JP2001522460A - 微細加工推論型光−熱ガス・センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微細加工集積光−熱センサ（１０）は、高速に強度が変動する、または脈動する光源（１４）、干渉フィルタ（１６）、シャドウ・マスク（１１３）または熱センサから光の反射遮蔽（１９）、または差動動作、検出されるガス（２１）がチャネル（１１４）を介して流入するガス・キャビティ（２０）またはフィルタ、および検出される特定のガスが特定の波長で光を吸収することによって生じるガスの加熱を感知する熱検出器素子を含む。センサの他の型は、２重キャビティのものである。一方のキャビティ（１２１）は検出されるガスを含み、他方のキャビティ（１２２）は周囲環境から密閉され、ガスを含まない。両方のキャビティの検出器からの信号は互いから差し引かれ、結果的に検出器に当たる放射線による固定信号（１２７）が除去される。

Description

【発明の詳細な説明】 微細加工推論型光−熱ガス・センサ 背景 本発明はガス・センサに関し、特に有毒ガス・センサに関する。より詳しくは 、本発明は微細加工集積回路ガスおよび流体センサに関する。 燃焼プロセスで生成されるＣＯ、ＣＯ₂、ＮＯ、ＮＯ₂およびＶＯＣなどの有毒 ガスを感知する関連技術のデバイスは、金属酸化物薄膜導電度、化学ルミネセン ス、蛍光、様々な形のＩＲ吸収等の変化を示すセンサに基づいていた。これらの センサは非常に高価で、不安定であるか、あるいは非常に感度が悪くて、低価格 で信頼性の高い有毒ガス・センサという要求を満たすことはできなかった。これ らのセンサで、健康や生命に有害な可能性があるレベルに匹敵する濃度のそのよ うな有毒ガスを感知することは困難である。特に、低価格で、手頃に買える信頼 性の高いセンサでそれを行うのは、困難である。安く上げようとする使用者が使 用する古いガス・エンジンまたは加熱器は、しばしば、これらの使用者や他の人 を危うくする有毒ガスの発生源に非常になり易い。このような使用者は、誰かが 手頃で適切な方法を彼らのところに持って来なければ、有毒ガス指示器を一番買 おうとしない人達である。 光音響ガス・センサは、ガスを吸収する波長で狭帯域変調された照明でガスの 温度変化を誘起して低濃度のガスを感知する。変調された温度信号が直接感知さ れるのではなくて、密閉したまたはほぼ密閉したガス試料セルが使用され、その セルで小さなガス温度信号を圧力信号に変換し、その圧力信号がマイクロフォン で検出される。密閉したまたはほぼ密閉したガス・セルのために、ガスがガス・ セルに入ったり出たりすることは困難になる。 発明の概要 光熱型感知と呼ばれるガス温度変調信号の直接感知により、密閉したまたはほ ぼ密閉したガス・セルは必要でなくなる。ガス温度信号の直接感知は、適当に高 感度（すなわち、ナノ度の感度）で高速応答のガス温度センサがないことで不利 になっている。微細加工熱電センサ・アレイを使用することで、小さなガス温度 変調信号を適当に高感度かつ高速応答で検出することが可能である。好都合にも 、このようなアレイをシリコン微細加工技術で作ることができる。 本発明は、存在するガスのガス温度信号の新規な、有用な、低価格で信頼性の 高い直接感知を提供し、また、有毒ガスまたは燃焼生成物の好ましくない成分の 存在を推定して指示する。有毒ガスまたは好ましくないガスの存在を示す、また は有意義な確率レベルで推定するような現象を特定できれば、それらのガスを直 接に測定する必要はない。したがって、本センサは、有毒ガスの直接ＮＤＩＲ感 知に比べて小型で、信頼性が高く、手頃に使える検出を提供する。また、直接感 知による高濃度のＣＯ₂または他のガスに対する特別の検出／警報保護を提供す る。 本センサは、ＣＯ₂の検出によってＣＯ、ＮＯ_xおよびＶＯＣなどの有毒燃焼生 成物を間接的に示すことを利用し、これによって、安価な集積ガス・センサの設 計を合理的な価格で利用できるようにし、排出口のない空間でヒータ（または、 台所のストーブ）を使用する人の有毒ガス感知の要求および車または車の近くの 排気ガスを検出したいと思う自動車運転者の要求を満たす。 二酸化炭素（ＣＯ₂）は、好ましくない濃度の燃焼生成物が存在することを示 す。ＣＯ₂はＣＯ、ＮＯ_xまたはＶＯＣの濃度の１０倍から１００倍の濃度で、燃 焼プロセスで生成される。さらに、上記のガスの３から３０倍低い濃度レベルの ＣＯ₂を測定することができ、特に、ＮＤＩＲで可能である。燃焼生成物、特に ガソリンまたはディーゼル燃料の燃焼生成物は、５〜１５％のＣＯ₂、１０〜２ ０％のＨ₂Ｏ、０〜１０％のＯ₂、７０〜８０％のＮ₂、０．００１から０．４％ のＮＯ_x、０．００１から０．２％のＣＯ（使い古した、または調整不良の自動 車エンジンではＣＯは２％にもなることがある）、および０．００１から０．３ ％の炭化水素（ＨＣ）から構成されることが知られている。すなわち、ＣＯ₂濃 度は常に支配的である。なお、前の車の排気ガスは、後続の車の室内空気の取入 れ口に達する前に、１０から１０００倍に希釈されると予想されるので、ＣＯ₂ 濃度はわずか０．００５から１．５％になるだろうが、これは測定可能である。 一方で、有毒ガスの濃度は０．０００１から０．０４％の範囲である。後者の濃 度は測定するのが非常に困難であり、特に、低価格のセンサでは困難である 。低価格のセンサは、気分を悪くさせる、または健康に悪影響を与える濃度で存 在しているにもかかわらず、それらのガスを感知し始めないことが多い。 本センサの集積化設計により、より生産性が高められより手頃な価格になる。 ガス・セル、熱検出器および光フィルタが、安価な１つの小型の微細加工された 装置に集積される。