(57)【要約】  サファイア体を有する光センサが開示される。サファイア体の中空は、ファブリペローキャビティの表面として使用される表面を画成する。干渉計を使用して、ファブリペローキャビティの長さの変化、およびしたがって例えばセンサが配置された環境の温度または圧力の変化が検出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の少なくとも一部分を規定する表面を有するサファイア体を備え、前記表面が入射光を反射しかつファブリペローキャビティの表面を画成するように構成された光センサ。
【請求項２】
前記中空が前記サファイア体の凹部である、請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記中空が前記サファイア体内の密閉キャビティであり、前記中空のさらなる部分を規定する前記サファイア体のさらなる表面が前記ファブリペローキャビティのさらなる表面を画成する、請求項１に記載の光センサ。
【請求項４】
前記サファイア体の前記表面の上に配置された反射性コーティングをさらに備えた、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項５】
前記サファイア体の前記表面と前記反射性コーティングとの間に配置されたパッシベーション材料をさらに備えた、請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
前記中空が０．１から５００μｍの間の深さを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項７】
前記中空が１０から２０００μｍの間の最大直径を有する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項８】
前記サファイア体の前記表面が０．１から５００μｍの間の厚さである、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項９】
前記ファブリペローキャビティが０．１から１０μｍの深さを有する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記サファイア体の表面上に配置された熱応答性材料のコーティングをさらに備えた、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１１】
前記熱応答性材料がグラファイトを含む、請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
光導波路が前記中空に光学的に結合されるように前記サファイア体に固定された光導波路をさらに備えた、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１３】
前記中空が前記サファイア体の凹部であり、前記光導波路が前記凹部を覆うように前記サファイア体に固定される、請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１４】
前記光導波路がサファイアコアを有する光ファイバを備える、請求項１２ないし１３のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１５】
前記光導波路が中空導波路を備えた、請求項１２ないし１３のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１６】
前記光導波路の自由端が鋭角または鈍角に劈開される、請求項１２ないし１５のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１７】
前記サファイア体および光導波路が気密密閉される、請求項１２ないし１６のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１８】
さらなる光導波路を受容しかつ固定するために前記光導波路の自由端に取り付けられたフェルールをさらに備えた、請求項１２ないし１７のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項１９】
前記ファブリペローキャビティが干渉計のセンサキャビティである、請求項１ないし１８のいずれかに記載の光センサを備えた干渉計。
【請求項２０】
前記干渉計が白色光干渉計である、請求項１９に記載の干渉計。
【請求項２１】
前記センサキャビティと合致するように調整可能な基準キャビティまたはそのような基準キャビティの代わりに分光計および関連データ処理手段のいずれかをさらに備えた、請求項２０に記載の干渉計。
【請求項２２】
請求項１９ないし２１のいずれかに記載の干渉計を備えた温度センサ。
【請求項２３】
請求項１９ないし２１のいずれかに記載の干渉計を備えた圧力センサ。
【請求項２４】
サファイア体を用意するステップと、
中空の少なくとも一部分を規定する前記サファイア体の表面が入射光を反射し、かつファブリペローキャビティの表面を画成するように、前記サファイア体に中空を形成するステップと、を含む光センサを製造する方法。
【請求項２５】
前記サファイア体がサファイアウェハを含み、中空を形成する前記ステップが前記サファイアウェハに凹部をエッチングすることを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記サファイア体が第１サファイアウェハおよび第２サファイアウェハを含み、中空を形成する前記ステップが、前記第１サファイアウェハに貫通孔をエッチングし、かつ前記孔の一端を閉じるように前記第１サファイアウェハの第１面に前記第２サファイアウェハを固定することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記サファイア体が第３サファイアウェハを含み、中空を形成する前記ステップが、前記孔の他端を閉じるように前記第１サファイアウェハの反対側の第２表面に前記サファイアウェハを固定することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ファブリペローキャビティの表面を画成するサファイア体の前記表面に反射性材料を被覆するステップをさらに含む、請求項２４ないし２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記ファブリペローキャビティの表面を画成するサファイア体の前記表面にパッシベーション材料を被覆し、かつ前記パッシベーション材料に反射性材料を被覆するステップをさらに含む、請求項２４ないし２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記サファイア体の表面にイットリアまたはＹＡＧのボンディング層を被覆するステップをさらに含む、請求項２４ないし２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記中空が０．１から５００μｍの間の深さを有する、請求項２４ないし３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記中空が１０から２０００μｍの間の最大直径を有する、請求項２４ないし３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記ファブリペローキャビティの表面を画成する前記中空の前記表面が０．１から５００μｍの間の厚さである、請求項２４ないし３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記ファブリペローキャビティが０．１から１０μｍの間の深さを有する、請求項２４ないし３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
