(57)【要約】  本発明は、温度変化を電気信号として出力する熱型検出層と、前記熱型検出層の受光面側に設けられた受光面電極と、前記熱型検出層の前記受光面電極と反対側に設けられた裏面電極とを含む検出素子を備え、前記受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度変化を電気信号として出力する熱型検出層と、前記熱型検出層の受光面側に設けられた受光面電極と、前記熱型検出層の前記受光面電極と反対側に設けられた裏面電極とを含む検出素子を備え、
前記受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。
【請求項２】
前記周期構造は、周期的に配列された複数の開口を有する、請求項１に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項３】
前記試料ガスはＣＯ２ガスであり、前記試料ガスの吸収波長は４．２〜４．４μｍである、請求項１または２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項４】
前記周期構造における前記複数の開口の配列周期が４．１〜４．３μｍである、請求項３に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項５】
前記受光面電極の開口率は５０〜９０％である、請求項３または４に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項６】
前記熱型検出層は焦電体層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項７】
前記焦電体層はＡｌＮを主成分とする、請求項６に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項８】
前記焦電体層の膜厚が１００〜３５０ｎｍである、請求項６または７に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項９】
前記受光面電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｏ、ＷおよびＲｕからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１０】
前記裏面電極は、Ｍｏ、Ａｌ、ＲｕおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１１】
温度変化を電気信号として出力する第１の熱型検出層と、前記第１の熱型検出層の受光面側に設けられた第１の受光面電極と、前記第１の熱型検出層の前記第１の受光面電極と反対側に設けられた第１の裏面電極とを含む第１の検出素子と、
温度変化を電気信号として出力する第２の熱型検出層と、前記第２の熱型検出層の受光面側に設けられた第２の受光面電極と、前記第２の熱型検出層の前記第２の受光面電極と反対側に設けられた第２の裏面電極とを含む第２の検出素子とを備え、
前記第１の受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する第１の周期構造を有し、
前記第２の受光面電極は、前記試料ガスの吸収波長と異なるレファレンス波長の赤外線を選択的に吸収する第２の周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。
【請求項１２】
前記レファレンス波長は３．５〜４．１５μｍまたは４．５〜５．０μｍの範囲内の波長である、請求項１１に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１３】
前記第１の検出素子と前記第２の検出素子とが一体的に形成されてなる、請求項１１または１２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサと、赤外線光源と、ガスセルとを備える、ガス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱型赤外線センサおよびガス測定装置に関する。より詳細には、ガス測定用の熱型赤外線センサ、および、それを備えるガス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのガスが、赤外線スペクトルの領域において、それぞれ特有の赤外線吸収波長を有している。その特性を利用した特定のガスの測定装置として、非分散型赤外線吸収（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）方式のガス測定装置が知られている。このようなガス測定装置は、主に赤外線光源、ガスセル、バンドパス光学フィルタおよび赤外線センサから構成されている。【０００３】
特許文献１（特表２０００−５０３１２２号公報）に記載の赤外線センサは、対象ガスの吸収波長の赤外線を通過させる狭小バンドパス光学フィルタを有する検知器と、対象ガスの吸収波長とは異なる２種類のレファレンス波長を通過させるバンドパス光学フィルタを搭載した２つの検知器とを備えている。これら３つの検知器の出力信号を処理することで、試料ガスの濃度を測定することができる。【０００４】
