DE69820308T2

DE69820308T2 - Mikrotechnologischer ableitender optisch-thermischer Gassensor

Info

Publication number: DE69820308T2
Application number: DE69820308T
Authority: DE
Inventors: R. Andrew Wood
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2018-04-29
Also published as: JP2001522460A; US5892140A; DE69820308D1; CA2284486C; EP0979400A1; JP2008180724A; JP4122067B2; WO1998049539A1; DE69801747D1; EP1120642A2; US5861545A; EP1120642A3; EP1120642B1; EP0979400B1; CA2284486A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft Gassensoren und im Besonderen Giftgassensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung mikrotechnologische Leitungsgas- und Flüssigkeitssensoren.
Geräte nach dem Stand der Technik zum Registrieren von Giftgasen wie CO, CO₂, NO, NO₂ und flüchtigen Kohlenwasserstoffen, die bei Verbrennungsvorgängen erzeugt werden, haben auf Sensoren beruht, die Änderungen der Metalloxidfilmleitfähigkeit, der Chemilumineszenz, der Fluoreszenz, verschiedener Formen von IR-Absorption und so weiter anzeigten. Diese Sensoren sind entweder zu teuer, zu instabil oder zu unempfindlich gewesen, um die Anforderungen eines kostengünstigen, verlässlichen Giftgassensors zu erfüllen. Ihr Registrieren solcher Giftgase in Konzentrationen, die den Niveaus, bei denen sie gefährlich für Gesundheit oder Leben sein können, entsprechen, ist schwierig, insbesondere wenn der Vorgang mit kostengünstigen, erschwinglichen und verlässlichen Sensoren durchzuführen ist. Ältere Gasmotoren oder Gasheizungen, die von sparsamen Anwendern betrieben werden, sind des Öfteren sehr wahrscheinlich eine Quelle von Giftgasen, die diese Anwender und andere gefährden. Diese Anwender neigen höchstwahrscheinlich am wenigsten dazu, Giftgasanzeiger zu kaufen, solange es niemandem gelingt, eine erschwingliche und angemessene Technologie für sie bereitzustellen.
Optoakustische Gassensoren registrieren niedrige Gaskonzentrationen, indem sie durch modulierte Schmalbandbeleuchtung mit einer Wellenlänge, die das Gas absorbiert, eine Gastemperaturänderung herbeiführen. Das modulierte Temperatursignal wird nicht direkt registriert, sondern es wird eine geschlossene oder beinahe geschlossene Gasmessküvette verwendet, welche die kleinen Gastempteratursignale in ein Drucksignal umwandelt, das durch ein Mikrophon registriert wird. Eine geschlossene oder beinahe geschlossene Gasküvette erschwert das Eintreten und Austreten des Gases in bzw. aus der Gasküvette.
US-A-5,141,331 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum photothermischen und/oder kalorimetrischen Untersuchen von gasförmigem, flüssigem oder festem Messmaterial. Die Vorrichtung gemäß US-A-5,141,331 umfasst Mittel zum Schaffen von Strahlung, Mittel zum Filtern von Strahlung, Mittel zum Blockieren eines Strahlungsabschnitts und Mittel zum Aufnehmen eines Gases oder einer Flüssigkeit.
Die vorliegende Erfindung stellt einen mikrotechnologischen Strömungssensor wie in Anspruch 1 definiert bereit.
Der Sensor kann die Merkmale irgendeines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 11 umfassen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein neues, nützliches, kostengünstiges und verlässliches Direktregistrierer des Gastemperatursignals des vorhandenen Gases und schafft des Weiteren die daraus abgeleitete Anzeige des Vorhandenseins eines Giftgases oder unerwünschter Bestandteile von Verbrennungsprodukten. Es ist nicht notwendig, die Giftgase oder unerwünschten Gase direkt zu messen, wenn man es schafft, eine Erscheinung zu erkennen, die deren Vorhandensein anzeigen würde oder mit aussagekräftiger Wahrscheinlichkeit darauf schließen ließe. Der vorliegende Sensor schafft somit einen kompakteren, verlässlicheren, erschwinglicheren Nachweis als direkte nichtdispersive Infrarotregistrierung von Giftgasen. Er schafft des Weiteren zusätzlichen Nachweis-/Alarmschutz gegen hohe Konzentrationen von CO₂ oder anderen Gaskonzentrationen durch direktes Registrieren.
Der Sensor nützt die indirekte Anzeige giftiger Verbrennungsprodukte, wie den Nachweis von CO, NO_x und flüchtigen Kohlenwasserstoffen über den CO₂-Nachweis, und stellt damit eine kostengünstige, integrierte Gassensorkonstruktion zu einem annehmbaren Preis zur Verfügung, um die Giftgasregistrierbedürfnisse von Anwendern nicht entlüfteter Raumheizer (oder Küchenöfen) und die Bedürfnisse von Autofahrern, die Auspuffgase aus ihren Autos oder in deren Nähe nachweisen möchten, zu erfüllen.
