JP5173423B2 - スモールギャップ光センサ - Google Patents

Description

本発明はセンサに関し、特に、ＭＥＭＳ構造を備えたセンサに関する。さらに、本発明はＭＥＭＳ構造を備えた光センサに関する。

本発明は、放電のための特に小さなギャップと、キャビティ内に著しい高圧を備えたマルチ・ウェハ・チューブ・ベース光センサであってよい。

本センサ１０は、光検出器として製造されるＭＥＭＳ（微小電子機械システム）デバイスである。この検出器は、その構造に使用される材料に依存して、赤外線（ＩＲ）、可視光、および、紫外（ＵＶ）線の検出に使用されうる。ここで記載する例示は、ＵＶ光検出器である。炎検出および、ＵＶ特性を備えた他の用途に関して用いられうる。関連する技術分野のＵＶ検出チューブは、かさばっており、こわれやすく、そして制限された寿命を有する。本ＭＥＭＳ検出器は、小型化され、丈夫であり、長い寿命を有する。本ＭＥＭＳ検出器は、関連する検出チューブよりも著しく低いコストで作ることが出来うる。本検出器は、ＭＥＭＳアセンブリ技術で組み立てることが出来うる。本発明は、それがＭＥＭＳ固体エンクロージャーに包含されるにもかかわらず、チューブタイプデバイスとみなされうる。ＵＶ検出器に加えて他の用途がありうる。

典型的なＵＶセンサチューブは、比較的大きな容積を有し、例えば９０００立方ミリメートル（ｍｍ^３）である。懸念のひとつである各チューブの寿命は、チューブ内のネオンガスの消費に制限される。ネオンの消費は、ネオンを埋めるカソード材料のスパッタリングによる。かかるチューブは、約１００トールの圧力を備えたキャビティ内でアノードとカソードとの間の約５００ミクロン（マイクロメートル；μｍ）の間隔を備えて作動する。放電ガス消費は、約１５％のＨ_２混合のネオンを含む。ネオンに加えて他の不活性ガスも使用されうる。Ｈ_２の追加は、キャビティ内のアノードとカソードとの間の１次放電の間および／またはその後に生じうる２次放電である準安定を低下させ得る。

カソードとアノードとの間の間隔は、本デバイスでは約１２５ミクロンである。ＭＥＭＳ技術での製造で、かかる小さなギャップを作ることが出来る。当該技術分野における他のチューブの中くらいのギャップは、約４倍大きい。他のＵＶチューブに関しては、内部キャビティの圧力は、例えば、１００トールから約４００トールまで約４倍増大する。４倍の圧力増大、および、カソードとアノードとのギャップにおける４倍の縮小は、図３のグラフに示したように、パッシェン・ポイント２５で同じブレークダウンまたは放電電圧のチューブキャビティ状態を維持する。オリジナルのパッシェン・ポイントの２０パーセント内のポイントを維持するような設計をするのが望ましい。デバイスのカソードのスパッタ速度は、１／Ｐ⁵の関係を有し、ここでＰは、キャビティ内のガスの圧力である。この関係は、デバイスの異なる構造の間で変化する。しかしながら、例示の例では、圧力が約４倍増大したとき、カソード材料のスパッタリング速度は、同じ圧力下の速度の１／１０２４まで低減されうる。更に、キャビティの容積を増大させることにより、より多くのネオンの部屋を作り、その結果として、チューブの寿命が比例的に増加する。

図１は、ＭＥＭＳチューブ１０の断面図を示す。ベースまたは基板１１は、石英ガラスから作られうる。石英ガラス１１の上に、石英ガラススペーサ１３とベース１１との間にシールするように形成されたフリット１２があってよい。頂部１４は、頂部１４の底部表面に形成されたアノード１５を有する。アノード１５は、スペーサ１３の上に配置されている周囲シール１６上に配置されている。このシール１６は、頂部層１４との間に薄いアノード層１５を備えるにもかかわらず、チューブ１０のカソード１８とアノード１５の間にキャビティ２６を形成するために、適所に頂部層１４を有効に保持する。アノードは、開口部を備えた金属グリッドであってよく、光３０は、石英ガラス頂部層１４とアノード１５とを通ってキャビティ内に入ってくる。また、アノード１５は、伝導性の材料であって良く、センサ１０によって検出されうる光３０に対して透明または透過であってよい。カソード１８は、チューブ１０の基板またはベース１１の中心に堆積または形成され得る。カソード１８は、アノード１５から約１２５ミクロンの距離１９を有しうる。別のチューブ１０の設計は、別の距離１９であってよい。タングステン化合物からなるカソード１８の厚さ２０は、約１ミクロンであってよい。厚さ２０は、他のカソード材料によって変化しうる。カソード材料は、タングステン、銅、ニッケル、金、銀、ニッケル鉄、バリウム酸化物、セシウム、ハフニウム、モリブデンなどを含み得る。アノード１５とスペーサ１３との間のシール１６は、共融金／銀シールであってよく、または、シール１６は、適当な絶縁材料からなってもよい。

