(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線センサであって、
断熱部および非断熱部と、
前記断熱部上において第１の波長の赤外線を吸収する第１の赤外線吸収部が形成された測定部と、
前記断熱部上において前記第１の波長と異なる第２の波長の赤外線を吸収する第２の赤外線吸収部が形成された補償部と、
冷接点が前記非断熱部上に配置され、前記第１および第２の赤外線吸収部の温度差を表す信号を出力するように構成されたサーモパイルと、
を備え、
前記サーモパイルは、前記第１の赤外線吸収部の近傍の前記断熱部上に温接点が形成された第１および第２のサーモパイルと、前記第２の赤外線吸収部の近傍の前記断熱部上に温接点が形成された第３および第４のサーモパイルと、を有しており、
前記第１のサーモパイルと前記第２のサーモパイルとを直列接続する第１のサーモパイル接続線と、前記第３のサーモパイルと前記第４のサーモパイルとを直列接続する第２のサーモパイル接続線とは、それぞれ、前記測定部と前記補償部との境界部において前記非断熱部を跨ぐように形成されている、
赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、互いに異なる波長の赤外線の強度の差を測定する赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを検出するガスセンサとして、検出対象のガスが特定の波長の赤外線の吸収することを利用し、当該特定の波長の赤外線の強度の変化から検出対象のガス（測定対象ガス）の濃度を測定することが行われている。例えば、特許文献１では、光源から被測定空間に対して連続波長の赤外線領域の光が照射する。そして、被測定空間を透過した光を、測定対象ガスの吸収波長領域の赤外線のみを透過させるフィルターと、吸収波長領域以外の赤外線を透過させるフィルターとのそれぞれの後方に別個の赤外線センサを配置したセンサー部により受光し、別個の赤外線センサの出力に演算を施すことにより、測定対象ガスの発生や増加を検出することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−７２０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように別個の赤外線センサの出力に演算を施す場合、個々の赤外線センサの出力を大きくすると演算処理ができなくなる虞がある。そのため、光源の輝度や赤外線センサの感度を十分に高くし、測定対象ガスの検出感度を高くすることは困難であった。この問題は、互いに異なる波長の赤外線の強度の差を測定する赤外線センサを用いた、各種装置に共通する。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、互いに異なる波長の赤外線の強度の差を測定する赤外線センサにおいて、赤外線の強度の差の測定感度をより高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を達成するために、本発明の赤外線センサは、断熱部および非断熱部と、前記断熱部上において第１の波長の赤外線を吸収する第１の赤外線吸収部が形成された測定部と、前記断熱部上において前記第１の波長と異なる第２の波長の赤外線を吸収する第２の赤外線吸収部が形成された補償部と、冷接点が前記非断熱部上に配置され、前記第１および第２の赤外線吸収部の温度差を表す信号を出力するように構成されたサーモパイルと、を備え、前記サーモパイルが、前記第１の赤外線吸収部の近傍の前記断熱部上に温接点が形成された第１および第２のサーモパイルと、前記第２の赤外線吸収部の近傍の前記断熱部上に温接点が形成された第３および第４のサーモパイルと、を有しており、前記第１のサーモパイルと前記第２のサーモパイルとを直列接続する第１のサーモパイル接続線と、前記第３のサーモパイルと前記第４のサーモパイルとを直列接続する第２のサーモパイル接続線とが、それぞれ、前記測定部と前記補償部との境界部において前記非断熱部を跨ぐように形成されていることを特徴とする。
【０００７】
赤外線センサ１０に入射する第１の波長の赤外線と第２の波長の赤外線との強度が異なると、第１の波長の赤外線を吸収する第１の赤外線吸収部と、第１の波長とは異なる第２の波長の赤外線を吸収する第２の赤外線吸収部との温度に差が生じる。そのため、第１および第２の赤外線吸収部の温度差を表す信号を出力するように構成されたサーモパイルが出力する信号から、赤外線の強度差を測定することができる。このとき、サーモパイルからは、第１および第２の赤外線吸収部の温度差を表す信号が出力されるので、赤外線の光源の輝度やサーモパイルの構成等を適宜変更して、サーモパイルの出力信号をより大きくすることができるので、赤外線の強度差をより高い感度で測定することができる。
さらに、第１および第２の赤外線吸収部を断熱部上に配置することにより、赤外線吸収部における赤外線の吸収量が小さい場合であっても、赤外線吸収部の温度を十分に高くすることができるので、赤外線の強度差の測定感度をより高くすることができる。また、サーモパイルの温接点を断熱部上に配置し、冷接点を非断熱部上に配置することにより、第１および第２の赤外線吸収部を熱的に分離することがより容易となる。そのため、一方の赤外線吸収部から他方の赤外線吸収部への熱の伝達を抑制し、２つの赤外線吸収部の温度上昇量の差をより正確に求めることが可能となるので、赤外線の強度差の測定感度をさらに高くすることができる。
加えて、サーモパイルを、第１の赤外線吸収部の近傍に温接点が形成された第１および第２のサーモパイルと、第２の赤外線吸収部の近傍に温接点が形成された第３および第４のサーモパイルとで構成するとともに、第１のサーモパイルと第２のサーモパイルとを直列接続する第１のサーモパイル接続線と、第３のサーモパイルと第４のサーモパイルとを直列接続する第２のサーモパイル接続線とのそれぞれを、測定部と補償部との境界部において非断熱部を跨ぐように形成することにより、２つの赤外線吸収部の一方から他方に向かって伝達される熱の大部分をサーモパイル接続線を介して非断熱部に伝達させることができる。そのため、測定部と補償部とが熱的に分離されるので、赤外線の強度差の測定感度をさらに高くすることができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、赤外線センサ、その赤外線センサを利用したガス検出装置、ガス検出システム、リークテスト装置、リークテストシステムや赤外線を利用した各種装置等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】吸光式ガス検出装置の構成を示す説明図。
