計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

MEMS 型ファブリ・ペローフィルタを用いた CO2／H2O ガスセンサ
原仁*, 鈴 木健 太 郎*, 岸直 輝*, 野 呂誠*, 渡 辺哲 也*, 岩 岡秀 人**

CO2 / H2O Gas Sensor with a MEMS Fabry-Perot Filter
Hitoshi HARA*, Kentaro SUZUKI*, Naoki KISHI*, Makoto NORO*,Tetsuya WATANABE* and Hideto IWAOKA**
Abstract： A tunable electrostatically driven MEMS Fabry-Perot Filter (FPF) with a wide wavelength
range from 2.5 µm to 4.5 µm has been developed for non-dispersive infrared (NDIR) CO2 / H2O gas sensors.
The FPF has been developed by silicon-CMOS-compatible and MEMS fabrication process. The electrostatic
discharge (ESD) test and the long-term repetition-stability test were carried out on the FPF, and noremarkable changes in the FPF’s performance were observed in either test. The FPF peak wavelength
drift after repetition of applied voltage was observed to be less than 0.9%. An NDIR system was equippedwith the FPF, and the principles of the gas sensing method were confirmed. The gas sensor was 12 mm indiameter and 70 mm in length. The resolutions defined by standard deviation were about 13 ppm for 2000
ppm of CO2, and 0.35 g/m3 for 22.5 g/m3 of H2O.
Keywords：Fabry-Perot filter, NDIR, gas sensor, carbon dioxide, humidity
1. はじめに二酸化炭素ガスの計測には, 「赤外線吸収方式」と「固体電解質センサ」が広く用いられているが, 「赤外線吸収方式」は精度と安定性の点で優れている．湿度も「赤外線吸収方式」で計測が可能で, 感湿膜を用いた電子式湿度センサより結露に強く安定性に優れている．
われわれは２波長の誘電体多層膜赤外フィルタと単結晶 Si マ イ ク ロ ボ ロ メ ー タ を 用 い た ２ 光 路 ２ 波 長NDIR3)で動作実証をしてきたが, 更なる構造の簡略化と低コスト化を考え, 参照波長, 水蒸気（湿度）吸収波長, 二酸化炭素吸収波長の１光路３波長 NDIR が構成できる MEMS 型ファブリ・ペローフィルタ 4), 5)に着目した．本論文は, 参照波長, 水蒸気吸収波長, 二酸化炭素吸収波長の３波長を静電駆動で選択できる MEMS型ファブリ･ペローフィルタ 6～8) （FPF と略）を組み込んだ１光路３波長 NDIR ガスセンサについて評価結果を報告する．

近年,二酸化炭素ガスは,居住空間の空気質（AirQuality）をモニタするのに有効な指標となっている．ビルやホールなどの建築物では, 空調に莫大なエネルギーが費やされているが, 居住空間の二酸化炭素濃度を計測して空気質を確保しながら必要最小限の大気導入の換気を行えば, 消費エネルギーの大幅な削減が可能になる．たとえば, 財団法人省エネルギーセンター資料 1), 2) によれば, デパート試算例では外気の取り入れ量を 20%削減すると冷房負荷削減電力は 509,124,000kWh／9.5 ヶ月となっている．このような空調関連のランニングコスト削減は, 「エネルギーの使用の合理化に関する法律（省エネ法）」の改正に対応する１手段となる．さらに, 住宅や建築物の省エネルギー基準の強化による高気密・高断熱への取り組みが進むにつれて, 現代病であるシックハウス症候群や小児喘息などの対策で重要なポイントとなる空気質を確保するための換気と湿度の最適化が要求されるようになっている．住居における法的規制はない
が, ビル衛生管理法」は居住空間の二酸化炭素濃度1000ppm 以下, 相対湿度 40%RH～70%RH が管理の基準値になっている．これらのモニタリングのために,二酸化炭素濃度が数 10ppm, 相対湿度が数%RH で検出できる低価格センサが要求されている．

