量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪

摘要

本发明提供一种具有小型且简单的元件形状并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的量子型红外线传感器及其气体浓度仪。该量子型红外线传感器具备一对量子型红外线传感器元件(13a、13b)、一对光学滤波器(16a、16b)以及保持构件(15)。一对光学滤波器(16a、16b)相对于一对量子型红外线传感器元件(13a、13b)设置于红外线光源侧，并选择性地使分别不同的特定波长频带的红外线透过，被容纳于保持构件(15)上段，通过一对贯通孔(15a、15b)与一对量子型红外线传感器元件(13a、13b)相对地设置。另外，通过使用这种结构的量子型红外线传感器，能够使用朗伯-比尔定律对气体浓度进行定量分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪，更详细地说，量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的非分散红外吸收型(Non-Dispersive InfraRed)气体浓度仪(下面称为NDIR气体浓度仪)。

背景技术

以往，作为对大气中的气体浓度进行测量的红外线气体浓度仪，使用如下一种NDIR气体浓度仪，该NDIR气体浓度仪利用根据气体的种类不同而被吸收的红外线(IR：Infrared Ray)的波长不同的情况，通过检测该吸收量来对该气体的浓度进行测量。该NDIR气体浓度仪将滤波器与红外线传感器进行组合，通过测量其吸收量来测量气体浓度，其中，上述滤波器使被限定为所检测的气体波长的红外线透过。

要求该NDIR气体浓度仪小型且高精度并且在各种环境下都能够稳定地进行测量。作为这种NDIR气体浓度仪提出了红外线气体分析仪，该红外线气体分析仪使用波长选择型红外线检测元件来对大气中等的气体浓度进行测量(例如参照专利文献1)。

在该专利文献1中公开了如下一种红外线气体传感器，该红外线气体传感器一体地包括波长选择滤波器和红外线检测器，该波长选择滤波器使来自光源的红外线波长选择性地透过，该红外线检测器对透过了该波长选择滤波器的红外线进行检测。也就是说，公开了一种使用辐射热测量计作为红外线传感器的NDIR方式的气体分析仪，但是需要是在密封室内悬浮的结构，而且需要进行真空密封或惰性气体密封。虽然记载有也能够使用量子型红外线检测器，但是对其具体结构、实施例没有任何公开或者启示。

通常，将红外线传感器分为热型红外线传感器和量子型红外线传感器。热型红外线传感器是将红外线能量作为热量来利用的传感器，由于红外线的热能量而传感器本身的温度上升，将该温度上升而产生的效果(电阻变化、容量变化、电动势、自发极化)变换为电信号。该热型红外线传感器有焦电型(PZT、LiTaO₃)、热电动势型(热电堆(thermopile)、热电对)、导电型(辐射热测量计、热敏电阻)，灵敏度不具有波长依赖性、不需要冷却。但是，响应速度较慢，检测能力也不太高。另一方面，量子型红外线传感器是如下传感器：利用红外线照射到半导体时由于其光量子而产生的电子、空穴，量子型红外线传感器有光导电型(HgCdTe等)、光电动势型(InAs等)。该量子型红外线传感器的灵敏度具有波长依赖性，具有高灵敏度且响应速度较快的优点，但是需要冷却，通常与珀耳帖元件、斯特林冷却器等冷却机构一起使用。因而，难以应用于上述NDIR方式的气体传感器中。

另外，在使用热型红外线传感器的情况下，以遮断热量为目的而使用以下形状：在罐封装的开口部接合透过红外线的光学滤波器，将对透过该光学滤波器的红外线进行检测的红外线检测元件容纳到罐封装的内部。

另外，作为热电堆型传感器，提出了以下传感器：为了实现简单化、提高耐久性，不使用罐封装而构成于模制树脂中(例如，参照专利文献2)。该专利文献2所记载的传感器具备：平板状的滤光器，其选择性地使特定波长频带的红外光透过；红外线检测元件，其一面形成有检测元件部，该检测元件部用于检测透过滤光器的红外线；以及支承体，其被设置于滤光器与红外线检测元件的检测元件形成面之间，粘接滤光器与红外线检测元件，并且确保在滤光器与检测元件形成面之间具有规定间隙。

也就是说，关于该专利文献2所记载的传感器，公开了以下内容：将红外线传感器设为不采用罐封装的简单的结构，并且设为与红外线传感器的检测元件形成面确保规定间隙地设置光学滤波器，由此实现小型化、轻量化。另外，在该实施例中，公开了红外线传感器使用热电堆，设为中空结构。并且，记载了为了避免红外线元件的检测元件破损、接触面受损而确保该间隙。

