(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサ（２５０）を有する第１の振動子ループ（５２０）と、
ガスセンサ（２００）を有する第２の振動子ループ（５２２）と、
前記第１の振動子ループ（５２０）から出力された第１の周波数測定値（ｆ１）と、前記第２の振動子ループ（５２２）から出力された第２の周波数測定値（ｆ２）とを入力として受け入れ、前記第１の周波数測定値と前記第２の周波数測定値の差を出力する混合器（５１４）と、
前記混合器（５１４）の出力に結合された回路（５１５）と、
を備える装置であって、
前記圧力センサ（２５０）は、密閉キャビティ（２５８）と、前記圧力センサ（２５０）の外部のガス混合物と前記圧力センサ（２５０）の前記密閉キャビティ（２５８）内のガス混合物又は真空との圧力差によってたわむ密閉メンブレン（２５２）を有し、
前記ガスセンサ（２００）は、キャビティ（２１４）と、前記ガスセンサ（２００）の外部の前記ガス混合物に接触する前記キャビティ（２１４）を覆う非密閉振動メンブレン（２１０）とを有し、
前記ガス混合物は、前記ガスセンサ（２００）の外部から前記非密閉振動メンブレン（２１０）の少なくとも１つの開口（２１２）を介して前記キャビティ（２１４）に流れることができ、
前記ガスセンサ（２００）は、前記キャビティ（２１４）内の前記ガス混合物のモル質量、密度及び粘度の少なくとも１つを検出するように構成された、装置。
【請求項２】
前記ガスセンサ（２００）が前記キャビティ（２１４）に閉じ込められた前記ガス混合物の圧搾膜作用を用いるように、前記ガスセンサ（２００）の上部電極（２１６）が前記ガスセンサ（２００）の下部電極（２１８）に向かって移動するときに、前記キャビティ（２１４）内の前記ガス混合物は、圧搾膜のように振る舞う、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ガスセンサ（２００）は、上部電極（２１６）と下部電極（２１８）を備え、
前記上部電極（２１６）の静電機械的動作のために構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記キャビティ（２１４）の近く又は前記キャビティ（２１４）に接触したヒータを備える、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
温度は、前記ヒータを用いて周期的に変化する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定するための装置であって、
空気圧を測定する第１のセンサ（２５０）を備える第１の振動子群（５２０）であって、前記第１のセンサ（２５０）は、第１の密閉メンブレン（２５２）を有し、前記第１の密閉メンブレン（２５２）は、密閉された第１のキャビティ（２５８）を覆う、第１の振動子群（５２０）と、
第２の非密閉振動メンブレン（２１０）の共振周波数（ｆ２）を測定する第２のセンサ（２００）を有する第２の振動子群（５２２）であって、前記第２の非密閉メンブレン（２１０）は、前記第２のセンサ（２００）の外側の空気と接触する第２のキャビティ（２１４）を覆う、第２の振動子群（５２２）と、
前記第１の振動子群（５２０）から出力された第１の周波数測定値と、前記第２の振動子群（５２２）から出力された第２の周波数測定値とを入力として受け入れ、前記第１の周波数測定値と前記第２の周波数測定値の差（ｆｄ）を出力する混合器（５１４）と、
前記差（ｆｄ）を入力として受け入れ、二酸化炭素測定値を出力する回路（５１５）と、を備えた装置。
【請求項７】
前記第１のメンブレン（２５２）と前記第２のメンブレン（２１０）は、サイズ及び形状が同一である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の密閉メンブレン（２５２）は、密閉されており、圧力勾配によりたわむ、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のセンサ（２５０）は、圧力センサであり、前記第２のセンサ（２００）は、ガスセンサである、請求項６〜８のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２のセンサ（２００）は、ヒータを有し、
前記ヒータは、前記第２のキャビティ（２１４）の内側面に接している、請求項６〜９のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する装置によって実行される命令で符号化された有形非一時的機械可読記憶媒体であって、
密閉された第１のキャビティ（２５８）を覆う密閉メンブレン（２５２）を有する第１のセンサ（２５０）を用いて第１の空気圧測定値を取得する命令と、
非密閉振動メンブレン（２１０）を有する第２のセンサ（２００）を用いて空気測定値の第２の共振周波数（ｆ２）を取得する命令と、ここで、前記非密閉メンブレン（２１０）は、前記第２のセンサ（２００）の外側の空気と接触しているキャビティ（２１４）を覆い、
前記第１の周波数測定値と前記第２の周波数測定値との差（ｆｄ）を計算する命令と、
前記差（ｆｄ）に基づいて二酸化炭素測定値を計算する命令と、
を含む、有形非一時的機械可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ガスセンサ、ガスセンサを備えた装置、二酸化炭素濃度を測定する装置、及び二酸化炭素濃度を測定する装置によって実行される命令で符号化（エンコード）された有形非一時的機械可読記憶媒体に関する。
【０００２】
特許出願は、横感度を軽減した共振ＣＯ２検出に関する。本明細書に開示された様々な例示的実施形態は、一般に、ＣＯ２検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子センサは、空気品質又はガス組成を多くの方法で監視でき、ガス混合物の幾つかの物理的性質は、組成変化に伴って変化する。例えば、センサは、加熱ワイヤを使用しそのワイヤから周囲への熱放散を測定するガス混合物の熱伝導性の検出に基づいてもよい。
【０００４】
具体的には、ＣＯ２検出は、多くの方法で行われうる。２つの現在の方法には、材料がＣＯ２を吸収しその結果として静電容量を変化させる材料ベースの方法と、媒体の熱伝導率の変化としたがって加熱ワイヤの冷却によって加熱された自由吊り下げワイヤのまわりの空気混合物の電気抵抗変化が測定することによるワイヤ温度を読み取る別の方法がある。また、ＣＯ２を共振検出する別の方法が知られている。一般に、この方法は、共振するＭＥＭＳ素子上に、周波数変化を引き起こす質量変化を検出する機能材料を必要とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本特許出願の目的は、ガスセンサ、ガスセンサを含む装置、二酸化炭素濃度を測定する装置、及び二酸化炭素濃度を高精度で測定する装置によって実行される命令で符号化（エンコード）された有形非一時的機械可読記憶媒体を提供することである。
【０００６】
