(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、
脈動する電磁放射を供給する前記第１の層の第１の表面に形成される１組のマイクロ放射器と、
第２の層と、
前記第２の層の第１の表面に形成された第１の波長に対する狭帯域フィルタと、
第３の層と、
前記第３の層の第１の表面に隣接して第１の表面を有する第４の層であって、前記第３と第４の層がキャビティを形成するために除去された中心部分を有する第４の層と、
前記キャビティから前記第３と第４の層の外側端部にかけて、前記第３と第４の層の少なくと１つの第１の表面に形成されたチャネルと、
前記チャネルに形成され、流量センサである検出器と、そして
前記第４の層の第２の表面に隣接して形成され、前記キャビティへガスが拡散できるようにしている多孔性のフィルタ層と
を含み、
前記第１の層の前記第１の表面が前記第２の層の第２の表面に隣接し、
前記第２の層の前記第１の表面が前記第３の層の第２の表面に隣接し、そして
前記検出器が、ガスまたは液体成分の濃度を示しその濃度に比例する信号を出力する、
微細加工集積回路ガスまたは液体センサ。
【請求項２】
前記多孔性フィルタ層が小さい多孔性を有するフリットである請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第１、第３、および第４の層がウエハであり、
前記第２の層がガラス板である請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１、第２、第３および第４の層がウエハである請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１の層の第２の表面に、前記マイクロ放射器の組まで前記第１の層を通して形成された第１の層貫通接点と、
前記第１の層の第２の表面に、前記検出器まで前記第１、第２および第３の層を通して形成された第２の層貫通接点とをさらに含む前記請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
さらに、前記第１の層の前記第２の表面に形成された集積回路を含む請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
さらに、前記第２の層の前記第２の表面に形成された反射防止コーティングを含む請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記検出器が、前記ガスまたは液体の体積の変化の大きさを示す信号を出力することができ、さらに、
前記体積の変化の大きさが、前記キャビティの中の、結果として前記センサの周囲環境の前記第１の波長に吸収波長を持つガスまたは液体の濃度の量を示す請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
さらに、プロセッサを含み、
前記第１の波長に吸収波長を有する前記ガスまたは液体の濃度の量を示す前記検出器からの信号が、前記プロセッサに行き、さらに、
前記プロセッサが、前記検出器からの信号を処理し、推定情報を提供する請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサが、他のガスまたは液体の濃度の量の存在を指示する特定のガスまたは液体の濃度の量を示す情報テーブルを含み、
前記特定のガスまたは液体の濃度の量は前記他のガスまたは液体の濃度の量よりも数桁大きいために、前記特定のガスまたは液体の濃度の量の存在によって前記他のガスまたは液体の濃度の量の存在がより正確に指示される、
請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１の波長がＣＯ2の吸収波長にあり、
ＣＯ2の存在がある燃焼生成物の存在を示す請求項９に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記フリットの有する多孔性が、最適な多孔性に対して、前記フリットの圧縮を増すことで多孔性が減少し、前記フリットの圧縮を減少することで多孔性が増加する請求項２に記載のセンサ。
