JP6783869B2 - 光学圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、干渉計読み出しを使用した光学圧力センサに関する。

これまで、マイクロフォンなどの圧力センサは、容量性構造およびインピーダンス測定に基づいていた。これは、感度、高電圧でのプレ・ローディング、背面電極に対する膜の位置決め、背面電極と膜との間のスクイズ膜効果から生じるノイズ、およびプリアンプに対する高品質要件に関連した、並びに膜が背面電極に引き込まれるのを避けるために十分に予圧される必要がある多数の不利益がある。これらの欠点は、高価で複雑な解決策に寄与している。

最近、光学読み出しを使用したいくつかの解決策が見出されている。米国特許出願公開第２００４／０１３０７２８号明細書では、変調格子が膜の動きを測定するために使用されている。米国特許出願公開第２００５／００１８５４１号明細書では、変調回折の効率を有する回折構造が、例えば圧力を測定するために使用されているという改善が説明されている。米国特許出願公開第２００５／０１０５０９８号明細書では、ファブリ・ペロー構造が、表面の１つに集積された検出器と共に説明され、膜は他の表面によって構成されており、米国特許第５８３２１５７号明細書および米国特許第７３５９０６７号明細書は、ファブリ・ペローセンサに関連して、どのように波長制御されたレーザを使用し得るか、および最適な応答を提供するためにどのように波長を使用し得るかを説明している。波長の制御は、通常、ダイオードレーザを介して温度と電流の両方の制御を必要とし、ペルチェ素子、温度センサなどの余分な素子、および制御および調整のための電子回路をしばしば含む。

米国特許出願公開第２００４／０１３０７２８号明細書 米国特許出願公開第２００５／００１８５４１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１０５０９８号明細書 米国特許第５８３２１５７号明細書 米国特許第７３５９０６７号明細書 米国特許第４８１８８８２号明細書 スイス特許第６８９９２５号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０１３８９０６号明細書 米国特許出願第２０１２／０２７９２８０号明細書 米国特許第２０４３４１６号明細書

上記の解決策は、センサ素子を製造するための非常に正確な処理および多くの工程段階のための要件を共通に有しており、または制御および調整のための幅広い方法を必要とする。さらに、センサの原理は外部振動に対して脆弱である。従って、本発明の目的は、上記の問題に対する改善された解決策を提供することである。

本発明は、圧力センサ、例えば、音波または圧力波が、図１に示すように、膜に対して垂直な角度ではなく側部から到達する、２つの膜からなる、圧力変動を測定するマイクロフォンに関している。膜は、ファブリ・ペローにあるように、表面の１つと平行な構成であってもよく、またはエアーウェッジシヤリング干渉計にあるように、わずかに非平行であってもよい。https://en.wikipedia.org/wiki/Air-wedge_shearing_interferometer。

圧力変化において、膜間の距離が変化し、ファブリ・ペローおよびエアーウェッジシヤリング干渉法から周知のように、距離変化を光学的に読み出すことができる。膜が同じ厚さおよび大きさ、同じ応力（柔らかさ）にある場合、外部振動は実質的に同じ方向で同じ大きさでそれらに影響を与え、一方、測定される音波または圧力波は膜を反対方向に移動させる。膜間の距離が測定される場合、そのようなセンサは、それ故外部振動およびノイズの影響を受けにくい。これは、多くの用途、例えば、非常に弱い信号が検出されるべきとき、およびノイズの多い環境で使用されるときに有利である。そのような使用は、非常に弱い信号の検出が必要とされ、外部振動および外部ノイズはしばしば制限される、ガスセンサに関連する光音響検出である。

光音響検出において、気体媒体または類似物を励起するためにパルス光源が使用され、光が媒体によって吸収され、パルス光源の周波数で音響信号を生成するように膨張する。これらの用途において、非常に低い周波数がしばしば使用され、本発明は、低周波数で高感度のセンサを提供するのによく適している。膜は非常に柔らかく（低張力で）作られており、低周波に対して敏感である。そのような柔らかい膜が容量性マイクロフォンにおいて使用される場合、膜は背面電極に引き込まれ、マイクロフォンは機能しなくなる。本発明は、多くのマイクロフォンと同様に、入口を塞ぐ膜を含まないので、膜の間に気体媒体の試料を配置することが可能である。これはまた、吸着ユニットを膜の間または膜に近接して提供することを可能にし、時間の経過とともに気体を吸着することによって気体試料を濃縮し、その後、膜によって画定されるわずかな容積内に放出することが可能である。これはまた、比較的単純なセンサで非常に低い気体濃度を測定することを可能にさせる。０．１から５０μｍの孔を有する焼結フィルタであって、フィルタの厚さは０．１から３ｍｍである焼結フィルタのような半透性膜を使用することにより、音響フィルタが、気体を中に通すこと、同時に環境からの低周波ノイズを除去すること、光音響信号が漏出することを防止することを可能にしている。この技術は、例えば米国特許第４８１８８８２号明細書およびスイス特許第６８９９２５号明細書から周知である。この既知の技術を本発明と組み合わせることにより、外部からのノイズおよび振動を抑制し、同時に光音響プロセスからの非常に弱い信号を検出するのに非常に適したシステムを提供することが可能となる。しかしながら、これは、光音響センサによって使用される周波数内の外部ノイズを除去する能動的または受動的なフィルタを追加することによって改善することができる。

２つの反射面の間に干渉計読み出しの原理が使用されるので、表面間の距離を比較的大きくすることができ、実際の理由から、その距離は機械的な動きを減衰させるかまたはノイズを発生させるスクイズ膜効果を避けるために１０μｍより大きくすべきである。膜間の実際の距離は、１０マイクロメートルから１０ミリメートルの範囲であり得る。

平行な干渉計では、光の波長を調整することによって作用点を調整することが可能である。作用点は通常、応答がほとんど直線的であるとき、または最も高いダイナミックレンジが達成されるときに最大感度に近づく。光源は典型的にはダイオードレーザ１であり、波長はダイオードレーザを介した温度および／または電流のいずれかを変化させることによって調整することができる。例えばＰＺＴ素子、静電気力、熱膨張などを用いて、膜間の距離を変更することによって作用点を調整することもでき、作用点は、膜に対してコリメートされた光の角度を変化させることによって、例えばレーザチップをレンズに対して移動させることによって、またはコリメートされた光に対して膜の角度を変化させることによって変えることもできる。

膜がわずかに平行でない場合、膜を通るコリメートされた光は、干渉パターン、例えば線状パターンを提供し、このパターンを１Ｄまたは２Ｄアレイで検出し得る。あるいは、レーザ光を１００％コリメートしないで発散させるか弱く収束させることによって干渉パターンを得て、それから検出器のアレイで検出することができる。または、干渉計にいくつかの異なる距離が設けられるように膜に小さな凹部（または平坦で平行な凹部）を設けることが可能であるが、各距離は、それぞれの検出器において全ての距離の読み出しを可能にするように、所定の領域に局在化される。有利的に、例えば米国特許出願公開第２０１６／０１３８９０６号明細書（Ｌａｃｏｌｌｅ）に開示されているように、０°および９０°、または０°、１２０°および２４０°、または０°、６０°および１２０°、または良好な感度またはダイナミクスを提供する他の組み合わせの干渉信号の位相シフトを得るように、または実質的に得るように距離を適合させることが可能である。その単純な形式では、信号を線状化するため、および／またはダイナミックレンジを拡張するために、いくつかのチャネルをサンプリングすることができる。凹部の代替として、光路長が変化するように同じ位置に材料の層を設けることが可能であり、干渉信号において必要な位相シフトを得ることができる。

