[发明专利]气体监测装置、燃烧状态监测装置、长期变化监测装置和杂质浓度监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体监测装置、燃烧状态监测装置、长期变化监测装置和杂质浓度监测装置，其通过使用对包括近红外区域的光敏感的半导体光接收元件来监测诸如燃烧器的工业设备或基础设施中的气体所包含的气体成分等(气体成分、诸如煤烟的漂浮物等)。

背景技术

在诸如锅炉、燃烧器等的设施中，检测根据操作状况变化的火焰或气体的状态，在操作过程中反应检测结果，以及另外，检验设施的劣化状态，以保持设施的维护。由于气体比固体更容易允许电磁波从其穿过，因此气体适于光学监测。具体来讲，近红外区域中的光适于监测由有机物质产生的气体，这是因为碳氢化合物等的气体的吸收光谱位于近红外区域内。然而，在通过近红外光谱法进行分析中，输出信号包括由于光接收元件导致的大量噪声。因此，为了在不完全依赖传感器(光接收元件)性能的改进的情况下提取关于输出信号的必要信息，使用分光计法、化学计量法等作为重要的方法。

在近红外区域中，广义上，以上提及的传感器(光接收元件)分为作为固态组件的电子管和光电二极管(PD)。在这些传感器之中，PD具有小尺寸并且可以容易地高度集成，以形成一维阵列、二维阵列等，并因此，已广泛执行了对PD的研究和开发(非专利文献(NPL)1)。本发明的目标是用于生物成分的检测装置，所述检测装置包括PD。当前，使用的是下面的一个或多个PD阵列。(1)所述一个或多个PD阵列的实例是具有的敏感性达到红外区域并且在近红外区域中也具有敏感性的PD或其阵列。这种PD的具体实例包括锗(Ge)基PD、硫化铅(PbS)基PD、HgCdTe基PD、其一维阵列和其二维阵列。(2)所述一个或多个PD阵列的另一个实例是在近红外区域中的1.7μm以下的波长处具有敏感性的InP基PD、包括在InP基PD种类中的InGaAs基PD及其阵列。本文中，InP基PD是指包括由III-V族化合物半导体组成并且形成在InP衬底上的吸收层的PD，并且InGaAs基PD也包括在InP基PD中。

在以上的光电二极管之中，为了降低噪声，通常冷却(1)中描述的光电二极管。例如，大部分光电二极管在操作的同时在液氮温度(77K)下冷却或者通过用Peltier装置进行冷却。因此，包括这类光电二极管的装置具有大尺寸，并且装置成本增加。虽然这类装置可以在室温下使用，但是这些装置的问题在于，在2.5μm以下的波长范围下的暗电流高并且检测能力低。另一方面，(2)中描述的InP基PD具有以下优点：(I)在与InP晶格匹配的InGaAs中，虽然暗电流小，但是PD的敏感性限于近红外区域中的1.7μm以下的波长范围。(II)在延伸的InGaAs中，其中可以接收到光的波长区域被延伸至2.6μm，暗电流高并且冷却是必要的。因此，在InP基PD中，不能使用对于提高气体监测的精度是重要的具有2.0μm以上波长的光，或者，为了使用这种光必须对PD进行冷却。

关于使用近红外光进行光学监测的实例，在维持其内的含有绝缘油的充油器械(如，充油(OF)线缆)中，通过检测油中溶解的气体所含有的多个碳氢化合物的成分比来检验充油器械的劣化(专利文献(PTL)1和PTL 2)。具体来讲，PTL 2提出了一种装置，该装置被构造成用于检测碳氢化合物气体的浓度和氢气的浓度，这些气体由于其双原子分子导致在红外区域中没有吸收光谱。在这种光学监测装置中，使用的光接收元件在1.5至1.6μm的波长范围内具有敏感性。

作为另一个实例，为了抑制诸如锅炉的燃烧装置中的氮养化物、煤烟、一氧化碳的产生，提出了一种被构造成用于监测燃烧状态的光学监测装置(PTL 3)。在这种装置中，使用多层光接收元件，在该元件中堆叠了硅光电二极管和PbS光电导元件。另外，也提出了一种包括组合的硅光电二极管和Ge光电二极管的多层光接收元件和包括组合的硅光电二极管和PbSe光电导元件的多层光接收元件。使用硅光电二极管的原因在于接收波长在可见光区域中的光或波长靠近可见光区域的光。

此外，提出了一种红外照相机，其检测燃烧器中焚烧炉的整个部分的温度分布(PTL 4)。这种红外照相机的光接收部分的内容是未知的。

在制造大规模集成电路(LSI)等的制造过程中，在沉积外延膜中使用高纯度气体。然而，这些气体包含微量水分，这对LSI等的耐久性产生不利影响。为了监测气体所包含的这种微量水分，提出了一种装置，该装置被构造成用于使用以近红外区域中单波长振荡的激光光源来接收气体所发射的光并且用于通过锁定检测(lock-in detection)来检测数量级为0.1至1ppm的水分浓度(NPL2)。锗光电二极管用作在这种装置中的光接收元件。