2. センサ構成
NDIR ガスセンサの概略を Fig.1 に示す．動作原理
IR light source

Spectral module

Measurement cavity↑Sample in*横河電機(株) 技術開発本部先端技術研究所 MEMS 研究室〒399-4394 長野県上伊那郡宮田村 2061
MEMS Laboratory, Advanced Technology ResearchCenter,CorporateResearchanddevelopmentHeadquarters, Yokogawa Electric Corporation**横河電機(株) 技術開発本部技術連携推進センター〒180-8750 武蔵野市中町 2-9-32
Corporate Research and development Headquarters,
Yokogawa Electric Corporation

Cutting model↓Sample out

1

2

3

1: WBPF
2: FPF
3: Pyroelectric detector

Fig.1. Schematic diagram of the NDIR gas sensor(Received January 28, 2004)22計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

は, 赤外光源から出射された赤外光のうち被測定ガスの特性吸収波長の赤外光は, 被測定ガスの濃度とキャビティ長に応じて吸収される．広帯域フィルタ（WBPF）と FPF によって, 被測定ガスの特性吸収波長とそれ以外の参照波長の３波長を選択し, 赤外検出器に到達する３波長の赤外光量をそれぞれ測定し比較することにより, キャビティ内の被測定ガスの濃度を測定することができる．湿度（H2O）と二酸化炭素（CO2）の特性吸収波長はそれぞれ 2.7µm と 4.2µm 付近にある．
FPF は１つのピーク波長を挿引して参照波長と測定波長の２波長を選択するのが一般的であるが, ここでは２つのピーク波長を挿引して３波長を選択する独自の方法を提案した．FPF の波長範囲の仕様を, 初期状態の 2 次ピーク波長は参照波長 3.4µm, 静電駆動による 2 次ピーク波長の挿引範囲は 3.4µm～2.5µm, 1 次ピーク波長の挿引範囲は 6.2µm～4.2µm とした．１次と２次のピーク波長は, 波長 2.5µm～4.5µm の広帯域フィルタで選択される．Fig.2 に示すように, 初期状態の2 次ピーク波長を静電駆動により 2.7µm まで挿引してH2O 濃度を測定し, さらに静電駆動により 1 次ピーク波長を 4.2µm まで挿引して CO2 濃度を測定する．

Transmittance [A.U.]

Absorption

H2O

３. ファブリ・ペローフィルタ設計
FPF の概略図（斜視断面）を Fig.3, 各光学膜の膜厚の構成を Fig.4 に示す．各光学膜厚は SHW（SingleHalf-Wave system filter）型の設計に基づいている 9),10)．設計中心波長 λ は 3.4µm である．2 次ピーク波長の可変範囲 3.4µm～2.5µm に相当するギャップ可変範囲は 3.4µm～2.3µm となる．フィルタ透過特性の設計
は, Fig.5 に示すように静電駆動によって固定鏡側に引き寄せられた可動鏡の撓みを考慮した透過特性シミュ
レーションが必要となり, 以下の手法を用いた．
・可動鏡を同心円状の領域に分割・おのおのの領域を平行平板とみなし, 薄膜計算プロ
グラムで平行平板シミュレーションを実施
・シミュレーション結果の重ねあわせ可動鏡を 10 分割して透過特性をシミュレーションした
結果を Fig.6 に示す．可動鏡が変形すると, 半値全幅の広がりと透過率の低下が生じるが, 光束を制限するアパーチャにより可動鏡の平行平板に近い中心部分のみを選択することで CO2 / H2O センサに必要な透過特性が得られる．

CO2CO2measurement

WBPF
H2Omeasurement

SnReferenceS
S 3
S1 2Aperture radius R
r=R/ 2
Movable mirror

Wavelength [A.U.]

Fig.2. Wavelength used for gas measurement
g1 g2 g3

Fixed mirror

Etching holeFig.5. Division of movable mirror into small areas

Movable mirror

1009080706050403020100AR coatAir gapSiAR coat
Fixed mirror

Fig.3. Schematic diagram of Fabry-Perot filter
Movable mirror
Air gap
Fixed mirror
AR coatPoly-Si/SiN/Poly-Si： λ/41070 Å/700 Å/1070 Å
NSG/PSG/NSG： λTotal： 32500 Å
Poly-Si： λ/4 2580 ÅSiO2： λ/4 6120 Å

