专利名称：红外线式火焰检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外线式火焰检测器。
背景技术：
以往，在各处研究开发出一种下述的红外线式火焰检测器当发生火灾时检测由火焰中的二氧化碳(CO2气体)的共振辐射(也称为“C02共振辐射”)产生的特定波长(4. 3um至4. 4 y m)的红外线来进行火焰检测(例如日本公开专利公报特开平3 - 78899号公报专利文献I)。其中，由CO2共振辐射产生的红外线如图23所示，从太阳光、高温物体或者低温物体放射出的红外线的相对强度光谱分布大不相同、放射出的红外线量总是变动，变动频率集中在I 15Hz之间这些现象广为人知(例如，空気調和 衛生工学会，“2.赤外線3波長式炎検知器”，(online),〔平成21年3月21日検索〕，>夕木'7卜<URL http://www.spectra, co. jp/kougaku. files/k_kessho. files/ktp. htm> :非专利文献 I)。在上述非专利文献I中公开了一种图24所示的构成的红外线3波长式火焰检测器。该红外线3波长式火焰检测器具备使CO2共振辐射波段的3个波长段(4. 0 u m、4.4um,5.0um)的红外线选择性地透射的3个光学滤光器(红外线光学滤光器)220^22(^2203和分别接受透过各光学滤光器22(^22(^22(^的红外线的3个红外线传感器240”2402、2403。而且，该红外线3波长式火焰检测器具备具有仅使各红外线传感器24(^24(^2403各自输出中的I IOHz的闪烁频率成分通过的电气带通滤波器并仅选择性地放大该频率成分的3个信号放大部25(^25(^25(^并且，该红外线3波长式火焰检测器具备利用独自的算法来计算从各信号放大部25(^25(^25(^输出的信号值的大小、信号值间的比率等，仅在检测到从火焰辐射出的CO2共振辐射的光谱峰值图案的情况下才判断为发生火灾，并将火灾信号输送给警报信号输出部270的火灾判断部&控制部260。上述非专利文献I中记载了该红外线3波长式火焰检测器针对火焰的选择性能非常高，不对自然光、荧光灯、钠灯、水银灯等人工照明发出反应。但是，在上述非专利文献I所公开的红外线3波长式火焰检测器中，将所具备的各光学滤光器22(^220^22(^以及各红外线传感器24(V2402、2403分别作为独立部件。因此，在该红外线3波长式火焰检测器中，被安装各光学滤光器22(^22(^22(^并且收纳各红外线传感器24(^24(^24(^的器件(未图示)的大小与上述专利文献I所述的红外线式火焰检测器的罐封装体(Can Package)相比相当大。另一方面，上述专利文献I所公开的红外线式火焰检测器如图25A、图25B所示，具备配置有4个红外线检测元件4(^4(^4(^4(^的圆盘状的绝缘基板171 ;与绝缘基板171相结合的金属制的盖172 ;以及红外线光学滤光器20’，该红外线光学滤光器20’被以封堵在盖172的前壁形成的透光窗7a的形式配置，在分别与各红外线检测元件4(^4(^4(^4(^对应的部位具有透射波段彼此不同的带通滤波器部202^202^202^202^该红外线火焰检测器利用绝缘基板171和盖172构成了罐封装体。其中，在图25A、图25B所示的构成的红外线式火焰检测器中，4个带通滤波器部202^202^202^2024中的一个按照使4. 3 y m的红外线透射的方式设定了透射波段。而且，红外线光学滤光器20’通过在I个玻璃基板上分4次选择蒸镀根据各带通滤波器部202^202^202^20 各自的透射特性而设计的多层膜，或者贴合4个扇形的带通滤波器部202^202^202^2024而形成。另外，以往作为红外线式气体检测器，已知有一种如图26所示，具备两个红外线光学滤光器2(^2(^ ;两个红外线受光元件4(^4(^ ；以及收纳两个红外线光学滤光器2(V202以及两个红外线受光元件4(V402的封装体7，将两个红外线光学滤光器20i、202的透射波段设定成能够分别透射检测对象气体的吸收波长的红外线和作为参照光的波长而设定的波长的红外线的检测器，考虑过将这种红外线式气体检测器用作红外线火焰检测器。其中，封装体7采用由金属制的撑体(stem)71和金属制的盖72构成的罐封装体，各红外线光学滤光器2(^2(^被以分别封堵设置在盖72上的两个透光窗的形式安装于盖72。但是，在图26所示的构成中，由于透射波段不同的两个红外线光学滤光器20i、202由独立的部件构成，所以存在着部件个数增加、分别需要将两个红外线光学滤光器20i、202分别安装到封装体7上的工序、成本变高之类的问题。