(57)【要約】放射線信号を検出するための装置および物質の濃度を測定するための装置が提案される。この場合、第１の検出器（５ａ）および第２の検出器（５ｂ）が、第１のチップ（１）に設けられており、かつこの場合、第１のフィルタ（１１ａ）および第２のフィルタ（１１ｂ）が、第２のチップ（２）に設けられており、しかも、第１のチップ（１）と第２のチップ（２）とが、ハーメチックに密に互いに結合されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線信号を検出するための装置であって、第１の検出器（５ａ）、第２の検出器（５ｂ）、第１のフィルタ（１１ａ）および第２のフィルタ（１１ｂ）が設けられている形式のものにおいて、第１および第２の検出器（５ａ，５ｂ）が、第１のチップ（１）に設けられており、かつこの場合、第１のフィルタ（１１ａ）および第２のフィルタ（１１ｂ）が、第２のチップ（２）に設けられており、かつ第１のチップ（１）と第２のチップ（２）とが、特にウェーハボンディング方法によって、ハーメチックに密に互いに結合されていることを特徴とする、放射線信号を検出するための装置。
【請求項２】
前記検出器（５ａ，５ｂ）が、サーモパイル、温度感知する抵抗体または温度感知するダイオードとして設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
吸収体層（９）が、前記検出器（５ａ，５ｂ）のうちの少なくとも１つの検出器に設けられている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
第１のチップ（１）が、第１の基板（４）を有しており、この場合、第１および第２の検出器（５ａ，５ｂ）が、第１の基板（４）から熱的に切り離されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
第１および／または第２のフィルタ（１１ａ，１１ｂ）が、ファブリ・ペロフィルタとして設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
第１および第２の検出器（５ａ，５ｂ）のほかに、別の検出器が設けられており、第１および第２のフィルタ（１１ａ，１１ｂ）のほかに、別のフィルタが設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の放射線信号を検出するための装置を用いた、放射源の光線路内の物質の濃度を測定するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の、物資を検出するための装置もしくは物質の濃度を測定するための装置から出発する。
【０００２】
従来技術
例えば赤外吸収によるガス濃度の決定に役立つ、放射線信号を検出するための装置が既に公知である。ガス容積中の妨害ガス、例えば自動車の内部空間における妨害ガスは、例えばＣＯ２，ＣＯ，Ｈ２ＯまたはＣＨ４でもあり、この場合、二酸化炭素ＣＯ２は、特に、ガス容積中に存在する人間の呼吸空気もしくはＣＯ２空調設備にも起因することがあり得る。このような妨害ガスが、一般に公知のガス検出器によれば検出される。このようなガス検出器は、実験室分析化学、安全工学、食品産業、空調設備、建築技術、医学、家庭、環境保護等の分野でも適用される。前記のような妨害ガスの濃度を決定するために、種々異なるセンサ原理が用いられ、これらのセンサ原理は実質的に感度に依存して使用される。例えば、化学反応性の層が特殊なガスに接触する場合に、前記層がその抵抗を変えるようになっている化学的なセンサが存在する。しかしながら、これらのセンサは、検出したいガスとは別のガスに対しても極めて敏感であるか、そうでなければ環境影響に対しても敏感である。さらに、このようなセンサの長期安定性が１つの問題である。物理的な別の方法は、ガス容積中の、例えば自動車の内部空間における二酸化炭素含有量を逆推論するために、例えばＣＯ２および空気、すなわち主として窒素の種々異なる熱伝導性を利用する。さらに、このようなガス分子を検出するために、ガス分子による赤外光の吸収を利用することが公知である。つまり、同じかまたは異なる複数の原子から成っているガス分子が、赤外光によって励起される場合、ガス分子はより高いエネルギ状態に遷移させられる。例えば、エネルギ状態が分子特有である回転モーメントまたは振動モーメントが励起される。より高いエネルギ状態の励起によって、光学的な放射からエネルギが奪われる。