JPH10511772A - フアブリ・ペローマイクロフィルタ検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２ミクロンから１２ミクロンの波長範囲の吸収線を有する特定の物質の分光検出のためのモノリシック構成の赤外線同調可能フアブリ・ペロー空洞フィルター検出器。フィルター検出器は密閉されたフアブリ・ペロー空洞を有し、この空洞は別のミラーに対して調整自在の間隔を有するミラーを有する。第１のミラーは、ミラー支持体上の圧電膜により、あるいはミラーを支持する圧電スタック又は圧電壁により調整される。ミラーの近傍に、ミラーの間隔を容量性検出するための電極が配置されても良い。フィルタリングされ、検出されるべき光は、回折マイクロレンズ又は屈折マイクロレンズのいずれかであれば良い窓ウェハと、任意に設けられる空間フィルタとを経て入射する。窓ウェハを通過した後、光はファブリ・ペロー空洞の同調可能ミラーによってフィルタリングされる。空洞を通過した光の部分は赤外線マイクロボロメータ又はＣＣＤアレイにより検出される。空洞と検出器は真空の中に密封されている。

Description

【発明の詳細な説明】 フアブリ・ペローマイクロフィルタ検出器 発明の背景 本発明はマイクロ赤外線（ＩＲ）検出器に関し、特にマイクロＩＲ型検出器に 関する。さらに特定すれば、本発明は分光イメージングのためのフアブリ・ペロ ーマイクロＩＲフィルタ型検出器に関する。関連技術は、シリコンウェハ上のマ イクロマシニングにより形成されるフアブリ・ペロー空洞を開示している。関連 技術においては、可変電圧によって静電方式で波長トリミングを実行している。 発明の概要 本発明は、主に特定の波長の赤外線放射を検出するためのカプセル化同調可能 フィルタ及び検出器である。装置は、シリコンウェハにマイクロマシニングされ た複数のマイクロレンズを有する。フアブリ・ペロー空洞はウェハ上に集積され ている。空洞ミラーの１つが圧電薄膜と共に移動自在であるので、空洞は同調可 能である。別のウェハにあるマイクロボロメータ又は他の検出器アレイ又は画素 は、マイクロレンズのウェハ及び空洞と共に、検出器と空洞を封入した集積真空 パッケージを形成する。 図面の簡単な説明 図１は、回折マイクロレンズを有するマイクロフィルター検出器を示す。 図２は、屈折マイクロレンズを有するマイクロフィルター検出器を示す。 図３は、空間フィルタをもたないマイクロフィルター検出器を示す。 図４は、多数のフアブリ・ペロー空洞を有するマイクロフィルター検出器を示 す。 図５は、１つの回折レンズと、検出器とを有するマイクロフィルター検出器を 示す。 図６は、１つの屈折レンズと、検出器とを有するマイクロフィルター検出器を 示す。 図７は、内部空洞校正源と、検出器とを有するマイクロフィルター検出器を示 す。 図８は、マイクロフィルター検出器の外部校正構成を示す。 図９ａは、フアブリ・ペロー空洞の同調のための圧電スタックを有するマイク ロフィルター検出器を示す。 図９ｂは、シリコンエッチピットを有するマイクロフィルター検出器を示す。 図１０ａ、図１０ｂ及び図１０ｃは、マイクロレンズアレイと、検出器アレイ と、空間フィルタをそれぞれ示す。 図１１は、マイクロレンズのないマイクロフィルター検出器を示す。 図１２ａ〜図１２ｆは、マイクロレンズ及び空間フィルタがフアブリ・ペロー 空洞に入射する光に及ぼす効果を示す。 図１３ａ及び図１３ｂは、マイクロフィルタパッケージング方式を示す。 図１４ａ及び図１４ｂは、集積マイクロレンズの２つの実現形態を示す。 図１５は、マイクロフィルタの一連の透過率特性を示す。 図１６ａ〜図１６ｃは、ミラー上の層の数に対するフアブリ・ペローフィルタ の帯域特性を示す。 図１７ａ及び図１７ｂは、入射光の角度がフィルタの周波数に及ぼす効果を示 す。 図１８は、スペクトル分析のために使用中である複数フィルター検出器と単一 フィルター検出器との組合せを示す。 図１９は、検出されるサンプルにおける吸収線を表わす図表である。 好ましい実施形態の説明 図１は、分光環境監視のための、複数のマイクロレンズ及び検出器を集積した ポリシリコンによる，圧電作動式，赤外線同調可能フアブリ・ペローマイクロフ ィルタを示す。基板１２の上に配置されたマイクロボロメータ検出器１４は単一 の画素であっても良く、あるいは画素のアレイであっても良い。装置１０は、マ イクロレンズ１６及びフアブリ・ペロー空洞１８を伴うシリコンウェハから構成 されている。