光導波路が前記中空に光学的に結合されるように光導波路を前記サファイア体に固定するステップをさらに含む、請求項２４ないし３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記サファイア体がサファイアウェハを備え、中空を形成する前記ステップが、前記サファイアウェハに凹部をエッチングすることを含み、前記光導波路が前記凹部を閉じるように前記サファイアウェハに固定される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記サファイア体が第１サファイアウェハおよび第２サファイアウェハを備え、中空を形成する前記ステップが、前記第１サファイアウェハに貫通孔をエッチングし、かつ前記孔の一端を閉じるように前記第１サファイアウェハの第１面に前記第２サファイアウェハを固定することを含み、前記光導波路が前記孔の他端を閉じるように前記サファイアウェハに固定される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記光導波路がサファイアコアを有する光ファイバを備える、請求項３５ないし３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記光導波路が真空熱プレスによって前記サファイア体に固定される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記光導波路が中空導波路を備える、請求項３５ないし３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記光導波路がレーザ溶接によって前記サファイア体に固定される、請求項３５ないし４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記光導波路の自由端を鋭角または鈍角に劈開するステップをさらに含む、請求項３５ないし４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記サファイア体および前記光導波路を気密コーティングに密閉するステップをさらに含む、請求項３５ないし４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
さらなる光導波路を受容するために前記光導波路の自由端にフェルールを取り付けるステップをさらに含む、請求項３５ないし４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
請求項１ないし２３のいずれか一項に記載のセンサを環境に配置し、かつ干渉計を使用してファブリペローキャビティを測定することを含む、環境の温度および／または圧力を感知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射放射線の補正を通して１つ以上のパラメータを測定するための光センサ、およびそのようなセンサの製造に関する。特に、本発明は、光ファイバを受容し、かつ光ファイバを介して伝達される放射線を補正するように適応されたマイクロ光センサであって、補正が圧力、温度、電磁界、音響効果、および輝度を含むがそれらに限らずセンサが曝露される環境条件に依存するように構成されたマイクロ光センサに関するが、他を排除するものではない。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第WO99/60341号は、従来のマイクロマシニング技術を使用して製造された、燃焼機関内部の温度および圧力の変化を測定するための光センサを記載している。該センサは、１つの表面にエッチングによって画成される凹部を有するシリコンの板を含む。内部に固定されたシリカファイバを有する微細毛細管が、凹部を閉鎖するようにシリコン板に接着される。シリカファイバの端面およびファイバに正対する凹部の内面は、ファブリペローキャビティ(Fabry-Perot cavity)を画成するように働く。シリカファイバに沿って入射した光はファブリペローキャビティ内で反射し、シリカファイバに沿って逆戻りするように誘導される。反射光は干渉縞を形成し、その特徴はファブリペローキャビティの長さによって決定される。外部圧力の変化はファイバに正対するシリコン板の壁を撓ませ、ファブリペローキャビティの長さの変化を引き起こす。これは次に干渉縞の特性の変化を引き起こし、こうして圧力の変化が登録される。センサは、シリコンの適切に厚い板を使用することによって、温度の変化を感知するために使用することもできる。温度の変化は板を拡張または収縮させ、それは次にファブリペローキャビティの同様の拡張または収縮を引き起こす。
【０００３】
シリコンセンサは多くの用途に使用することができるが、該センサは化学的に厳酷な環境または高温には適さない。特に、シリコンセンサが動作できる最大温度は約４５０℃である。この温度より上では、シリコンの弾性特性は不安定になり、測定は信頼できなくなる。さらに、強酸および腐食剤（例えばフッ化水素酸、硫酸、硝酸、クロム酸、および水酸化ナトリウム）は室温でもシリコンを攻撃する。
【０００４】
米国特許第5,381,229号は、一端がシリカファイバに結合されたサファイアファイバを備えた光センサを記載している。入射レーザ光はシリカファイバに沿って伝達され、シリカ：サファイア界面およびサファイア：空気界面で部分的に反射する。反射した光はシリカファイバに沿って逆戻りして干渉計に伝達される。反射光によって形成される干渉縞は、ファブリペローキャビティとして働くサファイアファイバの長さによって特徴付けられる。温度の変化はサファイアファイバおよびしたがってファブリペローキャビティの長さを拡張または収縮させ、それは干渉縞の変化によって登録される。サファイアの高い融点（〜２０５０℃）のため、サファイアファイバは、シリカファイバで可能な温度をかなり上回る温度の環境を探査することが可能である。しかし、シリカ：サファイア界面およびサファイア：空気界面の反射率はそれぞれ約１％および７％である。したがって、入射光のごく小さい部分しか反射せず、結果的に干渉縞の可視性が低下する。該文書は、サファイアファイバの端面に反射薄膜を追加してこの界面の反射率を改善することを記載しているが、薄膜の反射率は高温時に劣化（または酸化）し易く、あるいはサファイアファイバと反応し易い。
【０００５】
センサは、外部反射面の位置の変化を感知するために使用することもできる。すでに述べたとおり、サファイアファイバに沿って伝達された入射光の７％しかサファイア：空気界面で反射しない。残りの光はサファイアファイバから出射する。サファイアファイバの端部を反射面に隣接して配置することによって、サファイアファイバから出射する光は、外面によってサファイアファイバに沿って逆戻りするように反射させることができる。サファイア：空気界面および外部反射面で反射した光は、さらなるファブリペローキャビティを画成するように働く。したがって、サファイアファイバに対する反射面の位置の変化は、反射面の圧力、歪み、または温度の間接的な測定を提供する。それにもかかわらず、センサは、センサが曝露される流体圧力を直接測定することができない。さらに、センサは外部反射面に頼って圧力間接測定を達成する。
【０００６】
米国特許出願公開第2002/0020221号は、環状支持体の両側に取り付けられた１対の圧力ダイアフラムを備えた差圧センサを記載している。ダイアフラムおよび環状支持体は、サファイアから作成することができる。中央連結部材が２つの圧力ダイアフラムの間に延在し、かつそれらに取り付けられる。連結部材は、回折格子のような光学素子を担持する。光源および受光器は、光源からの光が環状支持体を通過し、光学素子に当たり、環状支持体を通過して、受光器によって受光されるに、圧力センサの両側に配置される。圧力ダイアフラムの一方に働く圧力が、他方のダイアフラムに働く圧力と異なるときに、ダイアフラムの対および中央連結部材は上向きまたは下向きに撓む。連結部材の動きは光学部材における同様の動きを引き起こし、それは受光器によって受光される光の振動として検出される。残念ながら、センサは差圧しか測定することができない。絶対圧力を測定するためには、感知される環境から圧力ダイアフラムの一方を分離する必要がある。
【０００７】
代替実施形態では、圧力ダイアフラムの１つは反射素子を担持し、あるいは反射面を有する。光源からの光は次いでセンサの側からダイアフラムの表面に誘導される。しかし、センサの側からダイアフラム表面までいかにして光を誘導することができるか、あるいは反射光をいかにして集光し受光することができるかについては、言及されていない。
【特許文献１】国際公開第WO99/60341号
【特許文献２】米国特許第5,381,229号
【特許文献３】米国特許出願公開第2002/0020221号
【発明の開示】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、現在シリコンセンサで不可能な悪条件下で動作することができ、かつ先行技術の上述した不利点の少なくとも一部分を克服する、光センサを提供することである。本発明の追加の目的は、該光センサを製造する方法を提供することである。
【０００９】
したがって、第１態様では、本発明は、中空の少なくとも一部分を規定する表面を有するサファイア体を備え、前記表面が入射光を反射しかつファブリペローキャビティの表面を画成するように構成された、光センサを提供する。
