(57)【要約】  本発明は、ガス媒体で充填されたハウジング内の、光学素子と網目状の複数の薄膜による赤外線センサ構造を成す個々のセンサセルを有する１つ以上のセンサチップとを備えるサーモパイル赤外線単一センサに関する。これらの薄膜の赤外線感知領域が、熱を良好に伝達するキャリア本体内の空洞の上でそれぞれ少なくとも１つの梁によって張設されている。本発明の課題は、十分に大きい感知面の場合に高い信号を高い応答速度で出力し、通常の圧力にされている又は減圧されているガス媒体の下で作動され得、ハウジングを密封するための技術に経費をかけずに大量生産され得る、モノリシック・シリコン・マイクロメカニカル技術で製造される非接触式の温度測定又はＮＤＩＲ方式のガス検出用のサーモパイル赤外線センサを提供することにある。本発明により、１つの単一チップの共通の１つのキャリア本体１上の当該薄膜１２上の複数のサーモパイル構造体１４，１５を有するそれぞれ１つの赤外線感知領域を備える隣接したそれぞれ複数個の単一センサセル１８が、１つのベースプレート３によって密封されている１つのキャップ１２から成る共通のガス媒体１０で充填された当該ハウジング内で、１つの信号出力部を有する１つの単一サーモパイルセンサ構造体に統合されていることが達成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス媒体で充填されたハウジング内の、光学素子と網目状の複数の薄膜による赤外線センサ構造を成す個々のセンサセルを有する１つ以上のセンサチップとを備えるサーモパイル赤外線単一センサであって、これらの薄膜の赤外線感知領域が、熱を良好に伝達するキャリア本体内の空洞の上でそれぞれ少なくとも１つの梁によって張設されている当該サーモパイル赤外線単一センサにおいて、
１つの単一チップの共通の１つのキャリア本体（１）上の前記薄膜（１２）上の複数のサーモパイル構造体（１４，１５）を有するそれぞれ１つの赤外線感知領域を備える隣接したそれぞれ複数個の単一センサセル（１８）が、１つのベースプレート（３）によって密封されている１つのキャップ（１２）から成る共通のガス媒体（１０）で充填された前記ハウジング内で、１つの信号出力部を有する１つの単一サーモパイルセンサ構造体に統合されていることを特徴とするサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項２】
各単一チップの個々のセンサセル（１８）の複数の信号が、直列回路若しくは並列回路によって、又は直列回路と並列回路との組み合わせによって１つの出力信号に合成され、１つの端子（４）を通じて出力されることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項３】
前記空洞（１１）は、前記赤外線感知領域を有するそれぞれの薄膜（１２）の下にウェハの後面から食刻形成されている垂直壁又はほぼ垂直な壁を有することを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項４】
前記空洞（１１）は、前記赤外線感知領域を有するそれぞれの薄膜（１２）の下に前記薄膜内のスリットを通じて前面からエッチングされている傾斜壁を有することを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項５】
前記共通のガス媒体（１０）は、通常の大気圧下で、キセノン、クリプトン、アルゴンのような、空気よりも著しく大きいモル質量を有する気体であることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項６】
前記前記共通のガス媒体（１０）は、通常の大気圧よりも著しく小さい圧力を有する気体又は気体混合物である請求項５に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項７】