【請求項１３】
第１の層と、
前記第１の層の第１の表面に形成されたヒータまたは光源と、
第２の層と、
前記第２の層の第１の表面に形成された第１の波長に対する狭帯域フィルタと、
第３の層と、
前記第３の層の第１の表面に隣接して第１の表面を有する第４の層であって、前記第３と第４の層が多孔性のキャビティを形成する、第４の層と、
前記第３と第４の層の周辺にある支持物と、
前記第４の層の第２の表面に形成されたピエゾ抵抗圧力センサの検出器と、
を含み、
前記第１の層の前記第１の表面が前記第２の層の第２の表面に隣接し、
前記第２の層の前記第１の表面が前記第３の層の第２の表面に隣接し、そして
前記検出器が、ガスまたは液体成分の濃度を示しその濃度に比例する信号を出力する、
微細加工集積回路ガス／液体センサ。
【請求項１４】
反射コーティング層が前記第１の層の第２の表面に形成され、前記反射コーティング層を保護するための層が前記反射コーティング層の上に形成されている、
請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記第１の層と前記第２の層との間にスペーサが形成され、そして前記第４の層に出力端子が接続されている、
請求項１４に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
背景
本発明は、ガスセンサに関し、特に有毒ガスセンサに関する。より詳細には、本発明は微細加工集積回路ガスおよび液体センサに関する。
燃焼プロセスで生成されるＣＯ、ＮＯ、ＮＯ2、およびＶＯＣなどの有毒ガスを感知する従来技術のデバイスは、金属酸化物被膜の導電率、化学ルミネセンス、蛍光、様々な形のＩＲ吸収などの変化を示すセンサに基づいていた。これらのセンサは非常に高価で、不安定であるか、あるいは感度が悪くて、低価格で信頼性の高い有毒ガスセンサという要件を満たすことはできなかった。これらのセンサで、上記したような有毒ガスの健康や生命に有害かも知れないレベルに対応する濃度を感知することは困難である。特に、安価で手頃に入手できる信頼性の高いセンサで行うことは困難であった。安く上げようとする使用者が使う古いガス・エンジンまたはガス・ヒータは、その使用者や他の人を危うくする有毒ガスの源になり易い。このような使用者は、誰かが手頃な適当な技術を彼らのところに持って行かなければ、最も有毒ガス指示器を買おうとしない人達である。
発明の概要
本発明は、有毒ガスまたは燃焼生成物の好ましくない成分の存在の新規な、有用な、安価な、信頼性の高いかつ「保持できる」指示を与える。有意な確率レベルでこれらの存在を示すことができるか、推定することのできるような現象を特定できれば、有毒な、または好ましくないガスを直接測定する必要はない。
二酸化炭素（ＣＯ2）は、燃焼生成物の好ましくない濃度の存在を示す。ＣＯ2は、ＣＯ、ＮＯx、または揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の濃度の１０から１００倍高い濃度で、知られている燃焼プロセスで生成される。さらに、特に、非分散赤外（ＮＤＩＲ）感知では、上記のガスよりも３から３０倍低い濃度レベルでＣＯ2を測定することができる。
本センサは、有毒ガスの直接ＮＤＩＲ感知よりも信頼性の高い、手頃な、かつ高感度に感知できる。また、高濃度のＣＯ2に対する付加的な検出／警報予防を行うことができる。
本センサは、ＣＯ2の検出によってＣＯ、ＮＯxおよびＶＯＣなどの有毒燃焼生成物を間接的に示すことを利用し、安価な集積光センサの設計を合理的な価格で利用できるようにし、排出口のない空間でヒータ（または、台所のストーブ）を使用する人の有毒ガス感知の必要、および車または車の近くの排気ガスを検出したいと思う自動車の運転者の必要を満たす。
