(57)【要約】【課題】測定精度の長期安定性を向上させることが可能な赤外線式ガスセンサを提供する。【解決手段】第１光学系３ａの第１透過波長域は、検知対象のガスの吸収波長を含む。第２光学系３ｂの第２透過波長域は、第１透過波長域よりも短波長側で、参照波長を含む。赤外線式ガスセンサ１００は、第１透過波長域と第２透過波長域との両方よりも長波長側で第１光学系３ａと第２光学系３ｂとに共通の補償用の所定波長域を設定してあり、第１光学系３ａの所定波長域の第１平均透過率が第２光学系３ｂの所定波長域の第２平均透過率よりも小さい。赤外線式ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０の放射パワーの変化による、第１透過波長域の赤外線に基づく第１受光素子２２１の第１出力信号成分と第２透過波長域の赤外線に基づく第２受光素子２２２の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、第１平均透過率及び第２平均透過率それぞれが設定されている。【選択図】図１
2015137861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線放射素子と、第１受光素子と、第２受光素子と、第１光学系と、第２光学系と、駆動回路と、信号処理部と、を備え、
前記赤外線放射素子は、熱放射により赤外線を放射するように構成され、
前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を駆動するように構成され、
前記第１光学系は、前記赤外線放射素子と前記第１受光素子との間に配置され、
前記第２光学系は、前記赤外線放射素子と前記第２受光素子との間に配置され、
前記信号処理部は、前記第１受光素子の第１出力信号と前記第２受光素子の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成され、
前記第１光学系の第１透過波長域は、前記検知対象のガスによる赤外線の吸収波長を含むように設定され、
前記第２光学系の第２透過波長域は、参照波長を含むように設定され、
前記第１透過波長域と前記第２透過波長域とは、互いに異なり、且つ、前記第２透過波長域が前記第１透過波長域よりも短波長側であり、
前記第１光学系と前記第２光学系とに、前記第１透過波長域と前記第２透過波長域との両方よりも長波長側において前記第１光学系と前記第２光学系とに共通の補償用の所定波長域を設定してあり、
前記第１光学系の前記所定波長域における第１平均透過率が、前記第２光学系の前記所定波長域における第２平均透過率よりも小さく、
前記赤外線放射素子の放射パワーの変化による、前記第１透過波長域の赤外線に基づく前記第１受光素子の第１出力信号成分と前記第２透過波長域の赤外線に基づく前記第２受光素子の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率それぞれが設定されている、
ことを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項２】
赤外線放射素子と、第１受光素子と、第２受光素子と、第１光学系と、第２光学系と、駆動回路と、信号処理部と、を備え、
前記赤外線放射素子は、熱放射により赤外線を放射するように構成され、
前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を駆動するように構成され、
前記第１光学系は、前記赤外線放射素子と前記第１受光素子との間に配置され、
前記第２光学系は、前記赤外線放射素子と前記第２受光素子との間に配置され、
前記信号処理部は、前記第１受光素子の第１出力信号と前記第２受光素子の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成され、
前記第１光学系の第１透過波長域は、前記検知対象のガスによる赤外線の吸収波長を含むように設定され、
前記第２光学系の第２透過波長域は、参照波長を含むように設定され、
前記第１透過波長域と前記第２透過波長域とは、互いに異なり、且つ、前記第２透過波長域が前記第１透過波長域よりも長波長側であり、
前記第１光学系と前記第２光学系とに、前記第１透過波長域と前記第２透過波長域との両方よりも長波長側において前記第１光学系と前記第２光学系とに共通の補償用の所定波長域を設定してあり、
前記第１光学系の前記所定波長域における第１平均透過率が、前記第２光学系の前記所定波長域における第２平均透過率よりも大きく、
前記赤外線放射素子の放射パワーの変化による、前記第１透過波長域の赤外線に基づく前記第１受光素子の第１出力信号成分と前記第２透過波長域の赤外線に基づく前記第２受光素子の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率それぞれが設定されている、
ことを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動するように構成され、前記第１光学系の前記第１平均透過率と前記第２光学系の前記第２平均透過率とは、下記（１）式の条件を満たすように設定されており、
【数１】
2015137861.tif 000040
Ｑｇ１は、前記赤外線放射素子の初期状態において、前記第１光学系の前記第１透過波長域を通過して前記第１受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｒ１は、前記赤外線放射素子の初期状態において、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過して前記第２受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｇ２は、前記赤外線放射素子の経時変化後の前記第１光学系の前記第１透過波長域を通過して前記第１受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｒ２は、前記赤外線放射素子の経時変化後の前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過して前記第２受光素子に入射する赤外線エネルギ、である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項４】
前記赤外線放射素子の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、
前記吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、
前記参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、
前記第１受光素子の受光パワーのうち、前記第１光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｇｒ、とし、
前記第２受光素子の受光パワーのうち、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｓ、前記第２光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｒ、とし、
Ｒ１＝Ｑｒｒ／Ｑｒｓとするとき、
下記の第１条件及び第２条件を満足するように前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率が設定されており、
第１条件：
【数２】
2015137861.tif 000041
第２条件：
【数３】
2015137861.tif 000042
であり、
ｘは、係数である、
ことを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項５】
前記赤外線放射素子の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、
前記吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、
前記参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、
前記第１受光素子の受光パワーのうち、前記第１光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｇｒ、とし、
前記第２受光素子の受光パワーのうち、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｓ、前記第２光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｒ、とし、
Ｒ２＝Ｑｇｒ／Ｑｒｓとするとき、
下記の第１条件及び第２条件を満足するように前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率が設定されており、
第１条件：
【数４】
2015137861.tif 000043
第２条件：
【数５】
2015137861.tif 000044
であり、
ｘは、係数である、
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項６】
前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、赤外線を吸収して電気信号に変換する熱型受光素子である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項７】
前記赤外線放射素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された薄膜部と、前記半導体基板に形成され前記薄膜部における前記半導体基板側の第１面の一部を露出させる開口部と、前記薄膜部の第２面に形成され、通電されることによる熱放射により赤外線を放射する赤外線放射層と、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なることを利用してガスを検知する赤外線式ガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線式ガスセンサとしては、例えば、図１６に示す構成のＣＯセンサ１２１が知られている（特許文献１）。
【０００３】
ＣＯセンサ１２１は、赤外線（「赤外光」ともいう。）を発生する光源１０５と、光源１０５からの赤外線を検出する２つの検出器１０６ａ、１０６ｂと、２つのフィルタ１０７ａ、１０７ｂとを備えている。また、ＣＯセンサ１２１は、２つの検出器１０６ａ、１０６ｂの差動出力からＣＯの濃度に関係する出力を発生する検出値処理手段（図示せず）を備えている。
【０００４】
ＣＯセンサ１２１は、光源１０５としてタングステンランプが用いられている。また、ＣＯセンサ１２１は、検出器１０６ａ、１０６ｂの各々が、例えば、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子等の受光素子により構成されている。フィルタ１０７ａの透過の窓は、ＣＯの吸収波長帯域である４．６μｍ波長帯域に設定されている。フィルタ１０７ｂの透過の窓は、ＣＯの吸収波長帯域及び対象環境に含まれる赤外吸収波長帯域以外である４．０μｍ波長帯域に設定されている。
【０００５】
また、赤外線式ガスセンサとしては、例えば、図１７に示す構成の赤外線ガス分析計が知られている（特許文献２）。
【０００６】
この赤外線ガス分析計は、光源２０１と、試料セル２０５と、多層膜フィルタ２１６及び多層膜フィルタ２１６を固定し、周期的に一定角度間を移動させる移動機構２１７と、検出器２０７と、信号変換器２０８と、受信器２０９と、から構成されている。
【０００７】
この赤外線ガス分析計は、ＣＯ2濃度を分析する場合、多層膜フィルタ２１６が角度θ１にあるとき、波長が４．２５μｍの赤外線が多層膜フィルタ２１６を透過し、検出器２０７で電気信号に変換される。また、赤外線式ガス分析計は、多層膜フィルタ２１６が角度θ２にあるとき、波長が３．７μｍの赤外線が多層膜フィルタ２１６を透過し、検出器２０７で電気信号に変換される。
【０００８】
この赤外線ガス分析計は、試料ガス中の測定成分ガスに吸収される赤外線と試料ガスに吸収されない赤外線を周期的に検出し、測定成分ガスに吸収される赤外線の検出値を吸収されない赤外線の検出値で補正することにより、測定濃度を補正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２３９６１１号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＯセンサ１２１では、光源１０５の経時的な特性変化に起因して、光源１０５の出力が変化し、測定精度が低下してしまう懸念がある。
【００１１】
また、特許文献２には、赤外線ガス分析計においては、光源２０１の光強度が変化したときに、検出器２０７の２つのピーク出力値の誤差率の大きさがほぼ等しくなる旨が記載されている。しかしながら、上述の赤外線ガス分析計では、２つのピーク出力値の誤差率が完全に一致するとは限らず、光源２０１の経時的な特性変化に起因して、測定精度が低下してしまう懸念がある。
【００１２】
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、測定精度の長期安定性を向上させることが可能な赤外線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】
【００１３】
本発明の赤外線式ガスセンサは、赤外線放射素子と、第１受光素子と、第２受光素子と、第１光学系と、第２光学系と、駆動回路と、信号処理部と、を備える。前記赤外線放射素子は、熱放射により赤外線を放射するように構成されている。前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を駆動するように構成されている。前記第１光学系は、前記赤外線放射素子と前記第１受光素子との間に配置されている。前記第２光学系は、前記赤外線放射素子と前記第２受光素子との間に配置されている。前記信号処理部は、前記第１受光素子の第１出力信号と前記第２受光素子の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成されている。前記第１光学系の第１透過波長域は、前記検知対象のガスによる赤外線の吸収波長を含むように設定されている。前記第２光学系の第２透過波長域は、参照波長を含むように設定されている。前記第１透過波長域と前記第２透過波長域とは、互いに異なり、且つ、前記第２透過波長域が前記第１透過波長域よりも短波長側である。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記第１光学系と前記第２光学系とに、前記第１透過波長域と前記第２透過波長域との両方よりも長波長側において前記第１光学系と前記第２光学系とに共通の補償用の所定波長域を設定してある。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記第１光学系の前記所定波長域における第１平均透過率が、前記第２光学系の前記所定波長域における第２平均透過率よりも小さい。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記赤外線放射素子の放射パワーの変化による、前記第１透過波長域の赤外線に基づく前記第１受光素子の第１出力信号成分と前記第２透過波長域の赤外線に基づく前記第２受光素子の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率それぞれが設定されている。