【図２】赤外線センサの構成を示す説明図。
【図３】センサチップの構造を示す説明図
【図４】センサチップの機能的な構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．実施形態：
Ａ１．吸光式ガス検出装置：
図１は、本発明の一実施形態としての吸光式ガス検出装置１の構成を示す説明図である。吸光式ガス検出装置１は、赤外線センサ１０と、ランプユニット３０と、チョッパ４０と、測定セル５０とを有している。ランプユニット３０は、白熱ランプ３１を放物面鏡３２の焦点に配置するとともに、放物面鏡３２の開口端に赤外線透過窓３３を設けることにより、ほぼ平行な赤外線を赤外線透過窓３３からチョッパ４０に向かって射出する。チョッパ４０は、モータ４１により開口部４９が設けられたブレード４２を回転させ、ランプユニット３０が射出する赤外線を断続（チョッピング）する。チョッパ４０によりチョッピングされた赤外線は、測定セル５０に入射する。また、図示しないが、チョッパ４０は、チョッピングのタイミングを表す同期信号を出力する。
【００１５】
測定セル５０は、筒状部５１と、筒状部５１の両端に設けられた赤外線透過窓５４，５５とを有している。筒状部５１には、また、内面が筒状部５１の内部に通じている筒状の吸気ポート５２と排気ポート５３とが設けられている。試料となるガス（試料ガス）は、吸気ポート５２から測定セル５０内に導入された後、筒状部５１を通り、排気ポート５３から排出される。このように、試料ガスが測定セル５０内に導入されると、試料ガスに含まれるガスの種類に応じて、測定セル５０を透過する赤外線の一部が吸収される。具体的には、赤外線透過窓５４を介して測定セル５０に入射した赤外線のうち、試料ガスに含まれるガスの吸収線の波長の赤外線が、当該ガスの濃度に応じて吸収される。このように一部が吸収された赤外線は、赤外線透過窓５５から赤外線センサ１０に向かって射出される。
【００１６】
赤外線センサ１０は、ヘッダ１１と、２つの開口部２８，２９を有するキャップ２０とからなるパッケージ１９内に、赤外線を検出するためのセンサチップ（図示しない）を実装することにより構成されている。具体的には後述するが、赤外線センサ１０は、第１の開口部２８から入射し、検出対象となる特定のガス（検出対象ガス）の吸収線の波長の赤外線（測定光）の強度と、第２の開口部２９から入射し、検出対象ガスの吸収線とは異なる波長の赤外線（参照光）の強度との差を表す信号を出力する。赤外線センサ１０が出力する測定光と参照光との強度の差（以下、単に「赤外線強度差」とも呼ぶ）を表す信号は、試料ガス中の検出対象ガスの濃度に対応するため、検出対象ガスの濃度を測定することが可能となる。
【００１７】
上述のように、吸光式ガス検出装置１では、ランプユニット３０が射出する赤外線をチョッピングしているため、赤外線センサ１０は、パルス状の信号を出力する。このパルス状の信号を、ロックインアンプ等を用いてチョッパ４０が出力する同期信号に合わせて同期検波することにより、電磁ノイズ等の影響を低減し、より高い感度で検出対象ガスを検出することができる。なお、本実施形態の吸光式ガス検出装置１では、ランプユニット３０と測定セル５０との間にチョッパ４０のブレード４２を配置し、ランプユニット３０が射出した赤外線をチョッピングしているが、測定セル５０と赤外線センサ１０との間にブレード４２を配置し、測定セル５０から射出される赤外線をチョッピングしても良い。また、チョッピングを行わず、赤外線センサ１０から連続的に出力される信号により検出対象ガスを検出するものとしても良い。この場合、小型化が困難なチョッパ４０を省略することができるので、吸光式ガス検出装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１８】
さらに、本実施形態の吸光式ガス検出装置１では、赤外線光源として、白熱ランプ３１を用いたランプユニット３０を用いているが、このようなランプユニット３０の他、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）技術を用いて作成された黒体輻射光源や、赤外線発光ダイオードを赤外線光源として使用することも可能である。この場合、チョッパ４０を用いることなく射出する赤外線を断続することができるので、チョッパ４０を省略して小型化を図るとともに、同期検波により電磁ノイズ等の影響を低減することが可能となる。
【００１９】
なお、本実施形態では、測定セル５０に試料ガスを導入し、試料ガス中の検出対象ガスの濃度を測定しているが、測定セル５０を使用することなく検出対象ガスの濃度を測定することもできる。例えば、内燃機関の排気マニホールドや室内等の空間に赤外線光源（ランプユニット３０）と赤外線センサ１０とを対向して配置し、当該空間における検出対象ガスの濃度を測定することも可能である。
【００２０】
Ａ２．赤外線センサ：
図２は、赤外線センサ１０の構成を示す説明図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）の一点鎖線Ｃ１における赤外線センサ１０の断面を示している。上述の通り、赤外線センサ１０では、センサチップ１００が、ヘッダ１１とキャップ２０とからなるパッケージ１９内に実装されている。キャップ２０に設けられた２つの開口部２８，２９のそれぞれの位置には、測定光を透過するフィルタ２１と、参照光を透過するフィルタ２２が取り付けられている。これにより、センサチップ１００は、パッケージ１９内に封止されている。センサチップ１００は、その基板１１０がダイボンド材１５によりヘッダ１１に接着されることにより、ヘッダ１１に固定されている。なお、以下では、特に断らない限り、図２（ａ）におけるキャップ２０側を上と謂い、ヘッダ１１側を下と謂う。