【００１０】
サファイア体のファブリペロー表面は部分的に反射性であればよい。
【００１１】
中空は凹部の形を取ることができる。その場合、センサは凹部を覆うように光導波路を受容するように構成することが好ましい。光導波路の端および導波路に正対するサファイア体の表面は、ファブリペローキャビティの表面を画成するゆえに働く。代替的に、凹部は光導波路とサファイア体との間の屈折性ギャップを形成することができ、サファイア体自体がファブリペローキャビティを形成する。つまり、導波路の端と平行なサファイア体の表面が、ファブリペローキャビティの両方の表面を画成するように働く。
【００１２】
中空は代替的に、サファイア体内の密閉キャビティの形を取ることができる。この場合、中空と界接するサファイア体の対向する面はファブリペローキャビティの表面を画成する。
【００１３】
中空を持つことで、センサ外部の圧力の変化は、サファイア体のファブリペロー表面の変位として感知することができる。加えて、中空は、光ファイバに固定された平坦面を有するサファイアセンサと比較して、特に光ファイバがサファイアファイバである場合、結果的に改善された干渉縞の可視性および／または改善された光収支をもたらす。
【００１４】
サファイア体の寸法は中空の形状および寸法と共に、圧力および温度の変化に対するセンサの所望の感度に応じて構成することができる。圧力の変化に応答するセンサの場合、ファブリペロー表面におけるサファイア体の厚さは５０から１５０μｍの間であることが好ましい。
【００１５】
温度の変化に応答するセンサの場合、中空の深さは２００から５００μｍの間とすることができる。代替的に、中空が屈折性ギャップとしてのみ働き、サファイア体がファブリペローキャビティとして働く場合、中空の深さは２μｍ以下であることが好ましく、サファイア体の厚さは２００から５００μｍの間の厚さであることが好ましい。しかし、そのような構成は、従来のサファイアファイバのような高度にマルチモード化されたファイバが使用される場合、そのような構成は有効ではなく、そのような場合にはファブリペローキャビティは０．１μｍから１０μｍの間であることが好ましい。代わりに、低屈折率の材料または白金のような熱的適合性金属で適切に被覆したサファイアファイバ、または他の材料のシングルモードファイバが必要になる。
【００１６】
温度センサの場合、２〜５μｍに限定されたキャビティは、１０００℃で１２ｎｍの移動のような温度に対する有用な応答をもたらし、ナノメートル分解能に適した白色光干渉法で１０％より優れた精度が得られることが注目される。しかし、キャビティの長さをさらに増大することは、約７μｍのキャビティの深さに縞の可視性の限界がある、高度にマルチモード化されたサファイアファイバでは不可能である。マルチモードファイバを使用したより正確な温度測定のために、バイモルフ、または圧力センサと同様であるが膜上、好ましくはキャビティ内部に、酸化を防止するための金属層が配置された構造のいずれかを使用したセンサを使用することができる。この層のための適切な金属は、２５℃での約４．５×１０-6／℃から約１０００℃での約９×１０-6／℃までの範囲のサファイアの熱膨張係数と比較して、約５．１×１０-6／℃の熱膨張係数を有することから、モリブデンである。これは、例えば、厚さ１０μｍのモリブデン層付きの厚さ５０μｍのサファイアの場合、１０００℃の温度変化に対して数μｍの変位を生じる。
【００１７】
センサの動作中にサファイア体から逃散する光の量を低減するように、サファイア体のファブリペロー表面に反射性コーティングを配置することができる。特定の条件下で、特に高温時に、反射性コーティングはサファイア体と反応することがあり、あるいはコーティングの反射率が、例えば酸化または還元のために低下することがある。したがって、センサは反射性コーティングとサファイア体との間、および／または反射性コーティングの露出面の上に、パッシベーション材料の層を追加的に含むことができる。パッシベーション材料は、その後のセンサの幅広い温度範囲にわたる動作中のパッシベーション層の変形または分離を最小化するように、サファイア体と熱的に一致することが好ましい。
【００１８】
センサは、温度の変化に応答するように構成される場合、熱電気的、熱磁気的、熱音響的、かつ／または光熱的材料のような熱応答性材料の外側コーティングを含むことができる。したがって、センサはそれぞれ電界、磁界、音響効果、および輝度の変化に応答することができる。例えばセンサは、誘導渦電流を通して加熱されるグラファイトをセンサの外面に被覆することによって、電流プローブとして働くことができる。
【００１９】
サファイア体のファブリペロー表面は、入射光の基本モードのみを優先的に反射するようにグレーティングをエッチングすることができ、それによってより長いキャビティを使用することが可能になる。
【００２０】
センサは、サファイア体に永久的に取り付けられかつ中空に光学的に結合された、光導波路、好ましくはサファイアファイバを含むことができる。センサの光導波路は、さらなる光導波路に（例えば接合によって）光学結合するように構成することが好ましい。したがって、従来のシリカファイバを使用してセンサと干渉計との間で光を伝達することができる。導波路の接合部に発生する寄生反射を最小化するために、光導波路の端は導波路の軸に対して鋭角に劈開することが好ましい。センサおよび光導波路は、窒化ホウ素、窒化シリコン、酸化アルミニウム、またはシリコンカーバイドのようなパッシベーション材料の層に気密密閉することが好ましい。加えて光導波路は、さらなる光導波路を受容するためのフェルールを含むことができる。
【００２１】
第２態様では、本発明は、サファイア体を用意するステップと、中空の少なくとも一部分を規定するサファイア体の表面が入射光を反射しかつファブリペローキャビティの表面を画成するように、サファイア体に中空を形成するステップとを含む、光センサを製造する方法を提供する。
【００２２】
サファイア体は、サファイアウェハに凹部をエッチングすることによって中空が形成されるサファイアウェハを含むことができる。代替的に、サファイア体は第１サファイアウェハおよび第２サファイアウェハを含むことができ、中空は、第１サファイアウェハに貫通孔をエッチングし、かつ孔の一端を閉じるように第１サファイアウェハの表面に第２サファイアウェハを固定することによって形成される。サファイア体は、孔の他端を閉じてそれによりサファイア体内に密閉されたキャビティを形成するように第１サファイアウェハの他方の表面に固定される、第３サファイアウェハを含むことができる。
【００２３】
上述の通り、サファイア体の寸法（例えばサファイアウェハの厚さ）および中空の寸法は、センサの動作特性に依存する。
【００２４】
該方法は、センサから逃散する光の量を低減するように、サファイア体のファブリペロー表面に反射性材料を被覆することを含むことができる。反射性コーティングを塗布する前に、サファイア体のファブリペロー表面に最初にパッシベーション材料を被覆することができる。
【００２５】
該方法はさらに、光導波路が中空に光学的に結合されるように、サファイア体に光導波路を固定することを含むことができる。サファイア体がサファイアウェハを含み、かつ中空がサファイアウェハの表面にエッチングされた凹部である場合、光導波路は凹部を閉じるようにサファイアウェハに固定される。同様に、サファイア体が貫通孔を有する第１サファイアウェハと、孔の一端を被覆する第２サファイアウェハとを含む場合、光導波路は孔の他端を閉じるように第１サファイアウェハに固定される。
【００２６】
光導波路は、従来のシリカファイバのようなさらなる光導波路に光学的に結合するように構成することが好ましい。したがって、該方法は、寄生反射を抑止するために光導波路の自由端を鋭角に劈開すること、およびさらなる光導波路を受容するために光導波路にフェルールを取り付けることを含むことが好ましい。
【００２７】
最後に、該方法は、サファイア体および光導波路の外面に、気密密閉を形成するように窒化ホウ素、窒化シリコン、シリコンカーバイド、またはアルミニウムのようなパッシベーション材料を被覆することを含むことができる。
【００２８】
本発明の光センサは、高温および／または化学的に厳酷な環境で動作することのできる光センサが要求される広範囲の用途で使用するのに特によく適している。特に、該センサは、自動車産業でエンジン性能および排気を監視および制御するために、航空宇宙産業で再びエンジン性能のみならず油圧系統についても監視および制御するために、石炭火力発電所で、原子力産業で重要な機器の性能を監視するために、石油およびガスの探査および回収で、かつ産業用プロセス制御で使用することができる。