Kohlendioxid (CO₂) zeigt das Vorhandensein unerwünschter Konzentrationen von Verbrennungsprodukten an. CO₂ entsteht bei Verbrennungsprozessen in Konzentrationen, die 10 bis 100 Mal höher sind, als die von CO, NO_x oder flüchtigen Kohlenwasserstoffen. Man kann CO₂ jedoch bei Konzentrationsniveaus messen, die 3 bis 30 Mal niedriger sind, als die der oben erwähnten Gase, insbesondere durch nichtdispersive Infrarotmessung. Man weiß, dass Verbrennungsprodukte, insbesondere die von Benzin- oder Dieseltreibstoff, aus 5–15% CO₂, 10–20% H₂O, 0–10% O₂, 70–80% N₂, 0,001 bis 0,4% NO_x, 0,001 bis 0,2% CO (bei abgenützten oder schlecht eingestellten Fahrzeugmotoren kann CO bis zu 2% ausmachen) und 0,001 bis 0,3% Kohlenwasserstoffe (HC) bestehen, was bedeutet, dass CO₂-Konzentrationen immer überwiegen. Man nimmt jedoch an, dass sich das Auspuffgas des vorderen Autos 10- bis 1000-fach verdünnt, bevor es den Fahrgastzelleneinlass des hinteren Autos erreicht, so dass die CO₂-Konzentration wahrscheinlich nur 0,005 bis 1,5% beträgt, was messbar ist, während die Giftgaskonzentration im Bereich von 0,0001 bis 0,04% liegt. Die letzteren Konzentrationen sind sehr viel schwieriger zu messen, insbesondere mit kostengünstigen Sensoren, die oftmals gar nicht beginnen würden, diese Gase zu registrieren, obwohl sie in Konzentrationen vorhanden sind, die Beschwerden oder gesundheitsschädliche Wirkungen hervorrufen.
Die integrierte Konstruktion des vorliegenden Sensors verbessert seine Herstellbarkeit und Erschwinglichkeit. Gasküvette, Wärmedetektor und optischer Filter sind in eine kompakte, mikrotechnologische Einheit integriert, die kostengünstiger, d. h. erschwinglicher und umfassender anwendbar ist, als teurere Sensoren. Infrarotstrahlung kann aus kleinen Glühbirnen oder aus elektrisch beheizten Mikrobrücken (Mikrostrahlern) erhalten werden. Auch elektronische Schaltungen können in das Siliziummaterial integriert werden. Die Sensoren sind kompakter und damit auch stabiler und insgesamt besser verwendbar. Der integrierte optothermische Sensor verwendet als Detektor des vorhandenen Gases ergibt ein empfindlicheres, schnelleres Ansprechen und einen stabileren Nachweis. Das raschere Ansprechen beruht darauf, dass keine geschlossene oder beinahe geschlossene Gasküvette erforderlich ist.
Der integrierte Sensor ist 10 bis 100 Mal kleiner als die Sensoren nach dem Stand der Technik, wodurch das vorliegende System erschwinglicher, beweglicher und nützlicher ist. Die vorliegenden Detektoren sind auch 10 bis 100 Mal günstiger als die Detektoren nach dem Stand der Technik, da sie unter Verwendung von Siliziummikrotechnologie serienmäßig hergestellt werden können.
Der vorliegende, hochpräzise Gasdetektor ist aus mikrotechnologischer Siliziumtechnologie gebildet, und dadurch viel kleiner als die Detektoren nach dem Stand der Technik.
Insgesamt ist die Erfindung ein kostengünstiges optothermisches Messsystem in Form eines mikrotechnologischen integrierten Sensors, der in einer Ausführungsform eine pulsierende, beheizte Strahlungsquelle, einen entsprechenden mehrschichtigen Schmalbandinterferenzfilter (IF), einen Antireflexfilm (AR), Lochmasken, um Licht davon abzuhalten, auf thermische Sensoren aufzutreffen und eine speziell geätzte Siliziumscheibe oder -maske, um das Infrarotlicht (IR) oder Licht anderer Wellenlänge zu maximieren, um Energieausbeute zum Beispiel beim 4,3-Mikron-Wellenlängenband von CO₂ zu schaffen, einen Testgashohlraum, wobei Gas durch Kanäle hinein- und hinausfließen kann, oder durch die Ätzlöcher, die vorher bei der Herstellung verwendet wurden, um die selbstverzehrende Schicht aufzulösen, die zum Bilden des Hohlraums verwendet wurde, oder durch eine poröse gepresste rostfreie Stahlfritte hinein und hinaus zu diffundieren, und einen mikrotechnologischen Gastemperatursensor, der auf Einzelergebnis- oder Differentialergebnisweise betrieben wird, aufweist.
Die Wirkung langsamer Veränderungen der Umgebungstemperatur auf den Sensor wird durch eine thermoelektrische Verbindungspaaranordnung auf natürliche Weise unterdrückt. Die Wirkung von Änderungen der Gastemperatur durch Luft und/oder Gaszüge kann durch geeignete poröse Leitbleche und durch Lock-in-Nachweis minimiert werden. Um Hintergrundsignale zu minimieren, sind die thermoelektrischen Temperatursensoren nicht direkt durch die optische Strahlung beleuchtet und können mit einem reflektierenden Material beschichtet sein und können auf eine differentielle Art betrieben sein, indem geeignete IFs zwischen der optischen Leuchte und den Gastemperatursensoren angeordnet werden, und eine geeignete Gaseinlassanordnung geschaffen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt einen mikrotechnologischen ableitenden optothermischen Gassensor.
2 zeigt eine Konstruktion eines ableitenden optothermischen Gassensors, der ein Abschnitt der vorliegenden Erfindung ist.
3 ist eine weitere Konstruktion eines optothermischen Gassensors.