而且，在封装体7中需要为各红外线 光学滤光器2(^2(^留出粘接部分，导致封装体7的小型化存在困难。与此相对，作为收纳在红外线式气体检测器的封装体中而使用的红外线受光�？�,如图27所不,提出了一种在由MgO基板构成的基板300的一个表面侧形成两个红外线受光元件40(^40(^，在各红外线受光元件40(^40(^上分别层叠彼此透射波长不同的窄波段透射滤光器部20(^20(^而成的�？�(日本公开专利公报特开平7 - 72078号公报专利文献2)。其中，各红外线受光元件40(^40(^以及各窄波段透射滤光器部20(^20(^利用派射法等形成。这些各红外线受光元件40(^400；^由焦电元件构成,其中，该焦电元件包括由PT膜构成的下部电极^iiJOI2 ;下部电极^iiJOI2上的由PbTiO3膜构成的焦电体膜402^4(^ ;以及焦电体膜402i、4022上的由NiCr膜构成的上部电极403i、4032。另外，作为构成成为各窄波段透射滤光器部20(^20(^的各多层膜的多种薄膜的材料组合，采用了从Si、Ge、Se、Te、LiF、NaF、CaF2、MgF2的组中选择出的材料的组合等。其中，在图27所示的构成的红外线光学�？橹校礁龊焱庀呤芄庠�40(^40(^的下部电极^l1WOl2彼此形成为连续一体而电连接。另外，以往提出了一种图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器(日本公开专利公报特开平3 - 205521号公报专利文献3)。在该红外线式气体检测器中，红外线光学滤光器�？�5和多个红外线受光元件4(^4(^4(^4(^被收纳在封装体7中，其中，红外线光学滤光器�？�5通过将透射波长彼此不同的多个红外线光学滤光器20:、202、203、204形成为同一厚度，并借助由粘结剂构成的粘结层19 (参照图28C)将该多个红外线光学滤光器20^20^2(^2(^相邻的侧面彼此粘结而形成，多个红外线受光元件4(^4(^4(^4(^接受分别透过各红外线光学滤光器2(^2(^2(^2(^的红外线。该封装体7成为由金属制的撑体71和金属制的盖72构成的罐(CAN)封装体。另外，在该红外线式气体检测器中，设在盖72的前壁的透光窗7a被由蓝宝石基板构成的红外线透射部件80封堵，在封装体7内封入N2或者干燥空气。上述专利文献3所公开的各红外线光学滤光器ZO1JO2JO3JO4，如图28C所示，在由Si基板构成的滤光器形成用基板I的一个表面侧，形成使红外线的规定波段透射的窄波段透射滤光器部2’，并且在滤光器形成用基板I的另一个表面侧，为了除去窄波段透射滤光器部2’中的透射波段以外的噪声成分而形成将红外线的短波段和长波段去除(cut)的宽波段去除滤光器部3’。而且，在上述专利文献3中记载了分别以由Ge和SiO构成的多层膜等来形成窄波段透射滤光器部2’以及宽波段去除滤光器部3’的方案。另外，在红外线式火焰检测器中，需要将使由CO2气体的共振辐射产生的4. 3 iim的红外线选择性地透射的窄波段滤光器部的中心波长设定为4. 3 ym，将透射波段宽度设定为0. 2 ii m左右，能够以IOm以上的距离来检测打火机程度大小的火焰。鉴于此，在红外线式火焰检测器的领域中，大多使用能够高灵敏度地进行测定的焦电元件、温差电堆来作为红外线受光元件。作为对焦电元件的输出进行放大的方式，有利用FET和与该FET的栅极连接的电阻的电流电压变换电路、或运算放大器的输出端子与反转输入端子之间连接了电容器的电流电压变换电路(日本公开专利公报特开平10 -281866号公报专利文献4)等。 可考虑将上述专利文献3公开的图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器用作红外线火焰检测器。但在制造时，从将滤光器特性不同的多种红外线光学滤光器2(V202、203、204形成在彼此不同的晶片上，到从各晶片分别剪裁成各个红外线光学滤光器2(V
202、203、204后，需要利用粘结剂19来粘结滤光器特性不同的红外线光学滤光器2(^2(^