另外，该专利文献2所记载的支承体仅是用于确保间隙的构件，具有以下功能：防止不透过滤光器的不需要的光从该间隙入射到红外线检测元件；以及防止滤光器、红外线检测元件的接触面受损、红外线检测元件破损，不具有保持滤光器或者用于封装的功能。

与此相对，如后述的图7所述，本发明的传感器的检测元件面被设置于膜制树脂内部，与光学滤波器接触的面为检测元件的衬底背面，因此，如图6所示，优选使用光学滤波器与红外线传感器无间隙地接触的结构。由此，能够进一步实现小型化、薄型化。

另外，如上所述，量子型红外线传感器是利用光导电效应、光伏效应等将红外线变换为电信号的元件，通常冷却后使用，但是还提出了一种能够在室温条件下进行动作的量子型红外线传感器(例如参照专利文献3)。该专利文献3所记载的量子型红外线传感器具备化合物半导体传感器部和集成电路部，并将该化合物半导体传感器部和集成电路部容纳于同一封装内，其中，该化合物半导体传感器部通过设置于衬底上的化合物半导体层来检测红外线并输出电信号，该集成电路部对来自该化合物半导体传感器部的电信号进行计算。由此，不容易受到电磁噪声、热波动的影响，并且能够在室温条件下进行检测，能够使模块小型化。

另外，还提出了以下量子型红外线传感器：在衬底上具备能够在室温条件下进行动作的量子型光电变换部，利用密封树脂与滤波器一起进行封装(例如，参照专利文献4)。

然而，在上述专利文献3以及专利文献4中虽然公开了量子型红外线传感器，但是并未公开将该量子型红外线传感器如何应用于气体传感器。

也就是说，在上述专利文献3以及专利文献4中公开了能够在室温条件下进行动作的树脂封装的量子型红外线传感器，但是对于能够使用该红外线传感器、与光学滤波器、保持构件组合来使用于NDIR方式的气体浓度仪没有记载和启示。

因此，例如在专利文献5中公开了使用量子型红外线传感器的气体传感器。该专利文献5所记载的传感器并列地配置测量单元和基准单元，为了根据照射到各单元的红外线的透过量的比较来检测式样气体的成分浓度，而在单元与量子型红外线传感器之间具备与测量对象成分气体对应的光学滤波器以及滤波器转动式斩波器。

然而，该专利文献5所记载的传感器虽然公开了将量子型红外线传感器应用于气体传感器这一点，但是由于使用了滤波器转动式斩波器，因此难以实现小型化，且对于使红外线传感器元件和光学滤波器模块化来实现小型化并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的具体结构没有任何公开。

也就是说，在该专利文献5中公开了使用光导电型的红外线检测传感器的NDIR方式的气体分析仪，在该红外线气体分析仪中通过使用一个红外线传感器和转动式斩波器能够检测多种成分气体浓度，但是没有记载使用多个量子型红外线传感器、多个光学滤波器以及设置有贯通孔的保持构件来构成的本发明的量子型红外线传感器。

上述的利用热电堆元件的NDIR气体浓度仪在所测量的气体的温度、流量大幅变化的情况下，传感器温度大幅变化，因此存在传感器输出变动较大的问题，在这种状况下使用时存在无法进行实际测量的问题。

另外，在以往的红外线传感器元件中，为了应对上述的传感器温度的大幅变化而采取以下方法：使用罐封装，在传感器元件周围设置空隙，进一步真空化或者填充热导率较小的气体或者设置热容量较大的散热器部，来热遮断检测部使检测部稳定化，由此缓和该现象。然而，在这些结构中，使元件的形状复杂化、大型化、重量增加，并且封装要求较高工作精确度，由此使成本上升。

另外，提出了不使用罐封装而使用膜制树脂等封装或者在红外线传感器的表面上直接设置滤波器的传感器等，但是在这些传感器的情况下，如果利用热型红外线传感器元件，则热分离不充分，因此在所测量的气体的温度、流量大幅变化的情况下，存在无法稳定地进行测量的问题。

另外，在使用以往的量子型红外线传感器的情况下，在常温条件下无法稳定地得到较高灵敏度，因此使用以下方法：利用大型散热器来使元件热稳定化或者利用珀耳帖元件、液体氮来使元件冷却。在为了防止由冷却元件引起的结露以及为了抑制向外部的导热而利用Xe、Ne等导热率较低的气体进行封入等目的下，与热型红外线传感器同样地使用罐封装。因此，由于元件的大型化、形状的复杂化以及封装要求较高工作精确度，因此存在使成本上升的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种具有小型且简单的元件形状并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的NDIR气体浓度仪用的量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪。