すなわち、高価なセンサよりも手頃で広く応用可能である。 赤外線は小さな電球から、または電気的に加熱されたマイクロブリッジ（マイク ロ発光体）から得ることができる。電子回路もシリコン材料に集積される。セン サはより小型であり、したがって、より頑丈であり、全体としてより実用的であ る。存在するガスの検出器として使用される集積光−熱センサは、より高感度で 、より高速応答で、より安定な検出をもたらす。密閉したまたはほぼ密閉したガ ス・セルを必要としないので、一層高速な応答が得られる。 集積センサは関連技術のセンサよりも１０から１００倍小さく、これによって 本システムは一層手頃な、携帯可能な、実用的なものになる。本検出器は、シリ コン微細加工技術を使用して大量生産することができるので、関連技術検出器よ りも１０倍から１００倍安価である。 非常に正確な本ガス検出器は、微細加工シリコン技術で形成され、そのため関 連技術による検出器よりもはるかに小さい。 以上をまとめると、本発明は、低価格な光−熱感知システムであり、それは微 細加工集積センサである。この微細加工集積センサには、パルス加熱発光体、適 当な多層干渉フィルタ（ＩＦ）、反射防止（ＡＲ）膜、光が熱センサに当たるの を防ぐためのシャドウ・マスキングまたは反射防止、および赤外線（ＩＲ）また は他の波長の光を最大にするために、例えばＣＯ₂の４．３ミクロン波長帯にエ ネルギー効率を与えるように設計された特殊なエッチングが行われたシリコン・ ウエハまたはマスキング、ガスがチャネルを介して流入および流出できる、また は、キャビティを形成するために使用された犠牲層を溶解するために先に製造で 使用されたエッチ孔に、または多孔質圧縮ステンレス鋼フリットを介して拡散し て出入りできる試料ガス・キャビティ、および単一出力または差動出力の方法で 動作する微細加工ガス温度センサが含まれている。 ゆっくりした周囲温度の変動のセンサに対する影響は、熱電接合対の配列によ って、必然的に阻止される。空気および／またはガスの通気によって起きるガス 温度変動の影響は、適当な多孔質バッフルおよびロックイン検出によって最小に することができる。バックグラウンド信号を最小にするために、熱電温度センサ は、光放射線で直接照らされないようにすることができるし、また、反射材料で 被覆することができるし、さらに、光照射装置とガス温度センサの間に適当なＩ Ｆを配置することおよび適当なガス導入の配列によって、差動の方法で動作させ ることができる。 図面の簡単な説明 第１図は、微細加工推論型光−熱ガス・センサを示す。 第２図は、推論型光−熱ガス・センサの別の設計を示す。 第３図は、光−熱ガス・センサのさらに別の設計を示す。 第４ａ図、第４ｂ図および第４ｃ図は、熱センサの光信号と熱信号の波形図で ある。 第５図は、熱センサ素子の構造の図である。 第６ａ図、第６ｂ図、第６ｃ図および第６ｄ図は、差動方法でのセンサの動作 を示す。 実施形態の説明 第１図は、推論型光−熱ガス・センサ１０の基本的な構造を示す図である。シ リコン・ウエハ１１は一方の側にエッチングされた空間１２を有する。一組のマ イクロ発光体１４を有するシリコン・ウエハ１３が、ウエハ１１の凹部１２を有 する側に近づけて配置されている。マイクロ発光体１４に近いウエハ１１の表面 または側面に反射防止（ＡＲ）被膜１５が形成される。ウエハ１１の他方の側に 、ＣＯ₂の吸収波長（４．３ミクロン）と同じ波長の赤外線だけを通すように設 計された狭帯域干渉フィルタ（ＩＦ）１６がある。ＡＲおよびＩＦの被膜または 薄膜は、互いに場所を取り換えてもよい。ウエハ１７がフィルタ１６の反対面に 形成される。シリコン・ウエハ１８がシリコン・ウエハ１７接して形成される。 シリコン・ウエハ１７と１８がエッチングされて、キャビティ２０とチャネル１ １４が形成される。チャネル１１４は、キャビティ２０とセンサ１０の外部の周 囲ボリュームまたは空間との間の経路を形成する。ガスまたは空気２１は、オリ フィス、経路またはチャネル１１４を介してキャビティ２０に拡散で、または流 れて入ったり出たりすることができる。ウエハ１８は、ピット１１６の上に形成 された熱センサ１９を有する。マイクロ発光体１４と熱センサ１９は接点パッド ２４に接続されている。ウエハ１３または１８上に、マイクロ発光体１４を制御 するまたは熱センサ１９からの信号を処理する電子回路２５を設ける集積回路（ ＩＣ）または用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）を形成してもよい。ウエハ１１はガ ラス板と取り換えてもよい。ウエハ１７もガラスと取り換えることができる。下 に開示される実施形態では、ＩＦフィルタおよびＡＲ被膜をガラス上に位置付け ることができ、また形成することができる。 発光体１４は３２×３２のマイクロ発光体のアレイであり、赤外線源として機 能する。アレイ１４で、小型タングステン電球の約２．８倍の４．３ミクロンの 総発光が得られる。キャビティ２０は、おおよそ深さ１００ミクロン×幅５００ ミクロンである。キャビティ２０は小さすぎてはいけない。小さすぎると、キャ ビティ表面でのガス冷却によって、ガス・センサ１０の感度が減少する。 熱センサは、直列接続されたＮｉＦｅ：Ｃｒ熱電センサ１９の６４×６４のア レイである。各センサは、５０ミクロン×５０ミクロンの各窒化ケイ素マイクロ ブリッジごとに２つの熱電金属接合を有し、その１つはマイクロブリッジ上に１ つは近くのシリコン上にあり、接合対ごとに１０オームの抵抗を持ち、接合対の ゼーベック係数は６０マイクロボルト／℃である。熱電センサ１９は、赤外線の 直接吸収を最小にするために、反射金属層で被覆されている。