203、204彼此。因此，对于这样的红外线火焰检测器而言，成本高并且由多个红外线光学元件40^40^40^404构成的红外线光学元件�？槟岩孕⌒突焱庀呤芄庠�40^40^40^404的中心间距离变大，在红外线受光元件4(^4(^4(^4(^中到达的红外线的光路长之差变大。即，在这样的红外线火焰检测器中，导致由作为第一选择波长的4. 3 的红外线构成的检测光、与由该第一选择波长以外的第二选择波长的红外线构成的参照光之间的光路长之差变大。而且，在这样的红外线火焰检测器中，各红外线受光元件4(^4(^4(^4(^的受光效率降低。另外，在图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器中，由于设置在盖72的前壁的透光窗7a被由蓝宝石基板构成的红外线透射部件80封堵，所以能够利用红外线透射部件80对成为噪声原因的太阳光、照明光等干扰光的远红外线进行去除，但导致部件个数增加并且组装工数增加，并且由于蓝宝石基板价格昂贵并且剪裁等加工存在困难，所以成本高。另外，如果增加红外线光学滤光器2(^2(^2(^2(^中的多层膜的层数，则能够在实现窄波段的带通滤光器的同时去除远红外线，但是成本变高。另外，在图28A、图28B所示的构成的红外线式气体检测器中，当为了在红外线光学滤光器ZO1JO2JO3JO4之间获得导通而利用了银膏等导电性粘结剂作为粘结剂19时，导致机械性强度变低。另外，在如图25A、图25B所示的构成的红外线式火焰检测器那样，通过在I个玻璃基板上分4次选择蒸镀根据各带通滤波器部202^202^202^2024各自的透射特性而设计的电介质多层膜来形成红外线光学滤光器20’的红外线式火焰检测器中，由于需要依次形成分别构成带通滤波器部202^202^202^20 的各多层膜，所以存在制造成本高的问题。另外，在通过贴合4个扇形的带通滤波器部202^202^202^2024来形成红外线光学滤光器20’的情况下，由于需要分别形成透射特性不同的带通滤波器部202^202^202^2024并形成扇形，所以存在制造成本高且机械强度低的问题。另外，在图28A、图28B所示的构成中，各红外线光学滤光器ZO1JO2JOy 204各自的一个表面以及另一个表面的周部露出。因此，在该构成中，需要按照不需要的红外线不入射到红外线受光元件40^40^40^404的方式在对多个红外线受光元件40^40^40^404进行保持的保持件90上设置多个收纳部9(^9(^9(^9(^，分别将红外线受光元件叫、^、403、404收纳到各收纳部90^90^90^904中。与此相对，在上述专利文献2公开的图27所示的构成的红外线光学�？橹校谟蒑gO基板构成的基板300的一个表面侧形成两个红外线受光元件40(^40(^，在各红外线受光元件40(^40(^上分别层叠了彼此透射波长不同的窄波段透射滤光器部20(^20(^。因此，在该红外线光学�？橹校芄凰醵陶ǘ瓮干渎斯馄鞑�20(^20(^的中心间距离，可使第一选择波长(4. 3 ym)的红外线与第一选择波长以外的第二选择波长的红外线(参照光)之间的光路长之差变小，并且实现低成本化。但是，在图27所示的构成的红外线光学�？橹校牒焱庀呤芄庠�40(^40(^是焦电元件等释热型红外线受光元件无关，在红外线受光元件40(^40(^上直接层叠了窄波段透射滤光器部20(^20(^因此，在该红外线光学�？橹校热萘勘浯蟛⑶胰染敌阅岩匀繁＃贾孪煊π�、灵敏度降低。另外，在由上述专利文献4记载的电流电压变换电路构成的放大电路中，需要分别对各红外线受光元件的输出进行放大，但由于在各红外线受光元件的输出中存在因来自太阳光、弧光、荧光灯、热源等的红外线等干扰光而引起的直流偏压成分，所以若入射到红外线受光元件的红外线的强度过强，则有可能会因放大电路输出的饱和而使得提高放大电路的增益受到限制，S/N比的提高受到制限，从而有可能在红外线式火焰检测器中发生无法检测出火焰的情况。同样，在图24所示的红外线3波长式火焰检测器中，当入射到红外线传感器24(^240^24(^红外线的强度过大，也有可能引起信号放大部25(^250^25(^的信号的饱和，使得S/N比的提高受到制限而降低灵敏度，有可能发生无法检测出火焰的情况。另外，由于焦电元件是吸收红外线作为热能，对因此产生的电荷量的变化(焦电效应)进行检测的所谓微分型检测元件，所以仅能够检测红外线的变化，需要检测0. I IOHz程度这一低频率的红外线。但是，上述各电流电压变换电路的阻抗非常大，大到100GQ IT Q，虽然基于高阻抗实现高S / N化是有效的，但由于阻抗高，所以易于受到外来辐射噪声的影响。
发明内容