１つのセンサチップのそれぞれの前記単一センサセル（１８）の信号が、１つの単一プリアンプ、インピーダンス変換器又はＡ／Ｄ変換器を有する１つの単一前置処理チャネル（１９）を通じて伝送されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項８】
複数の前記単一センサセルの前記単一前置処理チャネル（１９）のうちの幾つか又は全ての単一前置処理チャネル（１９）が、少なくとも１つの積分機能又は１つの低域通過機能を有することを特徴とする請求項７に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項９】
１つのセンサチップの複数の前記単一センサセルの前置処理された複数の信号が、マルチプレクサ及び／又はマイクロコントローラのような電子加算回路（２０）内で１つの出力信号に合成されることを特徴とする請求項７又は８に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項１０】
前記単一セル（１８）の前記信号処理チャネル（１９）と加算装置（２０）とは、共通のガス媒体（１０）と一緒に前記センサハウジング内の同じ前記半導体キャリア本体（１）上に又は隣接した１つの半導体チップ上に収容されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項１１】
前記信号処理チャネル（１９）と前置加算装置（２０）とのほかに、温度若しくは電圧の基準値又は温度若しくはガスの濃度を算定するための別の電子信号処理装置が、共通のガス媒体と一緒に前記センサハウジング内の同じ前記半導体キャリア本体（１）上に又は隣接した１つの半導体チップ上に収容されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項１２】
前記サーモパイル構造体（１４，１５）は、ＣＭＯＳプロセスで被覆されたｎ型導電性のポリシリコン及びｐ型導電性のポリシリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム又はシリコンとゲルマニウムとから成る混合体から成るか、又はビスマス若しくはアンチモンから成る薄い熱電金属膜から成ることを特徴とする請求項１に記載のサーモパイル赤外線単一センサ。
【請求項１３】
共通の１つのキャップ（２６）の下の共通の１つのベースプレート（２７）上に並んでそれぞれ１つのセンサチャネルを形成している請求項１〜１２のいずれか１項に記載の少なくとも２つのサーモパイル赤外線単一センサのガス検出器としての使用において、
異なる波長の独立した１つの光学フィルタ（２３，２４）が、それぞれのチャネルに対して設けられていて、
それぞれ１つの隔壁（２５）が、隣接した複数のセンサチャネル間に配置されている当該使用。
【請求項１４】
複数の前記センサチャネルのうちの１つのセンサチャネルが、基準フィルタを備えている請求項１３に記載の使用。
【請求項１５】
複数の前記センサチャネルを形成している複数のサーモパイル赤外線単一センサが、ＮＤＩＲ方式のガス検出のために使用される請求項１３又は１４に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス媒体で充填された、光学素子と網目状の複数の薄膜による赤外線センサ構造を成す個々のセンサセルを有する１つ以上のセンサチップとを備えるハウジング内の、温度を測定するか又はシリコン・マイクロメカニカル技術でガスを検出するためのサーモパイル単一センサに関する。これらの薄膜の赤外線感知領域が、熱を良好に伝達するキャリア本体内の空洞の上でそれぞれ少なくとも１つの梁によって張設されている。
【背景技術】
【０００２】
シリコン・マイクロメカニカル技術で製造されるサーモパイル赤外線センサは、様々な構成で存在する。例えば、独国特許出願公開第１０１４４３４３号明細書では、１つの薄膜上の赤外線感知面によって受信すべき信号を最大にするため、垂直又はほぼ垂直な複数の壁によって可能な限り大きい当該薄膜を赤外線受信面として有する１つのサーモパイルセンサチップが示されている。この薄膜は、同時にヒートシンクとして形成されているシリコンキャリア本体内の凹部の上に張設されている。