【００２９】
該センサはサファイアウェハから製造されるので、従来のマイクロマシニング技術を使用して製造することができる。したがって、該センサは大量生産に適している。
【００３０】
本発明はまた、該センサを備えた干渉計であって、該センサのファブリペローキャビティを干渉計のセンサキャビティとした干渉計をも提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで、本発明の実施形態について、例証として添付の図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（センサ本体）
図１に示した光センサ１は、センサ１が曝露された温度および／または流体圧力（気体または液体、静止または流動）を測定するように適応させることができる。センサ１は、サファイア体２の底面４に画成された凹部３を有するサファイア体２を含む。凹部３の端部に位置するサファイア体２の部分は膜６を形成する。膜６の内面７（つまり、凹部３に直接隣接する膜６の表面）はサファイア体２の底面４と略平行であり、好ましくは平面状である。
【００３３】
サファイアは最も硬質の周知の材料の１つであり、約１６００〜１７００℃の温度までその構造的完全性を維持する。加えて、サファイアは特に酸化に関して、たとえ高温でも極めて不活性である。したがって、それは、高温および／または化学的に厳酷な環境で使用されるセンサ材料として、理想的に適している。サファイアはまたウェハとしても市販されており、かくしてセンサ１は、以下でさらに詳述するように、従来のマイクロマシニング技術を使用して製造することができる。
【００３４】
光ファイバ１０は、凹部３の開口端を閉じるようにサファイア体２の底面４に固定される。光ファイバ１０の中心軸は、ファイバ１０と凹部３との間の優れた光学結合を達成するために、サファイア体２の凹部３の中心に対して位置合わせされることが好ましい。膜６の内面７および光ファイバ１０の端面１３は、ファブリペローキャビティを形成するように働く。
【００３５】
外部圧力の変化は膜６を撓ませ、結果的にファブリペローキャビティの長さに変化を引き起こす。膜６の形状、サイズ、および厚さは、圧力変動に対するセンサ１の感度を決定する。特に、膜６の直径が増加し、かつ／または膜６の厚さが薄くなるにつれて、圧力の変化に対するセンサ１の感度は高くなる。加えて、凹部３のプロファイルによって決定され好ましくは円形である膜６の形状もまた、センサ１の圧力感度に影響を及ぼす。したがって、センサ１の設計、特に膜６の形状、直径、および厚さは、センサ１の所望の圧力感度および動作範囲に応じて調整することができる。例証として、直径が約５００μｍおよび厚さ２００μｍの円形膜を有するセンサ１は、外部圧力が１バールから１０００バールに増加されたときに１〜２μｍだけ撓む。
【００３６】
サファイア体２の凹部３の深さ（つまりキャビティの長さ）は、温度変動に対するセンサ１の感度を決定する。サファイアは８．４×１０-6Ｋ-1の熱膨張係数を有する。したがって、ファブリペローキャビティは、３００μｍの凹部深さを有するサファイア体２の場合、１度当たり約２．５×１０-3μｍだけ拡張または収縮する。ファブリペローキャビティの長さのこの拡張は、従来の白色光干渉計を使用して検出可能な約５×１０-3の干渉縞に匹敵するが、光をキャビティとの間で伝達するためにシングルモードファイバを使用する必要がある。マルチモードファイバを使用すると、実際問題として、有用なキャビティの長さはわずか数μｍに、例えば０．１μｍから１０μｍに制限される。
【００３７】
サファイアは約２２Ｗｒｍ-1Ｋ-1の比較的高い熱伝導率を持ち、したがって温度の変化に対して比較的迅速に応答する。サファイアの屈折率の温度係数は約１３×１０-6Ｋ-1である。したがって、サファイア体２の屈折率の温度誘導変化もまた、干渉縞の変化に寄与するが、寄与度はサファイア体２の拡張によるそれより約１００倍小さい。
【００３８】
温度の変化に対するセンサ１の感度は、より深い凹部３を持つことによって高めることができる。しかし、サファイア体２の質量が増大するにつれて、センサ２０の応答時間は低下する。逆に、温度の変化に対するセンサ１の応答は、感度を犠牲にしてより薄いサファイア体２を持つことによって改善することができる。
【００３９】
センサ１の設計、特に膜６の厚さおよび凹部３の深さを変更することにより、温度および圧力の変化に対するセンサ１の応答を変動させることができる。例えば、厚さ５０μｍ未満の膜６および深さが少なくとも３００μｍの凹部３を持つと、圧力および温度の変化に同時に応答するセンサ１を実現することができる。逆に、比較的浅い凹部３を使用することにより、ファブリペローキャビティの長さの温度誘導変化は最小化されるので、センサ１は圧力のみの変化に応答する。実際、センサ１が圧力だけを測定するように意図される場合、凹部３は５０μｍ未満の深さを持つことが好ましい。同様に、ファブリペローキャビティの長さの圧力誘導変化は、適度に厚い膜６を使用することによって最小化することができる。温度専用センサ１には、少なくとも１００μｍの厚さの膜６が好ましい。
【００４０】
一般論として、各パラメータに対し異なる感度を達成することのできる膜のサイズおよびキャビティの長さを縮小拡大することによって、圧力および温度の両方に敏感なセンサを作製することができる。
【００４１】
上述し、図１に示した実施形態では、ファブリペローキャビティは膜６の内面７および光ファイバ１０の端面１３によって画成される。しかし、可視波長のサファイア：空気界面の反射率は約７％である。したがって、光の大部分は膜６を通過してセンサ１から逃散し、結果的に縞の鮮明度が低下する。
【００４２】
図２は、センサ本体２の凹部３に反射性コーティング１５をライニングした光センサ１のさらなる実施形態を示す。反射性コーティング１５の材料の選択は当然、意図されたセンサ１の使用条件に依存する。例えばニオビウム、モリブデン、およびタングステンは全て２５００℃を越える融点を持ち、したがって高温での使用によく適している。圧力の変化に対する膜６の応答に悪影響を与えないために、反射性コーティング１５は薄く、理想的には１μｍ以下であることが好ましく、２０〜５０ｎｍであることがより好ましい。
【００４３】
高温では、反射性コーティング１５はサファイア体２と反応することがあり、かつ／またはその反射率は例えば酸化のために低下することがある。図３に示した実施形態では、反射性コーティング１５の反応が高温で発生するのを防止するために、反射性コーティング１５は２つのパッシベーション層１６、１７の間に挟まれる。広い温度範囲にわたるセンサ１のその後の動作中のパッシベーション層１６、１７の変形または分離を最小化するために、パッシベーション材料は、サファイアと同様の熱膨張係数を持つことが好ましい。適切なパッシベーション材料として窒化ホウ素、窒化シリコン、およびシリコンカーバイドが挙げられる。凹部３に隣接するパッシベーション層１６は言うまでもなく、透明でなければならない。しかし、サファイア体２に隣接するパッシベーション層１７にはそのような要求事項は無い。反射性コーティング１５の場合と同様に、圧力の変化に対する膜６の応答に悪影響を与えないために、パッシベーション層１６、１７は薄く、理想的には１μｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
センサ１が温度のみの変化を測定するように意図される場合、キャビティの長さが一般的に維持される限り、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７（使用する場合）の厚さは特に重要ではない。
【００４５】
高温での反射性コーティング１５の酸化を防止するためにパッシベーション層１６を使用するよりむしろ、光ファイバ１０は真空下でセンサ１に固定することができる。
【００４６】
パッシベーション層１６、１７を使用し、かつ／または光ファイバ１０を真空下で固定することにより、ほとんど全ての材料を反射性コーティング１５に使用することができる。特に、比較的低温で酸化する金属、例えばニオビウムを、反射性コーティング１５として使用することができる。
【００４７】
光センサ１の代替実施形態（添付の図面には図示せず）では、膜６を形成するサファイア体２の部分は除去され、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７（使用する場合）が膜６として作用する。したがって、圧力の変化に対しずっと敏感なセンサ１が実現される。