本发明鉴于上述事由而提出，其目的在于，提供一种能够实现高灵敏度化以及低成本化的红外线式火焰检测器。本发明的红外线式火焰检测器是红外线受光元件被收纳在封装体内，在所述封装体中所述红外线受光元件的前方配置有红外线光学滤光器的红外线式火焰检测器，所述红外线受光元件通过彼此极性不同的两个I组的焦电元件在焦电元件形成用基板上并列设置并且倒串联或者倒并联连接而成，所述红外线光学滤光器具备由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板；两个I组的窄波段透射滤光器部，其形成在所述滤光器形成用基板的一个表面侧中与所述各焦电元件分别对应的部位，使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射，其 中，该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生；以及宽波段去除滤光器部，其形成在所述滤光器形成用基板的另一个表面侧，吸收波长比由所述各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线；所述各窄波段透射滤光器部具有层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种薄膜的第一、/ 4多层膜；形成在所述第一入/ 4多层膜的与所述滤光器形成用基板侧相反一侧，层叠有所述多种薄膜的第二 \ / 4多层膜；以及夹设在所述第一、/ 4多层膜与所述第二 \ / 4多层膜之间，使光学膜厚根据所述选择波长而与所述各薄膜的光学膜厚不同的波长选择层。在该红外线式火焰检测器中，优选所述宽波段去除滤光器部由层叠了折射率不同的多种薄膜的多层膜构成，该多种薄膜中至少I种薄膜由吸收远红外线的远红外线吸收材料形成。在该红外线式火焰检测器中，优选所述滤光器形成用基板是Si基板或者Ge基板。在该红外线式火焰检测器中，优选所述封装体是金属制的，所述滤光器形成用基板与所述封装体电连接。在该红外线式火焰检测器中，优选对所述红外线受光元件的输出进行放大的放大电路的构成部件被收纳在所述封装体内。
图IA是实施方式的红外线式火焰检测器的概要俯视图，图IB是红外线式火焰检测器的概要剖视图。图2是图I的红外线式火焰检测器的概要分解立体图。图3A是图I的红外线式火焰检测器中的红外线受光元件的概要俯视图，图3B是红外线受光元件的电路图，图3C是红外线检测元件的其他构成例的电路图。图4是图I的红外线式火焰检测器中的红外线光学滤光器的概要剖视图。图5是图I的红外线光学滤光器中的设定波长与反射波段的关系说明图。图6是用于对图I的红外线光学滤光器的反射波段宽度进行说明的折射率周期构造的透射光谱图。图7是图I的折射率周期构造中的低折射率材料的折射率与反射波段宽度的关系说明图。图8是表示图I的红外线光学滤光器的滤光器主体部的基本构成的概要剖视图。图9是图I的基本构成的特性说明图。图10是图I的基本构成的特性说明图。图11是图I的红外线光学滤光器中的由远红外线吸收材料形成的薄膜的透射光谱图。图12是用于对图I的红外线光学滤光器的制造方法进行说明的主要工序剖视图。
图13是图I的红外线光学滤光器的由两个窄波段透射滤光器部构成的部分的透射光谱图。图14是表示通过FT - IR (傅里叶变换红外分光法)对图I中的利用离子束辅助蒸镀装置形成的薄膜的膜质进行分析后的结果的图。图15A是在Si基板上形成了膜厚为I 的Al2O3膜后的参考例的透射光谱图，图15B是基于图15A的透射光谱图算出的Al2O3膜的光学参数(折射率、吸收系数)的说明图。
图16是图I的红外线光学滤光器的透射光谱图。图17是图I的红外线光学滤光器的宽波段去除滤光器部的透射光谱图。图18是利用了图I的红外线式火焰检测器的红外线式火焰检测装置的概要构成图。图19是利用了图I的比较例的红外线式火焰检测器的红外线式火焰检测装置的概要构成图。图20是物体的温度与辐射能量的关系说明图。图21是Si的透射特性的说明图。图22是Ge的透射特性的说明图。
图23是红外线产生源的强度波长分布与现有例的红外线3波长式火焰检测器的检测波段的关系说明图。图24是现有例的红外线3波长式火焰检测器的框图。图25A是另一现有例的红外线式火焰检测器的概要立体图，图25B是该红外线式火焰检测器的主要部分概要立体图。图26是现有例的红外线式气体检测器的概要构成图。图27是现有的红外线受光模块的概要剖视图。图28A是另一现有例的红外线式气体检测器的概要纵剖视图，图28B是该红外线式气体检测器的概要横剖视图，图28C是红外线光学滤光器的概要侧面图。