以下、本発明を例示的に説明している添付の図面を参照して本発明を説明する。

本発明の好ましい実施形態の断面を示している。 収束光を使用する実施形態の断面を示している。 発散光を使用する実施形態の断面を示している。 １つの傾斜した膜を使用する実施形態の断面を示している。 １つの傾斜した膜を使用する第２の実施形態の断面を示している。 １つの傾斜した膜を使用する第３の実施形態の断面を示している。 様々な位置において様々な距離のための凹部を使用する実施形態の断面を示している。 様々な位置で様々な距離を生成するために、１つの膜上で膨らみを使用する実施形態の断面を示している。 様々な位置で様々な距離を得るために、両方の膜において凹部を使用する実施形態における２つの膜の断面を示している。 膜の中央の凹部の典型的な位置を示している。 膜あたり１つの凹部のみを有する３つまたは４つの高さまたは距離を生成する工程を示している。 作用点を変化させるために能動的圧力源を使用する本発明の実施形態の断面を示している。 シリコンウェハから処理された実施形態の断面を示している。 半透性膜を取り付けた図１３の構成要素を示している。 シリコンウェハ上に傾斜膜を提供する方法を示している。 凹部を含む、張力緩和膜ための可能な製造方法を示している。 光音響ガス検出器として使用される本発明の実施形態の断面を示している。 能動的ノイズ低減を含む、光音響ガスセンサとして使用される本発明の実施形態の断面を示している。 ノイズを抑制するための受動フィルタを含む、光音響ガス検出器として使用される実施形態の断面を示している。 光音響ガス検出器として使用されるが、ガスは膜に接続された部屋で励起される本発明の実施形態の断面を示している。 吸着ユニットを含む、ガス検出器として使用される本発明の断面を示している。 光音響ガス検出器として使用されるが、ガスは膜に接続された部屋で励起される本発明の実施形態の別の断面図を示している。 制御された高度差を有する膜を生成するプロセスを示している。

図１は、２つの膜３、４を含む光学圧力センサ、例えば光学マイクロフォンを含み、音響源１０は膜の側部にある、本発明の原理を示している。膜は、キャリヤ構造体５に取り付けられており、分離スペーサ部分６は選択された距離で膜を分離している。膜３、４、キャリヤ構造体５、スペーサ部分６および構造体を包囲するハウジング８は共に、測定しようとする音響周波数のために密閉されたか、またはほぼ密閉されたユニットを構成している。従って、包囲容積は、容積内の圧力変動に応答して動く２つの膜に対する共通の背面容積または基準容積も示しており、このようにしてセンサ容積として作用する。これが絶対圧力計の場合、ユニットは完全に密閉されていなければならないが、マイクロフォンの場合、漏れチャネルが通常使用されて圧力均等化を提供する。漏れチャネルは、典型的には、測定すべき圧力波または音波の周波数に応じて、０．０１秒から１０秒の時定数を有することができる。

膜３、４の材料は、用途および利用可能な生産方法に依存してもよく、十分な剛性、柔軟性および強度、システムの特定の使用における環境条件、並びに適切な反射および透過特性を有する広範囲の材料から選択される。

上述のように、圧力の上昇は、膜間の距離を変化させる。膜３、４は、典型的には、干渉計を共に提供するように、部分的に反射性であり、部分的に透過性である材料からなる。それらが実質的に平行であれば、ファブリ・ペロー干渉計を構成する。十分に長いコヒーレンス長を有する光源１からの光を膜間に放射することによって、少なくとも１つの光源を使用して干渉計を介して透過される光強度の変化を検出することにより、または米国特許出願第２０１６／０１３８９０６号明細書に記載されているように、１次元または２次元の検出器アレイを使用して干渉計の検出器側で干渉パターンの結果として生じる変化を検出することにより、検出器または検出器アレイ７上で膜間の相対位置の変化を測定することができる。典型的には、光源１はレーザまたは狭帯域ＬＥＤである。コリメートされた、またはほぼコリメートされた光ビームが必要な場合、光源と膜との間に光学素子２が使用されてもよい。これは、典型的にはレンズであり、一般的には屈折性または回折性の、または反射性の光学系であり得る。図１では、光は、膜に対して実質的に垂直な角度で送出される。場合によっては、光源１への反射を回避するように、膜を介してわずかに傾斜した伝搬方向を有するように選択されてもよい。

スペーサ部分６は、実質的に固定された膜を保持するキャリヤ構造体間の距離を提供する主目的を有しているが、スペーサ部分６は、ＰＺＴ（圧電変換器）のような距離を変化させ、印加電圧に対する応答としての距離を変化させる材料から作られてもよい。そのような距離を変化させる材料は、膜間の距離を制御し、干渉計読み出しのための作用点を最適化するために使用されてもよい。作用点は、光源１の波長を変化させることにより最適化されてもよい。

図２は、干渉パターン９を作るために収束レーザ光をどのように使用するかを示している。異なる入射角は、光に異なる伝播経路を与え、干渉パターンを生成する。干渉パターンは、レンズ２がどのように形作られるかに依存している。レンズは、光軸に対して一方向に光をコリメートし、同時に他方向にわずかに収束させ、これは円筒光学系と組み合わせた通常のレンズを必要とする。現代の光学において、実質的に任意の所望のレンズ特性を生成することが可能である。干渉パターンはそれから、１Ｄまたは２Ｄ検出器アレイ、またはリングセグメントまたはリングセグメント部分を有する検出器によって読み取られ得る。

図３は、干渉パターン９を作るために発散するレーザ光をどのように使用するかを示している。上述のように、光の異なる角度は、異なる伝播経路長を得て、それ故干渉パターンを生成する。干渉パターンは、レンズがどのように形作られるかに依存している。図３に示すように、レンズは、光を一方向にコリメートし、同時に他方向にわずかに発散させ、これは円筒レンズなどの円筒光学系と組み合わせた通常のレンズを必要とし得る。レンズは、屈折光学系または回折光学系を使用して作製することができる。干渉パターンは、１Ｄまたは２Ｄ検出器アレイ、またはリングセグメントまたは部分的なリングセグメントを有する検出器を使用して読み出すことができる。

シリコンのような半導体を微細加工する方法を使用して、本発明の実施形態による圧力センサを製作することを選択する場合、平行な膜を提供することは容易である。しかしながら、制御された角度で膜を作ることはより複雑であり得る。

図４は、スペーサ部分１２を使用して、平行でない膜をどのように組み合わせるかを示している。膜を通る光は、コリメートされ、発散し、または収束することができる。光がコリメートされ、膜が一方向に平行であり、他の方向にわずかに非平行である場合、線状パターンが一次元１Ｄアレイ上で検出されてもよい。スペーサ部分は、例えばある電圧を印加することによって距離が変化するように調節可能であってもよい。このようにして、有用な操作作用点を得るために高さを調整することにより、ただ１つの単一の検出器要素を使用することが可能である。

非平行な膜を得るための別の方法を図５に示す。膜は微細加工され、一方の側部で高さの差を微細加工することにより、または膜がウェッジウェハ上で作製されることのいずれかで膜を非平行にするように作られてもよい。両方の場合において、十分に平行なスペーサ部分６を使用することができ、同時に膜間の制御された角度を得ることができる。

図６は、膜間で角度を得る別の方法を示す。膜１１の一端を引っ張ることによって、例えば、キャリヤ構造体５上の電極と、膜４の端部に近い別の電極１１との間で、それ自体は既知の方法である静電気力を用いることによって、非平行な膜とすることができる。材料および電圧に応じて、電圧を恒久的に印加しないように膜を恒久的な位置に置くことが可能な場合もある。原理的には、それは、ほとんどない張力を有する膜を張るために、または最適な作用点を得るために距離を制御するために使用され得る。

図７は、様々な領域において様々な光路長をどのように提供することが可能であるかを示している。コリメートされた光を用いて照明された２つの膜間の干渉パターンは、距離によって変化し、パターンは半波長ごとにそれ自身を繰り返している。反射が比較的低く、典型的には５０％未満である場合、干渉パターンはゆっくりと変化するので、良好な感度および有用な線形性を有する領域を示す距離（最適または最適に近い作用点）を発見することが可能である。膜がいくつかの異なる高さで作られている場合、作用点として使用され、およびそれを使用し得る領域を発見することが可能である。あるいは、多くの明確に画定された距離を発見することが可能であり、米国特許出願第２０１６／０１３８９０６号明細書で記載されているように、波長のいくつかの周期にわたって膜の動きを再構成するようにこれを使用することが可能である。

図８は、様々な位置に対して様々な膜距離を生成するように、膜上で膨らみを使用する本発明の実施形態の断面を示している。この膨らみは、例えば、リング形状の干渉パターンを生成するために、わずかに球形であってもよく、または、膨らみは、三角形または鋸歯形状であってもよい。要点は、使用可能な作用点を発見するために、または場合によってはいくつかの干渉周期にわたって位置の相対的な変化を測定するために十分に変化する干渉パターンを提供することである。