专利文献1：日本特开2001-228022号公报

专利文献2：日本特开2006-194791号公报

专利文献3：国际公开第WO2005/027228号小册子

专利文献4：国际公开第WO2006/095834号小册子

专利文献5：日本特开平8-75642号公报

发明内容

本发明是为了达到上述目的而完成的，其特征在于，具备：多个量子型红外线传感器元件；多个光学滤波器，其相对于上述量子型红外线传感器元件设置于红外线光源侧，选择性地使各自不同的特定波长频带的红外线透过；以及保持构件，其至少保持上述光学滤波器，该保持构件上设置有多个贯通孔，这些多个贯通孔相对于上述量子型红外线传感器元件设置于上述红外线光源侧，其中，上述量子型红外线传感器和上述滤波器被嵌入到上述保持构件的上述贯通孔内(图2A至图2C)。

另外，其特征在于，上述保持构件具备上段和下段，具有在上述下段和上述上段中与上述量子型红外线传感器元件相向地设置了用于接收红外线的第一贯通孔和第二贯通孔的分层结构，在上述下段中设置第一量子型红外线传感器元件和第二量子型红外线传感器元件，在上述上段中与上述第一量子型红外线传感器元件和第二量子型红外线传感器元件相向地设置有第一光学滤波器和第二光学滤波器(图2B)。

另外，其特征在于，上述光学滤波器具有使来自上述红外线光源的参照光透过的光学滤波器以及使与上述参照光的波长频带不同的波长频带的红外线透过的光学滤波器这一对滤波器(图2A至图2C)。

另外，其特征在于，上述光学滤波器包括使来自上述红外线光源的参照光透过的光学滤波器以及使与上述参照光的波长频带分别不同的多个波长频带的红外线透过的光学滤波器(图4A、图4B、图5A至图5C)。

另外，其特征在于，上述保持构件是预先成型的封装构件。

另外，其特征在于，上述封装构件构成为能够使用具有表面安装用端子的量子型红外线传感器元件的该端子来进行表面安装。

另外，其特征在于，上述光学滤波器与上述量子型红外线传感器元件紧密结合(图6)。

另外，其特征在于，上述量子型红外线传感器元件具有传感器元件部，该传感器元件部具备：第一接触层，其设置于衬底上；吸收层，其设置于该第一接触层上；势垒层，其设置于该吸收层上；第二接触层，其设置于该势垒层上；第二电极，其设置于该第二接触层上；钝化层，其与上述第一接触层、上述吸收层、上述势垒层以及上述第二接触层相邻地设置；以及第一电极，其隔着该钝化层设置于上述衬底上(图7)。

另外，其特征在于，上述第一接触层含有n型InSb，上述吸收层含有π型InSb，上述势垒层含有p型AlInSb，上述第二接触层含有p型InSb(图7)。

另外，其特征在于，设置多个上述传感器元件部，使这多个上述传感器元件部串联连接(图8)。

另外，一种量子型红外线气体浓度仪，其特征在于，在构成测量对象气体的流路的采样单元内的一端配置红外线光源，并且在上述采样单元内的另一端配置上述任一个量子型红外线传感器(图9)。

另外，其特征在于，具备以下单元：具备以下单元：减法单元，其被输入经由放大器以及去除噪声的滤波器的来自上述量子型红外线传感器的传感器信号，从上述传感器信号中减去来自电路偏移存储器的信号来去除偏移，其中，上述放大器对来自上述量子型红外线传感器的传感器信号进行放大；运算单元，其根据来自该减法单元的各信号，计算上述测量对象气体的吸收带的透过光量与上述测量对象气体非吸收波长带的透过光量的信号之比；以及加法单元，其对来自该运算单元的信号相加使用两个波长带得到的、来自气体偏移存储器的与比例系数相当的偏移；除法单元，其将来自于该加法单元的信号与存储在气体常数设定存储器中的由气体的吸光度系数和气体路径长度所决定的常数相除，其中，使用上述测量对象气体的吸收带的透过光量和上述测量对象气体非吸收波长带的透过光量来对气体浓度进行定量(图10)。

根据本发明，具备：多个量子型红外线传感器元件；多个光学滤波器，其相对于该量子型红外线传感器元件设置于红外线光源侧，选择性地使分别不同的特定波长频带的红外线透过；以及保持构件，其至少保持多个光学滤波器，设置有多个贯通孔，这些多个贯通孔相对于上述量子型红外线传感器元件设置于红外线光源侧，因此能够实现具有小型、薄型且简单的元件形状并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的NDIR气体浓度仪用的量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪。