14.7V

2.5

Si substrate 525 μm
AR coat

0.0V

Transmittance [%]Sacrificiallayer

gN

3.0

φ = 1760 [µm]σ = 127 [MPa]g0 = 3.25 [µm]R = 400 [µm]3.54.0Wavelength [µm]

14.7V
16.0V

4.55.0Fig.6. Simulation results of spectrum transmittanceconsidering the deflection of the movable mirror
from the ideal parallel plate

SiO2： λ/4 6120 Å

Fig.4. Cross section of Fabry-Perot filter

23計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

作製プロセスを Fig.7 に示す．両面ミラーn 型<100>の Si ウエハに, 反射防止膜, 整合層としての SiO2 を熱酸化で成膜する．次に固定鏡の Poly-Si を LPCVD で成膜し, 固定電極形状にリンを拡散して活性化アニールする．犠牲層となる NSG, PSG, NSG は APCVD で成膜し, 犠牲層を形成する．可動電極（可動鏡）と固定電極（固定鏡）の層間絶縁層となる SiN を LPCVD で形成する．この上に, 可動鏡となる Poly-Si, SiN, Poly-Si
を LPCVD で成膜し, 可動電極形状にリンを拡散し, 活性化アニールと膜応力制御を兼ねるアニールを行う．
可動鏡の 3 層膜を貫通するようにエッチングホールを形成し, 10：1 HF で犠牲層の NSG, PSG, NSG をエッチングする．可動鏡の直径は, エッチング時間で制御する．

一般的に平行平板－静電駆動型アクチュエータでは可動電極は初期ギャップの 1/3 だけ変位させることができる．初期ギャップの 1/3 以上可動電極を変位させると, 可動電極が固定電極に引き込まれる Pull-in が発生する．CO2 測定波長のギャップは 2.3µm であることから初期ギャップの上限は 3.4µm, 参照波長が H2O 吸収に重ならないために初期ギャップの下限は 3.1µm となる．この条件を満たし, プロセスマージンを考慮して初期ギャップを 3.25µm に設定した．
エアギャップを形成するためにウェットで犠牲層エッチングを行うが, 洗浄, 乾燥工程後の可動鏡の付着を防ぐために, 可動鏡はある値以上の引張応力を持たなければならない 11)．このため, 可動鏡は LPCVD で成膜される Poly-Si の圧縮応力と SiN の引張応力の膜厚比率で膜応力が制御できる Poly-Si, SiN, Poly-Si の 3層構造としている．また, 3 層膜にアニールを施すと,SiN の引っ張り応力はほとんど変化しないが, Poly-Siの圧縮応力は大きく緩和されるため膜応力が制御できる．また, 静電駆動電圧はビル空調システムのセンサ供給電圧 24V を想定して 20V 以下が必要で, この条件を満たすように FEM 解析から 3 層膜の引張応力を127MPa, 可動鏡ダイアフラム直径を 1760µm に設計した．

４. ファブリ・ペローフィルタの評価結果作製した FPF の可動鏡の直径, 膜応力, 初期ギャップに関してシミュレーションと実験結果の比較を表１にまとめる．10：1 HF で 250 分の犠牲層エッチングを行ったところ, 可動鏡の直径は 1734µm であり, 設計値1760µm とほぼ一致した．このときの可動鏡の引張応力は 123MPa で, 設計値 127MPa とほぼ一致した．
静電駆動の印加電圧を変化させたときの分光透過特性のシミュレーションと実験結果の比較を Fig.8 に示す．実験結果はシミュレーション結果と良く一致し,
CO2 と H2O ガスの特性吸収帯に FPF の透過ピークを可変できることを確認した．

1. Anti-reflection Coat
SiO 2Si substrate
SiO 2
2. Fixed Mirror

Table.1. Dimensions of the fabricated Fabry-Perot
filterPoly-SiSiO 2
Si substrate

Diameter of movable mirror (µm)
Membrane stress (MPa)
Initial air gap length (µm)
Diameter of aperture (µm)

SiO 2
3. Sacrificial Layer
NSG/PSG/NSG
Poly-Si
SiO 2Simulation
1760
127
3.250
800

Experimental1734
123
3.254
800

Si substrate

1009080706050403020100SiO 2
Poly-Si/SiN/Poly-Si
NSG/PSG/NSG
Poly-Si
SiO 2Transmittance [%]4. Movable Mirror

Si substrate
SiO 2
5. Sacrificial Layer Etching

Ref.