【００４８】
図４は、本発明に係る光センサ２０の代替的設計を示す。圧力および／または温度の変化を測定するように構成された上述のセンサ１とは異なり、図４のセンサ２０は温度のみの変化を測定するように意図されている。センサ２０は再び、サファイア体２の底面４に画成された凹部３を有するサファイア体２を含む。しかし凹部３は、図１〜３に示したセンサ１に形成されたものよりずっと浅い。
【００４９】
上述し、図１に示した光センサ１では、サファイア体２の凹部３はファブリペローキャビティとして働き、膜６の内面７および光ファイバ１０の端面１３がキャビティの反射面を形成する。しかし、図４に示すセンサ２０では、サファイア体２自体がファブリペローキャビティとして作用し、反射面はサファイア体２の頂面５におけるサファイア：空気界面によって画成され、反対側の表面７は凹部３によって画成される。したがって凹部３は、サファイア体２と光ファイバ１０との間の屈折性ギャップを提供するためにだけ働く。
【００５０】
室温で長さが２９９．５μｍのファブリペローキャビティを提供するために、サファイア体２は約３００μｍの厚さであり、凹部３は約０．５μｍの深さであることが好ましい。したがって、１℃の温度変化は結果的に、キャビティの長さの２．５×１０-3μｍの検出可能な変化をもたらす。サファイア体２の厚さおよび凹部３の深さは、上述の通り、ファイバのモダリティおよび関連制約条件を前提として、センサ２０の感度要件に適合するように調整することができる。
【００５１】
再び、上述したセンサ１の場合と同様に、光ファイバ１０は、好ましくは光ファイバ１０の中心軸を凹部３の中心に合わせて、凹部３の開口端を閉じるようにサファイア体２の底面４に固定される。
【００５２】
光ファイバ１０の端面１３は、ファイバ：空気界面で発生する寄生反射を防止するために、反射防止コーティングで被覆することが好ましい。しかし、反射防止コーティングは必須ではなく、公知の質問方法を使用してキャビティ反射と寄生反射とを弁別することが可能である。
【００５３】
サファイア体２の頂面５におけるサファイア：空気界面の比較的低い反射率のため、光の大部分はセンサ２０から逃散することができる。加えて、サファイア体２の頂面５は、反射性コーティング１５（図示せず）で被覆することができる。上述の通り、パッシベーション材料の層１６、１７を、反射性コーティング１５の上、かつ／または反射性コーティング１５とサファイア体２との間に配置することができる。加えて、凹部３に直接隣接するサファイア体２の表面７は、例えば約５０％の反射率を有する部分反射コーティングで被覆することができる。例えば、部分鏡になるように表面７に薄い（〜５０ｎｍ）金属膜を被覆することができる。
【００５４】
図５は、本発明に係る光センサ３０のさらなる実施形態を示す。図１のセンサ１では、サファイア体２の凹部３を光ファイバ１０の端部１３で閉鎖して、ファブリペローキャビティを形成する。しかし、図５のセンサ３０では、サファイア体２の内部に密閉されたキャビティ９が存在し、それがファブリペローキャビティとして働く。キャビティ９は上端を膜６によって、かつ下端を基底壁２１によって閉鎖される。ファブリペローキャビティの一端として働く膜６の内面７は、ファブリペローキャビティの他端として働く基底壁２１の内面２２と略平行である。さらに、膜６および基底壁２１の内面７、２２は、サファイア体２の底面４と略平行であり、好ましくは平面状である。
【００５５】
光ファイバ１０は、光ファイバ１０の中心軸が好ましくはサファイア体２のキャビティ９の中心に対して位置合わせされるように、サファイア体２の底面に固定される。基底壁２１が存在するため、光ファイバ１０の直径は、好ましくは円形プロファイルを有するキャビティ９の直径より小さくすることができる。したがって、ファイバ１０とファブリペローキャビティとの間の優れた光学結合を達成することができる。
【００５６】
図２および３に示したセンサ１の場合と同様に、膜の内面７に反射性コーティング１５および必要ならばパッシベーション層１６、１７をライニングすることができる。
【００５７】
センサ３０の形状および寸法は、図１のセンサ１と同様に、圧力および／または温度の変化に対するセンサの所望の感度に応じて調整することができる。例えば、膜６の厚さは圧力変動に対するセンサ３０の感度に影響を及ぼす一方、キャビティ９の深さは温度変動に対するセンサの応答を決定する。
【００５８】
センサ１、２０、３０が温度の変化に応答するように構成される場合、センサ１、２０、３０の外面は、環境パラメータの変化に応答して温度が変化する熱応答性材料（図示せず）で被覆することができる。つまり熱応答性材料はある形のエネルギを熱エネルギに変換し、それは次いでセンサ１、２０、３０によって感知される。特に、センサが曝露される電界、磁界、音響効果、および輝度の変化を感知することができるように、熱応答性材料は熱電気的、熱磁気的、熱音響的、かつ／または光熱的材料とすることができる。例えば、誘導渦電流により加熱されるグラファイトをセンサ１、２０、３０の外面に被覆することによって、センサ１、２０、３０は電流プローブとして働くことができる。センサ１、３０が追加的に圧力の変化を測定するように意図される場合、熱応答性材料で膜６を被覆しないことが好ましい。
【００５９】
サファイア体のファブリペロー表面は、入射光の基本モードのみを優先的に反射するようにグレーティングをエッチングすることができ、それによってより長いキャビティを使用することが可能になる。
【００６０】
（光ファイバ、接続、およびハウジング）
光センサ１、２０、３０に固定される光ファイバ１０の選択は、センサ１、２０、３０およびファイバ１０が曝露される環境条件に依存する。シリカファイバは、８００℃を越える温度で光学的に劣化し始める。加えて、これ以下の高温でシリカ内のドーパントは拡散を起こし、したがってシリカファイバは高温での長期使用には適さない。したがって、高温用途には、サファイアファイバを使用することが好ましい。
【００６１】
アンクラッドサファイアファイバを使用することができるが、表面上の堆積異物の蓄積のため、光はファイバ１０から逃散する可能性が高い。したがって、光ファイバ１０はクラッド１２で包囲されたサファイアコア１１を含むことが好ましい。クラッド１２は、センサ１、２０、３０およびファイバ１０が曝露される動作温度で、サファイアコア１１に沿った光の導波を助長しなければならない。理想的には、クラッド１２は動作温度で化学的に不活性（特に酸化に関して）でもある。サファイアコア１１に沿った光の導波は、２つの方法の一方により達成することができる。第１に、クラッド１２は、導波が内部全反射によって達成されるように、サファイアコア１１より低い屈折率を持つ材料で構成される。アルミニウム、イットリア、窒化ホウ素、およびシリコンカーバイドは全て、サファイアより低い屈折率および２０００℃を越える融点を持つ不活性クラッド材の適切な例である。第２に、クラッド１２は反射性金属コーティングを含み、導波は鏡面反射によって達成される。白金は、約１７８０℃付近の融点を有する反射性金属コーティングの適切な例である。白金の酸化は最初、クラッド１２の露出した外面で発生し、それは次いで約１４００℃の温度以下での残りの白金の重大な酸化を防止するように働く。白金は代替的に、より低い屈折率のクラッド材を保護するために使用することができる。反射性コーティングは吸収損失の不利点を持つが、短いファイバセンサの場合、これは問題を生じないかもしれない。実際、下述するように、サファイアファイバ１０およびセンサ１、２０、３０は、フェルールを用いて従来のシリカファイバに取り付けるように単一の要素として形成することが好ましい。より低い屈折率のクラッド材を使用する場合、可視または赤外波長で内部全反射が達成されるようなクラッド１２の厚さが好ましい。
【００６２】
クラッド１２が透明または半透明である場合、ファイバ１０およびセンサ１、２０、３０の外側にある光がファイバコア１１に進入するかもしれない。したがって、クラッド１２は不透明な材料の追加的な外層を含むことができる。不透明な材料の選択は、センサ１、２０、３０の動作特性に依存する。１０００℃を越える温度の場合、適切な候補としてグラファイトまたは不透明なシリコンカーバイドが挙げられる。
【００６３】
クラッド１２のいずれかの層が酸化し易いか、あるいは探査される環境と化学的に反応する可能性が高い場合、クラッド１２は、そのような反応を阻止するために、外部パッシベーションコーティングをも含むことができる。適切な材料として窒化ホウ素、シリコンカーバイド、およびアルミナが挙げられるが、それらに限定されない。