カソード１８材料は、検出器１０スペクトル応答の長い波長制限を提供するように選択されうる。カソード材料は、以下の所定の波長（即ち、光放出しきい値）の電子を光放出しうる。検出器１０の窓（即ち頂部１４とアノード１５）は、検出器スペクトル応答の短い波長制限を提供しうる。しかしながら、窓はまた、長い波長放射または検出器に影響する光を制限するフィルタを備える。かくして、頂部１４、アノード１５およびカソード１８に用いられる材料の種類は、検出器のスペクトル応答を決定するように選択されうる。

より多くのキャビティ容積をキャビティ２６に加えるためにカソード１８のまわりにトレンチ１７を形成することができ得る。トレンチ１７の結果、カソード１８を支持するアイランドまたはメサのような構造ができうる。トレンチ１７にわたってブリッジ２７を形成することができ得る。チューブ１０のキャビティの外側と接続する目的でベースまたは基板１１の周辺にカソード１８を接続する導体２８をブリッジ２７の上におくことができ得る。周辺シール１２は、導体２８にわたってまたはその上に配置されうる。導体２８の頂部の上において、デバイス１０の可動寿命中に、カソード１８から金属スパッタの蓄積の可能性のためにキャビティの内側でアノード１４とカソード１８とがショートする可能性を妨げるためにカソード１８からシール１２まで薄いガラスまたは他の絶縁コーティング２９を形成することができ得る。シール１２の上に配置されたスペーサ１３は同様に、電気的な絶縁特性を有する。かくして、カソード１８およびアノード１５は、キャビティの密封シールを維持しつつチューブのキャビティの外側で外部接続されうる。

カソード１８に関しては、１００トールの標準圧力で、２５ミクロンの銅が、例えば１００００時間という適当な寿命を提供する。かかる寿命に関しては、約１ミクロンのタングステンだけでも十分である。タングステンは、同じキャビティおよび電気的状況下では、ニッケルよりも少ない（約２０分の１）スパッタリング材料とみなされている。銅はニッケルよりも多くスパッタされうる。銅のスパッタはタングステンよりも２５倍多いと結論付けるのが適正であろう。高圧でのスパッタ速度は、Ｒ^ｎまで低減され、ここで「Ｒ」は圧力増大の比であり、「ｎ」はＲのべき乗数であり、上述の関係に適用すると、４^５＝１０２４となる。かくして、タングステンカソードに関して必要な厚さは、１ミクロンより小さい。

種々の要素が、カソードの厚さおよび材料の部分に作用する。例えば、スパッタ速度が、約１０００倍だけ低減されるならば、約４００トールまでキャビティの圧力を４倍増加させるために、ネオンの埋葬は、約１０００倍だけ低減されうる。かくして、ネオンの存在に依存する、チューブの同様な寿命に関しては、ネオン（または他の不活性ガス）に関して要求される容積が、典型的な当該技術分野のチューブの容積よりも約１０００倍小さくなりうる。

典型的なＵＶチューブが１００トールの圧力で約９０００ｍｍ^３の容積を有し、アノード／カソード間の距離が約５００ミクロンである場合では、かかるチューブの通常の寿命は約１００００時間であろう。４００トールまで圧力を増大させ、アノードとカソードとの間のギャップの距離を約１２５ミクロンまで低減させた新しい本チューブ１０の場合、上述の情報の観点において同様の寿命に関して、チューブの体積を１０００分の１の９ｍｍ^３まで低減させうる。

図１および２は、キャビティ２６に関するデバイス１０のレイアウトを示す。トレンチまたはチャネル１７を除き、不活性ガスに関するキャビティは、おおよそ５ｍｍ×５ｍｍ×０．１２５ｍｍの寸法を有し、その結果、約３ｍｍ^３の容積を有する。トレンチ１７は、更なる容積を総チューブキャビティ容積に追加する。例えば、図を参照すると、参照番号２１，２２，２３および２４の寸法は、それぞれ１，１，３および６ミリメートルであって良い。かくして、トレンチ１７は、約１６ｍｍ^３、即ち、（（５ｍｍ×５ｍｍ）−（３ｍｍ×３ｍｍ））×１ｍｍ≒１６ｍｍ^３を加えうる。チューブキャビティの結果としての容積は、約１９ｍｍ^３になりうる。図１および２のスケールは、正しくない。