4a, 4b und 4c sind Wellenformdiagramme von Licht- und Wärmesignalen eines thermischen Sensors.
5 ist ein Diagramm des Aufbaus eines Thermosensorelements.
6a, 6b, 6c und 6d zeigen einen Sensorbetrieb auf differentielle Weise.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm, das einen grundlegenden Aufbau eines ableitenden optothermischen Gassensors 10 zeigt. Die Siliziumscheibe 11 weist auf einer Seite einen geätzten Raum 12 auf. Auf der Seite, die Vertiefung 12 aufweist, ist eine Siliziumscheibe 13 angeordnet, die auf der Seite, die an Scheibe 11 anliegt, einen Satz Mikrostrahler 14 aufweist. Auf der Oberfläche oder Seite der Scheibe 11, die an die Mikrostrahler 14 angrenzt, ist eine Antireflexbeschichtung (AR) 15 angeordnet. Auf der anderen Seite der Scheibe 11 ist ein Schmalbandinterferenzfilter (IF) 16 angeordnet, der dafür ausgelegt ist, nur Infrarotlicht durchzulassen, das eine Wellenlänge aufweist, die gleich ist wie die Absorptionswellenlänge (4,3 Mikron) von CO₂. Die AR- und IF-Beschichtungen oder -filme können hinsichtlich ihrer Lage untereinander vertauscht sein. Siliziumscheibe 17 ist am Filter 16 angeordnet. Siliziumscheibe 18 ist auf Scheibe 17 angeordnet. Die Siliziumscheiben 17 und 18 sind geätzt, um einen Hohlraum 20 und Kanäle 114 zu bilden. Die Kanäle 114 bilden einen Weg zwischen Hohlraum 20 und dem Umgebungsvolumen oder -raum außerhalb von Sensor 10. Gas oder Luft 21 kann durch Öffnungen, Wege oder Kanäle 114 in den Hohlraum 20 hinein oder aus ihm heraus diffundieren oder fließen. Scheibe 18 weist thermische Sensoren 19 auf, die über Löchern 116 angeordnet sind. Mikrostrahler 19 und thermische Sensoren 19 sind mit Kontaktstellen 24 verbunden. Auf Scheibe 13 oder 18 kann ein integrierter Schaltkreis (IC) oder ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) angeordnet sein, um Elektronik 25 zum Steuern der Mikrostrahler 14 oder zum Verarbeiten von Signalen der thermischen Sensoren 19 bereitzustellen. Die Scheibe 11 kann durch eine Glasplatte ersetzt sein. Sogar Scheibe 17 kann durch Glas ersetzt sein. Bei der unten offenbarten Ausführungsform können auch der IF-Filter und die AR-Beschichtung auf Glas angeordnet oder ausgebildet sein.
Strahlungsquelle 14 ist ein Feld von 32 × 32 Mikrostrahlern, die als eine Infrarotstrahlungsquelle dienen. Die Gesamtstrahlung von Feld 14 bei 4,3 Mikron ist ungefähr 2,8 Mal so groß wie die einer Miniwolframglühbirne. Der Hohlraum 20 ist ungefähr 100 Mikron tief × 500 Mikron breit. Der Hohlraum 20 darf nicht zu klein sein, da sonst Gaskühlung an den Oberflächen des Hohlraums die Empfindlichkeit des Gassensors 10 verringern würde.
Der thermische Sensor ist ein Feld von 64 × 64 in Serie geschalteten thermoelektrischen NiFe:Cr-Sensoren 19, von denen jeder zwei thermoelektrische metallische Anschlüsse für jede 50 Mikron × 50 Mikron Siliziumnitridmikrobrücke, und zwar einen Anschluss an der Mikrobrücke und einen am benachbarten Silizium mit 10 Ohm Widerstand pro Anschlusspaar und einem Anschlusspaar-Seebeck-Koeffizient von 60 Mikrovolt/Grad C., aufweist. Die thermoelektrischen Sensoren 19 sind mit einer reflektierenden Metallschicht überzogen, um direkte Absorption von Infrarotstrahlung zu minimieren.
Der thermische Sensor weist eine typische Mikrobrückenansprechzeit von 0,5 Millisekunden und eine Beleuchtungsmodulation von 10 Hz auf. Das Sperrelektroniknachweissystem (zum Beispiel Verstärker 102, Energiequelle 109 und Lock-in-Verstärker 103 in 3 mit Quellelementen 94 statt der Lampe 93) weist eine Ansprechzeit von 30 Sekunden auf (d. h. Bandbreite dF = 0,02 Hz). Das effektive Spannungsrauschen = Quadratwurzel von (4KT(64 × 64)RdF) = 2,5 Nanovolt rms und die Empfindlichkeit = (2,5e – 9)/(64 × 64 × 60e – 6) = 10 Nanograd C. rms. Das erlaubt den Nachweis typischer Gastemperatursignale einer CO₂-Konzentration von ungefähr 100 ppm.
