JP2010507083A - 基準感知素子を備えるセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
これまで、本発明の教示にかかるセンサは、透明窓を備える感知デバイスに関連して説明されてきた。本発明は、さらに、第1のセルとは異なる応答をもたらす、感知デバイスも組み込んだ第2のセルの加工に関する、ある実施形態で提供する。次に、この第2のセルは基準セルとみなすことができ、これは、その応答を感知セルと組み合わせて使用することができ、感知セルの応答の弁別を可能にするという点で第1の感知セルと異なる。これの一例では、IRセンサの場合にそのセンサからはキャップ(すなわち、300K)しか見えないように基準セルを全体的に不透明なものにするが、既知のわずかな周囲放射線が常に中を通過するように基準セルを部分的に不透明にすることも可能である。感知すべきガスを除いて感知側と同じ光路を通ってやってくる放射線を基準セルに照射することができるガスセンサのアプリケーションでは、これは利点となる。これにより、例えば水蒸気に対する信号のスプリアス依存(spurious dependencies)が取り除かれる。更なる例は、第1のセルの出力と異なるが、第1のセルの出力と比較できる出力を提供するために、第2のセルの光学特性が第1のセルの光学特性と同じであるが、異なる周波数の放射線、すなわち、異なる放射線源の放射線を選択的に照射される場合である。しかしながら、すべての場合において、第2のセルは、第1のセルの応答出力と異なる応答出力を提供するように構成され、この第2の基準セルの応答の変化は、第1のセルの出力を基準とするか、又はキャリブレーションするために使用される第2のセルに使用されるキャップの特性を変えることにより提供することができることは理解されるであろう。
IRセンサ(例えば、ボロメータ、熱電対列など)の詳細は遮蔽に関しては比較的重要性が低いが、図9は、ホイートストンブリッジ構成のIRセンサの配列を示している。機能に関して、ホイートストンブリッジの片側を照射する必要がある一方で、反対側は暗いままにする。前述のキャップ配列の構造を使用することで、ブリッジの暗側を遮蔽しながら、その一方で感知素子の同じ熱的及び電気的性能を他の何らかの形で保つことが可能である。そのような集積IRセンサ構造は、効果の高い温度管理スキーム、真空又は周囲制御キャップ、及びブリッジの暗側に遮蔽を設ける方法を組み合わせたものである。キャップ構造は、遮蔽及び照射ブリッジ素子の熱的特性及び電気的特性が等しくなることを確実にする。図9において単一デバイスとして説明されているが、そのような配列は、単一のセンサ又はアレイに適用することができるということが理解されるであろう。
またRbol’=Rbol+dRに対し
dVo〜−2dR/4Rbol
感熱抵抗器は、既知の抵抗温度係数(TCR)を有することにより特徴付けられ、照射された場合に入射放射線からの熱を吸収することになる。したがって、抵抗器(Rbol)は暗い場所に保持される必要があるだけでなく、Rbol’と同じ熱的環境に置かれる必要もあり、他の温度効果が観測信号を汚染することが不可能であることは明らかである。ブリッジの他の構成も可能であり、ときには望ましいが、照射抵抗器の各々に対して同一の熱的環境を他の何らかの形で維持しながら、その4つの抵抗器のうち2つは入射放射線から遮蔽されるブリッジを4つの同一の抵抗器(同じTCR、同じ熱伝導率及び容量)から作ることで、最適な性能が得られる。同一の抵抗器を使用することは、入射放射線がない場合に、出力電圧が抵抗器の背景温度の変化に対してゼロのままとなるという効果をもたらす。入射放射線に応答しない抵抗器は、「基準」ボロメータと呼ばれることが多い。
上記の内容から理解されるように、熱センサ及び他の電気素子は、支持基板の温度の影響を被る可能性がある。熱センサは特に、設計上、温度の変化に敏感であり、支持基板の温度を基準又はベースライン温度として使用することが多いことは理解されるであろう。しかしながら、センサが、隣接する熱発生手段(例えば、回路)を組み込んでいる場合、この基準又はベースライン温度が分布し、センサによって測定される計算温度に誤差を生じることになる。
これまでに説明したセンサは、スタンドアロンのセンサ又はそのようなセンサのアレイに関連して説明されているが、本発明の他の実施形態では、ダイ温度感知を行う配列も提供される。そのような配列は、図14から17に示されている。
Claims (63)
- 第1の基板内に形成された第1及び第2の感知素子と、第2の基板内に形成された第1及び第2のキャップとを有する電磁放射線センサであって、前記第1及び第2の基板は、前記第1及び第2の感知素子の各々がその上に備える各々のキャップを有し、それにより第1及び第2のセルを備えるように互いに関して配列され、前記第1のセルは、第1の応答特性に基づく出力を提供し、前記第2のセルは、第2の応答特性に基づく出力を提供することを特徴とするセンサ。
- 前記第2のセルの前記出力は、前記第1のセルの出力より低いことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2のセルの各々の前記応答特性は、各々のセルの特性である
a)光学応答特性と、
b)電気応答特性と、
c)熱応答特性と、
