DE69827389T2

DE69827389T2 - Photothermischer mikrotechnologisch hergestellter gassensor

Info

Publication number: DE69827389T2
Application number: DE69827389T
Authority: DE
Inventors: Andrew R. Wood
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: US5852308A; WO1999000659A1; DE69827389D1; EP0993602A1; CA2284836A1; JP4054069B2; EP0993602B1; JP2002511936A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gassensoren und insbesondere auf Giftgassensoren. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf mikrotechnologische Gas- und Flüssigkeitssensoren mit integriertem Schaltkreis.
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zum Aufspüren von giftigen Gasen wie CO, CO₂, NO, NO₂ und VOCs, die erzeugt werden durch Verbrennungsprozesse, basierten auf Sensoren, die Änderungen der Leitfähigkeit in dünnen Metalloxydschichten anzeigen, Chemilumineszenz, Fluoreszenz, verschiedene Formen von IR-Absorption usw. Diese Sensoren waren entweder zu teuer, zu instabil oder zu unempfindlich, um den Anforderungen eines kostengünstigen, zuverlässigen Giftgassensors zu entsprechen. Ihr Aufspüren solcher giftiger Gase in Konzentrationen, die den Niveaus entsprechen, bei denen sie schädlich für die Gesundheit sein und eine Lebensgefahr darstellen können, ist schwierig, insbesondere, wenn dies getan werden muss mit kostengünstigen, erschwinglichen und zuverlässigen Sensoren. Oft sind die älteren Gasmotoren oder Heizgeräte, die von kostenbewussten Benutzern betrieben werden, am wahrscheinlichsten eine Quelle von giftigen Gasen, die diese Benutzer und andere gefährden. Bei diesen Benutzern ist der Kauf von Giftgassensoren am unwahrscheinlichsten, es sei denn, es gelingt, sie mit einer erschwinglichen und geeigneten Technologie zu versorgen.
Optoakustische Gassensoren spüren niedrige Konzentrationen von Gasen auf, indem sie eine Veränderung der Gastemperatur hervorrufen durch Schmalband modulierte Beleuchtung bei einer Wellenlänge, welche das Gas absorbiert. Das modulierte Temperatursignal wird nicht direkt aufgespürt aber eine geschlossene oder nahezu geschlossene Gasprobenzelle wird verwendet, die die kleinen Gastemperatursignale in ein Drucksignal umwandelt, das durch ein Mikrofon ermittelt wird. Eine geschlossene oder nahezu geschlossene Gaszelle er schwert es dem Gas, in die Gaszelle einzutreten oder aus ihr auszutreten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das direkte Aufspüren des Gastemperatur-Modulationssignals, das photothermisches Aufspüren genannt wird, beseitigt die Notwendigkeit einer geschlossenen oder nahezu geschlossenen Gaszelle. Das direkte Aufspüren des Gastemperatursignals wird behindert durch das Fehlen von einem geeignet empfindlichen (d. h. Nanograd-Empfindlichkeit) und schnell ansprechenden Gastemperatursensor. Die Verwendung einer mikrotechnologischen thermoelektrischen Sensorenanordnung ermöglicht eine geeignet empfindliche, schnell ansprechende Ermittlung des kleinen Gastemperatur-Modulationssignals. Solche Anordnungen werden gut geeignet hergestellt mit Silizium-Mikrotechnologie.
Das internationale Patentdokument WO-A-96/21140 offenbart einen monolithisch gebauten spektroskopischen Detektor, der eine hermetisch verschlossene Fabry-Perot-Kavität mit Mikrospiegeln hat, die eine abstimmbare Distanz haben und einander zugewendet sind. Licht tritt durch einen Fensterwafer ein, wird gefiltert durch die Kavität und dann durch eine CCD-Anordnung ermittelt. Einer der Spiegel ist beweglich mit einer piezolektrischen dünnen Schicht. Mikrolinsen können mikrotechnologisch in den Fensterwafer eingebaut sein.
Diese Erfindung ist definiert im unabhängigen Anspruch 1 und stellt ein neues, nützliches, kostengünstiges und zuverlässiges direktes Aufspüren des Gastemperatursignals des vorhandenen Gases bereit, und stellt ebenfalls die daraus abgeleitete Anzeige des Vorhandenseins eines giftigen Gases oder unerwünschten Bestandteils von Verbrennungsprodukten bereit. Es ist nicht notwendig, die giftigen oder unerwünschten Gase direkt zu messen, wenn man ein Phänomen identifizieren kann, das deren Vorhandensein mit einem bedeutenden Wahrscheinlichkeitsniveau anzeigen oder ableiten würde. Dieser Sensor stellt folglich eine kompaktere, zuverlässigere, erschwinglichere Ermittlung bereit, als ein direktes NDIR-Aufspüren von giftigen Gasen. Es stellt ebenfalls zusätzliche Ermittlung/Alarmschutz gegen hohe CO₂- oder andere Gaskonzentrationen durch direktes Aufspüren bereit.
Der Sensor nutzt die direkte Anzeige giftiger Verbrennungsprodukte, wie CO, NO_x und VOCs durch CO₂-Ermittlung, und eine kostengünstige, integrierte Gassensoranordnung wird somit verfügbar gemacht zu einem angemessenen Preis, um den Bedürfnissen der Benutzer von schornsteinlosen Heizgeräten (oder Küchenöfen) nach einem Aufspüren von giftigem Gas oder den Bedürfnissen von Autofahrern, die Abgase von Autos oder in ihrer Nähe ermitteln möchten, zu entsprechen.
