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JP4457455B2 - Fabry-Perot filter and infrared gas analyzer - Google Patents
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JP4457455B2 - Fabry-Perot filter and infrared gas analyzer - Google Patents

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JP4457455B2 JP2000041287A JP2000041287A JP4457455B2 JP 4457455 B2 JP4457455 B2 JP 4457455B2 JP 2000041287 A JP2000041287 A JP 2000041287A JP 2000041287 A JP2000041287 A JP 2000041287A JP 4457455 B2 JP4457455 B2 JP 4457455B2
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中などのガス濃度を、赤外線を用いて測定するガス分析計に使用される、波長選択型赤外線検出素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ガス分析においては、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、非分散赤外線(Non−Dispersive InfraRed)ガス分析計(以下、NDIRガス分析計と記す)が使用されている。
【0003】
図7から図11は、従来のNDIRガス分析計の構成図である。
尚、以下においては、赤外線吸収波長のピークが約4.25μmである二酸化炭素を被測定ガスとして説明する。
【0004】
図7は、単光線単波長NDIRガス分析計で、ガスが供給されるサンプルセル20と、光源21と、フィルタ22と、赤外線検出器23とからなっている。
この場合、フィルタ22は、図12に示すような、二酸化炭素の吸収特性にあわせてその波長が4.25μm近傍の赤外線を選択して透過させる。
そして、赤外線検出器23は、フィルタ22を透過した赤外線を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定する、
【0005】
図8は、単光線2波長比較NDIRガス分析計で、図13に示すように、二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ22と、参照光として約3.9μm近傍の波長の赤外線を透過させるフィルタ24で2波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器23,25により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源21の劣化や、サンプルセル20の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【0006】
図9は、単光線2波長比較NDIRガス分析計で、円盤26に形成された二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ22と、参照光のフィルタ24で2波長を選択し、フィルタによって選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器23により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源21の劣化や、サンプルセル20の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【0007】
図10は、単光線2波長ファブリペローNDIRガス分析計で、ファブリペローフィルタ26を構成する2つの平行ミラー(図示しない)間のギャップを可変とすることにより、被測定ガスの吸収特性に合わせた波長と参照光の波長との2波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器23により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源21の劣化や、サンプルセル20の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【0008】
図11は、2光線1波長NDIRガス分析計で、サンプルセル20中での光路長が異なるように2つの光源21,27を配置し、被測定ガスの吸収特性に合わせたフィルタ22を透過して検出された赤外線検出器23の出力信号の比率により、サンプルセル20の汚れ等による出力信号の経時変化を補正し、被測定ガスの濃度を測定する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなNDIRガス分析計においては、被測定ガスに複数の成分が含まれている場合、その複数の成分の濃度を測定するためには、フィルタの枚数を増加させなければならなず、分析計のコストが増大するとともに、分析計が大型化してしまう、という問題点があった。
【0010】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、参照光を含めて3つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することにより、被測定ガスの2成分の濃度を同時に測定できる赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1においては、光源からの赤外線を被測定ガスに含まれる2成分の吸収特性に対応した各波長帯域と参照光を含めた3つの波長帯域で選択的に透過するファブリペローフィルタにおいて、基板に設けられた第一ミラーと、この第一ミラーとの間に、前記被測定ガスに含まれる前記2成分のうち一方の成分の赤外線吸収のピークにおける短波長λ1と他方の成分の赤外線吸収のピークにおける長波長λ2との両ピークの波長の範囲内(λ1〜λ2)であって初期状態で前記参照光を透過させる長さのギャップが形成され、外力が加えられることにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極との間に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを下記A〜Cの3段階に可変とすることを特徴とするファブリペローフィルタである。
A)前記参照光を透過する長さ
B)前記2成分のうち一方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
C)前記2成分のうち他方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
【0012】
本発明の請求項2においては、前記第一ミラー及び前記第二ミラーはシリコンであることを特徴とする請求項1記載のファブリペローフィルタである。
【0014】
本発明の請求項においては、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前記波長選択フィルタは、請求項1または請求項2に記載のファブリペローフィルタにより構成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【0015】