空洞１８は、二酸化シリコン／シリコン（ＳｉＯ₂／Ｓｉ）ミラー ２０及び２２を有するモノリシックポリシリコンフアブリ・ペローマイクロ構造 である。ポリシリコンブリッジ２４はフアブリ・ペロー空洞１８の一方のミラー ２２を支持する。これはブリッジ２４を層３２に支持し、同調能力を有するフア ブリ・ペロー空洞１８を構成するようにブリッジ２４とミラー２２を移動させる ことができる。ウェハ３２はボロメータ検出器２４の画素１４又は画素のアレイ １４に真空密封されており、連続する支持体３０はウェハ１２及び３２の周囲に ある。支持体３０はマイクロボロメータ１４及びフアブリ・ペロー空洞１８を真 空の中に封入している。空間フィルタ４６はマイクロレンズ１６に近接して位置 している。フィルタ４６は、ＩＲ光に対して窓として機能するシリコン層５２を 有する。層５２の底面には、それぞれが２０ミクロンから５０ミクロンの直径を 有する複数の開口４８がある。クロム，ニクロム又は金などの薄膜金属層５４が ある。各々の開口４８の焦点は対応するマイクロレンズ１６に合っている。開口 ４８は、マイクロレンズ１６に対する放射をいくつかの方向からに制限するため の視野絞りとして機能する。空間フィルタ４６は支柱５０によってウェハ３２上 に支持されている。レンズ１６と開口４８を真空封入するために、支柱５０はウ ェハ３２の周囲を囲むリングを形成していても良い。検出器１４のアレイはＩＲ 光に対するマイクロボロメータ又は他のＩＲ検出器てあっても良く、あるいは可 視光に対するＣＣＤアレイであっても良いが、ＣＣＤアレイの場合には、移動自 在のポリシリコン構造の代わりに透明な二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）又は窒化ケイ 素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの材料を使用し、シリコン基板の代わりにガラス又はサファ イアなどの光学材料を使用することになるであろう。検出器１４は懸垂された画 素であっても良く、あるいはウェハ１２の中に形成されても良い。検出器はＨｇ ＣｄＴｅ，ＰｔＳｉ又はＩｎＳｂなどの一般に使用されている多様な材料から形 成されていれば良い。関連するＩＲマイクロボロメータ技術はいくつかの米国特 許の中で開示されている。１９９４年２月１５日に発行され且つ本出願と同じ譲 受人に譲渡されたＢ．Ｃｏｌｅによる名称「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄ ｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ ＩＲ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」の米国特許第 ５，２８６，９７６号は、本特許出願にも参考として取入れられている。１９９ ３年１１月９日に発行され且つ本出願と同じ譲受人に譲渡されたＭ．Ｌｉｎ他に よる名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｂ ｏｌｏｍｅｔｅｒｓ」の米国特許第５，２６０，２５５号も、本特許出願に参考 として取入れられている。１９８９年１２月２９日に出願され、許可はされたが 、まだ発行されておらず且つ本出願と同じ譲受人に譲渡されたＪ．Ａｌｌｅｎ Ｃ ｏｘによる米国特許出願番号０７／４５８，８７８は二値光学マイクロレンズ検 出器アレイに関連する情報を開示しており、本特許出願に参考として取入れられ ている。 システム１０は、互いに対して移動自在である薄膜マイクロミラー２０及び２ ２と、空洞１８の同調のための薄膜圧電マイクロアクチュエータ２６と、入射光 をコリメートするマイクロレンズ１６と、赤外線（ＩＲ）感知を実行するマイク ロ構造検出器１２及び１４とを有し、それにより、ダイ上に仮想分光計を構成し ている。各々の回折マイクロレンズ１６は、各レンズ１６による光の回折がその 他のレンズとは異なるという意味で、独自のもの、すなわち、その他のマイクロ レンズ１６とは異なるものであっても良い。アクチュエータ２６は、アクチュエ ータ電極５６に印加された電圧で起動する。アクチュエータ２６はブリッジ２４ の支持部分の表面に接着されており、そのために、アクチュエータ２６の大きさ の変化がブリッジ２４の実際の動きで増幅されるというバイモル効果が得られる ので、アクチュエータ２６が伸縮するにつれて、ブリッジ２４の支持部分には片 持ち効果が加わる。