d)前記第1及び第2のセルの各々に照射するために使用される放射線源の性質とのうちの少なくとも1つの関数であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。 - 前記第1の感知素子に関する前記キャップは、前記キャップを介した前記感知素子上への入射放射線の透過を可能にし、前記第2の感知素子に対する前記キャップは、前記キャップを介した前記第2の感知素子上への入射放射線の透過をブロックすることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第2の感知素子に関する前記キャップは、前記第2のセルに入射する放射線の少なくとも一部をフィルタリングすることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1の感知素子に関する前記キャップは、前記第1の感知素子上に前記入射放射線を集束するように構成された光学素子を含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第2の感知素子に関する前記キャップは、前記キャップ上に入射する放射線を反射する反射コーティングを含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第2の感知素子に関する前記キャップは、前記キャップを介した前記第2の感知素子上への放射線の透過を妨げるために光学的に不透明なコーティングを含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 互いに関する前記第1及び第2の基板の配列は、各々の前記キャップとその個々の感知素子との間にキャビティを定めることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子に関する各々の前記キャビティは、互いに流体で連絡することを特徴とする請求項9に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子に関する各々の前記キャビティは、前記第1及び第2の感知素子に関する前記キャビティのうちの他方のキャビティから隔離されることを特徴とする請求項9に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の基板は、シリコンで提供されることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子は、赤外線感知素子であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記少なくとも1つの光学素子は、回折光学素子であることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
- 前記少なくとも1つの光学素子は、屈折光学素子であることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
- 前記キャビティにおける周囲条件及び組成物は、指定することができることを特徴とする請求項9に記載のセンサ。
- 前記キャビティは、周囲圧力よりも低い圧力で提供されることを特徴とする請求項16に記載のセンサ。
- 前記キャビティは、前記センサが使用されるアプリケーション向けに選択された気体組成物で満たされることを特徴とする請求項16に記載のセンサ。
- 前記気体組成物は、窒素の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有するガスを含むことを特徴とする請求項18に記載のセンサ。
- 前記光学素子は、前記キャビティに隣接する、前記キャップの内面内に形成されることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
- 前記光学素子は、前記キャビティから離れている、前記キャップの外面内に形成されることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
- 光学素子は、前記第1の感知素子に関する前記キャップの外面と内面の両方に形成され、前記キャビティに隣接する前記光学素子と前記キャビティから離れた場所にある前記光学素子との組合せは、複合レンズを形成することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 複数の第1の感知素子を形成し、前記光学素子は、特定の波長の放射線を前記複数の感知素子のうちの事前に選択された感知素子に選択的に誘導するように構成されることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の素子に関する前記キャップは、同じ第2の基板内に形成され、前記センサは、加えて外側キャップを備え、前記外側キャップは、前記第2の基板の上で配向され、前記外側キャップは、光学素子を含むことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の基板の各々を互いに関して配列すると、各々の前記キャップは、前記第1の基板から上方に延び、間にあるルーフ部を支持する側壁により形成され、前記ルーフ部は、前記感知素子に実質的に平行な平面内にあることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子の各々は、互いに隣接し、その上に備えられている前記キャップは、前記ルーフ部から下方に延びる共通の中心カラムを共有し、これにより前記第1及び第2の感知素子の各々に関するチャンバを定めることを特徴とする請求項25に記載のセンサ。