具体实施例方式本实施方式的红外线式火焰检测器如图I以及图2所示，具备电路�？�6以及封装体(package) 7，其中，电路�？�6具有具备多个(这里是两个)焦电元件4:、42的红外线受光元件40、以及设有对红外线受光元件40的输出进行信号处理的信号处理电路，封装体7由收纳电路�？�6的罐封装体(这里为TO — 5)构成。封装体7具备隔着由绝缘材料构成的隔垫物9被安装电路�？�6的金属制的撑体71、和按照覆盖电路�？�6的方式被固定在撑体71上的金属制的盖72，以贯通撑体71的形式设置与电路�？�6的适当部位电连接的多个(这里为3个)端子引脚75。这里，撑体71被形成为圆盘状，盖72被形成为后面开放的有底圆筒状的形状,后面被撑体71封堵。其中，隔垫物9与电路�？�6以及撑体71通过粘结剂被固定。另外，在构成封装体7的一部分的上述盖72中位于红外线受光元件40的前方的前壁，形成有矩形状(本实施方式中为正方形状)的窗部7a，红外线光学滤光器20按照覆盖窗部7a的方式被从盖72的内侧配设。另外，对撑体71而言，被上述各端子引脚75分别插通的多个端子用孔71b沿厚度方向贯通设置，各端子引脚75以被插通在端子用孔71b中的形式被密封部74封闭。上述的盖72以及撑体71由铜板形成，通过焊接将从盖72的后端缘向外方延设的外凸缘部72c封接于形成在撑体71周部的凸缘部71c。电路�？�6由下述部件构成第一电路基板62,其由作为上述信号处理电路的构成要素的IC63以及芯片状的电子部件64被安装在彼此不同面的印刷布线板(例如复合物贴铜层叠板等)构成；树脂层65，其被层叠在第一电路基板62中的电子部件64的安装面侧；防护板66，其在由玻璃环氧树脂等构成的绝缘性基材的表面形成由金属材料(例如铜等)构成的金属层(以下称为“防护层”)并被层叠在树脂层65上；以及第二电路基板67，其由安装有红外线受光元件40并且被层叠在防护板66上的印刷布线板(例如复合物贴铜层叠板)构成。其中，也可以取代防护板66，而仅由铜箔或金属板来形成防护层。对第一电路基板62而言，在图2的下表面侧以倒装芯片的方式安装有IC63，在图2的上表面侧通过焊锡回流安装了多个电子部件64。上述红外线受光元件40是彼此极性不同的两个I组的焦电元件1、42在由焦电材料(例如钽酸锂(LiTAO3)等)构成的焦电元件形成用基板41中并列设置并且按照可得到两个焦电元件1、42的差动输出的方式倒串联连接的双(dual)元件(参照图3B)。IC63集成有对红外线受光元件40的规定频率波段(例如I IOHz程度)的输出进行放大的放大电路(带通放大器)、该放大电路后级的窗口比较器等。这里，在本实施方式的电路模块6中，由于设有上述的防护板66，所以能够防止因红外线受光元件40与上述放大电路的电容耦合等而引起的共振现象的产生。另外，红外线受光元件40只要能够得到两个I组的焦电元件 41、42的差动输出即可，不限于两个1组的焦电元件41、42倒串联连接，例如也可以如图3(所示那样倒并联连接。在第二电路基板67中，由于在厚度方向贯通设置有用于使红外线受光元件40的焦电元件1、42与第二电路基板67热绝缘的热绝缘用孔67a，所以在红外线受光元件40的焦电元件1、42与防护板66之间形成空隙，灵敏度变高。其中，除了在第二电路基板67上贯通设置热绝缘用孔67a之外，也可以在第二电路基板67上以在红外线受光元件40的焦电元件4:、42与第二电路基板67之间形成空隙的形式突出设置支承红外线受光元件40的支持部。对电路�？�6而言,在第一电路基板62、树脂层65、防护板66、第二电路基板67上分别沿厚度方向贯通设置插通上述端子引脚75的贯通孔62b、65b、66b、67b，红外线受光元件40与上述信号处理电路经由端子引脚75而电连接。其中，如果采用将第一电路基板62、树脂层65、防护板66、第二电路基板67层叠，以形成沿电路�？�6的厚度方向贯通的贯通孔的I次开孔加工来形成贯通孔62b、65b、66b、67b那样的部件内置基板施工方法，则能够实现制造工序的简略化并且电路�？�6内的电连接变得容易。在上述的3个端子引脚75中，I个是供电用的端子引脚75 (75a)、另一个是信号输出用的端子引脚75 (75b)，剩余的I个是接地用的端子引脚75 (75c)，防护板66中的防护层与接地用的端子引脚75c电连接。这里，对端子引脚75a、75b进行封装的密封部74、74(74a,74b)由具有绝缘性的封装用玻璃形成，对端子引脚75c进行封装的密封部74 (74c)由金属材料形成。总之，相对于端子引脚75a、75b与撑体71电绝缘，接地用的端子引脚75c与撑体71成为同电位。因此，防护板66的电位被设定为接地电位，但如果是能够起到防护功能的特定电位，则也可以设定为接地电位以外的电位。当制造本实施方式的红外线式火焰检测器时，只要在将搭载有红外线受光元件40的电路模块6隔着隔垫物9安装到撑体71上后，通过将以红外线光学滤光器20封堵窗部7a的形式被固定的盖72的外凸缘部72c与撑体71的凸缘部71c熔接，来将由盖72和撑体71构成的金属制封装体7内密封即可。