【００２１】
図２（ｂ）は、ヘッダ１１に固定されたセンサチップ１００を上面から見た様子を示している。なお、図２（ｂ）における一点鎖線Ｃ１，Ｃ２は、センサチップ１００の中心位置を示す中心線である。センサチップ１００の上面には、導電膜が露出したボンディングパッド１９１，１９２が形成されている。このボンディングパッド１９１，１９２と、封止材１３を介してヘッダ１１に取り付けられた端子１４とをワイヤ１６で接続することにより、センサチップ１００は外部の回路に接続される。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、センサチップ１００の上面には、赤外線を吸収する赤外線吸収膜１６１，１６２が設けられている。測定光と参照光とを含む赤外線が赤外線センサ１０の上面から入射すると、フィルタ２１を透過した測定光が赤外線吸収膜１６１に到達し、フィルタ２２を透過した参照光が赤外線吸収膜１６２に到達する。これにより、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２においては、それぞれ到達した測定光と参照光との強度に応じて熱が発生し、温度が上昇する。後述するように、センサチップ１００は、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す信号を出力する。そのため、センサチップ１００が出力する信号は、赤外線強度差を表す。また、上述のように、測定光は、検出対象ガスの吸収線の波長の赤外線であるため、試料ガス中の検出対象ガスの濃度が上昇すると、測定セル５０を透過する際に吸収されて強度が低下する。一方、参照光は、検出対象ガスの吸収線とは異なる波長との赤外線であるため、測定セル５０を透過する際に強度はほとんど低下しない。そのため、赤外線強度差を表すセンサチップ１００の出力信号に基づいて測定光の強度の低下量を求めることにより、検出対象ガスの濃度を測定することができる。なお、フィルタ２１と赤外線吸収膜１６１とを組み合わせることにより、赤外線吸収膜１６１では測定光が吸収され、フィルタ２２と赤外線吸収膜１６２とを組み合わせることにより、赤外線吸収膜１６２では参照光が吸収される。そのため、フィルタ２１および赤外線吸収膜１６１は、併せて測定光を吸収する赤外線吸収部と謂うことができ、フィルタ２２および赤外線吸収膜１６２は、併せて参照光を吸収する赤外線吸収部と謂うことができる。また、図２（ａ）の例では、平板状のフィルタ２１，２２を用いているが、フィルタを凸レンズ形状やシリンドリカルレンズ形状にしても良い。この場合、フィルタを透過した測定光および参照光を、赤外線吸収膜１６１，１６２の下部において赤外線反射膜（後述する）が形成された領域に集光することができるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。さらに、センサチップ１００をパッケージ１９内に封止する際に、ヘッダ１１とキャップ２０とで囲まれた空間を予め真空状態とするのが好ましい。この場合、対流等による赤外線吸収膜１６１，１６２からの熱の散逸を抑制できるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。
【００２３】
なお、センサチップ１００において、図２（ｂ）の中心線Ｃ２を境として、測定光を透過するフィルタ２１側の部分は、測定光の強度の測定に使用され、参照光を透過するフィルタ２２側の部分は、赤外線光源（すなわち、ランプユニット３０）の輝度や環境温度等の外的要因の変動による赤外線吸収膜１６１の温度変化を補償するために使用される。そのため、赤外線センサ１０のフィルタ２１側の部分は、測定光の強度を測定する測定部ＲＭとも謂うことができ、フィルタ２２側の部分は外的要因による出力変動を補償する補償部ＲＣとも謂うことができる。また、測定部ＲＭは、検出対象ガスの濃度に応じて変化する測定光の強度を測定するので、ガス検出部とも謂うことができる。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示すように、センサチップ１００は、図２（ｂ）において左右方向（以下、「横方向」と謂う）に伸びる中心線Ｃ１に対してほぼ対称に、上下方向（以下、「縦方向」と謂う）に伸びる中心線Ｃ２に対して対称に形成されている。そのため、以下では、必要性がない限り、このように対称性を有する部分については、その１つについてのみ説明する。
【００２５】
Ａ３．センサチップ：
図３は、センサチップ１００の構造を示す説明図である。図３（ａ）は、センサチップ１００を上面から見た様子を示しており、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれ、図３（ａ）の切断線Ａ−Ａ’および切断線Ｂ−Ｂ’におけるセンサチップ１００の断面を示している。
【００２６】
センサチップ１００は、２つの空洞部１１８，１１９が設けられた基板１１０と、基板１１０の上面に形成された絶縁膜１２０とを有している。絶縁膜１２０上には、後述する赤外線強度差の測定機能、すなわち、ガスの検出機能を実現するための構造を形成する複数の膜（機能膜）が積層されている。具体的には、絶縁膜１２０上には、半導体膜１３０と、導電膜１４０と、保護膜１５０と、赤外線吸収膜１６１，１６２とが、この順で積層されている。これらの機能膜のうち、半導体膜１３０と、導電膜１４０と、保護膜１５０とは、半導体デバイスの製造方法として周知の技術を用いて形成することができる。なお、絶縁膜１２０および絶縁膜１２０上に積層される機能膜は、センサチップの製造工程や構造の変更に伴い、適宜追加あるいは省略される。
【００２７】
