JP2018521322A - ガス中の成分を検出するセンサ装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
かかる導波管は、基板平面と平行な導波管面の長さ方向にのび、導波管は、長さ方向に垂直な方向において導波管面内で特定の幅を有し、かつ、長さ方向に垂直な方向において導波管面からの特定の高さを有し、高さに対する幅の比率が5倍以上あり、
導波管の高さが電磁波の波長よりも短く、
導波管が、導波管の長さ方向に沿って基板から導波管にのび、かつ、導波管の支持点で導波管の幅よりも小さい幅を有する支持構造体によって基板の上に支持され、
導波管の幅が導波管の長さ方向に沿って変化し、さらに支持構造体の幅が導波管の長さ方向に応じて変化する。
センサ装置を準備するステップと、
導波管と接触してガスを供給するステップと、
導波管の第一の部分に電磁波を送るステップと、
導波管の周りの電磁波のエバネッセント波の領域内のガスと電磁波とを相互作用させるステップと、
導波管の第二の部分で電磁波を検出するステップと、
検出された電磁波に基づいてガス中の成分を検出するステップと、を備えている。
かかる方法は、
ウェーハを準備するステップと、
ウェーハにおいて導波管を製作するステップと、
ウェーハにおいて支持構造体を製作するステップとで構成される。
基板層、中間層及びデバイス層を備えるウェーハを準備するステップと、
デバイス層に導波管を製作するステップと、
中間層に支持構造体を製作するステップとを備え、
基板層がデバイスの基板を形成する。
本発明は、波長λの電磁波を案内する導波管を備えるセンサ装置に関する。電磁波の波長は、0.4〜10μmの範囲内であり、好ましくは1.2〜7μmの範囲内である。図1には、一実施形態によるセンサ装置1の導波管2の一部分の断面が示されている。この装置は、センサ装置用の支持構造体を形成する基板3を備える。基板は、材料の平面ウェーハの形態で、基板平面4を画定する。導波管は、基板平面4に平行な、すなわち図1の断面図に垂直な導波管平面4’で長さ方向にのびる。
2 導波管
3 基板
4 基板平面
4’ 導波管面
5 支持構造体
7 ギャップ
8 周期構造体
9 開口
10 熱放射源
11 接続パッド
12 電流源
13;13’;13” 検出要素
21 支持柱
λ 波長
d 距離
h 導波管の高さ
p 間隔
W;w 導波管の幅
Ws 支持構造体の幅
Claims (31)
- 基板平面(4)を画定する平面基板(3)及び電磁波を案内するための導波管(2)を備えるセンサ装置において、
前記導波管が、基板平面(4)と平行な導波管面(4’)に長さ方向にのび、
前記導波管が、長さ方向に垂直な方向において前記導波管面内の幅(W、w)を有し、かつ、長さ方向に垂直な方向において前記導波管面から高さ(h)を有し、
高さ(h)に対する幅(W、w)の比率が5倍以上あり、
前記導波管(2)の高さ(h)が、電磁波の波長よりも短く、
前記導波管(2)が、前記導波管(2)の長さ方向に沿って、基板から前記導波管(2)にのび、且つ前記導波管(2)の支持点で前記導波管(2)の幅(W、w)よりも小さい幅(Ws)を有する、支持構造体(5)によって基板の上に支持され、
前記導波管(2)の幅(W、w)が、前記導波管(2)の長さ方向に沿って変化し、
前記支持構造体(5)の幅(Ws)が、前記導波管(2)の長さ方向に応じて変化する
ことを特徴とするセンサ装置。 - 前記導波管(2)が、長さ方向の少なくとも第一の部分に沿って支持され、前記導波管(2)が長さ方向の少なくとも第二の部分に沿って遊離するように、前記導波管(2)及び支持構造体(5)の幅が縮小することを特徴とする請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記導波管(2)が、長さ方向の複数の部分に沿って遊離し、そのため複数の支持柱(21)が形成され、支持柱(21)の中心から隣接する支持柱(21)の中心までの距離が、長さ方向に沿って変化することを特徴とする請求項2に記載のセンサ装置。
- 前記装置が、前記導波管(2)を偏向させるように、前記導波管(2)の遊離する部分に力を印加する手段を備えることを特徴とする請求項2又は3に記載のセンサ装置。
- 前記導波管(2)が、前記導波管(2)の長さ方向に沿って少なくとも1つのギャップ(7)を備え、前記少なくとも1つのギャップが電磁波の波長よりも小さく、好ましくは電磁波の波長の5分の1未満であることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記装置が熱放射源(10)を備え、該熱放射源からの電磁波が導波管(2)に結合されるように前記熱放射源(10)が配置され、前記熱放射源が電磁波の波長の5分の1未満の拡張を有することを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記熱放射源(10)が、前記導波管(2)で好ましい伝播モードを励起するように、前記導波管(2)の断面において、前記導波管(2)からの電磁波の一波長内に配置され、好ましくは導波管(2)からの電磁波の波長の5分の1以内に配置されることを特徴とする請求項6に記載のセンサ装置。
- 前記熱放射源(10)が、前記導波管(2)に当接して又は前記導波管(2)から離間して置かれることを特徴とする請求項6又は7に記載のセンサ装置。
- 前記装置が、前記導波管(2)からの電磁波を結合するように配置された検出要素(13、13’、13”)を備えることを特徴とする請求項1から8の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記検出要素が、前記導波管(2)の好ましい伝播モードを検出するように、前記導波管(2)の断面において、前記導波管(2)からの電磁波の一波長内に配置され、好ましくは導波管(2)からの電磁波の波長の10分の1以内に配置されることを特徴とする請求項9に記載のセンサ装置。