この目的は、独立項の内容によって達成される。更に他の実施形態は、従属項に記載される。
【０００７】
一実施形態では、装置は、ガス混合物の平均モル質量に高感度となることによって正確な周波数検出を可能にすることができ、ここで、モル質量は、装置の共振周波数に反映される。しかしながら、任意のガスセンサに関して、応答は、複数の影響（例えば、ガス圧力、温度、及び／又は相対湿度）により変化する。モル質量センサは、また、横感度を補償する。多くの方法は、ガスがセンサに対して特定の状態（例えば、低真空又は小空間）であることを必要とする。検出器内のガス流の制御は、難しいことがある。圧力が高くなり、空間が大きくなるほど（マイクロメートル範囲で）、分子は、センサ面に当たる前に互いに衝突する。
【０００８】
理想的な状態、例えば、実験室又は他の制御された状態では、ガス混合物のＣＯ２濃度を測定する方法は幾つかある。しかしながら、現場では、状態が理想的なことは希である。例えば、モル質量は、空気中の粒子（即ち、衝突する分子）の平均速度に影響を及ぼす。これは、粒子が遭遇する壁（例えば、センサ）に対する粒子の衝突又は衝撃をもたらす。動的影響は、空気膜剛性並びに空気膜減衰定数として表されることがある。品質係数又はＱ係数、共振システムの相対帯域幅の測定値は、システムがガスを検出できる範囲に影響を及ぼし、小さい周波数偏移を測定できるようにするには、十分に高いＱを有することが重要である。
【０００９】
例えば、真空中で動作する装置では、Ｑ＝４００００を有する共振器を使用して、共振周波数を高分解能（周波数偏移の検出がｐｐｍ以下の精度）で決定できる。しかしながら、Ｑは、真空から通常空気に変化するときに大幅に低下する。空気中では、その同じ共振器は、Ｑ＝３９００を示すことがある。この共振器によって、１ｐｐｍ濃度の周波数検出が可能である。しかしながら、圧力センサメンブレンは、異なるタイプの共振器（バルクモードではなく曲げモード）を使用し、密閉メンブレンを使用する真空中でのみ適切なＱレベルに達する。適切なＱレベルに達するために真空又は他の特定の環境変数を必要とすることは、特に開放空気中で変化する状態を検出するために必要なことがあるので、多くの理由のために実世界状態で使用するには実際的でないことがある。
【００１０】
開放構造は、ガス圧に依存する共振周波数を有する。しかしながら、周囲圧力でのＱレベルは、（空気粘性による）空気中の減衰損失により、約２００でよい。Ｑ＝２００の場合でも、周波数分解能は、共振周波数の２０ｐｐｍ相対偏移の検出を可能にする。しかしながら、周囲条件で、ＣＯ２の粒子が２００ｐｐｍ変化すると周波数が１２ｐｐｍ変化し、これは、既に電流装置のこの検出限界に近い。主成分が酸素と窒素の場合、他の任意のガスの濃度変化の影響は、モル質量のわずかな変化しか予想されないことを意味する。即ち、周波数にＣＯ２濃度だけが影響を及ぼすとき、約数１０ｐｐｍの周波数偏移を検出可能なことが望ましい。数１０ｐｐｍは、周波数偏移が、例えば３０、４０、５０ｐｐｍなどのほぼ数十の大きさであることを意味する略語である。
【００１１】
周波数を利用したＣＯ２検出のこの要求を考慮して、様々な例示的実施形態の概要が示される。以下の要約では、様々な例示的実施形態の幾つかの態様を強調し紹介するための幾つかの単純化と省略が行われることがあるが、それらは発明の範囲を限定しない。後の節では、当業者が発明概念を作成し使用可能にするのに適した好ましい例示的実施形態の詳細な説明を行う。
【００１２】
様々な例示的実施形態は、メンブレンのまわりの空気中のＣＯ２分子の量に対する振動メンブレンの周波数偏移に関する。周波数偏移は、空気中の温度、圧力及び湿度変動に比例することがある。幾つかの実施形態では、共振ＣＯ２センサは、温度、湿度及び圧力用センサの組み合わせに対する付属として機能してもよい。本明細書に開示された様々な例示的実施形態は、一般に、相対湿度に対する横感度を克服する方法に関する。
【００１３】
様々な例示的実施形態は、空気圧を測定する第１のセンサを含み、第１のセンサが、第１の密閉メンブレンを含み、第１の密閉メンブレンが、密閉された第１のキャビティを覆う第１の振動子群と、第２の非密閉振動メンブレンの共振周波数を測定する第２のセンサを含み、第２の非密閉メンブレンが、第２のセンサの外側の空気に接する第２のキャビティの上を覆う第２の振動子群と、第１の振動子群から出力された第１の周波数測定値と、第２の振動子群から出力された第２の周波数測定値とを入力として受け入れ、第１の周波数測定値と第２の周波数測定値の差を出力する混合器と、差を入力として受け入れ、二酸化炭素測定値を出力する回路とを含む、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する装置に関する。
【００１４】
様々な代替実施形態では、第１のメンブレンと第２のメンブレンは、サイズ、形状及び製造工程が同一である。
【００１５】
様々な実施形態では、第１のメンブレンと第２のメンブレンは、２００×２００μｍ２の寸法である。
【００１６】
第１のセンサの第１のメンブレンと第２のセンサの第２のメンブレンは、矩形でよい。
【００１７】
あるいは、第１のメンブレンと第２のメンブレンは、５０μｍ〜１０００μｍの辺長を有する。あるいは、第１のメンブレンと第２のメンブレンは、１００μｍ〜３００μｍの辺長を有する。
【００１８】
第１のメンブレンの様々な辺の辺長が、異なってもよい。第２のメンブレンの様々な辺の辺長が、異なってもよい。
【００１９】
第１のメンブレンの辺長が、第２のメンブレンの辺長と異なってもよいし、等しくてもよい。
【００２０】
あるいは、第１及び／又は第２のメンブレンが円形でもよい。
【００２１】
代替実施形態では、第１の密閉メンブレンが、密閉され、圧力勾配によってたわむ。
【００２２】
幾つかの代替実施形態では、圧力勾配によるたわみは、メンブレン内側とメンブレン外側との差圧によるたわみを含む。
【００２３】
幾つかの代替実施形態では、第２の振動子群は、更に、第１の上部電極と第２の下部電極を含む。
【００２４】
第２のセンサは、第１の上部電極と第２の下部電極を含んでもよい。
【００２５】
様々な例示的実施形態は、空気圧を測定する第１のセンサであって、第１のセンサが、密閉メンブレンを含み、密閉メンブレンが、密閉された第１のキャビティを覆う第１のセンサと、非密閉振動メンブレンの共振周波数を測定する第２のセンサであって、第２のセンサがヒータを備え、非密閉メンブレンが、第２のセンサの外側の空気と接触する第２のキャビティを覆い、ヒータが、第２のキャビティの内側面に接触している第２のセンサと、第１のセンサから出力された第１の周波数測定値と、第２のセンサから出力された第２の周波数測定値とを入力として受け入れ、第１の周波数測定値と第２の周波数測定値の差を出力する混合器と、差を入力として受け入れ、二酸化炭素測定値を出力する回路とを含む、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する装置に関する。
【００２６】
様々な代替実施形態では、第１のメンブレンと第２のメンブレンは、サイズ、形状及び製造工程が同一である。