圧電アクチュエータ２６は、熱バイモルなどの他の種類のア クチュエータと比較して速い。装置１０はモノリシック同調可能ＩＲフアブリ・ ペロー空洞１８を単一のシリコンウェハの上に組込んでいる。ミラー２０及び２ ２と、圧電（ＰＺＴ）アクチュエータ２６と、ブリッジ２４及びウェハ３２の上 のフィルタ１８の角部に位置する容量性感知電極２８とを含む構造は、ポリシリ コン膜，ＳｉＯ₂膜，Ｓｉ₃Ｎ₄膜及びＰＺＴ膜を成長させ且つ２枚のウェハを接 合する代わりに１枚のシリコンウェハで犠牲エッチ材料を使用することにより形 成できる。 容量性感知電極２８はミラー２０とミラー２２との間隔を感知するために取り 付けられている。電極２８が互いに接近するにつれて、電極間のキャパシタンス は増加し、それにより、フアブリ・ペロー空洞のミラーの間隔を指示する。電極 ２８は、最大キャパシタンス、あるいは対の電極２８の電気的接続又はショット を表わす。ミラー２０及び２２の最短間隔に対する物理的ストッパとして機能し ても良い。 装置をモノリシックにすることにより、現在のボロメータギャップ間隔に匹敵 する０．１から２マイクロメートルである臨界フアブリ・ペローギャップ間隔を より厳密に制御できる。素子のアレイ１４はＩＲ検出器に対する同調可能窓とし て一体真空パッケージの中にシリコンウェハに真空密封されている。空洞１８を 通る光をコリメートするように設計されているレンズ１６は、フアブリ・ペロー 空洞１８と位置を合わせて製造できる。いくつかの小さな空洞１８を使用すべき 場合には、この種の製造方法は有益である。 ＳｉＯ₂／Ｓｉ ミラーを伴うシリコンウェハの上に形成されたフアブリ・ペロ ー空洞１８は、ギャップを０．２マイクロメートルから２．３マイクロメートル の距離範囲にわたって変化させることにより、大気ガスが吸収を生じる２．５ミ クロンから５．５ミクロンの帯域の中間波赤外線（ＭＷＩＲ）について同調可能 である。また、フアブリ・ペロー空洞１８のギャップを適切に変化させれば、空 洞１８を８マイクロメートルから１２マイクロメートルにわたって同調すること もできる。さらに、ガラス基板上のＳｉ₃Ｎ₄膜マイクロ構造の上でＳｉＯ₂／Ｚ ｒＯ₂から成るミラー２０及び２２と、可視光透過ウェハとを使用することによ り、可視光での同調も可能である。 図２は、回折レンズ１６の代わりに屈折レンズ５８があるという点を除いて図 １の装置１０に類似している装置６０を示す。各々の屈折マイクロレンズ５８は 、その他のレンズとは異なる状態で光を屈折するという点で、他の屈折レンズ５ ８とは異なるものであっても良い。回折マイクロレンズ１６と屈折マイクロレン ズ５８は二値光学機能を伴って製造されていても良い。 図３は、空間フィルタ４６をもたないという点を除いて図１の装置１０に類似 する装置６２を示す。図４は、１つのフアブリ・ペローフィルタ１８の代わりに 多数のフアブリ・ペローフィルタ７４を有するという点を除いて図３の装置６２ に類似する装置６４を示す。個々のフィルタ７４は各々のマイクロレンズ１６と 検出器１４との間に配置されている。各フィルタ７４は１対のミラー７６及び７ ８を有する。各フィルタ７４のミラー７６及び７８の間隔は、その他のフィルタ ７４のミラーの間隔とは異なっていても良い。従って、各フィルタ７４は異なる 波長で高い透過率を有し、それぞれの検出器１４に入射する多様な放射を検出す るために同調できるであろう。 図１から図４の装置はマイクロレンズ又はレンズなしで使用されても良く、図 １１に示す装置１５０のように単に窓３２を有するだけでも良い。シリコン反射 などの事柄を回避するために、窓３２のような受光面は反射防止（ＡＲ）膜３３ で被覆されているであろう。ミラーを除き、光を受ける層の全ての面はＡＲ被覆 を行われるであろう。 図５は、検出器１４のアレイの代わりに検出器８０が１つしかないという点を 除いて図３の検出器６２に類似する装置６０を示す。マイクロレンズ１６のアレ イの代わりに、１つの回折マイクロレンズ８２が検出器８０の領域をほぼ覆って いる。図６の装置６８は、回折レンズ８２の代わりに１つの屈折レンズ８４を有 するという点を除いて図５の装置６６に類似している。装置６６及び６８は、有 効に機能するために高いｆナンバーを必要とするであろう。 図７の装置７０は、レーザーダイオードなどのレーザー光源であっても良い内 部基準放射源８６又はマイクロエミッタを有するという点を除いて、図３の装置 ６２に類似している。