JPH0634544A - 赤外線式ガスセンサ - Google Patents

赤外線式ガスセンサ

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JPH0634544A
JPH0634544A JP20838792A JP20838792A JPH0634544A JP H0634544 A JPH0634544 A JP H0634544A JP 20838792 A JP20838792 A JP 20838792A JP 20838792 A JP20838792 A JP 20838792A JP H0634544 A JPH0634544 A JP H0634544A
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忠 杉原
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線式ガスセンサの試料セル材としてシリ
コンを用いると、セルの小型化が可能となるが、この小
型化により測定感度が低下するので、これを防止する。 【構成】 試料セル11のガス流路12内壁に、Au、
Ag、Pt、Al、または、これらの合金からなる、高
反射膜13を被着、形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試料セルのガス流路溝
の内壁に高反射膜をコーティングした高感度の測定が可
能な赤外線式ガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】CO、CO2等の異なる原子からなるガ
ス分子は、それぞれ固有の振動をしている。そのような
分子に波長を連続的に変化させて赤外線を照射してゆく
と、分子の固有振動と同じ周波数の赤外線が吸収され、
分子の構造に応じたスペクトルが得られる。このスペク
トルから分子の構造を解析する方法を赤外線吸収スペク
トル法という。この赤外線吸収スペクトル法を用いたガ
ス分子の定量、定性分析は赤外線式ガスセンサを用いて
なされる。例えば、CO、CO2、CH4、SO2、ある
いはNOx等の異なる原子からなるガス分子の定量、定
性分析を、赤外線式ガスセンサによって行うものであ
る。
【0003】この赤外線式ガスセンサでは、2つの光源
から放射される赤外線が回転セクタにより断続光とな
り、一方は干渉フィルタセルと試料セルとを経て検出器
に達し、他方は干渉フィルタセルと比較セルとを経て検
出器に達する。この際、この試料セルと比較セルを通過
するガスの赤外線吸収の差を測定することにより、ガス
の定量、定性分析が行われる。
【0004】すなわち、上記検出器は、比較側と試料側
の2室に分離されており、この間にコンデンサ膜が設け
られている。また、検出器内には測定成分またはその成
分と同じ赤外線吸収帯をもつガスが封入されているの
で、被測定成分に固有な波長の赤外線だけが吸収され
る。
【0005】比較セルにはN2ガス等の不活性ガスが封
入されている。このため、この比較セルでは照射赤外線
の吸収は生じない。一方、試料セルに被測定成分が含ま
れている場合、この成分による赤外線吸収が生じてい
る。この結果、検出器での赤外線の吸収は試料側が比較
側より小さくなる。このときの熱エネルギーの差は、両
室の圧力差となり、上記コンデンサ膜に変位が生じる。
この容量変化を検出し、信号の処理のあと出力信号とし
て取り出す。
【0006】このような原理の赤外線式ガスセンサの試
料セルおよび比較セルの材質は、感度、堅牢性、およ
び、試料ガスによる腐食性等を考慮して、通常はステン
レスあるいは鉄等が用いられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに試料セルおよび比較セルにステンレス等を用いる場
合には試料セル形成のための溶接技術等が必要である。
また、高感度を得るためには、試料セルの体積を大きく
する必要があり、セル自体が、例えば250mm×70
mm×70mmというように大型となる。この結果、試
料ガスの流路が長くなったり、赤外線の光路が長くな
り、分析の応答時間が長い等の欠点を有していた。ま
た、セル重量が例えば0.5〜2.0kg程度と重いた
め、分析操作の簡便性、容易性に欠けていた。
【0008】そのため、本発明者らは、単結晶シリコン
板材を用いた、小型で軽量な試料セルを開発したが、小
型化が達成される反面、ガス流路が狭小となるため、測
定感度が低下する問題があった。
【0009】本発明は赤外線式ガスセンサの小型化およ
び軽量化に伴う感度の低下を抑えて、ガス流路壁での赤
外光の乱反射や光吸収の少ない赤外線式ガスセンサを提
供することを、その目的としている。
【0010】
【問題点を解決するための手段】このような目的は、下
記の本発明により達成される。すなわち本発明において
は、赤外線式ガスセンサの試料セルのガス流路を形成す
る溝の内壁に、Au、Ag、Pt、Al、または、これ
らの金属の合金を蒸着あるいはスパッタリングした高反
射膜を設ける。この高反射膜を形成することにより、上
記の課題は解決される。
【0011】
【作用】このように試料セルをシリコン製とすること
で、試料セルを小型化することが可能となるが、その結
果、試料セル内を流動する試料ガス量が減少し、ランバ
ート・ベール則にしたがって試料ガスの赤外線吸収量が
減少して感度が低下する。そこで、本発明においては、
シリコン製の試料セルのガス流路内壁にAu、Ag、P
t、Al、あるいはこれらの金属の合金等を用いた高反
射膜を形成する。この反射膜は、90%以上の反射率を
有するので、ガス流路内壁における赤外光の乱反射や光
吸収が防止され、シリコンを用いることにより実現した
試料セルの小型化による感度の低下を抑えることができ
る。
【0012】
【実施例】以下に本発明に係る赤外線式ガスセンサの実
施例について詳述する。図1〜図3は本発明の一実施例
を示すものである。本実施例においては、シリコン製試