図９は、膜表面に沿った様々な位置において膜の反射表面間に様々な距離を生成するための凹部を使用する、本発明の実施形態における膜３、４の断面を示している。上部の膜において凹部２９を作製することにより、平坦な膜に対して２つの異なる高さ２４、２５を生成することが可能である。第２の膜もまた反射面において凹部を有する場合、２つの膜上の凹部２８、２９が異なる高さを有する場合、膜の反射表面間に４つの異なる距離２４、２５、２６、２７を生成することが可能であり、凹部が同じ高さを有する場合、３つの異なる膜距離を生成することが可能であり、凹部から非凹部までの距離２５、２７は同じになる。

図１０は、コリメートされたレーザが全領域を照射するために使用されるように、膜上の凹部が膜の中央にどのように配置され得るかを上から見た図であり、２×２の検出器は、追加の光学系なしに膜の下に直接位置することができる。膜の中央の位置はまた、圧力変動の間に距離の最大の変化を提供する。

図１１は、膜ごとに１つだけの凹部を有する３つまたは４つの異なる膜距離を、それらが部分的に重なり合うように、膜の中心および光軸に対して互いに対してそれらを回転させることによってどのように提供するかを示している。本発明の実施形態で使用されるいくつかの膜を作製するのに適したシリコンウェハを使用する製造プロセスにおいて、半月形状の凹部２５、２７を一緒に取り付ける前に４５度回転させることが可能である。一方が凹部２５を有しており他方が凹部２７を有している２つのそのようなウェハが使用される場合、１つを裏返して、同じ内側で（または同じ外側で）部分的に重なり合う凹部を有するように互いの上部にそれらを置き、凹部が同じ深さを有する場合には膜間に３つの異なる距離を提供することができ、凹部が異なる場合には４つの距離を提供することができ、その距離は、凹部のない２４、第１の凹部２５、第２の凹部２７並びに第１および第２の凹部の合計２６である。シリコンディスク上に１０×１０のそのような膜を製造し、それから２つのディスクを上面側対上面側または底面側対底面側で一緒に結合することができる。

凹部２５、２７の各々は、半月形状または長方形であってもよく、または、例えば上述した凹部２５、２７によって画定される領域内で互いに隣接する２つのより小さな凹部によって構成されてもよく、それにより一方は他の膜上で凹部と重なり、他方は重なり合わない。２つの小さな凹部を有する利点は、側壁と凹部内の領域との関係が、より小さな凹部をより剛性にさせ、膜が固定されない（ｆｒｅｅ）ときに、より大きな凹部よりも形状を良好に維持することである。

図１２では、本発明の別の実施形態が示されており、センサに対して使用可能な作用点を提供している。好ましくは狭い背面容積とともに、ラウドスピーカ４３（または背面容積内に圧力差を生成することができる任意のデバイス）を使用することにより、膜間の距離が最適な作用点に近づくように、または最適な作用点に入るように、マイクロフォンの背面容積内部に（ラウドスピーカまたは圧力発生装置のダイナミックレンジによって制限される）制御された圧力を生成し得る。背面容積内において圧力を増加させることによって、膜は一緒に押し込まれ、または背面容積において圧力を低下させることによって、膜は引き離される。干渉計読み出しからのフィードバックを用いることにより、背面容積内の圧力は、使用可能な作用点を得るように調整され得る。これは一定の作用点を維持する必要のあるセンサには適さないかもしれない。１）なぜなら外部圧力および温度の変化がラウドスピーカのダイナミックレンジを不十分にさせ、または２）背面容積は漏洩するかまたは圧力等化器を備えているからである。しかしながら、この解法は、限られた期間の間で最適な作用点を維持するのに十分なときには役立つ。例えば２つのシリコンディスクでＩＲ透過窓３０を有する両者の外側ボックス３４を製造するのに適した可能な製造方法が図１３に示されており、２つの実質的に同一のシリコンディスクが上から上に一緒に取り付けられている。この場合、例えば、厚さ６００μｍのシリコンウェハ３１に４００μｍの凹部３２を形成するためにウェットエッチングが使用される。同じ側で例えば５０μｍの深さのより狭い凹部３３がエッチングされ、これはそれらの間にチャネルを機械加工することによって第１の凹部３２に接続される。ウェハ上に窒化ケイ素などの材料を提供し、他方の側からのフリーエッチングを介した凹部において膜の１つを構成する。同じ加工を使用して類似の凹部を有する２つの同一のディスクを作製し、凹部と一緒に互いに向かって接合することにより、測定ボックス領域３４および２つの対向する膜間の空洞が作り出される。最後に、膜３５を外部から解放するために湿式エッチングを使用することができる。膜の動きは、上述したように、光源１および場合によってはレンズ２からの光ビームを、膜３、４を介して検出器または検出器アレイ７に伝達させることによって読み取られ得る。

この実施形態によれば、分析すべき気体が測定ボックス領域３４内に拡散または引き出される場合、光音響用途において気体試料が分析され、それから気体は、音響信号を提供するように、光の関連する波長で照射される（図示せず）。音響信号は、チャネルを介して膜に移送され、測定され得る膜間の動きを提供する。従って、チャンバ内の気体がパルス光ビームからの光を吸収する場合、パルス周波数での膜の動きの振幅は、チャンバにおいて吸収する気体の量の表示を提供する。

膜を形成するために堆積された窒化ケイ素がチャンバまたはボックス３４の外側から能動的に除去されない場合、シリコンの内側および外側の両方に反射防止層を構成することができる。

窒化ケイ素は、約２の屈折率を有しており、それ故、約３．４の屈折率を有するシリコン上で選択された厚さで反射防止膜として使用するのに適している。反射防止コーティングの厚さは、場合によっては、５０から２００ｎｍの範囲にある窒化膜３０の厚さと実質的に同じであってもよい。

図１３において、実質的に類似の２つの部品３１がどのようにして一緒に置かれて１つのユニットを提供することができるかが示されている。部品はそれぞれシリコンウェハから作られ、凹部３２、３３、およびそれらの間のチャネルが最初にエッチングされる。この後、膜の材料は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンドライクカーボンの材料または他の膜材料によって堆積され構成される。膜材料が堆積されるときに、ウェハを一緒に接合することが通常は好ましい。表面の活性化を使用する先進的な接合方法を使用して、一緒に接合された表面上の膜材料を除去することなくウェハを一緒に接合するか、または膜材料が除去され、場合によって表面を保護するために酸化物層が使用され、溶融接合を使用してそれらを一緒に接合する。あるいは、第３のウェハが他のウェハ間で使用される。これは、膜３０および空洞３４があるところでの貫通開口を有するパイレックスのディスクとすることができ、パイレックスのディスクは、陽極結合を使用して２つの他のウェハに結合される。

図１４は、半透性膜１４が各側部に取り付けられた図１３の構成要素を示している。測定領域３４の側部に金属または酸化アルミニウムの焼結フィルタのような半透性膜を配置することにより、音響的に密閉された測定領域を提供することができ、周波数内で測定が行われ、一方で例えば気体は測定空洞３４へゆっくりと流入することができる。そのような半透性膜は、光音響測定からの音響信号が漏出しないことを保証する音響ローパスフィルタとして機能することができる。膜１４は、同じ機能を有する他の音響フィルタと交換することができる。図面は、そのような構成要素が、例えば窒化ケイ素の膜３０と共に、シリコンなどの半導体材料３１から作られ、焼結されたフィルタが側部に取り付けられている。シリコンを材料として使用することにより、シリコンをＩＲウィンドウとして使用することが可能になる。

凹部３３が膜のフリーエッチングに対する領域３５と重なる場合、膜内で全体的または部分的な応力緩和が得られる。側壁でも膜をフリーエッチングすることは、膜をより長くさせる。マイクロフォンでの使用のために、部分的な応力緩和が最適であり、例えば窒化ケイ素における応力を１ＧＰａから１０から２０ＭＰａまで低下させる。