【０００３】
別の解決策が、独国特許出願公開第１０３２１６３９号明細書で提唱される。当該解決策では、複数のサーモパイル素子が設けられている。これらのサーモパイル素子の温端部が、薄膜上に設置されていて、これらのサーモパイル素子の冷端部が、シリコンキャリア本体上に存在する。
【０００４】
これらの構成の場合、均一に薄い１つの薄膜が、多数のサーモ素子、例えばサーモパイル素子を支持する点で共通していて、センサチップが、大気圧を呈し、一般に乾燥空気又は乾燥窒素を有するハウジング内に実装されている。可能な限り大きい信号電圧を複数のサーモパイルセンサ素子で確保するためには、これらのサーモパイルセンサ素子の熱電対が、可能な限り長く形成されている必要がある。何故なら、これにより、より小さい熱伝導と、したがってこれらの熱電対の温端部と冷端部との間のより高い温度さが達成されるからである。
【０００５】
したがって、多くの用途向けのより小さいチップ面では、十分に高い信号電圧が得られず、測定時のＳ／Ｎ比又は検出限界が、その要求を十分に満たさない。このようなチップが、ガス検出のために使用される場合、センサの感知面積が、それだけで例えば１×１ｍｍ以上に選択される必要がある。このとき、これらのセンサチップ自体が、依然として著しくより大きい。このことは、ユーザにとって欠点である。
【０００６】
面ごとに得られる信号電圧は、多くの用途にとって十分でなく、当該大きい面が、大きい時定数（熱慣性）を有し、したがって応答時間が非常に遅くなることが欠点である。したがって、多数のサーモ素子を有する均一に構成されていない薄膜によっては、必要な信号電圧が、小さい応答時間で達成され得ない。
【０００７】
単一サーモパイルセンサが、国際公開第９１０２２２９号パンフレットで提唱される。この単一サーモパイルセンサでは、可動な単一薄膜が、チップ本体内の凹部の上に配置されている。この単一薄膜は、可能な限り長い１つの梁を介して１つのヒートシンク、すなわち当該チップ本体の縁部に結合されている。当該凹部を限定する複数の傾斜壁が、当該チップ本体内の凹部を製造するために使用されるエッチング法によって形成される。このセンサの場合、当該薄膜上のより良好な吸収領域に起因して、より大きい信号が、より小さい面積で確保され得る。しかしながら、当該吸収領域を包囲している「通常の大気」（すなわち、空気、窒素）の熱伝導率は、当該センサが十分に高い信号を得ることを阻止する。さらに、当該傾斜壁には、それらの感知面積が非常に大きく、したがってチップの全体が非常に高価になるという欠点がある。
【０００８】
さらに、独国特許出願公開第１０２０１００４２１０８号明細書では、シリコン・マイクロメカニカル技術で製造されるサーモパイル赤外線センサが提唱される。センサチップの薄膜が、複数のスリットを有し、赤外線を受信する吸収領域を有する内面が、複数の薄いウェブに張設されていることによって、当該サーモパイル赤外線センサは、著しくより高い信号電圧を非常に小さい面積で達成し得る。幾つかの熱電対が、これらのウェブを介してシリコン縁部（「冷」接点）から当該吸収領域（「温」接点）まで敷設される。当該内部の吸収面の絶縁を高めるため、当該センサ素子が、ハウジング内で空気よりも著しく小さい熱伝導率の媒体で包囲される。
【０００９】
こうして、非常に高い信号が、非常に小さい複数の薄膜に対して達成され得る。しかし、当該吸収面の大きさが、いわゆるＮＤＩＲ方式のガスセンサのために一般的に少なくとも必要な０．５×０．５ｍｍ．．．１×１ｍｍまで増大すると、当該吸収面の機能が低下する結果、時定数が長くなる。すなわち、センサチップの応答速度が低下し、当該センサは、多くの用途にとって非常に遅くなる。
【００１０】
また、米国特許第４４７２２３９号明細書及び米国特許第４６５４６２２号明細書には、薄膜及びスリットの下にあるキャリア基板の一部をエッチングするための当該薄膜及びスリットを有する熱センサ構造体が提唱される。当該両明細書の場合、当該薄膜及びスリットの下にある凹部の深さが専ら浅い。その結果、−上記の解決策のように−高真空に気密しない低コストのハウジング対策の場合は、感度が専ら低い。