燃焼生成物、特にガソリンまたはディーゼル燃料の燃焼生成物は、５〜１５％のＣＯ2、１０〜２０％のＨ2Ｏ、０〜１０％のＯ2、７０〜８０％のＮ2、０．００１から０．４％のＮＯx、０．００１から０．２％のＣＯ（使い古した、または調整不良の自動車エンジンでは、ＣＯは最大２％になる可能性がある）、および０．００１から０．３％の炭化水素（ＨＣ）から構成されることが知られている。すなわち、ＣＯ2濃度は常に優位を占める。なお、前の車の排気ガスは、後続の車の室内空気の取り入れ口に達する前に、１０から１０００倍に希釈されると予想されるので、ＣＯ2濃度は０．００５から１．５％になるだろうが、この濃度は測定可能である。一方で、有毒ガスの濃度はわずか０．０００１から０．０４％の範囲である。後者の濃度は測定するのがはるかに困難であり、特に、低価格のセンサでは困難である。低価格のセンサは、気分を悪くさせる、または健康に悪影響を与える濃度で存在しているにもかかわらず、それらのガスを感知し始めないことが多い。
本センサの集積化設計により、頑丈さ、携帯性、生産性が高められ、さらにより手頃な価格になる。センサ・セル、検出器および光フィルタが、安価な１つの微細加工された装置に集積される。すなわち、関連技術のセンサよりも手頃で広く応用可能である。本センサはより小型であり、したがって、より頑丈であり、より持ち運び易く、高速応答である。高速応答は、キャビティが小さいことおよび高い光源周波数で動作可能なことによっている。流量検出器は流路が非常に小さいことを特徴とし、従来技術のデバイスの１５０から５００ミクロンに対して１０〜２５マイクロメートル（ミクロン）である。集積センサ・システム全体は関連技術のセンサよりも１０から１００倍小さく、これによって本システムは一層手頃な、携帯可能な、高速応答で用途の広いものになる。本検出器は、また、関連技術の検出器よりも１０倍から１００倍安価である。
以上をまとめると、本発明は、低価格な光−流体感知または光−音響感知システムであり、それは微細加工集積センサである。この微細加工集積センサには、高速に脈動する薄膜光源または熱源、適当な多層干渉フィルタ（ＩＦ）、反射防止（ＡＲ）コーティング、および犠牲層で試料ガス・キャビティを形成するために特殊なエッチングが行われたシリコン・ウエハを含む。試料ガス・キャビティは、感知されるガスの吸収波長に光学的または音響学的に同調された共振器であるのが望ましく、そのキャビティの中に試料ガスが、ステンレス鋼のフリットなどの適当な流体フィルタを介して拡散して出入りする。このステンレス鋼フリットは、フリットをある一定量圧縮することで最適化された多孔性を持つ。さらに、キャビティの壁に流量センサ（熱型超小型流体速度計）またはマイクロフォン（ピエゾ抵抗感知被膜）が埋め込まれている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、集積光−流体ガスセンサを示す。
第２図は、他の型の光−流体ガスセンサを示す。
第３図は、１つの微細加工ブロックに流量センサと狭帯域フィルタがある超小型センサのハイブリッド設計を示す。
第４図は、集積光−音響ガスセンサを示す。
第５図は、他の集積ガスセンサを示す。
実施形態の説明
第１図は、推論型ガスセンサ１０の基本構造を示す図である。シリコン・ウエハ１１は、一方の側にエッチングされた空間１２を有する。その凹部１２を有する側にシリコン・ウエハ１３が取付けられ、そのウエハ１３のウエハ１１に向く側に１組のマイクロ放射器１４を有している。ウエハ１１は、赤外（ＩＲ）波長を濾波するという点から言えば、その代わりに、より優れた光学的性能を与えるガラス板でもよい。マイクロ放射器１４に近いウエハ１１の表面または側に反射防止（ＡＲ）コーティング１５が形成される。ウエハ１１の他方の側に、ＣＯ2の吸収波長（４．３ミクロン）、または感知される選ばれたガスの吸収波長（ＶＯＣについては３．４ミクロン、ＣＯについては４．６ミクロン等）と同じ波長の赤外光だけを通さすように設計された狭帯域干渉フィルタ（ＩＦ）１６がある。ＡＲおよびＩＦのコーティングまたは被膜は、互いに場所を取り換えてもよい。