Kohlendioxid (CO₂) zeigt das Vorhandensein von unerwünschten Konzentrationen von Verbrennungsprodukten an. CO₂ wird erzeugt durch Verbrennungsprozesse, in Konzentrationen, die 10 bis 100 Mal höher sind, als diejenigen von CO, NO_x oder VOCs. Außerdem kann man CO₂ bei Konzentrationsniveaus messen, die 3 bis 30 Mal niedriger sind als die oben genannten Gase, insbesondere durch NDIR. Von Verbrennungsprodukten, insbesondere denjenigen von Benzin und Dieselkraftstoff ist bekannt, dass sie 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 (der CO-Anteil bei abgenutzten oder schlecht ausgerichteten Automobilmotoren kann bis zu 2% betragen), und 0,001 bis 0,3% Kohlenwasserstoffen (HC) bestehen, d. h., die CO₂-Konzentrationen sind immer vorherrschend. Dennoch wird angenommen, dass die Verdünnung von Abgasen des Autos vorne 10 bis 1000-fach ist, bevor sie die Luftzufuhr der Fahrgastzelle des nachfolgenden Autos erreichen, derart, dass es wahrscheinlich ist, dass die CO₂-Konzentration nur 0,005 bis 1,5% beträgt, was messbar ist, während die giftige Gaskonzentration in einem Bereich zwischen 0,0001 bis 0,04% liegt. Die letzteren Konzentrationen sind sehr viel schwieriger zu messen, und insbesondere mit kostengünstigen Sensoren, die oft nicht mit dem Aufspüren dieser Gase beginnen würden, obwohl diese in Konzentrationen vorhanden sind, die Beschwerden oder ungünstige Auswirkungen auf die Gesundheit verursachen.
Die integrierte Anordnung dieses Sensors steigert seine Herstellbarkeit und Erschwinglichkeit. Die Gaszelle, der Wärmedetektor und der optische Filter sind in eine kompakte mikrotechnologische Einheit integriert, die kostengünstiger ist, d. h., erschwinglicher, und breiter anwendbar ist als teurere Sensoren. Die Infrarotstrahlung kann erhalten werden von kleinen Glühlampen, oder von elektrisch erhitzten Mikrobrücken (Mikroemittern). Elektronische Schaltungen können ebenfalls in das Siliziummaterial integriert werden. Die Sensoren sind kompakter und deshalb robuster und insgesamt nützlicher. Der integrierte photothermische Sensor, der als Detektor des vorhandenen Gases verwendet wird, führt zum Ergebnis einer empfindlicheren, schnelleren Reaktion und einer stabileren Ermittlung. Die schnellere Reaktion wird erreicht, da keine geschlossene oder nahezu geschlossene Gaszelle erforderlich ist.
Der integrierte Sensor ist 10 bis 100 Mal kleiner als Sensoren des Stands der Technik, was diese Erfindung erschwinglicher, tragbarer und nützlicher macht. Diese Detektoren sind ebenfalls 10 bis 100 Mal günstiger als die Detektoren des Stands der Technik, weil sie in Massenproduktion unter Verwendung von Silzium-Mikrotechnologie hergestellt werden können.
Dieser sehr genaue Gasdetektor ist gebildet durch Siliziummikrotechnologie und ist dadurch viel kleiner als Detektoren des Stands der Technik.
Zusammenfassend, ist die Erfindung ein kostengünstiges photothermisches Aufspürsystem, welches ein mikrotechnologisch integrierter Sensor ist, welcher eine pulsierende, erhitzte Strahlungsquelle, einen geeigneten vielschichtigen Interferenzfilter (IF), eine dünne Antireflexions-Schicht (AR), Schattenmaskierung oder reflektierende Blockierung hat, um zu verhindern, dass Licht die Wärmesensoren beeinflusst, und besonders geätzte Silizium-Wafer oder Masken, die dazu bestimmt sind, das Infrarot-Licht (IR) oder Licht mit anderen Wellenlängen zu maximieren, um eine Energieeffizienz bereitzustellen bei, zum Beispiel dem 4,3 Mikrometer Wellenlängenband von CO₂, einem Probegas-Hohlraum, in den Gas durch Kanäle ein- und ausfließen kann, oder diffundieren in die und aus den geätzten Löchern, die vorhergehend bei der Herstellung verwendet wurden zum Auflösen der zur Bildung des Hohlraums verwendeten Opferschicht oder durch eine poröse komprimierte Fritte aus rostfreiem Stahl, und ein mikrotechnologischer Gastemperatursensor, der auf Einzelausgangs- oder Differentialausgangs-Art wirkt.
Die Wirkung von langsamen Veränderungen der Umgebungstemperatur auf den Sensor wird natürlich zurückgewiesen durch eine thermoelektrische Anschlusspaar-Anordnung. Die Wirkung von Veränderungen der Gastemperatur, die verursacht wird durch Luft- und/oder Gaszüge kann minimiert werden durch geeignete poröse Schutzschirme und durch Lock-In-Ermittlung. Zur Minimierung von Hintergrundsignalen, können die thermoelektrischen Temperatursensoren nicht direkt beleuchtet werden durch die optische Strahlung und können mit einem reflektierenden Material beschichtet sein, und können auf eine Differential-Art wirken durch Anordnen von geeigneten IFs zwischen dem optischen Beleuchter und den Gastemperatursensoren, und einer geeigneten Gaseinströmungsanordnung.
Eine Version des Sensors ist eine mit zwei Hohlräumen. Ein Hohlraum enthält das zu ermittelnde Gas und der andere Hohlraum ist von der Umweltumgebung verschlossen und enthält kein Gas. Die Signale von den Detektoren von den Hohlräumen werden voneinander subtrahiert mit dem Ergebnis der Beseitigung eines festen Signals, hervorgerufen durch Strahlung, die die Detektoren beeinflusst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen mikrotechnologischen inferentiellen photothermischen Gassensor.
2 zeigt eine andere Bauart eines inferentiellen photothermischen Gassensors.
3 zeigt noch eine andere Bauart eines photothermischen Gassensors.
