(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス濃度測定用分光計において、
開口部（２４）を有する基盤（１）と、
基盤（１）の第１面に設けられるとともに、電気的に変調可能な、マイクロ光学的に製造された熱放射エミッターからなり、測定するガスに電磁波を放射する放射源（３）と、
基盤（１）の第１面と反対側の第２面に設けられるとともに、電磁波を開口部（２４）を介して検知する検知器（５）と、
基盤（１）の第１面に設けられるとともに、検知器（５）までの放射の進路に置かれた電気的に同調可能なファプリー・ペロー干渉計（４）と、
放射源（３）と干渉計（４）と検知器（５）を制御する制御電子回路（２）とを含むことを特徴とするガス濃度測定用分光計。
【請求項２】
放射源（３）からの電磁波を干渉計（４）に向けて反射させる外部ミラー（６）が置かれていることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項３】
制御電子回路（２）が、検知器（５）の信号を増幅するための検知器の前置増幅器（１１）と、放射源のドライバ（１２）と、放射源（３）、干渉計（４）、および検知器（５）の動作を同期させる位相同期増幅器（１３）と、干渉計のドライバ（１４）と、分光計を外部コンピュー夕（１６）に接続するのに適した入出力ポート（１５）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項４】
検知器（５）がサーモパイルであることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項５】
検知器（５）がボロメータであることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項６】
エレメント（２、３、４）がフリップ・チップ技術を使って基盤に接着されていることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【請求項７】
分光計がデュアルインラインパッケージ（２１）の中に封入されていることを特徴とする請求項１記載の分光計。
【請求項８】
パッケージ（２１）が、測定される放射が妨げなく通過するための開口部（１０）を持つことを特徴とする請求項１に記載の分光計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前文に記載の分光計に関する。
本発明は、可視光線及び赤外線の発光・吸収スペクトルの分析での使用を目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
非分散形光スペクトル分析器は従来様々なタイプの光フィルタを使用している。その重要なカテゴリーの１つは、通常ある固定した波長に合わせた帯域フィルタから成る。２つの波長について測定したいときは、フィルタの位置を適切な手法で切り換える切り換え機構の付いた２つのフィルタか、または、個々のフィルタの後方に置かれた独立した検知器が必要になる。フィルタの切り換え操作は、従来フィルタを取り付けた回転ディスクによって行われている。ディスクの回転中、検知器の出力信号は交流電圧（または電流）として得られるが、これは測定結果の出力信号の形態として、直流信号よりも有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転ディスク機構の問題点は、ベアリングの摩耗のためその有効寿命が比較的短いことである。また、回転モータとディスクの大きさのため、システムを充分小型化することが出来ない。好適な実施例は、帯域の中心波長に電気的に同調し、連続使用で摩耗する可動部品を必要としないフィルタ構造であろう。
【０００４】
マイクロ工学的な技術によって製造された静電的に同調可能な、シリコンをベースにした干渉計は文献１と８と２によって知られる。上記の文献１と８によって開示された構造は、マイクロ工学技術によって作られた２枚か３枚のシリコンウェーハから成るバルク構成部分から成る。この構造は、干渉計のミラーの平行を調整するための補助静電偏向電極を必要とする。
【０００５】