料セル11の試料ガスのガス流路12の内壁にAu、A
g、Pt、Al、または、これらの金属の合金等を蒸着
あるいはスパッタリングした高反射膜13を設ける。蒸
着法としては、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法等を用い
る。そして、この高反射膜13の膜厚は800〜200
0オングストロームとすることが好ましい。この範囲未
満であると、赤外光を透過し、高い反射率が得られな
い。また、この高反射膜13の赤外光の反射率は90%
以上、より好ましくは99%以上とする。高反射膜13
が高い反射率を有することにより、ガス流路12の内壁
での赤外光の乱反射、光吸収を抑えることができ、小型
化による感度の低下を防止することができる。この高反
射膜13は、照射赤外光の光路となる部分を除いたガス
流路12内壁全面に形成することが好ましい。なお、こ
の高反射膜13とシリコン壁との間にSi3N4を用いた
厚さ0.1〜0.2μmの反応防止膜14を介在させる
と、高反射膜13の金属とシリコンとの反応が抑えら
れ、好適である。反応防止膜14としては、Si3N4の
ほかにTiN、MgF2等を用いることができる。
【0013】本発明の試料セル11は、50×30×
0.5mm程度の2枚の単結晶シリコンチップを貼り合
わせて構成している。各シリコン板の表面にはコの字形
状または半楕円形状の溝15がそれぞれ形成されてい
る。そして、この溝15が合致するように2枚のシリコ
ン板を貼合わせて試料セル11が得られる。シリコン板
の貼合わせは、界面16に自然酸化によって生成したS
iO2層を陽極接合すればよい。この陽極接合により、
表面のSiO2層の酸素はシリコン板内部に拡散して消
失するのでシリコンセル11の結晶の均一度は十分保た
れる。また、溝形状は赤外線通過に支障がなければ、任
意の形状は可能であるが、特に矩形や円形が好ましい。
また、その溝15の断面形状としては矩形に形成する場
合は、例えば異方性エッチング等で行うものとする。そ
して、この溝15の2つの開口部の一方が試料ガス入口
17、他方が試料ガス出口18となる。このガス流路1
2となる溝15の形成はエッチングによる。そして、こ
の溝15の幅および深さは1〜5mmおよび50〜20
0μm程度とする。溝15の寸法がこの範囲以上だと赤
外光が透過してしまい、この範囲未満であるとガスの測
定体積が少なくなり、測定感度を低下させる。なお、比
較ガス用の流路は、試料ガス流路12と平行にシリコン
板の表面に同一形状の溝15をエッチングしてい形成し
ている。
【0014】本発明の赤外線式ガスセンサにおいては、
赤外光は上記ガス流路12の長手方向に対しての直交面
に配設された光源19から照射される。この際に、セル
材質のシリコンは赤外光に対して透明であるので照射さ
れた赤外光はシリコン壁を透過してガス流路12を経て
検出器20に到達する。したがって、従来のステンレス
製の試料セルがガス流路部分に必要とした赤外光通過窓
は、本発明の試料セル11においては省略することがで
きる。21は光チョッパ、22はフィルタ、23は光源
側の光チョッパである。また、検出器20は試料ガスと
同一成分ガスが封入された2室を分離するコンデンサ膜
24を有して構成されている。このコンデンサ膜24の
容量変化を検出してガス成分の検出、分析を行うもので
ある。
【0015】このように作製された本発明の赤外線式ガ
スセンサは、大型ボイラなどのばい煙発生施設の排ガス
の監視、自動車排ガス監視、作業環境の監視、焼成炉の
雰囲気監視および制御、発電ボイラの省エネルギー、燃
焼器具の性能品質管理、および青果物の貯蔵庫の監視等
の用途に使用することができる。
【0016】また、上記試料セル11の形成は、以下の
ように行う。まず、単結晶シリコンに幅2.5mm、深
さ150μmのガス流路用の溝を半楕円状にエッチング
し、さらに、この溝内面に0.15μm厚の反応防止膜
を被着する。この後、この反応防止膜の表面に反射膜と
して、Auを1500オングストローム厚で蒸着する。
そして、この2枚のシリコン板を陽極接合法により貼合
わせる。その上で、50mm×30mmのセルを切り出
す。ここで、セルの赤外光照射面とガス流路面との厚さ
は、1mmである。このようにして作製したシリコンセ
ルの重量は、3.5gである。このシリコンセル11を
例えば非分散型赤外線ガスセンサVIA−510(株式
会社堀場製作所製)に装填し、測定対象ガスとしてCO
2ガスを選び、室温にて赤外線吸収分析を行った。この
際、CO2ガスの流量は0.2l/minとした。その
ときの検出感度は1ppmであり、高感度で赤外線吸収
分析が行えることが確認された。
【0017】
【発明の効果】本発明の赤外線式ガスセンサの試料セル
は、セルの小型化による感度の低下をガス流路内壁に形
成された高反射膜が補うので、高感度分析が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る赤外線式ガスセンサの
横断面図である。
【図2】本発明の一実施例に係る赤外線式ガスセンサに
用いるシリコンセルの斜視図である。
【図3】本発明の一実施例に係るシリコンセルの下半分
の縦断面図である。
【符号の説明】
11 試料セル 12 ガス流路 13 高反射膜 15 溝 20 検出器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料セルにガス流路を形成し、このガス
    流路を流れる試料ガス中の特定成分を測定する赤外線式
    ガスセンサにおいて、 上記ガス流路の内壁に高反射膜を被着したことを特徴と
    する赤外線式ガスセンサ。
  2. 【請求項2】 上記高反射膜は、Au、Ag、Pt、A
    l、または、これらの金属の合金からなる請求項1に記
    載の赤外線式ガスセンサ。
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