【００１４】
本発明の赤外線式ガスセンサは、赤外線放射素子と、第１受光素子と、第２受光素子と、第１光学系と、第２光学系と、駆動回路と、信号処理部と、を備える。前記赤外線放射素子は、熱放射により赤外線を放射するように構成されている。前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を駆動するように構成されている。前記第１光学系は、前記赤外線放射素子と前記第１受光素子との間に配置されている。前記第２光学系は、前記赤外線放射素子と前記第２受光素子との間に配置されている。前記信号処理部は、前記第１受光素子の第１出力信号と前記第２受光素子の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成されている。前記第１光学系の第１透過波長域は、前記検知対象のガスによる赤外線の吸収波長を含むように設定されている。前記第２光学系の第２透過波長域は、参照波長を含むように設定されている。前記第１透過波長域と前記第２透過波長域とは、互いに異なり、且つ、前記第２透過波長域が前記第１透過波長域よりも長波長側である。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記第１光学系と前記第２光学系とに、前記第１透過波長域と前記第２透過波長域との両方よりも長波長側において前記第１光学系と前記第２光学系とに共通の補償用の所定波長域を設定してある。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記第１光学系の前記所定波長域における第１平均透過率が、前記第２光学系の前記所定波長域における第２平均透過率よりも大きい。本発明の赤外線式ガスセンサは、前記赤外線放射素子の放射パワーの変化による、前記第１透過波長域の赤外線に基づく前記第１受光素子の第１出力信号成分と前記第２透過波長域の赤外線に基づく前記第２受光素子の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率それぞれが設定されている。
【００１５】
この赤外線式ガスセンサにおいて、前記駆動回路は、前記赤外線放射素子を一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動するように構成され、前記第１光学系の前記第１平均透過率と前記第２光学系の前記第２平均透過率とは、下記（１）式の条件を満たすように設定されており、
【００１６】
【数１】
2015137861.tif 000003
Ｑｇ１は、前記赤外線放射素子の初期状態において、前記第１光学系の前記第１透過波長域を通過して前記第１受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｒ１は、前記赤外線放射素子の初期状態において、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過して前記第２受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｇ２は、前記赤外線放射素子の経時変化後の前記第１光学系の前記第１透過波長域を通過して前記第１受光素子に入射する赤外線エネルギ、Ｑｒ２は、前記赤外線放射素子の経時変化後の前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過して前記第２受光素子に入射する赤外線エネルギ、であるのが好ましい。
【００１７】
この赤外線式ガスセンサにおいて、前記赤外線放射素子の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、前記吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、前記参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、前記第１受光素子の受光パワーのうち、前記第１光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｇｒ、とし、前記第２受光素子の受光パワーのうち、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｓ、前記第２光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｒ、とし、Ｒ１＝Ｑｒｒ／Ｑｒｓとするとき、下記の第１条件及び第２条件を満足するように前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率が設定されているのが好ましい。
第１条件：
【００１８】
【数２】
2015137861.tif 000004
第２条件：
【００１９】
【数３】
2015137861.tif 000005
ここで、ｘは、係数である。
【００２０】
この赤外線式ガスセンサにおいて、前記赤外線放射素子の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、前記吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、前記参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、前記第１受光素子の受光パワーのうち、前記第１光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｇｒ、とし、前記第２受光素子の受光パワーのうち、前記第２光学系の前記第２透過波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｓ、前記第２光学系の前記所定波長域を通過した赤外線に対する受光パワーをＱｒｒ、とし、Ｒ２＝Ｑｇｒ／Ｑｒｓとするとき、下記の第１条件及び第２条件を満足するように前記第１平均透過率及び前記第２平均透過率が設定されているのが好ましい。
第１条件：
【００２１】
【数４】
2015137861.tif 000006
第２条件：
【００２２】
【数５】
2015137861.tif 000007
ここで、ｘは、係数である。
【００２３】
この赤外線式ガスセンサにおいて、前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、赤外線を吸収して電気信号に変換する熱型受光素子であるのが好ましい。
【００２４】
この赤外線式ガスセンサにおいて、前記赤外線放射素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された薄膜部と、前記半導体基板に形成され前記薄膜部における前記半導体基板側の第１面の一部を露出させる開口部と、前記薄膜部の第２面に形成され、通電されることによる熱放射により赤外線を放射する赤外線放射層と、を備えるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の赤外線式ガスセンサにおいては、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの概略構成図である。
【図２】図２は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの特性の模式的な説明図である。
【図３】図３は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの要部概略分解斜視図である。
【図４】図４は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの要部概略斜視図である。
【図５】図５は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの一部破断した要部概略斜視図である。
【図６】図６は、実施形態１の赤外線式ガスセンサの模式説明図である。
【図７】図７（ａ）は、実施形態１の赤外線式ガスセンサにおける赤外線放射素子の概略平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図８】図８は、実施形態１の赤外線式ガスセンサにおける第１光学フィルタの概略断面図である。
【図９】図９は、実施形態１の赤外線式ガスセンサにおける第２光学フィルタの概略断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、実施形態１の赤外線式ガスセンサにおける赤外線検出素子の概略平面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。図１０（ｃ）は、実施形態１の赤外線式ガスセンサにおける赤外線検出素子の概略下面図である。
【図１１】図１１は、実施形態２の赤外線式ガスセンサの概略構成図である。
【図１２】図１２は、実施形態２の赤外線式ガスセンサの特性の模式的な説明図である。
【図１３】図１３は、実施形態３の赤外線式ガスセンサの概略構成図である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施形態３の赤外線式ガスセンサにおける赤外線検出素子の概略平面図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。図１３（ｃ）は、実施形態３の赤外線式ガスセンサにおける赤外線検出素子の概略下面図である。
【図１５】図１５（ａ）は、実施形態３の赤外線式ガスセンサにおける赤外線放射素子の変形例を示す概略平面図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＸ−Ｘ概略断面図である。
【図１６】図１６は、従来例を示すＣＯセンサの構成を模式的に説明する図である。
【図１７】図１７は、他の従来例を示す赤外線ガス分析計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施形態１）
以下では、本実施形態の赤外線式ガスセンサ１００について、図１〜１０に基づいて説明する。
【００２８】
赤外線式ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０と、第１受光素子２２１と、第２受光素子２２２と、第１光学系３ａと、第２光学系３ｂと、駆動回路５と、信号処理部４と、を備える。赤外線放射素子１０は、熱放射により赤外線を放射するように構成されている。駆動回路５は、赤外線放射素子１０を駆動するように構成されている。第１光学系３ａは、赤外線放射素子１０と第１受光素子２２１との間に配置されている。第２光学系３ｂは、赤外線放射素子１０と第２受光素子２２２との間に配置されている。信号処理部４は、第１受光素子２２１の第１出力信号と第２受光素子２２２の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成されている。第１光学系３ａの第１透過波長域λ01〜λ11（図２参照）は、検知対象のガスによる赤外線の吸収波長λｇ（図２参照）を含むように設定されている。第２光学系３ｂの第２透過波長域λ02〜λ12（図２参照）は、参照波長λｒ（図２参照）を含むように設定されている。第１透過波長域λ01〜λ11と第２透過波長域λ02〜λ12とは、互いに異なり、且つ、第２透過波長域λ02〜λ12が第１透過波長域λ01〜λ11よりも短波長側である。赤外線式ガスセンサ１００は、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとに、第１透過波長域λ01〜λ11と第２透過波長域λ02〜λ12との両方よりも長波長側において第１光学系３ａと第２光学系３ｂとに共通の補償用の所定波長域λｃ〜λｄ（図２参照）を設定してある。赤外線式ガスセンサ１００は、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄにおける第１平均透過率が、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄにおける第２平均透過率よりも小さい。赤外線式ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０の放射パワーの変化による、第１透過波長域λ01〜λ11の赤外線に基づく第１受光素子２２１の第１出力信号成分と第２透過波長域λ02〜λ12の赤外線に基づく第２受光素子２２２の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、第１平均透過率及び第２平均透過率それぞれが設定されている。よって、赤外線式ガスセンサ１００は、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【００２９】
赤外線式ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０をパッケージ１９に収納した赤外光源１を備えているのが好ましい。また、赤外線式ガスセンサ１００は、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とをパッケージ２９に収納した赤外線検出器２ａを備えているのが好ましい。
【００３０】
赤外線式ガスセンサ１００は、赤外光源１と赤外線検出器２ａとの間に配置され検知対象ガスの出入りが可能な試料セル６を備えているのが好ましい。なお、図１中の矢印付きの線は、赤外光源１から放射された赤外線の進行経路を模式的に示したものである。
【００３１】
試料セル６は、検知対象のガスを含む気体もしくは検知対象のガスが導入されるセルである。赤外線式ガスセンサ１００は、ガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なることを利用してガスを検知する。吸収波長は、例えば、ＣＨ４（メタン）が３．３μｍ、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。
【００３２】
赤外線式ガスセンサ１００（以下、「ガスセンサ１００」ともいう。）の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。
【００３３】
赤外線放射素子１０は、熱放射により赤外線を放射するように構成されているから、赤外発光ダイオードに比べて広い波長域の赤外線を放射することができる。赤外線放射素子１０は、第１透過波長域λ01〜λ11、第２透過波長域λ02〜λ12及び所定波長域λｃ〜λｄを含む広帯域の赤外線を放射することができる。
【００３４】
赤外光源１としては、例えば、熱放射により赤外線を放射する赤外線放射素子１０と、赤外線放射素子１０を収納したパッケージ１９と、を備えたものを用いることができる。
【００３５】
赤外線放射素子１０は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す構成を採用することができる。赤外線放射素子１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１の表面１１１側に形成された薄膜部１２と、半導体基板１１に形成され薄膜部１２における半導体基板１１側の第１面１２ｃの一部を露出させる開口部１１ａと、を備える。また、赤外線放射素子１０は、薄膜部１２の第２面１２ｄに形成され、通電されることによる熱放射により赤外線を放射する赤外線放射層１３を備える。赤外線放射層１３は、駆動回路５から通電されることによって、熱放射により赤外線を放射する。