上記の文献２は、可視光域で使用するためのマイクロ工学的な表面を持つ、静電的に同調可能な干渉計の配列を開示する。この配列の中の個々の干渉計は２０ｘ２０μｍ2 と小さい。この小型の干渉計は単モード光ファイバを併用する形でのみ使用可能である。
【０００６】
従来技術による赤外線光源は通常熱に対して安定的で、輝度変調の手段を持たない大きなバルク構成部分である。
マイクロエレクトロニクスやマイクロ工学の既知の製造技術は、シリコンから小型で電気的に変調可能な放射源を製造する能力を提供する（文献３、４、５）。こうした構成部品の構造は、厚さが通常１μｍで、長さ数１００μｍの薄いポリシリコンフィルムで形成される。その幅は数μｍから数１０μｍまで多様である。このシリコングローフィラメントの熱容量は非常に低いので、数１００Ｈｚの変調周波数も使用可能である。
【０００７】
シリコンマイクロ工学技術を使って製造された赤外線検知器は文献６と７から知られる。上記の技術の欠点を克服し、まったく新しいタイプの小型集積分光計を供給することが本発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明の目標は放射源と検知器と制御用の電子装置を含む全ての部品を単一の平面基盤上に集積することによって達成された。
より詳細には、本発明に係る分光計は、請求項１の特徴を記した部分の記述によって特徴づけられる。
本発明は有意義な利益を提供する。
【０００９】
分光計の構成部品は全て大量生産可能で、部品の有利な原価構成が達成される。さらに、標準梱包で分光計を保管することで費用を削減出来る。分光計はプリント基盤上に設置可能なので、プロセッサを組み込んだ小型分析器の製造を容易にする。分光計の機能は総合的にユーザプログラマブルである。特に二酸化炭素の濃度測定用には、分光計を非常に低コストで製造でき、換気システムのセンサー素子に使用することも経済的に可能である。
以下、本発明は添付図面を参照しつつ例示した実施例によって詳細に検討される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
分光計は、発光・吸収スペクトルの分析に使用する。吸収スペクトルの測定には分光計自体の放射源が必要だが、発光スペクトルの測定は放射源を稼働させることなく行える。
図１を参照すると、本発明に係る小型化された分光計が縦断面図で示されている。ここでは、シリコン基盤１の上に放射を感じる検知器５が集積されている。さらに、超小型電子回路２と放射源３とファブリー・ペロー干渉計４がシリコン基盤上に集積されている。外部ミラー６が入射してきた放射を干渉計の焦点内にもたらす。赤外線放射源３と検知器５と干渉計４は、シリコンマイクロ工学によって加工されている。これらの２、３、４部の相互の配列は多様である。黒い丸２０は、フリップチップ接着技術で使われるハンダの小球を示す。
【００１１】
図１ｃを参照すると、アルミナも基盤の素材として使われる。本実施例では、検知器５は干渉計に対して基盤の反対側に置かれており、放射の進路は基盤に設けられた開口部２４によって形成される。放射源３と検知器は部品の両端に置かれており、光の通り道の長さを最大にしている。本実施例ではミラー６もより大きく出来る。別の方法として、２つの部分を持つミラーも使用出来る。別の接着技術として、ここでは熱膨張に関わる問題を避けるために部品の１箇所だけを接着する方法２２が示される。この問題を克服するもう１つの方法は弾性接着剤の使用である。電気的接触はワイヤ接続２３でなされる。放射源３は、光の出力を最大にし、かつ、基盤１の加熱を防ぐための反射面２５と共に設けられる。反射面２５は蒸着した金の層か、または多層シリコンのミラーである。
【００１２】
図２を参照すると、分光計はデュアルインライン構造のパッケージ２１の中に封入される。パッケージのカバーは、放射が妨げなく通過するための開口部１０を持つ。
【００１３】
図３を参照すると、超小型電子回路２は分析器が要求する全ての電子的機能を組み込んでいる。検知器の前置増幅器１１は検知器５から得られた測定信号の前置増幅を行う。放射源の制御は、Ｄ／Ａコンバータ、発信器とドライバ段を組み込んだコントローラ１２によって行う。位相同期増幅器１３は検知プロセスを放射源３の制御と同期させるために使用する。干渉計ドライバ部１４は、Ｄ／Ａコンバータと増幅器を組み込んでいる。ドライバ部１４の機能は干渉計４の通過帯域の中心波長の制御である。入出力ポート１５は、分光計を外部のマイクロコンピュータ１６に接続出来るようにする。マイクロコンピュータは、分光計を制御し、赤外線放射源３の発信器の周波数と干渉計４の掃引モードを制御／設定する。マイクロコンピュータ１６は位相同期増幅器１３の出力信号からのデータ収集も行う。