4a, 4b und 4c sind Wellenformdiagramme von Licht- und Hitzesignalen eines Wärmesensors.
5 ist ein Diagramm der Struktur eines Wärmesensorelements.
6a, 6b, 6c und 6d zeigen ein Sensorwirken in einer Differential-Art.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm, das eine Grundstruktur des inferentiellen photothermischen Gassensors 10 zeigt. Der Silizium-Wafer 11 hat einen geätzten Raum 12 auf einer Seite. Auf dieser Seite, die eine Vertiefung 12 hat, ist ein Silizium-Wafer 13 gebildet, der eine Reihe von Mikroemittern 14 auf der dem Wafer 11 benachbarten Seite hat. Auf der Fläche oder Seite des Wafers 11 ist, den Mikroemittern 14 benachbart, eine Anti-Reflexions- Beschichtung (AR) 15. Auf der anderen Seite des Wafers 11 ist ein Schmalbandpass-Interferenzfilter (IF) 16, der dazu bestimmt ist, nur Infrarotlicht zu passieren, das eine Wellenlänge hat, die die Absorptionswellenlänge (4,3 Mikrometer) von CO₂ hat. Die AR- und IF-Beschichtungen oder dünnen Schichten können in der Anordnung miteinander vertauscht werden. Der Silizium-Wafer 17 ist auf dem Filter 16 gebildet. Der Silizium-Wafer 18 ist auf dem Wafer 17 gebildet. Die Silizium-Wafer 17 und 18 sind geätzt, um einen Hohlraum 20 und die Kanäle 114 zu bilden. Die Kanäle 114 bilden einen Pfad zwischen dem Hohlraum 20 und dem Umgebungsvolumen oder Raum außerhalb des Sensors 10. Gas oder Luft 21 kann durch die Öffnung, den Pfad oder die Kanäle 114 in den und aus dem Hohlraum 20 diffundieren oder fließen. Der Wafer 18 hat die Wärmesensoren 19, die über den Gruben 116 gebildet sind. Die Mikroemitter 14 und Wärmesensoren 19 sind verbunden mit den Kontaktbacken 24. Ein integrierter Schaltkreis (IC) oder ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) kann auf dem Wafer 13 oder 18 gebildet sein, um die Elektronik 25 bereitzustellen für die Steuerung der Mikroemitter 14 oder zur Verarbeitung der Signale von den Wärmesensoren 19. Der Wafer 11 kann mit einer Glasplatte ersetzt werden. Sogar der Wafer 17 kann mit Glas ersetzt werden. In den unten offenbarten Ausführungsformen, können der IF-Filter und die AR-Beschichtung ebenfalls auf Glas angeordnet oder gebildet werden.
Die Strahlungsquelle 14 ist eine 32 × 32 Anordnung von Mikroemittern, die als eine Infrarotstrahlungsquelle funktionieren. Die Anordnung 14 stellt eine Gesamtemission bei 4,3 Mikrometern bereit, die ungefähr 2,8 Mal derjenigen einer Mini-Wolfram-Glühlampe entspricht. Der Hohlraum 20 ist ungefähr 100 Mikrometer tief × 500 Mikrometer breit. Der Hohlraum 20 kann nicht zu klein sein, da ein Abkühlen des Gases an den Flächen des Hohlraums die Empfindlichkeit des Gassensors 10 ver ringern würde.
Der Wärmesensor ist eine 64 × 64 Anordnung von in Reihe geschalteten NiFe:Cr thermoelektrischen Sensoren 19, von denen jeder zwei thermoelektrische metallische Anschlüsse für jede 50 Mikrometer × 50 Mikrometer Siliziumnitrid-Mikrobrücke, einen Anschluss an der Mikrobrücke und einen am benachbarten Silizium, mit 10 Ohm Widerstand pro Anschlusspaar, und einen Seebeck-Koeffizient von 60 Mikrovolt/Grad C für das Anschlusspaar. Die thermoelektrischen Sensoren 19 sind beschichtet mit einer reflektierenden Metallschicht, um die direkte Absorption von Infrarotstrahlung zu minimieren. Der Wärmesensor hat eine typische Mikrobrücken-Reaktionszeit von 0,5 Millisekunden und eine Beleuchtungsmodulation von 10 Hz. Das Lock-In elektronische Ermittlungssystem (zum Beispiel Verstärker 102, Stromquelle 104 und Lock-In-Verstärker 103 in 3 mit den Quellenelementen 94 anstatt der Lampe 93) hat eine Reaktionszeit von 30 Sekunden (d. h., eine Bandbreite dF = 0.02 Hz). Das RMS. Spannungsrauschen = Quadratwurzel von (4KT(64 × 64)RdF) = 2,5 Nanovolt RMS. und Empfindlichkeit = (2,5e – 9)/(64 × 64 × 60e – 6) = 10 Nanograd C. RMS. Dies ermöglicht die Ermittlung von typischen Gastemperatursignalen von einer CO₂-Konzentration von ungefähr 100 ppm.
