JP2002515595A - 光アドレス式感知システム - Google Patents
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract
(57)【要約】
光アドレス式感知システムであって、広帯域光源（１）のコヒーレンス長Ｉcより大きな光路差ＯＰＤsを設定し、ファブリ−ペロー干渉計（４）を用いて、（とりわけ）マイクロ加工されたダイアフラム（１２）によって形成された空洞を介して測定量を感知するものを記載した。出力は同様な光路差ＯＰＤpを用いてさらなる干渉計を介して回復する。情報は、減衰、損失、源の変動等による誤差を回避して、波長領域で符号化する。大量生産に適した空洞に対する適切な基板構成を開示している。
Description
【０００１】
本発明は、例えば、内燃機関において圧力又は温度のようなパラメータを感知
する光学アドレス式感知システムに関するものである。
する光学アドレス式感知システムに関するものである。
【０００２】
様々なパラメータを感知する光学センサが提案されてきた。受けた信号を処理
する様々の異なる処理システムとともに様々な異なる感知ヘッドが提案されてき
た。しかしながら、周知の構成は様々な欠点から放置される傾向があるか、及び
／又は大量生産には適さない。
する様々の異なる処理システムとともに様々な異なる感知ヘッドが提案されてき
た。しかしながら、周知の構成は様々な欠点から放置される傾向があるか、及び
／又は大量生産には適さない。
【０００３】 本発明は従来技術の多くの欠点を克服する改良された感知システムを提供する
ことを目的とする。
ことを目的とする。
【０００４】
従って、第１の態様では、本発明は、コヒーレンス長ｌcを有する少なくとも
一つの広帯域光源を備えた感知（センシング）システムと、 光路差ＯＰＤsを有する第１及び第２の光路とを備え、 前記第２の光路は感知干渉計の近傍におけるパラメータに対する依存性の変動
を受け、 感知干渉計は、光源と光路差ＯＰＤpを有する第３及び第４の光路を備えた処
理干渉計とに光学的に結合する感知システムにおいて、 感知干渉計が、ＯＰＤsを規定するように作られた第１の基板から形成された
ダイアフラムを備え、 処理干渉計が、ＯＰＤpを規定するように作られた第２の基板上に集積され、 ＯＰＤs及びＯＰＤpのいずれもがｌcより大きく、かつ、ＯＰＤsとＯＰＤpと
の差の絶対値（modulus）はｌcより小さい、ことを特徴とする。
一つの広帯域光源を備えた感知（センシング）システムと、 光路差ＯＰＤsを有する第１及び第２の光路とを備え、 前記第２の光路は感知干渉計の近傍におけるパラメータに対する依存性の変動
を受け、 感知干渉計は、光源と光路差ＯＰＤpを有する第３及び第４の光路を備えた処
理干渉計とに光学的に結合する感知システムにおいて、 感知干渉計が、ＯＰＤsを規定するように作られた第１の基板から形成された
ダイアフラムを備え、 処理干渉計が、ＯＰＤpを規定するように作られた第２の基板上に集積され、 ＯＰＤs及びＯＰＤpのいずれもがｌcより大きく、かつ、ＯＰＤsとＯＰＤpと
の差の絶対値（modulus）はｌcより小さい、ことを特徴とする。
【０００５】 凹部をダイアフラムの少なくとも一側にエッチングして、又はマイクロ加工し
て作ることができ、光路差ＯＰＤsは実質的に凹部の深さによって決定する。
て作ることができ、光路差ＯＰＤsは実質的に凹部の深さによって決定する。
【０００６】 感知干渉計は光ファイバによって光源及び／又は処理干渉計に接続されてい
ることが好ましい。感知干渉計での光ファイバはチューブ内またはフェルール内
に載置され、かつ、ダイアフラムは管又は取付られた透明のプレートの端面に取
り付けられることが好ましい。
ることが好ましい。感知干渉計での光ファイバはチューブ内またはフェルール内
に載置され、かつ、ダイアフラムは管又は取付られた透明のプレートの端面に取
り付けられることが好ましい。
【０００７】 透明プレートは、ダイアフラムと透明プレートの面との間の光学空洞（光学キ
ャビティ）を規定するために、管又は基板の端面に備えてもよい。
ャビティ）を規定するために、管又は基板の端面に備えてもよい。
【０００８】 センサは内燃機関内の圧力を感知するために使用するのに適していてもよい。
【０００９】 第二の独立な態様では、本発明は、コヒーレンス長Ｉcを有する広帯域光源と
：光源からの光が伝播しかつＩcより小さな光路差ＯＰＤsを有する第１及び第２
の光路を有すると共に、一の光路は感知されるパラメータに関係する情報が第１
及び第２の光路に沿って伝播する光の相互作用によって形成された干渉信号で符
号化されるようにパラメータに依存して変化しやすく、感知干渉計と：感知干渉
計からの干渉信号を受けるように接続され、かつ光路差ＯＰＤpを有する異なる
長さの第３及び第４の光路を有しる処理干渉計と：を備え、感知干渉計と処理干
渉計とが、ＯＰＤs及びＯＰＤpがそれぞれ同程度の精確さによって規定可能であ
ると共に、互いに精確にマッチングされ、それによって、処理干渉計が前記干渉
信号からの感知されたパラメータに関係する情報を復号することができるセンサ
を備えている。
：光源からの光が伝播しかつＩcより小さな光路差ＯＰＤsを有する第１及び第２
の光路を有すると共に、一の光路は感知されるパラメータに関係する情報が第１
及び第２の光路に沿って伝播する光の相互作用によって形成された干渉信号で符
号化されるようにパラメータに依存して変化しやすく、感知干渉計と：感知干渉
計からの干渉信号を受けるように接続され、かつ光路差ＯＰＤpを有する異なる
長さの第３及び第４の光路を有しる処理干渉計と：を備え、感知干渉計と処理干
渉計とが、ＯＰＤs及びＯＰＤpがそれぞれ同程度の精確さによって規定可能であ
ると共に、互いに精確にマッチングされ、それによって、処理干渉計が前記干渉
信号からの感知されたパラメータに関係する情報を復号することができるセンサ
を備えている。
【００１０】 本発明の第３の態様では、上記で詳述したような光学感知システムにおける感
知干渉計として使用するための光学空洞を製造する方法であって、その方法は、
ダイアフラムを形成するために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッ
チングする段階と；管、フェルール又はさらなる基板における穴内に光ファイバ
の端部を保持する段階と；光ファイバ及び管の端面を光学的に研磨し、かつ陽極
結合又は拡散結合によって管の前記端面にダイアフラムを結合し、それによって
、光学空洞をダイアフラムと光ファイバの前記端面との間に形成し、光学空洞の
長さを凹みの深さによって実質的に決定する段階とを備えている。
知干渉計として使用するための光学空洞を製造する方法であって、その方法は、
ダイアフラムを形成するために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッ
チングする段階と；管、フェルール又はさらなる基板における穴内に光ファイバ
の端部を保持する段階と；光ファイバ及び管の端面を光学的に研磨し、かつ陽極
結合又は拡散結合によって管の前記端面にダイアフラムを結合し、それによって
、光学空洞をダイアフラムと光ファイバの前記端面との間に形成し、光学空洞の
長さを凹みの深さによって実質的に決定する段階とを備えている。
【００１１】 本発明の第４の態様では、上記で詳述したような感知システムにおける感知干
渉計として使用するための光学空洞を製造する方法であって、その方法は、ダイ
アフラムを形成するために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッチン
グする段階と；陽極結合又は拡散結合によってダイアフラムを透明プレートの一
面に結合しそれによってその間に長さが凹みの深さによって実質的に決定される
光学空洞を規定する段階と；透明プレートの反対側の面を管、フェルール又はさ
らなる基板の端面に結合する段階と；管、フェルール又はさらなる基板内に光フ
ァイバの端部を保持する段階とを備えている。
渉計として使用するための光学空洞を製造する方法であって、その方法は、ダイ