Poly-Si/SiN/Poly-Si
NSG/PSG/NSG
Poly-Si
SiO 2

H2O

2.5

Si substrate

Experimental
Simulation
CO23.0

3.5
4.0
Wavelength [µm]

4.5

5.0

Fig.8. Simulation and experimental results ofspectrum transmittance

SiO2

Fig.7. Schematic diagram of process flow24計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

連続電圧印加試験は, 80℃恒温槽内で FPF 駆動の最大電圧（CO2 測定波長）を連続して印加し, 分光透過特性の経時変化をみる．結果を Fig.10 に示すが, 1 万時間経過後の各ピーク波長は, グラフの破線で示すガスセンサの分解能仕様を満たす範囲にあり, 変動幅は初期ピーク波長の±0.9％である．
以上の結果より, FPF の信頼性が実証された．

Peak wavelength ( µm )印加電圧を 0.1V 刻みで変化させたときの, Pull-in ギ
ャップ（可動鏡が Pull-in する直前の, 実現可能な最小ギャップ）は初期ギャップの 65%となった．なお, 本提案のガスセンサにおける FPF の最大ギャップ変位はCO2 濃度を測定する場合の 2.3µm は初期ギャップの70%であることから, Pull-in ギャップに対して十分なマージンを有する．
信頼性の評価として, 静電耐量試験, FPF の最大変位における繰り返し電圧印加試験および連続電圧印加試
験を実施した．各試験のサンプル数は３個とする．
静電耐量試験（マシンモデル）は, 200V, 200pF を 1秒間隔で 5 回, FPF の電極間に印加して, 試験前後の分光透過特性を比較した．試験前後で特性変化はなく, 良好な結果が得られた．
繰り返し電圧印加試験は, 80℃恒温槽内で FPF 駆動の最大電圧（CO2 測定波長）を 5Hz 矩形波で印加し, 分光透過特性の経時変化をみる．３波長のピーク波長と繰り返し回数の関係を Fig.9 に示す． 繰り返し回数が200,000,000 回経過後の各ピーク波長は, グラフの破線で示すガスセンサの分解能仕様を満たす範囲にあり,変動幅は初期ピーク波長の±0.9％である．
4.54.3
4.1
3.9
3.7
3.5
3.3
3.1
2.9
2.7
2.5

5. CO2／H2O センサの構成
ガスセンサの概略は Fig.1 に示した構成の各要素と組み立てについて記述する．
赤外光源には, 直径 3 mm の汎用小型電球を用いた．
これは, 赤外検出器に焦電素子を採用したため, 光のチョッピングが必要となるが, チョッパーなどの機構部品は小型化と低コスト化に整合しないことを考慮して, 自己明滅が可能な小型電球を選択した．赤外検出器に焦点を結ぶ反射鏡に小型電球を接着し, 0mA-115mA,duty50%, 2.5 Hz で直接変調駆動する．
分光モジュールの写真を Fig.11 に示す．FPF は中心部に貫通穴が設けられたプリント基板（PCB）に接着し, ワイヤーボンドする．さらに, WBPF 付きキャップと赤外検出器の焦電素子を PCB に接着して, 分光モジュールを作製する．
赤外光源と分光モジュールは, φ12 mm のアルミニウムパイプに距離 60 mm で固定する．ガス導入穴から濃度調整したサンプルガスを導入して, 焦電素子の出力を外部アンプで増幅し, コンピュータで平均化処理してセンサ出力の演算を行う（Fig.12）．

CO2Ref.
H2 O

WBPF

0.0E+00

5.0E+07 1.0E+08 1.5E+08
Repetition number

2.0E+08
PCBadhesive

Peak wavelength ( µm )Fig.9. Test results of repetition-stability
4.5
4.3
4.1
3.9
3.7
3.5
3.3
3.1
2.9
2.7
2.5

FPF

↑Pyroelectric detector

4mm

CO2Fig.11. Photograph of the spectral module
WBPF
FPF
Pyroelectric detector

60mm

Ref.