【００１１】
独国特許出願公開第１９９５４０９１号明細書及び米国特許第６３４２６６７号明細書には、サーモパイルセンサセルが記載されている。当該サーモパイルセンサセルの場合、薄膜の縁領域内の大きい三角形状のスリット構造体又は当該薄膜の中央の交差状のスリット構造体によって、当該センサ構造体の下の凹部がエッチングされる。当該両スリット構造体は、ウェット法によって実行される。このウェット法は、傾斜壁に起因してヒートシンクまでの大きい間隔を当該縁部に形成させない。平行に配置された多数の熱電対が、「温」接点と「冷」接点との間の大きい温度差、すなわち高い信号感度の達成を阻止する。
【００１２】
独国特許出願公開第１９８４３９８４号明細書には、複数の赤外線センサの複数のセルが提唱される。個々のセルの複数の凹部が、基板の全体を貫通する複数の垂直壁を有する。この場合、この基板が、当該凹部を包囲する。１つの薄膜が、当該凹部の上に存在する。しかしながら、高い感度を可能にしない多数の短めの熱電対も設けられている。当該凹部は、マイクロメカニカルな解決策によって、例えば当該薄膜内の開口部を通じたエッチングによって製造される。この場合、当該エッチングの深さは、５０〜２００μｍに達し得る。この場合、当該薄膜上のセンサ構造体とヒートシンクとの間の最大で２００μｍの短い間隔が欠点である。その結果、ガスの熱伝導率に起因して、高い感度が得られない。
【００１３】
さらに、独国特許第４０９１３６４号明細書では、薄膜とスリット付き構造体とを有する１つのサーモパイルセンサセルが提唱される。当該薄膜上の吸収領域が、１つの長い梁と幾つかの熱電対とによって保持される。この場合、複数の孔又は複数のスリットが、当該薄膜内に存在する。これらの熱電対と１３０μｍの幅とを有する当該梁が、同様に幅広のスリットによって基板縁部と当該吸収領域とから絶縁されている。当該センサ構造体の下にあるキャリア基板が、その後面からウェットエッチングされる。その結果、複数の傾斜壁が、当該基板内に形成される。当該配置の全体が、保護ガスから成る充填剤で充填される。
【００１４】
原理的には、より高い温度差及び感度が、このような解決策によって達成され得る。しかしながら、当該幅広のスリットが、当該センサセルの面積の最適な使用（充填度）を阻止する。当該キャリア基板内のウェットエッチングされた凹部は、外側に向かって傾斜した複数の壁を有する。この場合、当該センサセルの全体は、約２×２ｍｍの大きさになる。当該外側に向かって傾斜している複数の基板壁は、複数の小さいセンサセル又は複数のセル間隔を形成しない。当該張設された受信面の大きい構造体は、応答速度を遅くし、時定数を大きくする。その結果、速い測定を必要とする多くの測定は不可能である。
【００１５】
要約すると、上記の従来の技術で提唱されている熱赤外線センサセルでは、吸収領域の十分な熱絶縁なしの広い面積のチップ技術に起因して、面ごとに信号が非常に小さく、又は個々の吸収領域の十分に大きい感知面の場合に、時定数が非常に大きく、それ故に測定中の応答が非常に緩慢で且つ遅いことが認識され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１４４３４３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０３２１６３９号明細書
【特許文献３】国際公開第９１０２２２９号パンフレット
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０１００４２１０８号明細書
【特許文献５】米国特許第４４７２２３９号明細書
【特許文献６】米国特許第４６５４６２２号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第１９９５４０９１号明細書
【特許文献８】米国特許第６３４２６６７号明細書
【特許文献９】独国特許出願公開第１９８４３９８４号明細書