アフラムを形成するために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッチン
グする段階と；陽極結合又は拡散結合によってダイアフラムを透明プレートの一
面に結合しそれによってその間に長さが凹みの深さによって実質的に決定される
光学空洞を規定する段階と；透明プレートの反対側の面を管、フェルール又はさ
らなる基板の端面に結合する段階と；管、フェルール又はさらなる基板内に光フ
ァイバの端部を保持する段階とを備えている。
【００１２】 本発明の他の態様では、光ファイバを受ける穴を有するガラス基板と、立ち上
がった支持部によって囲繞された凹み領域を形成するためにエッチングされたさ
らなる基板とを備え、支持部が凹み領域が穴軸にわたって形成されているように
適所に結合されているセンサにおいて、さらなる基板のエッチング１０が１０ミ
クロンより深いことを特徴とする。
がった支持部によって囲繞された凹み領域を形成するためにエッチングされたさ
らなる基板とを備え、支持部が凹み領域が穴軸にわたって形成されているように
適所に結合されているセンサにおいて、さらなる基板のエッチング１０が１０ミ
クロンより深いことを特徴とする。
【００１３】 本発明の他の好適でかつ光学的特徴は以下の記載及び明細書の従属項から明ら
かであろう。
かであろう。
【００１４】
ここで、本発明を添付図面を参照して、単に例によって、さらに説明する。
【００１５】 図１は、集積干渉計、すなわち、単一の基板上の適当な構成からなる干渉計を
もとにした白色光測定装置を概略的に示している。広帯域光源１からの光が光フ
ァイバ２に供給され、光ファイバＹ連結部３を介して圧力センサヘッド４へ送ら
れる。センサヘッド４から戻る干渉信号は、基板６上に集積した処理干渉計と光
検出器９によって提供された感知圧力を表す出力とによって分析される。実際の
実施形態では、光源及び光検出器は交換してもよい。しかしながら、単純化のた
めに、この詳細な説明の残りではそれらは図１に示したように配置していると仮
定する。
もとにした白色光測定装置を概略的に示している。広帯域光源１からの光が光フ
ァイバ２に供給され、光ファイバＹ連結部３を介して圧力センサヘッド４へ送ら
れる。センサヘッド４から戻る干渉信号は、基板６上に集積した処理干渉計と光
検出器９によって提供された感知圧力を表す出力とによって分析される。実際の
実施形態では、光源及び光検出器は交換してもよい。しかしながら、単純化のた
めに、この詳細な説明の残りではそれらは図１に示したように配置していると仮
定する。
【００１６】 白色光センサシステムは広帯域光源を利用するものであって、スペクトル幅Δ
λによって決まる波長範囲内の光を放射する。光源のコヒーレンス長Ｉcはスペ
クトル幅に非常に関係し、近似関係Ｉc〜λpeak2／Δλによって与えられる。こ
こで、λpeakは放射スペクトルの中心波長である。通常、Δλは、約１．３μｍ
で放射するスーパー発光ダイオード（ＳＬＤ）については３０ｎｍから５０ｎｍ
の範囲であり、それぞれ５５μｍと３５μｍとの間の短いコヒーレンス長となる
。
λによって決まる波長範囲内の光を放射する。光源のコヒーレンス長Ｉcはスペ
クトル幅に非常に関係し、近似関係Ｉc〜λpeak2／Δλによって与えられる。こ
こで、λpeakは放射スペクトルの中心波長である。通常、Δλは、約１．３μｍ
で放射するスーパー発光ダイオード（ＳＬＤ）については３０ｎｍから５０ｎｍ
の範囲であり、それぞれ５５μｍと３５μｍとの間の短いコヒーレンス長となる
。
【００１７】 センサヘッドの概略を図２で示す。これは、光ファイバ２に接続した２つの反
射界面１０及び１１から実質的に成る光学空洞を備えている。これれの界面の間
の距離ｄは、外部圧力ｐが付与されると変化する。最も簡単な形では、界面１０
はファイバ−空気界面によって形成され、界面１１は付与された圧力に応答して
反ったダイアフラムによって形成される。センサヘッドに送られた光の一部は、
第１の界面１０で後方反射する。残りの光は第２の界面１１で反射し、次いで、
ファイバ２で再捕獲される。ここで、センサヘッドから戻ったこれらの２つのビ
ーム間に光路差ＯＰＤs＝２ｄが生ずる。付与した圧力によって生じた距離の変
化Δｄが、２つのビーム間にすでに存在する位相差φ0＝２π２ｄ／λpeakの上
にさらなる位相差Δφ＝２πΔｄ／λpeakを生成する。しかしながら、ＯＰＤs
が光源のコヒーレンス長Ｉcより実質的に大きくなるように意図して設計される
ので、それらはファイバー先端での再結合において互いに干渉しない。この条件
を満足するために、実際にＯＰＤsがコヒーレンス長の約３倍大きいこと、それ
によって９０μｍから１５０μｍの最小ＯＰＤsとなることので十分である。こ
の設計の結果として、付与した圧力によって生成した両ビーム間のさらなる位相
差Δφはこの単一の干渉計（感知干渉計）だけを用いたのでは回復することはで
きない。
射界面１０及び１１から実質的に成る光学空洞を備えている。これれの界面の間
の距離ｄは、外部圧力ｐが付与されると変化する。最も簡単な形では、界面１０
はファイバ−空気界面によって形成され、界面１１は付与された圧力に応答して
反ったダイアフラムによって形成される。センサヘッドに送られた光の一部は、
第１の界面１０で後方反射する。残りの光は第２の界面１１で反射し、次いで、
ファイバ２で再捕獲される。ここで、センサヘッドから戻ったこれらの２つのビ
ーム間に光路差ＯＰＤs＝２ｄが生ずる。付与した圧力によって生じた距離の変
化Δｄが、２つのビーム間にすでに存在する位相差φ0＝２π２ｄ／λpeakの上
にさらなる位相差Δφ＝２πΔｄ／λpeakを生成する。しかしながら、ＯＰＤs
が光源のコヒーレンス長Ｉcより実質的に大きくなるように意図して設計される
ので、それらはファイバー先端での再結合において互いに干渉しない。この条件
を満足するために、実際にＯＰＤsがコヒーレンス長の約３倍大きいこと、それ
によって９０μｍから１５０μｍの最小ＯＰＤsとなることので十分である。こ
の設計の結果として、付与した圧力によって生成した両ビーム間のさらなる位相
差Δφはこの単一の干渉計（感知干渉計）だけを用いたのでは回復することはで
きない。
【００１８】 白色光干渉計の利点を理解するのに、波長領域を考えることは有効である。Ｏ
ＰＤs＞＞Ｉcの感知干渉計を通過した後、広帯域源からの光は対応する波長での
建設的干渉又は破壊的干渉に関係した多くの最大かつ最小を含んでいる。これは
チャネルスペクトルと呼ばれる。ＯＰＤsの変化は干渉条件に変化を生ぜしめ、
その結果、全チャネルスペクトルの波長がシフトする。ここで、信号情報は波長
領域で符号化され、システムのいかなる強度ゆらぎも測定結果に影響を与えない
。
ＰＤs＞＞Ｉcの感知干渉計を通過した後、広帯域源からの光は対応する波長での
建設的干渉又は破壊的干渉に関係した多くの最大かつ最小を含んでいる。これは
チャネルスペクトルと呼ばれる。ＯＰＤsの変化は干渉条件に変化を生ぜしめ、
その結果、全チャネルスペクトルの波長がシフトする。ここで、信号情報は波長
領域で符号化され、システムのいかなる強度ゆらぎも測定結果に影響を与えない
。
【００１９】 感知干渉計の出力を感知干渉計のＯＰＤsに実質的に等しいＯＰＤpを有する（
｜ＯＰＤp−ＯＰＤs｜＜＜Ｉc）第２の干渉計（処理干渉計）へ供給することに
よって、２つのビームの一部はまた位相を揃えて戻ることができる。処理干渉計
は感知干渉計と実質的に同じＯＰＤなので、最大透過が生ずる。使用する光源の
制限されたコヒーレンス長のために、ＯＰＤs＝ＯＰＤpの条件からのどんなずれ
も、鮮明度は｜ＯＰＤp−ＯＰＤs｜＞＞Ｉcに対してゼロに落ちるまで低下する
。結果は、ＯＰＤs＝ＯＰＤpで起きる最大値（中心縞）でのガウシアン型包絡線
のもとで正弦波干渉縞パターンである。
｜ＯＰＤp−ＯＰＤs｜＜＜Ｉc）第２の干渉計（処理干渉計）へ供給することに
よって、２つのビームの一部はまた位相を揃えて戻ることができる。処理干渉計
は感知干渉計と実質的に同じＯＰＤなので、最大透過が生ずる。使用する光源の
制限されたコヒーレンス長のために、ＯＰＤs＝ＯＰＤpの条件からのどんなずれ
も、鮮明度は｜ＯＰＤp−ＯＰＤs｜＞＞Ｉcに対してゼロに落ちるまで低下する
