(57)【要約】  【課題】  任意の波長域の赤外線を検出可能であると共に、極めて高感度であり、かつ、容易に小型化が達成できる赤外線検出器およびこれを用いた分析計を提供すること。  【解決手段】  検出対象となる赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 を吸収するガスが充填された２つのガス室６ａ，６ｂと、両ガス室６ａ，６ｂを連通させるガス流路７と、このガス流路７に配置されガス流路７を流れるガスを感知するガス流感知部１６を有するカンチレバー１１と、このカンチレバー１１の変位量ｄによって前記ガスの流量ｆを求める検出素子１３とからなる。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となる赤外線を吸収するガスが充填された２つのガス室と、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に配置されガス流路を流れるガスを感知するガス流感知部を有するカンチレバーと、このカンチレバーの遊端部の変位量によって前記ガスの流量を求める検出素子とからなることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してある請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子である請求項１または２に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位量を光学的に検出する光検出素子である請求項１または２に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなる請求項１〜４の何れかに記載の赤外線検出器。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなることを特徴としている分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器およびこれを用いた分析計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線ガス分析計などに用いられる赤外線検出器には、例えば、測定対象ガスと同じ赤外線吸収特性を有するガスが充填されると共に、測定セルに対して互いに直列的または並列的に配置される２つのガス室を薄膜で仕切り、両者の圧力差をコンデンサマイクロフォンなどで検出するものや、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に設けられた流量検出素子とを備えてなるものがある。
【０００３】
前記流量検出素子はガスの流れを敏感に検出することが好ましく、そのためには、小型化することが望まれている。つまり、流量検出素子を高感度化するには前記ガス流路の流路径をできるだけ狭くすることにより流速を上げる必要がある。特許文献１には半導体製造プロセスによってヒータをパターン形成した基板を用いることにより、熱式流量検出素子を可及的に小型化する技術が示されており、かつ、感熱ヒータの抵抗変化量を大きくしてさらに高感度化するために、ガス流路の流路径をできるだけ狭くする構成が示されている。
【０００４】
他方、特許文献２には、熱膨張係数の異なる２種類の金属からなるバイメタル構造のカンチレバーを用い、赤外線による放射熱を吸収し両金属の熱膨張係数の違いによって生じる撓み量を測定することにより、微量の熱（赤外線）を検出できるようにした赤外線検出器が示されている。
【特許文献１】特開２０００−００９６４１公報
【特許文献２】特開平８−１８４５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１のようにガス室間のガス流路に熱流速式流量検出素子を設けて、赤外線の強度を求めるものでは、ガス流路の流路径を狭くすることによって高感度化を達成できる一方、ヒータとガスとの熱交換部の面積が小さすぎると、効率的な熱交換ができないという欠点があった。そのため、ヒータとの熱交換部となるガス流路はある程度の長さを必要としているが、このガス流路が長いほど流路抵抗が増大することにより逆に流速が低下して感度が低下するという問題があった。
【０００６】
また、熱式流量検出素子を用いて赤外線を検出するためには、ガス室に充填されたガスの温度よりも一定の温度だけ高くなるように、ヒータに一定電圧を印加しておく制御を行なう必要があると共に、ガスの流れによって生じる温度変化がヒータの抵抗値変化になって現れるときに、これを適正に捕らえるためのブリッジ回路などを形成する必要がある。このため、熱流速式流量検出素子を用いた流速の検出には比較的複雑な電気制御を行なう回路が必要となるという問題があった。
【０００７】
他方、特許文献２の赤外線検出器では、バイメタル構造のカンチレバーによって吸収可能である波長域の赤外線の強度を検出することが可能であるが、低周波の赤外線などバイメタル構造のカンチレバーによって吸収できない波長域の赤外線の強度を検出できないという問題があった。