本発明の請求項においては、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前記波長選択フィルタは、請求項1または請求項2に記載のファブリペローフィルタにより構成され、前記赤外線検出器に先行する光路に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【0016】
本発明の請求項においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と水蒸気の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0017】
本発明の請求項においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と一酸化炭素の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0018】
本発明の請求項においては、前記被測定ガスは窒素酸化物と硫黄酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0019】
本発明の請求項においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と窒素酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0020】
本発明の請求項においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と硫黄酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
尚、以下の図面において、図7から図13と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
図1は本発明の実施例の構成を示す断面図である。
【0022】
また、以下においては、図2に示すように、赤外線吸収波長のピークが約4.25μmである二酸化炭素と、図3に示すように、赤外線吸収波長のピークが約2.7μmである水蒸気の2成分が含まれるガスを被測定ガスとして説明する。
【0023】
ファブリペローフィルタは、その中心波長が、2700nm(λ1)〜4250nm(λ2)の波長範囲内にあり、自由スペクトル領域FSRが、4250−2700nm(λ2−λ1)=1550nmよりも大きくなるように設計される。
【0024】
図1に示したファブリペローフィルタは、自由スペクトル領域FSR=2000nm、半値幅HBW=140nm、最大透過率Tmax=80%、フィネスFiness=14として設計されたものである。
【0025】
図1において、シリコンの基板1上に酸化膜2を介して第一ミラー3が形成され、第二ミラー4は、第一ミラー3上に形成された酸化膜5上に形成されて第一ミラー3に対向配置されている。
【0026】
そして、第二ミラー4に形成されたエッチング孔6より酸化膜5をエッチングすることにより酸化膜5の膜厚に相当するギャップhが第一ミラー3と第二ミラー4の間に形成され、第二ミラー4は外力が加えられることにより第一ミラー3の方向に変位可能となっている。
【0027】
第一ミラー3及び第二ミラー4は例えば多結晶シリコンからなり、第一ミラー3の表面には高濃度の不純物がドープされて第一電極7が形成され、第二ミラー4の表面には高濃度の不純物がドープされて第二電極8が形成されている。
【0028】
そして、第一電極7に外部から通電可能とする外部電極9が第一電極7に接触して形成され、第二電極8に外部から通電可能とする外部電極10が第二電極8に接触して形成されている。
【0029】
この場合、ファブリペローフィルタの中心波長λは、ギャップhの長さ、すなわち酸化膜5の膜厚に相当し、例えば3100nmである。
そして、第一ミラー3は、ファブリペローフィルタの下部ミラーとなるため、その光学膜厚はλ/4とする必要があり、この場合、酸化膜の膜厚は592nm(屈折率1.309)、第一ミラー3及び第二ミラー4の膜厚は248nm(屈折率3.125)となっている。
【0030】
次に、動作を説明する。
図4(a),(b),(c)は、図1に示したファブリペローフィルタの動作説明図である。
【0031】
第一電極7と第二電極8に、外部電極9と外部電極10を介して電位差を与えると、第一電極7と第二電極8との間に静電吸引力が発生し、第二ミラー4が第一ミラー3の方向に変位し、ギャップhの長さが変化する。
この電圧を変化させることにより、被測定ガスの吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過させるギャップの長さを得ることができる。
【0032】
例えば、図4(a)において、電圧を印加しない初期状態でのギャップh(すなわち絶縁層の膜厚約3100nm)を参照光測定状態とした場合、その透過光量の変化により、光源の経時変化や光学系の汚れの補正データとすることができる。
【0033】
そして、図4(b)に示すように、ギャップhを約2590nmとなるように電位差を調整した場合は、水蒸気を測定対象とすることができ、図4(c)に示すように、ギャップhを約2270nmとなるように電位差を調整した場合は、二酸化炭素を測定対象とすることができる。
【0034】
このように、ギャップhの長さを3段階に可変としたので、参照光を含めて3つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することができる。
【0035】
また、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、赤外線検出器の出力に基づいて被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、上述のようなファブリペローフィルタを使用した場合、波長選択フィルタの枚数を増加させずに被測定ガスの2成分の濃度を同時に測定できるため、赤外線ガス分析計の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【0036】
ところで、ファブリペローフィルタは、図5に示すように、一つのガスに対して複数の波長帯域に複数の透過ピークを示す。
例えば、ギャップhを2270nmとした二酸化炭素の場合は、4250nm近傍と2400nm近傍、ギャップを2590nmとした水蒸気の場合は、4700nm近傍と2700nm近傍、ギャップを3100nmとした参照光の場合は3100nm近傍と2200nm近傍にピークが存在する。
【0037】
従って、図6に示すように、赤外線検出器14に先行する光路に、例えば2600nmから4500nmまでの波長を透過し、それ以外の帯域は不透過とするようなワイドバンドパスフィルタ12を設けることにより、図5に示すようにギャップhを2270nmとした二酸化炭素の場合は4250nm近傍のみ、ギャップhを2590nmとした水蒸気の場合は2700nm近傍のみ、ギャップを3100nmとした参照光の場合は3100nm近傍のみが選択され、各ギャップで一つのピークのみを選択させることにより、複数のガスの吸収量を測定することができる。
【0038】
尚、図6においては、光源11とファブリペローフィルタ13の間の光路にワイドバンドパスフィルタ12を設けたが、ファブリペローフィルタ13と赤外線検出器14との間の光路にワイドバンドパスフィルタ12を設けても良い。
【0039】