図１５は、膜の応力を低減する１つの方法を示している。大きな凹部３５が膜に対してずらされるような方法でフリーエッチングすることにより、膜の片側で下部エッチング３６を得る。膜がしばしば高いひずみ応力を有し、ドラムの皮のように引き延ばされるとき、膜は、図面における点線の膜３７で示すように、ほぼ真っ直ぐに伸びる。窒化ケイ素膜は、１ＧＰａの範囲のひずみを有していてもよく、それから相当にひずませられて、剛性となる。動きはそれから所定の音圧で比較的小さくなる。膜内の応力が、例えば、１０ＭＰａまで低減される場合、膜はさらに柔らかく（約１００倍）、同じ音圧に対して非常に敏感である。上記の原理によって作られた傾斜膜は、２つの利点、すなわち低減された応力および増大した感度を提供し、２つの膜は一緒に、コリメートされたレーザによって照射されたときに線状パターンを与える傾斜干渉計を提供する。線状パターンに検出器アレイを配置することによって、膜間の距離変化に対して最も敏感な領域を検出することができ、また、アレイが干渉パターンの少なくとも１つの周期を網羅するのに十分な長さである場合、いくつかの周期にわたって音響信号を再構築することができる。

末端縁３６をフリーエッチングすることによる膜内の応力を低減させる１つの方法は、もちろん、両側の縁を同じ量だけ、または４つ全ての側部をフリーエッチングすることによって実質的に対称にすることができる。それからこの膜を膜の動きを読み出すための他の方法の１つと組み合わせることができる。側端部がフリーエッチングされるべきか否かを選択することもできる。端部がフリーエッチングされる場合、膜はより軟らかくなる（応力がより低い）。

膜がリリースエッチングされるときに凹部３５が凹部３３よりも広い場合、膜の長さは凹部３３の底部と側壁の長さの和となるので、膜３０はより長くなる。膜の長さの増加は膜の最終応力の低減をもたらす。凹部３３の深さを調整することによって、膜３０または３７の応力を制御し、所望の値に調整することができる。凹部３３の３つの側部のみがフリーエッチングされる場合、膜はフリーエッチングされない側部と反対側との間で引き伸ばされ、傾斜した膜を得る。

応力の低減を計算するために、フックの法則を一次近似として使用することができる。
σ＝Ｅε，ε＝ΔＬ／Ｌ

膜応力が１ＧＰａ（σ）であり、ヤング率（Ｅ）が２８０ＧＰａである場合、膜のアンカー点が膜の中心に向かって約９μｍ移動する場合、５ｍｍの膜は緩和される。
ΔＬ＝εＬ＝Ｌσ／Ｅ＝５ｍｍ×１ＧＰａ／２８０ＧＰａ＝１８μｍ

ポアソン係数σ（０．２７）を含めると、約７μｍ後で緩和が得られる。
σ＝Ｅ／（１−ν）ε

二次元の膜はより複雑であり、典型的には、生産および製造に応じて様々なパラメータに小さな変化があるので、最終的な緩和はしばしば実験的検証によって得られる。

図１６は、例えば窒化ケイ素から作られた、凹部を含む完全にまたは部分的に応力緩和された膜の可能な製造方法を示している。完全にまたは部分的に応力緩和された膜を提供するための方法は、例えばシリコンディスクにおいて鋭いエッジまたは鋭角でないピット４０をエッチングすることである。これらのピットは、エッチングの種類に応じて三角または丸形の形状にすることができる。また、窒化ケイ素を所定の厚さ、例えば１００ｎｍで堆積させることができ、それからその領域においてシリコンウェハを除去するために膜をフリーエッチングすることができる。標準的な窒化ケイ素は高い応力を有しているので、鋭角でないピットは典型的には引き延ばされ、膜は図１６の下部に示されているように比較的平坦である。寸法および形状を選択し、場合によってはいくつかの隣接するピットを用いることによって、膜の必要な応力または柔軟性を得ることができる。場合によっては、所定の高さの凹部が望まれ、それが平らになるまで凹部が引き延ばされないようにすることが望ましい。比較的鋭角な（すなわち、９０度に近い）凹部３８をエッチングすることにより、堆積された膜は典型的には角でより厚くなり、角の膜は、典型的に通常のプレートよりもさらに剛性である折り畳まれたプレートとして機能する。第１の凹部３８の外側に追加の凹部３９を追加することによって、これを強化することもできる。この新しい凹部は、第１の凹部よりもより狭く、深くてもよい。深さは剛性に寄与し、十分に狭い場合、材料で満たされ得る。１つの可能性として、ポリシリコンでそれを充填し、それから追加の凹部３９内にのみ残るまでポリシリコンを上部からエッチングし、それによって強固にすることができる。

この剛性を有する主な点は、凹部３８を有する領域を比較的平坦に維持し、光学的な読み出しのために使用可能にすることである。さらに、いくつかの周期にわたって信号を良好な信号対雑音比で再構成するのに十分な情報を提供するために、互いに隣接して異なる深さを有するいくつかの凹部を作ることができる。第２の測定経路は、±９０度の位相シフトを与える高度差をともなって使用される（および２つの信号が結合される）場合、上述したような信号を再構成することが可能である。より良い結果は、０、±６０および±１２０度の位相シフトを有する３つの信号で得られ、ゼロによる除算を回避し、信号が正弦曲線の上にある場合に問題は見出されない。高さおよび距離において３つ以上の差を使用することもできる。また、凹部を作製してもよく、それらは２×２検出器または１×３検出器の検出器アレイとしてパターンを有するが、回路基板上に検出器を１つずつ配置して、それから各凹部または高さ／距離の差の関係で配置された３つの個別の検出器を使用することもできる。

上述のセンサは、多くの異なる用途を有し、特に、振動および外部ノイズに関して高感度かつ堅牢である光音響検出の分野内にある。図１７は、選択された波長範囲内の光ビーム１５によって励起される膜３、４間の気体容積を含む光音響検出器の可能なアセンブリを示しており、光ビームは、膜間の相対運動として検出される気体試料からの音響信号を生成するために選択された割合でパルス化または変化される。

気体をマイクロフォン部分に入れるために、焼結されたフィルタ、フレームアレスタまたは半透過／半透性膜１４が設けられ、図示の例では、容積内の気体を励起する光ビーム１５は、光検出システムによって測定される光音響信号を生成する。この構成において、外部音源１０からの寄与は望ましくなく、半透性フィルタ１４は、ガスを流入させるローパスフィルタとして機能し、励起光１５が変調される周波数、および場合によって倍音より上の周波数にある外部ノイズを低減する。検出周波数において、半透性フィルタは、光音響プロセスによって生成される圧力増加を解放しないローパスフィルタとして機能する。

膜の質量は軽く、振動による影響があるように、できるだけ薄い膜を使用することが好ましい。膜を動かす気体は膜にエネルギーを伝達し、これはエネルギーを熱および圧力として気体に戻すので、できる限り薄い膜の使用がまた有利である。これらの膜は、低い熱伝導率を有しており、それ故圧力増加により一層寄与する。

光ビーム１５は、媒体または気体によって吸収されることができる任意の種類の電磁放射であり得る。典型的にはＵＶ光、可視光またはＩＲ光が使用されるが、ミリメートル波長範囲内の放射および典型的なレーダー波もまた気体によって吸収される。光ビームは、典型的には、電子的に制御されたフィルタ、ファブリ・ペローまたはマイケルソン干渉計などの干渉フィルタによってフィルタリングされるか、または制御されたレーザである。通常、光ビームは、パルス変調または波長変調のいずれかで変調される。

図１８は、外部マイクロフォン１６およびスピーカ要素１７を使用して、環境１０からの音を低減するために、アンチサウンドを伴う能動的ノイズ低減を使用した、追加のノイズ低減がどのようにして得られるかを示している。本発明において主に、１つの単一周波数の、または狭い周波数帯域内のノイズを低減することのみが必要とされるので、課題は、ヘッドフォン、携帯電話などにおける能動的なキャンセリングよりもはるかに単純である。マイクロフォン１６で検出される信号は、半透性フィルタを介して測定された低減に対してスケーリングされてもよく、測定される光音響信号から差し引かれる。原理は、米国特許出願第２０１２／０２７９２８０号明細書で議論されている。

マイクロフォンにより、光音響測定によって使用される周波数にある外部ノイズの強度を測定することも可能であり、半透性フィルタを介してどの程度音が減衰されるかが知られているので、外部ノイズが信号／ノイズ比（ＳＮＲ）を低減する場合を計算することができる。ノイズの振幅がＳＮＲを低減させる場合、信号のその部分が気体濃度の計算に寄与しないように選択することが可能である。原理的には、これは、光ビーム１５を生成する光源からの各パルス、従って光音響信号に対して実施されてもよい。各パルスに対する振幅を積分し、負のノイズ寄与を有する個々のパルスを削除するようにアルゴリズムが作られ、それからＳＮＲを改善するために他の測定の平均を使用することができる。