【０００８】
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、任意の波長域の赤外線を検出可能であると共に、極めて高感度であり、かつ、容易に小型化が達成できる赤外線検出器およびこれを用いた分析計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１発明の赤外線検出器は、検出対象となる赤外線を吸収するガスが充填された２つのガス室と、両ガス室を連通させるガス流路と、このガス流路に配置されガス流路を流れるガスを感知するガス流感知部を有するカンチレバーと、このカンチレバーの遊端部の変位量によって前記ガスの流量を求める検出素子とからなることを特徴としている（請求項１）。
【００１０】
前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してあってもよい（請求項２）。
【００１１】
前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子であってもよい（請求項３）。
【００１２】
前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位を光学的に検出する光検出素子であってもよい（請求項４）。
【００１３】
前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなってもよい（請求項５）。
【００１４】
第２発明の分析計は、請求項１〜５の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなることを特徴としている（請求項６）。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の赤外線検出器では、一つのガス室に赤外線が入射すると、このガス室に充填してあるガスによって赤外線が吸収され、このガスが膨張して両室間に圧力差が生じ、ガス流路にガスの流れが生じる。そして、このガスがカンチレバーのガス流感知部に当たって、その流れに応じてカンチレバーの遊端部が変位し、この変位量が検出素子によって検出される。つまり、カンチレバー自体がガス流路に抵抗を形成するものとなるので、ガス流路に流れるガスの流量に応じて、カンチレバーの遊端部を変位させることができ、この遊端部の変位量を基に赤外線の強度を求めることができる。
【００１６】
すなわち、本発明の赤外線検出器では、カンチレバーのバネ定数や、カンチレバーを設けた部分におけるガス流路の面積などを自在に設計することが可能であり、ガス流路を可能な限り細くして高速化や高感度化を達成することができる。つまり、熱式の流量検出素子のようにガスを加熱する必要がないので、無駄な抵抗の増大をもたらす長い流路を設ける必要がなく、さらなる高速化や高感度化および小型化を達成できる。
【００１７】
また、カンチレバーとこのカンチレバーの変位量の検出素子とからなる流量検出素子を高感度化することにより、ガス室の大きさを小さくすることが可能となり、赤外線検出器の更なる小型化を達成することができる。
【００１８】
加えて、本発明の赤外線検出器は、カンチレバーの遊端部の変位量を測定するものであるから、熱式流量検出素子のようにガスを適宜の温度に加熱するための制御回路や熱の流れを捕らえるために、基準抵抗を用いたブリッジ回路のような周辺回路を形成する必要がないので、その構成を簡略化して、その製造コストを削減することができる。また、ガスの流れが早い場合にも、それに応じてカンチレバーの遊端部が変位し、この変位量を直接的に検出できるので、それだけダイナミックレンジを広げることができ、出力の線型性が向上し、温度変化などによるドリフトの要因を減らすことができる。
【００１９】
前記ガス流路に流路絞り部を形成し、この流路絞り部にカンチレバーを配置してある場合（請求項２）には、カンチレバーのガス流感知部に衝突するガス流の速度を高速化することができ、その変位量を大きくすることができると共に、カンチレバーの配置部分に流れるガスの流れを整えることができるので、安定した高感度の測定を行なうことができる。なお、この流路絞り部以外のガス流路は流路抵抗とならないように広くすることができる。
【００２０】
前記カンチレバーが半導体製造プロセスによる微細加工によって形成されたものであり、かつ、前記検出素子がカンチレバーの基端部に形成された圧電素子である場合（請求項３）には、カンチレバーをミクロンオーダーの微細加工によって可及的に小さく形成することができ、さらなる小型化を達成することにより、それだけ高感度の検出が可能となる。また、検出素子が圧電素子であるから、圧電材料をカンチレバーの基端部に成膜して形成することも可能であり、検出素子が極めて簡素化した構成であるから安価にて形成できるだけでなく、カンチレバーの撓みを圧電材料が歪むことによる起電力によって簡単に検出することができる。
【００２１】