また、本実施例では二酸化炭素と水蒸気の2成分を測定対象とした場合について説明したが、ファブリペローフィルタの中心波長は2成分の赤外線吸収のピークをλ1(短波長)、λ2(長波長)とするとλ1〜λ2の波長範囲にあり、自由スペクトル領域はλ2−λ1より大きくなるように設計すれば良いので、例えば二酸化炭素と一酸化炭素の2成分、窒素酸化物と硫黄酸化物の2成分、等の組み合わせによる濃度測定も可能である。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項1から請求項3によれば、ギャップの長さを3段階に可変としたので、参照光を含めて3つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することができる。
【0041】
本発明の請求項4によれば、本発明の請求項1から請求項3記載のファブリペローフィルタを使用したので、波長選択フィルタの枚数を増加させずに被測定ガスの2成分の濃度を同時に測定でき、また赤外線ガス分析計の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【0042】
本発明の請求項5によれば、本発明の請求項1から請求項3記載のファブリペロフィルタを使用し、特定帯域幅のみの赤外線を透過するワイドバンドパスフィルタを設けたので、各ギャップで一つのピークのみを選択させ、複数のガス濃度を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0043】
本発明の請求項6によれば、二酸化炭素と水蒸気の2成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0044】
本発明の請求項7によれば、二酸化炭素と一酸化炭素の2成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0045】
本発明の請求項8によれば、窒素酸化物と硫黄酸化物の2成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0046】
本発明の請求項9によれば、二酸化炭素と窒素酸化物の2成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0047】
本発明の請求項10によれば、二酸化炭素と硫黄酸化物の2成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【0048】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示す断面図である。
【図2】二酸化炭素の赤外線吸特性図である。
【図3】水蒸気の赤外線吸特性図である。
【図4】本発明の実施例の動作説明図である。
【図5】ファブリペローフィルタの透過特性及びガス吸収特性図である。
【図6】本発明の実施例を使用した赤外線ガス分析計の構成概略図である。
【図7】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【図8】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【図9】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【図10】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【図11】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【図12】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【図13】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【符号の説明】
1 基板
3 第一ミラー
4 第二ミラー
7 第一電極
8 第二電極
11 光源
12 ワイドバンドパスフィルタ
13 ファブリペローフィルタ
14 赤外線検出器
h ギャップ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength selective infrared detecting element used in a gas analyzer that measures the gas concentration in the atmosphere or the like using infrared rays.
[0002]
[Prior art]
In gas analysis, a non-dispersive infrared gas analyzer (Non-Dispersive InfraRed) gas analyzer that measures the gas concentration by detecting the amount of absorption by utilizing the difference in the wavelength of infrared rays absorbed depending on the type of gas. Hereinafter, an NDIR gas analyzer) is used.
[0003]
7 to 11 are configuration diagrams of a conventional NDIR gas analyzer.
In the following, carbon dioxide having an infrared absorption wavelength peak of about 4.25 μm will be described as a gas to be measured.
[0004]
FIG. 7 shows a single-light single-wavelength NDIR gas analyzer, which includes a sample cell 20 to which a gas is supplied, a light source 21, a filter 22, and an infrared detector 23.
In this case, the filter 22 selects and transmits infrared rays having a wavelength in the vicinity of 4.25 μm in accordance with the carbon dioxide absorption characteristics as shown in FIG.
And the infrared detector 23 measures the density | concentration of to-be-measured gas by detecting the infrared rays which permeate | transmitted the filter 22,
[0005]
FIG. 8 shows a single-light two-wavelength comparison NDIR gas analyzer. As shown in FIG. 13, a filter 22 that matches the absorption characteristics of carbon dioxide and a filter that transmits infrared light having a wavelength in the vicinity of about 3.9 μm as reference light. 24, two wavelengths are selected, and the selected infrared rays are detected by infrared detectors 23 and 25, respectively.