熱センサは、０． ５ミリ秒の代表的なマイクロブリッジの応答時間と１０Ｈｚ照射変調を有してい る。ロックインの電子回路検出システム（例えば、電球９３ではなくて光源素子 ９４を含めた第３図の増幅器１０２、電源１０４、ロックイン増幅器１０３）は 、３０秒の応答時間（すなわち、帯域幅ｄＦ＝０．０２Ｈｚ）を有する。実効雑 音電圧＝（４ＫＴ（６４×６４）ＲｄＦ）の平方根＝実効値で２．５ナノボルト 、および、感度＝（２．５ｅ−９）／（６４×６４×６Ｏｅ−６）＝実効値で１ ０ナノボルト℃。これによって、約１００ｐｐｍのＣＯ₂濃度から一般的なガス 温度信号を検出することができる。 第１図において、発光体１４は、光１１８および１１９を発する。光１１９は 、シャドウ・マスク１１３で遮られる。光１１８は層１５およびウエハ１１を通 過する。狭帯域干渉フィルタ１６を通る波長を持つ光１１８だけが、キャビティ ２０に入り、空気および／またはガス２１分子に衝突することができる。そのよ うなガス２１の吸収波長がフィルタ１６を通り、ガス２１に衝突する光１１８の 波長と同じであれば、その時に、その光１１８はガス２１で吸収され、ガス２１ が熱くなる。ガス２１の温度の上昇が熱センサ１９で感知され、熱センサ１９は ガス２１の存在を示す信号を出力する。ガス２１で吸収されない光１１８は非感 熱領域１１７に当たりセンサ１９に影響しない。シャドウ・マスク１１３のため に、光１１８または１１９はセンサ１９にほとんど当らない。発光体１４からの 光１１９は、薄膜１５、ウエハ１１および狭帯域フィルタ１６を通り、マスク１ １３に当たる。マスク１１３は、キャビティ２０に入り熱センサ１９に衝突する であろう光１１９をほとんど遮る。光１１９がセンサ１９に入射すれば、センサ １９が加熱し、ガスの存在を示さない固定した信号を与える。光１１９がセンサ １９に入射すれときは、その光１１９による固定信号を除去し、ガス２１の存在 を示す本当の信号だけを通すような電子回路を使用すればよい。この動作方法は 、固定信号を除去するために非常に安定な電子回路を必要とする。第６ａ図の別 の方法では、熱センサ１９の２つのアレイ１２１と１２２が使用される。両方の アレイとも赤外線フィルタ１２５を介して同じ発光体１２０で照射され、一方の アレイ１２１はガス２１に露出しており、他方のアレイ１２２はガス２１に露出 していない。第６ｂ図において、２つのアレイ１２１と１２２からのそれぞれ２ つの信号１２３と１２４は、放射が熱センサすなわち温度検出器１９に入射する ことで生じる固定信号を実質的に除去するために、電子的に差し引かれて差動増 幅器１２６による信号１２７を与える。 第６ｃ図は別の差動の方法を示す。この場合には、共通のガス・キャビティ１ ３９の中の熱電センサ１３０の２つのアレイ１２８と１２９は、電球１３４と２ つの異なる干渉フィルタ１３２と１３３で得られる２つの異なる波長で照射され る。ここで、２つの波長は実質的に同じ強度で、一方の波長はガス１３１で吸収 されて直接感知されるが、他方の波長は吸収されないようになっている。直接感 知されるガスの濃度に依存した信号成分と共にセンサ１３０での放射線の入射と 吸収による固定信号を含む第１の電気信号はアレイ１２８から取り出される。セ ンサ１３０での放射線の入射と吸収による固定信号だけを含む第２の電気信号は アレイ１２９から取り出される。２つの信号は、それぞれリード線１３５と１３ ６を介して第６（ｄ）図に示される差動増幅器１３７に供給され、センサ１３０ での放射線の衝突と吸収による固定信号が実質的に除去された差し引かれた信号 １３８を生成する。 第６（ａ）図から第６（ｄ）図に示される差動の方法で、第２信号の大きさを 発光体の強度の基準として使用することができるので、発光体の強度の変化を検 出でき、したがって信号を補正することができる。 非差動の方法におけるように、差動の方法で使用される熱センサにもまた放射 線用マスクを設け、または反射金属層で被覆して、赤外線の直接の衝突と吸収を 最小にすることができる。 第２図は、反対の方向に通る放射線を有する光−熱ガス・センサ７０の断面図 である。シリコン・ウエハ４６は、約５×５ミリメータ（ｍｍ）平方であり、厚 さは約２０ミルである。ウエハ４６上にＩＲ放射線用の加熱発光体４７が形成さ れている。発光体４７は、抵抗加熱材料を有する窒化ケイ素などの耐熱材料から 作られる。発光体４７の熱損失を最小にするために、溝またはピット４８がウエ ハ４６にエッチングされる。約１ミルの太さのリード線６０が接点４９に取り付 けられ、１０から１００Ｈｚの周波数でＡＣ信号を供給して、放射線５１を発生 するように発光体４７を活性化する。取付け材料５０がチップまたはウエハ４６ の周囲に形成される。約２５ミル厚さのシリコン・ウエハ５２が真空中で取り付 けられ、空間５５から空気が排出される。ＡＲ被膜５３がウエハ５２の第１の側 に形成され、４．３ミクロンの光を通す狭帯域ＩＦ多重層５４がウエハ５２の第 ２の側に形成される。ＡＲ薄膜層５３は、異なる屈折率の材料を交互にする４分 の１波長の厚さの約２から６層膜である。ＩＦ層５４は、異なる屈折率の材料を 交互にする２分の１波長の積層膜である。排気された熱的に分離した空間５５を 形成するために、ウエハ４６上の取付け材料５０をウエハ５２の周囲表面に接触 させて、ウエハ５２とウエア４６とを近接させる。 １から２ミクロン以内の固体シリコン基板である加熱発光体４７は、速い応答 を有し、できるだけ高い周波数（一般には、１０から１００Ｈｚ）で変調され、 高感度を得るために基本的なことであるが、キャビティを光で満たす。光源４７ が小型タングステン・フィラメント白熱灯であれば、ＡＣ励起信号の最大パルス 速度は約１０Ｈｚであろう。