能動的なノイズのキャンセリングは、１９３３年、米国特許第２０４３４１６号明細書で発明され、元の設計から多くの修正および改良がなされている。図１８に示すような設計において、１から２０μｍの孔および０．１から６ｍｍの厚さを有する焼結フィルタの形態にある半透性膜１４は、典型的には数秒の範囲の時定数を有しており、このようにして音響ローパスフィルタとして機能し、気体を励起している光源１５上で１００Ｈｚの変調周波数で４０ｄＢの範囲の外部ノイズを減衰させることができる。音響ローパスフィルタの外側のマイクロフォン１６は、環境からのノイズを測定し、ラウドスピーカを使用して音響カウンタフィールドを提供するために使用することができる。最も単純な形態では、ノイズの振幅が測定され、反対の位相でラウドスピーカに送り返され、ノイズを除去するのに十分に振幅がスケーリングされる。信号の位相が大きく変化しないようにしながら、実際の検出周波数の周りで帯域幅を制限することが有利となり得る。１００Ｈｚの周波数では、音響波長は約３．３ｍであり、位相誤差が１％未満である場合、ラウドスピーカとマイクロフォンとの間の相対距離は、波長の１％未満、すなわち０．０３３ｍ＝３．３ｃｍである必要がある。また、可能な限りラウドスピーカ１７を音響ローパスフィルタの近くに配置し、マイクロフォン１６を可能な限り遠くに配置することが有利であり、主として光音響信号の実際の音響検出波長に対して１％未満の位相シフトを有する。音響波が自由空間を通って伝搬する場合、音響強度は距離の２乗だけ低減する。それ故、半透性膜１４でゼロに近い音場を生成することが可能であり、同時に、マイクロフォンでの音場が差分信号を生成するように十分に異なっている。現代のノイズキャンセリング技術は、通常、ノイズを２０から４０ｄＢまで低減することができる。

図１９に示すノッチフィルタの使用は、文献から周知である。音響ノッチフィルタは、帯域除去フィルタとも呼ばれ、https://en.wikibooks.org/wiki/Acoustics/Filter_Design_and_Implementationで説明されている。停止周波数は、面積Ｓｎおよび実効長さＬを有するネックを介して、面積Ｓを有する元のパイプに接続された、容積Ｖのヘルムホルツ共鳴器の寸法によって与えられる。ノッチフィルタ１９の容積Ｖは、低周波数のために比較的大きく、ガス検出器で使用する場合、ノッチフィルタ内の気体容積はガス検出器の時間応答に影響を与える。気体濃縮が提供される場合、ノッチフィルタ内の気体容積は、追加された気体濃縮を希釈し、このようにしてセンサが正しい気体濃縮を測定する前に、音響ノッチフィルタ内の気体容積も交換される必要がある。この問題は、薄い膜１８を使用することによって解決することができる。薄い膜１８は、ガス検出器の時間応答が低下しないように、気体がノッチフィルタの容積内へ希釈されることを妨げ、一方、膜はノッチフィルタの機能に影響を与えないように十分に柔軟性とする必要がある。膜１８に関しては、膜が圧力差によってひずまされないように、漏れチャネルを使用することもでき、柔軟性膜の前面側と裏面側との間の圧力均等化に寄与する。また、低温で使用する場合、氷、露などが膜の機能に影響を与えないように膜を加熱することも有利である。

ユニットの外側にボックスを使用することも可能であり、半透性フィルタ１４は気体をボックス内に入れ、図２０に示された図面の平面の、上から、下から、内に、および外に例えば４つの独立した光源を使用することが可能となるように、ボックスは２つまたは４つの窓２０を有している。この解法の利点は、１ｍｍ以上の大きさの光源を使用する方が容易であることである。ボックスは、光音響信号がボックス内で生成され、膜３、４に伝達されるように、膜に結合される。

外部光源を使用するとき、加熱する必要がある気体の量を減らすことができる。これは、気体セルの内部を成形することによって行うことができる。典型的には、供給源が気体セルに集束される場合、最適形状はビームの形状に従っており、図２２に示すような形状を得ることができる。円筒形状の代わりに円錐形を用いることにより、気体容積４４は１／３に低減され、光音響信号の振幅は一般に３倍に増加する。チャネル４２は、気体容積４４を半透性フィルタ１４に接続し、別のチャネル４３は、気体容積４４を検出膜３および４に接続する。膜の背面容積は、圧力均等化のための漏れチャネルを有することができ、またはチャネル（図示せず）は、半透性フィルタ１４から背面容積に直接行くことができる。異なるチャネルの長さと断面を設計することにより、外部ノイズからの膜３および４の両側への均等な寄与を得ることができ、その結果外部ノイズからの光音響信号への影響を低減することが可能である。図２２に示した気体セルは、図２０の気体セルと同様に、４つの窓および４つの供給源とともに使用することができる。または、２つの供給源および２つのモニタ検出器を用いて、気体セルを透過した光の量をモニタするために、モニタ検出器は光源に対して気体セルの反対側に配置される。モニタ検出器で検出された信号は、供給源の機能性を検証するため、または供給源の変化を補償することによって検出された気体濃度の精度を改善するために、使用することができる。

図２１に示すように、光音響測定容積の近くに吸着ユニット２１を含み、フィルタ２２を使用して測定容積から気体が拡散するのを止めることにより、気体濃度を増加させることが可能である。測定される容積は、チューブ２３を介して吸引ユニットまたはポンプに接続される。吸着ユニットは、典型的には、測定すべき気体に適合される。気体は、吸着ユニットを通って引き出され、吸着ユニットに堆積される。気体は吸着ユニットの急速加熱によって除去することができ、このようにして半透性膜１４および２２を通して拡散する時間を有する前に気体濃度を測定することができる。

マイクロフォンまたは圧力センサにおいて、膜の背後に容積がある必要があり、圧力変動に対する応答として膜が動くことを可能にする。特に、マイクロフォンの場合、膜の背面（背面容積）の気体容積が、マイクロフォンの感度を制限する応答力を作り出す程度に圧縮されるときに、これは重要である。従って、背面容積は、膜の動きを制限しないように十分に大きくする必要がある。この場合、対向する２つの膜が、平行にまたはほぼ平行に取り付けられて使用される。膜間の距離の変化をもたらす圧力増加に対して、膜は、背面容積における圧力増加が前面からの力に等しい反作用力を提供することを可能にしない背面容積を必要とする。このようにして背面容積は、密閉されたか、またはほとんど密閉された容器のいずれかによって構成される必要があり、容器は測定が実行される周波数で密閉されたか、またはほとんど密閉されたかのどちらかである必要がある。

本発明では、共通の背面容積を有する２つの膜が使用される。これはいくつかの利点を提供する。１つの利点は、アセンブリ内の構成要素の総数がより少なくなるので、２つの背面容積を生成するよりも１つの背面容積を有するユニットを作製する方が簡単であることである。マイクロフォンは通常、環境から背面容積への漏れチャネルを使用する。この漏れチャネルは、環境と背面容積との間の圧力均等化の平衡をとるために使用され、背面容積内で静圧のこの変化がないことは、最も敏感である領域の膜が押し出される。このようにして漏れチャネルは、周波数応答が影響を受けないように、気体、例えば空気を低周波数のみにさせる。共通の背面容積と共に、１つの漏れチャネルだけが必要とされる。もう１つの利点は、音源、検出器および膜を組み立てることができ、背面容積を同様に構成する共通の容器に取り付けることができることである。

ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）および質量分析（ＭＳ）において、気体を濃縮しないことが有用である。これは、吸着剤が注目する気体を受けるように、気体をスポンジに対応する吸収剤または吸着剤に通して送ることにより行われ得る。気体が所定の時間にわたって吸着されたとき、または気体の所与の容積が押し出されたとき、吸着剤を含む容積は閉ざされ、気体は解放される。これは、例えば、気体を放熱させるか、または気体を蒸発させるように圧力を低下させることによって行うことができる。例えば、吸着した気体を遊離させるために化学物質、気体、光、超音波または電磁放射を適用することができ、場合によっては気体を変えたい場合に、吸着剤を触媒と組み合わせることができる。触媒は、独立の構成要素であってもよく、または吸着剤上に提供されてもよい。そのような吸着剤およびサンプリングシステムは、ＧＣおよびＭＳ（ガスクロマトグラフィおよび質量分析計）システムの供給元から市販されている。そのような吸着剤は、多孔質シリコン（二）酸化物またはアルミナ、または場合によっては大きな表面を有する他のセラミックまたはゼオライトから作られてもよい。

ガス検出に使用される吸着剤の代表的なものは、それらが大分子を吸着し、Ｏ_２およびＮ_２のような小分子を通過させるものである。

図１７から図２１に示す本発明のガス検出の実施形態の目的は、犬の鼻を複製することである。犬の鼻の中には、多くの敏感なセンサ、受容体がある。これらは、気体を検出し、気体の種類を認識するために使用されている。犬の鼻を敏感にしているものは、高度なサンプリングシステムである。大量の気体が鼻に引き込まれ、分子は鼻の湿ったスリムフィルム／粘膜に固定される。さらに、犬の鼻の内部の幾何学的形状は、臭い分子が受容体の粘膜に固定される可能性を非常に高くする。犬が嗅ぐと、換言すれば、分析器に空気が吸い込まれると、空気を保持して分析する。これは、本発明の実施形態が複製するものである。

気体を受け入れる湿った粘膜を含むシステムを作ることは現実的ではない。すべきことは、表面に吸着剤を設け、これに気体を濃縮させてそれから放出させることである。最も効率的な方法は、吸着剤を通して気体を吸い出し、再び速く解放することである。これは、孔を有する膜または微細なマスクネットを作製することで実施され、膜またはネットは、そこを通る電流を印加することによって迅速に加熱される。膜は、関連する分子の捕獲を増加させ得る触媒または他の化学物質または生物学的物質の活性助剤を提供する吸着剤を設けることができる。

ある場合には、捕獲を増加させるために収着剤および触媒上で所定の温度を使用すること、気体を増加させて、気体を放出するかまたはそれを検出するのにさらに容易な別の気体に変換することが有利である。これは、例えば、窒素を含有する爆薬を検出するために行うことができ、爆薬の分子は触媒を備えた吸着剤によって吸着され、吸着剤は迅速に加熱され、爆発分子を多くのＮ_２Ｏ分子に変換する。

そのような膜を作製する１つの方法は、例えば４から２０μｍの厚さを有するシリコンの薄膜を微細機械加工し、利用可能な電圧での急速加熱に有用な抵抗を得るためにこの膜をドープして、それから例えばドライエッチング（ＤＲＩＥ）により膜において多数の孔または開口を形成することである。孔は、典型的には２から２０μｍの直径を有すべきである。それから吸着剤は、多孔、粉末形状アルミナを有する溶液でディップコーティングすること、またはスパッタリングまたはＰＬＤ（パルスレーザー堆積）を使用して酸化アルミニウムを適用することによって、穿孔された膜に適用される。最後に、膜は、例えば触媒を含む溶液に浸漬することによって、それ自体の触媒を設けることができる。

あるいは、ネットが抵抗性材料として使用されてもよい。これは、例えば、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金または空気への暴露に耐えることができる他の抵抗性材料のネットであってもよい。ネットは、各側部で接点を有するプレウーブンであってもよく、電流はネットを通して送られ、または平坦化コイルから作られてもよい。要点は、分析すべき気体が収着剤および触媒の表面に吸着されるように、吸引または押し通される空気に対してネットが部分的に透過性であることである。

人工粘膜を作る一つの実現性は、薄い冷却要素上に吸着剤を載せ、それから水の薄い層が表面上に置かれるように露点まで温度を下げ、それから長期間にわたって気体をサンプリングし、その後、気体を放出するために収着剤および水膜を加熱することである。

以下では、気体を捕獲し放出するために作られたユニットを吸着ユニットと呼ぶ。そのようなユニットは、膜、ネット、抵抗線、冷却または加熱素子、吸着剤、触媒、化学物質などから製造されてもよい。

本発明による光音響センサの内部に吸着剤ユニットを配置することにより、気体が放出される容積を非常に小さくすることができ、気体がより濃縮される。本発明による光音響センサの内部に吸着ユニットを配置することにより、上述した図面における気密壁６が、この位置の外側での新たな焼結フィルタとなり、気体がゆっくりと拡散するだけの容積を作製することが可能である。あるいは、吸着ユニットの後で、（測定システムで使用される周波数に対して）気体がゆっくりと拡散しなければならないほど長くて薄いチャネルを使用することができる。例えば、直径１ｍｍおよび長さ５０ｍｍを有する気体チャネルは、数秒の範囲で気体濃度低減の時間応答を有している。気体チャネルまたは半透性フィルタは、気体が十分にゆっくりと流れ出るように、それを測定することができるように寸法を定めてもよく、同時に、光音響信号が漏出することができないように、または著しく減少するように十分に緊密にしてもよい。

１つの実施形態では、２つの音響検出器および２つの吸着ユニットを使用すること、あるいは一つのセンサに気体を引き込み、気体を吸着して、他方では同時に他のセンサを通るガス流を切り替えることも可能である。それから第１の分析の間に他のセンサが気体を吸着するように切り替えることが可能である。典型的には、そのようなサイクルは２から６０秒かかるが、サイクル時間はより速くまたはより遅く行われてもよい。そのような実施形態は、例えば、５秒のサイクル時間が実用的である、爆発物または麻薬の検出に適している。従って、そのようなセンサは連続的に測定されるが、測定セル内の容積は０．５ｍｌであり、気体が毎分１．０リットルの速度で吸引される場合には、気体を１７０倍濃縮する。

図２３は、制御された高度差を有する膜を生成するプロセスを示している。膜材料４５、すなわち窒化ケイ素がシリコンウェハ上に堆積される。膜材料は、高度差が必要な位置を除いて除去され、膜材料４６の小さな領域を残す。膜材料４７の新たな層、すなわち窒化ケイ素を堆積する。新しい膜材料を前の膜材料４６の上に追加し、所与の位置に高度差を有する膜を与える。最後に、他の側部４８から膜をフリーエッチングし、膜を解放し、選択された領域の高度差を有する。図９、１０、１１に示したものと類似の方法で、２つのそのような膜を一緒に置くことにより、２つ、３つまたは４つの異なる高さの距離を作ることができる。膜材料４６の領域はもちろん、膜の他の側部上にも施されてもよい。これは、典型的にはより多くの処理ステップを含み、まずシリコン内に小さな凹部をエッチングし、窒化ケイ素を堆積させ、凹部の外側の窒化ケイ素を除去し、窒化ケイ素の新たな層を堆積させ、それからエッチングして膜を解放することが必要である。

膜の動きを光学的に読み取るために、レーザまたはダイオードレーザが、通常、光源として使用される。膜間の距離が十分に短い場合、十分に長いコヒーレンス長を有するＬＥＤまたは類似の光源を使用することができる。ある場合には、レンズを使用する必要はなく、またある時には光源からの光をコリメートすることが有利であり得る。ＮＩＲおよび可視領域のダイオードレーザは現在最も安価であり、膜が２００ｎｍから１２００ｎｍを透過する材料から作製される場合には、シリコンの検出器を使用することができる。光源および検出器は、好ましい膜材料の透過特性に従って選択または調整することができる。

要約すると、本発明は、選択された周波数範囲内でマイクロフォンとして機能する音波、または光音響ガス検出で生成された圧力波などの圧力変動の干渉計読み出しを使用する光学圧力センサに関する。センサは、実質的に同様の機械的特性を有する２つの膜を含み、膜の少なくとも１つは部分的に透過性であり部分的に反射性であり、第２の膜は少なくとも部分的に反射性であり、膜は、膜間の距離を維持するスペーサ部分によって画定される空洞により分離され、膜はファブリ・ペローまたはエアーウェッジ干渉計を提供する。センサはまた、当技術分野で周知のように、膜間の距離の変化を検出するための読み出しユニットを含む。

膜間の空洞は、膜の外側の第２の容積から実質的に密閉された第１の容積を画定する。容積の１つは基準容積を表し、他方は、前記容積の１つの圧力変動が膜間の距離の変化をもたらすように、圧力変動を受けるセンサ容積であり、膜は反対方向に移動する。