センサチップ１００の作成工程では、まず、空洞部１１８，１１９を有さないシリコン（Ｓｉ）基板を準備する。次いで、準備したＳｉ基板上に、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）およびＳｉＯ２をこの順に成膜することにより、絶縁膜１２０を形成する。なお、絶縁膜１２０を、ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４との多層膜とせず、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）の単層膜とすることも可能である。絶縁膜１２０を形成した後、ポリシリコンの成膜・パターニングを行うことにより、半導体膜１３０を形成する。半導体膜１３０を形成する材料として、ポリシリコンに替えて、鉄シリサイド（ＦｅＳｉ２）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）あるいはビスマス・アンチモン（ＢｉＳｂ）等の種々の半導体を用いても良い。
【００２８】
半導体膜１３０を形成した後、アルミニウム（Ａｌ）の成膜・パターニングを行うことにより、導電膜１４０を形成する。導電膜１４０を形成する材料として、Ａｌに替えて、Ａｌ合金、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）等、種々の金属や合金を用いても良い。但し、導電膜１４０を形成する材料としては、ＡｌやＡｌ合金等、エッチングによりパターニングできるものを使用するのが好ましい。また、導電膜１４０の少なくとも一方の面に、Ｔｉやクロム（Ｃｒ）からなる密着層を形成しても良い。導電膜１４０を形成した後、ＳｉＯ２の成膜・パターニングを行うことにより、保護膜１５０を形成する。パターニングにより保護膜１５０に開口部（コンタクトホール）１５１，１５２を設けることにより、導電膜１４０が露出したボンディングパッド１９１，１９２が形成される。
【００２９】
保護膜１５０を形成した後、基板１１０に設けられる空洞部１１８，１１９を形成する。空洞部１１８，１１９の形成に際しては、まず、基板の機能膜１３０，１４０，１５０が形成されていない面（裏面）を研磨する。研磨により基板を所望の厚さにした後、裏面をエッチングすることにより、空洞部１１８，１１９を形成する。空洞部１１８，１１９の形成は、ドライエッチングと、ウェットエッチングとのどちらによっても行うことができる。ドライエッチングを行う場合には、Ｃ４Ｆ８プラズマによるパッシベーションと、ＳＦ６プラズマによるエッチングとのステップを短い時間間隔で繰り返すエッチング方法（いわゆるボッシュプロセス）を用いるのが好ましい。また、ウェットエッチングを行う場合には、結晶異方性エッチングを行うのが好ましい。空洞部１１８，１１９を形成することにより、外枠部１１１と、２つの空洞部１１８，１１９を隔てる板状部１１２とを備える基板１１０が形成される。また、空洞部１１８，１１９を形成することにより、絶縁膜１２０が裏面側において露出したメンブレン１２１，１２２が形成される。なお、図３から明らかなように、メンブレン１２１，１２２は、空洞部１１８，１１９を渡るように形成されている。
【００３０】
図３の例では、基板を下面側からエッチングすることにより空洞部１１８，１１９を形成しているが、空洞部は、基板を上面側からエッチングして形成することも可能である。この場合、絶縁膜１２０と、保護膜１５０とに貫通穴を設け、当該貫通穴を通して基板をエッチングすることにより空洞部を形成することができる。このように基板を上面側からエッチングした場合、基板の上面側からの加工のみでセンサチップを製造でき、また、基板の残存部を下面側からエッチングした場合よりも多くすることができる。そのため、センサチップの製造工程を簡略化して歩留まりをより高くすることができるとともに、エッチング後の基板の強度をより高くすることができる点で、基板を上面側からエッチングするのが好ましい。一方、基板の下面側からエッチングする方が、絶縁膜１２０に貫通穴を設けることなく空洞部が形成できるので、メンブレンに貫通穴が形成されて強度が低下することを抑制し、メンブレンの破損を抑制できる点で、好ましい。
【００３１】
また、空洞部は、必ずしも基板に設ける必要はない。例えば、基板と絶縁膜との間、もしくは、絶縁膜１２０と半導体膜、導電膜および絶縁膜との間に、空洞部を形成することも可能である。このような基板上の空洞部は、基板もしくは絶縁膜１２０上の空洞部を形成する領域に犠牲膜を形成した後、上述のように保護膜までの各機能膜を形成し、次いで保護膜上面から犠牲膜に到達する貫通穴を設け、当該貫通穴を通して犠牲膜を除去することにより、形成することができる。犠牲膜を形成する材料としては、ポリイミド等の樹脂やポリシリコン等の半導体を用いることができる。樹脂からなる犠牲膜は、アッシングにより除去することができ、半導体からなる犠牲膜は、エッチングにより除去することができる。但し、犠牲膜として半導体を用いる場合には、基板もしくは半導体膜のエッチングを阻止するため、基板、もしくは、絶縁膜１２０および犠牲膜の上に、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４等からなる阻止膜が形成される。このように、基板上に空洞部を形成した場合、基板をエッチングした場合よりも、基板の強度をより高くすることができる。一方、センサチップの製造工程をより簡略化できる点においては、基板をエッチングするのが好ましい。
【００３２】
空洞部１１８，１１９を形成した後、保護膜１５０上に、赤外線吸収膜１６１，１６２を形成する。具体的には、赤外線吸収膜１６１，１６２を形成する領域に、赤外線吸収剤としてのカーボンブラックあるいは金属酸化物を含むペーストを塗布する。ペーストの塗布は、ディスペンサによる塗布技術、スクリーン印刷技術、あるいは、インクジェット印刷技術等を用いて行うことができる。ペーストを塗布した後、焼成することにより、赤外線吸収膜１６１，１６２が形成される。このように、保護膜１５０上に赤外線吸収膜１６１，１６２を形成することにより、センサチップ１００が得られる。
【００３３】
Ａ４．センサチップの動作：