シリコン・ウエハ１７がフィルタ１６に結合され、または取付けられ、流量センサ１９がシリコン・ウエハ１７に形成される。シリコン・ウエハ１８がウエハ１７に結合される。シリコン・ウエハ１７と１８がエッチングされて、キャビティ２０が形成される。流量センサ１９は、キャビティ２０とセンサ１０の外部の周囲ボリュームまたは周囲空間との間の径路２１に位置付けられている。ガスまたは空気は、経路またはチャネル２１を介してキャビティ２０に流れて入ったり出たりすることができる。周囲空間からキャビティ２０へのガスの拡散を可能にする多孔性ガス・フィルタ２２がウエハ１８に結合され、それによって、キャビティ２０の形成を完了する。フィルタは、例として、多数の小さなエッチ孔を有するウエハまたはポリマー、セラミックスまたはステンレス鋼のフリットであってもよい。最適の多孔度に圧縮されたステンレス鋼フリットが好ましい。マイクロ放射器１４と流量センサ１９はウエハ導体、接点またはビア２３を介して接触パッド２４と接続されている。パッドは外部電源および信号出力にいたる接点である。電子回路がその上に位置することができる、ウエハ１３の上に形成された他のウエハとの電気的通信のために、ガスケット１０４を接点２４に形成してもよい。そのようなガスケットは、横向きではなく、上下などの基本的に一軸方向の電気伝導の特性を有していてもよい。ウエハ１３に、流量センサ１９からの信号を処理する電子回路となる集積回路（ＩＣ）または用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）２５を形成してもよい。
マイクロ放射器１４は３２×３２のマイクロ放射器のアレイであり、センサ１０の光源またはヒータとして機能する。アレイ１４の表面は、小型タングステン電球の約１２倍であり、その総発光量は約０．５倍であるが、その４．３ミクロンの発光は２．８倍である。キャビティ２０は、おおよそ１×１×１または２×２×１ミリメートル（ｍｍ）である。キャビティ２０は小さすぎてはいけない。何故ならば、熱的なクエンチングが起きて、ガスセンサ１０の感度を減少させるからである。流量センサのチャネル２１は、約１０〜２５ミクロンの幅である。
第２図は、光−流体ガスセンサ４５の断面図である。シリコン・ウエハ４６は、約５×５ｍｍ平方であり、厚さは約５００ミクロンである。第１図のウエハ１３と同じように、ウエハ４６上にＩＲ放射用のヒータまたは光源４７が形成される。光源４７は、金属酸化物またはセラミック様材料などの高融点材料で作られる。溝またはピット４８がウエハ４６にエッチングされ、光源４７の熱を放散させるようになっている。約２５ミクロンの太さのリード線６０が接点４９に取付けられ、１０から１００ヘルツの周波数でＡＣ信号を供給して、放射または投光５１させるために光源４７を活性化する。スペーサ５０がチップまたはウエハ４６の周囲に形成される。約５００ミクロンの厚さのシリコン・ウエハ５２が形成される。ウエハ５２は、その代わりに、ガラス板であってもよい。ＡＲ被膜のコーティング５３がウエハ５２の第１の側に形成され、４．３ミクロンの光を通す多層からなる狭帯域ＩＦ層５４がウエハ５２の第２の側に形成される。ＡＲ被膜層５３は、異なる屈折率の材料を交互に重ねた４分の１波長の厚さの約２〜６層の膜である。ＩＦ層５４は、異なる屈折率の材料を交互に重ねた２分の１波長の積層膜である。熱的分離の空間５５を形成するために、ウエハ４６上のスペーサ５０をウエハ５２の周囲表面に接触させて、ウエハ５２をウエア４６に結合する。ウエハ５２の第１または第２の面をウエハ４６に近くなるようにしてもよい。しかし、第２図は、ウエハ５２の第１の面がウエハ４６に一番近くなっている。５００ミクロンのシリコン検出器ウエハ５６がウエハ５２の上に形成される。ウエハ５６は、キャビティ５７を作るために中心部がエッチングされ、ウエハ５６の一部分はウエハ５２の周囲でウェハ５２に最も近くなっている。ウエハ５６の周囲の１つの側に流量センサ５８が形成され、その流量センサ５８はリード線６０につながるウエハ５６の接点５９と外部に電気的に接続されている。