【００２７】
様々な実施形態では、第１のメンブレンと第２のメンブレンが、２００×２００μｍ２の寸法である。
【００２８】
代替実施形態では、第１の密閉メンブレンが、密閉され、圧力勾配によってたわむ。
【００２９】
幾つかの代替実施形態では、第２の振動子群は、更に、第１の上部電極と第２の下部電極を有する。第２のセンサは、第１の上部電極と第２の下部電極を有してもよい。
【００３０】
様々な例示的実施形態は、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する装置によって実行される命令で符号化された有形非一時的機械可読記憶媒体に関し、前記有形非一時的機械可読記憶媒体は、第１のセンサを使用して第１の空気圧測定値を取得する命令と、ここで、第１のセンサは密閉メンブレンを有し、第２のセンサを使用して空気測定値の第２の共振周波数を取得する命令と、ここで、第２のセンサは、非密閉振動メンブレンを有し、非密閉メンブレンは、第２のセンサの外側の空気と接触するキャビティを覆い、第１の周波数測定値と第２の周波数測定値の差を計算する命令と、差に基づいて二酸化炭素測定値を計算する命令とを含む。
【００３１】
命令が、オンラインで実行されてもよい。
【００３２】
代替実施形態は、第２のセンサを使用して空気の共振周波数を測定する直前に第２のキャビティを加熱する命令と、第１のメンブレンの温度を読み取る命令とを含む。
【００３３】
幾つかの実施形態では、第２のセンサを使用して空気測定値の第２の共振周波数を取得する命令が、更に、装置の上部電極の静電機械的動作を開始する命令を含む。
【００３４】
他の実施形態では、上部電極の静電機械的動作は、直流と交流を加えた電圧を装置の２つの電極に印加することを含む。
【００３５】
様々な例示的な実施形態は、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を測定する方法に関し、方法は、第１のセンサを使用して第１の空気圧測定値を取得する段階と、ここで、第１のセンサが密閉メンブレンを含み、第２のセンサを使用して空気測定値の第２の共振周波数を取得する段階と、ここで、第２のセンサが非密閉振動メンブレンを含み、非密閉メンブレンが第２のセンサの外側の空気と接触するキャビティを覆う段階と、第１の周波数測定値と第２の周波数測定値の差を計算する段階と、差に基づいて二酸化炭素測定値を計算する段階とを含む。
【００３６】
様々な例示的方法は、更に、第２のセンサを使用して空気の共振周波数を測定する直前に第２のキャビティを加熱する段階と、第１のメンブレンの温度を読み取る段階とを含む。
【００３７】
様々な代替実施形態では、第２のセンサを使用して空気測定値の第２の共振周波数を取得する段階が、更に、上部電極の静電機械的動作を含む。
【００３８】
方法は、オンラインで連続的に実行される。段階は、周期的に繰り返された。
【００３９】
様々な例示的実施形態では、上部電極の静電機械的動作は、更に、２つの電極に直流と交流を加えた電圧を印加する段階を含む。
【００４０】
第１のセンサは、圧力センサとして実現されてもよい。第２のセンサは、ガスセンサとして実現されてもよい。
【００４１】
一実施形態では、ガスセンサは、キャビティを含む。ガスセンサは、キャビティ内のガス混合物のモル質量、密度及び粘度の少なくとも１つを検出するように構成される。
【００４２】
したがって、ガスセンサは、キャビティ内のガス混合物の物理的若しくは機械的量又は物理的若しくは機械的特性を検出してもよい。したがって、ガスセンサには、測定されるガスを吸収するように設計された吸収層がない。有利には、吸収層の特性の変化によって生じることがあるガスセンサのドリフトが回避される。ガスセンサは、ガス測定のために、化学的原理ではなく、機械的及び／又は物理的原理を使用する。ガスセンサによって決定されるガス混合物のモル質量、粘度及び密度は、キャビティ内のガス混合物に含まれる各ガスの関数である。
【００４３】
ガスセンサは、ガス混合物のモル質量、密度及び粘度のうちの少なくとも１つを検出するため、例えば、産業用ガス混合物、天然ガス、家庭用ガス、合成ガス、圧縮空気及び／又は医療用途で使用されるガス混合物の監視などのプロセス監視又は品質管理のために使用されうる。ガス混物合のモル質量を決定することによって、相対分子質量（相対モル質量又は分子量とも呼ばれる）が決定されてもよい。ガス混合物の純度が決定されうる。
【００４４】
ガス混合物は、モル質量を有する唯一のガスからなってもよい。ガス混合物が少なくとも２つのガスからなる場合、平均モル質量は、ガスセンサによって決定される。しかしながら、「モル質量」は、本特許出願では「平均モル質量」で使用される。
【００４５】
一実施形態では、ガス混合物中のほとんどのガスの濃度は、特定の用途において分かっているかほぼ分かっている。１つのガス又は少数のガスの濃度だけが、分かっておらず、また前記用途でのガス混合物中で可変なことがある。ガスセンサは、キャビティ内のガス混合物のモル質量、粘度又は密度の決定に基づいて、１つのガスの濃度を決定するように設計されてもよい。ガスは、二酸化炭素、湿度又は別のガスでもよい。
【００４６】
一実施形態では、ガスセンサは、振動メンブレンを有する。振動メンブレンは、非密閉振動メンブレンとして製造される。非密閉振動メンブレンは、キャビティを覆う。キャビティは、ガスセンサの外側の空気など、ガスセンサの外部のガス混合物と接触している。
【００４７】
一実施形態では、非密閉振動メンブレンの第１の面が、ガスセンサの外部のガス混合物と接触する。非密閉振動メンブレンは、少なくとも１つの間隙、開口、孔又はアパーチャを含む。メンブレンの第２の面と、したがってキャビティは、ガスセンサの外部のガス混合物に接触している。キャビティ内のガス混合物は、ガスセンサの外部のガス混合物と同一でもよい。
【００４８】
非密閉振動メンブレンは、キャビティ内のガス混合物のモル質量及び／又は密度及び／又は粘度に依存する振動を行う。モル質量、密度、粘度などのガス混合物の機械的／物理的特性は、非密閉振動メンブレンの振動に影響を及ぼす。これらは、ガスセンサによって測定される振動の振幅、位相、共振周波数及び品質係数のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすことがある。
【００４９】
一実施形態では、ガスセンサは、非密閉振動メンブレンの共振周波数を測定する。ガスセンサの共振周波数は、測定されたガスのモル質量及び／又は粘度及び／又は密度を決定するために使用される。有利には、共振周波数は、高精度で決定されてもよい。
【００５０】
一実施形態では、ガスセンサは、キャビティ内に閉じ込められたガス混合物の圧搾膜作用を使用する。キャビティは、浅いキャビティとして実現される。キャビティの高さは小さい。一実施形態では、高さは、５μｍ未満である。あるいは、高さは、２μｍ未満である。あるいは、高さは、０.５μｍ未満である。高さの値が小さいので、キャビティ内のガス混合物が圧搾される。キャビティは、キャビティ内のガス混合物が圧搾膜のように挙動するように構成される。高さは、キャビティの間隙と呼ばれることがある。