这里，为了防止由于湿度等的影响而造成的红外线受光元件40的特性变化，在封装体7内封入了干氮气。其中，本实施方式中的封装体7如上述那样是罐封装体，可提高对外来噪声的防护效果，并且基于气密性的提高实现耐候性的提高。不过，封装体7也可以由具有防护效果的陶瓷封装体构成。上述的红外线光学滤光器20具有形成有后述的各窄波段滤光器部2:、22以及宽波段去除滤 光器部3的滤光器主体部20a和从该滤光器主体部20a周部向外方延设而固定在盖72的窗部7a的周部的凸缘部20b。这里，红外线光学滤光器20形成为滤光器部20a的俯视形状是矩形状(本实施方式中为正方形状)，凸缘部20b的外周形状是矩形状(本实施方式中为正方形状)。此外，在本实施方式中，使滤光器主体部20a的平面形状为数mm见方的正方形状，但滤光器主体部20a的平面形状、尺寸没有特别限定。红外线光学滤光器20如图4所示，具备由红外线透射材料(例如Si等)构成的滤光器形成用基板I ;和两个I组的窄波段透射滤光器部2:、22，其形成在该滤光器形成用基板I的一个表面侧(图4的上面侧)中与各焦电元件1、42分别对应的部位，使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性地透射，其中，该第一选择波长的红外线是由因火焰所引起的CO2气体的共振辐射而产生的。并且，红外线光学滤光器20具备形成在滤光器形成用基板I的另一个表面侧(图4的下面侧)，对波长比由各窄波段滤光器部2p22设定的红外线的反射波段长的红外线进行吸收的宽波段去除滤光器部3。上述的红外线光学滤光器20在滤光器形成用基板I的上述一个表面侧并列设置有两个I组的窄波段透射滤光器部2i、22。各窄波段透射滤光器部2:、22具备层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种(这里为2种)的薄膜21b、21a而成的第一 \ / 4多层膜21 ;形成在第一 \ / 4多层膜21的与滤光器形成用基板I侧相反一侧，并层叠有上述多种薄膜21a、21b而成的第二 X / 4多层膜22;以及夹设在第一 X / 4多层膜21与第二入/ 4多层膜22之间,根据各选择波长使光学膜厚与各薄膜21a、21b的光学膜厚不同的波长选择层23i、232。其中，2种薄膜21a、21b的光学膜厚偏差的允许范围是±1%左右，还根据该光学膜厚的偏差来决定物理膜厚偏差的允许范围。另外，红外线光学滤光器20采用作为吸收远红外线的远红外线吸收材料的一种的Al2O3，作为第一 \ / 4多层膜21以及第二 \ / 4多层膜22中的低折射率层、即薄膜21b的材料(低折射率材料)，采用Ge作为高折射率层、即薄膜21a的材料(高折射率材料)。另外，在红外线光学滤光器20中，使波长选择层23:、232的材料采用与从该波长选择层23:、232正下方的第一 X / 4多层膜21上起位于第二层的薄膜21b、21a的材料相同的材料,第二入/ 4多层膜22中距离滤光器形成用基板I最远的薄膜21b、21b由上述的低折射率材料形成。这里，作为远红外线吸收材料，不限于Al2O3，也可以采用作为Al2O3以外的氧化物的SiO2、Ta2O5,由于SiO2与Al2O3相比折射率低，所以能够增大高折射率材料与低折射率材料之间的折射率差。发生火灾时因火焰中的CO2气体的共振辐射而产生的特定波长即第一选择波长为4. 3um (至4. 4 iim)，关于在住宅内等有可能产生的各种气体中的红外线的吸收波长，CH4(甲烧)是3. 3 ii m, CO (—氧化碳)是4. 7 ii m, NO (—氧化氮)是5. 3 y m。鉴于此,在本实施方式的红外线光学滤光器20中，将作为参照波长的第二选择波长设定为与第一选择波长相对较近的3. 9 u m，为了选择性地检测第一选择波长以及第二选择波长各自的红外线，窄波段透射滤光器部2p22需要在3. I y m 5. 5 U m程度的红外区域具有反射波段，2. 4 y m以上的反射波段宽度A A不可或缺。其中，如果将与各薄膜21a、21b共用的光学膜厚4倍相当的设定波长设为X ^，则反射波段如图5所示，在以作为入射光波长的倒数的波数为横轴、透射率为纵轴的透射光谱图中，以I /入^为中心对称。其中，在本实施方式中，为了通过适当地设定波长选择层23p232的各光学膜厚从而能够检测上述第一选择波长的红外线，将第一 \ / 4多层膜21以及第二 \ / 4多层膜22的设定波长X ^设为4.0 Pm。