放射源８６からの光、すなわち、放射をフィルタリングし て、基準及びフィルタ１８の校正を目的とした十分に狭い周波数帯域を有する光 ９０の供給源を形成するために、透過率フィルタ８８又は狭帯域フィルタを使用 しても良い。光９０は、フィルタ１８のミラー２０及び２２により反射されるの であるが、基準光９０の周波数の光を最大量通過させるためにフィルタ１８が同 調されるようにミラーの間隔９６が定められているならば、光９２として検出器 ９４へ反射されるであろう。間隔９６が光９０を最大輝度のフィルタリング済み 光信号９２として通過させるのに最適の間隔ではない場合には、ブリッジ２４上 のミラー２２をミラー２０に対して、検出器９４に入射する光９２の強さを最大 にし、その結果として空洞校正制御電子回路９８に対する検出器９４の電気信号 を最大にする距離へ移動させるように、電子回路９８は圧電アクチュエータ２６ の電極５６にフィードバック信号を供給する。すなわち、ミラー２０及び２２の 間隔９６は、装置７０の温度変化及びその他の環境からの影響が生じている間、 最適のレベルに保持される。空洞校正システムを観測し、調整するために、モニ タ１００を使用しても良い。外部周囲光が光信号９０及び９２や、校正及び空洞 調整の活動を妨害する事態を阻止するために、マイクロレンズの上方の、校正光 の活動領域に光シールド１０２が配置されている。装置のアレイの角部に放射源 ８６と検出器９４を配置することができるであろう。選択時に様々な波長に合わ せてフアブリ・ペロー空洞１８を同調できるように、システム７０は複数の基準 光源８６と、波長の異なるフィルタ８８とを有していても良い。この校正システ ムは、たとえば、フアブリ・ペロー空洞７４の各々を異なる波長にそれぞれ校正 又は同調するときに、図４の装置６４にも適用できるであろう。 図８は、校正光源１０４がモノリシックマイクロフィルタ検出器の外にあると いう点を除いて図７の装置７０に類似している装置７２を示す。必要に応じて、 光源１０４の射出側に透過率フィルタ１０６を配置しても良い。光９０はマイク ロレンズ１０８と、フアブリ・ペローフィルタ１８のミラー２０及び２２とを通 過し、フィルタ１８が光９２を通過させるように十分に同調されていれば、フィ ルタ１８から光９２として射出して、検出器９４に至る。制御電子回路９８は、 光９２の輝度を最大にするためにブリッジ２４及びミラー２２をミラー２０に対 して移動させる圧電薄膜アクチュエータ２６の電極５６に対する信号を介して、 ミラー２０及び２２の間隔を調整する。装置７２の空洞校正電子回路９８及びモ ニタ１００は、図７の装置７０の場合と同様に機能する。同様に、様々な波長に 対してフアブリ・ペロー空洞１８を選択的に同調できるように、図８の装置７２ は、波長の異なる光を検出器９４又は複数の異なる検出器フィルタ１４へ発射す る複数の基準光源１０４及びフィルタ１０６を使用しても良い。この校正・同調 システムを図４の装置６０に適用しても良い。 図９ａは、フアブリ・ペローフィルタ１８のミラー２０及び２２の間隔９６を 調整するために電極１１４上で圧電スタック１１２を利用する装置１１０を示す 。間隔９６を感知するために、容量性電極２８を使用しても良い。装置１１０は 図７及び図８の装置７０又は７２の空洞校正制御電子回路９８と、関連システム とをそれぞれ組込んでいても良い。光１１８はマイクロレンズ１６を通してフィ ルタ１８に入射する。光１１８がフィルタ１８に対して適切な波長の光であれば 、光はフィルタ１８を通過して検出器１４に至る。ウェハ３２上のレンズは複数 の回折マイクロレンズ１６，複数の屈折マイクロレンズ、あるいは単一の回折レ ンズ又は屈折レンズとすることができる。ウェハ１２上の検出器１４のアレイの 代 わりに、単一の検出器を使用しても良い。また、装置１１０を可視光などのＩＲ 以内の波長で機能すべき材料及び寸法をもって装置１１０を構成しても良い。ミ ラー２２は、検出器１４のアレイを含むウェハ１２の上に支柱１２４により支持 されたウェハ１２２の上に形成されている。電極１１４を伴う圧電スタック１１ ２はウェハ１２０の上に形成されている。スタック１１２と電極１１４はウェハ ３２とウェハ１２０との間にリングを形成して、フィルタ１８及び検出器１４を 真空密封する壁を形成しても良い。図９ａの装置１１０は、図７及び図８に開示 されているのと同じフアブリ・ペロー空洞校正システムを組込んでいても良い。 