なお、特許文献２（特開２０１３−１１３６９２号公報）および特許文献３（特開２０１２−２２０４１９号公報）には、ＮＤＩＲ方式のガス測定装置などに用いられる熱型赤外線センサが開示されている。特許文献２に開示される熱型赤外線センサは、窒化アルミニウム系圧電体材料からなる焦電体層と、それを挟持する一対の電極とから構成された焦電型赤外線センサである。また、特許文献３に開示される焦電型赤外線センサでは、焦電体層の材料として、ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３〕、ＰＺＴ−ＰＭＮ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３〕などのセラミック材料、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３などの単結晶材料や、ＰＶＦ２などの高分子材料などを用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０００−５０３１２２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１３６９２号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２０４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような熱型赤外線センサでは、赤外線を単に熱源として用いており、センサ（焦電体層などの熱型検出層）自体の波長依存性が低いため、従来、特定の試料ガス（例えばＣＯ２）を選択的に測定するためには、別途設けたバンドパス光学フィルタによって試料ガスの吸収波長に相当する波長の赤外線のみをセンサが受光するようにする必要があった。【０００７】
このため、バンドパス光学フィルタを設けることにより装置が大型化するという問題があり、また一般に、ＮＤＩＲ方式のガス測定装置に用いられるバンドパス光学フィルタは高価であるため、部材コストが高くなるという問題があった。特に、特許文献１に開示されるようなレファレンス用の検出素子も備えるガス測定装置では、複数のバンドパス光学フィルタ（例えば、検知用１つとレファレンス用２つの計３つのバンドパス光学フィルタ）が必要であり、装置の大型化と、部材コストの増大の問題が顕著である。【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、装置の小型化が可能であると共に、部材コストを低減することのできる、ガス測定用の熱型赤外線センサ、および、それを備えるガス測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［１］  温度変化を電気信号として出力する熱型検出層と、前記熱型検出層の受光面側に設けられた受光面電極と、前記熱型検出層の前記受光面電極と反対側に設けられた裏面電極とを含む検出素子を備え、
前記受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。【００１０】
［２］  前記周期構造は、周期的に配列された複数の開口を有する、請求項１に記載の熱型赤外線センサ。【００１１】
［３］  前記試料ガスはＣＯ２ガスであり、前記試料ガスの吸収波長は４．２〜４．４μｍである、［１］または［２］に記載の熱型赤外線センサ。【００１２】
［４］  前記周期構造における前記複数の開口の配列周期が４．１〜４．３μｍである、［３］に記載の熱型赤外線センサ。【００１３】
［５］  前記受光面電極の開口率は５０〜９０％である、［３］または［４］に記載の熱型赤外線センサ。【００１４】
［６］  前記熱型検出層は焦電体層である、［１］〜［５］のいずれかに記載の熱型赤外線センサ。【００１５】
［７］  前記焦電体層はＡｌＮを主成分とする、［６］に記載の熱型赤外線センサ。
［８］  前記焦電体層の膜厚が１００〜３５０ｎｍである、［６］または［７］に記載の熱型赤外線センサ。【００１６】
［９］  前記受光面電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｏ、ＷおよびＲｕからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、［１］〜［８］のいずれかに記載の熱型赤外線センサ。【００１７】
［１０］  前記裏面電極は、Ｍｏ、Ａｌ、ＲｕおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、［１］〜［９］のいずれかに記載の熱型赤外線センサ。【００１８】
［１１］  温度変化を電気信号として出力する第１の熱型検出層と、前記第１の熱型検出層の受光面側に設けられた第１の受光面電極と、前記第１の熱型検出層の前記第１の受光面電極と反対側に設けられた第１の裏面電極とを含む第１の検出素子と、
温度変化を電気信号として出力する第２の熱型検出層と、前記第２の熱型検出層の受光面側に設けられた第２の受光面電極と、前記第２の熱型検出層の前記第２の受光面電極と反対側に設けられた第２の裏面電極とを含む第２の検出素子とを備え、
前記第１の受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する第１の周期構造を有し、