【００３６】
赤外線放射素子１０は、保護層１４と、赤外線放射層１３に電気的に接続された複数の端子部１６と、を備えている。保護層１４は、薄膜部１２の第２面１２ｄ側で赤外線放射層１３を覆うように形成されている。保護層１４は、赤外線放射層１３から放射される赤外線を透過可能な材料により形成されている。赤外線放射層１３と各端子部１６とは、配線１５を介して電気的に接続されている。
【００３７】
赤外線放射素子１０は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術等を利用して製造することができる。
【００３８】
赤外線放射素子１０は、赤外線放射層１３への通電により赤外線放射層１３が発熱し、赤外線放射層１３から熱放射により赤外線が放射される。赤外線放射素子１０の赤外線放射層１３は、赤外光源１における発熱体を構成している。
【００３９】
半導体基板１１としては、単結晶のシリコン基板を採用している。半導体基板１１は、単結晶のシリコン基板に限らず、例えば、多結晶のシリコン基板等を採用することができる。
【００４０】
薄膜部１２は、例えば、半導体基板１１側のシリコン酸化膜１２ａと、シリコン酸化膜１２ａにおける半導体基板１１側とは反対側に積層されたシリコン窒化膜１２ｂとの積層膜により構成することができる。薄膜部１２は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜の単層構造でもよい。薄膜部１２は、誘電体層を構成する。
【００４１】
赤外線放射層１３の材料は、窒化タンタルを採用している。つまり、赤外線放射層１３は、窒化タンタル層により構成されている。赤外線放射層１３の材料は、窒化タンタルに限らず、例えば、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウムを採用してもよい。また、赤外線放射層１３の材料は、導電性ポリシリコンを採用してもよい。つまり、赤外線放射層１３は、導電性ポリシリコン層により構成してもよい。赤外線放射層１３について、高温で化学的に安定であり、且つ、シート抵抗の設計容易性という観点からは、窒化タンタル層、窒化チタン層、導電性ポリシリコン層等を採用することが好ましい。窒化タンタル層及び窒化チタン層の各々は、その組成を変えることにより、シート抵抗を変えることが可能である。導電性ポリシリコン層は、不純物濃度を変えることにより、シート抵抗を変えることが可能である。
【００４２】
開口部１１ａは、半導体基板１１の厚み方向に貫通した孔により形成されているが、これに限らず、半導体基板１１の表面１１１に形成された穴により形成されていてもよい。
【００４３】
保護層１４は、シリコン窒化膜により構成してある。保護層１４は、シリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造を有していてもよい。保護層１４は、耐湿性等の信頼性を確保するためのパッシベーション膜である。保護層１４は、赤外線放射層１３への通電時に赤外線放射層１３から放射される所望の波長域の赤外線に対する透過率が高いほうが好ましいが、透過率が１００％であることを必須とするものではない。
【００４４】
赤外線放射層１３の厚さは、赤外線放射層１３の低熱容量化を図るという観点から０．２μｍ以下とするのが好ましい。
【００４５】
薄膜部１２の厚さと赤外線放射層１３の厚さと保護層１４の厚さとの合計厚さは、薄膜部１２と赤外線放射層１３と保護層１４との積層構造の低熱容量化を図るという観点から、設定するのが好ましい。このため、薄膜部１２の厚さと赤外線放射層１３の厚さと保護層１４の厚さとの合計厚さは、例えば、０．１μｍ〜１μｍ程度の範囲で設定することが好ましく、０．７μｍ以下とするのがより好ましい。
【００４６】
配線１５の材料としては、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ）を採用している。配線１５の材料は、特に限定するものではなく、例えば、金、銅等を採用してもよい。また、配線１５は、赤外線放射層１３と接する部分が赤外線放射層１３とオーミック接触が可能な材料であればよく、単層構造に限らず、多層構造でもよい。例えば、配線１５は、その厚さ方向において、赤外線放射層１３側から順に、第１層、第２層、第３層が積層された３層構造として、赤外線放射層１３に接する第１層の材料を高融点金属とし、第２層の材料をニッケルとし、第３層の材料を金としてもよい。高融点金属としては、例えば、クロム等を採用することができる。
【００４７】
端子部１６は、パッド電極を構成している。端子部１６の材料としては、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ）を採用している。端子部１６の材料は、配線１５と同じ材料を採用しているが、端子部１６の材料と異なる材料でもよい。
【００４８】
パッケージ１９は、赤外線放射素子１０が実装される台座１９ａと、赤外線放射素子１０を覆うように台座１９ａに固着されるキャップ１９ｂと、を備える。パッケージ１９は、キャップ１９ｂにおける赤外線放射素子１０の前方に形成された窓孔１９ｒと、窓孔１９ｒを塞ぐように配置され、赤外線を透過可能な窓材１９ｗと、を備える。
【００４９】
台座１９ａは、金属製である。台座１９ａは、円板状に形成されている。キャップ１９ｂは、金属製である。キャップ１９ｂは、円筒状の部位１９ｂａの一端側に、円板状の天板部１９ｂｂが形成されており、天板部１９ｂｂの中央部に窓孔１９ｒが形成されている。
【００５０】
台座１９ａは、平面視形状が円形状であるが、これに限らず、例えば、多角形状でもよい。また、キャップ１９ｂの形状は、台座１９ａの形状に応じて適宜変更すればよい。例えば、台座１９ａの平面視形状が矩形状の場合、キャップ１９ｂの平面視形状は、円形状でもよいし、矩形状でもよい。
【００５１】
パッケージ１９は、赤外線放射素子１０への給電用の端子として、２本のリードピン１９ｄを備えている。赤外線放射素子１０の端子部１６とリードピン１９ｄとは、金属細線（図示せず）を介して電気的に接続されている。
【００５２】
２本のリードピン１９ｄは、台座１９ａに保持されている。２本のリードピン１９ｄは、台座１９ａに対して、台座１９ａの厚み方向に貫通して設けられている。２本のリードピン１９ｄは、台座１９ａに対して電気絶縁性の封止材（ガラス）で固定されており、台座１９ａと電気的に絶縁されている。
【００５３】
窓材１９ｗは、赤外線を透過する機能を有する。窓材１９ｗは、平板状のシリコン基板により構成してある。窓材１９ｗは、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や硫化亜鉛基板等でもよいが、シリコン基板を用いたほうが低コスト化の点で有利である。また、窓材１９ｗとしては、レンズを採用することもできる。
【００５４】
ガスセンサ１００は、駆動回路５から赤外線放射素子１０の赤外線放射層１３へ与える入力電力を調整することにより、赤外線放射層１３に発生するジュール熱を変化させることができ、赤外線放射層１３の温度を変化させることができる。よって、ガスセンサ１００では、赤外線放射層１３の温度を変化させることで赤外線放射層１３から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。
【００５５】
ガスセンサ１００は、赤外光源１が赤外線放射素子１０を採用しているので、ハロゲンランプを用いる場合に比べて、発熱体の熱容量を小さくすることが可能となり、低消費電力化や、赤外光源１への同程度の入力電力でＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。
【００５６】
駆動回路５は、赤外線放射素子１０を間欠的に駆動する。駆動回路５は、赤外線放射素子１０を、一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動するように構成されているのが好ましい。駆動回路５は、例えば、赤外線放射素子１０を一定の電圧でパルス駆動する場合、赤外線放射素子１０に対して、所定のパルス幅の電圧（以下、「パルス電圧」ともいう。）を規定の時間間隔で印加する。したがって、ガスセンサ１００は、駆動回路５から赤外線放射素子１０へ、パルス電圧が周期的に印加される。赤外線放射素子１０は、パルス電圧が印加されている期間が通電期間となり、パルス電圧が印加されていない期間が非通電期間となる。駆動回路５は、赤外線放射素子１０を一定の電流でパルス駆動する場合、赤外線放射素子１０に対して、所定のパルス幅の電流（以下、「パルス電流」ともいう。）を規定の時間間隔で供給する。ガスセンサ１００は、駆動回路５から赤外光源１に対してパルス電圧やパルス電流を供給することにより、赤外線放射素子１０にパルス電圧やパルス電流が供給される。
【００５７】
試料セル６は、筒状に形成されている。試料セル６は、その内部空間と外部とを連通させる複数の通気孔６９が、試料セル６の軸方向に直交する方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６が、円筒状に形成されている場合、通気孔６９は、試料セル６の径方向に貫通して形成されているのが好ましい。試料セル６は、通気孔６９を通して外部からの気体が導入されたり、内部空間の気体が導出されたりする。
【００５８】
ガスセンサ１００は、試料セル６の軸方向の一端部側に赤外光源１が配置され、試料セル６の軸方向の他端部側に赤外線検出器２ａが配置されている。ガスセンサ１００は、通気孔６９を通って試料セル６の内部空間に、例えば、外部からの検知対象のガス、あるいは検知対象のガスを含む気体が導入される。ガスセンサ１００は、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が増加すると、赤外線検出器２ａへ入射する赤外線の光量が低下し、試料セル６の内部空間にある検知対象のガスの濃度が低下すると、赤外線検出器２ａへ入射する赤外線の光量が増加する。
【００５９】
試料セル６は、この試料セル６の中心軸を含む平面で分割された対になる半割体６４、６５（図３〜６参照）を結合することにより形成されている。半割体６４と半割体６５とは、例えば、嵌め合い、超音波溶着、接着等から選択される技術により結合することができる。
【００６０】
試料セル６は、赤外光源１から放射された赤外線を赤外線検出器２ａ側へ反射する光学要素を兼ねているのが好ましい。試料セル６は、例えば、合成樹脂により形成されている場合、内面側に、赤外線を反射する反射層を備えた構成とするのが好ましい。試料セル６の材料は、合成樹脂に限らず、例えば、金属を採用してもよい。
【００６１】
試料セル６は、筒状であり、その内面が、赤外光源１から放射された赤外線を反射する反射面６６（図３、５、６参照）を構成するのが好ましい。上述の反射層を備えている場合には、この反射層の表面が反射面６６を構成することができる。
【００６２】
ガスセンサ１００は、赤外光源１を保持する保持部材７０（図３〜５参照）を備え、この保持部材７０が試料セル６に取り付けられている。また、ガスセンサ１００は、赤外線検出器２ａを保持する保持部材８０を備え、この保持部材８０が試料セル６に取り付けられている。
【００６３】
保持部材７０は、キャップ部７１と、押さえ板７２と、を備えている。キャップ部７１は、円盤状であって、試料セル６側の端面に、試料セル６の一端部が挿入される凹部７１ａ（図５参照）が設けられ、凹部７１ａの底部の中央に、赤外光源１が挿入される貫通孔７１ｂが形成されている。押さえ板７２は、キャップ部７１に対して赤外光源１を押さえるためのものである。
【００６４】
保持部材７０は、押さえ板７２の孔７２ｂ及びキャップ部７１の孔７１ｄに通された複数のねじ（図示せず）が、試料セル６の一端部のめねじ部６４ｄ、６５ｄにねじ込まれることによって、試料セル６に取り付けられている。
【００６５】
保持部材８０は、キャップ部８１と、押さえ板８２と、を備えている。キャップ部８１は、円盤状であって、試料セル６側の端面に、試料セル６の他端部が挿入される凹部８１ａが設けられ、凹部８１ａの底部の中央に、赤外線検出器２ａが挿入される貫通孔８１ｂが形成されている。押さえ板８２は、キャップ部８１に対して赤外線検出器２ａを押さえるためのものである。
【００６６】
保持部材８０は、押さえ板８２の孔８２ｂ及びキャップ部８１の孔８１ｃに通されたねじ（図示せず）が、試料セル６の他端部のめねじ部（図示せず）にねじ込まれることによって、試料セル６に取り付けられている。
【００６７】
なお、保持部材７０，８０それぞれの構造は、特に限定するものではない。また、試料セル６への保持部材７０，８０それぞれの取付構造も特に限定するものではない。
【００６８】
ところで、試料セル６の反射面６６は、試料セル６の中心軸ＯＸ（図６参照）上に規定した長軸を回転軸とする回転楕円体の長軸方向の両端部それぞれを長軸に直交する２つの平面ＶＰ１、ＶＰ２によりカットした形状としてある。よって、試料セル６は、回転楕円体（長楕円体）の一部に対応する内部空間が形成されている。
【００６９】
ガスセンサ１００は、赤外光源１を、試料セル６の中心軸ＯＸ上において、上記回転楕円体の一方の焦点Ｐ１に配置し、赤外線検出器２ａを、試料セル６の中心軸ＯＸ上において、上記回転楕円体の他方の焦点Ｐ２よりも赤外光源１に近い側に配置するのが好ましい。
【００７０】
なお、ガスセンサ１００は、赤外光源１と赤外線検出器２ａとの間に配置される部材（試料セル６等）の形状や数、配置等を特に限定するものではない。
【００７１】
第１光学系３ａは、赤外線放射素子１０から放射された赤外線が第１受光素子２２１に入射するまでの伝搬経路に関与するものである。また、第２光学系３ｂは、赤外線放射素子１０から放射された赤外線が第２受光素子２２２に入射するまでの伝搬経路に関与するものである。
【００７２】
第１光学系３ａは、例えば、図８に示すような第１光学フィルタ３１を備えるのが好ましい。また、第２光学系３ｂは、例えば、図９に示すような第２光学フィルタ３２を備えるのが好ましい。ガスセンサ１００における第１光学系３ａは、第１光学フィルタ３１の他に、赤外光源１の窓孔１９ｒと、赤外光源１の窓材１９ｗと、試料セル６の反射面６６と、赤外線検出器２ａの窓孔２９ｃと、を含む。また、ガスセンサ１００における第２光学系３ｂは、第２光学フィルタ３２の他に、赤外光源１の窓孔１９ｒと、赤外光源１の窓材１９ｗと、試料セル６の反射面６６と、赤外線検出器２ａの窓孔２９ｃと、を含む。
【００７３】
第１光学フィルタ３１は、第１基板３１ｓと、第１狭帯域透過フィルタ部３１ａと、第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂと、を備えている。第１基板３１ｓは、赤外線を透過可能なものである。第１基板３１ｓとしては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板等を採用することができる。
【００７４】