少なくとも１つの例示に関して本発明を記載してきたが、多くの修正および変更がなされることは当業者にとって明らかであろう。それ故、本発明は、従来技術の観点から可能な限り広く、かかる全ての修正および変更を含むように添付の特許請求の範囲を解釈すべきである。

センサの側面断面図である。 センサの平面断面図である。 カソードとアノード間隔の距離とキャビティの圧力との積に対する、センサキャビティ降伏電圧のグラフである。

Claims (4)

1. トレンチ（１７）が形成された基板（１１）と、
   前記基板の第１の表面に形成されたカソード（１８）であって、前記カソードの厚さが２５ミクロンより薄いことを特徴とするカソード（１８）と、
   内側の表面を備えた頂部層（１４）と、
   前記頂部層の第１の表面に形成されたアノード（１５）と
   を有し、
   前記頂部層が前記基板に取り付けられ、
   前記カソードおよび前記アノードが、密封されたキャビティ（２６）内に位置決めされ、
   前記カソードと前記アノードとの間の距離が２００ミクロンよりも小さく、
   約１５％の水素ガスとネオンガスの混合を包含する前記キャビティの混合ガスの圧力が２５０トールよりも大きく、
   前記トレンチがカソードの周りに形成され、キャビティと隣接し、前記トレンチが、キャビティの容積の約８割となる容積を有し、
   前記頂部層が紫外線光（３０）に対して透明であり、
   前記アノードが、紫外線光に対して透明である
   ことを特徴とする光検出器（３０）。
2. キャビティ（２６）を包含する手段と、
   キャビティ内に位置決めされ、紫外線光（３０）を受けた際に放電を提供する手段と
   を有し
   前記キャビティを包含する手段および前記放電を提供する手段が、ＭＥＭＳ技術で製造され、
   前記放電を提供する手段が、カソードおよびアノードとからなり、
   前記カソードが、トレンチが形成された基板の表面に形成され、
   前記カソードおよびアノードが、距離ｄだけ離れており、
   前記トレンチがカソードの周りに形成され、前記キャビティと隣接し、前記トレンチの深さが距離ｄの２倍以上であり、
   キャビティが圧力ｐを有し、
   前記ｄとｐとの積が、前記カソードと前記アノードとの間の降伏電圧のパッシェン値とおおよそ等しく、前記トレンチの容積が、前記パッシェン値を著しく変えることなく、キャビティの容積を増加させることにより、光検出手段の寿命を長くさせるように構成される
   ことを特徴とする光検出手段。
3. トレンチが形成された基板（１１）の表面上にカソードを形成するステップと、
   表面にアノード（１５）を備えた頂部層（１４）を備えたキャビティ（２６）を形成するステップと
   を有し、
   前記トレンチがカソードの周りに形成され、キャビティと隣接し、それにより、アノードとカソードとの間のキャビティの容積の２倍以上までキャビティの総容積を増加させ、
   前記キャビティ（２６）は、２００トールよりも大きな圧力の不活性ガスを有し、
   前記カソード（１８）および前記アノード（１５）が、２５０ミクロンよりも小さい間隔を有し、
   前記キャビティがＭＥＭＳ技術で形成され、小型センサの増加した寿命が、キャビティの増加した容積内で利用可能なガスの量と、キャビティ内の圧力との組み合わせに起因する
   ことを特徴とする、長い寿命を有する小型センサで光を検出する方法。
4. 基板（１１）上に形成された少なくとも１つの紫外線検出器（１０）を有し、
   前記少なくとも１つの紫外線検出器が、
   前記基板（１１）上に形成されたカソード（１８）であって、該カソードが銅又はタングステンから形成されることを特徴とするカソード（１８）と、
   前記カソードの周りの基板に形成されたトレンチ（１７）と、
   結果としてキャビティ（２６）がカソードおよびアノードを包含するように、トレンチがキャビティと隣接し、キャビティの容積の約８割を構成し、前記カソードと面する前記アノードを備えた基板上に位置決めされ、一方の面上にアノード（１５）を備えた頂部層（１４）と、
   を有することを特徴とする光センサ。

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