【特許文献１０】独国特許第４０９１３６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、十分に大きい感知面の場合に高い信号を高い応答速度で出力し、通常の圧力にされている又は減圧されているガス媒体の下で作動され得、ハウジングを密封するための技術に経費をかけずに大量生産され得る、モノリシック・シリコン・マイクロメカニカル技術で製造される非接触式の温度測定又はＮＤＩＲ方式のガス検出用のサーモパイル赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題は、暴徒で述べた種類のサーモパイル赤外線単一センサにおいて、１つの単一チップの共通の１つのキャリア本体上の当該薄膜上の複数のサーモパイル構造体を有するそれぞれ１つの赤外線感知領域を備える隣接したそれぞれ複数個の単一センサセルが、１つのベースプレートによって密封されている１つのキャップから成る共通のガス媒体で充填された当該ハウジング内で、１つの信号出力部を有する１つの単一サーモパイルセンサ構造体に統合されていることによって解決される。
【００１９】
本発明の第１の構成では、各単一チップの個々のセンサセルの複数の信号が、直列回路若しくは並列回路によって、又は直列回路と並列回路との組み合わせによって１つの出力信号に合成され、１つの端子を通じて出力される。
【００２０】
好ましくは、当該空洞は、当該赤外線感知領域を有するそれぞれの薄膜の下にウェハの後面から食刻形成されている垂直壁又はほぼ垂直な壁を有する。
【００２１】
代わりに、当該空洞は、当該赤外線感知領域を有するそれぞれの薄膜の下に当該薄膜内のスリットを通じて前面からエッチングされている傾斜壁を有してもよい。
【００２２】
特に、当該共通のガス媒体は、通常の大気圧下で、キセノン、クリプトン、アルゴンのような、空気よりも著しく大きいモル質量を有する気体である。
【００２３】
特に、当該当該共通のガス媒体は、通常の大気圧よりも著しく小さい圧力を有する気体又は気体混合物である。
【００２４】
本発明の別の構成では、１つのセンサチップのそれぞれの当該単一センサセルの信号が、１つの単一プリアンプ、インピーダンス変換器又はＡ／Ｄ変換器を有する１つの単一前置処理チャネルを通じて伝送される。この場合、複数の当該単一センサセルの当該単一前置処理チャネルのうちの幾つか又は全ての単一前置処理チャネルが、少なくとも１つの積分機能又は１つの低域通過機能を有する。
【００２５】
さらに、１つのセンサチップの複数の当該単一センサセルの前置処理された複数の信号が、マルチプレクサ及び／又はマイクロコントローラのような電子加算回路内で１つの出力信号に合成される。
【００２６】
本発明のさらなる構成では、当該単一セルの当該信号処理チャネルと加算装置とは、当該センサハウジング内の同じ当該半導体キャリア本体上に又は隣接した１つの半導体チップ上に実装されている。
【００２７】
代わりに、当該信号処理チャネルと前置加算装置とのほかに、温度若しくは電圧の基準値又は温度若しくはガスの濃度を算定するための別の電子信号処理装置が、共通の媒体内当該センサハウジング内の同じ当該半導体キャリア本体上に又は隣接した１つの半導体チップ上に実装されている。
【００２８】
さらに、低コストの製造を保証するため、当該サーモパイル構造体は、ＣＭＯＳプロセスで被覆されたｎ型導電性のポリシリコン及びｐ型導電性のポリシリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム又はシリコンとゲルマニウムとから成る混合体から成るか、又はビスマス若しくはアンチモンから成る薄い熱電金属膜から成る。
【００２９】
本発明は、共通の１つのキャップの下の共通の１つのベースプレート上に並んでそれぞれ１つのセンサチャネルを形成している少なくとも２つのサーモパイル赤外線単一センサのガス検出器としての使用に特に適している。この場合、異なる波長の独立した１つの光学フィルタが、それぞれのチャネルに対して設けられていて、それぞれ１つの隔壁が、隣接した複数のセンサチャネル間に配置されている。