。結果は、ＯＰＤs＝ＯＰＤpで起きる最大値（中心縞）でのガウシアン型包絡線
のもとで正弦波干渉縞パターンである。
【００２０】 信号出力の十分高い鮮明度を維持するために、差ＯＰＤp−ＯＰＤsは通常約５
μｍより小さいべきである。
μｍより小さいべきである。
【００２１】 ２つのＯＰＤのマッチングはセンサの有効な作動に対して決定的に重要である
。処理干渉計とセンサヘッドとのアセンブリが２つの独立プロセスなので、両要
素のＯＰＤを高い精度で別々に制御することができることが重要である。
。処理干渉計とセンサヘッドとのアセンブリが２つの独立プロセスなので、両要
素のＯＰＤを高い精度で別々に制御することができることが重要である。
【００２２】 ＯＰＤpの制御を、図１で示したような光学チップ６上で集積型で実現した（
例えば）マッハ−ツェンダー干渉計を使用することによって行うことができる。
集積マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｙ連結部と集積位相変調器８と光ファイバを
集積導波路７に結合する手段５とを含む集積導波路７を備えている。
例えば）マッハ−ツェンダー干渉計を使用することによって行うことができる。
集積マッハ−ツェンダー干渉計は、Ｙ連結部と集積位相変調器８と光ファイバを
集積導波路７に結合する手段５とを含む集積導波路７を備えている。
【００２３】 適した集積干渉計のさらに詳細は、本出願人の係属した出願である英国特許文
献ＧＢ９６２３７６２．３（公開番号ＧＢ２３１９３３５Ａ）、ＰＣＴ／ＧＢ９
７／０３１４４（公開番号ＷＯ９８／２２７７５）、ＷＯ９５／０８７８７及び
ＷＯ９７／４２５３４で述べた他の出願に説明されている。
献ＧＢ９６２３７６２．３（公開番号ＧＢ２３１９３３５Ａ）、ＰＣＴ／ＧＢ９
７／０３１４４（公開番号ＷＯ９８／２２７７５）、ＷＯ９５／０８７８７及び
ＷＯ９７／４２５３４で述べた他の出願に説明されている。
【００２４】 集積版を使用することによって、マッハ−ツェンダー干渉計のＯＰＤpが非常
に高精度で決めることができることが保証される。通常、２μｍから３μｍより
小さいＯＰＤpの変動はごく普通に達成できる。この精度は製造工程において維
持可能であり、かつ高い再現性がある。
に高精度で決めることができることが保証される。通常、２μｍから３μｍより
小さいＯＰＤpの変動はごく普通に達成できる。この精度は製造工程において維
持可能であり、かつ高い再現性がある。
【００２５】 センサの好適な実施形態では、光源１と検出器９も同じチップ上に集積される
。このような構成の概略レイアウトを図３に示す。
。このような構成の概略レイアウトを図３に示す。
【００２６】 製造工程で繰り返すことが可能な精確に決められたＯＰＤsを有するセンサヘ
ッド４の製造も、特別な注意を必要とする。例えば、圧力感知のためのファイバ
内ファブリ−ペロー空洞（in-fibre Fabry-Perot cavities）が、低反射ミラー
を形成するためにＴｉＯ2で被覆したファイバの両端部の断面図を用いて明らか
にしている。この断面図はリードファイバ上にスライスされたもの以上のもので
ある。この構成では、数ミクロンの精度の固定値のＯＰＤを決定し繰り返し生成
することは困難である。同様に、金属ダイアフラムは圧力センサヘッド空洞で使
用されているが、製造環境で高精度の空洞長のメンテナンスは考慮していない。
精度良く決定されかつ再現可能なＯＰＤsを有するセンサヘッドを製造すること
は本発明の重要な部分である。
ッド４の製造も、特別な注意を必要とする。例えば、圧力感知のためのファイバ
内ファブリ−ペロー空洞（in-fibre Fabry-Perot cavities）が、低反射ミラー
を形成するためにＴｉＯ2で被覆したファイバの両端部の断面図を用いて明らか
にしている。この断面図はリードファイバ上にスライスされたもの以上のもので
ある。この構成では、数ミクロンの精度の固定値のＯＰＤを決定し繰り返し生成
することは困難である。同様に、金属ダイアフラムは圧力センサヘッド空洞で使
用されているが、製造環境で高精度の空洞長のメンテナンスは考慮していない。
精度良く決定されかつ再現可能なＯＰＤsを有するセンサヘッドを製造すること
は本発明の重要な部分である。
【００２７】 本発明の重要な目的は、特定のＯＰＤsを繰り返しかつ精度良く作ることがで
き、それによって、上述にように集積処理干渉計を使用する白色光測定システム
でしようすることができる光学圧力センサを記載することである。本発明は、十
分に確立したシリコンマイクロ加工技術を用いて特定の幾何学的寸法でかつ圧力
感度のダイアフラムを製造することである。これは、所定のＯＰＤsの感知空洞
を形成するために光ファイバの前にダイアフラムを固定する方法に結びついてい
る。シリコンはその優れた機械的特性のために機械工学応用に幅広く使用されて
いる。そして、処理中に高い程度の寸法制御を提供し、かつ、ウェハスケールで
製作可能であり、コスト的に有利なロット加工を可能にする。
き、それによって、上述にように集積処理干渉計を使用する白色光測定システム
でしようすることができる光学圧力センサを記載することである。本発明は、十
分に確立したシリコンマイクロ加工技術を用いて特定の幾何学的寸法でかつ圧力
感度のダイアフラムを製造することである。これは、所定のＯＰＤsの感知空洞
を形成するために光ファイバの前にダイアフラムを固定する方法に結びついてい
る。シリコンはその優れた機械的特性のために機械工学応用に幅広く使用されて
いる。そして、処理中に高い程度の寸法制御を提供し、かつ、ウェハスケールで
製作可能であり、コスト的に有利なロット加工を可能にする。
【００２８】 ダイアフラムの製造の最初は、少なくとも一側を研磨した適当な厚さｔwのシ
リコンウェハである。シリコンに対する幅広い選択性と等方性又は非等方性エッ
チング作用を有する多くの化学薬品（エッチング液）が通常使用される。例えば
、水酸化カリウムのような非等方性エッチング液を用いると、（１００）面は（
１１１）面より約４００倍速い速度でエッチングされる。これは、（１００）配
向ウェハに対しては５４．７４°の特徴的な角度で構造を形成することにつなが
る。適当なマスキング技術は酸化シリコン又は窒化シリコンのような材料を異な
るエッチング液と組み合わせて使用することにより、大きな設計融通性を提供す
るようになる。図４は、研磨面１４からシリコンウェハの一側エッチングによっ
て形成されたダイアフラム１２の側面図である。
リコンウェハである。シリコンに対する幅広い選択性と等方性又は非等方性エッ
チング作用を有する多くの化学薬品（エッチング液）が通常使用される。例えば
、水酸化カリウムのような非等方性エッチング液を用いると、（１００）面は（
１１１）面より約４００倍速い速度でエッチングされる。これは、（１００）配
向ウェハに対しては５４．７４°の特徴的な角度で構造を形成することにつなが
る。適当なマスキング技術は酸化シリコン又は窒化シリコンのような材料を異な
るエッチング液と組み合わせて使用することにより、大きな設計融通性を提供す
るようになる。図４は、研磨面１４からシリコンウェハの一側エッチングによっ
て形成されたダイアフラム１２の側面図である。
【００２９】 白色光応用に対する一つのキーポイントは、シリコンのエッチング率が所定の
エッチング液に対して処理条件によって精確に決まることである。結果として、
エッチング深さｄは製造条件の下で約１μｍから２μｍより高い精度に容易に制
御される。非等方性ウェットエッチング工程は、ファブリ−ペロー感知空洞を形
成する界面の一つとしての準備なしで使用することが可能な高表面品質の平坦な
表面１１を提供する。その反射率は空気とシリコンとの間の屈折率ステップの値
によって決定する。１３１０ｎｍの波長でのシリコンに対する屈折率ｎSi＝３．
５とｎair＝１とを与えると、表面１１の反射率Ｒ＝（ｎSi−１）2／（ｎair＋
１）2は約３０％となる。感知空洞を形成するために必要な第２の界面１０は多
くの異なる方法によって供給することができる。以下に詳細に考察するような特
別な例では、第２の反射界面は表面１４と面一に形成されている。ここで、感知