前記第２の受光面電極は、前記試料ガスの吸収波長と異なるレファレンス波長の赤外線を選択的に吸収する第２の周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。【００１９】
［１２］  前記レファレンス波長は３．５〜４．１５μｍまたは４．５〜５．０μｍの範囲内の波長である、［１１］に記載の熱型赤外線センサ。【００２０】
［１３］  前記第１の検出素子と前記第２の検出素子とが一体的に形成されてなる、［１１］または［１２］に記載の熱型赤外線センサ。【００２１】
［１４］  ［１］〜［１３］のいずれかに記載の熱型赤外線センサと、赤外線光源と、ガスセルとを備える、ガス測定装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、装置の小型化が可能であると共に、部材コストを低減することのできる、ガス測定用の熱型赤外線センサ、および、それを備えるガス測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態１の熱型赤外線センサを備えるガス測定装置の全体の概要を示す概略断面図である。
【図２】実施形態１の熱型赤外線センサの構成を示す図である。（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）は概略上面図である。
【図３】シミュレーション１で得られた検出素子の赤外線吸収特性を示す図である。
【図４】シミュレーション２で得られた吸収特性を示す図である。
【図５】シミュレーション２で得られた焦電体層の厚みと吸収率との関係を示す図である。
【図６】ＣＯ２の吸収スペクトルを示す図である。
【図７】シミュレーション３で得られた受光面電極の開口のピッチと吸収波長との関係を示す図である。
【図８】シミュレーション４で得られた受光面電極の厚みと吸収率の関係を示す図である。
【図９】シミュレーション５で得られた開口率と吸収率との関係を示す図である。
【図１０】シミュレーション６で得られた吸収特性を示す図である。
【図１１】シミュレーション７で得られた吸収特性を示す図である。
【図１２】シミュレーション７で得られた焦電体層の厚みと吸収率との関係を示す図である。
【図１３】シミュレーション８で得られた吸収特性を示す図である。
【図１４】実施形態２の熱型赤外線センサの一形態を示す図である。
【図１５】実施形態２の熱型赤外線センサの別の形態を示す図である。
【図１６】従来の熱型赤外線センサを備えるガス測定装置の全体の概要を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜実施形態１＞
以下、熱型赤外線センサおよびそれを備えるガス測定装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。
【００２５】
（ガス測定装置）
図１は、本実施形態の熱型赤外線センサを備えるガス測定装置の全体の概要を示す概略断面図である。まず、図１を参照して、熱型赤外線センサを備えるガス測定装置１００の全体の概要について説明する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態に係るガス測定装置１００は、赤外線を検出する熱型赤外線センサ１と、赤外線を出射する赤外線光源７と、ガスセル（試料セル）８とを備える。ガス測定装置１００は、赤外線光源７と熱型赤外線センサ１との間のガスセル８内に存在する試料ガスの吸光度等に応じて、試料ガスの濃度等を測定する装置である。
【００２７】
ガスセル８は、例えば、内部空間を有しており、該内部空間に試料ガスを流通させることができる。具体的には、ガスセル８の一端側（赤外線光源７側）には、試料ガス導入管（図示せず）が接続され、ガスセル８の他端側（熱型赤外線センサ１側）には、試料ガス導出管（図示せず）が接続されている。試料ガス導入管を介してガスセル８の内部空間に導入された試料ガスは、試料ガス導出管から排出される。
【００２８】
赤外線光源７は、赤外線を出射する。赤外線光源７としては、たとえば所望の赤外線を含む広帯域な赤外線を放出するフィラメントランプやＬＥＤランプ等を採用することができる。赤外線光源７から出射された赤外線の一部は、試料ガスの有する吸収特性に基づいて試料ガスに吸収される。赤外線光源７から出射された赤外線は、主として、光軸方向ＤＲ１（図中の矢印方向）に進行して熱型赤外線センサ１に到達する。
【００２９】
熱型赤外線センサ１は、信号処理回路基板（図示せず）に電気的に接続されており、赤外線の検出量に基づいて出力信号を信号処理回路基板に出力する。信号処理回路基板は、出力信号に基づいて試料ガスの濃度等を算出する。
【００３０】
なお、本実施形態のガス測定装置では、従来のガス測定装置１０１（図１６参照）にあるようなバンドパス光学フィルタ９は設けられていない。これは、後述するように、熱型赤外線センサ１に用いられる検出素子の受光面電極の周期構造がバンドパス光学フィルタの役割を果たすためである。
【００３１】
（熱型赤外線センサ）
以下、本実施形態に係る熱型赤外線センサ１の詳細について説明する。
【００３２】
熱型（非冷却型）赤外線センサとは、赤外領域の光（赤外線）を受光して熱に変換し、その熱を電気信号に変換して検知するセンサである。図２（ａ）を参照して、本実施形態の熱型赤外線センサ１は、支持層６上に設けられた検出素子２を備えるＭＥＭＳセンサであり、ガス測定に用いられるものである。