另外，如果将作为薄膜21a的材料的高折射率材料的折射率设为nH，将作为薄膜21b的材料的低折射率材料的折射率设为r^，则各薄膜21a、21b的物理膜厚分别设定成X0 / 4nH、X0 / 4nLO具体而言，在高折射率材料是Ge，低折射率材料是Al2O3的情况下，nH = 4. 0，nL = I. 7，将由高折射率材料形成的薄膜21a的物理膜厚设定为250nm，将由低折射率材料形成的薄膜21b的物理膜厚设定为588nm。这里，将在由Si基板构成的滤光器形成用基板I的一个表面侧交替层叠由低折射率材料构成的薄膜21b和由高折射率材料构成的薄膜21a而成的X /4多层膜(折射率周期构造)的层叠数设为21，假设在各薄膜21a、21b处没有吸收(即假设各薄膜21a、21b的衰减系数是0)，将设定波长X ^设为m时的透射光谱的模拟结果如图6所示。 在图6中横轴是入射光(红外线)的波长，纵轴是透射率，图6中的“A”表示了高折射率材料为Ge (nH = 4. 0)，低折射率材料为Al2O3 (nL = I. 7)时的透射光谱，图6中的“B”表示了高折射率材料为Ge (nH = 4. 0)，低折射率材料为SiO2 (nL = I. 5)时的透射光谱，图6中的“C”表示了高折射率材料为Ge (nH = 4. 0)，低折射率材料为ZnS ( = 2. 3)时的透射光谱。另外，图7中表示了对高折射率材料为Ge、使低折射率材料的折射率发生变化的情况下的、/ 4多层膜(折射率周期构造)的反射波段宽度A A进行模拟的结果。其中，图7中的“A”、“B”、“C”分别与图6中的“A”、“B”、“C”的点对应。根据图6以及图7可知，随着高折射率材料与低折射率材料的折射率之差变大，反射波段宽度A A增大，可知在高折射率材料是Ge的情况下，通过采用Al2O3或者SiO2作为低折射率材料，能够至少确保3. I y m 5. 5 y m的红外区域的反射波段，可使反射波段宽度A入为2. 4 u m以上。接着，图9以及图10表示了如图8所示那样将第一入/4多层膜21的层叠数设为4，将第二 \ /多层膜22的层叠数设为6，以Ge为薄膜21a的高折射率材料，以Al2O3为薄膜21b的低折射率材料，以作为低折射率材料的Al2O3为夹设在第一 \ / 4多层膜21与第二、/ 4多层膜22之间的波长选择层23的材料，使该波长选择层23的光学膜厚在Onm 1600nm的范围发生各种变化时的透射光谱模拟结果。这里，图8中的箭头Al表示入射光，箭头A2表示透射光，箭头A3表示反射光。另外，若将该波长选择层23的材料的折射率设为n，将该波长选择层23的物理膜厚设为d，则波长选择层23的光学膜厚根据折射率n与物理膜厚d的乘积，即nd求出。其中，在该模拟中，也假定在各薄膜21a、21b处没有吸收(即各薄膜21a、21b的衰减系数为0)，使设定波长Xtl为4iim，使薄膜21a的物理膜厚为250nm，使薄膜21b的物理膜厚为588nm。根据图9以及图10可知，通过第一 \ / 4多层膜21以及第二 \ / 4多层膜22在3 y m 6 y m的红外区域形成了反射波段，并且可知通过适当地设定波长选择层23的光学膜厚nd，在3iim 6iim的反射波段中局部存在窄波段的透射波段。具体而言，可知通过使波长选择层23的光学膜厚nd在Onm 1600nm的范围变化，能够使透射峰值波长在3. I ii m 5. 5 ii m的范围连续变化。更具体而言，如果使波长选择层23的光学膜厚nd变化为 1390nm、0nm、95nm、235nm、495nm,则透射峰值波长分别为 3. 3 u m、4. 0 u m、4. 3 u m、4. 7 u m、5. 3 u m。因此，通过不改变第一入/ 4多层膜21以及第二入/ 4多层膜22的设计地仅适当改变波长选择层23的光学膜厚的设计，不限于特定波长为4. 3 y m的火焰的传感，能够实现特定波长为3. 3 ii m的CH4、特定波长为4. 7 ii m的CO、特定波长为5. 3 y m的NO等各种气体的传感。其中，光学膜厚nd的Onm 1600nm的范围相当于物理膜厚d的Onm 941nm的范围。另外，波长选择层23的光学膜厚nd为Onm的情况下、即图9中没有波长选择层23的情况下的透射峰值波长变为4000nm是因为将第一入/ 4多层膜21以及第二入/ 4多层膜22的设定波长入^设定为4 (4000nm)，通过使第一入/ 4多层膜21以及第二入/ 4多层膜22的设定波长\ 0适当变化，能够使没有波长选择层23的情况下的透射峰值波长发生变化。 