【００１４】
図４ａを参照すると、干渉計を使って測定された典型的なスペクトラムが示される。干渉計の機能はさらに図４ｂで解明される。干渉計の通過帯域の中心波長は干渉計４のドライバ部１４に適当な制御を行うことにより望ましい手法で段階的に増減する。一定時間Δｔの間、通過帯域を望ましい波長に安定させることにより、位相同期アンプ１３の出力信号からのデータ収集が行える。各測定ステップの長さΔｔは、衝突する放射の強度次第で変化する。すなわち、強度の弱い波長成分の測定時にはデータ収集時間が長くなる。さらに、マイクロコンピュータ１６の助けによって生データの処理が行われる。
【００１５】
上記の他に、マイクロサーキットは他の機能を供給し得る。従って、上記の説明は本発明の機能を制限するものではない。
分光計の赤外線放射源は、図５に示す基本的構造を持つマイクロ加工されたグローフィラメントかマイクロランプにより形成される。
【００１６】
放射エレメントは、薄いポリシリコンのフィルムで覆われた窒化シリコンか、タングステンのワイヤから成る、電気的に平列に接続されたグローフィラメント５０により形成される。基盤材料５２は、単結晶シリコンで、グローフィラメント５０の下に、熱損失ロスを減少させるための溝５４が彫られている。放射面の範囲は普通約１平方ミリメートルである。必要なときは、放射源の検知器と同様の手法で基盤に集積することが出来る。
【００１７】
干渉計部分は、シリコンの、マイクロ工学的に製造された、電気的に同調可能な、光学的なファブリー・ペロー共振器により形成される。干渉計の基本構造を図６に示す。共振器の長さは共振器のミラーの間に適用される電界によって制御する。
【００１８】
単結晶シリコン基盤６２の上に置かれた干渉計は、多層構造から成り、そのうち、３つの一番上の層が第１ミラー７０を形成する。第２ミラー７２は、基盤６２の上に置かれた４つの一番下の層から成る。基盤６２の下側に形成された窒化物層６６は反射防止層と成る。光学的共振器は、ミラー７０と７２の間の空洞７３の中心部分に形成される。光学的部分の断面積は約１平方ミリメートルである。フリップチップ接着は金属蒸着した部分６８に行われる。図中、斜線で陰影をつけた部分６４はポリシリコンで、白い部分６０は、（空洞７３を例外として）酸化シリコンである。
【００１９】
基盤は、そこに集積された赤外線検知器７８を持つ四角形のシリコンのチップから成る。基盤の基本構造を図７に示す。基盤の寸法は約５ｘ１３ｍｍ2 である。
黒で印した四角形７６は、フリップチップ接着とワイヤを接続する部分である。
【００２０】
基盤は別の、図示されていない薄いフィルムの伝導パターンを持つ。基盤のシリコンは検知器７８の下から除去される。検知器７８は、赤外線の範囲ではサーモパイルまたはボロメータ検知器で、可視光線の波長の範囲ではシリコンフォトダイオードである。
また、干渉計４や制御電子回路２も基盤１に集積し得る。
本発明に係る実施例は特に二酸化炭素濃度の測定に適する。他の好適な適用例は、高濃度の産業プロセスガスの測定に見られる。
【００２１】
文献１．Ｊ．Ｈ．ヘルマン、Ｄ．Ｊ．クリフト「光ファイバ波長分割多重システムで使用するためのシリコンにマイクロ加工された小型ファブリー・ペロー干渉計」(Miniature Fabry-Perot Interferometers Micromachined in Silicon for use in Optical Fiber WDM Systems)、技術資料抄録、変換器１９９１年、３７２、サンフランシスコ、１９９１年
【００２２】
文献２．Ｋ．アラタニ他「表面をマイクロ加工した同調可能な干渉計アレー」(Surface Micromachined Tuneable Interferometer Array)、技術資料抄録、変換器１９９３年、６７８、横浜、１９９３年
【００２３】
