおよび排出されるガス排出路１３ｃが形成されたチャンバ１３と、上述のように互いに極性の異なる２つ１組の焦電素子４１，４２が焦電素子形成用基板において並設され且つ逆直列に接続された赤外線受光素子４０と、広帯域遮断フィルタ部３および互いに透過波長域の異なる２つの狭帯域透過フィルタ部２１，２２を有し赤外線受光素子４０の前方に配置された赤外線光学フィルタ２０と、赤外線受光素子４０の出力（２つ１組の焦電素子４１，４２の差動出力）を増幅する増幅回路６３ａと、増幅回路６３ａの出力に基づいてガスの濃度を求める演算を行う演算回路（図示せず）とを備えている。要するに、図１８に示した構成の赤外線ガス計測装置は、赤外線光源１０から赤外線をチャンバ１３の内部空間である所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出する赤外線式ガス計測装置であって、赤外線光源１０と、赤外線光源１０を駆動する駆動部たる駆動回路１１とを備え、赤外線光源１０から放射され所定空間を通過した赤外線を受光する赤外線受光ユニットとして上述の赤外線式ガス検知器を備えている。なお、増幅回路６３ａと演算回路とは上述のＩＣ６３に設けられているが、これらの回路は、パッケージ７の外側に設けてもよい。
【０１０６】
ところで、図１８に示した構成の赤外線式ガス計測装置では、赤外線光源１０としてハロゲンランプのような熱の放射により赤外線を発生するものを用いる場合、放射スペクトルは発光ダイオードに比べて非常にブロードなスペクトルとなる。ここで、物体が黒体の場合、物体の温度と放射エネルギとの関係は図１９に示すようになり、物体から放射される赤外線の放射エネルギ分布は、物体の温度に依存する。なお、ウィーンの変位側によれば、放射エネルギ分布の極大値を与える赤外線の波長をλ〔μｍ〕、物体の絶対温度をＴ〔Ｋ〕とすれば、波長λは、λ＝２８９８／Ｔとなる。
【０１０７】
ここにおいて、図１８に示した構成の赤外線式ガス計測装置では、赤外線光源１０としてハロゲンランプを用いる一方で、赤外線受光素子４０のセンシングエレメントして焦電素子４１，４２を用いているので、駆動回路１１によって赤外線光源１０から放射される光の強度（発光パワー）を変調させる。ここで、駆動回路１１は、赤外線光源１０から放射される光の強度が一定周期で周期的に変化するようにしているが、連続的に変化させてもよいし間欠的に変化させてもよい。
【０１０８】
また、赤外線光源１０は、ハロゲンランプに限らず、例えば、図２０に示すように、単結晶のシリコン基板（半導体基板）からなる支持基板１１１の一表面側にヒータ層（発熱体層）１１４が形成されるとともに、ヒータ層１１４と支持基板１１１との間に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層１１３が形成された赤外線放射素子１１０と、当該赤外線放射素子１１０が収納されたキャンパッケージからなるパッケージ１００とで構成されたものでもよい。ここにおいて、赤外線放射素子１１０は、ヒータ層１１４に電気的に接続された一対のパッド１１５，１１５を備えており、各パッド１１５，１１５それぞれがボンディングワイヤ１２４，１２４を介して端子ピン１２５，１２５と電気的に接続されている。しかして、図２０に示した構成の赤外線光源１０は、一対の端子ピン１２５，１２５間に通電してヒータ層１１４へ入力電力が与えることによりヒータ層１１４から赤外線を放射させることができる。なお、図２０に示した構成の赤外線光源１０は、パッケージ１００における赤外線放射素子１１０の前方の窓孔１００ａが、赤外線を透過する光学部材１３０により閉塞されている。また、赤外線放射素子１１０は、支持基板１１１の上記一表面側において熱絶縁層１１３が形成されていない部分にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１２が形成されている。
【０１０９】
上述のヒータ層１１４の材料は特に限定するものではないが、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＮｉＣｒ、導電性アモルファスシリコンなどを採用できる。図２０にて説明した赤外線放射素子１１０は、支持基板１１１が単結晶のシリコン基板により形成されるとともに、熱絶縁層１１３が多孔質シリコン層により形成されており、支持基板１１１の熱容量および熱伝導率それぞれが熱絶縁層１１３よりも大きく、支持基板１１１がヒートシンクとしての機能を有するので、小型で入力電圧または入力電流に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることができる。