In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0006]
FIG. 9 is a single-light two-wavelength comparison NDIR gas analyzer. Two wavelengths are selected by a filter 22 that matches the absorption characteristics of carbon dioxide formed on the disk 26 and a filter 24 for reference light, and are selected by the filter. Infrared rays are detected by an infrared detector 23, respectively.
In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0007]
FIG. 10 shows a single-light two-wavelength Fabry-Perot NDIR gas analyzer, which is adapted to the absorption characteristics of the gas to be measured by making the gap between two parallel mirrors (not shown) constituting the Fabry-Perot filter 26 variable. Two wavelengths, the wavelength and the wavelength of the reference light, are selected, and the selected infrared rays are detected by the infrared detector 23, respectively.
In this case, a change with time of the output signal due to deterioration of the light source 21 or contamination of the sample cell 20 can be corrected by comparison with the measured absorption characteristic of the reference light.
[0008]
FIG. 11 is a two-light one-wavelength NDIR gas analyzer, in which two light sources 21 and 27 are arranged so that the optical path lengths in the sample cell 20 are different, and the light is transmitted through a filter 22 that matches the absorption characteristics of the gas to be measured. Based on the ratio of the output signal of the infrared detector 23 detected in this way, the change over time of the output signal due to contamination of the sample cell 20 is corrected, and the concentration of the gas to be measured is measured.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such an NDIR gas analyzer, when the gas to be measured contains a plurality of components, the number of filters must be increased in order to measure the concentration of the plurality of components. However, there is a problem that the cost of the analyzer increases and the analyzer becomes large.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems. By realizing a Fabry-Perot filter that selectively transmits infrared light in three wavelength bands including reference light, two components of the gas to be measured are obtained. An object of the present invention is to provide an infrared gas analyzer capable of simultaneously measuring the concentration of water.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to claim 1 of the present invention, a Fabry-Perot filter that selectively transmits infrared light from a light source in three wavelength bands including each wavelength band corresponding to the absorption characteristics of two components contained in the gas to be measured and reference light. The short wavelength λ1 at the peak of infrared absorption of one of the two components contained in the gas to be measured and the other component between the first mirror provided on the substrate and the first mirror. A gap is formed in the wavelength range of both peaks (λ1 to λ2) with the long wavelength λ2 at the infrared absorption peak, and the reference light is transmitted in an initial state, and an external force is applied to the first peak. A second mirror disposed displaceably facing one mirror, a first electrode provided on the first mirror, and a second electrode disposed on the second mirror and disposed opposite the first electrode. The second mirror is displaced by applying a potential difference between the first electrode and the second electrode, and the length of the gap is variable in three stages A to C below. It is a Fabry-Perot filter.
Corresponds to the absorption characteristics of the other components of the length C) the two components transmitted through the infrared wavelength band corresponding to the absorption characteristics of one component of the length B) the two components transmitted through A) said reference beam Length for transmitting infrared light in the selected wavelength band.
According to a second aspect of the present invention, in the Fabry-Perot filter according to the first aspect, the first mirror and the second mirror are made of silicon.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, a light source for irradiating the gas to be measured with infrared light, a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source, and infrared detection for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter An infrared gas analyzer that measures a concentration of the gas to be measured based on an output of the infrared detector, wherein the wavelength selection filter is a Fabry-Perot filter according to claim 1 or 2. It is an infrared gas analyzer characterized by comprising.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, a light source that irradiates the gas to be measured with infrared light, a wavelength selection filter that selectively transmits infrared light from the light source, and infrared detection that detects infrared light transmitted through the wavelength selective filter. An infrared gas analyzer that measures a concentration of the gas to be measured based on an output of the infrared detector, wherein the wavelength selection filter is a Fabry-Perot filter according to claim 1 or 2. An infrared gas analyzer comprising a wide bandpass filter configured and disposed in an optical path preceding the infrared detector and transmitting only a wavelength in a specific band.
[0016]
In claim 5 of the present invention, the measurement gas contains two components of carbon dioxide and water vapor, the infrared gas analyzer of claim 3 or claim 4 wherein determining the concentration of the two components It is.