In 1 gibt die Quelle 14 Licht 118 und 119 ab. Licht 119 wird von der Lochmaske 113 blockiert. Licht 118 geht durch Schicht 15 und Scheibe 11 durch. Nur Licht 118, das eine Wellenlänge aufweist, die durch den Schmalbandinterferenzfilter 16 durchgeht, dringt in den Hohlraum 20 ein und ist imstande, auf Luft- und/oder Gasmoleküle 21 aufzutreffen. Wenn ein solches Gas 21 eine Absorptionswellenlänge aufweist, die gleich der Wellenlänge von Licht 118 ist, das durch Filter 16 durchgeht und auf Gas 21 auftrifft, wird Licht 118 vom Gas 21 absorbiert und Gas 21 erwärmt sich. Der Anstieg der Temperatur von Gas 21 wird durch die thermischen Sensoren 19 registriert, die Signale abgeben, welche das Vorhandensein von Gas 21 anzeigen. Licht 118, das nicht vom das Gas 21 absorbiert wird, trifft auf die nichtthermischen Bereiche 117 auf und wirkt nicht auf die Sensoren 19. Aufgrund der Lochmaske 113 trifft nur wenig Licht 118 oder 119 auf die Sensoren 19 auf. Licht 119 von der Quelle 14 geht durch den Film 15, die Scheibe 11 und den Schmalbandfilter 16 durch und trifft auf die Masken 113 auf. Die Masken 113 blockieren größtenteils das Licht 119, das andernfalls in den Hohlraum 20 eindringen und auf die thermischen Sensoren 19 auftreffen würde. Das Aufprallen von Licht 119 auf die Sensoren 19 würde die Sensoren 19 erwärmen und konstante Signale schaffen, die das Vorhandensein von Gas nicht anzeigen würden. Wenn Licht 119 auf die Sensoren 19 auftrifft, kann Elektronik verwendet werden, um konstante Signale, die durch solches Licht 119 entstehen, zu entfernen und nur echte Signale durchzulassen, die das Vorhandensein von Gas 21 anzeigen. Diese Vorgehensweise erfordert sehr stabile Elektronik, um die konstanten Signale zu entfernen. Ein alternativer Ansatz in 6a ist das Verwenden von zwei Feldern, 121 und 122, thermischer Sensoren 19, die beide von derselben Strahlungsquelle 120 durch den Infrarotfilter 125 beleuchtet werden, wobei ein Feld 121 dem Gas 21 ausgesetzt ist, und das andere Feld 122 dem Gas 21 nicht ausgesetzt ist. In 6b können dann zwei Signale 123 und 129 von den zwei Feldern 121 beziehungsweise 122 elektronisch voneinander abgezogen werden, um durch einen Differentialverstärker 126 ein Signal 127 zu erzeugen, um im Wesentlichen die konstanten Signale, die durch das Aufprallen von Strahlung auf die thermischen Sensoren oder Temperaturdetektoren 19 verursacht werden, zu entfernen.
6c zeigt einen anderen differentiellen Ansatz, in dem zwei Felder 128 und 129 thermoelektrischer Sensoren 130 in einem herkömmlichen Gashohlraum 139 mit zwei verschiedenen Wellenlängen, die durch Lampe 134 und zwei verschiedene Interferenzfilter 132 und 133 erreicht werden, beleuchtet werden, so dass die beiden Wellenlängen im Wesentlichen dieselbe Intensität aufweisen, aber eine Wellenlänge vom Gas 131 absorbiert wird, um direkt registriert zu werden, und die andere Wellenlänge nicht absorbiert wird. Ein erstes elektrisches Signal wird vom Feld 128 genommen und umfasst ein konstantes Signal, das durch Auftreffen von Strahlung auf und Absorption derselben durch die Sensoren 130 verursacht wird, sowie einen Signalbestandteil, der von der Konzentration des Gases abhängt, das direkt registriert werden soll. Ein zweites elektrisches Signal wird vom Feld 129 genommen und umfasst nur ein konstantes Signal, das durch Auftreffen von Strahlung auf und Absorption derselben durch die Sensoren 130 verursacht wird. Die beiden Signale werden über Leitungen 136 beziehungsweise 135 zu einem Differentialverstärker 137, der in 6(d) gezeigt ist, geleitet, wobei dieser ein abgezogenes Signal 138 erzeugt, bei dem das konstante Signal, das durch Auftreffen von Strahlung auf und Absorption derselben durch die Sensoren 130 verursacht wird, im Wesentlichen entfernt worden ist.
In einem differentiellen Ansatz, der in 6(a) bis (d) gezeigt ist, kann die Größe des zweiten Signals als Maß für die Intensität der Strahlungsquelle verwendet werden, so dass Änderungen der Intensität der Strahlungsquelle ermittelt und die Signale entsprechend korrigiert werden können.
Wie bei den nicht-differentiellen Ansätzen sind die thermischen Sensoren, die im differentiellen Ansatz verwendet werden, mit Strahlungsmasken versehen, die mit reflektierenden Metallschichten überzogen sein können, um das direkte Auftreffen und die Absorption von Infrarotstrahlung zu minimieren.