前記検出素子がカンチレバーの遊端部の変位量を光学的に検出する光検出素子である場合（請求項４）には、カンチレバーの遊端部の変位量をこれに接触することなく高精度に測定することができる。
【００２２】
前記カンチレバーが不純物をドープすることによってばね定数を変えることができる材料よりなる場合（請求項５）には、赤外線検出器の感度を容易に設定できる。
【００２３】
請求項１〜５の何れかに記載の赤外線検出器を用いてなる分析計（請求項６）は高感度の分析を行なうことが可能であると共に、小型化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、第１実施例の赤外線検出器１を用いた赤外線ガス分析装置（分析計）Ａの構成示す図であり、図２は、この赤外線検出器１の要部構成を拡大して示す図である。図１において、２ａは基準ガスが封入された比較セル、２ｂはサンプルガスＳが流通する測定セル、３ａ，３ｂは各セル２ａ，２ｂにそれぞれ対応する赤外光源、４は機械式のチョッパである。
【００２５】
本発明の赤外線検出器１は、セル２ａ，２ｂを通った赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 がそれぞれ入射する赤外線透過窓５ａ，５ｂを有する２つのガス室６ａ，６ｂと、両ガス室６ａ，６ｂを連通させるガス流路７と、このガス流路７のガスの流れを絞ることによりガスの流れを速くする流路絞り部８と、この流路絞り部８に形成されたガス流量検出素子９とを有する。
【００２６】
また、ガス室６ａ，６ｂには検出対象である所定波長の赤外線を吸収するガス（この実施例では赤外線ガス分析装置の測定対象成分と同じガス）が封入されており、測定対象成分によって吸収される波長領域の赤外線を吸収することができる。したがって、基準ガスとサンプルガスＳのそれぞれの測定対象成分の量に応じて、特定の波長領域の赤外線が吸収されて、ガス室６ａ，６ｂに入射する赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の強度に差が生じる。このため、ガス室６ａおよび６ｂに圧力差が生じ、ガス流路７にガスが流れる。
【００２７】
つまり、このガス流路７に流れたガスの流量をガス流量検出素子９によって測定することにより、赤外線検出器１はこれに入射した赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の強度の差を求めることができ、この赤外線強度の差を用いてサンプルガスＳに含まれる測定対象成分の量を求めることができる。
【００２８】
すなわち、本発明の赤外線検出器１はガス室６ａ，６ｂに充填されるガスによる赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の吸収を用いて、この赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の強度を求めるものであるから、このガスを変えることにより、任意の波長域の赤外線を検出対象とすることができる。
【００２９】
なお、本実施例の赤外線検出器１は同じ材料からなる赤外線透過窓５ａ，５ｂを設けたガス室６ａ，６ｂを並べて配置することにより、両ガス室６ａ，６ｂに入射する赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の強度の差を測定できるように構成してあるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、一方のガス室６ａのみに赤外線を入射させるようにしてあってもよく、ガス室６ａ，６ｂは赤外線の入射方向に直列に形成してあってもよい。
【００３０】
図２（Ａ）は前記流路絞り部８の構成を拡大して示す図であり、図２（Ｂ）はこの流路絞り部８に配置されるガス流量検出素子９の構成を示す図である。
【００３１】
図２（Ａ），２（Ｂ）において、１０は流量検出素子を構成する半導体基板、１１はこの半導体基板１０に半導体製造プロセスによって形成されたマイクロカンチレバー（カンチレバー）、１２はマイクロカンチレバー１１の周囲に形成されたスリット、１３はマイクロカンチレバー１１の基端部１１ａの表面に半導体製造プロセスによって成膜形成された圧電材料からなる圧電素子（検出手段）、１４，１５は前記圧電素子１３の両端に形成されたリード線である。また、１６は前記スリット１２をＣ字状に湾曲させるように形成することにより幾らか広い面積を有するように形成したガス流感知部である。
【００３２】
前記マイクロカンチレバー１１は、半導体製造プロセスによって形成することにより、その大きさを可及的に小さくすることができ、例えば、長さＬを１００μｍ、幅Ｗを２０μｍ程度に形成することが可能となる。同様に、前記スリット１２を１０μｍ程度まで極めて細く形成することが可能であり、かつ、このスリット１２の断面積を精度よく設定することが可能である。
【００３３】