図９ｂは、シリコンエッチピット１８０から形成されるウェハ１７２の上に形 成又はマイクロマシニングされたマイクロレンズ１６を有するフィルター検出器 １７０を示す。シリコンウェハ１２は領域１７４でウェハ１７２に接合又ははん だ付けされている。空間フィルタ５４、又は空間フィルタがなければウェハ５２ は領域１７４でウェハ１７２に接合又ははんだ付けされている。本質的には、装 置１７０は、シリコンエッチピット１８０により規定された空間１７８及び１８ を伴って一体にはんだ付け又は接合された３枚のウェハ５２，１７２及び１２を 有する構造である。ブリッジ１７６は調整自在のミラー２２を支持する。圧電ア クチュエータ１８２は、フアブリ・ペロー空洞１８のギャップ９６を調整するた めに移動を行う。その他の図中符号を付された素子は、本出願の中で開示されて いる他の装置の同じ図中符号の素子に類似している。 図１０ａは、ウェハ３２上のマイクロレンズ１６のアレイを示す。図１０ｂは 、基板１２上の検出器１４のアレイを示す。図１０ｃは、開口４８を有する空間 フィルタ５４を示す。 図１２ａ及び図１２ｂは、マイクロレンズを有していない場合、有している場 合それぞれのフアブリ・ペロー空洞１８における光の円錐角を示す。光１５４は マクロ（前方）光学系１５２を通り、図１２ａのようにミラー２０，空洞１８及 びミラー２２を光１５６として通過する。図１２ｂでは、光１５４は光学系１５ ２を通り、マイクロレンズ１６，ミラー２０，空洞１８及びミラー２２を光１５ ８として通過する。尚、マイクロレンズを通過した光１５８の円錐角はマイクロ レンズを通過しなかった光１５６よりはるかに小さい。この効果は図３にも示さ れている。図１２ｃは、マイクロレンズ１６を伴わない場合の軸外れ視野点を示 す。その結果、フアブリ・ペロー空洞１８における光１６０の円錐角は大きくな る。図１２ｄは、マイクロレンズ１６を伴う場合の軸外れ視野点を示す。その結 果、フアブリ・ペロー空洞１８における光１６２の円錐角は小さくなっている。 図１２ｅは、マイクロレンズ１６を有し且つ空間フィルタ５４がない場合の部分 画素軸外れ視野点を示し、フアブリ・ペロー空洞１８における光１６４の波面角 は大きい。図１２ｆは、開口４８を有する空間フィルタ５４を伴う場合の画素軸 上視野点の光１５４及び部分画素軸外れ視野点の光１６６の結果を示す。部分画 素軸外れ視野点の光１６６は阻止されており、画素軸上視野点の光１５４は空間 フィルタ５４の開口４８を通過する。 フアブリ・ペロー空洞１８を検出器１２及び１４と集積すると、チップ上に分 光計が形成される。フアブリ・ペロー空洞１８のシリコンウェハは検出器アレイ 又は検出器素子１４の上に集積真空窓３２として作用しても良く、支柱３４は検 出器アレイ又は検出器素子１４に対して窓３２と空洞１８を支持している。窓３ ２と、空洞１８と、アレイ１４とを含むこの装置は、パッケージ窓３６と、アレ イ１４の支持体３８とから構成され、壁４０及び縁部シール４２を含むパッケー ジの中に収納されており、内部が真空である容器の中に分光計を収納するこのパ ッケージは図１３ａに示されている。図１３ｂは、空洞１８と一体の窓として機 能すると共に、空洞１８及びアレイ１４に対して真空を維持するためのパッケー ジ窓及び密封支持体３０としても機能するフアブリ・ペロー空洞１８のシリコン ウェハ３２を作動するための電気的接続をも成立させる支柱４４を使用して、フ アブリ・ペロー空洞１８が検出器１４に接合されており、そのため、圧搾膜の減 衰はなく、ボロメータの動作が改善されるような代替構成を示す。この場合、パ ッケージは空洞１８と一体化されている。 マイクロレンズ１６を図１３ａ及び図１３ｂの構造と一体化すると、顕微的フ アブリ・ペロー空洞によって達成できる性能より高い性能が得られる。マクロ型 レンズを利用するフアブリ・ペロー空洞の問題点は、空洞１８に異なる角度で入 射した光が設計帯域周波数から同調が外れてしまうことである。空洞１８が限ら れた視野の中で動作する場合、様々な視野点が様々な角度で空洞を通過するため に、分解能は低下する。この問題の解決方法は、狭い視野をもって動作させるか 又は分光分解能を低下させて動作させることてある。この問題を解決するために 、本発明によれば、マイクロレンズ１６を使用して、様々な視野点から空洞を通 過する光をコリメートし且つ大きな視野が使用されるときでも分解能を維持する 。