附图说明

图1A是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，是俯视观察的立体图。

图1B是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，是仰视观察的立体图。

图2A是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，示出俯视图。

图2B是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，示出截面图。

图2C是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，示出仰视图。

图3A是本发明所涉及的量子型红外线传感器的保持构件的结构图，是俯视观察的立体图。

图3B是本发明所涉及的量子型红外线传感器的保持构件的结构图，是仰视观察的立体图。

图4A是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，是俯视观察的立体图。

图4B是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，是仰视观察的立体图。

图5A是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，示出俯视图。

图5B是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，示出截面图。

图5C是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，示出仰视图。

图6是消除图2B以及图5B示出的光学滤波器与量子型红外线传感器元件的空隙的结构图。

图7是图2B示出的量子型红外线传感器元件的具体结构图。

图8是串联连接图7示出的量子型红外线传感器元件的传感器元件部的结构图。

图9是用于说明本发明的NDIR气体浓度仪的结构图。

图10是表示图9示出的NDIR气体浓度仪的信号处理结构的电路图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的各实施例。

实施例1

图1A以及图1B、图2A至图2C是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例1的结构图，图1A以及图1B示出俯视观察以及仰视观察的立体图，图2A至图2C分别示出俯视图、截面图、仰视图。此外，图2B是图2A中的IIB-IIB’线截面图。

本发明的量子型红外线传感器12具备：多个量子型红外线传感器元件13a、13b；多个光学滤波器16a、16b，其相对于该量子型红外线传感器元件13a、13b被设置于红外线光源侧，选择性地使各个不同的特定波长频带的红外线透过；以及保持构件15，其至少保持这些光学滤波器16a、16b，设置多个贯通孔15a、15b，这多个贯通孔15a、15b相对于量子型红外线传感器元件13a、13b设置于红外线光源侧。此外，以传感器元件部103a、103b示出量子型红外线传感器元件13a、13b的受光部。

本发明的红外线传感器是量子型红外线传感器，因此贯通孔15a、15b只要打开使光通过的孔即可而不需要设为真空。另外，也不需要密封惰性气体、氮气等。因而，本发明那样包括多个红外线传感器、多个光学滤波器以及保持构件的结构非常简单并且能够实现小型化、薄型化。

如图1A所示，一对光学滤波器16a、16b具有使来自红外线光源的参照光透过的光学滤波器以及使与参照光不同的波长频带透过的光学滤波器这一对光学滤波器。

另外，使用于本发明的选择性地使特定波长频带的红外光透过的光学滤波器是指使用可使红外线等电磁波透过的光学部件来选择性地使特定波长频带的红外光透过的滤波器。如果光学部件具有选择性地使特定波长频带的红外光透过的功能，则即使是光学部件单体也能够使用。另外，还能够使用在光学部件上层状地蒸镀折射率与光学部件不同的电介质而成的电介质多层膜滤波器。

下面，示出该光学滤波器的一例，但是本实施例中的光学滤波器并不限于本例，只要具有选择性地使红外光透过的功能，则不限定于本例而能够使用。作为光学滤波器的例子举出如下光学滤波器：利用光学部件以及在该光学部件上形成为多层的薄膜而具有使长波长或者短波长或者其两个波长的红外线不透过的功能，组合这些透过功能的结果是具有仅使特定波长的红外线透过的功能。

可以利用一个该光学滤波器来执行仅使特定波长的红外线透过的功能，根据情况也能够使用多个该光学滤波器。另外，该光学部件的材料使用硅(Si)、二氧化硅(SiO₂)、蓝宝石(Al₂O₃)、Ge、ZnS、ZnSe、CaF₂、BaF₂等规定红外线能透过的材料，另外，作为蒸镀到该光学构件的薄膜材料，能够使用硅(Si)、二氧化硅(SiO₂)、蓝宝石(Al₂O₃)、Ge、ZnS、TiO₂、MgF₂、SiO₂、ZrO₂、Ta₂O₅等。另外，关于在光学部件上层状地层叠折射率与该光学部件不同的电介质而成的电介质多层膜滤波器，可以以表面和背面不同的规定厚度的结构在光学部件两面制作，另外，也可以仅在光学部件单面形成。另外，为了防止不需要的反射，也可以在表面和背面两面或者单面的最表层形成反射防止膜。