【００３０】
長期間安定性及びドリフト抵抗を改良するため、複数の当該センサチャネルのうちの１つのセンサチャネルが、基準フィルタを備えている。
【００３１】
複数の当該センサチャネルを形成している複数のサーモパイル赤外線単一センサが、ＮＤＩＲ方式のガス検出のために特に適している。
【００３２】
以下に、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ａ）垂直壁、ｂ）傾斜壁を有するハウジング内の、複合構造の単一チップを有する本発明のサーモパイル単一センサの基本構成を示す。
【図２】４重構造のセンサセルを有するサーモパイルセンサチップの配列を成す本発明のサーモパイルセンサの単一チップの上面図である。
【図３】それぞれ直列に接続されている９重構造のセンサセルを有する本発明の単一チップの上面図である。
【図４】プリアンプ又はインピーダンス変換器及び電子加算器によって個々の構造体の信号を加算する本発明のサーモパイルセンサの構成を示す。
【図５】例えばガス検出用のマルチチャネルセンサを有する本発明のサーモパイルセンサの別の構成を示す。
【図６】図２の細部Ａの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１ａ、ｂは、単一チップ上の本発明のサーモパイル赤外線単一センサの基本構成を示す。当該サーモパイル単一センサは、例えばシリコンから成る共通の１つのフレーム状半導体キャリア本体１上に実装されていて、１つのベースプレート２と、それぞれ１つのワイヤブリッジ５を介して当該フレーム状半導体キャリア本体１上の複数の端子パッド６に接続されている（図２，３）複数の電気端子４を有する１つのベッドプレート３と、１つのアパチャー開口部８と１つの光学素子９とを有する１つのキャップ７と、から成る１つのセンサハウジング内に存在する。この場合、当該センサハウジングは、ガス媒体１０を気密に閉じ込める。
【００３５】
キャリア本体１は、１つの空洞１１を有する。この空洞１１は、感知領域（吸収領域）を有する薄膜１２によって覆われていて、この薄膜１２は、複数の梁１３を介してヒートシンクとして使用されるフレーム状半導体キャリア本体１に結合されている。
【００３６】
薄膜１２上の中央の感知領域からキャリア本体１への熱対流を可能な限り小さく保持するため、ガス媒体１０は、空気又は窒素の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する気体又は気体混合物である。好ましくは、ガス媒体１０は、キセノン、クリプトン又はアルゴンのような高いモル質量を有する気体であるか又は通常の気圧に比べて著しく減少した内圧を有する気体である。この場合、大気とのガス交換が起きないように、当該センサハウジングが密封される必要がある。
【００３７】
１つの単一チップのキャリア本体１から成るセンサチップは、スリット付き薄膜１２と梁構造体１３とを有する複数の単一セル１８を含む。サーモパイル構造体のようなサーモ素子１３′が、当該梁構造体１３上に配置されている。当該サーモ素子１３′の「温」接点１４が、薄膜１２上に存在し、その「冷」接点１５が、キャリア本体１上に存在する。さらに、当該感知領域の熱質量を小さくさせ、応答速度を高くさせるため、（好ましくは、１μｍ未満の）薄い吸収層１５が、薄膜１２上に存在する。熱絶縁のためのスリット１７が、薄膜１２と梁１３との間と、当該梁１３とキャリア本体１との間に存在する（図２，３，６）。
【００３８】
当該サーモパイル構造体のサーモ素子は、異なる熱電極性の周知の熱電材料から成る。当該熱電材料は、例えばｎ型導電性のポリシリコン及びｐ型導電性のポリシリコン、（ドープされた）アモルファスシリコン、ゲルマニウム又はシリコンとゲルマニウムとから成る混合体のようなＣＭＯＳプロセスで被覆された半導体材料でもよく、又は（例えば、ビスマス、アンチモン等のような）被覆された薄い熱電金属膜でもよい。この場合、それらの厚さはそれぞれ、１μｍ未満である。
【００３９】