IR lamp

H2 O

Measurement cavity

Signal processor

N2PC

05000
10000
Continuous operation time ( hours )CO2H2 O

Fig.12. Schematic ofmeasurement system

Fig.10. Test results of continuous operation

25

thegasconcentration

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

6. CO2／H2O ガス計測
Fig.12 のように, CO2 標準ガス（2000ppm）, N2 標準ガス, H2O バブリング N2 ガスをエステック社製分割器
SGD-XC 0.5L で混合したガスをセンサの試料室に導入する．居住空間における使用を想定し, 評価するガス濃度範囲は, CO2 濃度 0～2000ppm, H2O 濃度 0～22.5g/m3（室温 25℃において 95%RH 相当）とする．セン
サに導入されたガス中の CO2 濃度と H2O 濃度は
LI-COR 社製アナライザ LI-6262 で測定する．CO2 測
定波長の電圧, H2O 測定波長の電圧, 参照光測定電圧の3 条件を FPF に交互に印加し, ガス測定波長時と参照波長時の赤外検出器出力の比をセンサ出力とした．赤外検出器出力の指数化平均して, 各波長の信号を求めている．
CO2, H2O ガスに対するセンサ応答を, Fig.13 とFig.14 に示す．本センサは, H2O ガスに対しては絶対湿度センサとして動作するが, 参考のため, Fig.14 にはガス温度 25℃で相対湿度に換算した値を併記する．センサのガス濃度分解能（標準偏差相当）は, Fig.15 に示
す CO2 濃度 2000 ppm に対して約 13 ppm, Fig.16 に示
す H2O 濃度 22.5 g/m3 に対して約 0.35 g/m3 であった．

0.99

7. おわりに
本論文では, CO2 と H2O 濃度測定にＭＥＭＳ型ファブリ・ペローフィルタを波長選択素子に用いた１光路３波長 NDIR ガスセンサを提案した．FPF は構造設計と光学設計の手法を確立し, 3 層構造とアニールによる可動鏡膜応力が制御できること, 可動鏡と固定鏡の間に電圧を印加した静電駆動で分光透過特性が可変できること, 最大変位となる CO2 測定時ギャップが Pull-inギャップマージンを有することを実証した．この FPFを組み込んだ CO2 / H2O ガスセンサの基本動作を確認した．ガス濃度分解能（標準偏差相当）は, 2000 ppmの CO2 ガスに対して約 13 ppm, 22.5 g/m3 の H2O ガスに対して約 0.35 g/m3 であり, 提案した１光路３波長NDIR ガスセンサの動作が実証できた．これにより, 居住空間の測定対象である二酸化炭素濃度が数 10ppm,相対湿度が数%RH で検出できる NDIR 方式の低価格センサの実現に向けた指針が得られた．
今後は, 光学系と周辺回路の最適化と小型化, ２つの成分間に生じる干渉を補償するために必要な多変量解析アルゴリズムの開発を行う．

0.98

Outdoor
↓

0.97
0500

1000

1500

2000

CO2 concentration (ppm)

Fig.13. Sensor response for CO2 gas

1.00
0.99
0.98
0.97
01.00

1.8%RH

10023%RH

78%RH
95%RH
0.98
05101520300
400500Elapsed time (sec)

600

700

H2O concentration (g/m3)
22.50049%RH

0.99200

Fig.15. Step response of the sensor for CO2 gas

at 25°C

Output signal (A.U.)

Output signal (A.U.)

CO2 concentration (ppm)
200000
Output signal (A.U.)

Output signal (A.U.)

1.00

CO2 ガスと H2O ガスは, 互いの特性吸収波長ベースラインに干渉を及ぼす．フルスケールにおける最大干渉は, CO2 濃度 2000ppm は H2O 濃度 7 g/m3（25℃で30%RH 相当）, H2O 濃度 22.5g/m3（25℃で 95%RH 相当）は CO2 濃度 115ppm 相当の誤差要因となったが,多変量解析によって干渉誤差を取り除くことができる．

253

H2O concentration (g/m )

1.000
0.995
0.990
0.985
0Fig.14. Sensor response for H2O gas

100200300
400500
Elapsed time (sec)600

Fig.16. Step response of the sensor for H2O gas

26700

計測自動制御学会産業論文集
Vol.3, No.3, 22/27 (2004)