【０１１０】
ここで、測定対象のガスがＣＯ２であり、狭帯域透過フィルタ部２１，２２の透過ピーク波長がλ１＝３．９μｍ、λ２＝４．３μｍであるとし、ハロゲンランプよりなる赤外線光源１０から放射される光の強度（発光パワー）が図２１に示す曲線のように変化するとして、赤外線光学フィルタ２０が図２２に示すような透過特性を有すると仮定する。ここにおいて、赤外線光学フィルタ２０の狭帯域透過フィルタ部２１の波長λ１での透過率をτ１、狭帯域透過フィルタ部２２の波長λ２での透過率をτ２とし、図２１の曲線の振幅をＰａ、バイアス成分（太陽光などの外来光による直流成分）をＰｂ、角振動数をω（＝２πｆ）として、測定対象のガスによる赤外線の吸収率をＴ（Ｃ）とすると、狭帯域透過フィルタ部２１，２２それぞれを透過した赤外線の強度（パワー）Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ下記（６）式、下記（７）式で表される。
Ｐ１＝τ１（Ｐａsin(ωｔ)＋Ｐｂ）              （６）式
Ｐ２＝Ｔ（Ｃ）τ２（Ｐａsin(ωｔ)＋Ｐｂ）      （７）式
また、狭帯域透過フィルタ部２１を透過した赤外線を受光する焦電素子４１の受光面側の極性を＋、狭帯域透過フィルタ部２２を透過した赤外線を受光する焦電素子４２の受光面側の極性を−とすると、各焦電素子４１，４２の出力Ｉ１，Ｉ２は、それぞれ下記（８）式、下記（９）式で表される（ただし、焦電素子４１，４２での電流変換による定数は省いてある）。
Ｉ１＝ωτ１Ｐａcos（ωｔ）                  （８）式
Ｉ２＝−Ｔ（Ｃ）ωτ２Ｐａcos（ωｔ）        （９）式
ここで、赤外線受光素子４０は、焦電素子形成用基板４１上で２つの焦電素子４１，４２の差動出力が得られるように両焦電素子４１，４２が図３（ｂ）のように接続されているから、赤外線受光素子４０の出力をＩとすると、出力Ｉは下記（１０）式で表される。
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＝ωτ１Ｐａcos（ωｔ）−Ｔ（Ｃ）ωτ２Ｐａcos（ωｔ）      （１０）式
ここにおいて、τ１＝τ２とすれば、赤外線受光素子４０の出力Ｉは、下記（１１）式で表される。
Ｉ＝ωτ１Ｐａcos（ωｔ）（１−Ｔ（Ｃ））      （１１）式
ここで、赤外線の吸収率Ｔ（Ｃ）は、上述のランベルト・ベールの法則に基づいて求められる（４）式より、ガスの濃度をＣ、光路長をＬとすれば、下記（１２）で表される。
Ｔ（Ｃ）＝１０−αＣＬ      （１２）式
したがって、赤外線受光素子４０の出力Ｉは、（１１）式に（１２）式を代入することにより、下記（１３）式で表される。
Ｉ＝ωτ１Ｐａcos（ωｔ）（１−１０−αＣＬ）      （１３）式
この（１３）式に基づいて、ガスの濃度Ｃと赤外線受光素子４０の出力信号（出力Ｉ）との関係をグラフにすると、図２３に示すようになるから、赤外線受光素子４０の出力信号の振幅を計測することでガスの濃度を求めることができる。
【０１１１】
以上説明した本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線受光素子４０は、互いに極性の異なる２つ１組の焦電素子４１，４２が逆直列に接続されているので、組をなす２つの焦電素子４１，４２の直流バイアス成分（雑ガスや太陽光などの外来光によるバイアス成分）を相殺することができる（つまり、測定対象のガスの濃度が零の場合には、赤外線受光素子４０の出力も零となる）とともに、赤外線受光素子４０の出力のダイナミックレンジを大きくでき、特に２つ１組の焦電素子４１，４２が１枚の焦電素子形成基板４１に形成されている場合には赤外線検出素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａをパッケージ７内に収納する場合の小型化を図りやすく、しかも、赤外線受光素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａのゲインを大きくできてＳ／Ｎ比の向上が可能となる。
【０１１２】