第１狭帯域透過フィルタ部３１ａは、第１光学系３ａの第１透過波長域λ01〜λ11を規定するようにフィルタ特性を設計してある。第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂは、第１光学フィルタ３１の所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過率を、第１狭帯域透過フィルタ部３１ａだけの場合よりも小さくするように設計してある。第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂは、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線を吸収することで遮断するフィルタである。
【００７５】
第１狭帯域透過フィルタ部３１ａは、例えば、λ０／４多層膜３４と、波長選択層３５と、λ０／４多層膜３６と、で構成されるバンドパスフィルタとすることができる。
【００７６】
λ０／４多層膜３４は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂが交互に積層された多層膜である。λ０／４多層膜３４における２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂの光学膜厚は、λ０／４多層膜３４の設定波長λ０の１／４に設定されている。
【００７７】
λ０／４多層膜３６は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂが交互に積層された多層膜である。λ０／４多層膜３６における２種類の薄膜３１ａａ、３１ａｂの光学膜厚は、λ０／４多層膜３６の設定波長λ０の１／４に設定されている。
【００７８】
波長選択層３５は、λ０／４多層膜３４とλ０／４多層膜３６との間に介在する。波長選択層３５の光学膜厚は、波長選択層３５の選択波長に応じて決めてあり、各薄膜３１ａａ、３１ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。波長選択層３５の選択波長は、吸収波長λｇである。第１狭帯域透過フィルタ部３１ａは、吸収波長λｇの赤外線に対する透過率が５０％以上であるのが、好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが更に好ましい。
【００７９】
λ０／４多層膜３４及びλ０／４多層膜３６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。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ等を採用することができる。ＳｉＯｘは、ＳｉＯやＳｉＯ２である。ＳｉＮｘ等は、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４等である。
【００８０】
第１狭帯域透過フィルタ部３１ａは、λ０／４多層膜３４とλ０／４多層膜３６との間に波長選択層３５を備えることにより、反射帯域の中に、この反射帯域の幅に比べて透過スペクトル幅の狭い第１透過波長域λ01〜λ11を局在させることができる。
【００８１】
屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜を積層することにより形成される光学多層膜の反射帯域の幅は、下記の（２）式で近似的に求められることが知られている（参考文献：小檜山光信著，「光学薄膜フィルター」，株式会社オプトロニクス社，ｐ．１０２−１０６）。
【００８２】
【数６】
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ここで、λ０は、各薄膜に共通する光学膜厚の４倍に相当する設定波長である。Δλは、反射帯域の幅である。ｎＨは、２種類の薄膜のうち相対的に屈折率の高い材料の屈折率である。ｎＬは、２種類の薄膜のうち相対的に屈折率の低い材料の屈折率である。
【００８３】
第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３１ｂａ、３１ｂｂが交互に積層された多層膜である。第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ等を採用することができる。ＳｉＯｘは、ＳｉＯやＳｉＯ２である。ＳｉＮｘ等は、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４等である。
【００８４】
第２光学フィルタ３２は、第２基板３２ｓと、第２狭帯域透過フィルタ部３２ａと、第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂと、を備えている。第２基板３２ｓは、赤外線を透過可能なものである。第２基板３２ｓとしては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板等を採用することができる。
【００８５】
第２狭帯域透過フィルタ部３２ａは、第２光学系３ｂの第２透過波長域λ02〜λ12を規定するようにフィルタ特性を設計してある。第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂは、第２光学フィルタ３２の所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過率を、第２狭帯域透過フィルタ部３２ａだけの場合よりも小さくするように設計してある。第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂは、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線を吸収することで遮断するフィルタである。
【００８６】
第２狭帯域透過フィルタ部３２ａは、例えば、λ０／４多層膜３７と、波長選択層３８と、λ０／４多層膜３９と、で構成されるバンドパスフィルタとすることができる。λ０／４多層膜３７とλ０／４多層膜３９とは、設定波長λ０が同じである。
【００８７】
λ０／４多層膜３７は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂが交互に積層された多層膜である。λ０／４多層膜３７における２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂの光学膜厚は、λ０／４多層膜３７の設定波長λ０の１／４に設定されている。
【００８８】
λ０／４多層膜３９は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂが交互に積層された多層膜である。λ０／４多層膜３９における２種類の薄膜３２ａａ、３２ａｂの光学膜厚は、λ０／４多層膜３９の設定波長λ０の１／４に設定されている。
【００８９】
波長選択層３８は、λ０／４多層膜３７とλ０／４多層膜３９との間に介在する。波長選択層３８の光学膜厚は、波長選択層３８の選択波長に応じて決めてあり、各薄膜３２ａａ、３２ａｂの光学膜厚とは異ならせてある。波長選択層３８の選択波長は、参照波長λｒである。参照波長λｒとは、検知対象のガス及び他のガスでの吸収のない波長を意味する。検知対象のガスとして、ＣＯ２を想定している場合、他のガスとしては、例えば、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、ＣＯ、ＮＯ等が挙げられる。第２狭帯域透過フィルタ部３２ａは、参照波長λｒの赤外線に対する透過率が５０％以上であるのが、好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが更に好ましい。
【００９０】
λ０／４多層膜３７及びλ０／４多層膜３９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。薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ等を採用することができる。ＳｉＯｘは、ＳｉＯやＳｉＯ２である。ＳｉＮｘ等は、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４等である。
【００９１】
第２狭帯域透過フィルタ部３２ａは、λ０／４多層膜３７とλ０／４多層膜３９との間に波長選択層３８を備えることにより、反射帯域の中に、反射帯域の幅に比べて透過スペクトル幅の狭い第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒを局在させることができる。
【００９２】
第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂは、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい２種類の薄膜３２ｂａ、３２ｂｂが交互に積層された多層膜である。第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂは、相対的に屈折率の高い薄膜の材料として、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ等を採用することができ、相対的に屈折率の低い薄膜の材料として、例えば、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮｘ等を採用することができる。
【００９３】
第１光学フィルタ３１は、第１狭帯域透過フィルタ部３１ａの中心波長を、検知対象のガスの吸収波長λｇに設定するのが好ましい。また、第２光学フィルタ３２は、第２狭帯域透過フィルタ部３２ａの中心波長を、参照波長λｒに設定するのが好ましい。ガスセンサ１００は、吸収波長λｇと参照波長λｒとの差が小さい方が好ましい。これにより、ガスセンサ１００は、検知対象のガスが存在しないときの、第１狭帯域透過フィルタ部３１ａを透過する赤外線の光量と第２狭帯域透過フィルタ部３２ａを透過する赤外線の光量との差を少なくすることが可能となる。ガスセンサ１００は、検知対象のガスが例えば二酸化炭素の場合、吸収波長λｇを４．３μｍに設定し、参照波長λｒを例えば３．９μｍに設定することができる。
【００９４】
第１受光素子２１１は、第１光学フィルタ３１における赤外線放射素子１０側とは反対側に配置されている。第２受光素子２２２は、第２光学フィルタ３２における赤外線放射素子１０側とは反対側に配置されている。第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とは、同じ構成であるのが好ましい。これにより、赤外線式ガスセンサ１００は、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２との特性を略同じとすることが可能となる。第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とは、並んで配置されているのが好ましい。
【００９５】
赤外線検出器２ａは、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とを具備する赤外線検出素子２０ａ（図１０参照）を備えているのが好ましい。
【００９６】
赤外線検出素子２０ａは、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２が、焦電素子であり、１つの焦電体基板２１に、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とが並んで形成されている。第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２は、焦電体基板２１の表面２１ａに形成された表面電極２２ａと、焦電体基板２１の裏面２１ｂに形成されて表面電極２２ａに対向した裏面電極２２ｂと、焦電体基板２１において表面電極２２ａと裏面電極２２ｂとで挟まれた部分２２ｃと、を備える。
【００９７】
表面電極２２ａ及び裏面電極２２ｂは、検出対象の赤外線を吸収可能で且つ導電性を有する導電膜により構成されている。導電膜は、Ｎｉ膜により構成されている。導電膜は、Ｎｉ膜に限らず、例えば、ＮｉＣｒ膜や金黒膜等でもよい。
【００９８】
第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２の平面視形状は、長方形状としてある。第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２の平面視形状は、長方形状に限らず、例えば、正方形状や、円形状、半円形状、楕円形状、半楕円形状、矩形以外の多角形状等でもよい。
【００９９】
赤外線検出素子２０ａは、焦電体基板２１の表面２１ａに、第１受光素子２２１、第２受光素子２２２の表面電極２２ａ、２２ａそれぞれと電気的に接続された表面配線２４ａ、２４ａが形成されている。赤外線検出素子２０ａは、焦電体基板２１の裏面２１ｂに、第１受光素子２２１、第２受光素子２２２の裏面電極２２ｂ、２２ｂにそれぞれ電気的に接続された裏面配線２４ｂ、２４ｂが形成されている。焦電体基板２１は、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２それぞれの周辺部に、表面配線２４ａ及び裏面配線２４ｂを避けてスリット２６が形成されているのが好ましい。これにより、赤外線検出素子２０ａは、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２との間の熱絶縁性を向上させることが可能となり、ノイズを低減することが可能となる。スリット２６は、焦電体基板２１の厚さ方向に貫通して形成されているのが好ましい。
【０１００】
赤外線検出素子２０ａは、焦電体基板２１の表面２１ａ上に、表面電極２２ａ、２２ａにそれぞれ表面配線２４ａ、２４ａを介して電気的に接続された端子部２４ａａ、２４ａａを備えているのが好ましい。また、赤外線検出素子２０ａは、焦電体基板２１の裏面２１ｂ上に、裏面電極２２ｂ、２２ｂにそれぞれ裏面配線２４ｂ、２４ｂを介して電気的に接続された端子部２４ｂｂ、２４ｂｂを備えているのが好ましい。表面配線２４ａ及び端子部２４ａａは、表面電極２２ａの導電膜と同じ材料で同じ厚さに形成することができる。裏面配線２４ｂ及び端子部２４ｂｂは、裏面電極２２ｂの導電膜と同じ材料で同じ厚さに形成することができる。
【０１０１】
焦電体基板２１は、焦電性を有する基板である。焦電体基板２１は、単結晶のＬｉＴａＯ３基板により構成されている。焦電体基板２１の材料である焦電材料としては、ＬｉＴａＯ３を採用しているが、これに限らず、例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）等を採用してもよい。
【０１０２】
焦電体基板２１の自発分極の方向は、この焦電体基板２１の厚み方向に沿った一方向である。図１０（ｂ）で見れば、焦電体基板２１の自発分極の方向は、上方向である。
【０１０３】
焦電体基板２１は、平面視形状を矩形状としてあるのが好ましい。焦電体基板２１の平面視形状は、特に限定するものではない。
【０１０４】
ガスセンサ１００は、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とが、別々の焦電体基板に形成されたものでもよい。この場合、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とは、製造時に同じ焦電体ウェハに形成され、この焦電体ウェハから切り出されたもの同士を用いるのが好ましい。
【０１０５】