図４は、センサチップ１００の機能的な構成を示す説明図である。図４（ａ）は、図３（ａ）と同様に、センサチップ１００を上面から見た様子を示している。但し、図４（ａ）および図４（ｂ）においては、図示の便宜上、保護膜１５０のハッチングを省略している。図４（ｂ）は、図４（ａ）において二点鎖線で囲んだ領域ＲＸの拡大図である。
【００３４】
センサチップ１００は、赤外線強度差の測定機能を実現するための構造として、４つのサーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４と、導電膜１４０（図３）として形成された２つの赤外線反射膜１４１，１４２、サーモパイル接続線１４４、サーモパイル連結線１４５および２つの信号出力電極１４６，１４７と、赤外線反射膜１４１，１４２の上部にそれぞれ形成された赤外線吸収膜１６１，１６２とを有している。このように赤外線反射膜１４１，１４２の上部に赤外線吸収膜１６１，１６２を設けることにより、赤外線吸収膜１６１，１６２を透過した赤外線が赤外線反射膜１４１，１４２により赤外線吸収膜１６１，１６２に向けて反射され、赤外線吸収膜１６１，１６２における赤外線の吸収量が大きくなるので、ガスの検出感度をより高くすることができる。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、赤外線吸収膜１６１，１６２は、メンブレン１２１，１２２上に形成されている。メンブレン１２１，１２２は、一般に薄く（約１〜５μｍ）形成されるので、メンブレン１２１，１２２自体の熱容量が小さくなるとともに、熱伝導度が低い絶縁膜（ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４）を主体に構成されている。また、メンブレン１２１，１２２の下面には、熱を伝達しない空洞部１１８，１１９が形成されている。このように、赤外線吸収膜１６１，１６２を空洞部１１８，１１９上に形成された熱容量が小さく、熱伝導度が低いメンブレン１２１，１２２の上部に形成することにより、赤外線吸収膜１６１，１６２における赤外線の吸収量が小さい場合においても、赤外線吸収膜１６１，１６２の温度を十分に上昇させることができる。そのため、センサチップ１００における赤外線強度差の測定感度をより高くすることができる。なお、メンブレン１２１，１２２の下面に形成された空洞部１１８，１１９は、熱を伝達しないので、断熱部とも謂うことができる。
【００３６】
サーモパイルＴＰ１は、図４（ｂ）に示すように、半導体膜１３０（図３）として形成された半導体熱電素子１３１と、導電膜１４０として形成された金属熱電素子１４３とを有している。サーモパイルＴＰ１では、縦方向に伸びる半導体熱電素子１３１および金属熱電素子１４３が横方向に複数配列されている。金属熱電素子１４３は、赤外線吸収膜１６１の下部と、基板１１０（図３（ｂ））の外枠部１１１の上部とにおいて、隣接する半導体熱電素子１３１に接続されている。これにより、半導体熱電素子１３１および金属熱電素子１４３は、温接点ＨＪと冷接点ＣＪとを有する熱電対として機能し、冷接点ＣＪを基準とした赤外線吸収膜１６１の温度を表す電圧を出力する。冷接点ＣＪは、ダイボンド材１５（図２）を介してヘッダ１１に接着された外枠部１１１（すなわち、断熱部である空洞部１１８，１１９が設けられていない領域）の上部に形成されているので、ヘッダ１１とほぼ同温度となる。そのため、赤外線吸収膜１６１の温度の測定基準は、ヘッダ１１の温度、すなわち、環境温度となる。同様に、サーモパイルＴＰ３，ＴＰ４の冷接点ＣＪも外枠部１１１の上部に形成されているので、赤外線吸収膜１６２の温度の測定基準は、環境温度となる。なお、図４の例では、温接点ＨＪは、赤外線吸収膜１６１，１６２の下に形成されているが、一般に、温接点ＨＪは、赤外線吸収膜１６１，１６２の近傍に形成されていれば良い。このようにしても、温接点ＨＪにより赤外線吸収膜１６１，１６２の温度を測定することができる。また、上述のように、外枠部１１１は、ヘッダ１１等のセンサチップ１００の外部と、センサチップ１００との間で熱を伝達するので、非断熱部とも謂うことができる。
【００３７】
サーモパイルＴＰ１を構成する半導体熱電素子１３１のうち、中心線Ｃ２側（内側）の半導体熱電素子１３１は、導電膜１４０として形成されたサーモパイル接続線１４４により、中心線Ｃ１に対してほぼ対称に形成されたサーモパイルＴＰ２に接続される。一方、サーモパイルＴＰ１を構成する中心線Ｃ２とは反対側（外側）の金属熱電素子１４３は、ボンディングパッド１９１となる信号出力電極１４６と連続するように形成されている。サーモパイル接続線１４４は、基板１１０（図３（ｂ））の外枠部１１１を跨ぎ、サーモパイルＴＰ２における内側の金属熱電素子１４３と連続するように形成されている。これにより、２つのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２において、赤外線吸収膜１６１の下部に配置された温接点ＨＪと、外枠部１１１の上部に配置された冷接点ＣＪとを有する熱電対が直列接続される。同様に、サーモパイルＴＰ３を構成する外側の金属熱電素子１４３は、ボンディングパッド１９２となる信号出力電極１４７と連続するように形成されるとともに、サーモパイル接続線１４４は、サーモパイルＴＰ４における内側の金属熱電素子１４３と連続するように形成されている。そのため、２つのサーモパイルＴＰ３，ＴＰ４において、赤外線吸収膜１６２の下部に配置された温接点ＨＪと、外枠部１１１の上部に配置された冷接点ＣＪとを有する熱電対が直列接続される。
【００３８】
さらに、本実施形態のセンサチップ１００では、サーモパイルＴＰ２，ＴＰ４の外側の半導体熱電素子１３１、すなわち、直列接続された熱電対の端にあたる半導体熱電素子１３１を、サーモパイル連結線１４５によりフロート状態で互いに接続している。このように半導体熱電素子１３１を互いに接続することにより、測定部ＲＭのボンディングパッド１９１から補償部ＲＣのボンディングパッド１９２に繋がる回路として見たときに、測定部ＲＭのサーモパイルＴＰ１，ＴＰ２と、補償部ＲＣのサーモパイルＴＰ３，ＴＰ４とは、熱電対としての接続順序が逆になっている。具体的に言えば、測定部ＲＭでは、ボンディングパッド１９１からサーモパイル連結線１４５に向かって順に、温接点ＨＪにおいて金属熱電素子１４３から半導体熱電素子１３１に接続され、冷接点ＣＪにおいて半導体熱電素子１３１から金属熱電素子１４３に接続されている。一方、補償部ＲＣでは、サーモパイル連結線１４５からボンディングパッド１９２に向かって順に、冷接点ＣＪにおいて金属熱電素子１４３から半導体熱電素子１３１に接続され、温接点ＨＪにおいて半導体熱電素子１３１から金属熱電素子１４３に接続されている。