【００５１】
一実施形態では、ガスセンサは、上部電極と下部電極を含む。キャビティは、上部電極と下部電極の間に配置される。ガスセンサは、上部電極の静電機械的動作を提供するように構成される。上部電極は、非密閉振動メンブレン内に配置される。上部電極と下部電極の間に交流電圧及び／又は直流電圧が印加される。上部電極と下部電極の間にゼロでない電圧が印加されたとき、上部電極は、下部電極の方に引き寄せられる。上部電極と下部電極は、下部電極と上部電極の間の電圧が０Ｖの場合だけ互いに引き寄せられない。
【００５２】
一実施形態では、上部電極と下部電極の間に印加される交流電圧又は電流の周波数は、電圧又は電流の周波数が非密閉振動メンブレンの共振周波数と等しくなるまで変更される。共振周波数の場合、非密閉振動メンブレンの振動の振幅は、共振周波数より低いか高い周波数の場合より大きい。
【００５３】
一実施形態では、ガスセンサは、ヒータを含む。ヒータは、キャビティに近いか又はキャビティに接触している。ヒータは、非密閉振動メンブレンに含まれてもよい。あるいは、ヒータは、キャビティの下側にあってもよい。ヒータは、非密閉振動メンブレンと反対のキャビティの側にあってもよい。
【００５４】
一実施形態では、温度は、ヒータを用いて周期的に変化する(cycled)。したがって、キャビティ内のガス混合物の温度は、ヒータによって繰り返される。ヒータに提供される電力は、温度を周期的に変化させるために変調される。キャビティの体積内のガス混合物の圧力は、ほぼ一定であり、温度と無関係である。したがって、キャビティ内のガス混合物の温度を周期的に変化させることで、ガス混合物中のガスの分子又は原子の数が変化するので、各ガスの濃度が変化する。ガス混合物中のガスの分子又は原子の数、及び様々なガスの濃度は、絶対温度の逆数１／Ｔに比例する。したがって、温度の周期的変化によって、ガス混合物のモル質量及び／又は密度及び／又は粘度が変化する。共振周波数の第１の値が、低温で測定されてもよく、共振周波数の第２の値が、高温で測定されてもよい。一定温度での共振周波数の測定値と比較してこの第１と第２の値を使用することにより、ガス混合物に関するより多くの情報を決定できる。
【００５５】
一実施形態では、装置は、ガスセンサと圧力センサを含む。圧力センサは、ガスセンサの近くに配置される。
【００５６】
装置は、ガス混合物のモル質量、密度及び粘度の少なくとも１つを決定するように設計されてもよい。あるいは又は更に、装置は、ガスセンサによって提供される情報と圧力センサによって提供される情報を使用して１つのガスの濃度を決定するように設計されてもよい。ガス混合物のモル質量、密度及び粘度は、ガス混合物中の様々なガスの相対濃度に依存するだけでなく、キャビティ内の圧力にも依存する。圧力センサは、ガスセンサの外部のガス混合物の圧力の関数である圧力センサ信号を提供する。ガスセンサが、非密閉振動メンブレンを有するので、キャビティの圧力は、ガスセンサの外部の圧力と等しい。したがって、圧力センサ信号は、キャビティ内のガス混合物の圧力の関数である。ガス濃度の決定に対する圧力の影響は、非密閉振動メンブレンの共振周波数などのガスセンサによって提供されるガスセンサ信号に加えて、圧力センサ信号を使用することにより減少できる。
【００５７】
一実施形態では、半導体本体は、ガスセンサを有する。ガスセンサは、半導体本体の表面に製造される。半導体本体は、シリコンで作成されてもよい。ガスセンサは、シリコンセンサでもよい。
【００５８】
半導体本体は、圧力センサを有してもよい。圧力センサは、ガスセンサが製造された半導体本体の同じ面に製造されてもよい。
【００５９】
あるいは、更に他の半導体本体が、圧力センサを有してもよい。更に他の半導体本体は、シリコンで作成されてもよい。ガスセンサと圧力センサは、異なる半導体本体上に製造されてもよい。
【００６０】
このように、様々な例示的実施形態がＣＯ２検出を可能にすることは明らかであろう。
【００６１】
様々な例示的実施形態をより良く理解するために、添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】分子が別の分子にぶつかるまで移動する予想行程に関して、粘性層流と自由分子流の差を示す図である。
【図２Ａ】開放された例示的ガスセンサを示す図である。
【図２Ｂ】例示的な密閉圧力センサを示す図である。
【図２Ｃ】更に他の例示的なガスセンサを示す図である。
【図２Ｄ】更に他の例示的な圧力センサを示す図である。
【図３】例示的な開放及び密閉センサの共振周波数測定値を示す図である。
【図４】開放装置と閉鎖装置の減衰と圧力の関係を示す図である。
【図５】２つのセンサの測定値を組み合わせる例示的なシステム又は装置を示す図である。
【図６Ａ】空気の主成分を示す２つの例示的な表である。
【図６Ｂ】空気の主成分を示す２つの例示的な表である。
【図６Ｃ】空気中の含水率の依存性を相対湿度と温度の関数として示す例示的な表である。
【図６Ｄ】空気中の含水率の依存性を相対湿度と温度の関数として示す例示的な表である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以上を考慮して、特定の圧力、温度又は湿度にも依存しない空気中のＣＯ２含有量を測定する装置を実現することが望ましい。ガス混合物のモル質量の変化だけが検出される。特に、所望の信号を他の周囲パラメータから分離する方法を作成することが望ましい。
【００６４】
ガスセンサの場合、測定値は、複数の影響（例えば、ガス圧力、温度、相対湿度）により変化する。これらの横感度は、周囲空気中で約２００ｐｐｍのＣＯ２ｐｐｍ濃度変化を検出するために軽減されうる。
【００６５】
次に類似の数字が類似の構成要素又は段階を指す図面を参照すると、様々な例示的実施形態の幅広い態様が開示される。
【００６６】
図１は、分子が別の分子にぶつかるまで移動する予想行程に関して、粘性層流と自由分子流の差を示す。ガスが自由分子流の状態のとき、分子の平均自由行程は、ガスを封入する最大体積寸法より大きい。予想される１つの結果は、分子が、互いにではなく、壁と衝突することである。そのような状態は、ガスが閉じ込められた壁の間の低真空及び／又は小さい距離に対応する。通常空気圧では、ガスは、粘性（層状）流の状態でふるまう。
【００６７】
もっと高い圧力（図１の一番左の領域、１１０）のとき、分子は、壁又はセンサ表面などの他の面にぶつかるまで互いに衝突する。図１に示された大雑把な縮尺では、想定された１０００ｍｂａｒの標準海面気圧での自由行程長は、約１００ｎｍである。
【００６８】
検出器の微小構造で壁を分離するようなマイクロメートル範囲の自由行程長では、約２０ｍｂａｒまでのレベルの分子流が予想される。おおよそ１μｍの間隙内で、分子は、ある面から別の面に衝突なしに移動しないが、少しの衝突しか経験しないことに注意されたい。したがって、間隙が約１μｍの場合、分子の平均速度の測定は、十分に正確で役立つことがある。間隙高さを周囲空気状態で分子の平均自由行程長（即ち、約１００ｎｍ）まで減少可能であるが、これは、製造工程管理において更に制約を課すことがある。