【００６４】
クラッド１２に使用される材料は、センサ１のその後の使用中のクラッド１２の亀裂またはファイバ１０からの分離を最小限に止めるために、サファイアの材料と熱的に整合するものであることが好ましい。
【００６５】
特定の環境条件下では、クラッドサファイアファイバの使用でさえ、不適切な場合がある。サファイアファイバおよびシリカファイバの代替物として、中空導波路を使用して、光をセンサ１との間で伝達することができる。高温用途向けの適切な導波路として、例えばアルミナ製の中空セラミックロッド、または耐熱金属管が挙げられる。中空導波路およびセンサ１の界面に反射防止コーティングを施すことができる。
【００６６】
センサ１、２０、３０およびファイバ１０は高温および／または化学的に厳酷な環境で使用するように意図されるので、光ファイバ１０をセンサ１、２０、３０に固定するために接着剤を使用することは一般的に不適切である。サファイアファイバまたは中空セラミックロッドが使用される場合、ファイバ１０またはロッドは真空熱プレスによってセンサ１、２０、３０に融着することが好ましい。他方、シリカファイバはガラスソルダによってセンサ１、２０、３０に固定することが好ましく、耐熱金属管は溶接によって固定することが好ましい。代替的に、サファイアファイバ１０および中空導波路（セラミックロッドまたは金属管）は、レーザ溶接によってセンサ１、２０、３０に固定することができる。サファイアは、約０．３から４μｍの間の波長を有する放射線に対してのみ透明である。したがって、レーザ溶接は、０．３μｍ以下の波長、例えば０．１３または０．２μｍで動作する深ＵＶエキシマレーザを使用して実行することができる。
【００６７】
好適な実施形態では、サファイアファイバは、１Ｍｐａの圧力下で１２００℃の熱圧着を使用してセンサに接着される。外側保護アルミナ管は同様にセンサヘッドに接着される。アルミナ管は耐熱金属（例えばインコネル）管内に封入される。アルミナとインコネルとの間のたるみを取り、熱膨張および振動減衰を可能にする支持体として働くアルミナファイバ材もある。インコネル管の遠端は、コネクタ端部の温度に応じてサファイア、シリカ、または金属被覆シリカファイバのいずれかを保持する従来のファイバコネクタのねじ止めを可能にするように特徴付けることができる。サファイアファイバはセラミックセメントによってアルミナシース内に保持されるか、あるいはアルミナおよびサファイアの熱膨張のわずかな不整合のため、アルミナをサファイアに収縮嵌合することができる。代替的に、サファイアおよびアルミナをメタライズし、高温ろう付けを使用して２つを一緒に接合することが可能である。
【００６８】
他の実施形態では、サファイアファイバは、サファイア対サファイア接合を持つ必要性を回避するために、一般的に３から１００μｍの距離だけキャビティから間隔を置いて配置される。最小距離は、測定キャビティと混同されるかもしれない寄生キャビティが生じないようにする必要性によって決定される。
【００６９】
熱圧着の接合温度は、サファイア／アルミナを接合の直前に酸素プラズマで処理すると、６００℃まで低下させることができる。
【００７０】
図１０は、悪環境および特にガスタービンなどのような高温環境用の本発明の実施形態を示す。保護ケーシング７０はインコネルから、約１０ｍｍの直径および約７５ｍｍの長さを持つ中空円筒体として形成される。インコネルケーシングの基部は円筒状のインコネルブシュ７２内に密閉される。
【００７１】
上述した、ファブリペローキャビティ７６を組み込んだサファイアセンサ７４は、ブシュ７２から遠い側のケーシング７０の端にある開窓７５の背後に配置される。センサ７４は、ケーシング７０の軸に沿ってブシュ７２まで走りかつアルミナの円筒体８０に収容された、サファイア光ファイバ７８に接続される。
【００７２】
円筒体８０はブシュ７２内の金属コイルばね８２によってケーシングの窓７５の方向に圧迫されるが、サファイアセンサは、アルミナペーパガスケット８４によって窓７５の周囲のインコネルケーシングから分離される。アルミナ円筒体８０とケーシング７０との間の空間は、アルミナペーパライナ８６によって占められる。
【００７３】
サファイア（８．４×１０-6Ｋ-1）およびシリカ（０．５５×１０-6Ｋ-1）の熱膨張係数の相違のため、センサ１、２０、３０が幅広い温度範囲にわたって使用されるときに、シリカファイバがサファイア体２から脱着されるかもしれない。したがって、そのような用途にはサファイアファイバまたは中空導波路を使用することが好ましい。
【００７４】
サファイアファイバ１０がセンサ１に固定される場合、ファイバ１０の端部および／またはファイバ１０が固定されるサファイア体２の表面４は、特定波長の放射線がドープ領域によって非ドープサファイアより強く吸収されるように、物質をドープすることができる。したがって、レーザ光（これはサファイアによる吸収が弱く、ドープ領域によって吸収が強くなる）は次いでサファイアファイバに沿ってファイバ：センサ界面まで誘導され、そこでドープ領域が選択的または優先的にレーザ光を吸収して、ファイバ１０とセンサとの間の局部的溶接を形成する。サファイア体２の表面４のドーピングにより、セラミックロッドを使用して同じ局部的溶接のプロセスを達成することもできる。
【００７５】
センサ１が下述するようにボンディング層８を含む場合、ボンディング層８の材料は、特定波長の放射線がボンディング層８によって選択的または優先的に吸収されるように、ドーパント（例えばシリコン）を選択し、あるいは含めることができる。したがって、センサ１とファイバ／導波路との間で再び局部的溶接を達成することができる。
【００７６】
光ファイバ１０がサファイアファイバである図６に示すように、光センサ１は、凹部３を包囲するサファイア体２の底面４上に配置されたボンディング層８を含むことが好ましい。センサ３０が図５に示す型である場合、ボンディング層８はサファイア体２の底面４全体の上に配置することができる。ボンディング層８は、真空熱プレスの工程中にサファイアファイバ１０およびサファイア体２用の共晶結合剤またはフラックスとして働く。その結果、サファイアファイバ１０およびサファイア体２は、通常の１５００℃ではなく、約１０００℃の温度で融着することができる。ボンディング層８の適切な材料として、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）および酸化イットリウム（イットリア）が挙げられる。ボンディング層８は約０．５μｍ以下の厚さであることが好ましい。これは次いで、溶融時にボンディング層８の材料が全部サファイア体２およびファイバ１０内に拡散して、サファイア：サファイア界面が形成されることを確実にする。加えて、ボンディング層８はサファイア体２の配置面４上で不連続であることが好ましい。例えばボンディング層４は、一連の平行線、同心輪、または螺旋として形成することができる。不連続ボンディング層８を持つことで、ボンディング層８の材料が融着後にサファイア：サファイア界面の間に存在する可能性が低減される。
【００７７】
図５に示したセンサ３０では、光ファイバ１０からの光が全部ファブリペローキャビティに結合されるように、サファイア体２のキャビティ９の直径を光ファイバ１０の直径より大きくすることができる。他方、図１〜４に示したセンサ１、２０では、ファイバ１０は、サファイア体２の凹部３を越えて延びるファイバ１０の部分によって、センサ１、２０に固定される。光ファイバ１０が、真空熱プレスによってセンサ本体２に固定されるサファイアファイバである場合、ファイバ１０のコア１１は凹部３を越えて延びなければならない。サファイアコア１１の直径を増大することにより、ファイバ１０とセンサ１、２０との間により緊密な固定が形成される。しかし、凹部３およびしたがってファブリペローキャビティに結合されるコア１１の百分率表面積は低下する。したがって、固定と実効光学結合との間のバランスを取らなければならない。サファイアコア１１の直径に対する凹部３の直径の比は、０．８以上であることが好ましい。いずれの場合も、サファイアコア１１および凹部３の直径の間の差は１μｍ以上であることが理想的である。
【００７８】
光ファイバ１０は、サファイア体２に固定されるファイバ１０の端部１３を包囲するサファイアカラー（図示せず）を含むことができる。カラーをファイバ１０に固定するためにイットリアペーストを使用することができる。次いでファイバ１０は、サファイアカラーをサファイア体２に融着することによって、センサ１に固定することができる。したがって、ファイバ１０のコアは凹部３を越えて延びる必要が無いが、代わりにファブリペローキャビティと完全に結合することができる。