低周波電子雑音は少ないので、周波数を高くすると 一層感度がよくなる。この集積回路光源４７は１００Ｈｚまで有効に繰返しまた は脈動が可能であり、センサ７０の感度は向上することになる。 シリコン検出器ウエハ６９が、４．３ミクロン狭帯域光干渉フィルタ５４とシ リコン・ウエハ５２の上に第１の表面を持って形成される。ウエハ６９は、放射 線５１を反射するように、および素子７１とガスとの熱接触を向上させるように ウエハ６９の第２の表面に形成された、またはエッチングされた溝またはピット ７２を有する。熱電（ＴＥ）温度センサまたは検出器の層７３はウエハ６９上に 形成される。温度感応素子７１はピット７２の上に形成される。素子７１は、反 射金属で被覆されて赤外線の直接吸収を最小にする。センサ層７３の温度に感応 しない放射線５１に透明な部分７４が、ウエハ６９の第２の表面のエッチングさ れない部分に形成される。リード線６０を介して層７３との電気信号伝送のやり とりのために、電気接点７５が検出器層７３に形成される。取付け材料１１５が 層７３の周囲とウエハ６９の第２の表面に形成される。最上部のシリコン・ウエ ハの蓋７７が形成され、キャビティ７８を形成するように取り付けられる。ガス および／または空気がキャビティ７８に入ることができるように１つまたは複数 のビアもしくはチャネルまたは穴７９が形成されるか、取付けが行われる。 光−熱ガス・センサ７０の動作は、ＩＲ成分を持つ変動または脈動する放射線 ５１の放出を含む。光５１は、ＡＲ層５３を通って、ウエハ５２を通ってＩＦ層 ５４に達する。光５１の一部は、例えば４．３ミクロン（ＣＯ₂検出のため）の 波長の光だけを通す狭帯域薄膜層５４でろ波して除去される。他の帯域波長を有 するフィルタを、検出されるガスまたは流体の種類に応じて使用することができ る。光の４．３ミクロン部分がウエハ６９に入る。ピット７２に当たる光５１の ほとんど全てが、光８０として反射される。ウエハ６９の第２の表面のエッチン グされていない部分に当たる光５１は、検出器部分７４を通ってキャビティ７８ に入る。温度感応部７１が入力光５１の熱で影響されないように、ピット７２は 光５１を反射する。空気および／またはＣＯ₂等のガス６７はチャネル７９を介 してキャビティ７８に流れ込み通過する。光５１の波長とＣＯ₂の吸収波長は同 じなので、光５１はＣＯ₂によって吸収され、ＣＯ₂が加熱し、センサ７１が加熱 して、熱を検出し、したがってＣＯ₂の存在を検出するようになる。ガス６７は キャビティ７８を通過するか、キャビティに存在しているので、光５１は大きさ または強度が変動または脈動し、ガス６７のＣＯ₂を加熱させたり冷却させたり する。検出器素子７１からの電気信号は、接点７５およびリード線６０を介して プロセッサ８１に達する。プロセッサ８１は、ＣＯ₂の存在と量を決定し、ガス ・センサ７０の直近の環境に存在する有毒ガスの存在を推定的に示す。反射光８ ０は、プロセッサ８１に行く固定信号を最小にするために、センサ素子７１から 遠ざけられる。第６ａ図、第６ｂ図、第６ｃ図および第６ｄ図のような差動配列 が使用されてもよい。センサ７０の変更を、他の種類のガスや流体を直接感知す るためにセンサ１０に対する変更と同じように行ってもよい。 ガス・センサ７０を、ＣＯ₂以外の他のガスまたは流体の存在を直接に検出し て示すように設計してもよい。狭帯域フィルタ５４は、検出し測定する他の種類 のガスの吸収波長に等しい違った波長の光５１を通すフィルタに変えられるだろ う。例えば、ＣＯをセンサ７０で直接検出しようとすれば、４．６ミクロンの波 長の光を通すように、フィルタは設計されるだろう。炭化水素（ＣＨ）結合を有 するガスまたは流体（ＶＯＣ）をセンサ７０で直接検出しようとすれば、３．２ から３．４ミクロンの波長に設計されるだろう。 第３図は、他の光−熱ガス・センサ８２を図示する。シリコン基板８３はエッ チ・ピット８４を有する。熱電受容器８５がエッチ・ピット８４の上に位置付け られる。スペーサ８６が基板８３の上に形成されている。スペーサ８６の上にシ リコン基板８７が配置されている。基板８７の一方の表面に狭帯域干渉フィルタ ８８が形成される。基板８７の他方の平らな表面に反射防止膜８９が形成されて いる。フィルタ８８にシャドウ・マスク９０が形成され、これによって、熱電セ ンサ８５の直ぐ上の領域だけを除いて、薄膜８９、基板８７およびフィルタ８８ を通してキャビティ９１に入ってくる入射光が遮られる。各シャドウ・マスク９ ０の目的は、キャビティ９１に入ってくる光９２がセンサ素子８５に入射するの を大部分阻止することである。放射線または光９２の供給源は白熱電球９３また は、供給源基板またはウエハ９５に形成されたマイクロ発光体のアレイ９４であ ってもよい。光または発光体素子９４を含む基板またはウエハ９５を支持するた めに、スペーサ９６が、基板８７または薄膜８９に形成されてもよい。スペーサ ９６で支持された基板９５は、ウエハ８７または薄膜８９上に形成される時に、 ウエハ９５とウエハ８７または薄膜８９の間に熱絶縁されたキャビティを形成す ることなる。 マイクロ発光体９４または電球９３からの光９２は変調されて変動する強度ま たはパルス波形となっている。光９２は、マイクロ発光体９４が使用される場合 には、熱絶縁キャビティ９７を通り、電球９３が使用される場合には、最初に反 射防止膜８９を通る。光９２は薄膜８９、基板８７および干渉フィルタ８８を通 過したのち、キャビティ８６に入る。検出されるガスの吸収波長以外の波長を有 する光９２は、狭帯域フィルタ８８で遮られる。全ての波長の光がシャドウ・マ スク９６によって遮られ、光９２が熱センサ８５に当たるのを減少させる。