[0017]
In claim 6 of the present invention, the measurement gas contains two components of carbon dioxide and carbon monoxide, according to claim 3 or claim 4 infrared gas wherein measuring the concentration of the two components It is an analyzer.
[0018]
In claim 7 of the present invention, the measurement gas contains two components of nitrogen oxides and sulfur oxides, infrared claim 3 or claim 4 wherein determining the concentration of the two components It is a gas analyzer.
[0019]
In claim 8 of the present invention, the measurement gas contains two components of carbon dioxide and nitrogen oxides, according to claim 3 or claim 4 infrared gas wherein measuring the concentration of the two components It is an analyzer.
[0020]
In Claim 9 of this invention, the said to-be-measured gas contains two components of a carbon dioxide and a sulfur oxide, The density | concentration of these two components is measured, The infrared gas of Claim 3 or Claim 4 characterized by the above-mentioned. It is an analyzer.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following drawings, the same parts as those in FIGS. 7 to 13 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of the present invention.
[0022]
In the following, carbon dioxide having an infrared absorption wavelength peak of about 4.25 μm as shown in FIG. 2 and water vapor having an infrared absorption wavelength peak of about 2.7 μm as shown in FIG. A gas containing two components will be described as a gas to be measured.
[0023]
The Fabry-Perot filter is designed so that its center wavelength is in the wavelength range of 2700 nm (λ1) to 4250 nm (λ2), and the free spectral region FSR is larger than 4250-2700 nm (λ2-λ1) = 1550 nm. The
[0024]
The Fabry-Perot filter shown in FIG. 1 is designed with a free spectral region FSR = 2000 nm, a full width at half maximum HBW = 140 nm, a maximum transmittance Tmax = 80%, and a finesse finess = 14.
[0025]
In FIG. 1, a first mirror 3 is formed on a silicon substrate 1 via an oxide film 2, and a second mirror 4 is formed on an oxide film 5 formed on the first mirror 3. 3 are arranged opposite to each other.
[0026]
A gap h corresponding to the film thickness of the oxide film 5 is formed between the first mirror 3 and the second mirror 4 by etching the oxide film 5 from the etching hole 6 formed in the second mirror 4. The two mirrors 4 can be displaced in the direction of the first mirror 3 by applying an external force.
[0027]
The first mirror 3 and the second mirror 4 are made of, for example, polycrystalline silicon, and the surface of the first mirror 3 is doped with high-concentration impurities to form the first electrode 7. A second electrode 8 is formed by doping impurities of a concentration.
[0028]
Then, an external electrode 9 that allows the first electrode 7 to be energized from the outside is formed in contact with the first electrode 7, and an external electrode 10 that allows the second electrode 8 to be energized from the outside contacts the second electrode 8. Is formed.
[0029]
In this case, the center wavelength λ of the Fabry-Perot filter corresponds to the length of the gap h, that is, the thickness of the oxide film 5, and is 3100 nm, for example.
And since the 1st mirror 3 becomes a lower mirror of a Fabry-Perot filter, the optical film thickness needs to be set to λ / 4. In this case, the film thickness of the oxide film is 592 nm (refractive index: 1.309), The film thickness of the first mirror 3 and the second mirror 4 is 248 nm (refractive index 3.125).
[0030]
Next, the operation will be described.
FIGS. 4A, 4B, and 4C are operation explanatory diagrams of the Fabry-Perot filter shown in FIG.
[0031]
When a potential difference is applied to the first electrode 7 and the second electrode 8 via the external electrode 9 and the external electrode 10, an electrostatic attractive force is generated between the first electrode 7 and the second electrode 8, and the second mirror 4 is displaced in the direction of the first mirror 3, and the length of the gap h changes.
By changing this voltage, it is possible to obtain the length of the gap that transmits infrared rays in the wavelength band corresponding to the absorption characteristics of the gas to be measured.
[0032]
For example, in FIG. 4A, when the gap h in the initial state where no voltage is applied (that is, the film thickness of the insulating layer is about 3100 nm) is set as the reference light measurement state, It can be used as correction data for contamination of the optical system.
[0033]
Then, as shown in FIG. 4B, when the potential difference is adjusted so that the gap h is about 2590 nm, water vapor can be measured, and as shown in FIG. When the potential difference is adjusted to be about 2270 nm, carbon dioxide can be measured.
[0034]
As described above, since the length of the gap h is variable in three stages, it is possible to realize a Fabry-Perot filter that selectively transmits infrared light in three wavelength bands including reference light.