In 1, emittiert die Quelle 14 das Licht 118 und 119. Das Licht 119 wird blockiert durch die Schattenmasken 113. Das Licht 118 passiert die Schicht 15 und den Wafer 11. Nur Licht 118, das eine Wellenlänge hat, die durch einen Schmalbandpass-Interferenzfilter 16 passiert wird, tritt in den Hohlraum 20 ein und ist in der Lage, die Luft- und/oder Gas-Moleküle 21 zu beeinflussen. Wenn dieses Gas 21 eine Absorptionswellenlänge hat, die gleich ist, wie die Wellenlänge des Lichts 118, das den Filter 16 passiert und das Gas 21 beeinflusst, wird dieses Licht 118 durch das Gas 21 absorbiert und das Gas 21 erhitzt sich. Der Anstieg der Temperatur des Gases 21 wird durch die Wärmesensoren 19 aufgespürt, die Signale ausgeben, die das Vorhandensein von Gas 21 anzeigen. Das Licht 118, das nicht durch das Gas 21 absorbiert wird, beeinflusst die nicht thermischen Bereiche 117 und hat keinen Einfluss auf die Sensoren 19. Wenig von dem Licht 118 oder 119 trifft auf die Sensoren 19, auf Grund der Schattenmasken 113. Licht 119 von der Quelle 14 passiert die dünne Schicht 15, den Wafer 11 und den Schmalbandpassfilter 16 und beeinflusst die Masken 113. Die Masken 113 blockieren weitgehend das Licht 119, das ansonsten in den Hohlraum 20 eintreten und die Wärmesensoren 19 beeinflussen würde. Die Beeinflussung der Sensoren 19 durch das Licht 119 würde bei den Sensoren 19 eine Erwärmung verursachen und feste Signale bereitstellen, die kein Vorhandensein des Gases anzeigen würden. Wenn das Licht 119 die Sensoren 19 beeinflussen würde, könnte Elektronik verwendet werden, um die durch solch ein Licht 119 verursachten festen Signale zu entfernen und lediglich echte Signale, die das Vorhandensein von Gas 21 anzeigen, übermitteln. Dieses Wirkungsverfahren erfordert eine sehr konstante Elektronik zum Entfernen der festen Signale.
Eine alternative Vorgehensweise in 6a ist die Verwendung von zwei Anordnungen, 121 und 122, der Wärmesensoren 19, die beide beleuchtet werden durch die gleiche Strahlungsquelle 120 durch den Infrarotfilter 125 mit einer Anordnung 121, dem Gas 21 ausgesetzt und der anderen Anordnung 122, dem Gas 21 nicht ausgesetzt. In 6b können zwei Signale 123 und 124 von den beiden Anordnungen 121 und beziehungsweise 122 dann elektronisch subtrahiert werden, um ein Signal 127 herauszugeben durch einen Differenzverstärker 126, um die festen Signale, die durch die Beeinflussung der Wärmesensoren oder Temperaturdetektoren 19 durch Strahlung verursacht werden, im Wesentlichen zu entfernen.
6c zeigt eine andere Differential-Vorgehensweise, in der zwei Anordnungen 128 und 129 der thermoelektrischen Sensoren 130 in einem gemeinsamen Gashohlraum 139 beleuchtet sind durch zwei unterschiedliche Wellenlängen, die erhalten werden durch eine Lampe 134 und zwei unterschiedliche Interferenzfilter 132 und 133, derart, dass die beiden Wellenlängen im Wesentlichen in ihrer Intensität gleich sind, aber eine Wellenlänge absorbiert wird durch das Gas 131, um direkt aufgespürt zu werden, und die andere Wellenlänge nicht. Ein erstes elektrisches Signal wird von der Anordnung 128 erhalten, das ein festes Signal aufweist, das durch die Beeinflussung und Absorption der Strahlung auf die Sensoren 130 verursacht wird, zusammen mit einem Signalbestandteil, der abhängig ist von der Konzentration des Gases, das direkt aufgespürt werden soll. Ein zweites elektrisches Signal wird von der Anordnung 129 erhalten, das nur ein festes Signal aufweist, das verursacht wird durch die Beeinflussung und Absorption der Strahlung auf die Sensoren 130. Die beiden Signale werden durch die beiden Leitungen 136 und beziehungsweise 135 entnommen zu einem Differenzverstärker 137, gezeigt in 6(d), der ein subtrahiertes Signal 138 herstellt, in dem das feste Signal, das verursacht wird durch die Beeinflussung und Absorption der Strahlung auf die Sensoren 130, im Wesentlichen entfernt wird.
In den Differential-Vorgehensweisen, gezeigt in den 6(a) bis (d), kann die Magnitude des zweiten Signals verwendet werden als ein Maß der Intensität der Strahlungsquelle, derart, dass Veränderungen in der Intensität der Strahlungsquelle ermittelt werden können und die Signale dementsprechend korrigiert werden können.
Die Struktur von 6c kompensiert Veränderungen in der Wärmeleitfähigkeit des Gases im Hohlraum 139. Solche Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit ändern tatsächlich sowohl das erste als auch das zweite Signal, aber diese Veränderung des Signals auf Grund der Wärmeleitfähigkeit des Gases wird effektiv entfernt durch Entnahme des Verhältnisses der ersten und zweiten Signale 135 und 136.
Das zweite Signal ist eine Anzeige der Magnitude der Intensität der Strahlungsquelle 134 und der Wärmeleitfähigkeit des Gases im Hohlraum. Die Wärmeleitfähigkeit des Gases ändert das zweite Signal 136, und folglich ist es nicht möglich, das zweite Signal 136 in allen Umständen zu verwenden bei der Messung der Leuchtdichte der Strahlungsquelle 134. In solchen Fällen, kann es notwendig sein, einen separaten Photosensor 140 zu verwenden, um die Leuchtdichte der Strahlungsquelle 134 zu messen. Der Photosensor 140 stellt eine Anzeige der Magnitude der Strahlung bereit. Dies stellt eine Möglichkeit bereit, die Leuchtdichte der Quelle direkt zu messen, unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gases. Es ermöglicht ebenfalls eine Messung der Wärmeleitfähigkeit des Gases, was in einigen Fällen nützlich sein kann. Der Photosensor 140 kann, wenn notwendig, die Steuerspannung steuern, um die Leuchtdichte konstant zu halten. Der Photosensor 140 sollte derart angeordnet sein, dass er von der Strahlungsquelle 134 beleuchtet wird. Ein Heizwiderstand 141 und ein Temperatursensor 142 können verwendet werden zum Beibehalten des Sensors bei einer festen Temperatur. In einigen Umständen, kann es nützlich sein, den Sensor bei einer festen Temperatur beizubehalten, was normalerweise getan wird, indem er leicht auf eine feste Temperatur erwärmt wird. Dies wird getan, um zu gewährleisten, dass die Sensorenparameter, die temperaturabhängig sind, sich nicht verändern (z. B. die Empfindlichkeit eines Thermopaars oder Photosensors kann temperaturabhängig sein). Die Sensoren 141 und 142 können auf der gleichen Fläche angeordnet sein, wie diejenige der Thermosensoren.