また、本実施形態の赤外線ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０が、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板１と、当該フィルタ形成用基板１において焦電素子（熱型赤外線検出素子）４１，４２に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部２１，２２と、フィルタ形成用基板１に形成され狭帯域透過フィルタ部２１，２２の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部３とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部２１，２２の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージ７における赤外線受光素子（赤外線受光部）４０の前方の窓孔７ａを閉塞する形でパッケージ７に接合されているので、広帯域遮断フィルタ部３において赤外線を吸収することにより発生した熱がパッケージ７を通して効率良く放熱されるから、狭帯域透過フィルタ部２１，２２の温度上昇や温度分布を抑制でき、低コストで高感度化が可能となる。また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、パッケージ７内に赤外線受光素子４０の出力を信号処理する増幅回路６３ａなどの回路部品を含む回路ブロック９を収納してあるが、回路部品の温度上昇により回路部品から放射されパッケージ７の内壁面で反射される赤外線を広帯域遮断フィルタ部３により吸収することができ、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。ここで、本実施形態では、２つ１組の焦電素子４１，４２を焦電素子形成基板４１上で逆直列もしくは逆並列に接続してあるが、２つ１組の焦電素子４１，４２を接続せず、２つ１組の焦電素子４１，４２の出力を差動増幅する増幅回路を備えるようにしてもよく、この場合には、各焦電素子４１，４２それぞれの出力を個別に増幅する複数の増幅回路を設ける場合に比べて、小型化および低コスト化を図れる。
【０１１３】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０のフィルタ形成用基板１における焦電素子（熱型赤外線検出素子）４１，４２側である上記一表面側に狭帯域透過フィルタ部２１，２２が形成され、フィルタ形成用基板１の上記他表面側に広帯域遮断フィルタ部３が形成されているので、広帯域遮断フィルタ部３において赤外線を吸収することにより発生した熱が焦電素子４１，４２へ伝熱されにくくなり、広帯域遮断フィルタ部３が焦電素子４１，４２側となる形で配置されている場合に比べて、パッケージ７の低背化を図りながらも応答性の向上を図れる。また、本実施形態では、焦電素子４１，４２側に狭帯域透過フィルタ部２１，２２が形成されているので、赤外線光学フィルタ２０に斜め方向から入射する赤外線に起因したクロストークの発生を抑制でき、焦電素子４１，４２の受光領域を大きくすることによる高感度化を図れる。
【０１１４】
なお、上述の赤外線受光素子４０は、２つ１組の焦電素子４１，４２の組が１組だけであるが、これに限らず、例えば、図２４（ａ）に示すように、更に、２つ１組の焦電素子４３，４４を設けて、これら焦電素子４１，４２，４３，４４を同図（ｂ）や同図（ｃ）に示すように接続することで差動出力が得られるようにして、赤外線光学フィルタ２０において各焦電素子４１，４２，４３，４４に対応する部位に狭帯域透過フィルタ部を形成するようにしてもよく、図２４（ｂ）の場合には、２種類のガスの検知が可能となる。
【０１１５】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０は、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板１と、当該フィルタ形成用基板１の上記一表面側において各焦電素子４１，４２それぞれに対応する部位に形成され互いに異なる所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる２つ１組の狭帯域透過フィルタ部２１，２２と、フィルタ形成用基板１の上記他表面側に形成され、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２により設定される赤外線の反射帯域よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部３とを備え、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂが積層された第１のλ／４多層膜２１と、第１のλ／４多層膜２１におけるフィルタ形成用基板１側とは反対側に形成され複数種類の薄膜２１ａ，２１ｂが積層された第２のλ／４多層膜２２と、第１のλ／４多層膜２１と第２のλ／４多層膜２２との間に介在し上記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜２１ａ，２１ｂの光学膜厚とは異ならせた波長選択層２３１，２３２とを有しているので、複数の狭帯域透過フィルタ部２１，２２を有する赤外線光学フィルタ２０の小型化による低コスト化を図れ、しかも、複数の狭帯域透過フィルタ部２１，２２の中心間距離を短くできて検出光と参照光との光路長の差を小さくすることができ、赤外線受光素子４０の各焦電素子４１，４２の受光効率の向上を図れる。また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ部たる赤外線光学フィルタ２０の複数のフィルタ要素部でフィルタ形成用基板１が共用されているので、狭帯域透過フィルタ部２１，２２が互いに異なるフィルタ形成用基板１に形成されている場合に比べて、狭帯域透過フィルタ部２１，２２同士の温度差をより低減でき、検出精度や感度の向上を図れる。なお、赤外線光学フィルタ部は、複数のフィルタ要素部を個別部品として、パッケージ７に窓孔７ａをフィルタ要素部の数だけ設けてもよい。
【０１１６】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０の広帯域遮断フィルタ部３は、屈折率が異なる複数種類の薄膜３ａ，３ｂが積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜３ａ，３ｂのうち少なくとも１種類の薄膜３ａが遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されているので、広帯域遮断フィルタ部３を構成する多層膜による光の干渉効果と、当該多層膜を構成する薄膜３ａの遠赤外線吸収効果とにより、サファイア基板を用いることなく、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を実現することができ、低コスト化を図れる。
【０１１７】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線光学フィルタ２０の狭帯域透過フィルタ部２１，２２においても、第１のλ／４多層膜２１および第２のλ／４多層膜２２による光の干渉効果と、第１のλ／４多層膜２１と波長選択層２３１，２３２と第２のλ／４多層膜２２とで構成される多層膜における薄膜２１ｂの遠赤外線吸収材料での遠赤外線吸収効果とにより、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有するから、近赤外線から遠赤外線までの広帯域における赤外線遮断機能を有し、且つ、所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させることが可能な低コストの赤外線光学フィルタ２０を実現できる。
【０１１８】
また、上述の赤外線光学フィルタ２０では、遠赤外線吸収材料として、酸化物もしくは窒化物を採用しているので、遠赤外線吸収材料からなる薄膜３ａ，２１ｂが酸化して光学特性が変化するのを防止することができる。また、上述の赤外線光学フィルタ２０では、広帯域遮断フィルタ部３および各狭帯域透過フィルタ部２１，２２のいずれもフィルタ形成用基板１から最も遠い最上層が上述の酸化物もしくは窒化物により形成されているので、空気中の水分や酸素などとの反応や不純物の吸着や付着などに起因して最上層の薄膜３ａ，２１ｂの物性が変化するのを防止できてフィルタ性能の安定性が高くなるとともに、広帯域遮断フィルタ部３および各狭帯域透過フィルタ部２１，２２の表面での反射を低減でき、フィルタ性能の向上を図れる。
【０１１９】
また、上述の赤外線光学フィルタ２０では、遠赤外線吸収材料により形成された薄膜３ａと、遠赤外線吸収材料よりも高屈折率材料であるＧｅにより形成された薄膜３ｂとが交互に積層されて広帯域遮断フィルタ部３の多層膜が構成されているので、高屈折率材料がＳｉやＰｂＴｅやＺｎＳである場合に比べて、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、当該多層膜の積層数を低減できる。また、高屈折率材料としてＳｉを採用した場合には、高屈折率材料がＺｎＳである場合に比べて、多層膜における高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差を大きくすることができ、多層膜の積層数を低減できる。また、狭帯域透過フィルタ部２１，２２に関しても、同様の理由により積層数を低減できる。