熱セ ンサ８５を反射金属層で被覆して赤外線の直接吸収を最小にすることができる。 センサ８２のまわりの周囲環境の空気および／またはガス１１２は自由にキャビ ティ９１に流入し流出１１１する。ガス１１２の吸収波長がフィルタ８８を通る 光９２の波長と同じであれば、その時に光９２はそのガス１１２によって吸収さ れ、結果的に加熱する。ガス１１２の温度の上昇が熱センサ８５で検出される。 その吸収波長がフィルタ８８を通る光９２の波長と同じであるガスがなければ、 ガスによる光の吸収はなく、さらにキャビティ９１内のガスおよび／または空気 の温度の上昇または変化はない。したがって、熱センサ８５は温度の変化を検出 しない。しかし、シャドウ・マスク９０がなければ、その時には、光９２は、キ ャビティ９１内の温度の上昇および／または変化を検出する熱センサ８５に入射 し、それによって、ガスに依存する信号に加えて大きな固定した信号を与えるよ うになるだろう。 第４ａ図、第４ｂ図、および第４ｃ図は、シャドウ・マスク層９０と金属反射 層がある場合とない場合のキャビティ９１内の光９２の効果を図示する。第４ａ 図の波形は、フィルタ８８を通ってチャンバ９１に入ってくる光９２の振幅を示 す。第４ｂ図は、シャドウ・マスク９０が存在しない場合の熱センサ８５の信号 ９９を示す。その吸収波長が干渉フィルタ８８を通る光９２の波長と同じである ガスがチャンバ９１にあれば、その時には、検出されるガスが光９２を吸収する 結果として上昇するチャンバ内の温度が、曲線１００として曲線９９に重畳され る。所定の位置にシャドウ・マスク９０があり、さらに反射層がある場合は、光 ９２が熱センサ８５に入射して吸収されるのを阻止するために、信号９９は大部 分除去される。光９２からセンサ８５を分離した状態で結果として得られるセン サ信号は、第４ｃ図に示される信号１００となる。 センサ８５からの信号は増幅器１０２それからロックイン増幅器１０３に達す る。電源１０４は、電球９３またはマイクロ発光体９４に供給されて脈動するま たは変動する強度の光９２を与えることになる電気信号１０５を出力する。また 、信号１０５は、ロックイン増幅器１０３に帰還される。ロックイン増幅器１０ ３の信号出力は、キャビティ９１で検出されたしたがってセンサ８２の周囲環境 のガスの濃度量を示す。増幅器１０３の信号はプロセッサ１０６に達し、プロセ ッサ１０６が、直接検出されたガス、例えばＣＯ₂、の量から、微細加工推論型 有毒ガス指示器８２の直ぐまわりの周囲環境に存在する様々な有毒ガスの存在お よび量を推測的に決定する。また、プロセッサ１０６は、センサ８２のまわりの 現在または過去の化学的または物理的活量を推定する。また、将来の化学的また は物理的活量を予告することもできる。プロセッサ１０６は、他のガスまたは流 体のある濃度量の存在を推定する、特定のガスまたは流体のある濃度量を示す情 報テーブルを持つことができる。ＣＯ₂などの検出される濃度量が、他の推定さ れるガスまたは流体のある濃度量よりも最大で数桁大きいので、キャビティ９１ の中の特定のガスまたは流体のある濃度量の存在によって、他のガスまたは流体 のある濃度量の存在がより正確に推定される。 第５図は、熱−電センサ８５の製造を示す。シリコン基板８３は、検出器８５ を熱的に分離するためのエッチ・ピット８４を有する。熱電センサ８５の微細加 工アレイが薄膜金属１０７と１０８を部分的に重ね合わせることで形成される。 それらは、シリコン基板８３に形成される窒化ケイ素１０９の層の間に形成され る。金属層１０７と１０８のセンサ部は、カット１１０で区画され、エッチ・ピ ット８４の上に位置付けられた金属層１０７と１０８の間の部分的な重なりおよ び接触の領域として分離されている。金属反射層（金）を、熱−電センサ８５に よる放射線の直接吸収を減少させるために適用する（１０９ａ）ことができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年４月２４日（１９９９．４．２４） 【補正内容】 補正請求の範囲 １．第１のウエハと、 前記第１のウエハの第１の表面に形成された少なくとも１つのマイクロ発光体 と、 前記少なくとも１つのマイクロ発光体のすぐ近くの第１の表面を有し、真空を 密封する第２のウエハと、 前記第２のウエハの第２の表面に形成された第１の波長の狭帯域フィルタと、 前記狭帯域フィルタのすぐ近くの第１の表面を有する第３のウエハと、 前記第３のウエハの第２の表面に形成された複数のピットであって、前記複数 のピットの各々が前記ピットに入射する放射線を実質的に反射する複数のピット と、 前記第３のウエハの前記第２の表面に形成された複数の領域であって、各領域 が前記第１の波長の放射線を実質的に透過する複数の領域と、 前記第３のウエハの前記第２の表面のすぐ近くの複数の熱センサであって、前 記複数の熱センサの各熱センサが前記複数の熱センサのピットの上に位置付けら れている複数の熱センサと、 前記複数の熱センサと前記第３のウエハの前記第２の表面からある距離で隣り 合う第１の表面を有し、前記センサのまわりの周囲環境からガスまたは流体がそ のキャビティに入りおよび／またはそのキャビティから出る開口を有するキャビ ティを形成する第４のウエハと を含む微細加工集積回路ガス／流体センサ。 ２．さらに、前記第１のウエハの第２の表面に、前記少なくとも１つのマイクロ 発光体まで前記第１のウエハを通して形成された第１のウエハ通過接点と、 前記第１のウエハの第２の表面に、前記複数の熱センサまで前記第１、第２お よび第３のウエハを通して形成された第２のウエハ通過接点とを含む請求項１に 記載のセンサ。 ３．