Das Messen eines Verhältnisses 143 der beiden Signale 135 und 136 vom Sensor von 6c hat gegenüber dem Unterschied 138 einen Vorteil. Der Grund liegt darin, dass, wenn man den Unterschied nimmt, das Bleiben eines Restsignals unvermeidlich ist, da die Signale nie genau gleich sind. Das ist gut, außer, dass das Restsignal abhängig ist von der Wärmeleitfähigkeit des im Sensor vorhandenen Gases 131, und folglich erzeugt das Vorhandensein eines Gases mit einer markant unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit ein Sensorsignal, das nicht unterschieden werden kann von einer Art von Gas, dessen Aufspüren erwünscht ist. Andererseits ist das Verhältnis 143 der beiden Signale 135 und 136 sehr viel weniger empfindlich auf die Wärmeleitfähigkeit der vorhandenen Gase. Das ist so, weil der Zähler und der Nenner mit der Gasleitfähigkeit sich sehr gleich verändern und sich im Verhältnis gegenseitig aufheben. Versuche bestätigen, dass das Verhältnis besser funktioniert als der Unterschied, weil das Vorhandensein eines Gases 131 einer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit sehr geringe Auswirkungen hat.
6c zeigt die Form des Sensors, die gut zu funktionieren scheint. Wie in den 6a und 6c gezeigt, kann die Vorrichtung tatsächlich mit einem Wafer 144, 145 (mit mikrotechnologischen Wärmesensoren) und einer oberen Haube 146, 147 hergestellt werden. Der Hauptzweck dieser oberen Haube ist das Schützen der empfindlichen mikrotechnologischen Wärmesensoren vor Staub oder Zügen. Die obere Haube 146, 147 kann ein zweiter Silizium-Wafer sein, aber jedes IR-transparente Material ist gut. Man kann entweder einen Glasmikroskop-Objektträger oder die IR-Filter selbst als obere Haube 146, 147 verwenden. Der Zweck des Hinzufügens der dritten und vierten Silizium-Wafer 11 und 13, wie diejenigen aus 1, ist das Bereitstellen eines Ersatzes für die Glühlampe 120, 134, gezeigt in den 6a und 6c. Diese Vorgehensweise hat technische Vorteile gegenüber der Glühlampe, ist aber viel schwieriger auszuführen.
Wie bei den Nicht-Differential- und Verhältnis-Vorgehensweisen, können die in der Differential-Vorgehensweise verwendeten Wärmesensoren ebenfalls mit Strahlungsmasken bereitgestellt werden oder mit reflektierenden Metallschichten beschichtet werden, um die direkte Beeinflussung und Absorption der Infrarotstrahlung zu minimieren.
2 ist ein Querschnittsdiagramm eines photothermischen Gassensors 70 mit Strahlung, die in eine entgegengesetzte Richtung verläuft. Der Silizium-Wafer 46 ist ungefähr 5 × 5 Millimeter (mm) quadratisch und ungefähr 20 mm dick. Der Wafer 46 hat auf sich gebildet eine erhitzte Strahlungsquelle 47 von IR-Strahlung. Die Quelle 47 ist hergestellt aus einem hoch feuerfesten Material wie Siliziumnitrid mit Widerstandsheizmaterialien. Kerben oder Gruben 48 sind in den Wafer 46 geätzt, um die Hitzeverluste von der Quelle 47 zu minimieren. Die Leitungen 60, ungefähr einen Millimeter dick, sind an den Kontakten 49 befestigt, um ein AC-Signal bei einer Frequenz von 10 bis 100 Hertz bereitzustellen zum Aktivieren der Quelle 47, zum Ausstrahlen der Strahlung 51. Die Befestigungsmaterialien 50 sind am Rand des Chips oder Wafers 46 gebildet. Ein Silizium-Wafer 52, ungefähr 20 Millimeter dick, ist in einem Vakuum befestigt, derart, dass der Raum 55 Luft entleert ist. Eine dünne AR-Schicht-Beschichtung 53 ist auf einer ersten Seite des Wafers 52 gebildet und eine aus einer Vielzahl von gestapelten Schichten bestehende Schmalbandpass-IF-Schicht 54 zum Durchlassen von 4,3 Mikrometern Licht ist auf einer zweiten Seite des Wafers 52 gebildet. Eine dünnschichtige AR-Schicht 53 besteht aus ungefähr 2 bis 6 dünnen Schichten von Viertelwellenlängendicken von alternierenden Materialien, die unterschiedliche Refraktionsindizes haben. Die IF-Schicht 54 ist ein Stapel von dünnen Halbwellenlängenschichten von alternierenden Materialien, die unterschiedliche Refraktionsindizes haben. Der Wafer 52 wird in die Nähe mit dem Wafer 46 gebracht beim Kontakt der Befestigungsmaterialien 50 auf dem Wafer 46 bei einer Randfläche des Wafers 52 zum Bilden eines luftentleerten wärmeisolierenden Raums 55.