【００３３】
検出素子２は、温度変化を電気信号として出力する熱型検出層３（焦電体層など）と、熱型検出層の受光面側に設けられた受光面電極４と、熱型検出層３の受光面電極４と反対側に設けられた裏面電極５とを含んでいる。
【００３４】
検出素子２としては、例えば、焦電効果を利用した焦電素子（熱型検出層として焦電体層を有する検出素子）、熱電効果を利用した熱電素子（熱型検出層としてサーモパイルを有する検出素子など）、または、温度による電気抵抗の変化効果を利用したボロメータを熱型検出層として有する検出素子が挙げられる。これらの中でも、感度および製造の容易さの観点から、焦電素子を検出素子２として用いることが好ましい。焦電素子では、熱型検出層３である焦電体層で発生した電荷を受光面電極４と裏面電極５から効率よく検出できるため、熱電素子よりも感度が高い。また、熱電素子において熱電対または抵抗体の上に周期構造を有する受光面電極を設けることと比べて、焦電素子において焦電体層の上に周期構造を有する受光面電極を設けることは容易である。
【００３５】
焦電素子に用いられる焦電体層の材料としては、例えば、ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３〕、ＰＺＴ−ＰＭＮ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３〕などのセラミック材料、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３などの単結晶材料や、ＰＶＦ２などの高分子材料が挙げられる。
【００３６】
受光面電極４は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する周期構造を有している。これにより、所望の波長帯の赤外線のみを検出素子２で検出することが可能となる。
【００３７】
周期構造は、好ましくは周期構造や準周期構造である。周期構造とは、並進対称性に代表される様な空間対称性を持つ構造のことであり、準周期構造とは、並進対称性は持たないが配列には秩序性が保たれている構造のことである。周期構造は、その対称の次元に応じて、１次元周期構造、２次元周期構造または３次元周期構造に分類される。これらの周期構造のうちでも、２次元周期構造が好適に用いられる。
【００３８】
受光面電極４の周期構造は、例えば、受光面電極４の主面上の少なくとも一方向に周期的に配置された複数の開口から構成される。このような周期構造としては、例えば、複数の開口４ａが上面視において正方格子状に周期的に配列されてなる２次元周期構造が挙げられる（図２（ｂ）参照）。
【００３９】
なお、図２（ｂ）では、周期的に配列された複数の開口４ａの上面視における形状が円形であるが、このような形状に限定されず、例えば、上面視における形状が長方形や六角形であってもよい。また、複数の開口４ａは、その全てが周期的に配置されていてもよく、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収可能な範囲内で、一部の開口４ａ口が非周期的に配置されていてもよい。
【００４０】
赤外線光源７から熱型赤外線センサ１に対して赤外線が照射された場合、このような受光面電極４の周期構造における種々のパラメータ（開口４ａのサイズやピッチ、受光面電極４および熱型検出層３の厚みなど）に応じた特定波長域の赤外線によって、検出素子２に共振を起こすことができる。共振を起こした赤外線のエネルギーは、検出素子２において熱に変換され、その熱が熱型検出層３に吸収されて電気信号に変換され、該電気信号は受光面電極４と裏面電極５により出力（検出）される。
【００４１】
そして、受光面電極４の周期構造や熱型検出層３の材料及び厚みを、試料ガスの吸収波長において共振が起きるように設計することにより、受光面電極４は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収して熱に変換し、熱型検出層３に吸収させることができる。
【００４２】
熱型赤外線センサでは、赤外線を単に熱源として用いており、センサ（素子）自体の波長依存性が低いため、従来は、特定の試料ガス（例えばＣＯ２）を選択的に測定するためには、別途設けたバンドパス光学フィルタ９によって試料ガスの吸収波長に相当する波長の赤外線のみをセンサが受光するようにする必要があったが（図１６参照）、本発明によれば、受光面電極４の周期構造がバンドパス光学フィルタとして機能するため、別途高価なバンドパス光学フィルタを設ける必要がなく、装置の小型化が可能であると共に、部材コストを低減することができる。
【００４３】
受光面電極の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｏ、ＷおよびＲｕからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料（金属材料）を用いることが好ましく、Ａｌを主成分とする材料を用いることがより好ましい。これらの材料は、酸化されにくいため、受光面電極が酸化されにくく、受光面電極を保護膜を形成せずに使用することができる。また、赤外線をよく反射するため、ＣＯ２の吸収波長以外の波長の赤外線の吸収を抑制することができるという利点がある。なお、本明細書中において、主成分とは、材料中に最も多く含まれる成分であり、主成分の材料全体に対する比率は、好ましくは８０重量％以上であり、より好ましくは９０重量％以上である。また、受光面電極は、ＴｉやＮｉＣｒからなる密着層などの複数の金属層が積層された積層体であってもよい。