さらに、前記第１のウエハの前記第２の表面に形成された集積回路を含む請 求項１または２に記載のセンサ。 ４．さらに、前記第２のウエハの前記第１の表面に形成された反射防止被膜を含 む前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。 ５．前記複数の熱センサが、前記ガスまたは流体の前記温度の変化の大きさを示 す信号を出力し、 前記温度の変化の大きさが、前記キャビティの、結果として前記ガス／流体セ ンサの周囲環境の前記ガスまたは流体の濃度量を示す前記請求項のいずれか一項 に記載のセンサ。 ６．さらに、プロセッサを含み、 前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは流体の濃度量を示す前記複 数の熱センサからの信号が、前記プロセッサに行き、さらに、 前記プロセッサが、前記検出器からの信号を処理し、他のガスまたは流体の存 在、ならびに／あるいは将来または現在または過去の化学的または物理的な活量 を示す推定情報を提供する前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。 ７．前記プロセッサが、他のガスまたは流体のある濃度量の存在を推定するため に、特定のガスまたは流体のある濃度量を示す情報のテーブルを含む前記請求項 のいずれか一項に記載のセンサ。 ８．前記第１の波長がＣＯ₂の吸収波長にあり、さらに、 ＣＯ₂の存在がある燃焼生成物の存在を示す前記請求項のいずれか一項に記載 のセンサ。 ９．微細加工集積回路ガス／流体センサにおいて、 半導体材料に形成された少なくとも１つのマイクロ発光体と、 前記少なくとも１つのマイクロ発光体の近くの前記半導体材料に形成された第 １の波長のフィルタと、 前記フィルタの近くに、前記半導体材料に形成された少なくとも１つのピット であって、そのピットに入射する放射線を実質的に反射する少なくとも１つのピ ットと、 前記少なくとも１つのピットの上に位置付けられた少なくとも１つの熱センサ と、 前記少なくとも１つの熱センサの近くに、前記半導体材料に形成されたキャビ ティであって、前記センサのまわりの周囲環境からガスまたは流体が前記キャビ ティに入りならびに／あるいは前記キャビティを出るように少なくとも１つの開 口を有するキャビティとを含むセンサ。 １０．前記少なくとも１つの熱センサが、前記ガスまたは流体の温度変化の大き さを示す信号を出力し、さらに、 前記温度変化の大きさが、前記キャビティの、結果的に前記ガス／流体センサ の周囲環境の前記ガスまたは流体の濃度量を示す請求項９に記載のセンサ。 １１．さらに、プロセッサを含み、 前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは流体の濃度量を示す前記少 なくとも１つの熱センサからの信号が、前記プロセッサに行き、さらに、 前記プロセッサが、前記少なくとも１つの熱センサからの信号を処理し、他の ガスまたは流体の存在、ならびに／あるいは将来または現在または過去の化学的 または物理的な活量を示す推定情報を提供する請求項１０に記載のセンサ。 １２．前記プロセッサが、他のガスまたは流体のある濃度量の存在を推定する特 定のガスまたは流体のある濃度量を示す情報のテーブルを含み、さらに、 他のガスまたは流体のある濃度量の存在が、前記特定のガスまたは流体のある 濃度量の存在によって、後者の濃度量が他のガスまたは流体のある濃度量よりも 最大で数桁大きいために、より正確に推定される請求項１１に記載のセンサ。 １３．前記第１の波長がＣＯ₂の吸収波長にあり、さらに、 ＣＯ₂の存在がある燃焼生成物の存在を示す請求項１２に記載のセンサ。 １４．さらに、前記半導体材料に形成された集積回路を含む請求項１３に記載の センサ。 １５．前記集積回路が前記プロセッサを含む請求項１４に記載のセンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射線を供給する手段と、 前記放射線を供給する手段のすぐ近くの放射線をフィルタに通す手段と、 前記放射線をフィルタに通す手段のすぐ近くの放射線の一部を遮る手段と、 前記放射線をフィルタに通す手段のすぐ近くのガスまたは流体を含む手段と、 前記ガスまたは流体を含む手段のすぐ近くの、ガスまたは流体が前記ガスまた は流体を含む手段に入りまたは出ることを可能にする手段と、 前記放射線の一部を遮る手段のすぐ近くの前記ガスまたは流体の温度を検出す る手段とを含むガスまたは流体を感知する手段。 ２．前記ガスまたは流体を感知する手段の一部が微細加工される請求項１に記載 のガスまたは流体を感知する手段。 ３．前記放射線をフィルタに通す手段が、第１の波長で放射線を通す狭帯域フィ ルタであり、 前記放射線を供給する手段からの放射線が、変動する強度を有し、 前記第１の波長に放射線の吸収を有するガスまたは流体は、変動する強度を有 する放射線の吸収のために温度が変動し、さらに、 前記温度を検出する手段が、前記ガスまたは流体を含む手段のガスまたは流体 の温度の変動の速度を検出する請求項２に記載のガスまたは流体を感知する手段 。 ４．さらに、前記ガスまたは流体の温度を検出する手段による放射線の直接吸収 を減少させる手段を含む請求項３に記載のガスまたは流体を感知する手段。 ５．さらに、複数の波長で放射線を発生させる手段を含む請求項４に記載のガス または流体を感知する手段。 ６．さらに、流体またはガスの温度を測定する複数の手段を含む請求項５に記載 のセンサ。 ７．