【００６９】
図２Ａは、空気に開放された例示的ガスセンサ２００を示し、メンブレン２１０が、メンブレン２１０の間隙２１２を通して空気と接しているので、外部から加えられる空気圧によってたわまない。ガスセンサ２００は、第２のセンサとも呼ばれる。
【００７０】
図２Ｂは、例示的な密閉空気圧センサ２５０を示し、ここで、メンブレン２５２は、密閉され、メンブレン内側（密閉キャビティ２５８内）とメンブレン外側の圧力差によってたわむ。圧力センサ２００は、第１のセンサとも呼ばれる。図２Ｂの例示的な密閉圧力センサ機構では、タングステン（Ｗ）を含むことがある上部電極２５４と、アルミニウム（Ａｌ）を含むことがある下部電極２５６とを有するキャパシタの静電容量は、上部電極２５４のたわみの関数であり、上部電極２５４のたわみは、内側と外側の圧力差の関数である。
【００７１】
しかしながら、ＣＯ２などの周囲ガスを検出するために、図２Ａに示された開放構造は、周囲空気がセンサ構造の間隙２１２を通ってマイクロキャビティ２１４が周囲空気と接触した後で周囲分子を検出できるようにするために必要である。そのような構成では、上部電極２１６の静電機械的動作によって、マイクロキャビティ２１４内の空気の薄膜の動的態様を調べ測定することが可能である。静電機械的動作は、直流電圧と交流電圧を合わせた電圧を２つの電極２１６，２１８に印加することによって達成されうる。
【００７２】
マイクロメートル範囲では、低圧での分子の挙動が、より高圧での挙動と等しいことがあり、自由分子から粘性流への移行が、目に見えないことがある。したがって、小さい規模では、適切な測定を行うために真空下で測定を行わなくてもよいことがある。図３は、図２Ａと図２Ｂに示されたような例示的な２００×２００μｍ２開放又は閉鎖型センサ２１０，２５０の共振周波数測定を示し、マイクロキャビティ２１４，２５８の高さは０．６μｍである。線３１０に沿った図２Ａの開放構造のデータは、上部電極２１６又はメンブレン２１０の共振周波数の測定値を空気圧の関数として示す。ガスセンサ２００のメンブレン２１０が、間隙２１２で開放されているので、キャビティ２１４内の圧力は、ガスセンサ２００の外側の周囲圧力と同じであり、図３では、１〜１４００ｍｂａｒ以上の範囲で変化するレベルで示される。メンブレン２１０は、非密閉振動メンブレンとして実現される。
【００７３】
図２Ｃは、図２Ａに示されたガスセンサの更なる発展であるガスセンサ２００の例示的実施形態を示す。ガスセンサ２００は、「マイクロキャビティ」とも呼ばれうるキャビティ２１４と、非密閉振動メンブレン２１０とを有する。非密閉振動メンブレン２１０は、上部電極２１６を有する。また、ガスセンサ２００は、下部電極２１８を有する。キャビティ２１４は、非密閉振動メンブレン２１０と下部電極２１８によって取り囲まれる。非密閉振動メンブレン２１０は、「ポート」、「アパーチャ」、「孔」又は「開口」とも呼ばれる間隙２１２を有する。あるいは、非密閉振動メンブレン２１０は、複数の間隙／ポート／アパーチャ／孔／開口を有する。ガス混合物は、ガスセンサ２００の外側から少なくとも１つの間隙２１２を通ってキャビティ２１４に流れ込みうる。
【００７４】
上部電極２１６は、３つの金属化薄膜２２０，２２１及び２２２を使用して実現されうる。第１の薄膜２２０は、キャビティ２１４に隣接する。第１の薄膜２２０は、接着層でもよい。上部電極２１６の第２の薄膜２２１は、例えばタングステン又はアルミニウムから、主金属化層として実現されてもよい。上部電極２１６の第３の薄膜２２２は、反射防止コーティングとして実現されてもよい。非密閉振動メンブレン２１０は、上部電極２１６を覆うメンブレン分離層２２３を備える。間隙２１２は、上部電極２１６とメンブレン分離層２２３に実現される。
【００７５】
ガスセンサ２００は、下部電極２１８とキャビティ２１４の間に配置された下分離層２２４を有する。下分離層２２４は、上部電極２１６から下部電極２１８を分離する。下分離層２２２は、絶縁性エッチストップ層として設計される。キャビティ２１４を製造するために犠牲層をエッチングする際、エッチング液は、下分離層２２４で止まる。下部電極２１８は、導電層２２５（例えばアルミニウム）から製造されてもよい。
【００７６】
ガスセンサ２００は、導電層２２５を使用して製造されうる第１の導電線２２６を有する。第１の導電線２２６は、第１のビア２２７によって上部電極２１６に結合される。更に、ガスセンサ２００は、導電層２２５から製造された第２の導電線２２８を有する。第２の導電線２２８は、第２のビア２２９によって上部電極２１６に結合される。
【００７７】
更に、ガスセンサ２００は、下部電極２１８が配置されたパッシベーション層２３０を有する。第１と第２の導電線２２６，２２８もパッシベーション層２３０上に配置される。更に、ガスセンサ２００は、ＣＭＯＳバックエンドとも呼ばれることがある金属化スタック２３１を有する。金属化スタック２３１は、少なくとも１つの金属化層２３２を含む。ガスセンサ２００は、第１の金属化層２３２を使用して製造されることがある遮蔽構造２３３を有する。遮蔽構造２３３は、下部電極２１８の下に実現される。遮蔽構造２２３は、パッシベーション層２２５によって下部電極２１８から分離される。
【００７８】
下部電極２１８は、ビア２３６によって、第１の金属化層２３２によって構成された導電線に結合される。同様に、第１の導電線２２６は、ビア２３７によって、第１の金属化層２３２によって構成された導電線に結合される。金属化スタック２３１は、少なくとも第２と第３の金属化層２３４，２３５を含みうる。第１の金属化層２３２は、追加ビアによって、第２と第３の金属化層２３４，２３５に結合される。
【００７９】
ガスセンサ２００は、一酸化炭素センサ２４０を備えてもよい。一酸化炭素センサ２４０は、第１の金属化層２３２の内側に実現される。メンブレン分離層２２３、下部分離層２２４及びパッシベーション層２２５は、ガスが一酸化炭素センサ２４０まで流れるか又はそこに拡散できるような開口を有する。あるいは、ガスセンサ２００には、一酸化炭素センサ２４０がない。
【００８０】
更に、ガスセンサ２００は、半導体基板２４１を有する。金属化スタック２３１が、半導体基板２４１上に配置される。半導体基板２４１は、シリコンで作成されてもよい。半導体基板２４１と金属化スタック２３１は、図５に詳細に示された回路を含んでもよい。回路は、ＣＭＯＳ回路でもよい。回路は、ガスセンサ２００の上部及び下部電極２１６，２１８に結合される。
【００８１】
半導体本体２４２は、ガスセンサ２００を含む。ガスセンサ２００は、シリコンセンサとして実現される。ガスセンサ２００は、微小電子機械システム技術に基づいて製造される。したがって、ガスセンサ２００は、ＭＥＭＳセンサと略記された微小電気機械センサである。キャビティ２１４は、犠牲層のエッチングによって実現される。したがって、ガスセンサ２００は、表面微小機械加工技術を用いて製造される。キャビティ２１４の高さは、犠牲層の厚さによって決定される。キャビティ２１４の高さは、５μｍ未満でよい。あるいは、キャビティ２１４の高さは、２μｍ又は０．５μｍ未満でよい。キャビティ２１４の高さが低いので、キャビティ２１４内のガス混合物は、上部電極２１６が下部電極２１８に近づくときに圧搾膜のように挙動する。