第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２は、焦電素子に限らず、他の熱型受光素子でもよい。熱型受光素子は、赤外線を吸収して電気信号に変換する受光素子である。熱型受光素子としては、例えば、焦電素子、サーモパイル、抵抗ボロメータ等の熱型の赤外線検出素子が挙げられる。ガスセンサ１００は、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２が熱型受光素子であることにより、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２それぞれの感度の波長依存性が小さいので、測定精度の長期安定性を、より向上させることが可能となる。第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２は、量子型の赤外線検出素子でもよい。
【０１０６】
赤外線検出器２ａは、パッケージ２９における第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２それぞれの前方に窓孔２９ｃ、２９ｃを有し、各窓孔２９ｃ、２９ｃそれぞれを塞ぐように、第１光学フィルタ３１、第２光学フィルタ３２を配置してある。
【０１０７】
第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とは、赤外線放射素子１０の光軸に直交する一平面上において、この光軸と当該一平面との交点を中心として点対称となるように配置されているのが好ましい。
【０１０８】
パッケージ２９は、台座２９ａと、台座２９ａに固着されるキャップ２９ｂと、を備える。パッケージ２９は、キャップ２９ｂにおける第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２それぞれの前方に窓孔２９ｃ、２９ｃが形成されている。
【０１０９】
信号処理部４は、第１受光素子２２１の第１出力信号を信号処理する第１ＩＣ素子４１と、第２受光素子２２２の第２出力信号を信号処理する第２ＩＣ素子４２と、を備えている。
【０１１０】
第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２は、例えば、第１電流電圧変換回路と、第１増幅回路と、を備えた構成とすることができる。第２ＩＣ素子４２は、第２電流電圧変換回路と、第２増幅回路と、を備えた構成とすることができる。
【０１１１】
第１電流電圧変換回路は、第１受光素子２２１の第１出力信号である電流信号を電流−電圧変換して出力する回路である。第１増幅回路は、第１電流電圧変換回路で電流−電圧変換された第１出力信号を増幅して出力する回路である。
【０１１２】
第２電流電圧変換回路は、第２受光素子２２２の第２出力信号である電流信号を電流−電圧変換して出力する回路である。第２増幅回路は、第２電流電圧変換回路で電流−電圧変換された第２出力信号を増幅して出力する回路である。
【０１１３】
赤外線検出器２ａは、第１ＩＣ素子４１の回路構成と第２ＩＣ素子４２の回路構成とが、同じであるのが好ましい。なお、赤外線検出器２ａは、第１電流電圧変換回路と第２電流電圧変換回路と第１増幅回路と第２増幅回路と、を集積化して１チップのＩＣ素子としてもよい。
【０１１４】
また、信号処理部４は、第１増幅回路にて増幅された第１出力信号と第２増幅回路にて増幅された第２出力信号との比に基づく出力を発生する信号処理回路４５を備えている。信号処理回路４５は、第１増幅回路にて増幅された第１出力信号と第２増幅回路にて増幅された第２出力信号との比に基づいて、検知対象のガスの濃度を求め、この濃度に相当する出力を発生する。
【０１１５】
赤外線検出器２ａは、第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２もパッケージ２９内に収納されているのが好ましい。この場合、赤外線検出器２ａは、例えば、第１ＩＣ素子４１、第２ＩＣ素子４２と、第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２が実装された基板４３と、で構成される回路ブロック４４が、パッケージ２９内に収納されているのが好ましい。台座２９ａには、４本のリードピン２９ｄが、この台座２９ａの厚み方向に貫通して設けられる。４本のリードピン２９ｄは、２本のリードピン２９ｄが、第１ＩＣ素子４１の出力信号を取り出すために利用され、他の２本のリードピン２９ｄが、第２ＩＣ素子４２の出力信号を取り出すために利用される。
【０１１６】
基板４３は、例えば、ＭＩＤ（Molded Interconnect Devices）基板により構成することができる。基板４３は、ＭＩＤ基板に限らず、例えば、部品内蔵基板、セラミック基板、プリント基板等により構成することができる。また、赤外線検出器２ａは、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２が、回路ブロック４４の基板４３に実装された構成とすることができる。
【０１１７】
なお、信号処理部４は、この信号処理部４の全部を赤外線検出器２ａのパッケージ２９内に設けてもよい。また、信号処理部４は、第１電流電圧変換回路と第１増幅回路と第２電流電圧変換回路と第２増幅回路と信号処理回路４５とを集積化して１チップのＩＣ素子とし、パッケージ２９内に設けてもよい。また、信号処理部４は、複数のディスクリート部品を適宜接続して構成してもよい。また、信号処理部４は、この信号処理部４の全部を赤外線検出器２ａとは別に設けてもよい。
【０１１８】
ところで、熱放射により赤外線を放射する赤外線放射素子１０では、例えば、この赤外線放射素子１０の経時的な特性変化に起因して、同じ入力電力での赤外線放射素子１０の到達温度が低下した場合、放射スペクトル（放射エネルギの波長依存性）が変化する。図２に示す模式図では、温度Ｔ１（例えば、７００Ｋ）での赤外線放射素子１０の放射スペクトルを一点鎖線で示し、温度Ｔ２（＜Ｔ１）での赤外線放射素子１０の放射スペクトルを二点鎖線で示してある。また、図２には、第１光学系３ａの透過スペクトル（透過率の波長依存性）を実線で示し、第２光学系３ｂの透過スペクトルを破線で示してある。図２から、赤外線放射素子１０の放射パワーが変化した場合、第１透過波長域λ01〜λ11の赤外線に基づく第１受光素子２２１の第１出力信号成分と、第２透過波長域λ02〜λ12の赤外線に基づく第２受光素子２２２の第２出力信号成分と、の比が変化することが分かる。
【０１１９】
補償用の所定波長域λｃ〜λｄは、赤外線放射素子１０の放射スペクトルと、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれのフィルタとしての性能等に起因して赤外線の漏れが生じる波長領域と、に基づいて適宜設定するのが好ましい。所定波長域λｃ〜λｄは、例えば、５μｍ〜３０μｍの範囲とすることができるが、特に限定するものではなく、例えば、１０μｍ〜２５μｍの範囲としてもよい。
【０１２０】
ガスセンサ１００は、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄにおける第１平均透過率が、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄにおける第２平均透過率よりも小さい。
【０１２１】
「第１平均透過率」とは、第１光学系３ａの、所定波長域λｃ〜λｄにおける透過率の平均値である。「第１平均透過率」は、Ｓ２／Ｓ１の計算式により求めた値である。Ｓ１は、赤外線波長域のうち所定波長域λｃ〜λｄの最短波長λｃから最長波長λｄの間における、透過率が１００％となる仮想透過スペクトルを積分した面積である。要するに、面積Ｓ１は、仮想透過スペクトルと当該仮想透過スペクトルの横軸（波長軸）とで囲まれた領域の面積である。例えば、最短波長λｃを１０μｍ、最長波長λｄを２５μｍとした場合には、Ｓ１＝１００×（２５−１０）となる。Ｓ２は、分光器等により実測した、第１光学系３ａの透過スペクトルを積分した面積である。要するに、面積Ｓ２は、実測した透過スペクトルと当該透過スペクトルの横軸（波長軸）とで囲まれた領域の面積である。
【０１２２】
ガスセンサ１００は、第１平均透過率が、第２平均透過率よりも小さい。第１平均透過率は、例えば、第１光学フィルタ３１の第１広帯域遮断フィルタ部３１ｂにおける２種類の薄膜３１ｂａ、３１ｂｂの積層数、光学膜厚、材料の組み合わせ等を変更することにより変えることが可能である。第２平均透過率は、例えば、第２光学フィルタ３２の第２広帯域遮断フィルタ部３２ｂにおける２種類の薄膜３２ｂａ、３２ｂｂの積層数、光学膜厚、材料の組み合わせ等を変更することにより変えることが可能である。
【０１２３】
ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０の放射パワーの変化による、第１透過波長域λ01〜λ11の赤外線に基づく第１受光素子２２１の第１出力信号成分と第２透過波長域λ02〜λ12の赤外線に基づく第２受光素子２２２の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、第１平均透過率及び第２平均透過率それぞれが設定されている。これにより、ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０の経時的な特性劣化が長期安定性に与える影響を低減することが可能となる。要するに、ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０への同じ入力電力での赤外線放射素子１０の到達温度が低下した場合、第１受光素子２２１及び第２受光素子２２２それぞれのＳ／Ｎ比が変化しても、第１受光素子２２１のＳ／Ｎ比と第２受光素子２２２のＳ／Ｎ比との相対比の変化を抑制することが可能となり、測定精度の変化を抑制することが可能となる。よって、ガスセンサ１００は、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【０１２４】
ガスセンサ１００は、第１受光素子２２１の第１出力信号と第２受光素子２２２の第２出力信号との比が検知対象のガス（例えば、二酸化炭素）の濃度に応じた値となるから、検知対象のガスの濃度を精度良く求めることが可能となる。
【０１２５】
ガスセンサ１００において、駆動回路５は、赤外線放射素子１０を一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動するように構成されているのが好ましい。第１光学系３ａの第１平均透過率と第２光学系３ｂの第２平均透過率とは、下記（１）式の条件を満たすように設定されているのが好ましい。
【０１２６】
【数７】
2015137861.tif 000009
ここで、Ｑｇ１は、赤外線放射素子１０の初期状態において、第１光学系３ａの第１透過波長域λ01〜λ11を通過して第１受光素子２２１に入射する赤外線エネルギである。以下では、λ01＝λｇ−Δλｇ、λ11＝λｇ＋Δλｇとする。Ｑｒ１は、赤外線放射素子１０の初期状態において、第２光学系３ｂの第２透過波長域λ02〜λ12を通過して第２受光素子２２２に入射する赤外線エネルギである。以下では、λ02＝λｒ−Δλｒ、λ12＝λｒ＋Δλｒとする。Ｑｇ２は、赤外線放射素子１０の経時変化後の第１光学系３ａの第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇを通過して第１受光素子２２１に入射する赤外線エネルギである。Ｑｒ２は、赤外線放射素子１０の経時変化後の第２光学系３ｂの第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒを通過して第２受光素子２２２に入射する赤外線エネルギである。
【０１２７】
（１）式は、赤外線放射素子１０の抵抗値が±１０％変化した場合の、ガスセンサ１００の測定精度の変化が±３％以下となるように決めた条件である。これにより、ガスセンサ１００は、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【０１２８】
赤外線放射素子１０の抵抗値とは、赤外線放射層１３の抵抗値を意味する。
【０１２９】
赤外光源１が上述の赤外線放射素子１０とパッケージ１９とを備えている場合、赤外光源１の抵抗値は、赤外線放射素子１０の赤外線放射層１３の抵抗と、パッケージ１９のリードピン１９ｄと赤外線放射層１３との間の電路の抵抗と、の合成抵抗の値である。赤外光源１は、赤外線放射層１３で発生するジュール熱を大きくし、赤外線放射層１３から効率良く赤外線を放射させるという観点から、赤外線放射層１３の抵抗値が、電路の抵抗値よりも十分に大きいのが好ましい。言い換えれば、赤外光源１は、赤外光源１の抵抗値が、赤外線放射層１３の抵抗値とみなせる程度に電路の抵抗値が小さいのが好ましい。赤外光源１の抵抗値は、発熱して赤外線を放射する赤外線放射層１３のような抵抗部の抵抗値を意味する。
【０１３０】
ところで、第１光学系３ａの第１平均透過率及び第２光学系３ｂの第２平均透過率は、次の考え方に基づいて設定してもよい。
【０１３１】
第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギは、下記の（３）式で表すことができる。
【０１３２】
【数８】
2015137861.tif 000010
ここで、Ｐｇ１は、第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギである。Ｔ１は、赤外線放射素子１０の絶対温度〔Ｋ〕である。λは、波長〔μｍ〕である。Ｐ（λ，Ｔ１）は、プランクの放射則による赤外線放射素子１０の分光放射パワー〔Ｗ〕である。Ｔｇ（λ）は、第１光学系３ａの分光透過率〔％〕である。（３）式は、第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇと所定波長域λｃ〜λｄとを除いた他の波長域の透過率を０％と見なした場合の式である。なお、本実施形態のガスセンサ１００における赤外線放射素子１０の絶対温度〔Ｋ〕は、赤外線放射層１３の絶対温度〔Ｋ〕を意味する。
【０１３３】
第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギと第１受光素子２２１の第１出力信号との関係は、下記の（４）式で表すことができる。
【０１３４】
【数９】
2015137861.tif 000011
ここで、Ｄｇ１は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。
【０１３５】
第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギは、下記の（５）式で表すことができる。
【０１３６】
【数１０】
2015137861.tif 000012
ここで、Ｐｒ１は、第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギである。Ｔ１は、赤外線放射素子１０の絶対温度〔Ｋ〕である。λは、波長〔μｍ〕である。Ｐ（λ，Ｔ１）は、プランクの放射則による赤外線放射素子１０の分光放射パワー〔Ｗ〕である。Ｔｒ（λ）は、第２光学系３ｂの分光透過率〔％〕である。（４）式は、第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒと所定波長域λｃ〜λｄとを除いた他の波長域の透過率を０％と見なした場合の式である。
【０１３７】
第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギと第２受光素子２２２の第２出力信号との関係は、下記の（６）式で表すことができる。