2 ist ein Querschnittsdiagramm eines optothermischen Gassensors 70, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, welcher Strahlung in die entgegengesetzte Richtung durchlässt. Die Siliziumscheibe 46 ist quadratisch mit 5 × 5 Millimetern (mm) und ungefähr 20 Mil dick. Auf Scheibe 46 ist eine beheizte Strahlungsquelle 47 für IR-Strahlung angeordnet. Die Quelle 47 ist aus einem sehr hochschmelzenden Metall, wie zum Beispiel Siliziumnitrid, mit Widerstandsheizwerkstoffen hergestellt. Rillen oder Löcher 48 sind in die Scheibe 46 eingeätzt, um Wärmeverlust von Quelle 47 zu minimieren. Leitungen 60, ungefähr ein Mil dick, sind an Anschlüssen 49 befestigt, um ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von 10 bis 100 Hertz bereitzustellen, um die Quelle 47 zu aktivieren, damit sie Strahlung 51 ausstrahlt. Befestigungsmaterialien 50 sind am Rand von Chip oder Scheibe 46 angeordnet. Eine Siliziumscheibe 52, ungefähr 20 Mil dick, wird in einem Vakuum angebracht, so dass der Raum 55 luftleer gemacht wird. Eine AR-Filmbeschichtung 53 ist auf einer ersten Seite der Scheibe 52 angeordnet, und eine mehrschichtige Schmalband-IF-Schicht 54 zum Durchlassen von 4,3 Mikron Licht ist auf einer zweiten Seite der Scheibe 52 angeordnet. Die AR-Filmschicht 53 besteht aus ungefähr 2 bis 6 Filmen mit der Dicke einer Viertelwellenlänge aus abwechselnden Materialien, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Die IF-Schicht 54 ist ein Stapel von Filmen halber Wellenlänge aus abwechselnden Materialien, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Die Scheibe 52 wird in die Nähe von Scheibe 46 gebracht, bis zum Kontakt der Befestigungsmaterialien 50 auf Scheibe 46 an einer Randoberfläche von Scheibe 52, um einen evakuierten, thermisch isolierenden Raum 55 zu bilden.
Die beheizte Strahlungsquelle 47, die innerhalb von 1 bis 2 Mikron vom festen Si-Träger angeordnet ist, weist ein rasches Ansprechen auf, ist bei einer möglichst hohen Frequenz moduliert (typischerweise 10 bis 100 Hertz) und füllt den Hohlraum mit Licht, was wesentlich zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit ist. Wenn die Lichtquelle 47 eine Miniwolframglühfadenglühlampe sein sollte, würde die maximale Impulsrate des Wechselstromerregersignals ungefähr 10 Hertz betragen. Eine erhöhte Frequenz führt zu besserer Empfindlichkeit, da weniger niederfrequentes Elektronikrauschen vorhanden ist. Die vorliegende integrierte Schaltkreislichtquelle 47 kann wirksam auf bis zu 100 Hertz getaktet oder gepulst werden, was zu einer verbesserten Empfindlichkeit des Sensors 70 führt.
Eine Siliziumdetektorscheibe 69 wird mit einer ersten Oberfläche auf dem optischen 4,3-Mikron-Schmalband interferenzfilter 54 und der Siliziumscheibe 52 angeordnet. Die Scheibe 69 weist Rillen oder Löcher 72 auf, die auf einer zweiten Oberfläche der Scheibe 69 zur Reflektion der Strahlung 51 und für verbesserten thermischen Kontakt der Elemente 71 mit dem Gas ausgebildet oder eingeätzt sind. Eine thermoelektrische (TE) Temperatursensor- oder Detektorschicht 73 ist auf der Scheibe 69 angeordnet. Temperaturempfindliche Elemente 71 sind über den Löchern 72 angeordnet. Die Elemente 71 sind mit reflektierendem Metall beschichtet, um die direkte Absorption von Infrarotstrahlung zu minimieren. Temperaturunempfindliche und für die Strahlung 51 durchlässige Abschnitte 74 der Sensorschicht 73 sind auf den nichtgeätzten Abschnitten der zweiten Oberfläche der Scheibe 69 angeordnet. Elektrische Kontakte 75 sind an der Detektorschicht 73 zur elektrischen Signalübertragung von und zur Schicht 73 über Leitungen 60 angeordnet. Befestigungsmaterialien 115 sind am Rand der Schicht 73 und der zweiten Oberfläche der Scheibe 69 angeordnet. Eine Siliziumscheibe 77 mit Kopfanschlusskappe ist so gebildet und angebracht, dass der Hohlraum 78 gebildet wird. Die Befestigung erfolgt in der Weise, dass ein oder mehrere Wege, Kanäle oder Löcher 79 gebildet werden, so dass Gas und/oder Luft in den Hohlraum 78 eindringen kann.