【００４４】
裏面電極の材料としては、Ｍｏ、Ａｌ、ＲｕおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料（金属材料）を用いることが好ましい。これらの材料は、赤外線をよく反射するため、ＣＯ２の吸収波長以外の波長の赤外線の吸収を抑制することができるという利点がある。また、結晶性の高いＡｌＮ膜（焦電体層）等の熱型検出層の下地金属膜として機能するため、熱型検出層の形成が容易になる利点がある。
【００４５】
なお、検出素子は、受光面電極と裏面電極との間の電気抵抗をより高めて、熱型赤外線センサ（検出素子）の感度を高めるために、例えば、熱型検出層と裏面電極との間に絶縁層等を有していてもよい。
【００４６】
また、本実施形態の熱型赤外線センサは、必要な構成部品を一つの基板上に集積化してなるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサであり、さらなる装置の小型化が可能である点で有利である。
【００４７】
（熱型赤外線センサの製造方法）
次に、本実施形態の熱型赤外線センサ（焦電型赤外線センサ）の製造方法の一例について説明する。
【００４８】
まず、両面研磨したシリコンウエハ（基板）上に、基板側から順番にＡｌＮ層（支持層）、Ｍｏ層（裏面電極）、ＡｌＮ層（焦電体層）をスパッタリング法により形成する。この際、それぞれの層の厚みを、１μｍ、０．２μｍ、０．２３μｍとする。
【００４９】
次に、Ｔｉ層とＡｌ層との積層体（受光面電極）をリフトオフ法により形成する。具体的には、以下のようにして形成する。まず、ＡｌＮ層（支持層）、Ｍｏ層（裏面電極）、ＡｌＮ層（焦電体層）が形成された基板上にレジストパターンを形成した後に、基板側から順番にＴｉ層とＡｌ層をスパッタリング法により形成する。この際、それぞれの層の厚みを、３ｎｍおよび０．１μｍとする。そして、レジストパターンをレジストパターン上に形成されたＴｉ層とＡｌ層の一部と共に除去することで、Ｔｉ層とＡｌ層との積層体（受光面電極）を形成する。Ｔｉ層とＡｌ層との積層体（受光面電極）は、レジストパターンが所望の形状を有することにより、ホールアレイ形状（図２に示すような、複数の開口が正方格子状に配列された形状）を有する。その後、焦電体層（ＡｌＮ層）の一部をウェットエッチングで除去して、裏面電極の一部を露出させる。
【００５０】
一方、基板の裏面電極と反対側から、基板（Ｓｉ）の一部を深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により除去し、支持層（ＡｌＮ層）の基板側表面の一部を露出させる。ここで、支持層はエッチングストップ層として機能する。
【００５１】
受光面電極において、上記のドライエッチング法によるホールアレイ形状は、以下の設計パラメータが、対象ガスを選択的に吸収するように最適設計されている。これにより、受光面電極は、対象ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収することができ、高価な光学フィルタが不要になる。
【００５２】
設計パラメータとしては、例えば、開口のピッチ（配列周期）およびサイズ（孔径など）などの受光面電極の周期構造に関するパラメータや、受光面電極の厚み、焦電体層（熱型検出層）の厚みが挙げられる。これらの設計パラメータを最適化することで、受光面電極の周期構造を、試料ガスの吸収波長において共振が起きるように設計することができる。
【００５３】
（シミュレーション１）
次に、図２に示す熱型赤外線センサ（焦電型赤外線センサ）を解析モデルとして、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）法を用いたシミュレーションによって、検出素子（ＣＯ２測定用の検出素子）の赤外線吸収特性を求めた。
【００５４】
検出素子の解析モデルにおける各パラメータの設定値を表１に示す。なお、表１中のＰ、Ｗ、Ｈ１、Ｈ２およびＨ３は、図２中の符号に対応している。ピッチ、孔径および開口率は、受光面電極に設けられた開口に関するパラメータである。開口率は、ピッチと孔径の比率（Ｗ／Ｐ）である。
【００５５】
【表１】
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【００５６】
本シミュレーションで得られた検出素子の赤外線吸収特性（吸収スペクトル）を図３に示す。図３に示されるように、波長４．２３μｍにおいて赤外線の吸収率が９７％と高く、急峻なピーク特性をもつことが分かる。
【００５７】
（シミュレーション２）
シミュレーション１と同様にして、焦電体層（ＡｌＮ層）の厚み（図４中のＰの右に示す数値：単位μｍ）のみを変化させたときの吸収特性を求めた。吸収特性の結果を図４に示す。
【００５８】
また、受光面電極の開口率が７５．６％（Ｐ：４．１μｍ、Ｗ：３．１μｍ）である場合と８５．４％（Ｐ：４．１μｍ、Ｗ：３．５μｍ）である場合の各々について、焦電体層の厚みとＣＯ２の赤外線吸収波長（４．２μｍ〜４．４μｍ）での吸収率との関係を上記と同様のシミュレーションによって求めた結果を図５に示す。