この文脈における密閉は、圧力変動が測定される周波数の容積間の減衰を参照している。このようにして、容積間の圧力均等化のための低周波漏洩チャネルなどの音響ローパスフィルタリングは、本発明の可能な実施形態内であると理解されている。

前記膜によって画定され得る空洞は、前記圧力変動を受けるための少なくとも１つの側に開口部を有しており、そのようにしてセンサ容積を構成し、圧力変動の伝搬方向はこのようにして膜と平行になる。このようにして、膜は、圧力波または変動に対する応答として反対方向に同期して動く。

膜間の空洞は、環境の圧力変動と連通し、センサ容積を構成する一方、膜の外側の容積は、基準容積に取り囲まれ、あるいは、基準容積の少なくとも一部を構成してもよく、同時に、膜の外側の容積は、圧力変動を受けるセンサ容積を構成する。

一実施形態では、センサおよび膜は、２つの対称部品から作製され、それぞれが１つの膜および１つの凹部を画定し、膜および凹部は、それらの間に空洞を画定する。対称部品は、シリコンディスクから機械加工され、膜は、例えば、窒化ケイ素から作製される。

上述したように、圧力センサは、両方の膜と相互作用した光において干渉パターンを提供するように、２つの類似の干渉計、２つの平行な膜を有するファブリ・ペロー、または一方の膜が他方に対してわずかに傾斜したエアーウェッジを使用してもよく、圧力変動からもたらされるパターンの変化の少なくとも一部は前記読み出しユニットによって読み取られる。

膜がシリコンウェハ上に作製される実施形態において、傾斜は、一端部で高度差を機械加工／エッチングすること、膜材料を堆積すること、それからウェハの裏側からエッチングをして膜を解放することによって得られ、膜材料におけるひずみは、膜が表面の元の配向に対してスキュー角を備えるように、膜を引き延ばす。

あるいは、膜がシリコンウェハ上に作製される場合には、静電気力を用いて膜の一部を引っ張ることによって傾斜を提供することができる。

膜間の基本の距離を維持するスペーサ部分は、最大の感度を提供する距離を維持するように、膜間の距離、およびそれ故最適な作用点を調整するために使用されてもよい。

読み出しユニットは、膜間の距離の変化に応じて受光した光の変化を測定するために、膜に向かって光を送出する少なくとも１つの光源と、膜から透過または反射された光を受光する少なくとも１つの検出器とを含む。読み出しユニットはまた、２つの膜と相互作用した後で干渉パターンを提供するように、少なくとも１つの膜に実質的に垂直な光軸に沿ってわずかに発散または収束する光を提供するための光学素子、例えばレンズを含んでもよく、干渉パターンの少なくとも一部は、少なくとも１つの検出器によって読み取られる。

膜は、例えば窒化ケイ素膜を堆積させることでシリコンウェハ上に作製されてもよく、膜材料を堆積させる前にウェハを機械加工またはエッチングした１つ以上の凹部を有しており、いくつかの高度差が二つの膜間で得られ、光学的に読み取られるように、凹部はフリーエッチングされた膜の作製される形態に形状を与える。凹部は、半月形状または矩形形状で形成されてもよく、膜の中央部分に置かれる。部分的に重複する凹部を有するそのような２つのシリコンウェハを使用して、凹部の深さが上述のように等しいかまたは異なるかに応じて、３つまたは４つの異なる距離を得ることが可能である。

干渉計の品質を最適化するために、測定の間に使用される膜の能動部分は、圧力変動を受けたときにその形状を維持するのに十分に剛性にすべきである。これは、シリコンウェハ／ディスク上で凹部周りの上部および下部に鋭角を有する溝、または膜間の距離差を提供する能動的膜部分を作製することによって得られ、このようにして凹部周囲の領域をより硬くして距離差を有する領域を比較的平坦に維持する。剛性を増加させるために、溝は適切な材料で充填されてもよい。

また、膜が堆積されて、およびエッチングされて解放されるときに引き延ばされ、膜内のひずみを低減されるように、膜を作製するために選択された領域内で鋭角ではない溝がエッチングされたシリコンウェハ／ディスクが提供されてもよい。

上述したように、本明細書に記載の圧力センサはガスセンサとして使用されてもよく、気体は、センサ容積内に導入され、および検出すべき特定の気体を励起することができることを特徴とする選択された波長でパルス放射源によって電磁放射線に曝される。結果として生じる動きは、特定の気体の存在を示すパルス放射の周波数での圧力変動を検出するように適合された読み出しユニットによって検出され得る。

ガスセンサは、環境からの気体をセンサ容積に通過させる音響ローパスフィルタとして使用される半透性膜を含んでもよく、センサへのノイズ低減を有しており、光音響信号の環境への漏れを低減する。半透性膜と圧力センサとの間に検出容積が作られてもよく、この検出容積は、同じ気体サンプル上でいくつかの異なる電磁放射源を利用するために、いくつかの窓が設けられる。

検出容積は、圧力センサと同じシリコンディスク内に作製することができるが、検出容積がチャネルを介してセンサ容積に結合され、検出容積内の壁は、気体を分析するために使用される選択された電磁放射を透過させる。

干渉を低減するために、ガスセンサは、半透性膜の外側にマイクロフォンおよびラウドスピーカを設けてもよく、半透性膜での音の振幅は、光音響ガス検出に使用される周波数または周波数範囲で主として低減されるように、アンチサウンドを生成させるために能動的ノイズ低減が使用される。

あるいは、音響ノッチフィルタが半透性膜の外側に配置され、受動ノッチフィルタ内のリザーバ容積への開口部が、音響信号に影響を与えない程度に薄くて柔軟性の気密膜によって覆われ、気体は共振器容積内に拡散しないことを確実にする。

さらに、音響フィルタの応答を変えることなくセンサが低温で使用され得るように、膜が加熱されてもよい。

半透性膜は、静圧に対して、および検出周波数よりも低い周波数に対して圧力均等化を提供するように、背面容積に気体が入ることを許す。別の実施形態では、外部ノイズが両側で同じ量に影響を及ぼし、特に検出周波数での外部ノイズからの寄与を低減するように、膜間の容積と同じ程度に基準容積と同じ程度の圧力を通す。

測定された容積内で気体を濃縮するために、吸着ユニットが、気体検出のために使用される容積内で組み込まれてもよく、空気は所定の時間の間に吸着ユニットを通して引き出されるか、または吸い込まれ、それ以降、流れは止まり、吸着された気体は放出され、その結果、分析が放出された気体上で実施される。

本発明による２つのそのようなガスセンサは並列に使用することができるが、一方では気体の流れを伴わずに気体を分析し、他方では気体の流れから気体を吸着し、モードを変更する所与の時間の後に、第１に吸着し、他方では分析する。

１ 光源
２ 光学素子
３ 膜
４ 膜
５ キャリヤ構造体
６ スペーサ部分
７ 検出器アレイ
８ ハウジング
９ 干渉パターン
１０ 音響源
１１ 電極
１２ スペーサ部分
１４ 半透性膜
１５ 光ビーム
１６ マイクロフォン
１７ ラウドスピーカ
１８ 膜
１９ ノッチフィルタ
２０ 窓
２１ 吸着ユニット
２２ フィルタ
２３ チューブ
２４、２５、２６、２７ 距離
２８ 凹部
２９ 凹部
３０ 膜
３１ シリコンウェハ
３２ 凹部
３３ 凹部
３４ 測定領域
３５ 凹部
３６ 端縁
３７ 膜
３８ 凹部
３９ 凹部
４０ ピット
４２ チャネル
４３ ラウドスピーカ
４４ 気体容積
４５ 膜材料
４６ 膜材料
４７ 膜材料
４８ 他の側部

Claims (33)