複数の梁１３と複数の感知領域とを有する複数の薄膜１２が、複数の空洞１１の上で１つのキャリア本体１に張設されている。これらの空洞１１は、例えばドライエッチング（深堀りＲＩＥ）によってウェハの後面から食刻形成され、このときに特に複数の垂直壁（図１ａ）を有し得るか、又は薄膜１２によってキャリア本体１を形成するために犠牲層若しくは半導体基板自体のエッチングによって複数のスリット（図２，３）を通じて前面から当該半導体基板中に食刻形成され得る。後者に対する例は、図１ｂの空洞１１の複数の傾斜壁である。
【００４０】
相互接続によって既知の単一素子のサーモパイルチップと同じ大きさの受信面積を形成する、スリット付きの複数の薄膜１２を有するより小さい複数のセル１８（例えば、２、４、９又は１６個のセル）が、密に隣接して１つのサーモパイル単一センサの面上に存在することによって、本発明の有益な作用が得られる。この場合、ガス媒体１０が、セル１８ごとに高い単一信号を可能にする。
【００４１】
個々のセル１８の比較的小さい寸法と、それぞれの薄膜１２上のこれらのセル１８の感知領域とに起因して、従来の大きさの分割されない１つのサーモパイルチップの場合よりも著しく小さい時定数と高い応答速度とが得られる。また、１つのサーモパイルチップの大きさが同じ場合は、このサーモパイルチップの全てのセル１８の信号を加算することによって、信号電圧が、著しくより高くなる。
【００４２】
図２、３は、本発明のサーモパイル単一センサの配置及び配線を示すために複数のセル１８を有する当該サーモパイル単一センサを上面図として示す。この場合、それぞれのセル１８は、知られている単一サーモパイルのように作用するが、当該それぞれのセル１８の幾何学的面積は、従来のサーモパイル単一センサの場合よりも概して著しく小さい。
【００４３】
当該サーモパイル単一センサのそれぞれのセル１８は、１つの＋端子及び１つの−端子（ボンディングパッド）を有する。サーモパイルとして形成された全てのセル１８が、有効な１つのサーモパイル単一センサに相互接続される。この場合、好ましくは、それぞれの当該＋端子及び−端子が、個々のバッテリのように１つのバッテリブロックに相互接続されることによって、１つのサーモパイル単一センサの全てのセル１８が直列に接続される。しかし、並列接続又は直列接続と並列接続とから成る組み合わせも可能である。
【００４４】
図２は、４重のセル構造を示し、図３は、９重のセル構造を示す。
【００４５】
本発明の別の構成は、セル１８の簡単な直列接続の代わりに、プリアンプ又はインピーダンス変換器１９若しくは電子加算器２０又はマルチプレクサ／マイクロコントローラを使用することである（図４）。
【００４６】
プリアンプ又はプリアンプ及び低域通過フィルタ１９と加算器２０又はマルチプレクサとを有するこのような信号電子装置は、サーモパイル単一センサと同じ基板上に実装され得るか、又はハウジング内若しくはハウジング外の分離されたチップ上に実装され得る。当該加算は、個々のセル１８の、前置増幅され、フィルタリングされ、多重化された信号を処理するマイクロプロセッサ内で実行されてもよい。
【００４７】
ノイズを抑える低域通過フィルタ又は後続接続されたマイクロプロセッサの機能は、十分に理解できるので、図４での表記は省略した。
【００４８】
加算器２０は、好ましくは全てのセル１８用の信号マルチプレクサと、全てのセル１８の信号を低いノイズで加算するマイクロプロセッサを有する後続接続されたＡＤ変換器とから成る。好ましくは、当該信号処理部の少なくとも一部の構成が、ハウジング内に実装されている。何故なら、このときに、外部からの電気的又は電磁的な妨害影響が、より良好に抑制され得るからである。
【００４９】
セル１８ごとに組み込まれたプリアンプ１９又はインピーダンス変換器の別の利点を以下に記す。
【００５０】