Die Funktion des optothermischen Gassensors 70 umfasst das Ausstrahlen von schwankender oder pulsierender Strahlung 51, die eine IR-Komponente aufweist. Licht 51 geht durch die AR-Schicht 53 und die Scheibe 52 zur IF-Schicht 54. Ein Abschnitt des Lichts 51 wird durch die Schmalbandfilterschicht 54 herausgefiltert, die nur Licht durchlässt, das eine Wellenlänge von, zum Beispiel, 9,3 Mikron (für den CO₂-Nachweis) aufweist. Filter mit anderen Durchlasswellenlängen können je nach der Art von Gas oder Flüssigkeit, die nachgewiesen werden soll, verwendet werden. Der 4,3-Mikron-Abschnitt des Lichts dringt in die Scheibe 69 ein. Praktisch das ganze Licht 51, das auf die Löcher 72 auftrifft, wird als Licht 80 reflektiert. Das Licht 51, das auf die nichtgeätzten Abschnitte der zweiten Oberfläche der Scheibe 69 auftrifft, geht durch die Detektorabschnitte 74 in den Hohlraum 78. Die Löcher 72 reflektieren das Licht 51, so dass temperaturempfindliche Abschnitte 71 nicht von der Wärme des eintretenden Lichts 51 betroffen sind. Luft und/oder Gas 67, wie zum Beispiel CO₂, fließt über Kanäle 79 in und durch den Hohlraum 78. Das Licht 51 wird von CO₂ absorbiert, das sich erwärmt und bewirkt, dass sich die Sensoren 71 erwärmen, was zum Registrieren von Wärme und folglich des Vorhandenseins von CO₂ führt, da die Wellenlänge des Lichts 51 gleich der Absorptionswellenlänge von CO₂ ist. Da Gas 67 durchgeht und im Hohlraum 78 vorhanden ist, schwankt oder pulsiert die Stärke oder Intensität des Lichts 51 und bringt das CO₂ des Gases 67 zum Erwärmen beziehungsweise Abkühlen. Elektrische Signale von den Detektorelementen 71 werden über Kontakte 75 und Leitungen 60 zu einem Prozessor 81 geleitet. Der Prozessor 81 bestimmt das Vorhandensein und die Menge von CO₂ und gibt ableitend das Vorhandensein von Giftgasen an, die in der direkten Umgebung des Gassensors 70 vorhanden sind. Das reflektierte Licht 80 wird von den Sensorelementen 71 abgehalten, um konstante Signale, die zum Prozessor 81 weitergeleitet werden, zu minimieren. Eine differentielle Anordnung wie die der 6a, 6b, 6c und 6d kann verwendet werden. Abänderungen des Sensors 70 können wie bei Sensor 10 vorgenommen werden, um andere Arten von Gasen oder Flüssigkeiten direkt zu registrieren.
Der Gassensor 70 kann so konstruiert sein, dass er neben CO₂ auch das Vorhandensein von anderen Gasen oder Flüssigkeiten direkt nachweist und angibt. Der Schmalbandfilter 54 würde durch einen Filter ersetzt, der eine andere Wellenlänge von Licht 51 durchließe, die der Absorptionswellenlänge der anderen Art von Gas entsprechen würde, die nachgewiesen und gemessen werden soll. Zum Beispiel würde der Filter so konstruiert werden, dass er eine Lichtwellenlänge von 4,6 Mikron durchließe, wenn CO durch Sensor 70 direkt nachgewiesen werden soll, oder eine Wellenlänge zwischen 3,2 und 3,4 Mikron, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit (flüchtige Kohlenwasserstoffe), die Kohlenwasserstoff(CH)-Bindungen aufweisen, durch Sensor 70 direkt nachgewiesen werden soll.
3 bildet einen anderen optothermischen Gassensor 82 ab. Ein Siliziumträger 83 weist Ätzlöcher 84 auf. Über den Ätzlöchern 89 sind thermoelektrische Rezeptoren 85 angeordnet. Am Träger 83 sind Abstandhalter 86 angeordnet. Auf den Abstandhaltern ist ein Siliziumträger 87 angeordnet. Auf einer Oberfläche des Trägers 87 ist ein Schmalbandinterferenzfilter 88 angeordnet. Auf der anderen ebenen Oberfläche des Trägers 87 ist ein Antireflexfilm 89 angeordnet. Auf dem Filter 88 sind Lochmasken 90 angeordnet, die ankommendes Licht, das durch den Film 89, den Träger 87 und den Filter 88 in den Hohlraum 91 eindringt, blockieren, jedoch nur in den Bereichen, die direkt über den thermoelektrischen Sensoren 85 angeordnet sind. Der Zweck jeder Lochmaske 90 ist es, das Licht 92, das in den Hohlraum 90 eindringt, davon abzuhalten, auf die Sensorelemente 85 aufzutreffen. Die Quelle der Strahlung oder des Lichts 92 kann eine Glühbirne 93 oder ein Mikrostrahlerfeld 94 sein, die auf einem Quellenträger oder einer Scheibe 95 angeordnet sind. Abstandhalter 96 können auf dem Träger 87 oder dem Film 89 angeordnet sein, um den Träger oder die Scheibe 95, der oder die Licht- oder Strahlungsquellenelemente 94 enthält, zu halten. Der Träger 95, der von den Abstandhaltern 96 gehalten ist, wenn er auf der Scheibe 87 oder dem Film 89 angeordnet ist, ergibt einen thermischen Isolierhohlraum zwischen dem Träger 95 und der Scheibe 87 oder dem Film 89.