1. 実質的に類似の機械的特性を有する２つの膜を含む、圧力変動の干渉計読み出しを使用する光学圧力センサであって、前記膜の少なくとも１つは部分的に透過性および部分的に反射性であり、第２の膜は少なくとも部分的に反射性であり、前記膜は、前記膜間の距離を維持するスペーサ部分によって画定された空洞によって分離されており、前記膜はこのようにして干渉計を提供し、前記センサはまた、前記膜間の距離の変動を検出するための読み出しユニットを含み、
   前記膜間の第１の容積を画定する前記空洞は、前記膜の外側の第２の容積から実質的に密閉されており、そのうちの一つは基準容積を表し、もう一つは圧力変動を受けるセンサ容積であり、それにより前記容積のうちの一つ圧力変動は前記膜間の距離の変化をもたらし、膜が反対方向に動くことができる、圧力センサ。
2. 前記膜によって画定される前記空洞は、少なくとも１つの側部に、前記圧力変動を受け入れ、および前記センサ容積を構成するために開口部を有しており、前記圧力変動の伝播方向はこのようにして膜と平行になる、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記膜間の前記空洞は、環境における前記圧力変動と連通し、前記センサ容積を構成し、同時に前記膜の外側の容積は前記基準容積に囲まれている、請求項１に記載の圧力センサ。
4. 前記膜間の前記空洞は、前記基準容積の少なくとも一部を構成し、同時に前記膜の外側の容積は、圧力変動を受ける前記センサ容積を構成している、請求項１に記載の圧力センサ。
5. 前記センサおよび膜は、各々が一つの膜および一つの凹部を画定する２つの対称的な部品から作製され、前記膜および凹部はそれらの間に空洞を画定する、請求項１に記載の圧力センサ。
6. 前記対称的な部品は、シリコンディスクから機械加工されており、前記膜は、例えば窒化ケイ素から作製されている、請求項５に記載の圧力センサ。
7. 両方の膜と相互作用した光において干渉パターンを提供するために、前記膜のうちの一つは、他の膜に対して傾斜しており、前記圧力変動に対する結果として生じるパターンの変動の少なくとも一部は、前記読み出しユニットによって読み取られる、請求項１に記載の圧力センサ。
8. 前記膜はシリコンウェハ上に作製され、前記傾斜は、一端部で高度差を機械加工／エッチングすること、膜材料を堆積すること、それから前記ウェハの裏側からエッチングして膜を解放することによって得られ、それによって前記膜材料内のひずみが前記膜を引き延ばし、前記膜は表面の元の配向に対してスキュー角を備える、請求項７に記載の圧力センサ。
9. 前記膜はシリコンウェハ上に作製され、前記傾斜は、静電気力を使用して前記膜のうちの一つの一部を引っ張ることにより作られている、請求項７に記載の圧力センサ。
10. ファブリ・ペロー干渉計を提供するために、前記膜は平行であり、前記圧力変動からもたらされるパターンの変動の少なくとも一部は、前記読み出しユニットによって読み取られる、請求項１に記載の圧力センサ。
11. 前記スペーサ部分は、前記膜間の距離およびそれ故干渉計の作用点を調節するように適合されている、請求項１に記載の圧力センサ。
12. 前記読み出しユニットは、前記膜に向かって光を送出する少なくとも１つの光源、および前記膜間の距離の変動に応じて、受けた光の変化を測定するために、前記膜から透過または反射された光を受ける少なくとも１つの検出器を含む、請求項１に記載の圧力センサ。
13. 前記読み出しユニットは、２つの前記膜と相互作用した後に干渉パターンを提供するように、少なくとも１つの前記膜に実質的に垂直な光軸に沿ってわずかに発散または収束する光を提供するために使用される光学素子、例えばレンズを含み、前記干渉パターンは少なくとも１つの検出器によって読み取られる、請求項１に記載の圧力センサユニット。
14. 前記膜はシリコンウェハ上に作製され、１つ以上の凹部が膜材料を堆積させる前に前記ウェハ内に機械加工またはエッチングされており、２つの前記膜間でいくつかの異なる距離が得られ、光学的に読み取るように、前記凹部は、フリーエッチングされた膜の作製される形状に形を与える、請求項１に記載の圧力センサ。
15. 前記膜はシリコンウェハ上に作製され、前記ウェハ内で機械加工またはエッチングされた凹部を含み、前記膜間に少なくとも３つの異なる距離が得られ、光学的に読み取られるように、２つの前記膜の前記凹部は前記膜の中央部分で部分的に重複している、請求項１に記載の圧力センサ。
16. 前記膜は、上部および下部に鋭角を有する１つ以上の溝を含み、高さの膜距離を提供するように適合された前記凹部の周りに配置されて、このようにして前記凹部周辺の領域を補強し、前記凹部の領域を比較的平坦にさせている、請求項１４に記載の圧力センサ。
17. 前記溝は、剛性を増加させるために適切な材料で充填されている、請求項１６に記載の圧力センサ。
18. 前記膜は、膜を作製するために選択される領域内で鋭角または鋭いエッジでない溝がエッチングされたシリコンウェハ上で作られており、その結果、前記膜が堆積されてエッチングさて解放されたときに引き延ばされ、膜内のひずみを低減する、請求項１に記載の圧力センサ。
19. ガスセンサであって、気体が前記センサ容積内に存在し、前記ガスセンサは、検出すべき特定の気体を励起することができることを特徴とする選択された波長で、パルス放射または波長変調された放射源と、前記特定の気体の存在を示すパルス放射の周波数における圧力変動を検出するように適合された読み出しユニットとを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の圧力センサを含むガスセンサ。
20. 半透性膜が前記気体を通過させる音響ローパスフィルタとして使用され、前記センサへ入る外部ノイズを抑制し、および光音響信号の環境への漏れを低減させる、請求項１９に記載の圧力センサ。
21. 前記半透性膜と圧力センサとの間に検出容積が作られ、同じ気体サンプルでいくつかの異なる電磁放射源を利用するために、この検出容積にはいくつかの窓が設けられている、請求項２０に記載の圧力センサ。
22. 検出容積が、前記圧力センサと同じシリコンディスク内に作製されるが、前記検出容積は、チャネルを介して前記センサ容積に結合され、前記検出容積の壁は、前記気体を分析するために使用される選択された電磁放射を透過させる、請求項２０に記載の圧力センサ。
23. 前記半透性膜の外側にマイクロフォンおよびラウドスピーカを含み、アンチサウンドを発生させるために能動的ノイズ低減が使用され、その結果前記半透性膜での音の振幅が低減され、光音響ガス検出のために主に前記周波数で、または周波数範囲において使用される、請求項２０に記載の圧力センサ。
24. 音響ノッチフィルタが前記半透性膜の外側に置かれ、受動ノッチフィルタにおけるリザーバ容積内への開口は、音響信号に影響を与えない程度に十分薄くて柔軟性のある気密膜によって覆われ、前記気体が共振器容積内に拡散しないことを確実にさせている、請求項２０に記載の圧力センサ。
25. 前記センサが音響フィルタの応答を変更することなく低温で使用され得るように、前記膜は加熱される、請求項２４に記載の圧力センサ。
26. 前記半透性膜は、静圧に対して、および検出周波数よりも低い周波数に対して圧力均等化を提供するように、基準容積内に気体が入ることを許す、請求項２０に記載の圧力センサ。
27. 前記半透性膜は、圧力を前記膜間の容積と同じ程度に背面容積に通し、外部ノイズが両側で同じ量に影響を与え、特に検出周波数での外部ノイズからの寄与を低減する、請求項２６に記載の圧力センサ。
28. 吸着ユニットがガス検出に使用される容積内に組み入れられ、空気が所与の時間の間に吸着ユニットを介して引き出され又は吸引され、流れが停止した後に、吸着された気体が放出され、それにより分析が放出された気体について実施される、請求項１８に記載の圧力センサ。
29. ２つのそのようなガスセンサが並列で使用され、一方は、気体の流れがない気体を分析し、同時に他方は、気体の流れからの気体を吸着し、所与の時間の後でモードを変更し、一方で吸着し、他方で分析をする、請求項１から２８のいずれか一項に記載の圧力センサ。
30. 圧力の増加は、両方の膜に対して位置の実質的に等しい変化をもたらす、請求項１に記載の圧力センサ。
31. 前記膜間の距離を調整し、最適な作用点を提供するために、前記センサの背面容積内の圧力を能動的に調整するためのユニットが使用される、請求項１に記載の圧力センサ。
32. 選択された周波数のセットまたは周波数の範囲内にあるマイクロフォンとしての、請求項１に記載の圧力センサの使用。
33. 磁気特性を有する酸素などの気体または流体を測定するための、請求項１に記載の圧力センサの使用。