作为薄膜21b的低折射率材料，采用了吸收与由第一入/ 4多层膜21以及第二入/ 4多层膜22设定的红外线的反射波段(S卩，由窄波段透射滤光器部2:、22设定的红外线的反射波段)相比长波长段的红外线的远红外线吸收材料即Al2O3，但作为远红外线吸收材料，研究了 MgF2、A1203、SiOx、Ta2O5, SiNx这5种。具体而言，图11表示分别就MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜将膜厚设定为I U m，将在Si基板上成膜时的成膜条件按照下述表I那样设定，来对MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜各自的透射光谱进行测定的结果。这里，作为MgF2膜、Al2O3膜、SiOx膜、Ta2O5膜、SiNx膜的成膜装置，利用了离子束辅助蒸镀装置。[表 I]
权利要求
1.一种红外线式火焰检测器，是红外线受光元件被收纳在封装体内，在所述封装体中所述红外线受光元件的前方配置有红外线光学滤光器的红外线式火焰检测器，该红外线式火焰检测器的特征在干， 所述红外线受光元件通过彼此极性不同的两个I组的焦电元件在焦电元件形成用基板上并列设置并且倒串联或者倒并联连接而成，所述红外线光学滤光器具备由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板；两个I组的窄波段透射滤光器部，其形成在所述滤光器形成用基板的ー个表面侧中与所述各焦电元件分别对应的部位，使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为參照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射，其中，该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生；以及宽波段去除滤光器部，其形成在所述滤光器形成用基板的另ー个表面侧，吸收波长比由所述各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线；所述各窄波段透射滤光器部具有层叠有折射率不同并且光学膜厚相等的多种薄膜的第一 λ / 4多层膜；形成在所述第一 λ / 4多层膜中与所述滤光器形成用基板侧相反ー侧，层叠有所述多种薄膜的第二 λ / 4多层膜；以及夹设在所述第一 λ / 4多层膜与所述第二 λ / 4多层膜之间，使光学膜厚根据所述选择波长而与所述各薄膜的光学膜厚不同的波长选择层。
2.根据权利要求I所述的红外线式火焰检测器，其特征在干， 所述宽波段去除滤光器部由层叠有折射率不同的多种薄膜的多层膜构成，该多种薄膜中的至少I种薄膜由吸收远红外线的远红外线吸收材料形成。
3.根据权利要求I所述的红外线式火焰检测器，其特征在干， 所述滤光器形成用基板是Si基板或者Ge基板。
4.根据权利要求3所述的红外线式火焰检测器，其特征在干， 所述封装体是金属制的，所述滤光器形成用基板与所述封装体电连接。
5.根据权利要求4所述的红外线式火焰检测器，其特征在干， 对所述红外线受光元件的输出进行放大的放大电路的构成部件被收纳在所述封装体内。
全文摘要
在本发明的红外线式火焰检测器中，红外线受光元件被收纳在封装体内。红外线受光元件的两个1组的焦电元件在焦电元件形成用基板中并列设置并被倒串联地连接。红外线光学滤光器具备由红外线透射材料构成的滤光器形成用基板；两个1组的窄波段透射滤光器部，其形成在滤光器形成用基板的一个表面侧中与各焦电元件分别对应的部位，使由特定波长构成的第一选择波长的红外线以及该特定波长以外的作为参照波长的第二选择波长的红外线分别选择性透射，其中，该第一选择波长的红外线由因火焰所产生的CO2气体的共振辐射而产生；以及宽波段去除滤光器部，其形成在滤光器形成用基板的另一个表面侧，吸收波长比由各窄波段透射滤光器部设定的红外线的反射波段长的红外线。各窄波段透射滤光器部具有夹设在第一λ／4多层膜与第二λ／4多层膜之间并根据选择波长来设定光学膜厚的波长选择层。
文档编号G01J1/04GK102713540SQ201080055900
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月6日 优先权日2009年12月9日
发明者平井孝彦, 渡部祥文, 稻叶雄一, 西川尚之 申请人:松下电器产业株式会社
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