【００７９】
図６に示すように、センサ１および光ファイバ１０は追加的に、窒化ホウ素のような機密コーティング１８内に収容することができる。理想的には、気密コーティング１８に使用される材料は、センサ１のその後の幅広い温度範囲にわたる動作中の亀裂または気密コーティングのセンサからの脱離を防止するために、サファイアと熱的に整合する。センサ１が圧力を測定するように意図される場合、気密コーティング１８は、圧力の変化に対するセンサ１の感度に悪影響を及ぼさないように、特に膜６の周囲の領域では薄い（例えば１μｍ以下）ことが理想的である。
【００８０】
センサ１および光ファイバ１０は、フェルール（図示せず）を用いて別のファイバ、特に従来のシリカファイバに取り付けるための単一のコンポーネント、つまりセンサヘッドとして形成することができる。したがって、センサヘッドと干渉計との間で光を伝達するために、ずっと安価なシリカファイバを使用することができる。サファイアファイバの長さは、シリカファイバが外側のどこかの位置でセンサヘッドに取り付けられ、センサヘッドが悪環境に曝露される唯一のコンポーネントとなるように選択することが好ましい。図６に示すように、光ファイバ１０の自由端１４は、ファイバ接合部での寄生反射を防止するために斜切することが好ましい。光ファイバ１０の自由端は、ファイバ接合部でクラッド１２に伝達されるモードを除去するために、クラッドモード除去器（例えばクラッド１２の上に配置され、クラッド１２のそれより高い屈折率を有するコーティングまたはジャケット）を含むことが好ましい。
【００８１】
図６は、図１に示した型のセンサ１を示しているが、図４および５に示したセンサ２０、３０は同様に、光ファイバ１０と共に単一のコンポーネントとして形成し、気密コーティング１８に収容することができる。
【００８２】
（製造方法）
図６に示したセンサ１を製造する方法を今から説明する。説明するステップの幾つかは、要求されるセンサ１の設計に応じて製造工程から省くことができる。例えば、ボンディング層８を堆積したり、あるいは凹部３に反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７をライニングする非必須ステップは省くことができる。さらに、以下で特定の寸法に言及するが、これらは単なる実施例として提供するものであって、代替寸法を使用してもよいことは理解されるであろう。
【００８３】
図７に示すように、製造の第１ステップは、一般的に厚さ３００μｍのサファイアウェハ４０を用意することを含む。次いで、イットリア、ＹＡＧ、他のＩＩＩＡ族化合物のボンディング層８が、例えばスパッタリング、反応スパッタリング、反応蒸着、または化学気相成長によって、サファイアウェハ４０の上面４２に堆積される。ボンディング層８は好ましくは約０．５μｍの厚さに堆積される。
【００８４】
ボンディング層８の露出上面４３は、円形アパーチャ４５がリソグラフィでパターン形成されたフォトレジストマスク４４で覆われる。マスク３２に形成されたアパーチャ４５は代替的形状とすることができるが、特にセンサがサファイアファイバに融着される場合には、円形が好ましい。フォトレジストマスク４４のアパーチャ４５は次いで、例えばリン酸を使用したウェット化学エッチングによって、またはイオンビームエッチング、Ａｒスパッタリング、またはＢＣｌ３＋Ｃｌ２＋Ａｒを使用したドライエッチングによって、ボンディング層８に転写される。マスク４４は追加的に、アパーチャ４５の周囲のボンディング層８の領域がエッチング後に不連続になるように、１つ以上の特徴（図示せず）をパターン形成することができる。例えば、マスク４４は追加的に一連の平行な溝、同心円、または螺旋をパターン形成することができる。
【００８５】
ボンディング層８のアパーチャによって露出されるサファイアウェハ４０の上面４２の領域はその後エッチングされて、サファイアウェハ４０に凹部３が形成される。エッチングされる凹部３の深さによって、ウェットまたはドライエッチングが使用される。約１０μｍ未満の深さの凹部３にはドライエッチングが好ましい。約１０μｍを越える深さには、例えば高温フッ化水素酸を用いるウェットエッチングが好ましい。凹部３がサファイアウェハ４０にエッチングされた後、フォトレジストマスク４４はボンディング層８から除去される。
【００８６】
図８に示すように、窒化ホウ素のような第１パッシベーション層１７が次いで、ボンディング層８の露出上面４３および凹部３によって画成されるサファイアウェハ４０の露出表面４６上に堆積される。ニオビウム、モリブデン、またはタングステンのような反射性コーティング１５が次いで第１パッシベーション層１７上に堆積され、かつ窒化ホウ素のような第２パッシベーション層１６が反射性コーティング１５上に堆積される。３つの層１５、１６、１７全ての堆積はスパッタリングによることが好ましい。
【００８７】
第２パッシベーション層１６の凹部３は次いでレジストを充填され、レジストによって被覆されない反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７の領域は、金属のドライエッチング用の塩素系化学薬品（例えば塩素、四塩化ケイ素）またはＣＦ4／Ｏ2を使用してエッチングされる。エッチング剤の選択は当然、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７に使用される材料に依存する。次いでレジストは凹部３から除去される。
【００８８】
最後に、膜６の所望の厚さが達成されるまでサファイアウェハ４０の下面４１が研削され、次いで化学的に研磨される。表面下の損傷を最小化するためにアニーリングを使用することができる。例えば膜を彫刻して縁部を薄化し、その機械的応答を改善することが有利であるかもしれない。
【００８９】
図６のセンサ１を製造する代替的方法について今から、図９を参照しながら説明する。再び、製造工程はサファイアウェハ４０を用意することから開始される。この製造方法では、サファイアウェハ４０の厚さがファブリペローキャビティの最終的な長さを決定する。したがって、ウェハ４０が所要厚さ（例えば感圧センサの場合５０μｍ）でない場合、サファイアウェハ４０は所要厚さが達成されるまで研削される。
【００９０】
次いでイットリアまたはＹＡＧのボンディング層８が、スパッタリングによってサファイアウェハ４０の上面４２に堆積される。任意選択的に、サファイアウェハ４０の下面４１に第２ボンディング層２４が堆積される。ボンディング層８、２４は両方とも約０．５μｍの厚さに堆積することが好ましい。
【００９１】
次いでサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４に貫通孔またはチャネル２５が形成される。マイクロマシニング製造に一般的に使用される様々な方法が、チャネル２５の形成に利用可能である。
【００９２】
例えば、チャネル２５は、最初にボンディング層８に、好ましくは円形のアパーチャ４５をリソグラフィでパターン形成したフォトレジストマスク４４をかぶせることによって形成される。次いでウェットまたはドライエッチングを使用して、マスク４４のアパーチャ４５によって露出したサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４をエッチングする。代替的に、マスク４４のアパーチャ４５によって露出したサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４は、パウダブラスト加工、つまり露出したサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４をシリコンカーバイドまたはタングステンカーバイドのような硬質粉体の噴射に曝すことによって、エッチングすることができる。
【００９３】
代替的に、機械的穴あけ、レーザ穴あけ、超音波穴あけ、または放電加工によって、溝２５をサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４に形成することができる。
【００９４】
ひとたびチャネル２５がサファイアウェハ４０およびボンディング層８、２４に形成されると、第２サファイアウェハ４７が第１サファイアウェハ４０の下面４１に接着される。ウェハ４０、４７の接着は、共晶結合剤またはフラックスとして働く第２ボンディング層２４をウェハ４０の下面４１に堆積して、真空熱プレスによって行なうことが好ましい。
【００９５】