关于使用于本发明的光学滤波器的尺寸，纵向和横向尺寸小于等于量子型红外线传感器的尺寸即可。为了降低成本，更优选与量子型红外线传感器的受光部正好相同的尺寸或者能够覆盖该受光部的尺寸即可。具体地说，在受光部为0.7mm×0.7mm的情况下，设为正好0.7mm×0.7mm的尺寸，或者设置用于固定光学滤波器的部分而设为1mm×1mm左右等稍大的尺寸。关于光学滤波器的厚度，由于要减少光学滤波器本身吸收红外线，因此优选更薄。具体地说，为0.8mm以下，优选为0.5mm以下，更优选为0.4mm以下。

另外，如图1B所示，作为在常温条件下能够对透过光学滤波器16a、16b的红外光进行检测的量子型红外线传感器，存在光电动势型、光导电效应型、光伏效应型等形式，在本发明中能够使用其中的任何形式，但是光伏效应型需要高真空等特殊环境，并且存在装置本身、传感器部大这种问题，而在光导电效应型中使电流通过传感器本身，因此存在噪声变大这种缺陷，在常温条件下难以高灵敏度地进行测量。因而，最优选光电动势型。

下面，示出在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器的结构例，但是本发明的在常温条件下能够对透过光学滤波器的红外线进行检测的量子型红外线传感器并不限于本例。

本发明的在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器是在衬底上形成有受光部的传感器，该受光部具有通过红外线产生光电动势效应的光电二极管结构。该衬底能够使用单晶Si衬底、玻璃衬底或者GaAs衬底等，在此作为一例而使用半绝缘性的GaAs衬底。

另外，受光部是受光面被红外线的光子(photon)激发、由于该激发而受光面的电性质产生变化的量子型受光部。在受光部中，通过该受光面上的光电变换将红外线能量变换为电能量。由于是量子型，因此受光部的红外线检测灵敏度几乎不会受到该受光部以及其周围的热容量的影响。

另外，受光部的受光面例如含有InAsxSb1-x(0≤x≤1)，能够高效率地对波长1至11μm左右的红外线进行光电变换。受光部例如包括形成在半绝缘性GaAs衬底上的InSb系量子型PIN光电二极管。

另外，该InSb系量子型PIN光电二极管也可以具备：衬底；n型InSb层(接触层)，其形成于该衬底上；p型掺杂的InSb层(吸收层)，其形成于该n型InSb层上；p型AlInSb层(势垒层)，其形成于该p型掺杂的InSb层上；以及p型InSb层(接触层)，其形成于该p型AlInSb层上(后面根据图7来说明该结构)。另外，作为本发明的在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器的结构例，还可以是专利文献4所记载的形状。

在传感器元件部(受光部)中，各PIN光电二极管通过连接布线而串联连接(后面根据图8来说明该连接)。当红外线从衬底的背面(即，形成有PIN光电二极管的面的相反面)侧入射时，在PIN光电二极管中产生与该红外线辐射量相应的光电动势，该光电动势通过连接布线被输出到受光部外。

在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器的灵敏度高于以往通常使用的热电堆等热电动势型元件，每个信号的噪声量、即SN比也好于以往通常使用的热电堆等热电动势型元件。另外，还能够将该量子型红外线传感器设成在安装成型时能够进行表面安装的形状。

为了实现小型化，本发明的量子型红外线传感器13a、13b优选使用树脂来进行封装。每一个该量子型红外线传感器的尺寸优选纵3mm×横4mm×厚1mm以下这种小型化的尺寸，更优选使用纵2mm×横3mm×厚0.5mm以下的尺寸，进一步优选使用纵1.5mm×横2.5mm×厚0.4mm以下的尺寸。

另外，光学滤波器以及在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器在形成有间隙的状态下被固定，从而形成带滤波器的量子型红外线传感器元件。对光学滤波器以及在常温条件下进行动作的量子型红外线传感器进行固定的方法能够任意地进行选择。

图3A以及图3B是本发明的红外线传感器的保持构件的结构图，图3A是俯视观察的立体图，图3B是仰视观察的立体图。

保持构件15具备上段和下段，具有在下段与上段以及其中间部与第一和第二量子型红外线传感器元件13a、13b相向地设置了用于接收红外线的第一和第二贯通孔15a、15b的分层结构。在下段中设置有第一和第二量子型红外线传感器元件13a、13b，在上段中隔着第一和第二贯通孔15a、15b与第一和第二量子型红外线传感器元件13a、13b相对地设置第一和第二光学滤波器16a、16b。

另外，期望保持构件15是以下构件：预先成型的封装构件或者具备能够与上述量子型红外线传感器元件电连接的端子而成型的带端子的封装构件。另外，期望将封装构件设为能够使用具有用于表面安装的端子的量子型红外线传感器元件的该端子来进行表面安装。