Das Licht 92 entweder von den Mikrostrahlern 94 oder der Glühbirne 93 wird mit einer veränderlichen Intensität oder Impulswellenform moduliert. Das Licht 92 geht durch den thermischen Isolierhohlraum 97 durch, wenn Mikrostrahler 94 verwendet werden, oder geht zuerst durch den Antireflexfilm 89 durch, wenn die Glühbirne 93 verwendet wird. Nachdem das Licht 92 durch den Film 89, den Träger 87 und den Interferenzfilter 88 geht, dringt es in den Hohlraum 86 ein. Das Licht 92, das andere Wellenlängen als die Absorptionswellenlänge des nachzuweisenden Gases aufweist, wird durch den Schmalbandfilter 88 blockiert. Licht aller Wellenlängen wird durch die Lochmaske 96 blockiert, um das Auftreffen von Licht 92 auf die thermischen Sensoren 85 zu vermindern. Die thermischen Sensoren 85 können mit einer reflektierenden Metallschicht überzogen sein, um die direkte Absorption von Infrarotstrahlung zu minimieren. Die Luft und/oder das Gas 112 der Umgebung des Sensors 82 hat einen freien Fluss 111 in dem und aus dem Hohlraum 91. Wenn Gas 112, das eine Absorptionswellenlänge aufweist, die gleich der Wellenlänge des Lichts 92 ist, das durch den Filter 88 durchgeht, so wird das Licht 92 von diesem Gas 112 absorbiert, das sich dadurch erwärmt. Die Erhöhung der Temperatur des Gases 112 wird durch die thermischen Sensoren 85 registriert. Wenn kein Gas vorhanden ist, das eine Absorptionswellenlänge aufweist, die gleich der Wellenlänge des Lichts 92 ist, das durch den Filter 88 durchgeht, so findet keine Absorption des Lichts durch das Gas statt und keine Erhöhung oder Änderung der Temperatur des Gases und/oder der Luft innerhalb des Hohlraums 91. Folglich registrieren die thermischen Sensoren 85 keine Temperaturänderung. Wäre jedoch die Lochmaske 90 nicht vorhanden, würde das Licht 92 auf die thermischen Sensoren 85 auftreffen, die Erhöhungen und/oder Änderungen der Temperatur im Hohlraum 91 registrieren würden, und damit ein großes konstantes Signal zusätzlich zum gasabhängigen Signal erzeugen.
Die 4a, 4b und 4c bilden die Effekte des Lichts 92 im Hohlraum 91 mit und ohne die Lochmaske 90 und die reflektierenden Metallschichten ab. Die Wellenform von 4a zeigt die Amplitude des Lichts 92, das durch den Filter 88 in die Kammer 91 kommt. 4b zeigt ein Signal 99 der thermischen Sensoren 85, wenn die Lochmaske 90 nicht vorhanden ist. Befindet sich ein Gas in der Kammer 91, das eine Absorptionswellenlänge aufweist, die gleich der Wellenlänge des Lichts 92 ist, die durch den Interferenzfilter 88 durchgeht, so überlagert die größere Wärme in der Kammer als Resultat der Absorption des Lichts 92 durch das nachzuweisende Gas als Kurve 100 die Kurve 99. Sind die Lochmaske 90 und eine reflektierende Schicht vorhanden, wird das Signal 99 größtenteils entfernt, indem das Licht 92 daran gehindert wird, auf die thermischen Sensoren 85 aufzutreffen und von diesen absorbiert zu werden. Das resultierende Sensorsignal mit Isolierung des Sensors 85 vom Licht 92 ergibt das Signal 100, das in 4c gezeigt ist.
Signale von den Sensoren 85 gehen zum Verstärker 102 und auf einen Lock-in-Verstärker 103. Die Energiequelle 104 gibt ein elektrisches Signal 105 aus, das zur Glühbirne 93 oder zu den Mikrostrahlern 94 geleitet wird, um das Licht 92 mit pulsierender oder veränderlicher Intensität zu erzeugen. Auch das Signal 105 wird in den Lock-in-Verstärker 103 eingespeist. Ein Signalausgang des Lock-in-Verstärkers 103 stellt eine Angabe der Konzentrationsmenge des Gases bereit, das im Hohlraum 91 und der Umgebung des Sensors 82 registriert worden ist. Das Signal des Verstärkers 103 geht zum Prozessor 106, der ableitend aus der Menge eines direkt nachgewiesenen Gases, zum Beispiel CO₂, das Vorhandensein und die Mengen verschiedener Giftgase bestimmt, die sich in der direkten Umgebung des mikrotechnologischen ableitenden Giftgasanzeigers 82 befinden. Der Prozessor 106 leitet auch gegenwärtige oder vergangene chemische oder physikalische Aktivität rund um den Sensor 82 ab. Er kann auch zukünftige chemische oder physikalische Aktivität anzeigen. Der Prozessor 106 kann eine Informationstabelle aufweisen, die bestimmte Konzentrationsmengen bestimmter Gase oder Flüssigkeiten angibt, die auf das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen anderer Gase oder Flüssigkeiten schließen lassen. Das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen anderer Gase oder Flüssigkeiten wird durch das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen der bestimmten Gase oder Flüssigkeiten im Hohlraum 91 genauer abgeleitet, da die Mengen der nachgewiesenen Konzentrationen, zum Beispiel CO₂, um bis zum Mehrfachen größer sind, als die bestimmten Konzentrationsmengen der anderen, abgeleiteten Gase oder Flüssigkeiten.
5 zeigt die Herstellung des thermoelektrischen Sensors 85. Der Siliziumträger 83 weist ein Ätzloch 84 zum Zwecke der thermischen Isolierung des Detektors 85 auf. Ein mikrotechnologisches Feld von thermischen elektrischen Sensoren 85 ist aus überlappten, dünnen Filmmetallen 107 und 108 gebildet. Diese Filme sind zwischen Siliziumnitridschichten 109, die auf dem Siliziumträger 83 angeordnet sind, angeordnet. Der Sensorabschnitt der Metallschichten 107 und 108 ist gegen die Überlappungsbereichen und die Kontakte zwischen den Metallen 107 und 108, die über den Ätzlöchern 84, die durch die Schnitte 110 definiert sind, angeordnet sind, isoliert. Eine reflektierende Metallschicht (Gold) kann angebracht werden (109a), um die direkte Absorption von Strahlung durch den thermoelektrischen Sensor 85 zu vermindern.

