JP5358445B2 - 感度を高めた熱センサ - Google Patents
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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赤外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赤外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、異なる周波数の赤外線、すなわち、異なる赤外線源の赤外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。
ここで、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赤外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つは入射赤外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、入射赤外線がない場合に、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。入射赤外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 (39)
- 第1の基板上に加工された熱センサであって、
第1の赤外線感知素子及び第2の赤外線感知素子を有し、前記熱センサの出力全体に寄与する出力を提供する第1の温度感知素子と、
第3の赤外線感知素子及び第4の赤外線感知素子を有し、前記熱センサの出力全体に寄与する出力を提供する第2の温度感知素子と、
第2の基板内に形成された第1及び第2のキャップとを備え、
前記第1及び第2の基板は、前記第1及び第2の温度感知素子が各キャップを有するように配列され、前記第1の温度感知素子の前記キャップは、前記キャップを介した前記感知素子上への入射赤外線の透過を可能にし、前記第2の温度感知素子の前記キャップは、前記キャップを介して透過され、前記第2の温度感知素子上に透過される赤外線の少なくとも一部をブロックし、前記第1の基板及び前記第2の基板の各々を配列すると、前記第1の基板から上方に延び、側壁間にあるルーフ部を支持する側壁により前記キャップの各々が形成され、前記ルーフ部は前記温度感知素子に平行な平面内にあり、前記第1及び第2の温度感知素子は第1の領域及び第2の領域上に配置され、前記第1の領域及び前記第2の領域は前記第1の基板から熱的に隔離され、前記第1の領域及び前記第2の領域は互いに隣接し、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の温度感知素子の各々に対するチャンバを定め、
前記第1の基板は、前記熱センサの外側に配置された溝配列を備え、前記溝配列は前記熱センサと前記第1の基板上の他の素子との間の断熱を行い、前記溝配列は、複数の溝を備え、前記複数の溝はキャビティにより互いに隔てられた隣接する溝の対で形成されることを特徴とする熱センサ。 - 前記第1の温度感知素子の前記キャップは、前記第1の温度感知素子上に前記入射赤外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に記載の熱センサ。
- 前記光学素子は、回折光学素子であることを特徴とする請求項2に記載の熱センサ。
- 前記光学素子は、屈折光学素子であることを特徴とする請求項2に記載の熱センサ。
- 前記光学素子は、前記第1の温度感知素子の上に形成されているチャンバに隣接する、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2に記載の熱センサ。
- 前記光学素子は、前記第1の温度感知素子の上に形成されているチャンバから離れている、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2に記載の熱センサ。
- 前記光学素子は、前記第1の温度感知素子に対する前記キャップの外面及び内面の両方に形成され、前記光学素子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2に記載の熱センサ。
- 複数の第1の温度感知素子が形成され、前記光学素子は、特定の波長の赤外線を複数の前記第1の温度感知素子のうちの事前に選択された温度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2に記載の熱センサ。
- 前記第2の温度感知素子の前記キャップは、前記キャップ上に入射する赤外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に記載の熱センサ。
- 前記第2の温度感知素子の前記キャップは、前記キャップを介した前記第2の温度感知素子上への赤外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に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の基板の配列は、前記キャップの各々とその個別の温度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に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子に関する前記キャビティの各々は、互いに流体連結していることを特徴とする請求項11に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子に関する前記キャビティの各々は、前記第1及び第2の温度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11に記載の熱センサ。
- 前記キャビティにおける周囲条件及び組成物は、指定されうることを特徴とする請求項11に記載の熱センサ。
- 前記キャビティは、周囲圧力よりも低い圧力で形成されることを特徴とする請求項14に記載の熱センサ。
- 前記キャビティは、前記熱センサが使用されるアプリケーション用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14に記載の熱センサ。
- 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16に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知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、前記熱センサは、前記第2の基板の上で配向された外側キャップを備え、前記キャップは光学素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の基板は、シリコンで形成されることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子は、赤外線感知素子であることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記第2の温度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の温度感知素子上への赤外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1に記載の熱センサ。
- 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21に記載の熱センサ。
- 前記処理は、前記第2の温度感知素子の前記キャップの前記ルーフ部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21に記載の熱センサ。
- 前記中心カラムは、前記ルーフ部から前記第1の基板に完全には届かず、これにより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が定められることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記間隙の幅は、感知される入射赤外線の波長と同程度であることを特徴とする請求項24に記載の熱センサ。
- 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ができることを特徴とする請求項24に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子の各々は、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に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子の各々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、前記吊り下げの程度は前記第1及び第2の領域を形成する断熱テーブルを定め、前記キャビティは前記温度感知素子と前記基板との間の断熱を行うことを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記第1及び第2の温度感知素子は、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に記載の熱センサ。
- 前記ホイートストンブリッジ構成を、抵抗素子の第1の対を有する前記第1の温度感知素子及び抵抗素子の第2の対を有する前記第2の温度感知素子により提供し、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29に記載の熱センサ。
- 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、専用の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30に記載の熱センサ。
- 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31に記載の熱センサ。
- 前記溝配列は、前記第1の基板内にエッチングされた2つの隣接する溝を備え、前記2つの溝の各々は断熱材で充填され、前記溝の熱係数と異なる熱係数を有する中間領域により互いに隔てられていることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記溝配列は、前記熱センサの周りに断熱層を定めるように前記熱センサの周りに配置されることを特徴とする請求項33に記載の熱センサ。
- 前記溝配列は、前記熱センサと前記第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34に記載の熱センサ。
- 前記キャビティは、前記熱センサの下に延びることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 前記第1の基板は、埋め込みシリコンオンインシュレータ層を含み、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に届くほどの深さであることを特徴とする請求項1に記載の熱センサ。
- 複数の基板温度センサをさらに備え、前記複数の基板温度センサは前記熱センサが配置されている基板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に記載の熱センサ。
- 前記複数の基板温度センサは、複数の出力測定を行うように前記基板の周りに配列され、前記出力測定の各々はその基板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38に記載の熱センサ。
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