空洞のＯＰＤはエッチング深さｄを精確に制御する能力とともに２ｄｎair＝２
ｄに等しく、これは、精確に予め決めたＯＰＤsを有するセンサヘッドの製造を
可能にする。
エッチング液に対して処理条件によって精確に決まることである。結果として、
エッチング深さｄは製造条件の下で約１μｍから２μｍより高い精度に容易に制
御される。非等方性ウェットエッチング工程は、ファブリ−ペロー感知空洞を形
成する界面の一つとしての準備なしで使用することが可能な高表面品質の平坦な
表面１１を提供する。その反射率は空気とシリコンとの間の屈折率ステップの値
によって決定する。１３１０ｎｍの波長でのシリコンに対する屈折率ｎSi＝３．
５とｎair＝１とを与えると、表面１１の反射率Ｒ＝（ｎSi−１）2／（ｎair＋
１）2は約３０％となる。感知空洞を形成するために必要な第２の界面１０は多
くの異なる方法によって供給することができる。以下に詳細に考察するような特
別な例では、第２の反射界面は表面１４と面一に形成されている。ここで、感知
空洞のＯＰＤはエッチング深さｄを精確に制御する能力とともに２ｄｎair＝２
ｄに等しく、これは、精確に予め決めたＯＰＤsを有するセンサヘッドの製造を
可能にする。
【００３０】 第１の空気−シリコン界面で反射しない光の一部は厚さｔのダイアフラムを通
って伝播し、その一部は界面１１に平行な外側シリコン−空気界面１３で後方に
反射する。ここで、２ｎSiｔに等しいＯＰＤを有する第２の空洞が形成される。
これは、２ｎSiｔが感知空洞ＯＰＤsのＯＰＤと十分に異なる限り、システムの
性能において反対の効果を有しない。しかしながら、２ｎSiｔがおおよそＯＰＤ
sに等しくなるようにダイアフラムの設計がダイアフラム厚さｔを要求するなら
ば、起こりうる信号悪化を回避するためにさらなる手段をとるべきである。この
ような設計は、幾何学的制限内で特定の感度を達成するように要求されるのかも
しれない。というのは、ダイアフラム感度は主に、ダイアフラム厚さｔとその直
径と形状のような幾何学的因子とによって決まるからである。第２の空洞の反対
の効果は、その反射率をエンハンスするために、反射面１１上の薄層を堆積する
ことによって避けることができ、第２の空洞における光量を最小にする。
って伝播し、その一部は界面１１に平行な外側シリコン−空気界面１３で後方に
反射する。ここで、２ｎSiｔに等しいＯＰＤを有する第２の空洞が形成される。
これは、２ｎSiｔが感知空洞ＯＰＤsのＯＰＤと十分に異なる限り、システムの
性能において反対の効果を有しない。しかしながら、２ｎSiｔがおおよそＯＰＤ
sに等しくなるようにダイアフラムの設計がダイアフラム厚さｔを要求するなら
ば、起こりうる信号悪化を回避するためにさらなる手段をとるべきである。この
ような設計は、幾何学的制限内で特定の感度を達成するように要求されるのかも
しれない。というのは、ダイアフラム感度は主に、ダイアフラム厚さｔとその直
径と形状のような幾何学的因子とによって決まるからである。第２の空洞の反対
の効果は、その反射率をエンハンスするために、反射面１１上の薄層を堆積する
ことによって避けることができ、第２の空洞における光量を最小にする。
【００３１】 金属の選択についていくつかの考察を行うべきであろう。金属は考えている波
長域で十分に高い反射係数を与え、それはシリコンに信頼高く付着しているべき
であり、その表面は経時劣化すべきでなく、または段階的温度のような苛酷な作
動条件で劣化すべきでない。ひとつの適した選択はクロムであり、これは表面１
１の反射率を１３１０ｎｍ波長域で約６０％にエンハンスする。これによって、
第２の空洞によって生じたシステムの性能において反対の効果の効率的な抑制が
可能となる。最小の金属厚は金属の“スキン”効果によって決定される。堆積厚
がスキン深さを越える限り、厚さの増加に対して一定の反射係数が観察される。
クロムの場合には、約３００ｎｍの堆積厚で十分である。金属層を過度に厚くす
ることはダイアフラムの機械的特性を変化させ、付着の失敗の可能性を高める。
長域で十分に高い反射係数を与え、それはシリコンに信頼高く付着しているべき
であり、その表面は経時劣化すべきでなく、または段階的温度のような苛酷な作
動条件で劣化すべきでない。ひとつの適した選択はクロムであり、これは表面１
１の反射率を１３１０ｎｍ波長域で約６０％にエンハンスする。これによって、
第２の空洞によって生じたシステムの性能において反対の効果の効率的な抑制が
可能となる。最小の金属厚は金属の“スキン”効果によって決定される。堆積厚
がスキン深さを越える限り、厚さの増加に対して一定の反射係数が観察される。
クロムの場合には、約３００ｎｍの堆積厚で十分である。金属層を過度に厚くす
ることはダイアフラムの機械的特性を変化させ、付着の失敗の可能性を高める。
【００３２】 表面１１上に金属層を堆積することの他の利点はシステム全体の解像度によい
ということである。白色光干渉計をもとにした光学測定システムの解像度は検出
器で受光する低レベルの光のパワーに起因して生ずるノイズによって制限される
。より高いシステム解像度を達成する一方法は、センサ空洞から戻ってくる光量
をエンハンスすることである。従って、ダイアフラムの内側に被覆した金属は表
面１１の反射率をエンハンスし、それがより高い信号−ノイズ比につながる。
ということである。白色光干渉計をもとにした光学測定システムの解像度は検出
器で受光する低レベルの光のパワーに起因して生ずるノイズによって制限される
。より高いシステム解像度を達成する一方法は、センサ空洞から戻ってくる光量
をエンハンスすることである。従って、ダイアフラムの内側に被覆した金属は表
面１１の反射率をエンハンスし、それがより高い信号−ノイズ比につながる。
【００３３】 上記の議論は図４ａで示した特別なダイアフラムに限定されず、他のマイクロ
加工設計に対しても有効であることを理解されたい。特に、シリコンウェハを両
サイドからエッチングし、所定のダイアフラム直径に対して効果的なダイアフラ
ム厚さｔと固定エッチング深さｄとを低減することによって感度を変化すること
が可能である。ダブルエッチングダイアフラムの概略を図４ｂに示す。結果とし
て、さらなる設計パラメータが、感知空洞のＯＰＤsの変化を要求することなく
、ダイアフラム感度に変化を起こすことを可能にする。
加工設計に対しても有効であることを理解されたい。特に、シリコンウェハを両
サイドからエッチングし、所定のダイアフラム直径に対して効果的なダイアフラ
ム厚さｔと固定エッチング深さｄとを低減することによって感度を変化すること
が可能である。ダブルエッチングダイアフラムの概略を図４ｂに示す。結果とし
て、さらなる設計パラメータが、感知空洞のＯＰＤsの変化を要求することなく
、ダイアフラム感度に変化を起こすことを可能にする。
【００３４】 本発明に記載した光学圧力センサは図２で概略を示したファブリ−ペロー型の
空洞をもとにしている。以下の議論は感知空洞の第２の面１０を形成する多くの
方法を扱うものである。これらのオプションは、エッチング深さｄの高精度と共
に、この面１０の精確な位置づけを保証しこれが白色光システムの適切な作動に
対して要求される圧力センサ空洞の精確に予め決めたＯＰＤsを提供する。
空洞をもとにしている。以下の議論は感知空洞の第２の面１０を形成する多くの
方法を扱うものである。これらのオプションは、エッチング深さｄの高精度と共
に、この面１０の精確な位置づけを保証しこれが白色光システムの適切な作動に
対して要求される圧力センサ空洞の精確に予め決めたＯＰＤsを提供する。
【００３５】 例１ この場合、センサヘッドにつながる光ファイバ２の末端面は感知空洞の第２の
反射界面１０として作用する。平坦な空気−ガラス界面は光学グレード仕上げに
研磨することによって形成され、光ファイバの屈折率であるＲ＝（ｎGlass−１
）2／（ｎGlass＋１）2 （ここで、ｎGlas＝１．４５）に従って、約３．５％
の反射率を得る。ファイバを研磨し、ダイアフラムの前にそれを固定するために
、補助支持要素が必要である。これは、標準単一モードファイバをわずかの直径
１２５μｍ（図５参照）に合わせるために約１２６μｍから１２８μｍの内径を