【０１２０】
ところで、本実施形態では、赤外線光学フィルタ２０のフィルタ形成用基板１としてＳｉ基板を用いているが、フィルタ形成用基板１はＳｉ基板に限らず、Ｇｅ基板を用いてもよい。ＳｉおよびＧｅそれぞれの透過特性についてインターネット上で開示されているデータをそれぞれ、図２５，２６に示す（〔平成２１年２月２５日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.spectra.co.jp/kougaku.files/k_kessho.files/ktp.htm＞）。
【０１２１】
本実施形態の赤外線式ガス検知器では、上述のように、フィルタ形成用基板１としてＳｉ基板もしくはＧｅ基板を用いることにより、フィルタ形成用基板１がサファイア基板やＭｇＯ基板やＺｎＳ基板である場合に比べて低コスト化を図れ、しかも、フィルタ形成用基板１の温度上昇を抑制でき、赤外線光学フィルタ２０の温度上昇による赤外線放射を抑制できる。
【０１２２】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器は、パッケージ７が金属製であり、フィルタ形成用基板１がパッケージ７のキャップ７２に対して導電性の接合材料（例えば、銀ペースト、半田など）からなる接合部５８により接合して電気的に接続されているので、フィルタ形成用基板１とパッケージ７とで電磁シールドを行うことができ、赤外線受光素子４０への外来の輻射ノイズ（電磁ノイズ）の影響を防止でき、Ｓ／Ｎ比の向上による高感度化を図れる。
【０１２３】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、キャップ７２の窓孔７ａが矩形状に開口されるとともに、赤外線光学フィルタ２０に、キャップ７２における窓孔７ａの内周面および周部に位置決めされる段差部２０ｃが形成されており、赤外線光学フィルタ２０における段差部２０ｃを上記接合材料からなる接合部５８を介してキャップ７２に固着してある。したがって、赤外線光学フィルタ２０と赤外線受光素子４０との平行度を高めることができ、赤外線光学フィルタ２０の各狭帯域透過フィルタ部２１，２２の光軸方向における各狭帯域透過フィルタ部２１，２２と赤外線受光素子４０の各焦電素子４１，４２との距離精度を高めることができるとともに、各狭帯域透過フィルタ部２１，２２の光軸と各焦電素子４１，４２の受光面の光軸との合わせ精度を高めることができる。
【０１２４】
また、本実施形態の赤外線式ガス検知器では、赤外線受光素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａの構成部品がパッケージ７内に収納されているので、赤外線受光素子４０と増幅回路６３ａとの電路を短くできるとともに、増幅回路６３ａも電磁シールドされるので、Ｓ／Ｎ比のより一層の向上による高感度化を図れる。
【０１２５】
ところで、上述の実施形態では、赤外線受光部を構成する赤外線受光素子４０の熱型赤外線検出素子として焦電素子４１，４２を例示したが、熱型赤外線検出素子は、これに限らず、例えば、図２７に示すようなサーモパイル型の熱型赤外線検出素子や抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子でもよく、２つ１組のサーモパイルの出力を差動増幅回路で差動増幅するようにしてもよいし、図２８に示すように２つ１組のサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆直列に接続して出力電圧Ｖoutを増幅回路で増幅するようにしてもよいし、２つ１組のサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を逆並列に接続して出力電圧を増幅回路で増幅するもよいし、２つ１組の抵抗ボロメータと互いに抵抗値の等しい２つの固定抵抗とでブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路の出力に基づいて検知対象ガスの有無や濃度を求めるようにしてもよい。
【０１２６】