【００８２】
非密閉振動メンブレン２１０は、機械的振れである機械的振動を行う。メンブレン２１０の中間の動きは、メンブレン２１０の表面に対して垂直である。非密閉振動メンブレン２１０の振動は、交流電圧又は電流のような電気信号をガスセンサ２００の上部電極２１６に提供することによって引き起こされる。非密閉振動メンブレン２１０は、キャビティ２１４のガス混合物内に、音波などの縦波を生成することがある。
【００８３】
ガスセンサ２００は、キャビティ２１４の近くの温度を測定する温度センサ（図示せず）をさらに備えてもよい。
【００８４】
ガスセンサ２００は、ヒータを備えてもよい。ヒータは、抵抗ヒータとして実現されてもよい。ヒータは、金属抵抗器として実現されてもよい。ヒータは、非密閉振動メンブレン２１０の一部でもよい。ヒータは、上部電極２１６によって実現されてもよい。上部電極２１６は、２回、即ち第１の導電線２２６及び第１のビア２２７と、第２の導電線２２８及び第２のビア２２９と接触される。したがって、第１と第２の導電線２２６，２２８によって、加熱のための電流を上部電極２１６に提供できる。電流は、半導体基板２１４と金属化スタック２３１によって実現された回路によって生成されてもよい。有利には、ヒータは、キャビティによって、金属化スタック２３１と半導体基板２４０から熱的に分離される。したがって、キャビティ２２２内のガス混合物を加熱するために僅かな量の電力しか必要としない。
【００８５】
代替実施形態（図示せず）では、ヒータは、メンブレン絶縁層２２３の上に製造される。ヒータは、導電層２２５内の追加ビアと構造物によって回路に結合される。
【００８６】
あるいは、ヒータは、下部電極２１８の下に実現されてもよく、下部電極２１８をヒータとして使用してもよい。
【００８７】
図２Ｄは、図２Ｂに示された実施形態の更なる発展である圧力センサ２５０の例示的実施形態を示す。圧力センサ２５０は、半導体基板２４１上に製造され、半導体基板２４１上にはガスセンサ２００も実現される。したがって、１つの半導体本体２４２は、ガスセンサ２００と圧力センサ２５０を有する。したがって、圧力センサ２５０の層は、ガスセンサ２００の層に対応する。圧力センサ２５０は、密閉メンブレン２５２を有する。密閉メンブレン２５２は、圧力センサ２５０の上部電極２５４を有する。図２Ｃで説明したように、上部電極２５４は、第１、第２及び第３の金属化薄膜２２０〜２２２を有する。更に、密閉メンブレン２５２は、メンブレン分離層２２３を有する。密閉メンブレン２５２には、間隙、開口、孔又はアパーチャがない。したがって、圧力センサ２５０の外側のガス混合物は、圧力センサ２５０のキャビティ２５８内に拡散したり流入したりすることができない。密閉メンブレン２５２は、圧力センサ２５０の外側のガス混合物の圧力と、圧力センサ２５０のキャビティ２５８内のガス混合物又は真空との圧力差によってたわむ。上部電極２５４は、ビア２２７によって、圧力センサ２５０の第１の導電線２２６に結合される。
【００８８】
更に、圧力センサ２５０は、下部電極２５６を有する。更に、圧力センサ２５０は、下部絶縁層２２４を有する。圧力センサ２５０の下部電極２５６は、ビア２３６によって第１の金属化層２３２の導電線に結合される。下部電極２５６と第１の導電線２２６は、導電層２２５によって実現できる。圧力センサ２５０は、ガスセンサ２００と同じ半導体基板２４１を使用して製造される。第１の導電線２２６は、ビア２３７によって、金属化層２３２の導電線に結合される。金属化スタック２３１は、半導体基板２４１とパッシベーション層２３０の間に配置される。
【００８９】
圧力センサ２５０は、第１の金属化層２３２を使用して製造されうる遮蔽構造２３３を有する。遮蔽構造２３３は、下部電極２５６の下に実現される。遮蔽構造２２３は、パッシベーション層２２５によって下部電極２５６から分離される。
【００９０】
圧力センサ２５０は、一酸化炭素センサ２４３をさらに備えてもよい。
【００９１】
圧力センサ２５０によって生成された圧力センサ信号は、ガスセンサ２００によって提供されるガスセンサ信号、例えば、ガスセンサ２００の共振周波数と組み合わされる。圧力センサは、容量性圧力センサとして実現される。圧力センサ２５０の容量値は、圧力センサ２５０の外側のガス混合物とキャビティ２５８内のガス混合物又は真空との圧力差に依存する。したがって、容量−電圧変換器などの回路を使用して、デジタル又はアナログ信号でもよい圧力センサ信号を生成できる。
【００９２】
あるいは、圧力センサ信号を生成するために、図５に示されたような発振回路が使用されてもよい。これにより、電流や電圧などの交流信号が、圧力センサ２５０の上部電極２５４に提供される。密閉メンブレン２５２の共振周波数は、圧力センサ信号として検出される。したがって、ガスセンサ２００を動作させる回路は、圧力センサ２５０を動作させる回路と類似又は同等でよい。
【００９３】
代替の図示されない実施形態では、圧力センサ２５０の製造に更に他の半導体基板が使用される。したがって、圧力センサ２５０とガスセンサ２００は、様々なＭＥＭＳ技術を使用して製造されてもよい。圧力センサ２５０とガスセンサ２００は、プリント回路基板、セラミック、ハウジングなどの共通基板上の近くに配置される。
【００９４】
図３で分かるように、下の空気キャビティと相互作用し、開放ガスセンサ２００によって測定されるメンブレンの共振周波数は、ガス圧に依存し、その結果、以下の式が得られる。
【００９５】
【数１】
0006434615.tif 000002
【００９６】
ここで、ｋｆｉｌｍは空気膜剛性であり、ｋｅｆｆは機械剛性であり、ｍｅｆｆは実効質量であり、ｋ＿ｆｉｌｍは、ガス種類に依存する定数ｃ、前面面積Ａ、圧力ｐ及び電極離隔距離ｄを含む。電極離隔距離ｄは、キャビティ２１４の高さである。周波数の平方根特性は、図３の圧力範囲内には見えない。周波数対圧力線の傾きは、ガス混合物のモル質量に比例する。したがって、ガスセンサ２００６の測定値は、約１０００ｍｂａｒの公称通常空気圧であると想定され、実圧力の測定値と組み合わされてもよく、平均圧力が分かっているときは、ガスセンサ２００の絶対共振周波数ｆ２を使用して、測定されたガスのモル質量を決定できる。
【００９７】
次の計算は、２００ｐｐｍのＣＯ２の変化を知るために検出しなければならない周波数の変化を示す。ガス膜剛性とガス膜減衰係数は、様々なガス（例えば、ヘリウム（Ｍ＝４）、窒素（Ｍ＝２８）及びヘキサフルオロエタン（Ｍ＝１３８））の圧力の関数として決定されうる。また、圧搾膜減衰は、ガス種類の関数であるが、空気膜剛性と、したがってＭとｋｆｉｌｍ対ｐ比例尺度である。
【００９８】
実際には、これは、Ｍと共に増減し、即ち、きわめて低い圧力、例えば０〜１ｍｂａｒで取得されたときに、ヘリウム、窒素及びヘキサフルオロエタンのｋｆｉｌｍ対ｐ比率のプロットでは２、５．３及び１２の相対傾きである。
【００９９】