有するガラスマイクロ毛細管１５によって行われている。ファイバは、ファイバ
と毛細管との間の十分な結合を提供するために適度に低い粘性接着剤によってマ
イクロ毛細管に固定している。ファイバと接着剤とを容易に挿入することができ
る後端に円錐型開口１６を有するマイクロ毛細管を用いることが好ましい。さら
に、開口はファイバの保護用に接着剤１７で充填することができる。組み立てた
ファイバ毛細管アセンブリを研磨することにより、研磨したファイバ端部１０を
毛細管の研磨した末端部１８に面一であることを保証する。ファイバとマイクロ
毛細管との間の結合線１９は意図的に薄いままにしておいて、研磨中のファイバ
末端への損傷を最小にすることを保証する。結合線がかなり厚ければ、研磨手順
はファイバと毛細管との間の応力を発生することにつながり、それが光ファイバ
のクラックの形成につながる。これが、ファイバの光ガイド特性を害し、かつセ
ンサ空洞を無意味なものにする。
反射界面１０として作用する。平坦な空気−ガラス界面は光学グレード仕上げに
研磨することによって形成され、光ファイバの屈折率であるＲ＝（ｎGlass−１
）2／（ｎGlass＋１）2 （ここで、ｎGlas＝１．４５）に従って、約３．５％
の反射率を得る。ファイバを研磨し、ダイアフラムの前にそれを固定するために
、補助支持要素が必要である。これは、標準単一モードファイバをわずかの直径
１２５μｍ（図５参照）に合わせるために約１２６μｍから１２８μｍの内径を
有するガラスマイクロ毛細管１５によって行われている。ファイバは、ファイバ
と毛細管との間の十分な結合を提供するために適度に低い粘性接着剤によってマ
イクロ毛細管に固定している。ファイバと接着剤とを容易に挿入することができ
る後端に円錐型開口１６を有するマイクロ毛細管を用いることが好ましい。さら
に、開口はファイバの保護用に接着剤１７で充填することができる。組み立てた
ファイバ毛細管アセンブリを研磨することにより、研磨したファイバ端部１０を
毛細管の研磨した末端部１８に面一であることを保証する。ファイバとマイクロ
毛細管との間の結合線１９は意図的に薄いままにしておいて、研磨中のファイバ
末端への損傷を最小にすることを保証する。結合線がかなり厚ければ、研磨手順
はファイバと毛細管との間の応力を発生することにつながり、それが光ファイバ
のクラックの形成につながる。これが、ファイバの光ガイド特性を害し、かつセ
ンサ空洞を無意味なものにする。
【００３６】 図６で示したようにシリコンダイアフラムを直接マイクロ毛細管上に載置する
ことによって、感知空洞（及びそのＯＰＤs）の２つの反射ミラー１０及び１１
の間の距離はシリコンダイアフラムのエッチング深さによって精確に決められる
。載置法の２つの可能な方法を以下にさらに詳細に説明する。
ことによって、感知空洞（及びそのＯＰＤs）の２つの反射ミラー１０及び１１
の間の距離はシリコンダイアフラムのエッチング深さによって精確に決められる
。載置法の２つの可能な方法を以下にさらに詳細に説明する。
【００３７】 通常、マイクロ毛細管に載置したファイバは、主に、ファイバと毛細管との間
の熱膨張係数のミスマッチに起因して、毛細管に対していくらか温度誘起の移動
をすることがある。経験する温度変化依存において、典型的な移動はナノメータ
ーから約１μｍの範囲である。これは、熱的に誘起されるドリフトが圧力変化の
時間スケールに比べて遅い限り問題ではない。しかしながら、静的な又は擬静的
な圧力測定に対して、ファイバ位置でのいかなる熱誘起ドリフトも圧力変化とし
てシステムが解釈し、有限温度交差感度の形で測定誤差を作り出す。関連ドリフ
トが処理干渉計の追跡範囲を超えるときには、非常に大きな温度範囲にわたって
作動するようにダイナミック圧力プローブが必要とされるならば、それも問題に
ないうる。このドリフト効果を最小にするため、ファイバは毛細管の前端で固く
固定される。これは、毛細管を局所的に加熱し、（例えば）レーザー又は局所的
加熱要素を使用し、毛細管を数ｍｍまでの制限部２０に沿って壊れることを可能
にすることによって達成することができる。マイクロ毛細管は、図７で示したよ
うに壊れた領域に達するまで背面エッチングを行う。このように、ファイバと毛
細管との間の熱ミズマッチに起因して誘起したいかなる移動も毛細管の背面、す
なわち、コーンの近傍に起き、毛細管前面１８に面一の反射面１０の位置を離れ
ていく。コーンに塗布した接着剤１７は同時にファイバを保護するように、小さ
な移動に対していくらかフレキシブルであるべきである。このようにして、ファ
イバにおける重要な応力レベルが発生することを回避する。
の熱膨張係数のミスマッチに起因して、毛細管に対していくらか温度誘起の移動
をすることがある。経験する温度変化依存において、典型的な移動はナノメータ
ーから約１μｍの範囲である。これは、熱的に誘起されるドリフトが圧力変化の
時間スケールに比べて遅い限り問題ではない。しかしながら、静的な又は擬静的
な圧力測定に対して、ファイバ位置でのいかなる熱誘起ドリフトも圧力変化とし
てシステムが解釈し、有限温度交差感度の形で測定誤差を作り出す。関連ドリフ
トが処理干渉計の追跡範囲を超えるときには、非常に大きな温度範囲にわたって
作動するようにダイナミック圧力プローブが必要とされるならば、それも問題に
ないうる。このドリフト効果を最小にするため、ファイバは毛細管の前端で固く
固定される。これは、毛細管を局所的に加熱し、（例えば）レーザー又は局所的
加熱要素を使用し、毛細管を数ｍｍまでの制限部２０に沿って壊れることを可能
にすることによって達成することができる。マイクロ毛細管は、図７で示したよ
うに壊れた領域に達するまで背面エッチングを行う。このように、ファイバと毛
細管との間の熱ミズマッチに起因して誘起したいかなる移動も毛細管の背面、す
なわち、コーンの近傍に起き、毛細管前面１８に面一の反射面１０の位置を離れ
ていく。コーンに塗布した接着剤１７は同時にファイバを保護するように、小さ
な移動に対していくらかフレキシブルであるべきである。このようにして、ファ
イバにおける重要な応力レベルが発生することを回避する。
【００３８】 これまで、マイクロ毛細管に使用するタイプに関する唯一の要求は研磨に適し
ていることであった。しかしながら、マイクロ毛細管はパイレックス又はホウ珪
酸ガラスから成るならば、ガラスマイクロ毛細管上にシリコンダイアフラムを、
すなわち、結合表面１４を表面１８に固定するために陽極結合として知られるプ
ロセスを利用することができる。陽極結合はシリコンマイクロ加工の分野で広く
用いられ、強く信頼性が高い密閉した結合を提供するものである。それは、静電
気力の助けによって高温で行われる熱及び静電気の結合したプロセスである。結
合するシリコンとガラス表面とは共に十分に清浄でかつ平坦である。要求される
表面仕上げは前のプロセス段階によるこのアセンブリ手順において自動的に保証
される。片側又は両側が磨かれたシリコンウェハは購入可能であり、マイクロ毛
細管の前面１８の研磨は平坦なファイバ端を得るために実施した。ここで、２つ
の面の清浄化とは別に、陽極結合工程の準備のために他に必要な段階はない。
ていることであった。しかしながら、マイクロ毛細管はパイレックス又はホウ珪
酸ガラスから成るならば、ガラスマイクロ毛細管上にシリコンダイアフラムを、
すなわち、結合表面１４を表面１８に固定するために陽極結合として知られるプ
ロセスを利用することができる。陽極結合はシリコンマイクロ加工の分野で広く
用いられ、強く信頼性が高い密閉した結合を提供するものである。それは、静電
気力の助けによって高温で行われる熱及び静電気の結合したプロセスである。結
合するシリコンとガラス表面とは共に十分に清浄でかつ平坦である。要求される
表面仕上げは前のプロセス段階によるこのアセンブリ手順において自動的に保証
される。片側又は両側が磨かれたシリコンウェハは購入可能であり、マイクロ毛
細管の前面１８の研磨は平坦なファイバ端を得るために実施した。ここで、２つ
の面の清浄化とは別に、陽極結合工程の準備のために他に必要な段階はない。
【００３９】 例２ この場合には、感知空洞の第２の反射界面１０を提供するために、さらなる薄
い、平坦な透明カバープレート２１を使用する。それは、図８で示したような上