参考文

献著

1) (財)省エネルギーセンターホームページ: 「ビルの省エネガ
イドブック 2002」(2002)

原仁者

紹介

（正会員） 1962 年 5 月 22 日生まれ．87 年信州大学大学院工学系研究科修士課程修了．同年横河電機（株）入社．EL 素子, 抄紙用水分2) 省エネルギー技術動向調査委員会 /( 財 ) 省エネルギーセン
ター: 「省エネルギー技術動向調査報告書 平成 12 年 3 月」
(2000)

計, 赤外線フィルタ, 赤外検出素子, ファブ
リ・ペローフィルタ, マイクロマシンデバイスの開発に従事．工学博士．

3) H. Hara, et. Al. : Silicon Bolometer and Micro Variable
Infrared Filter for CO2 Measurement, Proc of Optical
MEMS 2000, 139/140 (2000)

鈴木4) H. Kopola, et. al. : System Integration and Customized
Packaging of MOEMS, Proc. of MOEMS ‘99, 194/204(1999)

健太郎

1973 年 3 月 22 日生まれ．97 年東北大学大学
院工学研究科機械電子工学専攻修士課程修了．同年横河電機（株）に入社．現在, マイクロマシンデバイスの開発に従事．電気学会

5) S. R. Mallinson : Miniature Micromichined Fabry-Perot
Interferometers in Silicon, Electronics Letters, 23-20,1041/1043 (1987)

優秀論文発表賞(03 年)を受賞．

6) K. Suzuki, N. Kishi, M. Noro, H. Hara, T. Watanabeand H. Iwaoka: Tunable Fabry-Perot Filter for Gas
Measurement, Proc. of The 19th Sensor Symposium,103/108 (2002)岸直輝（正会員） 1966 年 12 月 9 日生まれ．92 年北海道大学大学院工学研究科修士課程修了．同年横河電機（株）入社．赤外線フィルター, 赤

7) K. Suzuki, N. Kishi, M. Noro, H. Hara, T. Watanabeand H. Iwaoka: Tunable Fabry-Perot Filter with WideWavelength Range, Proc. of Optical MEMS 2001,
105/106 (2001)8) 鈴木 他: 「ガス濃度分光分析のための広帯域可変波長ファブ リ ・ ペ ロ ー フ ィ ル タ ー 」 , 電 気 学 会 論 文 誌 E, 123-10,
392/397 (2003)

外検出素子, マイクロマシンデバイスの開発に従事．計測自動制御学会産業応用部門奨励賞(01 年)を受賞．

野呂誠（正会員） 1965 年 7 月 26 日生まれ．90 年名古屋大学大学院工学研究科応用物理学専攻修9) J. D. Rancourt : Optical Thin Films Users Handbook,
McGraw-Hill, Inc. (1987)

士課程修了．同年横河電機(株)に入社．現在,マイクロマシンデバイスの開発に従事．

10) J. M. Vaughan : The Fabry-Perot Interferometer,
Adam Hilger, Bristol and Philadelphia, 89/112 (1989)
11) C. H. Mastrangelo, et. Al.: Mechanical Stability andAdhesion of Microstructures Under Capillary Forces-Part
Ⅱ: Experiments, Journal of MEMS, 2-1, 44/55 (1993)
渡辺哲也（正会員） 1960 年 1 月 11 日生まれ．82 年
大阪大学工学部電気工学科卒業．同年横河電機（株）入社．マイクロマシン技術を用いた圧力センサの研究開発に従事．現在, 技術開
発本部先端技術研究所ＭＥＭＳ研究室長．

岩岡秀人（正会員) 1946 年 5 月 29 日生まれ．71 年慶応義塾大学大学院工学研究科修士課程修了,同年横河電機（株）入社．核四重極共鳴温度計, 核磁気共鳴イメージング, 時間計測, 光デバイス, 光計測, マイクロ波デバイス, マイクロマシンデバイスの開発に従事．現在, 技術開発本部技術連携推進センター長．計測自動制御学会より論文賞(88 年), 技術賞(99 年)を受賞．計測自動制御学会常務理事(01 年, 02年)．工学博士．

27