ガス／流体センサ
【課題】より生産性を高め、かつ手頃な価格にすることができるセンサを提供する。
【解決手段】 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。
【解決手段】 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。
【発明の詳細な説明】
【背景の技術】
【０００１】
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。
【０００２】
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】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
本センサは、ＣＯ2 の検出によってＣＯ、ＮＯx 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、ＮＯx 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 、１０〜２０％のＨ2 Ｏ、０〜１０％のＯ2 、７０〜８０％のＮ2 、０．００１から０．４％のＮＯx 、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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ＩＦ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。
【実施形態の説明】
【００１０】
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１１４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。
【００１１】
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。
【００１２】
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１０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。
【００１３】
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１１３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。
【００１４】
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１３９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１３６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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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８０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。
【００２０】
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。
【００２１】
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９０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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１０３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。
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】微細加工推論型光−熱ガス・センサを示す図である。
【図２】推論型光−熱ガス・センサの別の設計を示す図である。
【図３】光−熱ガス・センサのさらに別の設計を示す図である。
【図４】熱センサの光信号と熱信号の波形図である。
【図５】熱センサ素子の構造の図である。
【図６ａ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｂ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｃ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｄ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【背景の技術】
【０００１】
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。
【０００２】
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】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
本センサは、ＣＯ2 の検出によってＣＯ、ＮＯx 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、ＮＯx 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 、１０〜２０％のＨ2 Ｏ、０〜１０％のＯ2 、７０〜８０％のＮ2 、０．００１から０．４％のＮＯx 、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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ＩＦ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。
【実施形態の説明】
【００１０】
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１１４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。
【００１１】
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。
【００１２】
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１０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。
【００１３】
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１１３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。
【００１４】
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１３９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１３６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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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８０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。
【００２０】
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。
【００２１】
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９０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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１０３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。
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】微細加工推論型光−熱ガス・センサを示す図である。
【図２】推論型光−熱ガス・センサの別の設計を示す図である。
【図３】光−熱ガス・センサのさらに別の設計を示す図である。
【図４】熱センサの光信号と熱信号の波形図である。
【図５】熱センサ素子の構造の図である。
【図６ａ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｂ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｃ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【図６ｄ】差動方法でのセンサの動作を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ガス／流体センサ。
【請求項２】
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１に記載のガス／流体センサ。
【請求項３】
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２に記載のガス／流体センサ。
【請求項４】
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３に記載のガス／流体センサ。
【請求項５】
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４に記載のガス／流体センサ。
【請求項６】
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５に記載のガス／流体センサ。
【請求項７】
前記集積回路が前記プロセッサを含む請求項６に記載のガス／流体センサ。
【請求項１】
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ガス／流体センサ。
【請求項２】
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１に記載のガス／流体センサ。
【請求項３】
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２に記載のガス／流体センサ。
【請求項４】
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３に記載のガス／流体センサ。
【請求項５】
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４に記載のガス／流体センサ。
【請求項６】
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５に記載のガス／流体センサ。
【請求項７】
前記集積回路が前記プロセッサを含む請求項６に記載のガス／流体センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【公開番号】特開２００８−１８０７２４（Ｐ２００８−１８０７２４Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１５６６（Ｐ２００８−３１５６６）
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【分割の表示】特願平１０−５４７２７１の分割
【原出願日】平成１０年４月２８日（１９９８．４．２８）
【出願人】（５０００３５０５２）ハネウエル・インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【分割の表示】特願平１０−５４７２７１の分割
【原出願日】平成１０年４月２８日（１９９８．４．２８）
【出願人】（５０００３５０５２）ハネウエル・インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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