【００５９】
図４および図５より、焦電体層の厚みを１００ｎｍ〜３５０ｎｍにすることで、急峻なフィルタ特性を得られることが分かる。なお、この傾向は、受光面電極の開口率を変化させた場合でも同様の傾向であることが分かる。
【００６０】
（ＣＯ２の吸収スペクトル）
米国の「National  Institute  of  Standards  and  Technology」により公開されたＣＯ２の吸収スペクトルを図６に示す。図６より、ＣＯ２の吸収波長は４．２〜４．４μｍであることが分かる。
【００６１】
（シミュレーション３）
シミュレーション１と同様にして、受光面電極の開口のピッチを変化させたときの吸収波長を求めた。本シミュレーションで得られた受光面電極の開口のピッチと吸収波長との関係を図７示す。
【００６２】
図７より、受光面電極の開口のピッチを４．１〜４．３μｍにすることで、ＣＯ２吸収波長（４．２〜４．４μｍ）の赤外線を選択的に吸収することが分かる。また、ピッチにより吸収波長が決定されることが分かる。
【００６３】
（シミュレーション４）
シミュレーション１と同様にして、受光面電極の厚みを変化させたときの吸収率を求めた。本シミュレーションで得られた受光面電極の厚みと吸収率の関係を図８に示す。
【００６４】
表１に示すパラメータでは、受光面電極の厚みは０．１μｍとしたが、図８より、受光面電極の厚みが０．３μｍ以下であれば高い吸収率を維持できると考えられる。
【００６５】
なお、裏面電極の厚みは、特に限定されないが、例えば、赤外の透過がほぼ無視できる厚みである０．１μｍ以上であればよい。
【００６６】
（シミュレーション５）
シミュレーション１と同様にして、開口率を変化させたときの吸収率の変化を求めた。本シミュレーションで得られた開口率と吸収率との関係を図９に示す。
【００６７】
図９より、開口率を５０％以上のときに吸収率を６０％以上に維持することができ、開口率が６０％以上のときに吸収率を８０％以上に維持できること分かる。なお、製造プロセスの限界として、開口率は９０％以下に設定することが好ましい。開口率をこのような範囲に設定することにより、ＣＯ２の吸収波長である４．２〜４．４μｍの波長の赤外線に対して、急峻な吸収特性を得ることができる。
【００６８】
＜実施形態２＞
本実施形態の熱型赤外線センサは、第１の検出素子（測定用の検出素子）と、第２の検出素子（レファレンス用の検出素子）とを備える熱型赤外線センサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
【００６９】
第１の検出素子は、温度変化を電気信号として出力する第１の熱型検出層と、第１の熱型検出層の受光面側に設けられた第１の受光面電極と、第１の熱型検出層の第１の受光面電極と反対側に設けられた第１の裏面電極とを含む。ここで、第１の受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する第１の周期構造を有している。
【００７０】
第２の検出素子は、温度変化を電気信号として出力する第２の熱型検出層と、第２の熱型検出層の受光面側に設けられた第２の受光面電極と、第２の熱型検出層の第２の受光面電極と反対側に設けられた第２の裏面電極とを含む。ここで、第２の受光面電極は、試料ガスの吸収波長と異なるレファレンス波長の赤外線を選択的に吸収する第２の周期構造を有している。
【００７１】
すなわち、第２の検出素子は、検出対象となる試料ガスの吸収帯の赤外線を吸収しないように構成されている。第２の検出素子の吸収波長は、３．５〜４．１５μｍもしくは４．５〜５．０μｍとしたセンサ。３．５〜４．１５μｍおよび４．５〜５．０μｍの波長範囲に設定することが好ましい。この波長範囲は、文献  「赤外線工学」（久野治義著  社団法人電子情報通信学会）の第５５頁に開示されているように、「大気の窓」と呼ばれる大気の影響が小さく光の透過率が高い波長域に相当する範囲であり、この範囲内の波長はレファレンス用の波長として適している。
【００７２】
一般的に、赤外線光源７からの赤外線の光量や周囲温度の変動などにより熱型赤外線センサ１の出力がドリフトすることが知られている。本実施形態においては、熱型赤外線センサ１が第１の検出素子２１（測定用の検出素子）と第２の検出素子２２（レファレンス用の検出素子）とを備えているため、第２の検出素子２２における赤外線の受光時の出力と赤外線の非受光時の出力との差分に基づいて、第１の検出素子２１の出力を補正することができる。これにより、熱型赤外線センサ１による測定値の信頼性を高めることができる。
【００７３】
本実施形態においては、実施形態１と同様に、測定用（試料ガスの吸収波長用）のバンドパス光学フィルタおよびレファレンス用（レファレンス波長用）のバンドパス光学フィルタが不要となるため、装置を小型化し、部材コストを低減することができる。
【００７４】
（シミュレーション６）
解析モデルの各パラメータの設定値を以下の表２のように変更した以外は、上記実施形態１と同様の解析モデルについて、上記と同様のシミュレーションにより、赤外線の吸収特性を求めた。なお、この解析モデルは、３．５〜４．１５μｍ、４．５〜５．０μｍの波長を選択的に吸収する第２の検出素子（レファレンス用の検出素子）の一例として設計したモデルである。