- 前記第2の感知素子の前記チャンバは、前記キャップを介した前記第2の感知素子上への放射線の透過を妨げるように処理されることを特徴とする請求項26に記載のセンサ。
- 前記処理は、前記チャンバの前記側壁のドーピングを含むことを特徴とする請求項27に記載のセンサ。
- 前記処理は、前記第2の感知素子に関する前記キャップの前記ルーフ部上に反射コーティングを施すことを含むことを特徴とする請求項27に記載のセンサ。
- 前記カラムの下側表面と前記第1の基板の上側表面との間に間隙を定めるように、前記中心カラムは、前記ルーフ部から前記第1の基板に完全には伸びないことを特徴とする請求項26に記載のセンサ。
- 前記間隙の幅は、感知される入射放射線の波長と同程度であることを特徴とする請求項30に記載のセンサ。
- 前記間隙を設けることにより、前記第1及び第2の感知素子に対する前記チャンバの間の圧力を均一にすることを可能にすることを特徴とする請求項30に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子の各々は、ボロメータとして提供されることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子のうちの1つの少なくとも一部は、前記第1の基板内に定められたキャビティの上に吊り下げられ、前記キャビティは前記第1の基板と前記感知素子との間の断熱を行うことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1及び第2の感知素子は、ホイートストンブリッジ構成で配列されることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記ホイートストンブリッジ構成は、抵抗素子の第1の対を有する前記第1の感知素子及び抵抗素子の第2の対を有する前記第2の感知素子により提供され、各々の対の抵抗器は、ホイートストンブリッジの対向するレッグ部を定めることを特徴とする請求項35に記載のセンサ。
- 前記ホイートストンブリッジの対向するレッグ部上の前記抵抗器の各々は、断熱テーブル上の同じ場所に配置されることを特徴とする請求項36に記載のセンサ。
- 前記断熱テーブルは、微小電気機械技術を使用して加工されることを特徴とする請求項36に記載のセンサ。
- 前記第1の基板は、前記センサの外側に配置された溝配列を備え、前記溝配列は前記センサと前記第1の基板上の他の素子との間の断熱を行うことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記溝配列は、前記第1の基板内にエッチングされた少なくとも2つの隣接する溝を備え、前記少なくとも2つの溝の各々は断熱材で充填され、中間領域により互いに隔てられ、前記中間領域は、前記少なくとも2つの溝のいずれかの熱係数と異なる熱係数を有することを特徴とする請求項39に記載のセンサ。
- 前記溝配列は、前記感知素子の周りに断熱層を定めるように前記感知素子の周りに配置されることを特徴とする請求項39に記載のセンサ。
- 前記溝配列は、前記センサと前記第1の基板上に備えられている熱源との間に配置されることを特徴とする請求項39に記載のセンサ。
- 前記溝配列は、複数の溝を備えることを特徴とする請求項39に記載のセンサ。
- 前記複数の溝は、複数の溝のセットとして形成され、前記複数のセットの各々は、中間領域により互いに隔てられている少なくとも2つの溝を有し、前記中間領域は、前記2つの溝のいずれかの熱係数と異なる熱係数を有することを特徴とする請求項43に記載のセンサ。
- 前記中間領域は、真空排気されたキャビティであることを特徴とする請求項40に記載のセンサ。
- 前記真空排気されたキャビティは、前記溝の間の前記基板の領域をエッチングすることにより形成されることを特徴とする請求項45に記載のセンサ。
- 前記真空排気されたキャビティの深さは、前記溝のうちの少なくとも1つの深さに対応することを特徴とする請求項46に記載のセンサ。
- 前記真空排気されたキャビティを定める前記エッチングは、前記真空排気されたキャビティが前記センサの少なくとも一部の下に広がるようになされることを特徴とする請求項47に記載のセンサ。
- 前記真空排気されたキャビティの水平方向寸法は、前記溝の深さによって定められることを特徴とする請求項48に記載のセンサ。
- 前記第1の基板は、埋め込まれたシリコンオンインシュレータ層上に配置され、前記溝配列を形成する前記溝の深さは、前記埋め込まれた層へ伸びるほどの深さであることを特徴とする請求項40に記載のセンサ。
- 複数のダイ温度センサをさらに備え、前記複数のダイ温度センサは前記センサが配置されているダイの温度を示す出力を提供することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記複数のダイセンサは、複数の出力測定結果を出せるように前記ダイの周りに配列され、前記出力測定結果の各々はそのダイ温度センサの位置の温度に関連付けられることを特徴とする請求項51に記載のセンサ。