Die erhitzte Strahlungsquelle 47, die innerhalb von 1 bis 2 Mikrometern des festen Si-Substrats ist, hat eine schnelle Reaktion, ist moduliert bei einer höchstmöglichen Frequenz (typischerweise zwischen 10 bis 100 Hertz) und füllt den Hohlraum mit Licht, was wesentlich ist zum Erreichen hoher Sensibilität. Wenn die Lichtquelle 47 aus einer Mini-Wolfram-Glühlampe bestehen würde, läge die maximale Impulsrate des AC-Anregungssignals bei ungefähr 10 Hertz. Die gesteigerte Frequenz hat das Ergebnis einer besseren Sensibilität, da elektronisches Rauschen mit niedriger Frequenz weniger vorhanden ist. Diese Lichtquelle 47 mit integriertem Schaltkreis kann effektiv geladen und entladen werden oder die Impulsrate kann auf bis zu 100 Hertz gesteigert werden, mit dem Ergebnis einer verbesserten Sensibilität des Sensors 70.
Ein Silizium-Detektor-Wafer 69 ist gebildet mit einer ersten Fläche auf 4,3 Mikrometer Schmalbandpass optischen Interferenzfilter 54 und Silizium-Wafer 52. Der Wafer 69 hat Kerben oder Gruben 72, die gebildet oder geätzt sind auf einer zweiten Fläche des Wafers 69 zur Reflexion der Strahlung 51 und zum verbesserten Wärmekontakt der Elemente 71 mit dem Gas. Ein thermoelektrischer (TE) Temperatursensor oder eine Detektorschicht 73 ist gebildet auf dem Wafer 69. Die temperaturempfindlichen Elemente 71 sind gebildet über den Gruben 72. Die Elemente 71 sind beschichtet mit reflektierendem Material, zum Minimieren der direkten Absorption von Infrarotstrahlung. Die temperaturunempfindlichen und gegen die Strahlung 51 transparenten Teile 74 der Sensorenschicht 73 sind gebildet auf den nicht geätzten Teilen der zweiten Fläche des Wafers 69.
Die elektrischen Kontakte 75 sind gebildet auf einer Detektorschicht 73 für die elektrische Signalübertragung zu und von der Schicht 73 durch die Leitungen 60. Die Befestigungsmaterialien 115 sind am Rand der Schicht 73 und auf der zweiten Schicht des Wafers 69 gebildet. Ein Silizium-Wafer 77 als obere Haube ist gebildet und befestigt, zur Bildung des Hohlraums 78. Die Befestigung ist derart, dass ein oder mehrere Wege, Kanäle oder Löcher 79 gebildet sind, derart, dass Gas und/oder Luft in den Hohlraum 78 eintreten kann.
Die Funktionsweise des photothermischen Gassensors 70 weist die Emission von fluktuierender und pulsierender Strahlung 51 auf, die einen IR-Bestandteil hat. Das Licht 51 geht durch die AR-Schicht 53 und durch den Wafer 52 zur IF-Schicht 54. Ein Teil des Lichts 51 wird herausgefiltert durch die dünne Schmalbandpassschicht 54, die nur Licht passieren lässt, das eine Wellenlänge von zum Beispiel 4,3 Mikrometern (zur CO₂-Ermittlung) hat. Filter mit anderen Bandpasswellenlängen können verwendet werden, in Abhängigkeit von der Art des Gases oder der Flüssigkeit, die ermittelt werden soll. Der 4,3 Mikrometer Teil des Lichts tritt in den Wafer 69 ein. Praktisch das gesamte Licht 51, das die Gruben 72 beeinflusst, wird als das Licht 80 reflektiert. Das Licht 51, das die nicht geätzten Teile der zweiten Fläche des Wafers 69 beeinflusst, passiert durch die Detektorteile 74 in den Hohlraum 78. Die Gruben 72 reflektieren das Licht 51 derart, dass die temperaturempfindlichen Teile 71 nicht durch die Hitze des einfallenden Lichts 51 beeinträchtigt werden. Luft und/oder Gas 67, wie CO₂, fließt in und durch den Hohlraum 78 durch die Kanäle 79. Das Licht 51 wird absorbiert durch das CO₂, welches sich erhitzt und ein Erhitzen der Sensoren 71 verursacht mit dem Ergebnis der Ermittlung der Hitze und infolgedessen des Vorhandenseins von CO₂, da die Wellenlänge des Lichts 51 und die Absorptionswellenlänge von CO₂ gleich sind. Wenn das Gas 67 durch den Hohlraum 78 fließt und darin vorhanden ist, fluktuiert oder pulsiert das Licht 51 in Magnitude oder Intensität und verursacht ein Erhitzen und Abkühlen des CO₂ des Gases 67. Die elektrischen Signale von den Detektorelementen 71 gehen an einen Prozessor 81 durch die Kontakte 75 und Leitungen 60. Der Prozessor 81 bestimmt das Vorhandensein und die Menge an CO₂ und zeigt inferentiell das Vorhandensein von giftigen Gasen an, die in der unmittelbaren Umgebung des Gassensors 70 vorhanden sind. Reflektiertes Licht 80 wird von den Sensorenelementen 71 abgehalten, um feste Signale, die an den Prozessor 81 gehen, zu minimieren. Eine Differentialanordnung wie die der 6a, 6b, 6c und 6d kann verwendet werden. Änderungen am Sensor 70 können vorgenommen werden wie die am Sensor 10, um andere Arten von Gasen und Flüssigkeiten direkt aufzuspüren.
Der Gassensor 70 kann dazu bestimmt sein, das Vorhandensein von anderen Gasen oder Flüssigkeiten über CO₂ hinaus direkt aufzuspüren und anzuzeigen. Der Schmalbandpassfilter 54 würde umgeändert werden in einen Filter, der unterschiedliche Wellenlängen von Licht 51 passiert, was gleichbedeutend wäre mit der Absorptionswellenlänge von anderen Arten von zu ermittelndem und zu messendem Gas. Zum Beispiel, würde der Filter dazu bestimmt sein 4,6 Mikrometer Wellenlänge von Licht durchzulassen, wenn CO direkt durch den Sensor 70 ermittelt werden sollte oder eine Wellenlänge von 3,2 bis 3,4 Mikrometern, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit (VOCs), das oder die Kohlenwasserstoff (CH) Bindungen hat, direkt durch den Sensor 70 ermittelt werden sollte.