【０１３８】
【数１１】
2015137861.tif 000013
ここで、Ｄｒ１は、第２受光素子２２２の第２出力信号である。
【０１３９】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（７）式で表すことができる。
【０１４０】
【数１２】
2015137861.tif 000014
ここで、Ｄｇ１は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。
【０１４１】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（８）式で表すことができる。
【０１４２】
【数１３】
2015137861.tif 000015
赤外線放射素子１０の経時変化により赤外線放射素子１０の絶対温度がＴ１からＴ２に変化した場合、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（９）式で表すことができる。
【０１４３】
【数１４】
2015137861.tif 000016
ここで、Ｄｇ２は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。
【０１４４】
また、赤外線放射素子１０の経時変化により赤外線放射素子１０の絶対温度がＴ１からＴ２に変化した場合、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（１０）式で表すことができる。
【０１４５】
【数１５】
2015137861.tif 000017
赤外線放射素子１０の絶対温度がＴ１からＴ２に変化することに起因した誤差を無くすための理想的な条件は、下記の（１１）式で表すことができる。
【０１４６】
【数１６】
2015137861.tif 000018
（１１）式は、（７）〜（１０）式を利用して下記の（１２）式のように変形することができる。
【０１４７】
【数１７】
2015137861.tif 000019
ガスセンサ１００は、（１２）式を満たすように、第１光学系３ａの第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇの透過率Ｔｇ（λ）、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｇ（λ）を設定してあるのが好ましい。また、ガスセンサ１００は、（１１）式を満たすように、第２光学系３ｂの第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒの透過率Ｔｒ（λ）、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｒ（λ）を設定してあるのが好ましい。
【０１４８】
第１光学系３ａの第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇの透過率Ｔｇ（λ）は、検知対象のガスが存在する場合の第１出力信号のＳ／Ｎ比がより大きくなるように設定するのが好ましい。第２光学系３ｂの第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒの透過率Ｔｒ（λ）は、信号処理部４での誤差がより小さくなるように設定するのが好ましい。
【０１４９】
第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｇ（λ）及び第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｒ（λ）は、（１１）式を満足するように設定するのが好ましい。なお、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｇ（λ）及び第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄの透過率Ｔｒ（λ）は、両方が０％もしくは同等の場合に対して、測定精度の経時安定性の効果が得られる範囲で設定すればよい。
【０１５０】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過がないと仮定すると、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（１３）式で表すことができる。
【０１５１】
【数１８】
2015137861.tif 000020
ここで、Ｄｇ０１は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。Ｐｇ０１は、第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギである。
【０１５２】
また、ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過がないと仮定すると、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（１４）式で表すことができる。
【０１５３】
【数１９】
2015137861.tif 000021
ここで、Ｄｒ０１は、第２受光素子２２２の第２出力信号である。Ｐｒ０１は、第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギである。
【０１５４】
また、ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過率を設定すると、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（１５）式で表すことができる。
【０１５５】
【数２０】
2015137861.tif 000022
ここで、Ｄｇ１１は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。Ｐｇ１１は、第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギである。
【０１５６】
また、ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄにおける赤外線の透過率を設定すると、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（１６）式で表すことができる。
【０１５７】
【数２１】
2015137861.tif 000023
ここで、Ｄｒ１１は、第２受光素子２２２の第２出力信号である。Ｐｒ１１は、第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギである。
【０１５８】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、赤外線放射素子１０が経時変化したとき、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄでの赤外線の透過がないと仮定すると、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（１７）式で表すことができる。
【０１５９】
【数２２】
2015137861.tif 000024
ここで、Ｄｇ０２は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。Ｐｇ０２は、第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギである。
【０１６０】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、赤外線放射素子１０が経時変化したとき、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄでの赤外線の透過がないと仮定すると、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（１８）式で表すことができる。
【０１６１】
【数２３】
2015137861.tif 000025
ここで、Ｄｒ０２は、第２受光素子２２２の第２出力信号である。Ｐｒ０２は、第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギである。
【０１６２】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、赤外線放射素子１０が経時変化したとき、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の透過率を設定すると、第１受光素子２２１の第１出力信号は、下記の（１９）式で表すことができる。
【０１６３】
【数２４】
2015137861.tif 000026
ここで、Ｄｇ１２は、第１受光素子２２１の第１出力信号である。Ｐｇ１２は、第１光学系３ａを通過する赤外線のエネルギである。
【０１６４】
ガスセンサ１００において、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、赤外線放射素子１０が経時変化したとき、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の透過率を設定すると、第２受光素子２２２の第２出力信号は、下記の（２０）式で表すことができる。
【０１６５】
【数２５】
2015137861.tif 000027
ここで、Ｄｒ１２は、第２受光素子２２２の第２出力信号である。Ｐｒ１２は、第２光学系３ｂを通過する赤外線のエネルギである。
【０１６６】
赤外線放射素子１０の絶対温度がＴ１からＴ２に変化することに起因した誤差を無くすための理想的な条件は、下記の（２１）式を前提として、下記の（２２）式で表すことができる。
【０１６７】
【数２６】
2015137861.tif 000028
【０１６８】
【数２７】
2015137861.tif 000029
したがって、ガスセンサ１００は、下記の（２３）式を満足するように、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄの透過率、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄの透過率を設定すればよい。
【０１６９】
【数２８】
2015137861.tif 000030
ところで、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第１受光素子２２１における、第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇの赤外線の受光パワーは、下記の（２４）式で表すことができる。
【０１７０】
【数２９】
2015137861.tif 000031
ここで、Ｑｇｓは、第１受光素子２２１の受光パワーのうち、第１光学系３ａの第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇを通過した赤外線に対する受光パワーである。
【０１７１】
また、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第２受光素子２２２における、第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒの赤外線の受光パワーは、下記の（２５）式で表すことができる。
【０１７２】
【数３０】
2015137861.tif 000032
ここで、Ｑｒｓは、第２光学系３ｂの第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒを通過した赤外線に対する受光パワーである。
【０１７３】
また、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第１受光素子２２１における、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の受光パワーは、下記の（２６）式で表すことができる。
【０１７４】
【数３１】
2015137861.tif 000033
ここで、Ｑｇｒは、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄを通過した赤外線に対する受光パワーである。
【０１７５】
また、検知対象のガスの濃度が０〔ｐｐｍ〕の場合、第２受光素子２２２における、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の受光パワーは、下記の（２７）式で表すことができる。
【０１７６】
【数３２】
2015137861.tif 000034
ここで、Ｑｒｒは、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄを通過した赤外線に対する受光パワーである。
【０１７７】
ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、上述のように、Ｑｇｒ、Ｑｒｓ及びＱｒｒを定義し、Ｒ１＝Ｑｒｒ／Ｑｒｓとするとき、下記の第１条件及び第２条件を満足するように第１平均透過率及び第２平均透過率が設定されているのが好ましい。
第１条件：
【０１７８】
【数３３】
2015137861.tif 000035
第２条件：
【０１７９】
【数３４】
2015137861.tif 000036
ここで、ｘは、係数である。
【０１８０】
これにより、ガスセンサ１００は、測定精度の経時安定性を向上させることが可能となる。
【０１８１】
第１条件及び第２条件は、本願発明者らが、ガスセンサ１００の特性について種々の解析を行い、それらの結果に基づいて導きだした条件である。種々の解析を行った際の前提条件は、下記の通りである。
【０１８２】
赤外線放射素子１０の放射温度は、赤外線放射素子１０の放射エネルギ分布がプランクの放射則に従うこと、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれの透過率に基いて、６００〜２５００Ｋ程度を想定した。第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇは、赤外線式ガスセンサで実用的な３〜６μｍ程度の範囲内で設定した。所定波長域λｃ〜λｄは、水蒸気による赤外線の吸収の影響が少ない１０〜２５μｍとした。また、赤外線放射素子１０の経年変化による赤外線放射素子１０の抵抗値の許容変化割合を±３％と想定した。また、赤外線放射素子１０は、一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動されると想定した。
【０１８３】