- 複数のセンサを含むセンサアレイであって、前記センサの各々は能動的感知素子及び基準感知素子を有し、前記能動的感知素子は第1の基板内に形成され、第2の基板内に形成された光学素子を有し、前記第1及び第2の基板は、前記第2の基板が前記感知素子の上にキャップを形成するように互いに関して構成され、前記光学素子は、前記キャップに入射した放射線を前記感知素子に誘導するように構成され、前記基準感知素子も第1の基板内に形成され、第2の基板内に形成されたキャップを有し、前記第1及び第2の基板は、前記キャップが前記基準感知素子の上に配置されるように互いに関して構成され、前記キャップは、前記能動的センサ及び基準センサが異なる応答特性を有するように透過して、前記基準感知素子に入る入射放射線の強度を修正する働きをすることを特徴とするセンサアレイ。
- 前記センサアレイの出力は、像面を定めることを特徴とする請求項53に記載のセンサアレイ。
- 熱放射体を感知したときに信号を提供するように構成された弁別センサシステムであって、当該センサからの第1の距離で前記熱放射体を感知したときに信号を提供するように構成された第1のセンサと、当該センサからの第2の距離で前記物体を感知したときに信号を提供するように構成された第2のセンサとを備え、前記第1及び第2のセンサの各々は、第1の基板内に形成された少なくとも2つの感知素子を備え、前記少なくとも2つの感知素子の各々は、上に備えられている第2の基板内に形成されたキャップを有し、前記第1の感知素子に関する前記キャップは、1つの光学素子を備え、前記光学素子は、前記キャップ上に入射した放射線を前記少なくとも第1の感知素子に誘導して、前記第1の感知素子上に入射した放射線を示す信号を提供するように構成され、前記第2の感知素子は基準出力を提供することを特徴とする弁別センサシステム。
- 前記第1及び第2のセンサの各々の前記感知素子は、同じ基板内に形成されることを特徴とする請求項55に記載の弁別センサ。
- 前記物体は、人間の胴体であることを特徴とする請求項55に記載の弁別センサ。
- 第1の基板内に形成された少なくとも1つの感知素子と、第2の基板内に形成された少なくとも1つの光学素子とを備えるガス分析器であって、前記第1及び第2の基板は、前記第2の基板が前記少なくとも1つの感知素子の上にキャップを形成するように互いに関して構成され、前記少なくとも1つの光学素子は、前記キャップ上に入射した放射線を前記少なくとも1つの感知素子に誘導するように構成され、前記誘導される入射放射線は、特定のガスの存在を示す波長を有するガス分析器において、前記第1の基板内に形成された少なくとも1つの基準感知素子を備え、第2の基板内に形成された前記少なくとも1つの基準感知素子に関するキャップを有し、前記基準感知素子は、前記少なくとも1つの感知素子の前記出力とともに使用可能な出力を提供して前記ガスの分析を提供することを特徴とするガス分析器。
- 前記基準感知素子の前記出力は、前記少なくとも1つの感知素子の前記出力と無関係であることを特徴とする請求項58に記載の分析器。
- 前記基準感知素子の前記キャップは、前記キャップ上の入射放射線から前記基準感知素子を遮蔽し、前記基準感知素子が前記入射放射線の強度と無関係の出力を提供するようにすることを特徴とする請求項59に記載の分析器。
- 複数の感知素子及び複数の関連する光学素子を備え、前記組み合わされた感知素子及び光学素子の各々は、前記複数の感知素子の前記出力がガス波長シグネチャースペクトルを提供するために使用することができるように特定波長分析に関して構成されることを特徴とする請求項58に記載のガス分析器。
- センサを形成する方法であって、
少なくとも1つの感知素子及び少なくとも1つの基準感知素子を第1の基板内に形成するステップと、
光学素子及び遮蔽キャップを第2の基板内に形成するステップと、
前記第2の基板が前記感知素子の上に前記光学素子を備え、前記光学素子が入射放射線を前記感知素子上に誘導するように構成され、前記第2の基板が前記遮蔽キャップを前記基準センサの上に備え、前記遮蔽キャップが、前記基準感知素子を介して前記キャップ上に入射した放射線の透過、前記基準感知素子上へ入射した放射線の透過を修正する働きをするように前記第1及び第2の基板を接着して合わせるステップとを含むことを特徴とする方法。 - 半導体プロセスで加工される電磁放射線センサであって、第1の基板内に形成された第1及び第2の感知素子を備え、前記第1及び第2の基板の各々は、その上に定められた各々のキャップを有し、前記キャップは第2の基板内に形成され、前記第1の基板上に取り付け可能であり、前記第1の感知素子の上に形成された前記キャップは、前記キャップを介した前記感知素子上への放射線の透過を可能にし、前記第2の感知素子の上に形成された前記キャップは、前記第1の感知素子上に入射した放射線に関して前記第2の感知素子上に入射した前記放射線を減少するために、前記キャップを介した前記感知素子上への放射線の透過をフィルタリングすることを特徴とする電磁放射線センサ。
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