3 veranschaulicht einen anderen photothermischen Gassensor 82. Ein Silizium-Substrat 83 hat geätzte Gruben 84. Über den geätzten Gruben 84 angeordnet sind die thermoelektrischen Rezeptoren 85. Auf dem Substrat 83 angeordnet sind die Distanzstücke 86. Auf den Distanzstücken 86 ist ein Siliziumsubstrat 87. Auf einer Fläche des Substrats 87 ist ein Schmalbandpass-Interferenzfilter 88 gebildet. Auf der anderen ebenen Fläche des Substrats 87 ist die dünne Anti-Reflexionsschicht 89 gebildet. Auf dem Filter 88 sind Schattenmasken 90 gebildet, die einfallendes Licht, das durch die dünne Schicht 89, das Substrat 87 und den Filter 88 in den Hohlraum 91 kommt, blockieren, aber nur in Bereichen direkt über den thermoelektrischen Sensoren 85. Der Zweck von jeder Schattenmaske 90 ist, das Licht 92, das in den Hohlraum 90 eintritt, weitgehend zu blockieren, damit es nicht die Sensorenelemente 85 beeinflusst. Die Quelle der Strahlung oder des Lichts 92 kann sein von einer Glühlampe 93 oder einer Mikroemitter-Anordnung 94, angeordnet auf einem Quellsubstrat oder Wafer 95. Die Distanzstücke 96 können gebildet sein auf dem Substrat 87 oder der dünnen Schicht 89 zum Tragen des Substrats oder Wafers 95, das oder der Licht- oder Strahlungsquellenelemente 94 umfasst. Das durch die Distanzstücke 96 getragene Substrat 95, führt, wenn es auf dem Wafer 87 oder der dünnen Schicht 89 gebildet ist, zum Ergebnis eines Wärmeisolierungs-Hohlraums zwischen dem Wafer 95 und dem Wafer 87 oder der dünnen Schicht 89.
Das Licht 92 von entweder den Mikroemittern 94 oder der Glühlampe 93, wird moduliert mit variierender Intensität oder Impulswellenform. Das Licht 92 geht durch den Wärmeisolierungs-Hohlraum 97, wenn Mikroemitter 94 verwendet werden oder geht anfangs durch die dünne Anti-Reflexions-Schicht 89, wenn eine Glühlampe 93 verwendet wird. Nachdem das Licht 92 durch die dünne Schicht 89, das Substrat 87 und den Interferenzfilter 88 geht, tritt es in den Hohlraum 86 ein. Das Licht 92, das Wellenlängen hat, die anders sind als die Absorptionswellenlänge des zu ermittelnden Gases wird blockiert durch den Schmalbandpassfilter 88. Licht aller Wellenlängen wird blockiert durch die Schattenmaske 96, um die Beeinflussung des Lichts 92 auf die Wärmesensoren 85 zu verringern. Die Wärmesensoren 85 können beschichtet sein mit einer reflektierenden Metallschicht zum Minimieren der direkten Absorption der Infrarotstrahlung. Luft und/oder Gas 112 der Umweltumgebung um den Sensor 82 kann frei in den Hohlraum 91 und aus ihm heraus fließen 111. Wenn das Gas 112 eine Absorptionswellenlänge hat, die gleich ist wie die Wellenlänge des Lichts 92, das durch den Filter 88 passiert, wird das Licht 92 absorbiert durch dieses Gas 112 und erhitzt sich infolgedessen. Der Anstieg der Temperatur des Gases 112 wird ermittelt durch die Temperatursensoren 85. Wenn kein Gas vorhanden ist, das eine Absorptionswellenlänge hat, die gleich ist, wie die Wellenlänge des Lichts 92, das durch den Filter 88 passiert, findet keine Absorption des Lichts durch das Gas und kein Anstieg oder Veränderung der Temperatur des Gases und/oder der Luft innerhalb des Hohlraums 91 statt. Deshalb ermitteln die Wärmesensoren 85 keine Veränderung der Temperatur. Wenn die Schattenmaske 90 indes nicht vorhanden wäre, würde das Licht 92 die Wärmesensoren 85 beeinflussen, die die Anstiege und/oder Veränderungen der Temperatur im Hohlraum 91 ermitteln und dadurch ein großes festes Signal zusätzlich zum gasabhängigen Signal bereitstellen würden.
4a, 4b und 4c veranschaulichen die Wirkungen des Lichts 92 im Hohlraum 91 mit und ohne die Schattenmaske 90 und reflektierende Metallschicht. Die Wellenform von 4a zeigt die Amplitude des Lichts 92, dass durch den Filter 88 in die Kammer 91 kommt. 4b zeigt ein Signal 99 vom Wärmesensor 85, wenn die Schattenmaske 90 nicht vorhanden ist. Wenn sich ein Gas in der Kammer 91 befindet, das eine Absorptionswellenlänge hat, die die gleiche ist wie diejenige des Lichts 92, das durch den Interferenzfilter 88 passiert, wird die gesteigerte Hitze in der Kammer als ein Ergebnis der Absorption des Lichts 92 durch das ermittelte Gas überlagert wie die Kurve 100 auf Kurve 99. Ist die Schattenmaske 90 eingebaut, und mit einer reflektierenden Schicht, wird das Signal 99 weitgehend entfernt aufgrund des Blockierens des Lichts 92 vom Beeinflussen der und Absorbieren durch die Wärmesensoren 85. Das sich ergebende Sensorsignal mit der Isolierung des Sensors 85 vom Licht 92, ergibt das in 4c gezeigte Signal 100.