通常空気の主成分は、酸素、窒素、二酸化炭素、水素、アルゴン、ネオン、ヘリウム、クリプトン及びキセノンである（水蒸気（特に湿度の形）は、周囲空気の成分であり、後述される）。以下の表（図６Ａの表１）は、示された全モル質量（２８．９７１）の合計となる主成分の平均モル質量の変化と、それらのモル分布を示し、丸めにより、１００００００＋２ｐｐｍが示されている（ＣＯ２がこの混合物中に３０３ｐｐｍを有すると想定されることに注意されたい）。
【０１００】
主成分が酸素と窒素の場合、他のガスの濃度変化の影響は、モル質量の小さい変化しか予想されないことを意味する。例えば、表１に示されたようにＣＯ２が３０３ｐｐｍの場合、モル質量Ｍ＝２８．９７１である。図６Ｂの表２は、粒子の総量を一定に維持している間のＣＯ２濃度の変化を示す。
【０１０１】
図示されたように、他の全てのガスによる比例適応を仮定して、ＣＯ２濃度が３０３ｐｐｍから５００ｐｐｍに変化するとき、この１９７ｐｐｍの差が、新しいモル質量となる。実際にＯ２が呼吸によるＣＯ２のために交換される可能性が高いので、これは、検出される質量変化の最悪推定値であり、Ｎ２は影響を受けないままである。その結果、モル質量の明らかな変化は小さくなる。表２に示された例示的な状況では、相対変化は、０．０１１％又は１１０ｐｐｍであり、新しいモル質量Ｍ＝２８．９７４である。これは、わずかな差であるが、全く同じ圧力レベルで変化の前後に行われた測定では、周波数が著しく変化する。
【０１０２】
モル質量の変化は、次の式によって表されるような空気膜のばね定数の変化を表す。
【０１０３】
【数２】
0006434615.tif 000003
【０１０４】
この値は、ガスセンサ２００による周波数ｆの読み取りから得られ、ここで、ｆ＝√ωである。例えば、図２Ａの開放センサ２００の構成で示された２４０マイクロメートル四方のメンブレン２１０の場合、ｋｅｆｆ＝１．３＊１０４［Ｎ／ｍ］である。１ｂａｒでの空気膜は、ｋｆｉｌｍ＝３．６＊１０３［Ｎ／ｍ］を有する。実効質量ｍｅｆｆ＝５．５＊１０−１０［ｋｇ］の場合、この例示的装置の共振周波数は、ｆｒｅｓ＝ω／２π＝８７４ｋＨｚである。ガス混合物のモル質量が変化した場合、ｋｆｉｌｍ対ｐ比率が変化し、したがって１ｂａｒでの空気膜剛性が変化する。（例えば、Matthijs Suijlen, "Model-based design of MEMS resonant pressure sensors", NXP 2011, Thesis, http://alexandria.tue.nl/extra2/716458.pdf, last accessed August 14,2014、特に図４（ガス膜剛性とガス膜減衰係数が、様々なガスに関して、自由分子流の状態にあるわずか最大１ｍｂａｒの測定値によって圧力の関数として決定された実験。）を参照されたい）。ｋｆｉｌｍに対する比例変化は１１０ｐｐｍであり、したがって、前述の例の周波数は、８７４．０００ｋＨｚから８７４．０１０ｋＨｚに変化し、１２ｐｐｍ変化する。
【０１０５】
図４は、センサ２００及び２５０などの開放及び閉鎖装置の減衰と圧力の関係を示す。前述したように、Ｑ係数は、システム又は装置がガスを検出できる範囲に影響を及ぼし、小さい周波数遷移を測定できるようにするには、十分に高いＱを有することが重要であるが、圧力センサメンブレンは、密閉メンブレンを使用する真空中でのみ適切なＱレベルに達する。図４に示されたように、密閉メンブレンを有する圧力センサの場合、Ｑ係数（減衰率１／Ｑとして示された）は、線４１０によって示されたように外圧による影響を受けるが、周波数は、図３に線３１２によって示されたように、圧力の関数としてほとんど変化しない。したがって、圧力センサ２５０などの密閉装置のばね定数は増大しない。しかしながら、ガスセンサ２００などの開放装置は、キャビティ２１４内にある／閉じ込められた空気の圧搾膜効果によって、周波数がきわめて高くなり、Ｑが約２００低くなる（線４１２によって示されたように）。図４に示されたように、開放装置と閉鎖装置は両方とも、圧力の一次関数が１／Ｑである。１／Ｑ曲線４１０，４１２の傾きの差は、キャビティ内にある空気分子の追加の減衰効果に比例する。
【０１０６】
空気圧、温度及び湿度は全て、検出可能な共振周波数を変化させる。ＣＯ２濃度だけが周波数に影響を及ぼすときに約１０ｐｐｍの周波数偏移（シフト）を検出するには、そのような因子の影響を緩和しなければならない。例示的なガスセンサ２００などのセンサは、そのような因子を緩和し、かつ不変の外気を測定するときよりも小さい周波数偏移を測定可能な状態を達成するように修正されてもよい。
【０１０７】
例えば、ガスセンサ２００と圧力センサ２５０に組み込まれたメンブレン２１０，２５２が十分に整合される場合、例えば、密閉か非密閉かの違いを除き、それらかの測定値は、ほぼ同一の外部条件下にある。そのような構成では、圧力の、開放メンブレン２１０の共振周波数への影響は、開放センサ２００に対して絶対圧力センサ２５０として働く密閉メンブレン２５２によって補償されうる。
【０１０８】
また、温度の影響が、メンブレン２１０及び２５２に同じΔを有し、差信号が、温度（Ｔ）にあまり依存しないことに注意されたい。開放及び密閉メンブレン２１０，２５２間の残留周波数ｆｒｅｓのΔは、開放メンブレン２１０のｆｒｅｓの変化を決定する適切な手段であり、それは、温度差の影響が小さくなるからである。キャビティ圧力がきわめて低い（図３に示されたように）ので、密閉メンブレン２５２の共振周波数が圧力の関数ではないため、ｆｒｅｓ（Ｐ）の実際の傾きは、キャビティ２１４内にあるガスのモル密度に正比例する。２００ｐｐｍのガス組成変化によるモル密度変化を検出するために、圧力測定の誤差は、２００ｐｐｍ未満でなければならない。現在既知の容量性圧力センサは、１ｂａｒで２Ｐａ、即ち２０ｐｐｍの相対精度を達成できる。また、Ｑ係数に関する情報を使用して、圧力と分子質量に依存する減衰に関する情報を取り出しうる。
【０１０９】
更に、ＣＯ２検出に影響を及ぼす可能性がある水分と湿度を低減する方法は、湿度効果と軽減に関して後述される。
【０１１０】
空気圧、温度、湿度などの横感度が、センサの精度を決定するので、周囲ガスの共振周波数と圧力程度を著しい精度で比較可能なシステム又は装置は、同時に行われる開放構造センサ２００と密閉メンブレンセンサ２５０の両方からの測定値を必要とする。
【０１１１】
ガス混合物変化の影響を圧力又は温度の変化と区別するために、図５に示されたような周波数の差が検出されてもよく、ここで、システム又は装置は、例えばセンサ２００及び２５０などのセンサの測定値を組み合わせる。２つのセンサメンブレン５１０及び５１２が、２つの振動子群とも呼ばれる２つの個別の振動子ループ５２０，５２２に組み込まれる。得られた周波数ｆｌ（圧力センサ２５０）とｆ２（ガス又はＣＯ２センサ２００）は、混合器５１４に送られ、差周波数ｆｄが得られる。表１と表２及び図３と図４に示されたように、一定圧力での差周波数ｆｄは、ＣＯ２の変化に比例する。ｆｌによって検出された圧力レベルが変化するとき、所定のＣＯ２濃度でのｆ２の値の基準点を設定する最初の較正手順によって、記憶された参照テーブルが生成されてもよい。