【００３９】
このように、直列接続された熱電対の端にあたる半導体熱電素子１３１をフロート状態で互いに接続することにより、２つのボンディングパッド１９１，１９２間の電圧は、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す電圧となる。言い換えれば、２つのボンディングパッド１９１，１９２からは、赤外線強度差、すなわち、試料ガス中の検出対象ガスの濃度に対応した信号が直接出力される。そのため、センサチップ１００を用いることにより、赤外線センサ１０（図２）の外部において差動増幅器により出力信号の差を求めることを省略できるので、検出対象ガスの検出回路をより簡単にすることが可能となる。また、一般的に差動増幅器等の増幅器は、入力電圧が電源電圧を超えると動作しない。そのため、差動増幅器により出力信号の差を求める場合には、出力信号の電圧が差動増幅器の電源電圧を超えないように、ランプユニット３０の輝度、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４を構成する熱電対の段数、あるいは、熱電素子１３１，１４３として使用する材料が制限される。一方、本実施形態によれば、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す電圧信号が出力される。そのため、ランプユニット３０の輝度を高くし、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４を構成する熱電対の段数を増やし、あるいは、より熱起電力が大きくなるように熱電素子として使用する材料を選択することにより、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることが可能となる。なお、以上の説明では、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４を別個のものとして扱っているが、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４全体を１つのサーモパイルとして捉えることもできる。この場合、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４全体からなる１つのサーモパイルは、２つのボンディングパッド１９１，１９２に赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す信号（電圧）を出力していると謂うことができる。
【００４０】
また、本実施形態のセンサチップ１００では、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２を、それぞれ分離した２つの空洞部１１８，１１９上に形成している。そして、２つの空洞部１１８，１１９の間の板状部１１２は、図２（ａ）に示すように、ダイボンド材１５を介して、パッケージ１９のヘッダ１１に接着されている。そのため、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２のそれぞれにおいて生じた熱は、その大部分が板状部１１２とダイボンド材１５とを介してヘッダ１１に伝達される。これにより、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２のそれぞれで生じた熱は、センサチップ１００の外部に放出され、測定部ＲＭと補償部ＲＣとが熱的に分離される。なお、板状部１１２は、赤外線吸収膜１６１，１６２で生じた熱をセンサチップ１００の外部に放出する機能を有しているので、放熱部と謂うことができる。このような放熱部は、必ずしも板状である必要はなく、また、外枠部１１１を渡るように形成されている必要はない。一般的には、赤外線吸収膜１６１，１６２で生じた熱をセンサチップ１００の外部に放出する放熱部は、測定部ＲＭと補償部ＲＣとの境界部である中心線Ｃ２の下に形成されていれば良い。また、本実施形態では、サーモパイル連結線１４５が外枠部１１１の上部に配置されているため、サーモパイル連結線１４５は、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２の間の熱の伝達経路とならず、測定部ＲＭと補償部ＲＣとの熱的な分離が良好に維持される。そのため、赤外線吸収膜１６１，１６２の温度上昇量の差をより正確に求めることが可能となるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、測定部ＲＭと補償部ＲＣとを熱的に分離することにより、補償部ＲＣの赤外線吸収膜１６２で生じた熱により、検出対象ガスの濃度の上昇に伴って赤外線の吸収量が低下する測定部ＲＭの赤外線吸収膜１６１の温度が上昇することが抑制される。そのため、検出対象ガスの濃度に対応した赤外線吸収膜１６１の温度上昇量をより正確に求めることが可能となるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。また、赤外線強度差や検出対象ガスの濃度に対応する赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す信号を出力するので、赤外線強度差の測定回路や検出対象ガスの検出回路をより簡単にすることができるとともに、ランプユニット３０の輝度を高くし、熱電対の段数を増やし、あるいは、熱電素子として使用する材料を適宜選択することでより容易に赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度を高くすることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、単一のセンサチップ１００上に、同様に構成された測定部ＲＭと補償部ＲＣとを設けているので、赤外線光源（ランプユニット３０）の輝度や環境温度の変化等の外的要因による測定部ＲＭの赤外線吸収膜１６１の温度変化をより正確に補償することができる。そのため、赤外線が入射していない状態、あるいは、試料ガスに検出対象ガスが含まれていない状態における出力信号（オフセット）をより小さくするとともに、外的要因の変化によるオフセットの変化（ドリフト）をより小さくすることができる。そのため、赤外線強度差や検出対象ガスの濃度が低い場合における測定再現性が高くなるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をさらに高くすることが可能となる。