マイクロレンズ１６は検出器１４のピッチに合わせて設計されなければならず 、また、マイクロレンズ１６は画素における光をコリメートすることにより、限 られた視野を使用し且つ巨視的なフアブリ・ペロー空洞では不可能であった高い 波長分解能を実現しなければならない。 マイクロレンズ１６はフアブリ・ペロー空洞ウェハ３２の背面に形成できる。 シリコンウェハ３２は、各マイクロレンズ１６と対応する検出器１４とをさらに 近接させてビームの広がりを回避するために薄く形成されても良い。すなわち、 マイクロレンズ１６は肉薄のシリコンウェハ３２の上に形成される。マイクロレ ンズ１６は焦点面に位置しており、検出器１４又はアレイ１４はごく近接してい る。検出器１４が１つであるとき、位置は焦点面の場合ほど重要ではなく、空間 分解能は距離に応じて劣化する。図１４ａは、通常のシリコンウェハ上の集積マ イクロレンズ１６を示す。図１４ｂは、集積マイクロレンズ１６及び肉薄ウェハ ３２を示す。 装置を中程度の電圧により高速で駆動するための一般的な材料は、テクニカル バルクＰＺＴセラミックである。バルク材料に対し、ＰＺＴ膜はいくつかの利点 を示す。たとえば、小型のＰＺＴバイモルは小さな質量を移動させるのに十分な 力を発生することができ、従って、チップで必要とする面積はごくわずかである 。ＰＺＴマイクロアクチュエータ２６はこのような特性を有する。コンデンサと は異なり、ＰＺＴアクチュエータ３２はチップの面積の大半をＩＲ透過のために 利用できる状態に保持する。力が間隔と反比例しつつ減少するキャパシタンス作 動とは異なり、ＰＺＴの力と変位は電圧に伴って直線的である。 マイクロ製造構造は小型であるため、ＩＲ検出器１４，ＩＲ放射器及び表示装 置などのアレイに対応できる。フアブリ・ペロー空洞をアレイ１４の前方に直接 に装着することができるので、空洞１８のコストは低減され、また、マイクロレ ンズ１６の使用が可能になる。薄膜はんだと、蒸着金属スペーサ又は電気めっき 金属スペーサとを使用してウェハ間を金属接合することにより、装置を一体真空 パッケージの中に組込むことができるので、製造コストは低減され、構造は単純 になり、周囲環境に対する頑丈さが向上し、１つのダイで全波長に対し同調可能 機能が得られる。微細構造においては重要な事項である圧搾膜減衰は、真空パッ ケージングによって起こらなくなっている。システムをカプセル化チャンバの中 に実装しているため、ちり粒子の問題もない。 装置１０の構造の質量が小さいということは、空洞１８の寸法を急速に変化さ せるために能動制御を使用できることを意味している。さらに、質量が小さいた めに、振動衝撃を加速することによる感度は最小限に抑えられる。空洞の四角で の容量性感知と、圧電駆動とを組合せることにより、空洞同調及び走査の能動制 御が実行される。温度ドリフト，振動及び加速の能動補正が実現される。 装置１０のサイズが小さいため、アレイ１４の寸法が小さくても、空洞１８を 安定させるのが容易になり、空洞１８の間隔は巨視的システムの場合とほぼ同じ である。支持脚部がより短く、また、装置全体の大きさを考えると、熱膨張効果 は小さくなる。必要に応じて、ボロメータアレイを空洞１８を安定させるために 使用できるので、付加的なＴＥクーラーがパッケージに接続される。ＴＥクーラ ーはほとんど電力を必要としない。 所望の分解能と、所定の場所の光学系に応じて、中間視野点からの放射を阻止 するために、マイクロレンズ１６の前方に空間フィルタが必要になる場合もある 。 装置１０の特性のいくつかは、きわめて平坦なポリシリコンと、窒化シリコン と、酸化シリコンとから成る構造を有するフアブリ・ペロー空洞１８のミラー２ ０及び２２に関連している。空洞１８のミラー２０及び２２を同調し、制御する ための圧電減衰などの能動制御のために、ＰＺＴ薄膜及び感知コンデンサが使用 されている。マイクロレンズ１６は透過率を増加させ、また、フィルタ１０のス ペクトル分解能を向上させる。ＩＲエミッタと検出器は微細構造である。検出器 １４とフアブリ・ペロー空洞１８を真空カプセル化することにより、空気減衰及 び粒子は減衰する。 図１５は、ギャップがそれぞれ０．２０マイクロメートル、０．９４マイクロ メートル，１．５０マイクロメートル，２．３０マイクロメートルのときのＩＲ 放射の透過率と波長との関係と共に同調可能フアブリ・ペロー空洞のスペクトル 範囲を示す。 図１６ａ〜図１６ｃは、様々なミラー２０及び２２に関して、９．５ミクロン の光の波長に合わせて調整された（たとえば、図３の装置６２の）フアブリ・ペ ローフィルタ１８の透過率と、波長との関係を示す。