第１のウエハと、 前記第１のウエハに形成された発光体と、 前記第１のウエハに形成された第２のウエハと、 前記第２のウエハに形成された放射線フィルタと、 前記放射線フィルタに形成された第３のウエハと、 前記第３のウエハに形成された温度検出器と、 前記温度検出器に形成された第４のウエハとを含み、 前記第３のウエハが放射線マスクを含み、 前記第４のウエハが前記温度検出器の上にキャビティを形成するガス／流体セ ンサ。 ８．ウエハがシリコンである請求項７に記載のセンサ。 ９．前記ウエハの少なくとも１つが、ガラスである請求項７に記載のセンサ。 １０．前記放射線フィルタが、第１の波長を有する放射線を通す狭帯域フィルタ であり、 感知されるガスまたは流体が、前記第１の波長に吸収波長を有し、さらに、 前記キャビティが、前記センサのまわりの周囲環境のガスまたは流体が前記キ ャビティに入りおよび前記キャビティから出るように、少なくとも１つのオリフ ィスを有する請求項８に記載のセンサ。 １１．前記温度検出器が、複数の熱的に分離された感知素子を含み、 前記放射線マスクが、放射線が前記複数の熱感知素子に当たるのを実質的に防 ぐための放射線を遮る領域、および放射線が前記複数の感知素子のすぐ近くのガ スまたは流体を加熱させるようにする放射線透過領域を有し、さらに、 前記発光体より来て、前記第２のウエハ、放射線フィルタ、放射線マスクの前 記放射線透過領域を通過し前記キャビティに入る放射線が、変動する強度を有す る請求項１０に記載のセンサ。 １２．前記複数の感知素子が、放射線の直接吸収を最小にするために反射層を有 する請求項１１に記載のセンサ。 １３．前記キャビティおよび前記複数の熱的に分離された感知素子が微細加工さ れる請求項１２に記載のセンサ。 １４．前記キャビティの中にあり、前記第３のウエハからの放射線によって衝突 されるガスまたは流体は、前記ガスまたは流体が前記第１の波長に吸収波長を持 てば、変化した量で温度が変動する請求項１３に記載のセンサ。 １５．前記温度検出器が、前記キャビティのガスまたは流体の温度の変化を感知 することができ、 前記温度検出器が、前記キャビティのガスまたは流体の温度の変化の大きさを 示す信号を出力することができ、 前記温度の変化の大きさが、前記キャビティの中の、結果的には、前記センサ の周囲環境の前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは流体の濃度量を 示す請求項１４に記載のセンサ。 １６．さらに、プロセッサを含み、 前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは流体の濃度量を示す前記温 度検出器からの信号が、前記プロセッサに行き、さらに、 前記プロセッサが、前記温度検出器からの信号を処理し、他のガスまたは流体 の存在、ならびに／あるいは将来または現在または過去の化学的または物理的な 活量を示す推定情報を提供する請求項１５に記載のセンサ。 １７．前記第１の波長がＣＯの吸収波長にある請求項１６に記載のセンサ。 １８．前記第１の波長がＣＯ₂の吸収波長にある請求項１６に記載のセンサ。 １９．前記プロセッサが、燃焼生成物のある濃度量の存在を推定するために、特 定のガスまたは流体のある濃度量を示す情報のテーブルを含み、さらに、 燃焼生成物のある濃度量の存在が、前記特定のガスまたは流体のある濃度量の 存在によって、後者の濃度量が前記燃焼生成物のある濃度量よりも最大で数桁大 きいために、より正確に推定される請求項１８に記載のセンサ。 ２０．さらに、前記第１のウエハに形成された集積回路を含み、前記集積回路が 前記プロセッサを含む請求項１６に記載のセンサ。 ２１．さらに、前記第４のウエハに形成された集積回路を含み、前記集積回路が 前記プロセッサを含む請求項１６に記載のセンサ。 ２２．さらに、前記第２のウエハに形成された前記第１の波長に対する反射防止 被膜を含む請求項１９に記載のセンサ。 ２３．第１のウエハと、 前記第１のウエハの第１の表面に形成された少なくとも１つのマイクロ発光体 と、 前記少なくとも１つのマイクロ発光体のすぐ近くの第１の表面を有し、真空を 密封する第２のウエハと、 前記第２のウエハの第２の表面に形成された第１の波長の狭帯域フィルタと、 前記狭帯域フィルタのすぐ近くの第１の表面を有する第３のウエハと、 前記第３のウエハの第２の表面に形成された複数のピットであって、前記複数 のピットの各々が前記ピットに当たる放射線を実質的に反射する複数のピットと 、 前記第３のウエハの前記第２の表面に形成された複数の領域であって、各領域 が前記第１の波長の放射線を実質的に透過する複数の領域と、 前記第３のウエハの前記第２の表面のすぐ近くの複数の熱センサであって、前 記複数の熱センサの各熱センサが前記複数の熱センサのピットの上に位置付けら れている複数の熱センサと、 前記複数の熱センサと前記第３のウエハの前記第２の表面からある距離で隣り 合う第１の表面を有し、前記センサのまわりの周囲環境からガスまたは流体がそ のキャビティに入りおよび／またはそのキャビティから出る開口を有するキャビ ティを形成する第４のウエハとを含む微細加工集積回路ガス／流体センサ。 ２４．さらに、前記第１のウエハの第２の表面に、前記少なくとも１つのマイク ロ発光体まで前記第１のウエハを通して形成された第１のウエハ貫通接点と、 前記第１のウエハの第２の表面に、前記複数の熱センサまで前記第１、第２お よび第３のウエハを通して形成された第２のウエハ貫通接点とを含む請求項２３ に記載のセンサ。 ２５．さらに、前記第１のウエハの前記第２の表面に形成された集積回路を含む 請求項２４に記載のセンサ。 ２６．さらに、前記第２のウエハの前記第１の表面に形成された反射防止被膜を 含む請求項２５に記載のセンサ。 ２７．