另外，构成保持构件15的封装构件能够使用绝缘性陶瓷、树脂等电子部件用的封装构件。具体地说，作为陶瓷，使用氧化铝、多铝红柱石、堇青石、滑石、氮化铝、碳化硅、硅等以及它们的混合物，作为树脂，使用环氧树脂、硅树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯树脂、聚苯硫醚树脂等树脂，并且也可以对它们添加固化剂、固化促进剂、填料、脱模剂、改性剂等添加剂。

另外，在将配置于量子型红外线传感器元件本身的连接端子直接使用于表面安装的情况下，还能够将铝等容易成型的金属使用于保持构件。在将金属使用于保持构件的情况下，保持构件与量子型红外线传感器的连接端子必须电绝缘。

成型这些封装构件，以设置成透过了光学滤波器的红外线能够到达红外线传感器的受光面的方式将这些封装构件设为规定的形状且在这样得到的结构体上固定光学滤波器和红外线传感器。不特别限定固定方法，可以利用粘接剂等来粘接，也可以使用与封装构件相同的材料制作其它安装部件来进行固定。另外，也可以利用设为嵌合结构而不特别进行粘接的方法。

在将光学滤波器安装到保持构件的情况下，安装成光学滤波器的上表面与保持构件的外侧面一致或者位于保持构件的外侧面的下侧。如果光学滤波器从保持构件的外侧面突出，则干扰光从光学滤波器的侧面进入，有可能无法作为正确的带通滤波器而发挥功能。

通过对保持构件开贯通孔而形成于两个贯通孔之间的隔壁具有重要的作用。利用该隔壁，能够防止透过各光学滤波器的红外线相互干扰，能够更正确地测量通过了带通滤波器的红外线量。

将本发明的光学滤波器与量子型红外线传感器之间的间隙不需要设为气密密封(ハ一メツテイク)结构、真空或者填充气体的结构，而能够设为可与大气连通。由于量子型红外线传感器元件在其元件的特性上不容易受到大气温度、大气移动速度的影响，因而能够实现这些。

另外，关于量子型红外线传感器，通过将在其安装时能够进行表面安装的形状的表面安装端子设置成其从成型封装的下表面突出，在量子型红外线传感器元件被封装化之后也能够进行回流焊接等表面安装。

对被嵌入到本发明的保持构件的多个光学滤波器以及多个量子型红外线传感器进行组合的整体尺寸能够实现目前最小型。纵向与横向的尺寸根据所测量的气体种类的数量不同而不同，在由参照光用和测量光用这一对构成的情况下，例如能够实现纵×横为5mm×8mm、厚度为3mm的小型化。另外，在消除光学滤波器与量子型红外线传感器的间隙而使它们接触的结构的情况下，还能够进一步设为厚度2mm以下这种薄型。

能够使用上述结构的量子型红外线传感器来实现量子型红外线气体浓度仪。该量子型红外线气体浓度仪在构成测量对象气体的流路的采样单元内的一端配置红外线光源，并且在采样单元内的另一端配置本发明的红外线传感器，例如通过与二氧化碳的吸收特性相应的带通滤波器(中心波长4.3μm、半值幅度270nm、透过率75％以上)以及使作为参照光的波长的红外线透过的另一个带通滤波器(中心波长3.8μm、半值幅度245nm、透过率75％以上)来选择两个波长，分别由红外线传感器来检测所选择的红外线。

实施例2

图4A以及图4B、图5A至图5C是本发明所涉及的量子型红外线传感器的实施例2的结构图，图4A以及图4B示出俯视观察以及仰视观察的立体图，图5A至图5C分别示出俯视图、截面图、仰视图。此外，图5B是图5A中的VB-VB’线截面图。图中的附图标记13a至13d示出量子型红外线传感器元件，16a至16d示出光学滤波器。

本实施例2示出将图1A以及图1B、图2A至图2C示出的实施例1中的量子型红外线传感器元件以及光学滤波器设为四个的实施例。

四个光学滤波器16a至16d包括使来自红外线光源的参照光透过的一个光学滤波器以及使与参照光分别不同的波长频带透过的三个光学滤波器。

在本实施例2中也能够采用与上述实施例1相同的结构，因而能够应用于红外线浓度仪是显而易见的。在本实施例中，示出能够分别对三种不同的气体的浓度进行测量的例子。

这样，通过本发明的实施例1或者实施例2的结构，能够实现具有小型且简单的元件形状并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的NDIR气体传感器用的量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪。