部プレート界面によって形成させる。このアセンブリは後で、光ファイバ２を適
当な位置に保持するマイクロ毛細管１５上に固定する。第１に、感知空洞のＯＰ
Ｄsはダイアフラムのエッチング深さだけによって精確に決定することができる
。マイクロ毛細管内でのファイバのドリフトはＯＰＤsを変化しない。第２に、
ダイアフラム−プレートアセンブリをウェハレベル上に製造することができる。
例えば、薄いプレートは購入可能な研磨された面を有する薄いホウ珪酸ガラスウ
ェハによって形成することができる。このようなウェハはダイアフラムがエッチ
ングされたシリコンウェハ上に陽極結合することができる。
い、平坦な透明カバープレート２１を使用する。それは、図８で示したような上
部プレート界面によって形成させる。このアセンブリは後で、光ファイバ２を適
当な位置に保持するマイクロ毛細管１５上に固定する。第１に、感知空洞のＯＰ
Ｄsはダイアフラムのエッチング深さだけによって精確に決定することができる
。マイクロ毛細管内でのファイバのドリフトはＯＰＤsを変化しない。第２に、
ダイアフラム−プレートアセンブリをウェハレベル上に製造することができる。
例えば、薄いプレートは購入可能な研磨された面を有する薄いホウ珪酸ガラスウ
ェハによって形成することができる。このようなウェハはダイアフラムがエッチ
ングされたシリコンウェハ上に陽極結合することができる。
【００４０】 透明プレートの付加は、上で議論したように、シリコンダイアフラム自体によ
って形成された空洞に類似するさらなる空洞を形成する。可能な逆効果を最小に
するために、ダイアフラム１１の内側上の光学金属コーティングに加えて、反射
コーティング２３をプレート２１の上面２２に形成することができる。さらに、
プレート２１の下側上に非反射（ＡＲ）コーティング２４を形成することも可能
である。これらのコーティングの形成はウェハスケールレベルで実施することが
好ましい。
って形成された空洞に類似するさらなる空洞を形成する。可能な逆効果を最小に
するために、ダイアフラム１１の内側上の光学金属コーティングに加えて、反射
コーティング２３をプレート２１の上面２２に形成することができる。さらに、
プレート２１の下側上に非反射（ＡＲ）コーティング２４を形成することも可能
である。これらのコーティングの形成はウェハスケールレベルで実施することが
好ましい。
【００４１】 ダイアフラム−プレートアセンブリのダイシングした後、それらを空のマイク
ロ毛細管上に固定することができる。光ファイバはその後毛細管に挿入し、適当
な接着剤によって固定することができる。適当な光学性能を保証するために、フ
ァイバの端面がもはや空洞の一部でないのでファイバを劈開するだけでよい。こ
れによって、後端又は毛細管でのファイバリードを含む毛細管を研磨する労働が
大変な段階を削除する。
ロ毛細管上に固定することができる。光ファイバはその後毛細管に挿入し、適当
な接着剤によって固定することができる。適当な光学性能を保証するために、フ
ァイバの端面がもはや空洞の一部でないのでファイバを劈開するだけでよい。こ
れによって、後端又は毛細管でのファイバリードを含む毛細管を研磨する労働が
大変な段階を削除する。
【００４２】 第２のオプションの異なる実現は、さらなるプレート２１を形成するために、
ガラスウェハの代わりにシリコンウェハを用いる。ダイアフラムを含むシリコン
ウェハのウェハ２１への結合は、強く信頼性の高い結合を提供すると知られたシ
リコン溶融結合によって行われる。通常は、シリコン拡散結合は３００℃近傍で
の陽極結合と比較してはるかに高温の処理温度を要求する。シリコンプレートを
使用する利点は、この段階での接着剤の使用を避けながら、ダイアフラムプレー
トアセンブリを陽極結合によってホウ珪酸マイクロ毛細管上に固定することがで
きることである。陽極結合工程がガラス−シリコン界面での優れた電気的接触に
依存するので、この場合に任意でのＡＲコーティング２４を小さな量だけ凹ませ
るべきである。その理由は、ＡＲコーティングは通常、電気的に絶縁した誘電体
層の結合によって形成されるからである。ＡＲコーティングの体積及び毛細管１
５への陽極結合の実施に先立って、凹み２５は、適当な位置（図９参照）におい
てシリコンウェハをエッチングすることによって容易に形成される。
ガラスウェハの代わりにシリコンウェハを用いる。ダイアフラムを含むシリコン
ウェハのウェハ２１への結合は、強く信頼性の高い結合を提供すると知られたシ
リコン溶融結合によって行われる。通常は、シリコン拡散結合は３００℃近傍で
の陽極結合と比較してはるかに高温の処理温度を要求する。シリコンプレートを
使用する利点は、この段階での接着剤の使用を避けながら、ダイアフラムプレー
トアセンブリを陽極結合によってホウ珪酸マイクロ毛細管上に固定することがで
きることである。陽極結合工程がガラス−シリコン界面での優れた電気的接触に
依存するので、この場合に任意でのＡＲコーティング２４を小さな量だけ凹ませ
るべきである。その理由は、ＡＲコーティングは通常、電気的に絶縁した誘電体
層の結合によって形成されるからである。ＡＲコーティングの体積及び毛細管１
５への陽極結合の実施に先立って、凹み２５は、適当な位置（図９参照）におい
てシリコンウェハをエッチングすることによって容易に形成される。
【００４３】 次の議論において、ホウ珪酸マイクロ毛細管の使用を説明する。代わりに、ク
ォーツマイクロ毛細管を使用することができる。クォーツガラスは容易に研磨さ
れ、クォーツ毛細管とシリコンウェハとの間の固定は拡散結合として知られたプ
ロセスによって行うことができる。陽極と同様に、拡散結合は強く信頼性の高い
結合を提供するが、結合を促進するために、一方の（又は両方の）対応面上に堆
積した金属（例えば、金）のさらなる薄層を必要とする。
ォーツマイクロ毛細管を使用することができる。クォーツガラスは容易に研磨さ
れ、クォーツ毛細管とシリコンウェハとの間の固定は拡散結合として知られたプ
ロセスによって行うことができる。陽極と同様に、拡散結合は強く信頼性の高い
結合を提供するが、結合を促進するために、一方の（又は両方の）対応面上に堆
積した金属（例えば、金）のさらなる薄層を必要とする。
【００４４】 最後に、シリコンダイアフラムの前にファイバを取り付ける異なる方法ははん
だガラスを利用する。はんだガラスは、強い接着と高い信頼性を与えるものとし
て、密閉の目的でエレクトロニクス産業において広く使用されている。このアプ
ローチはマイクロ毛細管において光ファイバを固定する必要性を置き換えるもの
である。個別のガラス毛細管を使用する代わりに、ファイバの周りのガラス管を
はんだガラスを用いて形成する。ガラスはんだは加熱によって柔らかくなり、十
分な高温で流れ始め液体と同様に振る舞う。様々な種類の異なる性質を有するガ
ラスパウダーを用いることができ、または特別に設計することができる。ファイ
バとはんだガラスとの間の熱膨張係数の差は適当な選択を通して最小にすること
ができる。この方法では、ファイバはガラスモールドに堅く固定されている。こ
のアセンブリは後で感知空洞の第２の面１０を提供するために研磨する。適当な
タイプのはんだガラスを使用するならば、シリコンダイアフラムの研磨されたア
センブリへの陽極結合を実行することができる。
だガラスを利用する。はんだガラスは、強い接着と高い信頼性を与えるものとし
て、密閉の目的でエレクトロニクス産業において広く使用されている。このアプ
ローチはマイクロ毛細管において光ファイバを固定する必要性を置き換えるもの
である。個別のガラス毛細管を使用する代わりに、ファイバの周りのガラス管を
はんだガラスを用いて形成する。ガラスはんだは加熱によって柔らかくなり、十
分な高温で流れ始め液体と同様に振る舞う。様々な種類の異なる性質を有するガ
ラスパウダーを用いることができ、または特別に設計することができる。ファイ
バとはんだガラスとの間の熱膨張係数の差は適当な選択を通して最小にすること
ができる。この方法では、ファイバはガラスモールドに堅く固定されている。こ
のアセンブリは後で感知空洞の第２の面１０を提供するために研磨する。適当な
タイプのはんだガラスを使用するならば、シリコンダイアフラムの研磨されたア