ガスの特性吸収帯は、典型的には、１μｍ〜１０μｍの波長を伴う赤外範囲内にある。このことは、ガスで満たされた前記のような空間を貫く赤外光がますます全強度を失い、しかも減衰が、存在するガスおよびその濃度の関数であることを意味する。強度の、スペクトル分解された測定によって、光の強度をそれぞれのガスの吸収帯の波長範囲において求めることができる。このことによって、複数のガスから成る混合物さえも、高い分解能で解明することが可能になる。公知先行技術による、赤外吸収によってガス濃度を決定するための装置は、図１に示してあり、典型的には赤外光源２０と、分析したいガス混合物で満たされていて光線を案内するキュベット３０もしくは管３０と、赤外光のスペクトル分散を生ぜしめる単数または複数のフィルタ４１，４２とから成っている。この場合、フィルタ４１，４２の後方には、単数または複数の検出器５１，５２が設けられており、該単数または複数の検出器５１，５２によって、スペクトル分散後の熱放射の強度が測定される。しかしながら、このような公知の装置は、費用のかかる装置であるという欠点を有している。
【０００３】
発明の利点
独立請求項の特徴部に記載した特徴を有する本発明による装置は、従来のものに比べて、放射線信号を検出するための安価な装置と物質の濃度を測定するための安価な装置とが可能であるという利点を有している。さらに、装置が、フィルタと検出器との間の高められたシール性を有していることが有利である。さらに、本発明によれば、簡単な構成兼結合技術が使用されることが有利であり、このことも費用を低減する。本発明による装置は、可動な部分を有していない。このために、大きい落下耐性および過負荷耐性が得られる。検出器とフィルタとの間のハーメチックな結合部によって、フィルタ許容差の厳密な特定化（Spezifikation）を保証することができる。さらに、本発明によれば、装置を極めて小さく形成することが可能であり、このことも費用利点および組込み利点を伴う。本発明によれば、多数のフィルタを２種〜６種すら上回るまでのガスのために共同でかつ互いに組み合わせて形成することが可能であり、かつ考えられている。したがって本発明によれば、フィルタアレイの前記のような集積化が安価にかつ簡単に可能になる。
【０００４】
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した装置の有利な構成および改良形が可能になる。
【０００５】
検出器がサーモパイル（熱電対列）、温度感知する抵抗体または温度感知するダイオードとして設けられていることが特別に有利である。これにより、安価なかつ定評のある構成素子を検出器として用いることが可能になる。さらに、吸収体層が、前記検出器のうちの少なくとも１つの検出器に設けられていることが有利である。このことによって、検出器の有効性および感度を高めることができる。さらに、第１のチップが第１の基板を有しており、この場合、第１および第２の検出器が、第１の基板から熱的に切り離されていることが有利である。本発明によればこのことによって、本発明による装置が例えば周囲温度のような外乱に対して特別に鈍感になることが可能である。さらに、第１および／または第２のフィルタがファブリ・ペロフィルタとして設けられていることが有利である。このことによって、狭帯域のフィルタを設けることが特別に簡単にかつ安価に可能になる。
【０００６】
本発明の実施例を図面に示し、以下の実施例の説明で詳しく説明する。
【０００７】
実施例の説明
図１には、ガス濃度を検出するための既述の装置を示してある。管３０もしくはキュベット３０内には、一つには、光源２０から出射されている赤外放射線の光線路もしくは光線経過（符号２１，２２によって示す）と、検出したいガス分子３５とが存在する。フィルタ４１，４２の場所では、光源２０から出射されている放射線は、特定の波長範囲においてガス分子によって減衰されている。赤外吸収による光の強度の低下は、ガス特有の波長範囲において測定される。有利な波長範囲の分離のために、狭帯域の透過しか許容しない第１のフィルタ４１が使用される。この場合、透過させられた放射線は、フィルタ４１の後方の、波長非特有の（wellenlaengenunspezifisch）検出器５１によって測定される。ガス濃度を逆推論するために、−フィルタおよび検出器４１，５１を介した−吸収帯の範囲における赤外強度が、関連したガスによる有意な赤外吸収は生じない参照範囲−第２のフィルタおよび検出器４２，５２−におけるランプの強度に比較される。このために、所定の参照スペクトルを通過させる別のフィルタ４２および対応する検出器５２が必要とされる。