前記少なくとも１つのマイクロ発光体から出て来て前記反射防止被膜、前 記第２のウエハ、前記狭帯域フィルタを通過する放射線において、前記狭帯域フ ィルタからの前記放射線の第１部分が前記第３のウエハの前記第２の表面に形成 された前記複数のピットによって反射され、さらに前記狭帯域フィルタからの前 記放射線の第２部分が前記複数のピットのどれも形成されていないところで前記 第３のウエハを通過し、 前記第３のウエハを通過する放射線によって衝突される前記キャビティのガス または流体は、前記ガスまたは流体が前記第１の波長に吸収波長を有する場合に 、温度が変化し、 前記第３のウエハを通過する放射線によって衝突される前記キャビティのガス または流体が、前記第１の波長にない吸収波長を有する場合に、実質的に固定し た量で温度が変化し、さらに、前記ガスまたは流体が前記第１の波長に吸収波長 を有する場合に、増加した量で温度が変化し、 前記複数の熱センサが前記ガスまたは流体の温度の変化を感知できる請求項２ ６に記載のセンサ。 ２８．前記複数の熱センサが、前記ガスまたは流体の前記温度の変化の大きさを 示す信号を出力し、 前記温度の変化の大きさが、前記キャビティの、結果として前記ガス／流体セ ンサの周囲環境の前記ガスまたは流体の濃度量を示す請求項２７に記載のセンサ 。 ２９．さらに、プロセッサを含み、 前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは流体の濃度量を示す前記複 数の熱センサからの信号が、前記プロセッサに行き、さらに、 前記プロセッサが、前記検出器からの信号を処理し、他のガスまたは流体の存 在、ならびに／あるいは将来または現在または過去の化学的または物理的な活量 を示す推定情報を提供する請求項２８に記載のセンサ。 ３０．前記プロセッサが、他のガスまたは流体のある濃度量の存在を推定するた めに、特定のガスまたは流体のある濃度量を示す情報のテーブルを含み、さらに 、 他のガスまたは流体のある濃度量の存在が、前記特定のガスまたは流体のある 濃度量の存在によって、後者の濃度量が前記他のガスまたは流体のある濃度量よ りも最大で数桁大きいために、より正確に推定される請求項２９に記載のセンサ 。 ３１．前記第１の波長がＣＯ２の吸収波長にあり、さらに、 ＣＯ₂の存在がある燃焼生成物の存在を示す請求項３０に記載のセンサ。 ３２．熱電センサのアレイと、 前記熱電センサのアレイに最も近くかつ第１の距離にある狭帯域フィルタであ って、前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの間に空間が形成される狭 帯域フィルタと、 前記狭帯域フィルタに形成されるシャドウ・マスクと、 前記狭帯域フィルタのすぐ近くに位置付けられた発光体とを含むガス／流体セ ンサ。 ３３．前記発光体が、前記狭帯域フィルタを通過する放射線を放出することがで き、 前記放射線の第１の部分が前記シャドウ・マスクによって遮られて、前記放射 線が前記熱電センサのアレイに当たるのを防ぎ、 前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの間の空間が、前記ガス／流体 センサのまわりの周囲環境からのガスまたは流体で満たされ、さらに、 前記放射線の第２の部分が、前記シャドウ・マスクによって遮られないで、前 記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの間の空間に入り、ガスまたは流体 によって吸収されない場合に、熱電センサを有しない前記熱電センサのアレイの 領域に当たる請求項３２に記載のガス／流体センサ。 ３４．前記発光体が、放出中に、変動する強度を有する放射線を放出し、 前記狭帯域フィルタが第１の波長で放射線を通し、 前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの間の空間の前記ガスまたは流 体が前記第１の波長に吸収波長を有する場合に、その時に、前記ガスまたは流体 が前記放射線を吸収し、前記放射線の強度の変動に従って温度が変化し、 前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの間の空間の前記ガスまたは流 体が前記第１の波長にない吸収波長を有する場合に、その時に、前記ガスまたは 流体が前記放射線を吸収しないで、前記放射線の強度の変動に従って実質的に固 定した量で温度が変化し、前記ガスまたは流体が前記第１の波長に吸収波長を持 つ場合に、増加した量で温度が変化し、さらに、 前記熱電センサのアレイが、前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フィルタの 間の空間の前記ガスまたは流体の温度を検出し、その温度を示す信号を出力する 請求項３３に記載のガス／流体センサ。 ３５．さらに、 前記発光体に接続された変調電力信号供給源と、 前記熱電センサのアレイに接続された第１の入力、前記変調電力信号供給源に 接続された第２の入力を有し、さらに、前記熱電センサのアレイと前記狭帯域フ ィルタの間の空間の、結果として前記ガス／流体センサのまわりの周囲環境の前 記第１の波長に吸収波長を持つガスまたは流体の濃度量を示す信号を与えること ができる出力を有するロックイン増幅器とを含む請求項３４に記載のガス／流体 センサ。 ３６．さらに、 前記ロックイン増幅器の出力に接続されたプロセッサを含み、前記プロセッサ が、所与の第１の波長について、前記ロックイン増幅器の出力の信号に基づいて 、他のガスおよび／または流体の濃度量の存在を推定する請求項３５に記載のガ ス／流体センサ。