文献３．Ｈ．グッケル、Ｄ．Ｗ．バーンズ「加熱したポリシリコンフィルムの黒体放射に基づく集積変換器」(Integrated transducers based on black-body radiation from heated polysilicon films)、変換器１９８５年、３６４−６（１９８５年６月１１−１４日）
【００２４】
文献４．カルロス  Ｈ．マストランジェロ、ジェームス・シーザン・イェイ、リチャード  Ｓ．ミラー「真空密閉型ポリシリコンマイクロランプの電気的・光学的特性」(Electrical and optical characteristics of vacuum sealed polysilicon microlamps)、米国電気電子技術者協会電子機器紀要、３９、６、１３６３−７５（１９９２年６月）
【００２５】
文献５．Ｍ．パラメスワラン、Ａ．Ｍ．ロビンソン、Ｄ．Ｌ．ブラックバーン、Ｍ．ガイタン、Ｊ．ガイスト「商用ＣＭＯＳプロセスによるマイクロ加工された熱放射エミッター」(Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process)、米国電気電子技術者協会電子機器報告、１２、２、５７−５９（１９９１年）
【００２６】
文献６．Ｇ．Ｒ．ラヒジ、Ｋ．Ｄ．ワイズ「バッチ加工されたシリコンサーモパイル赤外線検知器」(A Batch-Fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector)、米国電気電子技術者協会電子機器紀要、ＥＤ−２９、Ｉ（１９８２年１月）
【００２７】
文献７．Ｉ．Ｈ．チョイ、Ｋ．Ｄ．ワイズ「自動化製造工程で使用するシリコンサーモパイルに基づく赤外線検知器アレー」(A Silicon-Thermopile-Based Infrared Sensing Array for Use in Automated Manufacturing)米国電気電子技術者協会電子機器紀要、ＥＤ−３３、Ｉ（１９８６年１月）
【００２８】
文献８．Ｎ．Ｆ．レイリー、Ｄ．Ｒ．シアルロ、Ｊ．Ｃ．クー、Ｂ．ベイリガー、Ｊ．トゥルジルロ、Ｃ．ユー、Ｇ．ルーミス、Ｒ．チョウ「可視光線波長用ファブリー・ペローマイクロ干渉計」(A Fabry-Perot Microinterferometer for Visible Wavelengths)、第５回米国電気電子技術者協会、固体検知器・アクチュエーター研究会、ステファン  Ｄ．センチュリア編集、１７０−１７３ページ、サウスカロライナ州ヒルトンヘッドアイランド、１９９２年６月２２−２５日
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明に係る集積分光計の第１実施例の側面図である。
【図１ｂ】本発明に係る集積分光計の実施例の平面図である。
【図１ｃ】本発明に係る集積分光計の他の実施例の側面図である。
【図２】本発明に係る分光計のパッケージ化された実施例の側面図及び平面図である。
【図３】本発明に係る集積分光計の機能のブロック図である。
【図４ａ】本発明に係る分光計の実施例の、強度と波長の対比で表した、強度の伝達の変化を示すグラフである。
【図４ｂ】本発明に係る分光計の実施例の、時間の関数として表した帯域通過の中心波長の制御を示すグラフである。
【図５ａ】本発明に係る分光計に使われた放射源の実施例の平面図である。
【図５ｂ】図５ａに描かれた放射源の側断面図である。
【図６】本発明に係る分光計に使われたファブリー・ペロー干渉計の実施例の側縦断面図である。
【図７ａ】本発明に係る構造中の赤外線検知器の平面図である。
【図７ｂ】図７ａに描かれた構造の側横断面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
0003778973.tif 000007
【図４ｂ】
0003778973.tif 000008
【図５ａ】
0003778973.tif 000009
【図５ｂ】
0003778973.tif 000010
【図６】
0003778973.tif 000011
【図７ａ】
0003778973.tif 000012
【図７ｂ】
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