Die Signale der Sensoren 85 gehen an den Verstärker 102 und auf einen Lock-In-Verstärker 103. Die Stromquelle 104 gibt ein elektrisches Signal 105 aus, das bereitgestellt wird für die Glühlampe 93 oder die Mikroemitter 94, mit dem Ergebnis von Licht 92 einer pulsierten oder variierenden Intensität. Ferner wird das Signal 105 in den Lock-In-Verstärker 103 eingespeist. Eine Signalausgabe des Lock-In-Verstärkers 103 stellt eine Anzeige der Konzentrationsmenge des im Hohlraum 91 und um die Umweltumgebung des Sensors 82 ermittelten Gases bereit. Das Signal vom Verstärker 103 geht an den Prozessor 106, der das Vorhandensein und die Mengen von verschiedenen giftigen Gasen, die in der Umweltumgebung unmittelbar um den mikrotechnologischen inferentiellen Giftgasanzeiger 82 und um ihn herum vorhanden sind, inferentiell ermittelt von der Menge an direkt ermitteltem Gas, zum Beispiel CO₂. Der Prozessor 106 leitet ebenfalls gegenwärtige oder vergangene chemische oder physische Aktivität um den Sensor 82 herum ab. Er kann ebenfalls zukünftige chemische oder physische Aktivität ankündigen. Der Prozessor 106 kann eine Informationstabelle haben, die bestimmte Mengen von Konzentrationen von bestimmten Gasen oder Flüssigkeiten anzeigt, die auf das Vorhandensein von bestimmten Mengen von Konzentrationen von anderen Gasen oder Flüssigkeiten schließen lassen. Auf das Vorhandensein von bestimmten Mengen von Konzentrationen von anderen Gasen oder Flüssigkeiten kann genauer geschlossen werden, durch das Vorhandensein von bestimmten Mengen von Konzentrationen von den bestimmten Gasen oder Flüssigkeiten im Hohlraum 91, da die Mengen der ermittelten Konzentrationen, wie CO₂ bis zu mehrere Magnituden größer sind als bestimmte Mengen von Konzentrationen der anderen abgeleiteten Gase oder Flüssigkeiten.
5 zeigt die Herstellung des thermoelektrischen Sensors 85. Das Silizium-Substrat 83 hat eine geätzte Grube 84 zum Zweck der Wärmeisolierung des Detektors 85. Eine mikrotechnologische Anordnung von thermoelektrischen Sensoren 85 sind gebildet von überlappenden dünnschichtigen Metallen 107 und 108. Diese sind gebildet zwischen Schichten von Siliziumnitrid 109, das auf dem Silizium-Substrat 83 gebildet ist. Die Sensorenteile der Metallschichten 107 und 108 sind isoliert auf die Überlappungs- und Kontaktbereiche zwischen den Metallen 107 und 108, die über den geätzten Gruben 84, die durch Schnitte definiert 110 werden, angeordnet sind. Eine reflektierende Metallschicht (Gold) kann aufgetragen werden (109a), um die direkte Absorption von Strahlung durch den thermoelektrischen Sensor 85 zu verringern.

Claims

Gas- und Flüssigkeitssensor mit zwei Hohlräumen, umfassend: einen ersten Wafer; und eine erste Anordnung (121) von Wärmesensoren (19), die auf diesem ersten Wafer gebildet sind; und gekennzeichnet durch: eine zweite Anordnung (122) von Wärmesensoren (19), die auf diesem ersten Wafer gebildet sind; eine obere auf diesem ersten Wafer gebildete Haube, mit dem Ergebnis eines ersten Hohlraums, der diese erste Anordnung (121) von Wärmesensoren (19) umschließt und einen zweiten Hohlraum, der eine zweite Anordnung (122) von Wärmesensoren (19) umschließt; eine Strahlungsquelle (120), die sich in der Nähe dieser oberen Haube befindet, zur Beleuchtung des ersten und zweiten Hohlraumes; ein Interferenzfilter (125), der auf dieser oberen Haube gebildet ist und eine erste Wellenlänge hat; und ein Verstärker (126), der mit der ersten (121) und zweiten (122) Anordnung von Wärmesensoren (19) verbunden ist; und wobei: dieser erste Hohlraum Gas/Flüssigkeit (21) aus der Umgebung des Gas- und Flüssigkeitssensors empfangen kann und dieser zweite Hohlraum gegen die Umgebung verschlossen ist; das/die aufzuspürende Gas/Flüssigkeit (21) eine Absorptionswellenlänge der ersten Wellenlänge hat und bei Absorption der Strahlung eine Veränderung der Temperatur des Gases/der Flüssigkeit (21) eintritt.
Gas- und Flüssigkeitssensor mit zwei Hohlräumen nach Anspruch 1, wobei: die erste Anordnung (121) von Wärmesensoren (19) ein erstes Signal (123) ausgeben kann, das die Anwesenheit eines Gases/einer Flüssigkeit (21) um die erste Anordnung (121) von Wärmesensoren (19) angibt; eine zweite Anordnung (122) von Wärmesensoren (19) ein zweites Signal (124) ausgeben kann, das die Anwesenheit von keinem Gas/keiner Flüssigkeit (21) um die zweite Anordnung (122) von Wärmesensoren (19) angibt; und dieser Verstärker (126) das zweite Signal (124) vom ersten Signal (123) subtrahieren kann, um ein Ergebnissignal (127) bereitzustellen, das das aufgespürte Gas/die aufgespürte Flüssigkeit (21) angibt und, um dritte Signale, die aus der Berührung dieser ersten (121) und zweiten (122) Anordnung von Wärmesensoren (19) durch Strahlung entstehen, zu entfernen.