【００４３】
なお、測定部と補償部とを別個のチップとしても良い。この場合、パッケージ１９（図２）に２つのチップを近接して配置するとともに、パッケージ１９内において測定部と補償部とのサーモパイルを接続する際に、同種の熱電素子を接続すれば良い。このようにしても、赤外線センサからは、２つの赤外線吸収膜の温度差を表す信号が出力される。また、測定部と補償部とは熱的に分離されるので、測定部の赤外線吸収膜の温度上昇量をより正確に求めることができるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることが可能となる。この場合、赤外線吸収膜と温接点とをメンブレン上に形成しなくても、測定部と補償部とを熱的に分離することができる。但し、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる点で、赤外線吸収膜と温接点とは、メンブレン上に形成するのが好ましい。
【００４４】
Ｂ．変形例：
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００４５】
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、半導体膜１３０として形成された半導体熱電素子１３１と、導電膜１４０として形成された金属熱電素子１４３とを接続することにより、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４を構成しているが、サーモパイルは、極性の異なる２つの半導体膜として形成された２種の半導体熱電素子を接続するものとしても良い。この場合、サーモパイルの熱起電力が高くなるので、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる。但し、センサチップを製造するための工程数の増加を抑制することができる点で、半導体膜１３０として形成された半導体熱電素子１３１と、導電膜１４０として成された金属熱電素子１４３とを接続して、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４を構成するのが好ましい。また、材質の異なる２つの導電膜として形成された２種の金属熱電素子を接続して、サーモパイルを構成するものとしても良い。但し、出力信号をより大きくすることができる点で、少なくとも一方の熱電素子を半導体で形成するのが好ましい。
【００４６】
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、測定部ＲＭと補償部ＲＣとのそれぞれにおいて、２つのサーモパイルを設けているが、サーモパイルの数は、任意の数とすることができる。例えば、測定部ＲＭと補償部ＲＣとのそれぞれにおいて、単一のサーモパイルを設けるものとしても良く、また、さらにサーモパイルを増やすものとしても良い。但し、２つの赤外線吸収膜１６１，１６２の温度差を表す出力信号をより大きくすることができる点で、測定部ＲＭと補償部ＲＣとのそれぞれに複数のサーモパイルを設けるのが好ましい。
【００４７】
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、測定部ＲＭと補償部ＲＣとを熱的に分離するため、測定部ＲＭと補償部ＲＣとの境界部である中心線Ｃ２の下に放熱部（板状部１１２）を設けているが、他の方法により測定部ＲＭと補償部ＲＣとを熱的に分離することも可能である。例えば、２つのメンブレン１２１，１２２に替えて単一のメンブレンを形成した後、当該メンブレンを分割するように、外枠部を跨ぐスリット穴をメンブレンに設けても良い。このようにしても、測定部と補償部とは、熱的に分離される。また、放熱部やスリット穴の形成を省略することも可能である。この場合、上記実施形態のようにサーモパイル接続線１４４を、測定部ＲＭと補償部ＲＣとの境界部において、非断熱部である外枠部１１１を跨ぐように形成すれば良い。この場合においても、赤外線吸収膜１６１，１６２の一方から他方に向かって伝達される熱は、その大部分がサーモパイル接続線１４４を介して外枠部に伝達されるので、測定部と補償部とは熱的に分離される。なお、測定部と補償部とは、必ずしも熱的に分離する必要はない。但し、赤外線強度差の測定感度や検出対象ガスの検出感度をより高くすることができる点で、測定部と補償部とを熱的に分離するのが好ましい。
【００４８】
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４の温接点ＨＪを、赤外線吸収膜１６１，１６２の下に配置し、サーモパイルＴＰ１〜ＴＰ４の冷接点ＣＪを外枠部１１１の上部に配置しているが、サーモパイルの温接点を測定部の赤外線吸収膜の近傍に配置し、冷接点を補償部の赤外線吸収膜の近傍に配置するものとしても良い。サーモパイルは、本来冷接点と温接点との温度差を表す信号を出力するので、２つの赤外線吸収膜の温度差を表す信号を出力するようにサーモパイルを構成することがより容易となる。なお、この場合、２つの赤外線吸収膜の間での熱の伝達を抑制するため、２種の半導体熱電素子を接続したサーモパイルを用いるのが好ましい。
【００４９】