反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７は、チャネル２５によって露出した第２サファイアウェハ４７の表面４８上に堆積される。これを達成する方法は２つある。第１に、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７は、上述しかつ図８に示したのと同様に堆積される。つまり、層１５、１６、１７は、ボンディング層８の露出上面４３ならびにチャネル２５によって露出した第１および第２サファイアウェハ４０および４７の表面４６、４８に堆積され、次いで溝２５にレジストが充填され、レジストによって被覆されない層１５、１６、１７の領域がエッチングされる。第２に、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７は、第１サファイアウェハ４０に接着される前の第２サファイア層４７の表面４８に堆積される。マスクを使用して、第１サファイアウェハ４０と接着される第２ウェハ４７の表面に堆積が行われないことを確実にする。つまり、接着後にチャネル２５によって露出され続ける第２ウェハ４７の領域にだけ、堆積が行なわれる。
【００９６】
第２ボンディング２４層を第１サファイアウェハ４０の下面４１に堆積することに言及してきたが、言うまでもなく、代替的に第２ボンディング層２４を第２サファイアウェハ４７の接着面４８に堆積することができることは理解されるであろう。
【００９７】
最後に、必要ならば、膜６として働く第２サファイアウェハ４７の下面４９は適切な厚さに研削される。
【００９８】
上述した第１の製造方法では、サファイア体２の凹部３は、サファイアウェハ４０のウェットまたはドライエッチングによって形成される。したがって該方法は、深さが約５０μｍを越える凹部３を有するセンサ１の製造にはあまり適さない。しかし、サファイアウェハ４０に初期貫通孔またはチャネル２５を形成し、次いでそれに第２サファイアウェハ４７をかぶせることによって、５０μｍを越えるファブリペローキャビティを有するセンサ１の製造が、商業的に現実的なタイムスケール内で可能になる。特に、パウダブラスト、機械的穴あけ、およびレーザ穴あけは全て、比較的厚い（例えば厚さ３００μｍ）ウェハを貫通するチャネルを迅速に形成することが可能である。加えて、ウェットまたはドライエッチングは、比較的薄いウェハ（例えば５０μｍ未満）にチャネル２５をエッチングするために使用することができる。この方法でエッチングされた一連のウェハを次いで、それらのチャネルが整列した状態で積層させて、所要厚さ、例えば所要のファブリペローキャビティ長のウェハを形成することができる。センサ１は次いで、第２サファイアウェハ４７を積層に接着することによって完成する。
【００９９】
図４に示す光センサ２０の製造は比較的簡単である。前述と同様に、一般的に厚さ３００μｍのサファイアウェハ４０が用意され、深さが例えば０．５μｍの凹部３が、上述した第１の製造方法によってウェハ４０の上面４２にエッチングされる。必要ならば、反射性コーティング１５およびパッシベーション層１６、１７がサファイアウェハ４０の下面４１に堆積される。
【０１００】
図５に示したセンサ３０は、図６に示した型の中間センサ１を最初に製造することによって製造される。中間センサ１は、上述した第１の（凹部）方法または第２の（チャネル）方法のいずれかによって製造することができる。次いで第３サファイアウェハが、好ましくは真空熱プレスによって第１サファイアウェハ４０の上面４２に接着される。ボンディング層８（使用する場合）は、結合ウェハ用の共晶結合剤またはフラックスとして働く。次いでイットリアまたはＹＡＧのボンディング層を、第３サファイアウェハの露出面上に堆積することができる。
【０１０１】
第３サファイアウェハまたは実際にはファイバ１０は、真空下で第１サファイアウェハ４０の上面４２に固定することが好ましい。したがって、センサ１、２０、３０の高温でのその後の使用中に反射性コーティングが劣化する潜在的可能性は、第２パッシベーション層１６を設ける必要なく、最小化される。
【０１０２】
最終的な処理ステップで、各センサ１、２０、３０のウェハ構造は、レーザを用いて、またはパウダブラストによってスクライビングされ、スクライブ線に沿って切断されてセンサ１、２０、３０が画成される。図１ないし６に示したセンサ１、２０、３０の剪断隅部１９はスクライビング工程のアーチファクトである。
【０１０３】
チップはレーザによって個片化または裁断され、積層されて（適切な結合剤／接着剤により）「ロッド」を生成し、それは次いで円筒体へとダイヤモンド旋削される。次いでチップが取り外され、結果的に円形ダイの準備が整う。
【０１０４】
クラッドサファイアファイバは、最初にサファイアファイバの端部を劈開して端面１３、１４を画成することによって製造される。図６に示すように、ファイバ１４の一端は寄生反射を防止するために斜めに劈開することが好ましい。次いで、好ましくはスパッタリングによってファイバの全長にわたって１層の導波路材料が堆積される。上述の通り、導波路材料は、サファイアより低い屈折率を持つ材料（例えばアルミナ、イットリア、窒化ホウ素、シリコンカーバイド）とすることができ、あるいはそれは高い反射率を持つ材料（例えば白金）とすることができる。必要ならば、外部光がファイバ内に侵入するのを防止するために、グラファイトのような１層の不透明な材料が、再びスパッタリングによって導波路材料の上に堆積される。このクラッドが適切な屈折率を持つか、あるいは金属である場合、ファイバのシングルモード動作が可能である。最後に、例えば窒化ホウ素のパッシベーション層が不透明な材料および／または導波路材料の上に堆積される。
【０１０５】
サファイアファイバ１０が例えば真空熱プレスによってセンサ１、２０、３０に固定された後、センサ１、２０、３０およびファイバ１０は、ファイバ１０の自由端１４を含め、センサ３５およびファイバ１０の露出表面上に、窒化ホウ素のような薄層（例えば＜１μｍ）のパッシベーション層１８を堆積することによって気密密閉される。パッシペーション材料１８はスパッタリングによって堆積することが好ましい。最後に、ファイバ１０の自由端１４に、例えば収縮嵌合によってフェルール（図示せず）が取り付けられる。
【０１０６】
上では特定のマイクロマシニング工程に言及したが、他の公知の適切な形のエッチング、堆積、および接合をセンサ１、２０、３０の製造に使用することができることは理解されるであろう。例えば、サファイアウェハ４０の凹部３は、ウェットまたはドライエッチングではなく、レーザアブレーションによって形成することができる一方、スパッタリングの代替として蒸着またはＣＶＤを使用することができる。
【０１０７】
本発明の光センサにより、シリコン系センサでは不可能な化学的に厳酷な環境および／または高温環境で、圧力および／または温度を測定することができる。該センサの実際の用途として、中でも特に、自動車および航空宇宙産業でエンジン性能および排気を監視および制御すること、原子力産業で重要な機器の性能を監視すること、石炭火力発電所の監視、ガスおよび石油の探査、ならびに産業用プロセス制御が挙げられる。
【０１０８】
上述した方法を使用することによって、特に費用効率的に単一のサファイアウェハから幾つかのセンサを製造することができる。さらに、センサは従来の光ファイバに迅速かつ容易に取り付けるように製造することができる。
【０１０９】
（干渉測定技術）
上述した様々なセンサの実施形態は、ファブリペローキャビティとインタフェースするいずれかの一般的に受け入れられる方法を用いて照会することができる。好適な実施形態は、周知の技術である白色光干渉測定法を使用する。その最も簡単なレベルでは、これは分光計および適切なソフトウェアを使用して、スペクトルデータからキャビティ長を算出することを含む。機械的または光電子的（つまりスキャンニングファブリペロー干渉計、または位相変調器付き集積光導波路キャビティ）整合キャビティを使用して、測定キャビティを追跡することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る光センサの略断面図である。
【図７】図６のセンサの製造工程のステップを示す図である。
【図８】図６のセンサの製造工程のさらなるステップを示す図である。
【図９】図６のセンサの代替的製造工程のステップを示す図である。
【図１０】悪環境用のパッケージ化サファイアセンサを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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