上述の図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子は、主表面が｛１００｝面の単結晶のシリコン基板からなる支持基板４２と、支持基板４２の主表面側に形成されて支持基板４２に支持されたシリコン窒化膜からなるメンブレン部４３と、メンブレン部４３における支持基板４２側とは反対側に形成されたサーモパイルＴＰとを備え、支持基板４２に、メンブレン部３における支持基板４２側の表面を露出させるように矩形状に開口された開孔部４２ａがエッチング速度の結晶方位依存性を利用した湿式の異方性エッチングにより形成されている。上述のサーモパイルＴＰは、メンブレン部４３において支持基板４２の開孔部４２ａに重なる領域と支持基板４２の開孔部４２ａの周部に重なる領域とに跨って形成された細長の第１の熱電要素４４および細長の第２の熱電要素４５とで構成される複数の熱電対が直列接続されている。ここで、サーモパイルＴＰは、第１の熱電要素４４と第２の熱電要素４５との一端部同士の接合部で温接点を構成し、互いに異なる熱電対の第１の熱電要素４４の他端部と第２の熱電要素４５の他端部との接合部で冷接点を構成している。また、第１の熱電要素４４は、ゼーベック係数が正の材料により形成し、第２の熱電要素は、ゼーベック係数が負の材料により形成してある。
【０１２７】
また、図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子は、支持基板４２の主表面側に各熱電要素４４，４５およびメンブレン部４３において各熱電要素４４，４５が形成されていない部位を覆う絶縁膜４６が形成され、絶縁膜４６上においてサーモパイルＴＰの各温接点を含む所定領域を覆う赤外線吸収材料（例えば、金黒など）からなる赤外線吸収部４７が形成されている。ここで、赤外線受光素子４０の一対のパッド４９，４９は、絶縁膜４６に形成された開口部（図示せず）を通して露出している。なお、絶縁膜４６は、ＢＰＳＧ膜とＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、ＢＰＳＧ膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。また、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＸ−Ｘ’断面に相当する概略断面図であり、図２７（ａ）では、絶縁膜４６の図示を省略してある。
【０１２８】
また、図２８に示した構成の赤外線受光素子４０の基本構成は、図２７に示した構成の熱型赤外線検出素子と略同じであり、図２７におけるサーモパイルＴＰと同じ構成の２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を備え、これら２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２が金属層４８を介して逆直列に接続（逆極性で直列接続）されている点が相違するだけである。なお、上述の２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆並列に接続（逆極性で並列接続）してもよい。このように２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２を逆直列もしくは逆並列に接続することにより、組をなす２つのサーモパイルの直流バイアス成分を相殺することができるとともに、赤外線受光部である赤外線受光素子４０の出力のダイナミックレンジを大きくでき、特に２つ１組のサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２が１枚の支持基板４２に形成されている場合には、赤外線受光素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａをパッケージ７内に収納する場合の小型化を図りやすく、しかも、赤外線受光素子４０の出力を増幅する増幅回路６３ａのゲインを大きくできてＳ／Ｎ比の向上が可能となる。
【符号の説明】
【０１２９】
１  フィルタ形成用基板
２１，２２  狭帯域透過フィルタ部
３  広帯域遮断フィルタ部
４１，４２  焦電素子（熱型赤外線検出素子）
７  パッケージ
７ａ  窓孔
２０  赤外線光学フィルタ（赤外線光学フィルタ部）
２１  第１のλ／４多層膜
２２  第２のλ／４多層膜
２３１，２３２  波長選択層
４０  赤外線受光素子（赤外線受光部）
４１  焦電素子形成用基板
６３ａ  増幅回路
ＴＰ，ＴＰ１，ＴＰ２  サーモパイル
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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