【０００８】
図２には、本発明による、放射線信号を検出するための装置の原理的な構成、もしくは本発明によるセンサを、概略的に示してある。当該センサは本発明によれば検出器チップ１とフィルタチップ２とを有している。この場合、フィルタチップ２は、ウェーハボンディング（貼り合わせ）方法によって、結合ウェブ３を介して検出器チップ１上に被着されている。検出器チップ１は、以下、第１のチップ１とも呼ばれ、第１の基板４を有している。この基板４は特にシリコン基板４として設けられている。第１の基板４には第１の温度フィーラ５ａが第１の検出器５ａとして配置されていて、第２の温度フィーラ５ｂが第２の検出器５ｂとして配置されている。本発明によれば、別の温度フィーラ（図２には示さず）が第１の基板４に配置されていることが、十分に考えられている。温度フィーラ５ａ，５ｂもしくは検出器５ａ，５ｂは、例えばサーモパイルとして、温度感知する抵抗体としてまたは温度感知するダイオードとして設けられていてよい。第１の検出器５ａもしくは第２の検出器５ｂには、本発明によれば、それぞれ１つの吸収体層を被着することが考えられる。この吸収体層は、図２では、第１の検出器５ａに対しては符号９で示してある。吸収体層９は長波の赤外放射線の吸収に適している。本発明によれば、吸収体が、第１のチップ１と第２のチップとの間で本発明に従って使用されるボンディング方法に際して使用されるような温度に関して耐性であることが考えられている。本発明によれば、吸収体層として以下の材料、すなわち、耐性のポリマー、ドープされたガラス、誘電性の連続した積層（Schichtfolgen）、高ドープされた半導体、狭帯域の半導体、金属等々が考えられている。本発明によれば、さらに、検出器５ａ，５ｂと第１の基板４との間の熱的な切離し部を設けることが考えられている。このために例えば、検出器５ａ，５ｂと第１の基板４との間には、図２に符号６によって示してあるような中空室が設けられている。このような中空室６もしくはこのような空洞６を形成するために、例えば表面マイクロメカニクス技術が使用される。このような技術のために、第１の基板４の部分領域に多孔質のシリコンを利用し、これに続いて前記多孔質のシリコンの周囲に次のように成層する、すなわち、中空室を形成していてより深く位置する領域が設けられるように、かつ検出器５ａ，５ｂを受容するための第１の基板のカバー層を形成していてより高く位置する領域が設けられるように成層することが利用される。さらに、二フッ化キセノン、ＣｌＦ３、ＣｌＦ５による、基板４を等方性エッチングすることができる他のハロゲン間化合物による、またはプラズマ活性化されたＮＦ３による公知のエッチングによって、前記のような中空室６を実現することが可能である。本発明によれば、検出器５ａ，５ｂのほかに、加熱導体が検出器５ａ，５ｂの領域に設けられていることも考えられている。しかしながらこれは、図２には示していない。このような加熱導体は、本発明による装置では、センサもしくは装置のセルフテストのために設けられている。本発明によれば、加熱導体を介して、短時間の熱パルスが、検出器５ａ，５ｂの、熱的に切り離された面に生ぜしめられる。これにより、熱��ィーラ５ａ，５ｂの機能が試験可能となる。
【０００９】
温度フィーラ５ａ，５ｂの接続部は、導体路（図２では符号８を付してある）を介して、ボンディングパッド７へ案内される。導体路８は、＜５μｍの僅かなトポグラフィ幅を有しているようにする。これにより、第１のチップ１と第２のチップ２との間のボンディング結合部３は、線条細工の（filigran）熱フィーラ５ａ，５ｂのハーメチックな閉込めを保証する。本発明によれば、熱フィーラ５ａ，５ｂは、ボンディングウェブによって互いに分離されていてもよい。このような分離作用を有するボンディングウェブは、図２では符号３ａで示してある。このような分離作用を有するボンディングウェブ３ａによって、熱フィーラ５ａ，５ｂはより良好に分離されかつ良好に切り離されて設けられていることができる。ボンディングウェブ３，３ａの高さｈは、熱フィーラ５ａ，５ｂがフィルタ層（図２に符号１１ａ，１１ｂで示す）に機械的に接触することができないように設定されている。本発明によれば、ボンディングウェブ３，３ａの３μｍ〜１２μｍの高さ（符号ｈで示す）で十分である。しかしながらこの値は、センサもしくは装置の機能性にとってはあまり重要ではない。
【００１０】