【０１１２】
前述のように、周囲空気は、水分子を含む。水蒸気は、空気中の膨大な数の分子を説明する。水のモル質量は１８であり、これは、ＣＯ２の４４と比較される。水蒸気の濃度は、多くの用途、例えば毒作用を示す前にＣＯ２濃度の上昇を人間に警告するためにＣＯ２検出器で検出を必要とすることがある数百ｐｐｍのＣＯ２と比較して、きわめて大きい傾向がある。例えば、図６Ｃの表３は、室温と圧力約１ｂａｒで様々な相対湿度での水のｐｐｍを示す。
【０１１３】
含水率は、温度の強力関数でもある。例えば、図６Ｄに示された表４では、温度だけが変化する。
【０１１４】
ｐｐｍとＲＨ％の関係はほぼ線形であるが、ｐｐｍと温度の関係を示す曲線は、指数関数的な性質を示す。ＲＨ％レベルがきわめて高いとき、ｐｐｍで表した含水率は、室温で空気圧１ｂａｒの条件で３００００に近づく。キャビティ２１４内のガス混合物が、適用温度ウェルを含む場合、空気中の水のｐｐｍ濃度は、ガスセンサ２００の温度を調節することによって調節されてもよい。共振周波数を測定する直前にメンブレン２１０に吸収される全ての水分を蒸発させるために、ジュールヒータなどのヒータが、キャビティ２１４の近く又はキャビティ２１４に接したガスセンサ２００の構造に組み込まれてもよい。
【０１１５】
前述のように、ガスセンサ２００は、浅いキャビティ２１４内のガス混合物（即ち、空気）のモル質量を検出する。モル質量は、共振周波数で表される。周波数は、また、温度、ＲＨ％及び圧力に依存し、したがって、これらのパラメータを測定するために個別のセンサが使用される。水と温度の横感度の組み合わせを除去するために、システム又は装置は、ヒータを使用して温度（及び、したがって含水率）を繰り返す調節方法を使用してもよい。直接（例えば、液体）水源がない場合、空気中の絶対水濃度は、上昇温度によって直接調節されないが、水膜が、キャビティ内の表面から蒸発した場合は、水蒸気分子の濃度が上昇する。センサの周波数は、水位変動によって引き起こされるモル質量の変化の大きさに加えて、センサ自体の温度依存性のために温度変調に従う。しかしながら、そのような影響は、センサ２００，２５０内の密閉及び開放メンブレンの差周波数を使用することによって補償されうる。温度変調によって、絶対湿度レベルは、ＣＯ２ｐｐｍ濃度が一定のまま変化する。
【０１１６】
図５に示されたように、システム又は装置は、ガスセンサ２００と圧力センサ２５０を備える。ガスセンサ２００は、また、「第２のセンサ」とも呼ばれ、圧力センサ２５０は、「第１のセンサ」とも呼ばれうる。システム又は装置は、第１と第２の振動子ループ５２０，５２２を有する。第１の振動子ループ５２０は、圧力センサ２５０を含み、第２の振動子ループ５２２は、ガスセンサ２００を含む。更に、第１の振動子ループ５２０は、第１の増幅器５２３を含む。第２の振動子ループ５２２は、第２の増幅器５２４を含む。第１と第２の増幅器５２３，５２４は、利得増幅器として実現される。
【０１１７】
第１の増幅器５２３の出力は、圧力センサ２５０の端子に接続される。圧力センサ２５０の別の端子は、第１の増幅器５２３の入力に接続される。圧力センサ２５０の端子及び別の端子は、圧力センサ２５０の上部及び／又は下部電極２５４，２５６でよい。第１の増幅器５２３の出力は、混合器５１４の第１の入力に結合される。
【０１１８】
第２の増幅器５２４の出力は、ガスセンサ２００の端子に接続される。ガスセンサ２００の別の端子は、第２の増幅器５２４の入力に接続される。ガスセンサ２００の端子と別の端子は、ガスセンサ２００の上部及び／又は下部電極２１６，２１８でよい。第２の増幅器５２４の出力は、混合器５１４の第２の入力に結合される。
【０１１９】
回路５１５は、混合器５１４の出力に結合されてもよく、ガス濃度を計算する。回路５１５は、参照テーブルを含んでもよい。回路５１５は、ヒータ信号ＳＨによってガスセンサ２００のヒータを制御してもよい。第１と第２の増幅器５２３，５２４、混合器５１４、回路５１５、ガスセンサ２００及び圧力センサ２５０は、半導体本体２４２に含まれてもよい。システム又は装置は、例えば、二酸化炭素を検出してもよい。二酸化炭素の濃度が一定又は既知の場合、水分子もガス又は別のガスなので、システム又は装置は、湿度を検出しうる。ガスセンサ２００と、したがってシステム又は装置は、実際には、晒されるガス混合物のモル質量の変化に影響を受けやすい。
【０１２０】
以上のことによれば、様々な例示的な実施形態は、ガスセンサに関連した横感度の補償を提供する。詳細には、ヒータを含む複合センサパッケージを実現し、既知の効果を考慮する。
【０１２１】
以上の説明から、本発明の様々な例示的実施形態が、ハードウェア及び／又はファームウェアで実現されうることは明かである。更に、様々な例示的実施形態は、本明細書に詳述された操作を行うために少なくとも１つのプロセッサによって読み取られ実行されうる、機械可読記憶媒体上に記憶された命令として実現されてもよい。回路５１５は、少なくとも１つのプロセッサを含んでもよい。機械可読記憶媒体は、パーソナル又はラップトップコンピュータ、サーバ又は他のコンピューティング装置などの機械によって読取り可能な形態で情報を記憶するための任意の機構も含みうる。したがって、機械可読記憶媒体には、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリ装置及び類似の記憶媒体が挙げられうる。命令と手順は、オンラインで実行される。
【０１２２】
当業者は、本明細書のブロック図が、発明の原理を実施する説明的回路の概念図を表わすことを理解されたい。同様に、任意のフローチャート、流れ図、状態遷移図、擬似コードなどが、実質的に機械可読媒体で表現されしたがってコンピュータ又はプロセッサによって実行される様々なプロセスを、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示されているかどうかに関わらず、表すことを理解されよう。
【０１２３】
圧力センサ２５０は、特許出願全体を通して第１のセンサ２５０と等しい。したがって、ガスセンサ２００は、特許出願全体を通して第２のセンサ２００と等しい。
【０１２４】
様々な例示的実施形態を、特にその特定の例示的態様を参照して詳細に述べてきたが、本発明が他の実施形態を可能にし、その詳細が様々な明らかな点で修正可能であることを理解されたい。当業者に容易に明らかなように、本発明の趣旨と範囲内にありながら変形と修正が可能である。したがって、以上の開示、説明及び図は、単に説明のためのものであり、請求項によってのみ定義される発明を限定することはない。
【符号の説明】
【０１２５】
２００  ガスセンサ
２１０  非密閉振動メンブレン
２１４  キャビティ
２１６  上部電極
２１８  下部電極
２５０  圧力センサ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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