实施例3

图6是消除了图2B以及图5B示出的光学滤波器与量子型红外线传感器元件的空隙的结构图。也就是说，还能够设为使光学滤波器16a、16b与量子型红外线传感器元件13a、13b紧密接合而消除间隙的结构。还能够对保持构件15安装量子型红外线传感器元件13a、13b之后安装光学滤波器16a、16b。如本实施例所示，在本发明的量子型红外线传感器中，在光学滤波器16a、16b与量子型红外线传感器元件13a、13b之间不需要设置间隙，因而能够实现更小型且薄型的红外线传感器。

实施例4

图7是图2B示出的量子型红外线传感器元件的具体结构图，附图标记103a(103b)示出传感器元件部。量子型红外线传感器元件13a、13b具有传感器元件部103a(103b)，该传感器元件部103a(103b)具备：第一接触层106，其设置于衬底105上；吸收层107，其设置于该第一接触层106上；势垒层108，其设置于该吸收层107上；第二接触层109，其设置于该势垒层108上；第二元件部电极111b，其设置于该第二接触层109上；钝化层110，其被设置成与第一接触层106、吸收层107、势垒层108以及第二接触层109相邻；以及第一元件部电极111a，其隔着该钝化层110设置于衬底105上。

也就是说，除了传感器元件部103a(103b)的受光面以外的整体被树脂膜制部101覆盖，在传感器元件部103a(103b)两侧设置有用于取出传感器信号的传感器电极端子102a、102b。并且，在从树脂膜制部101的一部分开窗的状态下设置传感器元件部103a(103b)以取入红外线。并且，连接在构成传感器元件部103a(103b)的第一元件部电极111a与第二元件部电极111b上且形成于衬底105上的电极焊盘104a、104b通过接合引线113与传感器电极端子102a、102b电连接。

并且，更详细地说明传感器元件部103a(103b)。例如，在半绝缘性GaAs衬底105上形成n型InSb接触层106、n型InSb吸收层107、p型AlInSb势垒层108以及p型InSb接触层109，n型InSb接触层106通过第一元件部电极111a与一侧的电极焊盘104a电连接，并且，p型InSb接触层109通过第二元件部电极111b与另一侧的电极焊盘104b电连接。

构成传感器元件部103a(103b)的半导体薄膜的材料并不限于上述例子。在规定位置形成有SiN等钝化膜110使得元件部电极111a、111b不会与半导体层接触。并且，半绝缘性GaAs衬底的背面成为取入红外线的窗，因此形成有保护膜112。为了防止所入射的红外线反射、保护传感器部而设置该保护膜112，优选选择能够尽可能多地使要测量的波长的红外线透过的材质。例如，优选使用氧化硅、氮化硅、氧化钛等。保护膜的膜厚优选在50nm以上800nm以下，更优选在100nm以上500nm以下。

通过这种结构，透过光学滤波器16a、16b的红外线从传感器元件部103a、103b的保护膜112入射到半绝缘性GaAs衬底105。透过光学滤波器16a、16b的红外线的波长为3.8μm、4.3μm等，半绝缘性GaAs衬底105的能量带隙较宽，透过光学滤波器16a、16b的红外线不被GaAs衬底105吸收而透过。透过GaAs衬底105的红外线被传感器元件部103a、103b的n型InSb吸收层107吸收，在n型InSb吸收层107内由于光激发后的电子而产生光电流。根据该光电流的产生量，能够从元件部电极111a、111b取出输出电压。

图8是串联连接图7示出的量子型红外线传感器元件的传感器元件部的结构图，设置多个传感器元件部103a(103b)，串联连接该多个传感器元件部103a(103b)。由此能够得到较大的输出信号。在同一面积的衬底上串联排列多个传感器元件部103a(103b)，能够提高量子型红外线传感器的灵敏度，因此优选充分利用微细加工技术来尽可能形成较多的传感器元件部103a(103b)。

实施例5

图9是用于说明本发明的NDIR气体浓度仪的结构图。该NDIR气体浓度仪是单光源双波长比较NDIR气体浓度仪，例如通过与二氧化碳的吸收特性相应的光学滤波器16b(中心波长4.3μm、半值幅度270nm、透过率75％以上)以及使作为参照光而各种气体不吸收的波长、例如波长大约3.8μm左右的红外线透过的光学滤波器16a来选择两个波长，分别由量子型红外线传感器13a和13b来检测所选择的红外线。在这种情况下，通过与所测量的参照光的吸收特性进行比较，能够修正由光源10的劣化、采样单元11的污染等引起的输出信号的经时变化。