以下、第２のチップ２とも呼ばれるフィルタチップ２は、支持体１０を有している。この場合、支持体１０は例えばシリコン基板としてまたはガラス基板としても設けられている。以下、第２の基板１０とも呼ばれる支持体１０の下面には、ファブリ・ペロフィルタ１１ａ，１１ｂが設けられている。これらのファブリ・ペロフィルタ１１ａ，１１ｂは、以下、第１のフィルタ１１ａおよび第２のフィルタ１１ｂとも呼ばれる。本発明によれば、第１のフィルタ１１ａは参照波長のフィルタリングのために用いられ、第２のフィルタ１１ｂは分析波長のフィルタリングのために用いられる。分析波長は、以下、吸収帯とも呼ばれる。本発明によれば、フィルタ１１ａ，１１ｂは特に、例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素から成る単層システムとして設けられているか、または多重層から形成されていてもよい。本発明によれば、第１のフィルタ１１ａは参照波長のために設計されている。第２のフィルタ１１ｂは、検出したいガスの吸収帯の範囲における分析波長のために設けられている。したがって、フィルタ１１ａ，１１ｂは互いに区別されなければならず、ひいては局部的に構造化されかつ互いに分離されて製作されなければならない。第１のチップ１もしくは検出器チップ１のためのキャップとして働くようになっているフィルタチップ２もしくは第２のチップ２には、空所もしくは切欠き１２がエッチング加工されている。この空所１２によって、ボンディングワイヤ（図２には示さず）を、金属コンタクト７もしくはボンディングパッド７に接近案内することができる。貫通孔１２を形成する際、フィルタ構造体１１ａ，１１ｂがエッチングされないように注意しなければならない。
【００１１】
キャップチップ２もしくは第２のチップ２を検出器チップ１に結合するために、ボンディング方法が使用される。しかもここではアノードディックボンディング、シールガラスボンディング、ポリマーボンディング、共晶ボンディング、レーザ透過溶接または他の方法が、本発明によれば使用される。このようなボンディング方法は、通常、１５０℃〜約５００℃の温度下で作業する。この理由から、該当するフィルタ構造体１１ａ，１１ｂ、該当する検出器構造体５ａ，５ｂおよび吸収体層９の材料が前記温度下で分解されないことが必要である。本発明によれば、第２のチップ２の下方で真空が形成されることができるキャッピング方法（Verkappungsverfahren）を用いることが有利になる。本発明によればこのことによって、周囲からの検出器５ａ，５ｂの熱的な切離しを生ぜしめるかもしくは増大させることが可能になる。第２のチップ２による第１のチップ１のキャッピングは、本発明によれば特にウェーハ平面上で行われる。すなわち、多数の第２のチップ２が、被着されたフィルタ１１ａ，１１ｂを備えたキャップウェーハとして、例えば（シールガラスボンディングの場合には）シールガラスを印刷供給され、次いで調質され（getempert）、かつ共同で検出器ウェーハを形成している複数の第１のチップ１上へボンディングされる。この後、ウェーハ平面上のフィルタと検出器とから成る全装置を、電気的にかつ場合によっては電気光学的にもテストすることができる。これに引き続いて初めて、第１のチップ１が第２のチップ２に結合されている本発明による個々の装置が、公知の方法によって鋸挽きされかつ個別化される。
【００１２】
ガスの検出のために、広帯域の赤外放射線が生ぜしめられるようになっている光源（図１では符号２０を付してある）は、パルス化されて（gepulst）運転されることができる。このことは中空室６もしくは空洞６によるフィーラ５ａ，５ｂの熱的な切離しが不十分であって、かつ連続的な運転中にフィーラ５ａ，５ｂの周囲の著しい加熱が生じる場合に、有利である。フィーラ５ａ，５ｂの周囲のこのような不利な加熱に対処する、本発明による別の可能な手段は、第２のチップ２の、フィルタ層１１ａ，１１ｂとは反対の側に位置する面に、通過フィルタ（図２では符号１３を付してある）を被着することにある。この通過フィルタ１３は、第２のチップの材料、すなわち、実質的には第２の基板１０の材料の吸収端と、参照波長もしくは検出波長との間で波長を切り離す。本発明によれば、通過フィルタ１３の代わりに反射防止層を設けることも考えられる。この反射防止層は、本発明によれば、通過フィルタ１３に対して全く付加的に設けられていてもよい。シリコンを第２の基板１０として使用する場合、例えば約１μｍの波長が吸収端に相当する。通過フィルタ１３の本発明による被着によって、より高いフィルタ次数（Filterordnung）が測定に関与することが防止される。通過フィルタ１３はセンサ素子のパッケージ内に組み込まれていてもよい。層１３は本発明によれば特にポリマー、半導体、誘電性の多重層等々から形成されている。