１つのセル１８のより多数の又はより薄いサーモ素子が直列に接続されると、信号が増大するが、インピーダンス（サーモ素子、抵抗）も増大する。したがって、多数（例えば、４個、９個、１６個又はそれよりも多い数）のセル１８が、直列に接続され、信号が、プリアンプ又はインピーダンス変換器なしに外部に供給される場合、サーモパイル単一センサの全体のインピーダンス（内部抵抗）は非常に高い。外部のノイズ源又は後続の電子機器の入力回路の電流ノイズによって誘起された、特に低いインピーダンスの場合に無視できない追加のノイズ源のノイズ障害のリスクが、インピーダンスの増大と共に増大する。両影響は、測定精度を低下させ得る。
【００５１】
特にＮＤＩＲ方式のガス検出（ＮＤＩＲ：非分散型赤外線技術）にとっては、それぞれ１つのサーモパイル単一センサからの２つ以上のセンサチャネルを１つのハウジング内に組み込むことが有益である。すなわち、２つ又は４つの本発明のサーモパイル赤外線単一センサが、１つのハウジング内に並んで配置される。
【００５２】
したがって、複数のガスが同時に測定され得る。オプションとして、当該複数のセンサチャネルのうちの１つのセンサチャネルが、基準フィルタを備える。その結果、長期間安定性及びドリフト抵抗が著しく改良される。このとき、その他のチャネルが、１つ以上の特定ガスを測定する。
【００５３】
このようなマルチチャネルサーモパイルセンサに対する例として、図５は、ＮＤＩＲ方式のガス検出のために適しているデュアルサーモパイルセンサを示す。
【００５４】
本発明によれば、同様に、複数のセル１８が、１つのサーモパイル単一センサに（チャネルごとに）統合され、このような２つのサーモパイル単一センサ２１，２２が、共通の１つのキャップ２６の下の共通の１つのベースプレート２７上に配置される。この場合、ただ１つの光学フィルタ２３，２４が、それぞれのチャネルに対して設けられている。さらに、隣接したチャネル間の光学式の隔壁２５が推奨される。当該隔壁２５は、隣接したチャネル間の赤外線の光漏話を阻止する。このため、当該隔壁２５は、当該赤外線を吸収する必要があり、当該赤外線を透過させず、反射もさせ得ない。
【００５５】
この場合、ベースプレート２７上の共通の１つの接地ピン（−端子）が、それぞれのセル１８に割り当てられ得、複数の＋端子がそれぞれ、個々の接続線によって接続され得る。代わりに、複数のチャネルが、１つのプリアンプ及び低域通過フィルタを介して１つのマルチプレクサに接続され得、１つの出力線を通じて順々に読み出され得る。
【００５６】
当該統合された複数のサーモパイル単一セルの全てが、信号処理を簡略化するように、同じチップ上に存在してもよく、又は、図５に示されているように、分離された複数の単一チップ上に存在してもよい。大きさに応じて、２〜４本又は１０本以上の単一チャネルが、１つのハウジング内に存在してもよい。隔壁１８は、ベースプレート２７上に取り付けられてもよく、又はキャップ２６に取り付けられてもよい。
【００５７】
当該信号処理チャネル及び電子加算装置に加えて、（例えば、温度若しくは電圧の基準値又は対象物の温度若しくはガスの濃度を算定するための演算回路を有する）その他の電子信号処理装置も、センサハウジング内の同じ半導体キャリア本体１上に実装され得る。
【符号の説明】
【００５８】
１      キャリア本体
２      ベースプレート
３      ベッドプレート
４      端子
５      ワイヤブリッジ
６      端子パッド
７      キャップ
８      アパチャー開口部
９      光学素子
１０    ガス媒体
１１    空洞
１２    薄膜
１３    梁
１３′  サーモ素子（熱電対）
１４    温接点
１５    冷接点
１６    吸収層
１７    スリット
１８    セル
１９    プリアンプ又はプリアンプ及び低域通過フィルタ
２０    加算器
２１    サーモパイル単一センサ
２２    サーモパイル単一センサ
２３    光学フィルタ
２４    光学フィルタ
２５    隔壁
２６    キャップ
２７    ベースプレート
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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