センブリへの陽極結合を実行することができる。
【００４５】 はんだガラスは、前に記載したように独立して備えたマイクロ毛細管に光ファ
イバを固定するための接着剤を置き換えるために使用することもできる。
イバを固定するための接着剤を置き換えるために使用することもできる。
【００４６】 上記のセンサは集積処理干渉計及び感知干渉計の双方の精確な製作に依存し、
それによってＯＰＤpとＯＰＤsとが正確にマッチングすることが理解されるだろ
う。ファブリ−ペローセンサ空洞の製作におけるエッチングされた又はマイクロ
加工されたシリコンの使用は以前に提案されたが、それは、制限されたダイナミ
ックレンジ、センサヘッド及び光源及び／又は検出器につながる光ファイバにお
ける損失に対する感度、及び比較的小さな信号幅のような深刻な欠点による構成
に関連したものだけだった。これらの問題は、集積処理干渉計の使用と上記のよ
うな白色光処理技術の使用を可能にするセンサヘッドの正確な製作とを結合する
ことによって克服される。さらに、上記のセンサが大量生産に対して適している
ことを理解されたい。
それによってＯＰＤpとＯＰＤsとが正確にマッチングすることが理解されるだろ
う。ファブリ−ペローセンサ空洞の製作におけるエッチングされた又はマイクロ
加工されたシリコンの使用は以前に提案されたが、それは、制限されたダイナミ
ックレンジ、センサヘッド及び光源及び／又は検出器につながる光ファイバにお
ける損失に対する感度、及び比較的小さな信号幅のような深刻な欠点による構成
に関連したものだけだった。これらの問題は、集積処理干渉計の使用と上記のよ
うな白色光処理技術の使用を可能にするセンサヘッドの正確な製作とを結合する
ことによって克服される。さらに、上記のセンサが大量生産に対して適している
ことを理解されたい。
【００４７】 発明を圧力の測定に制限しないことを理解されたい。さらに一般的に明確に、
ＯＰＤsを変化させるいかなる環境変化を測定することができ、それが他の測定
に対して記載したシステムの詳細な利点につながる。
ＯＰＤsを変化させるいかなる環境変化を測定することができ、それが他の測定
に対して記載したシステムの詳細な利点につながる。
【００４８】 例えば、光ファイバ２が固定されたガラス毛細管１５に結合したシリコンのプ
レート１２によって形成した感知空洞を用いて、例えば、温度センシングを行う
ことができる。この場合には、空洞の反射面はプレート１２の２つの面１１Ａ、
１３Ａによって与えられる。周囲温度の変化はシリコンの屈折率を変化させ、そ
れによって、上面１１Ａで反射したビームの光路長を変化させる。ファイバの反
対側の外側面における適当な凹みをエッチングするためにシリコンエッチング又
はマイクロ加工を用いることができ、それによって、残りプレート暑さｔpが必
要なＯＰＤs＝２ｎSiｔpと等しくなる。前のように、ＯＰＤsはエッチング深さ
によって精確に決められる。
レート１２によって形成した感知空洞を用いて、例えば、温度センシングを行う
ことができる。この場合には、空洞の反射面はプレート１２の２つの面１１Ａ、
１３Ａによって与えられる。周囲温度の変化はシリコンの屈折率を変化させ、そ
れによって、上面１１Ａで反射したビームの光路長を変化させる。ファイバの反
対側の外側面における適当な凹みをエッチングするためにシリコンエッチング又
はマイクロ加工を用いることができ、それによって、残りプレート暑さｔpが必
要なＯＰＤs＝２ｎSiｔpと等しくなる。前のように、ＯＰＤsはエッチング深さ
によって精確に決められる。
【００４９】 温度測定の他の方法は図６、図８，又は図９に示された同様なセンサヘッドを
用いたものである。それにおいては、プレート１２が十分厚いので、光学空洞の
距離は、温度が変化するにつれてプレート１２の立ち上がった支持部の膨張又は
収縮に起因して拡張又は減少する。
用いたものである。それにおいては、プレート１２が十分厚いので、光学空洞の
距離は、温度が変化するにつれてプレート１２の立ち上がった支持部の膨張又は
収縮に起因して拡張又は減少する。
【図１】 本発明の一実施形態によるセンサの概略構成図である。
【図２】 図１のセンサの他の実施形態の概略構成図である。
【図３】 本発明のセンサの他の実施形態の概略構成図である。
【図４】 （ａ）図２のセンサヘッドで用いたセンサダイアフラムの断面
図である。（ｂ）（ａ）図２のセンサヘッドで用いたセンサダイアフラムの断面
図である。
図である。（ｂ）（ａ）図２のセンサヘッドで用いたセンサダイアフラムの断面
図である。
【図５】 図２で示したようなセンサヘッドの製造において毛細管に光フ
ァイバを固定する方法を示したものである。
ァイバを固定する方法を示したものである。
【図６】 図２で示したようなセンサヘッドにおける図４（ａ）及び図４
（ｂ）で示したようなダイアフラムを取り付ける一方法を示したものである。
（ｂ）で示したようなダイアフラムを取り付ける一方法を示したものである。
【図７】 図２で示したようなセンサヘッドの製造において毛細管に光フ
ァイバを固定する他の方法を示したものである。
ァイバを固定する他の方法を示したものである。
【図８】 センサヘッドにダイアフラムを取り付ける他の方法を示したも
のである。
のである。
【図９】 センサヘッドにダイアフラムを取り付ける他の方法を示したも
のである。
のである。
【図１０】 本発明の他の実施形態によるセンサのものである。
１ 光源 ２ 光ファイバ ４ センサヘッド ６ 基板 ９ 光検出器 １０、１１ 反射界面 １２ ダイアフラム ２１ プレート ２３ 反射コーティング
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年７月１７日（２０００．７．１７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (72)発明者 イーチェン・ルー イギリス・オクソン・ＯＸ12・８ＨＥ・ワ ンテイジ・ラークダウン・30 (72)発明者 ジェイムズ・デアス イギリス・ケント・ＣＴ２・７ＡＦ・カン タベリー・マンウッド・アヴェニュ・６ Ｆターム(参考） 2F055 AA21 BB20 CC02 DD05 EE31 FF43 GG01 GG49 HH19 2F056 VF09 VF11 VF15 VF16 VF20 2F103 BA00 CA08 DA01 EB06 EB32 EC08 EC10 EC17 FA01 【要約の続き】
Claims (29)
- 【請求項１】 コヒーレンス長ｌcを有する少なくとも一つの広帯域光源と
、光路差ＯＰＤsを有する第１及び第２の光路を備えた感知干渉計とを備えた感
知システムであって、 第２の光路は感知干渉計の近傍においてパラメータに依存して変化しやすいも
のであって、かつ、感知干渉計が光源と光路差ＯＰＤpを有する第３及び第４の
光路を備えた処理干渉計とに光学的に結合されている感知システムにおいて、 感知干渉計が、凹みが第１の基板の少なくとも一側にエッチングされているか
又はマイクロ加工されている第１の基板から形成されたダイアフラムを備え、そ
れによって、光路差ＯＰＤsは凹みの深さによって実質的に決定され、 処理干渉計がＯＰＤpを規定するために作られた第２の基板上に集積され、 ＯＰＤs及びＯＰＤpのいずれもがｌcより大きく、かつ、ＯＰＤsとＯＰＤpと
の差の絶対値がｌcより小さい、ことを特徴とする感知システム。 - 【請求項２】 前記第１の基板がシリコンである請求項１に記載の感知シ
ステム。 - 【請求項３】 感知干渉計が一又は複数の光ファイバによって光源及び／
又は処理干渉計に接続された請求項１又は請求項２に記載の感知システム。 - 【請求項４】 感知干渉計における光ファイバの端部が基板の穴内に取り
付けられ、かつダイアフラムが前記基板又はその上に取り付けられた透明プレー
トの端面に取り付けられた請求項３に記載の感知システム。 - 【請求項５】 ダイアフラムが立ち上がった支持部によって囲繞された中
心が凹んだセンサ領域を有するようにエッチングされており、その支持部は中心
が凹み領域が穴軸にわたって形成されように適所に結合されており、ダイアフラ
ムは前記感知干渉計の第２の光路の一部を形成する反射面を提供する請求項１か