本例の圧電素子１３はマイクロカンチレバー１１の変位量ｄに応じて所定の張力Ｔが作用するようにマイクロカンチレバー１１の基端部１１ａに成膜形成されている。また、前記リード線１４，１５は図外の電気回路に接続されて、圧電素子１３における起電力を外部から検出可能に構成してある。
【００３４】
したがって、赤外線検出器１に赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 が入射することにより、ガス流路７にガスの流れが生じると、前記ガス流感知部１６に力Ｆが作用すると共に、スリット１２から流量ｆのガスが流れる。このとき、マイクロカンチレバー１１の遊端部１１ａが変位し、圧電素子１３にこの変位量ｄに応じた張力Ｔが発生し、これを電圧値として検出することができる。
【００３５】
すなわち、本発明の赤外線検出器１はガス流路７に流れるガスの流量ｆに応じた値を直接的に検出することができるので、外部に設けられる電気回路は極めて簡単になる。また、前記スリット１２の断面積が小さいので、ガス流路７に流れるガスの流量ｆがごく微量であったとしても、ガスの流れを高感度に検出することができる。さらに、マイクロカンチレバー１１が極めて小さいので、その慣性は無視できるほど小さく、応答速度を極めて高速にすることができる。
【００３６】
加えて、ガスの流量ｆが多くなる場合には、マイクロカンチレバー１１が大きく撓むことが可能であり、赤外線検出器１のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００３７】
さらに、本実施例では前記ガス流路７の中間部において、流路絞り部８を形成し、この流路絞り部８に、マイクロカンチレバー１１を配置しているので、流路絞り部８においてガスの流れを絞って流速を早めることにより、より強力にかつ安定的にマイクロカンチレバー１１に作用して、この遊端部１１ｂを十分に変位させることができる。
【００３８】
また、本実施例ではガス流路７を、赤外線Ｒ1 ，Ｒ2 の照射方向から見て、ガス室６ａ，６ｂの後ろ側において連通させるように形成してあるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【００３９】
図３は、第２実施例の赤外線検出器１’の構成を示す図である。なお、図３において、図１，２と同じ符号を付した部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
【００４０】
図３において、２０は２つのガス室６ａ，６ｂの仕切り壁であり、マイクロカンチレバー１１は、この仕切り壁２０に形成されたガス流路７に形成されている。すなわち、半導体製造プロセスを用いて形成されたマイクロカンチレバー１１は極めて小型に形成することが可能であるから、これを仕切り壁２０に形成された短いガス流路７に配置することも可能である。
【００４１】
したがって、赤外線検出器１’の構成をさらに簡略化することが可能となり、これによって製造コストの削減を行なうことができる。またガス流路７を短くすることにより、このガス流路７を流れるガスの慣性や流路抵抗を小さくすることができる。
【００４２】
加えて、前記ガス室６ａ，６ｂを赤外線の照射方向に対して直列に配置してもよい。この場合、前記赤外線検出器１’の一面１ａに赤外線透過窓を形成し、前記仕切り壁２０が赤外線透過材料によって形成することができる。このとき、ガス室６ｂに入射する赤外線はガス流量検出素子９を形成した分だけ減衰するが、このガス流量検出素子９を構成するマイクロカンチレバー１１が極めて小さいので、これによる赤外線の減衰量を無視することができる。
【００４３】
さらに、本例ではガス流路７の絞り流路８を形成してあるが、マイクロカンチレバー１１の周囲に形成したスリット１２を絞りとして用いることも可能である。この場合、ガス流路７はスリット１２となり、赤外線検出器１’の構成をさらに一層簡単にすることができる。
【００４４】
また、マイクロカンチレバー１１の遊端部１１ｂにおける変位量ｄを検出する検出手段は上述した圧電素子１３に限られるものではなく、マイクロカンチレバー１１の遊端部１１ｂに光Ｌ1 を照射したときに生じる反射光Ｌ2 ，Ｌ3 を光学的に検出する光位出素子（図外）を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の赤外線検出器の第１実施例を示す図である。
【図２】前記赤外線検出器の要部を拡大して示す図である。
【図３】第２実施例の赤外線検出器を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，１’  赤外線検出器
６ａ，６ｂ  ガス室
７    ガス流路
８    流路絞り部
１１  カンチレバー
１１ｂ  遊端部
１３  圧電素子（検出素子）
１６  ガス流感知部
ｄ    変位量
ｆ    ガス流量
Ｒ1 ，Ｒ2   赤外線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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