Claims

Mikrotechnologischer Strömungssensor (10), umfassend: einen Träger (11), der eine Mehrzahl von Löchern aufweist; ein Feld thermischer Sensoren (19), das auf dem Träger über der Mehrzahl von Löchern (116) angeordnet ist; einen Schmalbandfilter (16) nahe bei und in einem Abstand vom Feld thermischer Sensoren (19), wodurch sich ein Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren und dem Schmalbandfilter ergibt; Strahlungssperrbereiche (113), die auf dem Schmalbandfilter angeordnet sind; und eine externe Strahlungsquelle (14), die nahe bei dem Schmalbandfilter angeordnet ist, um Strahlung abzugeben, die den Schmalbandfilter passiert; wobei: ein erster Abschnitt der Strahlung durch die Strahlungssperrbereiche blockiert ist, um zu verhindern, dass die Strahlung auf das Feld thermischer Sensoren auftrifft; der Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren und dem Schmalbandfilter mit einem Fluid aus einem Umgebungsmilieu rund um den Strömungssensor gefüllt ist; und ein zweiter Abschnitt der Strahlung, der nicht durch die Strahlungssperrbereiche blockiert ist, in den Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren und dem Schmalbandfilter gelangt und, falls er nicht von einem Fluid absorbiert wird, in Bereichen des Felds thermischer Sensoren, die keine thermischen Sensoren aufweisen, auftrifft.
Sensor nach Anspruch 1, in welchem die Strahlungssperrbereiche eine Lochmaske (113) umfassen, die auf dem Schmalbandfilter (16) angeordnet ist.
Sensor von Anspruch 1 oder 2, in welchem: die Strahlungsquelle (14) während der Ausstrahlung eine Strahlung abgibt, die eine veränderliche Intensität aufweist; der Schmalbandfilter (16) Strahlung mit einer ersten Wellenlänge durchlässt; falls das Fluid im Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren (19) und dem Schmalbandfilter eine Absorptionswellenlänge entsprechend der ersten Wellenlänge aufweist, das Fluid die Strahlung absorbiert und seine Temperatur gemäß einer Änderung der Strahlungsintensität verändert; falls das Fluid im Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren und dem Schmalbandfilter eine Absorptionswellenlänge aufweist, die nicht der ersten Wellenlänge entspricht, das Fluid die Strahlung nicht absorbiert und seine Temperatur um eine im Wesentlichen fixe Größe gemäß einer Änderung der Strahlungsintensität verändert, und seine Temperatur um eine erhöhte Größe ändert, falls das Fluid eine Absorptionswellenlänge entsprechend der ersten Wellenlänge aufweist; und das Feld thermischer Sensoren die Temperatur des Fluids im Raum zwischen dem Feld von Sensoren und dem Schmalbandfilter erfasst und ein Signal ausgibt, das die Temperatur anzeigt.
Sensor nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend: eine modulierte elektrische Signalquelle, die an der Strahlungsquelle angeschlossen ist; einen Lock-in-Verstärker (103), der einen ersten Eingang, der mit dem Feld thermischer Sensoren (19) verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit der modulierten elektrischen Signalquelle verbunden ist, aufweist, und der einen Ausgang aufweist, der ein Signal bereitstellen kann, das eine Konzentrationsmenge eines Fluids, das eine Absorptionswellenlänge entsprechend der ersten Wellenlänge aufweist, im Raum zwischen dem Feld thermischer Sensoren und dem Schmalbandfilter und damit im Umgebungsmilieu rund um den Strömungssensor angibt.
Sensor nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend einen Prozessor (106), der am Ausgang des Lock-in-Verstärkers (103) angeschlossen ist, wobei der Prozessor basierend auf dem Signal am Ausgang des Lock-in-Verstärkers das Vorhandensein von Konzentrationsmengen anderen Fluiden für eine gegebene erste Wellenlänge ableiten kann.
Sensor nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen durch den Wafer gehenden Kontakt, der an der ersten Oberfläche des ersten Wafers und durch den ersten und den zweiten Wafer zur Mehrzahl von thermischen Sensoren angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend eine Antireflexbeschichtung (89), die an der ersten Oberfläche des ersten Wafers angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Prozessor (106), wobei: das Signal von der Mehrzahl thermischer Sensoren (19), das eine Konzentrationsmenge des Fluids, das eine Absorptionswellenlänge entsprechend der ersten Wellenlänge aufweist, angibt, zum Prozessor gelangt; und der Prozessor das Signal von der Mehrzahl thermischer Sensoren verarbeitet und abgeleitete Informationen bereitstellt, die ein Vorhandensein anderer Fluide und/oder zukünftige oder derzeitige oder vergangene chemische oder physikalische Aktivitäten angeben.
Sensor nach Anspruch 8, in welchem: die Prozessoren (106) eine Informationstabelle, die bestimmte Konzentrationsmengen bestimmter Medien, die auf das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen anderer Fluide schließen lassen, angibt, umfassen; und das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen anderer Fluide durch das Vorhandensein bestimmter Konzentrationsmengen der bestimmten Fluide exakter gefolgert wird, da die letzteren Konzentrationsmengen um bis zu mehrere Größenklassen größer sind als bestimmte Konzentrationsmengen anderer Fluide.
Sensor nach Anspruch 9, in welchem: die erste Wellenlänge einer Absorptionswellenlänge von CO2 entspricht; und das Vorhandensein von CO2 das Vorhandensein bestimmter Verbrennungsprodukte anzeigt.