ガスセンサ１００の変形例のガスセンサは、例えば、ガスセンサ１００と基本構成が同じであり、ガスセンサ１００における赤外光源１の窓材１９ｗを、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線を反射する第３光学フィルタにより構成している点が相違する。第３光学フィルタは、第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇ及び第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒの赤外線の反射率を低減する反射防止膜を第３基板にコーティングした無反射コートフィルタとすることができる。第３光学フィルタは、例えば、吸収波長λｇ及び参照波長λｒの赤外線の反射率を略０％にすることが可能となり、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の反射率を４０〜８０％とすることが可能となる。よって、変形例のガスセンサでは、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂの各々について、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の透過率の調整が容易になる。第３基板としては、例えば、シリコン基板、ゲルマニウム基板、サファイア基板などを採用することができる。
【０１８４】
変形例のガスセンサでは、第３光学フィルタが、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれの一部を構成している。よって、変形例のガスセンサでは、実施形態１のガスセンサ１００に比べて、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂの各々について、所定波長域λｃ〜λｄの赤外線の透過率をより低減することが可能となる。
【０１８５】
（実施形態２）
以下では、本実施形態の赤外線式ガスセンサ１０１について、図１１及び１２に基づいて説明する。
【０１８６】
赤外線式ガスセンサ１０１は、赤外線放射素子１０と、第１受光素子２２１と、第２受光素子２２２と、第１光学系３ａと、第２光学系３ｂと、駆動回路５と、信号処理部４と、を備える。赤外線放射素子１０は、熱放射により赤外線を放射するように構成されている。駆動回路５は、赤外線放射素子１０を駆動するように構成されている。第１光学系３ａは、赤外線放射素子１０と第１受光素子２２１との間に配置されている。第２光学系３ｂは、赤外線放射素子１０と第２受光素子２２２との間に配置されている。信号処理部４は、第１受光素子２２１の第１出力信号と第２受光素子２２２の第２出力信号との比から検知対象のガスの濃度を求めるように構成されている。第１光学系３ａの第１透過波長域λ01〜λ11（図１２参照）は、検知対象のガスによる赤外線の吸収波長λｇ（図１２参照）を含むように設定されている。第２光学系３ｂの第２透過波長域λ02〜λ12（図１２参照）は、参照波長λｒ（図１２参照）を含むように設定されている。第１透過波長域λ01〜λ11と第２透過波長域λ02〜λ12とは、互いに異なり、且つ、第２透過波長域λ02〜λ12が第１透過波長域λ01〜λ11よりも長波長側である。赤外線式ガスセンサ１０１は、第１光学系３ａと第２光学系３ｂとに、第１透過波長域λ01〜λ11と第２透過波長域λ02〜λ12との両方よりも長波長側において第１光学系３ａと第２光学系３ｂとに共通の補償用の所定波長域λｃ〜λｄ（図１２参照）を設定してある。赤外線式ガスセンサ１０１は、第１光学系３ａの所定波長域λｃ〜λｄにおける第１平均透過率が、第２光学系３ｂの所定波長域λｃ〜λｄにおける第２平均透過率よりも大きい。赤外線式ガスセンサ１０１は、赤外線放射素子１０の放射パワーの変化による、第１透過波長域λ01〜λ11の赤外線に基づく第１受光素子２２１の第１出力信号成分と第２透過波長域λ02〜λ12の赤外線に基づく第２受光素子２２２の第２出力信号成分との比の変化を補償するように、第１平均透過率及び第２平均透過率それぞれが設定されている。よって、赤外線式ガスセンサ１０１は、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【０１８７】
赤外線式ガスセンサ１００は、赤外線放射素子１０をパッケージ１９に収納した赤外光源１を備えているのが好ましい。また、赤外線式ガスセンサ１０１は、第１受光素子２２１と第２受光素子２２２とをパッケージ２９に収納した赤外線検出器２ａを備えているのが好ましい。
【０１８８】
赤外線式ガスセンサ１０１は、赤外光源１と赤外線検出器２ａとの間に配置され検知対象ガスの出入りが可能な試料セル６を備えているのが好ましい。なお、図１１中の矢印付きの線は、赤外光源１から放射された赤外線の進行経路を模式的に示したものである。
【０１８９】
試料セル６は、検知対象のガスを含む気体もしくは検知対象のガスが導入されるセルである。赤外線式ガスセンサ１０１は、ガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なることを利用してガスを検知する。吸収波長は、例えば、ＣＨ４（メタン）が３．３μｍ、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。
【０１９０】
なお、赤外線式ガスセンサ１０１は、実施形態１の赤外線式ガスセンサ１００と基本構成が略同じなので、赤外線式ガスセンサ１００と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【０１９１】
赤外線式ガスセンサ１０１（以下、「ガスセンサ１０１」ともいう。）において、駆動回路５は、赤外線放射素子１０を一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動するように構成されているのが好ましい。第１光学系３ａの第１平均透過率と第２光学系３ｂの第２平均透過率とは、下記（１）式の条件を満たすように設定されているのが好ましい。
【０１９２】
【数３５】
2015137861.tif 000037
ここで、Ｑｇ１は、赤外線放射素子１０の初期状態において、第１光学系３ａの第１透過波長域λ01〜λ11を通過して第１受光素子２２１に入射する赤外線エネルギである。以下では、λ01＝λｇ−Δλｇ、λ11＝λｇ＋Δλｇとする。Ｑｒ１は、赤外線放射素子１０の初期状態において、第２光学系３ｂの第２透過波長域λ02〜λ12を通過して第２受光素子２２２に入射する赤外線エネルギである。以下では、λ02＝λｒ−Δλｒ、λ12＝λｒ＋Δλｒとする。Ｑｇ２は、赤外線放射素子１０の経時変化後の第１光学系３ａの第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇを通過して第１受光素子２２１に入射する赤外線エネルギである。Ｑｒ２は、赤外線放射素子１０の経時変化後の第２光学系３ｂの第２透過波長域λｒ−Δλｒ〜λｒ＋Δλｒを通過して第２受光素子２２２に入射する赤外線エネルギである。
【０１９３】
（１）式は、赤外線放射素子１０の抵抗値が±１０％変化した場合の、ガスセンサ１０１の測定精度の変化が±３％以下となるように決めた条件である。これにより、ガスセンサ１０１は、測定精度の長期安定性を向上させることが可能となる。
【０１９４】
ところで、第１光学系３ａの第１平均透過率及び第２光学系３ｂの第２平均透過率は、次の考え方に基づいて設定してもよい。
【０１９５】
ガスセンサ１０１は、赤外線放射素子１０の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、とし、吸収波長をλｇ〔μｍ〕、とし、参照波長をλｒ〔μｍ〕、とし、実施形態１で説明したように、Ｑｇｒ、Ｑｒｓ及びＱｒｒを定義し、Ｒ２＝Ｑｇｒ／Ｑｒｓとするとき、
下記の第１条件及び第２条件を満足するように第１平均透過率及び第２平均透過率が設定されているのが好ましい。
第１条件：
【０１９６】
【数３６】
2015137861.tif 000038
第２条件：
【０１９７】
【数３７】
2015137861.tif 000039
ここで、ｘは、係数である。
【０１９８】
これにより、ガスセンサ１０１は、測定精度の経時安定性を向上させることが可能となる。
【０１９９】
第１条件及び第２条件は、本願発明者らが、ガスセンサ１０１の特性について種々の解析を行い、それらの結果に基づいて導きだした条件である。種々の解析を行った際の前提条件は、下記の通りである。
【０２００】
赤外線放射素子１０の放射温度は、赤外線放射素子１０の放射エネルギ分布がプランクの放射則に従うこと、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂそれぞれの透過率に基いて、６００〜２５００Ｋ程度を想定した。第１透過波長域λｇ−Δλｇ〜λｇ＋Δλｇは、赤外線式ガスセンサで実用的な３〜６μｍ程度の範囲内で設定した。所定波長域λｃ〜λｄは、水蒸気による赤外線の吸収の影響が少ない１０〜２５μｍとした。また、赤外線放射素子１０の経年変化による赤外線放射素子１０の抵抗値の許容変化割合を±３％と想定した。また、赤外線放射素子１０は、一定の電圧もしくは一定の電流でパルス駆動されると想定した。
【０２０１】
（実施形態３）
以下では、本実施形態の赤外線式ガスセンサ１０２について、図１３に基づいて説明する。なお、本実施形態の赤外線式ガスセンサ１０２は、実施形態１の赤外線式ガスセンサ１００と略同じなので、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【０２０２】
本実施形態の赤外線式ガスセンサ１０２（以下、「ガスセンサ１０２」ともいう。）は、赤外線検出器２ｃの構成が、ガスセンサ１００における赤外線検出器２ａとは相違する。
【０２０３】
赤外線検出器２ｃは、パッケージ２９が、キャップ２９ｂにおける天板部２９ｂａに形成された窓孔２９ｃと、窓孔２９ｃを塞ぐように配置され、赤外線を透過可能な窓材２９ｗと、を備える。窓材２９ｗは、平板状のシリコン基板により構成してある。窓材２９ｗは、窓孔２９ｃの開口サイズよりもやや大きな矩形板状に形成されている。窓材２９ｗは、導電性材料（例えば、半田、導電性接着剤等）によりキャップ２９ｂに固着されているのが好ましい。これにより、赤外線検出器２ｃは、窓材２９ｗをキャップ２９ｂと略同電位とすることが可能となり、外来の電磁ノイズの影響を受けにくくなるという利点がある。窓材２９ｗは、シリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や硫化亜鉛基板等でもよいが、シリコン基板を用いたほうが低コスト化の点で有利である。
【０２０４】
赤外線検出器２ｃは、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２がパッケージ２９内に収納され、パッケージ２９の外側の外気に曝されないようになっている。これにより、赤外線検出器２ｃは、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２が外気に曝されるのを抑制することが可能となる。よって、赤外線検出器２ｃは、第１光学フィルタ３１及び第２光学フィルタ３２それぞれのフィルタ特性の経時変化を抑制することが可能となる。
【０２０５】
赤外線検出器２ｃは、赤外線検出器２ａにおける赤外線検出素子２０ａの代わりに、赤外線検出素子２０ｄを備えている。赤外線検出素子２０ｄは、パッケージ２９に収納されている。なお、赤外線検出素子２０ｄは、赤外線検出素子２０ａと同様の構成要素について同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【０２０６】
赤外線検出素子２０ｄは、１つの焦電体基板２１に、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との組が２組、形成されている。
【０２０７】
第１焦電素子２２は、焦電体基板２１の表面２１ａに形成された表面電極２２ａと、焦電体基板２１の裏面２１ｂに形成された裏面電極２２ｂと、焦電体基板２１において表面電極２２ａと裏面電極２２ｂとで挟まれた部分２２ｃと、を備える。第２焦電素子２３は、焦電体基板２１の表面２１ａに形成された表面電極２３ａと、焦電体基板２１の裏面２１ｂに形成された裏面電極２３ｂと、焦電体基板２１において表面電極２３ａと裏面電極２３ｂとで挟まれた部分２３ｃと、を備える。焦電体基板２１の表面２１ａには、表面電極２２ａに電気的に接続された表面配線２４ａが形成されている。また、焦電体基板２１の表面２１ａには、表面電極２３ａに電気的に接続された表面配線２５ａが形成されている。焦電体基板２１の裏面２１ｂには、裏面電極２２ｂに電気的に接続された裏面配線２４ｂが形成されている。焦電体基板２１の裏面２１ｂには、裏面電極２３ｂに電気的に接続された裏面配線２５ｂが形成されている。
【０２０８】
赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２の表面電極２２ａと第２焦電素子２３の表面電極２３ａとが表面配線２４ａ及び表面配線２５ａを介して電気的に接続されている。これにより、赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３とが逆直列に接続されている。赤外線検出素子２０ｄは、裏面配線２４ｂにおける裏面電極２２ｂ側とは反対側の端部が、出力用の端子部２４ｂｂを構成している。また、赤外線検出素子２０ｄは、裏面配線２５ｂにおける裏面電極２３ｂ側とは反対側の端部が、出力用の端子部２５ｂｂを構成している。赤外線検出素子２０ｄは、一対の出力端子２８ｃ、２８ｄを備えている。赤外線検出素子２０ｄは、端子部２４ｂｂが、一方の出力端子２８ｃ（第１出力端子２８ｃ）を構成し、端子部２５ｂｂが、他方の出力端子２８ｄ（第２出力端子２８ｄ）を構成している。
【０２０９】
焦電体基板２１は、第１焦電素子２２を囲む周辺部に、第１焦電素子２２の外周に沿った形状のスリット２６が、表面配線２４ａ及び裏面配線２４ｂを避けて形成され、第２焦電素子２３を囲む周辺部が、焦電体基板２１の部分２３ｃの全周に亘って連続している。
【０２１０】
第１焦電素子２２及び第２焦電素子２３の平面視形状は、長方形状としてある。赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２の平面サイズと第２焦電素子２３の平面サイズと、を同じに設定してあるのが好ましい。要するに、赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３と、を同じ構成としてあるのが好ましい。焦電体基板２１は、隣り合う２つの第１焦電素子２２それぞれの他方の第１焦電素子２２側に、スリット２６が形成されている。
【０２１１】
赤外線検出器２ｃは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との組ごとに、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３とが逆直列に接続されており、第１焦電素子２２を受光用の焦電素子とし、第２焦電素子２３を温度補償用の焦電素子として利用する。これにより、赤外線検出器２ｃは、赤外線のクロストークによる影響を軽減することが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。赤外線検出器２ｃは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との組ごとに、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３とを逆並列に接続して、第１焦電素子２２を受光用の焦電素子とし、第２焦電素子２３を温度補償用の焦電素子として利用するようにしてもよい。
【０２１２】