図１６ａは、ミラー上に３ 対の層を有するミラー２０及び２２を含むフィルタ１８のフィルタリングを表わ す。図１６ｂ及び図１６ｃは、各ミラー上にそれぞれ４対と、５対の層を有する ミラー２０及び２２を含むフィルタ１８のフィルタリングを表わす。ミラー２０ 及び２２の層の数が増えれば、それに応じてフィルタ１８の帯域特性は狭くなる 。 図１７ａ及び図１７ｂは、各ミラー上に１対の層を有するミラー２０及び２２ を含む（たとえば、図３の装置６２の）フィルタ１８を通して８ミクロンの光を フィルタリングするための透過率と波長との関係のグラフである。レンズ１６の アレイの面への垂線に対する光線の入射角は、図１７ａの場合は０度、図１７ｂ の場合には２０度である。入射する光の入射角が２０度変化すると、フィルタリ ングされる光の中心波長は約１／４ミクロンずれる。 図１８は、フアブリ・ペローマイクロフィルタ検出器１３０と組合せたシステ ム１２６の使用を示すシステム１２８を示す。マイクロレンズ１３２はターゲッ ト領域１３４をＩＲマイクロボロメータアレイまたはＣＣＤアレイ１３６に焦点 合わせする。このアレイはターゲット１３４を画像１３５として位置決めする。 十字線１３８は、煙突１４３から出た煙１４０の中に存在すると思われる汚染物 質に焦点を合わせる。その十字線１３８の焦点合わせ領域はビーム分割器１４４ により圧電同調可能フアブリ・ペローマイクロフィルタ検出器１３０（図１〜図 ９に示した検出器の１つに類似するもの）へと反射される。光のスペクトル測定 は、特定の波長（４．３ミクロンのＣＯ₂線など）で検出される光の吸収の量に 従って、たとえば、周囲日光により広帯域バックライティングされた煙１４０の 中の特定の物質の、たとえば、パーツパーミリオン（ｐｐｍ）（２５ｐｐｍのＣ Ｏ₂など）を支持しうるスペクトル解析出力１４６をマッピングする同調可能フ ィルタ検出器１３０によって行われる。 図１９は、例示サンプルとして様々な物質に関する吸収線を示す図表である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホーニング，ロバート・ディ アメリカ合衆国・55306・ミネソタ州・バ ーンズビル・オークショア ドライブ・４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．検出器と； 前記検出器に近接する同調可能フアブリ・ペローフィルタと； 前記同調可能フアブリ・ペローフィルタに近接して配置された窓とを具備する マイクロ同調可能フアブリ・ペローフィルター検出器。 ２．第１のウェハと； 前記第１のウェハ上に形成された検出器のアレイと； 前記第１のウェハ上に形成され、前記検出器のアレイを取囲むリングと； 第２のウェハと； 前記第２のウェハ上に形成された第１のミラーと； ブリッジ構造と； 前記ブリッジ構造の上に形成された第２のミラーと； 前記第１のミラーと前記第２のミラーが互いに対向するように前記ブリッジ構 造を前記第２のウェハに装着することにより形成されたフアブリ・ペロー空洞と ； 前記ブリッジ上に前記第２のウェハに近接して形成され、前記フアブリ・ペロ ー空洞を同調するように前記第１のミラーと前記第２のミラーの互いの離間距離 を変化させることができるアクチュエータとを具備し、 前記第２のウェハを前記リングの上に配置し、その結果、前記フアブリ・ペロ ー空洞及び前記検出器のアレイを収納した密封閉込め構造を形成したモノリシッ クマイクロ同調可能フアブリ・ペローフィルター検出器。 ３．第１のウェハと； 前記第１のウェハ上に形成された第１のミラーと； 第２のウェハと； 前記第２のウェハ上に形成されさらた第２のミラーと； 前記第１のウェハ及び前記第２のウェハに結合する少なくとも１つの調整自在 な支持体と； 第３のウェハと； 前記第３のウェハ上に形成された少なくとも１つの検出器と； 前記第２のウェハと、前記第１のミラー及び前記第２のミラーとを前記第１の ウェハと、前記第３のウェハとの間で且つ支持障壁の内側に封入するように、前 記第１のウェハ及び前記第３のウェハに結合する支持障壁とを具備する同調可能 フアブリ・ペローフィルター検出器。 ４．前記第１のウェハに形成されたマイクロレンズアレイをさらに具備し、 前記調整自在の支持体は、前記第１のミラー及び前記第２のミラーにより形成 されるフアブリ・ペローフィルタを同調するように前記第１のミラーと前記第２ のミラーとの間の距離を調整する薄膜圧電アクチュエータである請求項３記載の フィルター検出器。 ５．第１の基板の上に形成され、光をフィルタリングする調整自在の空洞手段 と； 第２の基板の上に形成され、前記調整自在の空洞手段からの光を検出する検出 器手段とを具備する同調可能空洞フィルター検出器。 ６．前記調整自在な空洞手段に装着され、前記空洞手段に対する調整動作を検 出し、その結果として前記空洞手段を同調する圧電アクチュエータ手段をさらに 具備する請求項５記載のフィルター検出器。 ７．前記調整自在の空洞手段に近接し、前記空洞手段へと光を通過させる窓手 段をさらに具備する請求項６記載のフィルター検出器。 ８．前記窓手段は少なくとも１つの回折レンズを有する請求項７記載のフィル ター検出器。 ９．前記窓手段は少なくとも１つの屈折レンズを有する請求項８記載のフィル ター検出器。 １０．前記窓手段を覆うように形成され、前記窓手段に入射する光を空間フィ ルタリングする空間フィルタ手段をさらに具備する請求項８記載のフィルター検 出器。 １１．前記空間フィルタ手段は少なくとも１つの回折レンズを覆うように位置 する開口を有する請求項１０記載のフィルター検出器。 １２．基板と； 前記基板上に形成されたマイクロボロメータ検出器のアレイと； 前記基板の周囲に形成された支持壁と； 窓ウェハと； 前記窓ウェハの上に形成された第１のミラーと； 端部が前記窓ウェハに装着されているブリッジと； 前記ブリッジ上に、前記第１のミラーに近接し且つそれとほぼ平行に形成され 、フアブリ・ペロー空洞を形成する第２のミラーと； 前記ブリッジの端部に形成され、フアブリ・ペロー空洞を特定の光の波長に同 調するように前記第１のミラーと、前記第２のミラーとの間の距離の圧電作動調 整を実行する少なくとも１つの圧電アクチュエータとを具備するモノリシック同 調可能空洞フィルター検出器。 １３．前記窓ウェハは少なくとも１つのマイクロレンズを具備する請求項１２ 記載のフィルター検出器。 １４．少なくとも１つのマイクロレンズは回折レンズである請求項１３記載の フィルター検出器。 １５．回折レンズは二値回折レンズである請求項１４記載のフィルター検出器 。 １６．少なくとも１つのマイクロレンズは屈折レンズである請求項１３記載の フィルター検出器。 １７．前記窓ウェハ上の反射防止膜をさらに具備する請求項１４記載のフィル ター検出器。 １８．前記窓ウェハの上に形成された空間フィルタをさらに具備する請求項１ ７記載のフィルター検出器。 １９．前記基板上に配置され、第１の周波数の第１の光を前記第２のミラーを 介してフアブリ・ペロー空洞の中へ発射する少なくとも１つの光源と； 前記マイクロボロメータ検出器のアレイの少なくとも１つの検出器と、前記少 なくとも１つの圧電アクチュエータとに接続し、フアブリ・ペロー空洞からの第 １の光に応答した少なくとも１つのマイクロボロメータ検出器からの第２の大き さの第２の信号に応答して、第２の大きさを有する第１の信号を前記少なくとも １つの圧電アクチュエータに供給する能力を有し、少なくとも１つの圧電アクチ ュエータに対する第１の信号は、第２の信号の大きさが特定の値に近づき且つそ の特定の値に維持されることにより、フアブリ・ペロー空洞が前記第１の光の第 １の周波数に同調される結果となるように、フアブリ・ペロー空洞の前記第１の ミラーと、前記第２のミラーとの間の距離を調整するような制御電子回路とをさ らに具備する請求項１２記載のフィルター検出器。 ２０．電界検出器の外側に配置され、第１の波長の第１の光を前記窓ウェハ及 び前記第１のミラーを介してフアブリ・ペロー空洞の第１の部分の中へ発射する 光源と； 前記マイクロボロメータ検出器のアレイの中の、フアブリ・ペロー空洞の第１ の部分に近接する少なくとも１つの検出器と、前記少なくとも１つの圧電アクチ ュエータとに接続し、少なくとも１つの検出器に近接しているフアブリ・ペロー 空洞の第１の部分からの光に比例する、少なくとも１つの検出器からの第２の大 きさの第２の信号に応答して、第１の大きさを有する第１の信号を前記少なくと も１つの圧電アクチュエータに供給する能力を有し、少なくとも１つの圧電アク チュエータに対する第１の信号は、第２の信号の大きさが特定の値に近づき且つ その特定の値に維持されることにより、フアブリ・ペロー空洞が前記第１の光の 第１の波長に同調されるように、フアブリ・ペロー空洞の前記第１のミラーと、 前記第２のミラーとの間の距離を調整するような制御電子回路とをさらに具備す る請求項１２記載のフィルター検出器。