作为本发明的NDIR气体浓度仪的例子，在二氧化碳气体浓度仪中，使用被二氧化碳吸收的4.3μm的带通滤波器作为光学滤波器16b即可。另外，在一氧化碳气体浓度仪中，使用被一氧化碳吸收的4.6μm的带通滤波器作为光学滤波器16b。并且，在氮氧化物(ex.NO)的情况下，使用5.2μm的带通滤波器作为光学滤波器16b，在甲醛的情况下，使用5.6μm的带通滤波器作为光学滤波器16b，由此能够实现各自的气体浓度仪。实施例2(图4)示出使用与参照光用的光学滤波器不同的三种气体的光学滤波器的量子型红外线传感器。根据本实施例2，能够实现非常小型且薄型的量子型红外线传感器，并且作为NDIR气体浓度仪整体也能够实现目前最小型。

图10是表示图9示出的NDIR气体浓度仪的信号处理结构的电路图。本发明的NDIR气体浓度仪通过以下计算能够对成为测量对象的气体的气体浓度进行定量。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，当设为气体吸收带的入射光度为Ig0、气体吸收带的透过光度为Ig、吸光度系数为ε、气体路径长度为L时，能够利用以下式来表示气体浓度c。

[式1]

$>c=\frac{\mathrm{Log}\frac{I_{\mathrm{go}}}{I_g}}{ϵ·L}$>

气体吸收带的入射光度Ig0与非吸收的波长频带的透过光度Ib成正比，因此当将比例系数设为α时，

[式2]

I_go＝α·I_b

因而，使用气体的吸收带的透过光量和气体的非吸收的波长频带的透过光量，利用以下式求出气体浓度的定量。

[式3]

$>c=\frac{\mathrm{Log}\frac{I_b}{I_g}+\log \alpha }{ϵ·L}$>

在使用这种计算方法且使用与红外线的光量成正比地输出的传感器的情况下，信号处理电路成为图10示出的结构。也就是说，在采样单元11内的另一端即基准侧和气体吸收侧隔着滤波器119a、119b设置量子型红外线传感器元件120a、120b。通过放大器(amplifier)121a、121b对分别来自该量子型红外线传感器元件120a、120b的传感器信号(基准侧V1、气体吸收侧V2)进行放大。在这种情况下，传感器输出在电压的情况下使用电压放大器，在电流的情况下使用电流电压变换放大器。

来自放大器121a、121b的传感器信号通过噪声滤波器122a、122b而被去除传感器、电路、外来的噪声。该噪声滤波器122a、122b使用用于频带限制的低通滤波器、带通滤波器以及用于将信号平均化的积分器等。

将分别来自该噪声滤波器122a、122b的信号以及来自电路偏移存储器124的信号输入到减法器123a、123b，从传感器信号中减去来自电路偏移存储器124的值而去除偏移。该减法器123a、123b用于去除传感器、电路的偏移，能够通过从传感器信号减去预先设定或者在定量动作中定期更新值而设定的来自电路偏移存储器124的值来去除信号的偏移。

Log运算器125根据分别来自减法器123a、123b的信号对气体吸收带的透过光量的信号(V1)以及气体非吸收的波长频带的透过光量的信号(V2)的Log比进行运算。加法器126对来自Log运算器125的信号相加如下偏移，该偏移为使用两个波长频带得到的来自气体偏移存储器127的相当于比例系数的偏移Logα。除法器128用来自加法器126的信号除去来自气体常数设定存储器129的由气体的吸光度系数ε和气体路径长度L决定的常数。

这样，根据以下式，能够使用气体吸收带的透过光量以及气体非吸收的波长频带的透过光量来对气体浓度进行定量分析。

[式4]

$>c=\frac{\mathrm{Log}\frac{V1}{V2}+\log \alpha }{ϵ·L}$>

其中，α＝V2’/V1，α是比例系数，V1是基准侧的输出电压，V2是气体吸收侧的输出电压，V2’是气体吸收侧不吸收时的电压值，ε是吸光度系数，L是气体路径长度。

此外，从上述减法器123a、123b至除法器128的信号处理部除了进行模拟处理以外，也可以在使用A/D变换器将信号数字化的CPU等运算器中进行处理。

产业上的可利用性

本发明涉及一种量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪，能够实现具有小型和薄型且简单的元件形状并且在测量气体的流量变化、温度变化等环境变化的情况下能够稳定地进行测量的NDIR气体浓度仪用的量子型红外线传感器以及使用该量子型红外线传感器的量子型红外线气体浓度仪。