【００１３】
本発明によれば、光強度が簡単な形式でスペクトル分解されて測定され得る新式の安価なセンサもしくは本発明による装置が提供される。このようなセンサもしくは装置は、本発明によれば、２種またはこれよりも多種のガスから成る混合物の組成を決定するために使用されることが望ましい。フィルタ１１ａ，１１ｂおよび検出器５ａ，５ｂは、本発明による装置では、シリコン・マイクロメカニクスの方法によって製作される。これは、フィルタ１１ａ，１１ｂおよび検出器５ａ，５ｂがただ１つの装置内に組み込まれて設けられている装置である。第１のチップまたは検出器チップ１も、完全に表面マイクロメカニクスで製作される。次いで、検出器構造体５ａ，５ｂがキャッピングされる（verkappt）。本発明によれば、キャップ内に、離散したスタティックなフィルタが設けられ、これらのフィルタは、吸収帯および参照帯のフィルタリングのために、検出器構造体５ａ，５ｂの上方に位置付けられる。本発明による装置は、特に第２のチップの上面に、ファブリ・ペロフィルタもしくはフィルタ１１ａ，１１ｂの、より高い次数を抑制する別の通過フィルタ層１３を有していてよい。これにより、より短い波長での吸収が生ぜしめられる。本発明による装置もしくは本発明によるセンサは、従来公知の装置に比べて決定的な複数の利点を有している。このことは特に、シリコンマイクロメカニクスにおけるバッチ処理（Batch-Prozessierung）による安価な製作可能性と、比較的に簡単な構成もしくは簡単な構成兼結合技術と、２種〜６種すら上回るまでのガスのために複数のフィルタアレイを集積する可能性とに関連付けられる。
【００１４】
図３には、ファブリ・ペロフィルタの構造を概略的に示してある。このような構造体は全体的に符号１１で示してある。このような構造体は本発明による装置内で使用可能である。原理的に、ファブリ・ペロフィルタ１１は平行平面の２つの鏡から成っており、両鏡間に媒質２４が位置する。この媒質２４は、光学的な経路とひいては通過フィルタ機能の中央の波長とを決定する。フィルタキャビティ２４もしくは媒質２４の厚さおよび屈折率が、平均的なフィルタ波長を決定する。装置の参照波長および分析波長の調節は、前記媒質２４もしくは前記フィルタキャビティ２４の設計を介して、その層厚によって、屈折率によって、かつこの層が複数の層から成っているかどうかによって行われる。ファブリ・ペロフィルタ１１の両鏡は、例えば、媒質２４の材料と第２の基板１０の材料との間もしくは媒質２４とカバー層２３の材料との間の屈折率における著しい差（Sprung）によって形成される。ファブリ・ペロフィルタ１１のフィルタ特性を先鋭化するために、第２の基板１０およびカバー層２３を多重層もしくは半透明の金属層から形成することもできる。本発明によれば、カバー層２３は金属から成っており、この金属は、例えばＫＯＨエッチング等のようなキャッピング構造化（Kappungsstrukturierung）するためのプロセスに対して耐性があるか、または例えばＨＦエッチングのようなフィルタ製作に際して誘電性の層を構造化するためのプロセスに対して耐性がある。本発明によれば、第１のフィルタ１１ａに関しても、第２のフィルタ１１ｂに関しても、フィルタ１１ａ，１１ｂを形成するための層サンドイッチを使用することが有利になる。この場合、カバー層２３には、材料としてポリシリコンおよび／または二酸化ケイ素および／または窒化ケイ素が選択される。鏡の反射率の程度が、フィルタ機能の幅を決定する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】公知先行技術による、ガス濃度を測定するための装置を示す図である。
【図２】放射線信号を検出するための、本発明による装置を示す図である。
【図３】公知のファブリ・ペロフィルタを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2005539229.tif 000007
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2005539229.tif 000009
2005539229.tif 000010
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