受光用の焦電素子とは、検出対象の赤外線を検出するための焦電素子を意味し、検出対象の赤外線が入射される焦電素子である。温度補償用の焦電素子とは、赤外線検出素子２０ｄの周囲温度の変化による出力信号の変動を少なくするための焦電素子を意味し、理想的には、赤外線検出素子２０ｄの検出対象の赤外線が入射されない焦電素子である。言い換えれば、温度補償用の焦電素子とは、第１焦電素子２２の出力信号から周囲温度に起因した成分を取り除くための焦電素子を意味する。このため、赤外線検出素子２０ｄは、検出対象の赤外線が、第１焦電素子２２に入射する一方で、第２焦電素子２３に入射しないようにして使用する。
【０２１３】
赤外線検出器２ｃは、窓材２９ｗの垂直投影領域外に第２焦電素子２３が位置するように、窓材２９ｗの配置を規定することで、キャップ２９ｂの一部を、赤外線を遮光する遮光部として兼用することができる。
【０２１４】
しかしながら、赤外線検出素子２０ｄは、赤外線が入射する入射面側に空間が存在した状態で使用されるので、赤外線のクロストーク（crosstalk）により、第２焦電素子２３から信号が出力される。赤外線検出素子２０ｄにおいて赤外線が入射する入射面とは、表面電極２２ａの表面及び表面電極２３ａの表面を意味する。赤外線のクロストークとは、第１焦電素子２２へ赤外線を入射させるための窓材２９ｗや第１光学フィルタ３１等を透過した赤外線が第２焦電素子２３における表面電極２３ａの表面へ斜め方向から入射することを意味する。言い換えれば、赤外線のクロストークとは、第１焦電素子２２での検出対象の赤外線が、赤外線の入射が阻止されることを意図した第２焦電素子２３における表面電極２３ａへ斜め方向から入射することを意味する。
【０２１５】
赤外線検出素子２０ｄは、検出対象の赤外線が入射することによる第１焦電素子２２の温度変化や、赤外線のクロストークによる第２焦電素子２３の温度変化に比べて、環境温度の変化に伴う第１焦電素子２２や第２焦電素子２３の温度変化が非常に緩やかである。環境温度は、パッケージ２９の周囲の温度を意味する。パッケージ２９の周囲の温度は、外気の温度である。
【０２１６】
赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２への検出対象の赤外線の入射に対して、基本的に第１焦電素子２２のみが暖められるので、熱容量が小さく、熱時定数が小さい。また、赤外線検出素子２０ｄは、環境温度の上昇により、赤外線検出素子２０ｄ全体が暖められるので、熱容量が大きく、熱時定数が大きい。特に、赤外線検出素子２０ｄは、パッケージ２９に収納して使用される場合、環境温度の上昇により、パッケージ２９及び赤外線検出素子２０ｄが暖められるので、更に熱容量が大きくなり、熱時定数が大きくなる。
【０２１７】
熱容量に関しては、環境温度の変化に対する第１焦電素子２２の熱容量をＨ１、検出対象の赤外線の入射に対する第１焦電素子２２の熱容量をＨ２とすると、Ｈ１＞Ｈ２となる。
【０２１８】
また、熱コンダクタンスに関しては、環境温度の変化に対する第１焦電素子２２の熱コンダクタンスをＧ１、検出対象の赤外線の入射に対する第１焦電素子２２の熱コンダクタンスをＧ２とすると、Ｇ２＞Ｇ１となる。
【０２１９】
また、熱時定数に関しては、熱時定数＝〔熱容量〕／〔熱コンダクタンス〕であるため、環境温度の変化に対する第１焦電素子２２の熱時定数をτ１、検出対象の赤外線の入射に対する第１焦電素子２２の熱時定数をτ２とすると、τ１＞τ２となる。
【０２２０】
赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２の周辺部のみにスリット２６が形成されていることにより、検出対象の赤外線の入射による第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との熱時定数の差に基づく感度差を生じさせることが可能となる。赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３とを逆直列に接続し、第１焦電素子２２、第２焦電素子２３をそれぞれ、受光用の焦電素子、温度補償用の焦電素子として使用すれば、赤外線のクロストークによる影響を軽減することが可能となる。これにより、赤外線検出素子２０ｄは、高感度化を図ることが可能となる。
【０２２１】
赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との組を２組、備えており、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との各組それぞれを１つのチャネル（channel）とすることができる。言い換えれば、赤外線検出素子２０ｄは、２つのチャネルをもつ構成である。そして、赤外線検出素子２０ｄは、各チャネルが、第１焦電素子２２、第２焦電素子２３、表面配線２４ａ、裏面配線２４ｂ、表面配線２５ａ及び裏面配線２５ｂを備える検出エレメントＤＥ（図１４（ａ）参照）により構成されている。以下では、説明の便宜上、図１４（ａ）における左側の検出エレメントＤＥを、第１検出エレメントＤＥ１と称し。図１４（ａ）における右側の検出エレメントＤＥを、第２検出エレメントＤＥ２と称する。
【０２２２】
第１検出エレメントＤＥ１は、第１焦電素子２２が第１受光素子２２1を構成し、第２焦電素子２３が第１温度補償素子２３1を構成する。第２検出エレメントＤＥ２は、第１焦電素子２２が第２受光素子２２2を構成し、第２焦電素子２３が第２温度補償素子２３2を構成する。よって、赤外線検出素子２０ｄは、第１受光素子２２１と、第２受光素子２２２と、を備えている。
【０２２３】
また、第１光学フィルタ３１は、パッケージ２９内で、窓材２９ｗと第１受光素子２２１との間に配置されている。第２光学フィルタ３２は、パッケージ２９内で、窓材２９ｗと第２受光素子２２２との間に配置されている。要するに、赤外線検出器２ｃは、第１光学フィルタ３１が、第１受光素子２２1の前方に配置され、第２光学フィルタ３２が、第２受光素子２２2の前方に配置されている。
【０２２４】
赤外線検出素子２０ｄは、隣り合う２つの第１焦電素子２２それぞれの他方の第１焦電素子２２側に、スリット２６が形成されているので、隣り合う２つの第１焦電素子２２間での熱伝達を抑制することが可能となる。これにより、赤外線検出素子２０ｄは、第１検出エレメントＤＥ１及び第２検出エレメントＤＥ２それぞれの感度の低下を抑制することが可能となる。
【０２２５】
赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２の周辺部のみにスリット２６が形成されていることにより、検出対象の赤外線の入射による第１焦電素子２２と第２焦電素子２３との熱時定数の差に基づく感度差を生じさせることが可能となる。よって、赤外線検出素子２０ｄは、第１焦電素子２２と第２焦電素子２３とを逆直列に接続し、第１焦電素子２２、第２焦電素子２３をそれぞれ、受光用、温度補償用の焦電素子として使用することで、赤外線のクロストークによる影響を軽減することが可能となる。これにより、赤外線検出素子２０ｄは、高感度化を図ることが可能となる。
【０２２６】
第１ＩＣ素子４１は、第１検出エレメントＤＥ１の第１出力信号を信号処理する。第２ＩＣ素子４２は、第２検出エレメントＤＥ２の第２出力信号を信号処理する。
【０２２７】
赤外線検出器２ｃは、基板４３の厚み方向の一面側に赤外線検出素子２０ｄが配置され、基板４３の厚み方向の他面側に第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２が配置されているのが好ましい。これにより、赤外線検出器２ｃは、基板４３の厚み方向の一面側において赤外線検出素子２０ｄの側方に第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２が配置されている場合に比べて、小型化を図ることが可能となる。
【０２２８】
第１ＩＣ素子４１及び第２ＩＣ素子４２の各々は、ベアチップであり、基板４３の他面側に設けた凹部４３ｙの内底面に、ダイボンド材により固定されている。ダイボンド材としては、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。
【０２２９】
信号処理回路４５は、第１ＩＣ素子４１の出力信号と第２ＩＣ素子４２の出力信号との比に基づいて検知対象のガスの濃度を求め、この濃度に相当する出力信号を発生するように構成されている。
【０２３０】
本実施形態のガスセンサ１０２は、第１光学系３ａ及び第２光学系３ｂを、実施形態１のガスセンサ１００に同様と設計してあるが、これに限らず、実施形態２のガスセンサ１０１と同様に設計するようにしてもよい。
【０２３１】
ただし、ガスセンサ１０２における第１光学系３ａは、第１光学フィルタ３１と、赤外光源１の窓孔１９ｒと、赤外光源１の窓材１９ｗと、試料セル６の反射面６６と、赤外線検出器２ａの窓孔２９ｃと、の他に、赤外線検出器２ｃの窓材２９ｗを含む。また、ガスセンサ１０２における第２光学系３ｂは、第２光学フィルタ３２と、赤外光源１の窓孔１９ｒと、赤外光源１の窓材１９ｗと、試料セル６の反射面６６と、赤外線検出器２ａの窓孔２９ｃと、の他に、赤外線検出器２ｃの窓材２９ｗを含む。
【０２３２】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示した赤外線放射素子１０の変形例の赤外線放射素子１０ｂを示す。なお、変形例の赤外線放射素子１０ｂについては、赤外線放射素子１０と同様の構成要素に同一の符号を付して説明を適宜省略する。また、図１５（ａ）では、保護層１４の図示を省略してある。
【０２３３】
また、図１５（ａ）では、半導体基板１１の表面１１１における開口部１１ａの、薄膜部１２の第２面１２ｄへの垂直投影領域の第１外周線１１ａａを二点鎖線で示してある。また、図１５（ａ）では、半導体基板１１の裏面１１２における開口部１１ａの、薄膜部１２の第２面１２ｄへの垂直投影領域の第２外周線１１ａｂを二点鎖線で示してある。赤外線放射素子１０ｂは、開口部１１ａの開口形状が矩形状であり、第１外周線１１ａａ、第２外周線１１ａｂそれぞれが互に大きさの異なる矩形状となっている。赤外線放射素子１０ｂは、半導体基板１１の表面１１１における開口部１１ａの開口面積に比べて、半導体基板１１の裏面１１２における開口部１１ａの開口面積が大きくなっている。このため、第２外周線１１ａｂが第１外周線１１ａａよりも大きい。半導体基板１１の開口部１１ａは、薄膜部１２から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。
【０２３４】
赤外線放射層１３は、平面視形状が長方形状である。赤外線放射層１３は、一対の端子部１６、１６の並ぶ方向に長手方向が一致するように配置されている。赤外線放射層１３は、長手方向の長さが、赤外線放射層１３の長手方向に沿った方向における第１外周線１１ａａの辺の長さよりも長い。また、赤外線放射層１３は、短手方向の長さが、赤外線放射層１３の短手方向に沿った方向における第１外周線１１ａａの辺の長さよりも短い。
【０２３５】
変形例の赤外線放射素子１０ｂは、一対の端子部１６、１６の並ぶ方向において赤外線放射層１３の両端部１３ｂ、１３ｂそれぞれが、第１外周線１１ａａの内側と外側とに跨っている。
【０２３６】
また、赤外線放射素子１０ｂは、赤外線放射層１３における両端部１３ｂ、１３ｂの間の中央部１３ａが薄膜部１２の第２面１２ｄ上に直接形成されている。赤外線放射層１３の中央部１３ａは、第１外周線１１ａａの内側に位置している。また、赤外線放射素子１０ｂは、両端部１３ｂ、１３ｂと薄膜部１２との間に、第１下地層１７と、第２下地層１８と、の積層膜を介在させてある。よって、赤外線放射素子１０ｂは、第１下地層１７及び第２下地層１８も、第１外周線１１ａａの内側と外側とに跨っている。第２下地層１８は、半導体基板１１よりも融点が高く且つ導電性を有する材料により形成されているのが好ましい。第１下地層１７は、赤外線放射層１３と同じ材料により形成されているのが好ましい。赤外線放射素子１０ｂは、互いに同じ材料により形成された第１下地層１７と赤外線放射層１３の端部１３ｂとで、第２下地層１８が挟まれていることにより、第２下地層１８の内部の応力を低減させることが可能となる。第１下地層１７の厚さは、赤外線放射層１３の端部１３ｂと同じ厚さが好ましい。第１下地層１７及び第２下地層１８は、長方形状に形成されている。
【０２３７】
赤外線放射素子１０ｂは、例えば、半導体基板１１の材料をＳｉ、赤外線放射層１３の材料をＴａＮとした場合、第１下地層１７の材料をＴａＮ、第２下地層１８の材料をＴａとすることができる。また、赤外線放射素子１０ｂは、各配線１５及び各端子部１６の材料としてＡｌ−Ｓｉを採用することができる。
【０２３８】
また、赤外線放射素子１０ｂは、配線１５が、保護層１４に形成された接続孔１４ｂを通して赤外線放射層１３の端部１３ｂ上に形成され、赤外線放射層１３と電気的に接続されている。また、赤外線放射素子１０ｂは、端子部１６が、保護層１４に形成された孔１４ｃを通して薄膜部１２上に形成されている。保護層１４の孔１４ｃは、第２外周線１１ａｂよりも外側に位置している。これにより、赤外線放射素子１０ｂは、端子部１６に起因する応力が赤外線放射層１３に発生するのを抑制することが可能となる。また、赤外線放射素子１０ｂは、半導体基板１１を、端子部１６等で発生する熱を外部に放熱させるためのヒートシンクとして利用することが可能となる。なお、端子部１６は、パッド電極を構成する。
【０２３９】
赤外線放射素子１０ｂは、半導体基板１１の厚さを５２５μｍ、シリコン酸化膜１２ａの厚さを０．２μｍ、シリコン窒化膜１２ｂの厚さを０．２μｍ、赤外線放射層１３の厚さを０．０３μｍとしてある。また、赤外線放射素子１０ｂは、第１下地層１７の厚さを０．０３μｍ、第２下地層１８の厚さを０．０７μｍ、保護層１４の厚さを０．３μｍ、端子部１６の厚さを１．５μｍ、としてある。赤外線放射素子１０ｂの各構成要素それぞれの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【０２４０】
赤外線放射素子１０ｂは、薄膜部１２がシリコン酸化膜１２ａとシリコン窒化膜１２ｂとの積層膜で構成されている。赤外線放射素子１０ｂは、シリコン酸化膜１２ａとシリコン窒化膜１２ｂとで互いの内部応力の向きが逆であり、シリコン窒化膜１２ｂが、薄膜部１２をシリコン酸化膜１２ａのみにより構成する場合に比べて赤外線放射層１３の形状を安定化させる形状安定化層として機能する。
【０２４１】
なお、赤外光源１は、赤外線放射素子１０とパッケージ１９とを備えた構成に限らず、例えば、ハロゲンランプ等を採用することもできる。この場合、ハロゲンランプのフィラメントが赤外線放射素子を構成する。
【０２４２】
上述の実施形態１〜３等において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態１〜３等に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０２４３】
３ａ  第１光学系
３ｂ  第２光学系
４  信号処理部
５  駆動回路
１０、１０ｂ  赤外線放射素子
１１  半導体基板
１１ａ  開口部
１２  薄膜部
１２ｃ  第１面
１２ｄ  第２面
１３  赤外線放射層
２２１  第１受光素子
２２２  第２受光素子
１００、１０１、１０２  赤外線式ガスセンサ
【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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