ら請求項４のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項６】 感知干渉計が、光ファイバを受ける穴を含むガラス基板と
、立ち上がった支持部によって囲繞された凹み領域を形成するようにエッチング
されたさらなる基板とを備えたセンサであって、その支持部が凹み領域が穴軸に
わたって形成されているように適所に結合されているセンサにおいて、さらなる
基板のエッチングは１０μｍより深いことを特徴とする請求項１から請求項５の
いずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項７】 前記基板が、管又はフェルールである穴を含んでいる請求
項６に記載の感知システム。 - 【請求項８】 基板、管又はフェルールがホウ珪酸ガラス又はクォーツガ
ラスである請求項６又は請求項７のいずれかに記載の感知システム。 - 【請求項９】 穴がファイバが接することができる停止部を含み、穴が貫
通した穴である請求項６、請求項７、請求項８のいずれか一項に記載の感知シス
テム。 - 【請求項１０】 穴が止まり穴であり、穴の端面がファイバが接すること
ができる停止部を備えている請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の感知
システム。 - 【請求項１１】 透明プレートがシリコン又はホウ珪酸ガラス又はクォー
ツガラスである請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１２】 光学空洞が、光ファイバの前記端部とダイアフラムとの
間、又は透明プレートとダイアフラムとの間に規定されている請求項６から請求
項１１のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１３】 穴を囲繞する基板を加熱することによって、接着剤、は
んだガラス、機械的かしめ、または折り込みによって、光ファイバが穴内に固定
されている請求項６から請求項１２のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１４】 光ファイバと穴の自由口で穴を囲繞する基板との間にフ
レキシブルなシール材を備えた請求項６から請求項１３のいずれか一項に記載の
感知システム。 - 【請求項１５】 固定が、ファイバの端部に最近接した基板又は管又はフ
ェルール内の光ファイバの断面に限定されている請求項６から請求項１４のいず
れか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１６】 ダイアフラムが、陽極結合あるいは拡散結合によって、
管の端面に、又はその上に取り付けられた透明プレートに結合されている請求項
６から請求項１５のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１７】 空洞を規定する界面の一方または両方の反射率が、そこ
での反射コーティングの装備によって増加している請求項６から請求項１６のい
ずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項１８】 処理干渉計を備えた基板がシリコン又はシリコン−オン
−絶縁体又はシリコン−オン−シリコンである請求項１から請求項１７のいずれ
か一項に記載の感知システム。 - 【請求項１９】 処理干渉計がマッハ−ツェンダー干渉計又はマイケルソ
ン干渉計である請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２０】 広帯域光源が処理干渉計を備えた基板上に集積されてい
る請求項１から請求項１９のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２１】 光検出器が処理干渉計を備えた基板上に集積されている
請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２２】 広帯域光源がスーパー発光ダイオードである請求項１か
ら請求項２１のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２３】 広帯域光源のコヒーレンス長Ｉcが３３μｍ〜５５μｍの
範囲である請求項１から請求項２２のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２４】 ＯＰＤsが１００μｍ〜１６０μｍの範囲である請求項１
から請求項２３のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２５】 ＯＰＤsとＯＰＤpとの差が５μｍ又はそれ以下である請
求項１から請求項２４のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２６】 添付図面を参照して請求項１から請求項２５のいずれか
一項に実質的に記載された感知システム。 - 【請求項２７】 内燃機関内の圧力を感知するために構成された請求項１
から請求項２６のいずれか一項に記載の感知システム。 - 【請求項２８】 請求項１から請求項２７のいずれか一項に記載の光学感
知システムにおいて感知干渉計として使用するための光学空洞の製造方法であっ
て、ダイアフラムを作るために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッ
チングする段階と；管、フェルール又はさらなる基板における穴内に光ファイバ
の端部を固定する段階と；光ファイバ及び管の端面を光学的に研磨し、かつ陽極
結合又は拡散結合によって管の前記端面にダイアフラムを結合し、それによって
、光学空洞をダイアフラムと光ファイバの前記端面との間に形成し、光学空洞の
長さを凹みの深さによって実質的に決定する段階とを備えた光学空洞の製造方法
。 - 【請求項２９】 請求項１から請求項２７のいずれか一項に記載の感知シ
ステムにおいて感知干渉計として使用するための光学空洞の製造方法であって、
ダイアフラムを作るために第１の基板に凹みをマイクロ加工するか又はエッチン
グする段階と；陽極結合又は拡散結合によってダイアフラムを透明プレートの一
面側に結合しそれによってその間に長さが凹みの深さによって実質的に決定され
る光学空洞を規定する段階と；透明プレートの反対側の面を管、フェルール又は
さらなる基板の端面に結合する段階と；管、フェルール又はさらなる基板内に光
ファイバの端部を固定する段階とを備えた光学空洞の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9810789A GB2338059B (en) | 1998-05-20 | 1998-05-20 | An optically addressed sensing system |
| GB9810789.9 | 1998-05-20 | ||
| PCT/GB1999/001604 WO1999060341A1 (en) | 1998-05-20 | 1999-05-20 | An optically addressed sensing system |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002515595A true JP2002515595A (ja) | 2002-05-28 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000549911A Withdrawn JP2002515595A (ja) | 1998-05-20 | 1999-05-20 | 光アドレス式感知システム |
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| GB (1) | GB2338059B (ja) |
| IL (1) | IL139518A0 (ja) |
| WO (1) | WO1999060341A1 (ja) |
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