[0035]
A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In the infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the detector, when the Fabry-Perot filter as described above is used, the two components of the gas to be measured can be obtained without increasing the number of wavelength selection filters. Since the concentration can be measured simultaneously, the infrared gas analyzer can be reduced in size and cost.
[0036]
By the way, the Fabry-Perot filter exhibits a plurality of transmission peaks in a plurality of wavelength bands for one gas, as shown in FIG.
For example, in the case of carbon dioxide with a gap h of 2270 nm, in the case of water vapor with a gap of about 2250 nm and around 4250 nm, in the case of water vapor with a gap of 2590 nm, in the case of reference light with a gap of 3100 nm, around 3100 nm and 2200 nm. There is a peak in the vicinity.
[0037]
Therefore, as shown in FIG. 6, by providing a wide bandpass filter 12 that transmits wavelengths from 2600 nm to 4500 nm, for example, and does not transmit other bands in the optical path preceding the infrared detector 14. As shown in FIG. 5, in the case of carbon dioxide with a gap h of 2270 nm, only in the vicinity of 4250 nm, in the case of water vapor with a gap h of 2590 nm, only in the vicinity of 2700 nm, and in the case of reference light with a gap of 3100 nm, only in the vicinity of 3100 nm By selecting only one peak in each gap, the amount of absorption of a plurality of gases can be measured.
[0038]
In FIG. 6, the wide bandpass filter 12 is provided in the optical path between the light source 11 and the Fabry-Perot filter 13, but the wide bandpass filter 12 is provided in the optical path between the Fabry-Perot filter 13 and the infrared detector 14. It may be provided.
[0039]
In this embodiment, the case where two components of carbon dioxide and water vapor are measured has been described. However, the center wavelength of the Fabry-Perot filter is the infrared absorption peak of two components at λ1 (short wavelength) and λ2 (long wavelength). Then, the wavelength range is λ1 to λ2, and the free spectral range may be designed to be larger than λ2 to λ1, so for example, two components of carbon dioxide and carbon monoxide, two components of nitrogen oxide and sulfur oxide. It is possible to measure the concentration by a combination of.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to third aspects of the present invention, since the gap length is variable in three stages, infrared rays in three wavelength bands including the reference light are selectively transmitted. A Fabry-Perot filter can be realized.
[0041]
According to claim 4 of the present invention, since the Fabry-Perot filter according to claims 1 to 3 of the present invention is used, the concentrations of the two components of the gas to be measured can be simultaneously increased without increasing the number of wavelength selection filters. Measurement can be performed, and the infrared gas analyzer can be reduced in size and cost.
[0042]
According to Claim 5 of the present invention, since the Fabry-Perot filter according to Claims 1 to 3 of the present invention is used and a wide bandpass filter that transmits infrared light of only a specific bandwidth is provided, An infrared gas analyzer capable of selecting only one peak and measuring a plurality of gas concentrations can be provided.
[0043]
According to claim 6 of the present invention, an infrared gas analyzer capable of measuring two components of carbon dioxide and water vapor can be provided.
[0044]
According to claim 7 of the present invention, an infrared gas analyzer capable of measuring two components of carbon dioxide and carbon monoxide can be provided.
[0045]
According to claim 8 of the present invention, an infrared gas analyzer capable of measuring two components of nitrogen oxide and sulfur oxide can be provided.
[0046]
According to claim 9 of the present invention, an infrared gas analyzer capable of measuring two components of carbon dioxide and nitrogen oxide can be provided.
[0047]
According to claim 10 of the present invention, an infrared gas analyzer capable of measuring two components of carbon dioxide and sulfur oxide can be provided.
[0048]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an infrared absorption characteristic diagram of carbon dioxide.
FIG. 3 is an infrared absorption characteristic diagram of water vapor.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a transmission characteristic and gas absorption characteristic diagram of a Fabry-Perot filter.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an infrared gas analyzer using an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional NDIR gas analyzer.
FIG. 12 is a graph showing infrared transmission characteristics and absorption characteristics of a filter.