- 前記検出要素が、前記導波管(2)に当接して又は前記導波管(2)から離間して置かれることを特徴とする請求項9又は10に記載のセンサ装置。
- 前記導波管(2)が、周期的な構造体(8)好ましくは前記導波管(2)の長さ方向に前記周期的な構造体(8)を備えることを特徴とする請求項1から11の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記周期的な構造体(8)が、前記導波管(2)に凹部又は開口、前記導波管(2)の寸法における変形、前記導波管(2)の材料の変更、又は前記導波管(2)上に置かれた構造体のような複数の回析要素(9)を備えることを特徴とする請求項12に記載のセンサ装置。
- 前記熱放射源(10)及び/又は前記検出要素(13、13’、13”)が、前記周期的な構造体(8)に包含されていることを特徴とする請求項12又は13及び請求項6から8の何れか一項及び/又は請求項7から11の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記導波管(2)が第一の組成材料から成り、前記支持構造体(5)が第二の組成材料から成ることを特徴とする請求項1から14の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記検出要素(13、13’、13”)が、電磁波の波長の5分の1未満の拡張を有することを特徴とする請求項15に記載のセンサ装置。
- 第一の材料における屈折率が、電磁波の波長で、第二の材料における屈折率よりも高いことを特徴とする請求項16に記載のセンサ装置。
- 前記基板(3)、前記支持構造体(5)、及び前記導波管(2)が、シリコン基板、二酸化ケイ素層、及びシリコンデバイス層から成るSOIウェーハから形成され、SOIウェーハのシリコン基板がデバイスの基板を形成し、SOIウェーハの二酸化ケイ素層が装置の前記支持構造体(5)を形成し、SOIウェーハのシリコンデバイス層が装置の前記導波管(2)を形成することを特徴とする請求項1から17の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 前記導波管(2)及び支持構造体(5)が、T字型の断面構造を形成することを特徴とする請求項1から18の何れか一項に記載のセンサ装置。
- 電磁波の波長が0.4〜10μmの範囲内で、好ましくは1.2〜7μmの範囲内であり、より好ましくは3〜7μmの範囲内であることを特徴とする請求項1から19の何れか一項に記載のセンサ装置。
- ガスなどの流体中の少なくとも1つの成分を検出するための、請求項1から20の何れか一項に記載のセンサ装置(1)を備えるガスセンサ装置。
- ガス中の少なくとも1つの成分が、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化二窒素、水蒸気、炭化水素、アンモニア、クロロフルオロカーボン及び/又はCFSを含むことを特徴とする請求項21に記載のガスセンサ装置。
- 流体中の成分を検出する方法(800)であって、
請求項1から22の何れか一項に記載のセンサ装置を準備するステップ(801)と、
前記導波管と接触して流体を供給するステップ(802)と、
前記導波管(2)の第一の部分に電磁波を送るステップ(803)と、
前記導波管(2)の周りのエバネッセント波の領域で流体と電磁波を相互作用させるステップ(804)と、
前記導波管(2)の第二の部分で電磁波を検出するステップ(805)と、
検出された電磁波に基づいてガス中の成分を検出するステップ(806)と
を備えることを特徴とする方法。 - センサ装置(1)が熱放射原(10)を備え、該放射源からの電磁波を前記導波管(2)に結合するように前記熱放射原が配置され、
前記放射源が、電磁波の波長の5分の1未満の拡張を有する方法であって、
電磁波が、前記熱放射源を交流電流で励起させることによって供給され、交流電流が、放射源から検出器までの熱伝導及び/又は対流経路の熱遮断周波数よりも高い周波数を有し、電磁放射の伝播を可能にしている間に、熱放射源から検出器への熱波の伝播を防止する
ことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - ウェーハを準備するステップと、
ウェーハ内に前記導波管(2)を製作するステップと、
ウェーハ内に前記支持構造体を製作するステップと
を備えることを特徴とする請求項1から20の何れか一項に記載のセンサ装置を製作する方法。 - 基板層、中間層、及びデバイス層を含むウェーハを準備するステップと、
前記導波管(2)をデバイス層内に製作するステップと、
前記支持構造体を中間層内に製作するステップと
を備え、
基板層が装置の基板を形成するようにした
ことを特徴とする請求項25に記載の方法。 - 前記導波管(2)がエッチングによってデバイス層内に形成され、前記導波管(2)をアンダーエッチングすることによって、中間層内に支持構造体が形成される
ことを特徴とする請求項26に記載の方法。 - ウェーハが、シリコン基板、二酸化ケイ素層、及びシリコンデバイス層で構成されるSOIウェーハであり、
SOIウェーハのシリコン基板が基板層に対応し、
SOIウェーハの二酸化ケイ素層が中間層に対応し、
SOIウェーハのシリコンデバイス層がデバイス層に対応する
ことを特徴とする請求項26又は27に記載の方法。 - 前記導波管(2)がエッチングから保護され、
前記導波管(2)を製作後、支持構造体がエッチングされる
ことを特徴とする請求項25に記載の方法。 - 前記導波管(2)が、エッチング停止材によってエッチングから保護される
ことを特徴とする請求項29に記載の方法。 - 前記導波管(2)が、ドーピングによってエッチングから保護される
ことを特徴とする請求項29に記載の方法。
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