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、パッケージ１９（図２）を構成するキャップ２０にフィルタ２１，２２を設け、測定部ＲＭの赤外線吸収膜１６１が測定光を吸収し、補償部ＲＣの赤外線吸収膜１６２が参照光を吸収するようにしているが、一般的には、互いに異なる波長の赤外線を吸収する２つの赤外線吸収部を、それぞれ測定部と補償部とに設ければ良い。例えば、フィルタに替えて赤外線透過窓（広帯域フィルタ）を用い、測定部および補償部の赤外線吸収膜が、それぞれ測定光および参照光を選択的に吸収するようにしても良い。例えば、波長が約１０μｍの赤外線を吸収するＳｉＯ２からなる膜と、波長が約１３μｍの赤外線を吸収するＳｉ３Ｎ４からなる膜とのそれぞれを、赤外線吸収膜として使用することもできる。この場合、吸収線の波長が１０μｍあるいは１３μｍ前後の検出対象ガスを検出することができる。また、ポリエチレンやナイロン等の吸収スペクトルの異なる樹脂からなる膜のそれぞれを赤外線吸収膜として使用することもできる。この場合、吸収線が各樹脂の吸収線の波長に近いガスを検出することができる。さらに、ＳｉＯ２あるいはＳｉ３Ｎ４からなる膜と、樹脂からなる膜とのそれぞれを赤外線吸収膜として使用しても良い。
【００５０】
また、赤外線吸収膜として、ＴｉＮ等の吸収膜を挟み込んだ光学薄膜を用いることも可能である。ここで、光学薄膜とは、膜に垂直な方向の光路長が波長程度の膜であり、対向して進行する光が干渉して光の共振等が発生する膜を謂う。この場合、２つの赤外線吸収膜となる光学薄膜の厚さをそれぞれ調整し、測定光と参照光とがそれぞれ共振するようにすれば良い。なお、この場合、吸収膜は、共振時に定在波の腹となる位置に設けるのが好ましい。また、赤外線を必ずしも一体の膜により吸収させる必要はない。例えば、波長程度の間隔の空洞を有するキャビティ内に吸収膜を配置し、空洞の間隔を調整して測定光と参照光とがそれぞれ共振するようにしても良い。
【００５１】
Ｂ６．変形例６：
上記実施形態では、断熱部として、基板自体に設けられた空洞部、もしくは、基板上に形成された空洞部を用いているが、断熱部は必ずしも空洞である必要はない。断熱部は、例えば、基板自体に設けられた空洞部に、多孔質材や樹脂等の断熱材を埋め込むことにより形成することができる。多孔質材としてＳｉＯ２を用いる場合には、周知の低比誘電率（Low-k）絶縁膜やシリカエアロゲルの形成技術により空洞部に多孔質ＳｉＯ２を埋め込むことができる。断熱材として樹脂を用いる場合には、当該樹脂のモノマやプレポリマを空洞部に充填し、その後、熱や紫外線によりモノマやプレポリマを重合させれば良い。また、断熱部として、基板上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成するものとしても良い。この場合、上述した基板上に空洞部を形成する工程と同様に、基板もしくは絶縁膜１２０上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成し、形成した断熱膜を残存させることにより断熱部を形成することができる。また、基板上に断熱膜を形成するためのポリシリコン膜を形成し、当該ポリシリコン膜を陽極酸化により多孔質化しても良い。さらに、断熱部として、基板自体に多孔質部を形成するものとしても良い。多孔質部は、例えば、基板としてＳｉ基板を用いている場合には、基板自体に空洞部を形成する工程と同様に、基板の下面側もしくは基板の上面側から、空洞部に相当する領域を陽極酸化により多孔質化することで形成することができる。なお、空洞でない断熱部を用いる場合において、断熱部の材料が導電性を有する場合には、断熱部と、半導体膜あるいは導電膜との間には絶縁膜が追加される。このように、空洞でない断熱部を用いることにより、断熱部上に形成された機能膜の破損が抑制される。
【００５２】
Ｂ７．変形例７：
上記実施形態では、本発明をガスの検出に適用しているが、本発明は、互いに波長が異なる赤外線の強度の差を測定する赤外線センサであれば、波長の種々の用途において使用される赤外線センサに適用することができる。例えば、本発明が適用された赤外線センサは、波長が異なる赤外線を放射あるいは反射する対象物の判別や、対象物の温度変化の検出に使用することができる。この場合、レンズ等により対象物の像を赤外線センサの上面に形成し、赤外線センサが出力する２つの赤外線吸収膜の温度差を表す信号に基づいて、対象物の判別や温度変化の検出を行うことができる。また、本発明が適用された赤外線センサは、種類の異なる樹脂のように、波長が異なる赤外線を吸収する対象物を判別する用途にも使用可能である。この場合、当該対象物に赤外線光源から射出される赤外線を導入し、対象物を透過した赤外線を赤外線センサに入射させれば良い。
【符号の説明】
【００５３】
１…吸光式ガス検出装置、１０…赤外線センサ、１１…ヘッダ、１３…封止材、１４…端子、１５…ダイボンド材、１６…ワイヤ、１９…パッケージ、２０…キャップ、２１，２２…フィルタ、２８，２９…開口部、３０…ランプユニット、３１…白熱ランプ、３２…放物面鏡、３３…赤外線透過窓、４０…チョッパ、４１…モータ、４２…ブレード、４９…開口部、５０…測定セル、５１…筒状部、５２…吸気ポート、５３…排気ポート、５４，５５…赤外線透過窓、１００…センサチップ、１１０…基板、１１１…外枠部、１１２…板状部、１１８，１１９…空洞部、１２０…絶縁膜、１２１，１２２…メンブレン、１３０…半導体膜、１３１…半導体熱電素子、１４０…導電膜、１４１，１４２…赤外線反射膜、１４３…金属熱電素子、１４４…サーモパイル接続線、１４５…サーモパイル連結線、１４６，１４７…信号出力電極、１５０…保護膜、１５１，１５２…開口部（コンタクトホール）、１６１，１６２…赤外線吸収膜、１９１，１９２…ボンディングパッド、ＣＪ…冷接点、ＨＪ…温接点、ＲＣ…補償部、ＲＭ…測定部、ＴＰ１〜ＴＰ４…サーモパイル
【図１】
0006467254.tif 000002
【図２】
0006467254.tif 000003
【図３】
0006467254.tif 000004
【図４】
0006467254.tif 000005