FIG. 13 is a graph showing infrared transmission characteristics and absorption characteristics of a filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 3 First mirror 4 Second mirror 7 First electrode 8 Second electrode 11 Light source 12 Wide band pass filter 13 Fabry-Perot filter 14 Infrared detector h Gap

Claims (9)

光源からの赤外線を被測定ガスに含まれる2成分の吸収特性に対応した各波長帯域と参照光を含めた3つの波長帯域で選択的に透過するファブリペローフィルタにおいて、
基板に設けられた第一ミラーと、
この第一ミラーとの間に、前記被測定ガスに含まれる前記2成分のうち一方の成分の赤外線吸収のピークにおける短波長λ1と他方の成分の赤外線吸収のピークにおける長波長λ2との両ピークの波長の範囲内(λ1〜λ2)であって初期状態で前記参照光を透過させる長さのギャップが形成され、外力が加えられることにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、
前記第一ミラーに設けられる第一電極と、
前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、
前記第一電極と前記第二電極との間に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを下記A〜Cの3段階に可変とすることを特徴とするファブリペローフィルタ。
A)前記参照光を透過する長さ
B)前記2成分のうち一方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
C)前記2成分のうち他方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
In a Fabry-Perot filter that selectively transmits infrared light from a light source in each wavelength band corresponding to absorption characteristics of two components contained in a gas to be measured and three wavelength bands including reference light,
A first mirror provided on the substrate;
Between this first mirror, both peaks of the short wavelength λ1 at the infrared absorption peak of one of the two components contained in the gas to be measured and the long wavelength λ2 at the infrared absorption peak of the other component In the initial state, a gap having a length that allows the reference light to pass therethrough is formed, and an external force is applied to displace the first mirror so as to be displaceable. A second mirror,
A first electrode provided on the first mirror;
A second electrode provided on the second mirror and disposed opposite to the first electrode;
A Fabry-Perot characterized in that the second mirror is displaced by applying a potential difference between the first electrode and the second electrode, and the length of the gap is variable in three stages A to C below. filter.
Corresponds to the absorption characteristics of the other components of the length C) the two components transmitted through the infrared wavelength band corresponding to the absorption characteristics of one component of the length B) the two components transmitted through A) said reference beam Length to transmit infrared in the specified wavelength band
前記第一ミラー及び前記第二ミラーはシリコンであることを特徴とする請求項1記載のファブリペローフィルタ。  The Fabry-Perot filter according to claim 1, wherein the first mirror and the second mirror are made of silicon. 被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the vessel,
前記波長選択フィルタは、請求項1または請求項2に記載のファブリペローフィルタにより構成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計。3. The infrared gas analyzer according to claim 1, wherein the wavelength selective filter includes the Fabry-Perot filter according to claim 1 or 2.
被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、A light source for irradiating the gas to be measured with infrared light; a wavelength selection filter for selectively transmitting infrared light from the light source; and an infrared detector for detecting infrared light transmitted through the wavelength selective filter. In an infrared gas analyzer that measures the concentration of the gas to be measured based on the output of the vessel,
前記波長選択フィルタは、請求項1または請求項2に記載のファブリペローフィルタにより構成され、The wavelength selective filter includes the Fabry-Perot filter according to claim 1 or claim 2,
前記赤外線検出器に先行する光路に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計。An infrared gas analyzer comprising a wide bandpass filter disposed in an optical path preceding the infrared detector and transmitting only a wavelength in a specific band.
前記被測定ガスは二酸化炭素と水蒸気の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計。The infrared gas analyzer according to claim 3 or 4, wherein the gas to be measured includes two components of carbon dioxide and water vapor, and the concentration of the two components is measured. 前記被測定ガスは二酸化炭素と一酸化炭素の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計。The infrared gas analyzer according to claim 3 or 4, wherein the gas to be measured includes two components, carbon dioxide and carbon monoxide, and the concentration of the two components is measured. 前記被測定ガスは窒素酸化物と硫黄酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計。5. The infrared gas analyzer according to claim 3, wherein the gas to be measured includes two components of nitrogen oxide and sulfur oxide, and the concentration of the two components is measured. 前記被測定ガスは二酸化炭素と窒素酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計。The infrared gas analyzer according to claim 3 or 4, wherein the gas to be measured includes two components of carbon dioxide and nitrogen oxide, and the concentration of the two components is measured. 前記被測定ガスは二酸化炭素と硫黄酸化物の2成分を含み、この2成分の濃度を測定することを特徴とする請求項3または請求項4記載の赤外線ガス分析計。The infrared gas analyzer according to claim 3 or 4, wherein the gas to be measured includes two components of carbon dioxide and sulfur oxide, and the concentration of the two components is measured.
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