流量センサ５８でのガスまたは空気６２の流れを容易にするために、ウエハ５６には流量センサ５８の近くにビア６１がエッチングされている。半田リング６３がウエハ５６の外周に形成される。一番上の蓋用のウエハ６４がウエハ５６に隣接する半田リング６３の上に形成される。ウエハ５６と関連してキャビティ５７を形成するために、ウエハ６４の中心部がエッチングされる。空気またはガス６２が、キャビティ５７と流量センサ５８を通ってビア６１を通りガスセンサ４５の外部環境との間で流れて行ったり来たりできるように、ウエハ５６と６４の間に約１８ミクロンのビアまたは流路６５が形成されている。ウエハ６４の上に、キャビティ５７の壁を形成する多孔性フィルタ層６６が形成される。フィルタ６６によって、ガスセンサ４５の外部の環境の周辺ガス６７がキャビティ５７に浸透または拡散によって入ったり出たりできるようになり、ガスおよび空気の成分の濃度を等しくする。層６６は、エッチングされた細孔のあるウエハであってもよいが、この場合には、多孔性のステンレス鋼フリットである。ガスセンサ４５用に適正な多孔性を得るために、ステンレス鋼フリットは圧縮される。フリットは、フリット領域の約４０〜５０％に及んで２ミクロンの細孔があり、その厚さは約���０ミクロンであってもよい。
センサ４５の機能は、周囲雰囲気のＣＯ2の量を検出することである。光源４７には最大約１００ヘルツの周波数で電気的なＡＣ信号が印加される。光源４７は、主にＩＲ光からなる放射５１を発する。放射５１の大きさまたは強度は、光源４７に加えられる電気的なＡＣ信号の周波数で変動または脈動する。変動または脈動する光５１は、キャビティ５５およびＡＲ層５３を通過し、ウエハ５２に入る。ウエハ５２から、光５１は、ＣＯ2の吸収波長である４．３ミクロンの波長以外の波長の光を全て効果的に濾波して除去する狭帯域フィルタ５４を通過する。４．３ミクロンの光５１がキャビティ５７に入る。ＣＯ2ガス６７がフィルタ６６に浸透してキャビティ５７に入ると、ＣＯ2ガス６７は光を吸収する間は加熱され、光５１の変動または脈動の周期で最小の大きさの間の光５１が存在しない時には冷える。ガス６７による光５１の吸収中に、ガス６７は加熱されて体積が膨張し、それによって、チャネル６５を通って、流量センサ５８を通り、ビア６１を通ってセンサ４５から出ていくように、キャビティ５７から出る流れ６２が引き起こされる。キャビティ５７が光学的または音響的な吸収波長に同調した共振器であれば、光または音の吸収ガスに及ぼす効果は大きく増加し、非常に少量のガス６７を検出するように著しく向上する。音響共振器の方法を使用してもよい。周期的に光５１がなくなると、ガス６７は光を吸収するのを止めて、冷える。次いで、ガス６７は体積が収縮し、ビア６１を通り、流量センサ５８を通り、チャネル６５を通ってキャビティ５７の中に入ってくる、センサ４５に入る流れ６２が引き起こされる。このようにして、光５１の変動に対応した、ガス６７の変動と、対応する流量センサ５８を通る流れ６２が存在する。フィルタ６６の多孔性は十分に小さいので、圧力の脈動または流量センサ５８を通してまたは流量センサ５８のそばで起こる流れ６２を防止できない。流量センサ５８は、センサ５８を通るまたはそばを通る流れ６２の量、大きさまたは速度を示し、それらに比例する信号を出力する。センサ５８は、流れ６２の速度を毎秒立方センチメータで測定する。流れ６２の量、大きさまたは速度はキャビティ５７の中およびガスセンサ４５のすぐ外側に存在するＣＯ2ガス６７の量に比例する。ＣＯ2ガスのない任意の他のガスの存在によっては、光５１がキャビティ５７に入る時に、４．３ミクロンの光５１の吸収がないので、圧力の脈動、または流れ６２、または流れ６２の変動は何も起きない。したがって、流量センサ５８からの信号は、ガスセンサ４５のまわりに存在するＣＯ2ガス６７の量を示す。流量センサ５８に接続されたプロセッサ６８は、ＣＯ2ガス６７の量から、微細加工推論型有毒ガス表示器４５のすぐ近くの周囲環境にある様々な有毒ガスの存在および量を推定的に決定する。