【００７５】
【表２】
2016002499.tif 000004
【００７６】
本シミュレーションで得られた赤外線の吸収特性を図１０に示す。図１０より、表２の示す設計パラメータを有する解析モデルは、波長３．９μｍ前後に吸収帯を有することが分かる。
【００７７】
（シミュレーション７）
シミュレーション６と同様にして、焦電体層（ＡｌＮ層）の厚み（図１１中のＰの右に示す数値：単位μｍ）のみを変化させたときの吸収特性を求めた。吸収特性の結果を図１１に示す。
【００７８】
また、受光面電極の開口率が６５．８％（Ｐ：３．８μｍ、Ｗ：２．５μｍ）である場合と７８．９％（Ｐ：３．８μｍ、Ｗ：３．０μｍ）である場合の各々について、焦電体層の厚みと波長３．９μｍ付近の吸収ピークにおける吸収率との関係を上記と同様のシミュレーションによって求めた結果を図１２に示す。
【００７９】
図１１および図１２より、焦電体層の厚みを１００ｎｍ〜３５０ｎｍ、開口率を６０％以上９０％以下とすることで、波長３．９μｍにおいて急峻な吸収特性が得られることが分かる。
【００８０】
（シミュレーション８）
受光面電極の開口のピッチおよび孔径をレファレンス波長域に合わせるように、解析モデルの各パラメータの設定値を以下の表３のように変更した以外は、シミュレーション６と同様にして、表３のＲ１〜Ｒ７の各々の場合について、検出素子の赤外線の吸収特性を求めた。
【００８１】
【表３】
2016002499.tif 000005
【００８２】
本シミュレーションで得られた赤外線の吸収特性を図１３に示す。図１３に示す結果から、表３のように受光面電極の開口のピッチおよび孔径等のパラメータを設定することで、レファレンス波長域に吸収波長を有する周期構造を形成できることが分かる。
【００８３】
なお、第１の検出素子（測定用の検出素子）と第２の検出素子（レファレンス用の検出素子）とは、それぞれが個別のチップではなく、図１４や図１５に示すように１つの基板に一括形成（一体的に形成）してもよい。
【００８４】
すなわち、図１４に示す熱型赤外線センサにおいて、第１の検出素子２１は、温度変化を電気信号として出力する第１の熱型検出層（熱型検出層３の一部）と、第１の熱型検出層の受光面側に設けられた第１の受光面電極４１と、第１の熱型検出層の第１の受光面電極４１と反対側に設けられた第１の裏面電極（裏面電極５の一部）とから構成される。また、第２の検出素子２２は、温度変化を電気信号として出力する第２の熱型検出層（熱型検出層３の一部）と、第２の熱型検出層の受光面側に設けられた第２の受光面電極４２と、第２の熱型検出層の第２の受光面電極４２と反対側に設けられた第２の裏面電極（裏面電極５の一部）とから構成される。これらの第１の検出素子２１および第２の検出素子２２が、支持層６上に形成されている。なお、図１４に示す熱型赤外線センサでは、第１の熱型検出層と第２の熱型検出層、および、第１の裏面電極と第２の裏面電極は、一体となっているが、第１の受光面電極４１と第２の受光面電極４２は個別に形成されている。６１は、第１の熱型検出層と第２の熱型検出層との下方の位置にそれぞれ貫通孔が設けられた基板である。貫通孔によって第１の熱型検出層と第２の熱型検出層の熱容量が小さくなり、センサの感度が高くなる、また、２つの貫通孔によって第１の熱型検出層と第２の熱型検出層とが熱的に分離され、センサ出力が相互に影響しない。
【００８５】
また、図１５に示す熱型赤外線センサにおいて、第１の検出素子２１および第２の検出素子２２の構成は図１４と同様であるが、第１の受光面電極４１と第２の受光面電極４２が連続的に形成されており、第１の検出素子２１および第２の検出素子２２とが支持層６の基板６１に設けられた１つの貫通孔上に位置する部分上に一体的に形成されている。
【００８６】
図１５に示すように、第１の検出素子と第２の検出素子とを同一基板上に一括形成（一体的に形成）することで、装置をさらに小型化することが出来ると共に、部材コストをさらに低減することができる。
【００８７】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８８】
１  熱型赤外線センサ、２  検出素子、２１  第１の検出素子、２２  第２の検出素子、３  熱型検出層、４  受光面電極、４１  第１の受光面電極、４２  第２の受光面電極、４ａ  開口、５  裏面電極、６  支持層、６１  基板、７  赤外線光源、８  ガスセル、９  バンドパス光学フィルタ、１００，１０１  ガス測定装置。
【図１】
2016002499.tif 000006
【図２】
2016002499.tif 000007
【図３】
2016002499.tif 000008
【図４】
2016002499.tif 000009
【図５】
2016002499.tif 000010
【図６】
2016002499.tif 000011
【図７】
2016002499.tif 000012
【図８】
2016002499.tif 000013
【図９】
2016002499.tif 000014
【図１０】
2016002499.tif 000015
【図１１】
2016002499.tif 000016
【図１２】
2016002499.tif 000017
【図１３】
2016002499.tif 000018
【図１４】
2016002499.tif 000019
【図１５】
2016002499.tif 000020
【図１６】
2016002499.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月6日(2016.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度変化を電気信号として出力する熱型検出層と、前記熱型検出層の受光面側に設けられた受光面電極と、前記熱型検出層の前記受光面電極と反対側に設けられた裏面電極とを含む検出素子を備え、
前記受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。
【請求項２】
前記周期構造は、周期的に配列された複数の開口を有する、請求項１に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項３】
前記試料ガスはＣＯ２ガスであり、前記試料ガスの吸収波長は４．２〜４．４μｍである、請求項１または２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項４】
前記周期構造における前記複数の開口の配列周期が４．１〜４．３μｍである、請求項２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項５】
前記受光面電極の開口率は５０〜９０％である、請求項３または４に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項６】
前記熱型検出層は焦電体層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項７】
前記焦電体層はＡｌＮを主成分とする、請求項６に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項８】
前記焦電体層の膜厚が１００〜３５０ｎｍである、請求項６または７に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項９】
前記受光面電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｏ、ＷおよびＲｕからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１０】
前記裏面電極は、Ｍｏ、Ａｌ、ＲｕおよびＴｉからなる群から選択される少なくとも１種を主成分とする材料からなる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１１】
温度変化を電気信号として出力する第１の熱型検出層と、前記第１の熱型検出層の受光面側に設けられた第１の受光面電極と、前記第１の熱型検出層の前記第１の受光面電極と反対側に設けられた第１の裏面電極とを含む第１の検出素子と、
温度変化を電気信号として出力する第２の熱型検出層と、前記第２の熱型検出層の受光面側に設けられた第２の受光面電極と、前記第２の熱型検出層の前記第２の受光面電極と反対側に設けられた第２の裏面電極とを含む第２の検出素子とを備え、
前記第１の受光面電極は、試料ガスの吸収波長の赤外線を選択的に吸収する第１の周期構造を有し、
前記第２の受光面電極は、前記試料ガスの吸収波長と異なるレファレンス波長の赤外線を選択的に吸収する第２の周期構造を有することを特徴とする、ガス測定用の熱型赤外線センサ。
【請求項１２】
前記レファレンス波長は３．５〜４．１５μｍまたは４．５〜５．０μｍの範囲内の波長である、請求項１１に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１３】
前記第１の検出素子と前記第２の検出素子とが一体的に形成されてなる、請求項１１または１２に記載の熱型赤外線センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱型赤外線センサと、赤外線光源と、ガスセルとを備える、ガス測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
［２］  前記周期構造は、周期的に配列された複数の開口を有する、［１］に記載の熱型赤外線センサ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［４］  前記周期構造における前記複数の開口の配列周期が４．１〜４．３μｍである、［２］に記載の熱型赤外線センサ。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
（シミュレーション２）
シミュレーション１と同様にして、焦電体層（ＡｌＮ層）の厚み（図４中のＡＩＮの右に示す数値：単位μｍ）のみを変化させたときの吸収特性を求めた。吸収特性の結果を図４に示す。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
（シミュレーション７）
シミュレーション６と同様にして、焦電体層（ＡｌＮ層）の厚み（図１１中のＡＩＮの右に示す数値：単位μｍ）のみを変化させたときの吸収特性を求めた。吸収特性の結果を図１１に示す。
【国際調査報告】
2016002499.tif 000022
2016002499.tif 000023