光源４７が、第３図の光源７４と同じように、小型タングステン・フィラメント白熱電球であれば、ＡＣ励起信号の実効的な速度は１０ヘルツであろう。周波数の増加は、結果的にはガスの膨張および吸収に余り有効ではないだろう。ＤＣ信号は、光吸収ガス６７を検出しないことになる。本集積回路光源４７は、１００ヘルツまで効果的に繰り返しまたは脈動することができる。１００ヘルツでは、センサ４５はより高い感度になる。感度の増加は、２つの光源の実効周波数の比の平方根に等しく、約３．１６、すなわち、１００／１０の平方根である。
ガスセンサ４５は、ＣＯ2のほかに、他のガスまたは液体の存在を直接検出し示すように設計してもよい。狭帯域フィルタ５４は、検出し測定する他の種類のガスの吸収波長に等しい異なる波長の光５１を通すフィルタに変えることもできる。例えば、ＣＯをセンサ４５で検出しようとすれば、４．６ミクロンの波長の光を通すように設計され、炭化水素（ＣＨ）結合を持つガスまたは液体をセンサ４５で検出しようとすれば、３．２から３．４ミクロンの波長に設計されるだろう。特定のガスまたは液体の検出がより簡単になる他の変更または調整は、拡散フィルタ６６の変更または調整であろう。例えば、ステンレス鋼フリットまたはフィルタ６６の多孔性の調整は、フリット６６に加える圧縮の量で行われる。フリット６６を圧縮することで、フリットの多孔性が減少し、流量センサ５８の出力の信号対雑音比が大きくなる。多孔性の減少、すなわちフィルタ６６を通る流れの減少は、変動する光５１の吸収に応じてガス６７が膨張し収縮するときの流量センサ５８を通る流れ６２の勢いをよくするので、この比が大きくなる。しかし、周囲ガスに対してより制限的な、または多孔性の小さいフィルタ６６のために、ガス６７のキャビティ５７への浸透が非常に遅くなるので、センサ４５の外に存在しているガス６７の測定に対する応答時間は遅くなる。
第３図は、低価格光−流量センサ７０の概要を示す。これはＣＯ2マイクロ・センサのハイブリッド設計であり、プラスチックハウジング７９の中で、センサ・セル７１、流量検出器７２およびガラス９９上のＩＲフィルタ７３が、１つの微細加工されたシリコン・ブロック１００に載っている。ガラス板９９は、シリコン・ウエハで置換えてもよいだろう。電球７４はこの設計で一体化される。チップ接触パッド７５が、フェルト−金属ばね座金７７でリード・フレーム・ワイヤ７６に押し付けられる。このパッケージは以下の特徴を有する。プラスチック・モールド７９に埋め込まれたチップとリード・フレーム７６の間の直接接触、それによってワイヤ・ボンディングのコスト、またはゼブラ・ストリップ・コンタクトの不確実性／雑音の問題を解決すること、流量センサ７２のセンサ・キャビティ７１への集積、チップ７８がエラストマなどの不安定な材料ではなくて、ステンレス鋼８０などのより安定な材料で適当に保持されていること、選択された光源７４はピーク出力を適当な（９０％）ディレーティング後のピーク・レベル以上のＡＣ電圧レベルで動作すること、これは、１００Ｈｚに近い実用的な最も高い周波数で最大の寿命と最大の出力の組合わせを達成することである。センサ７０は、ハウジング１０２を有する管１０１に差し込まれる。また、この管１０１はフェルト−金属ばね座金７７に対する止め具として働き、この管１０１から監視されるガスまたは空気が入ってくる。プラスチックまたは鋼のスナップ１０３がセンサ７０を管１０１に固定する。
第４図は、ガスセンサ２６の他の構造である。シリコン基板２７が、最適効率を最大にするためにできるだけ薄く形成される。４．３ミクロンの波長用の多層狭帯域ＩＦ２８が、シリコン基板２７の第１の側に形成される。スペーサ２９が、ＩＦ層２８の周囲に形成される。層２８は、シリコンまたは適当な材料のウエハ、またはガラス板であってもよい。１ミクロンの窒化シリコン支持物３０が形成されている。０．１ミクロンの曲がりくねったヒータまたはＩＲ光源３１が層３０に形成され、または埋め込まれる。スペーサ２９は支持層３０のヒータ側の周囲に形成される。層２８と３０の支持物２９は一緒にされて、層３０と２８の間を熱的に分離するために２ミクロンの排気された、または空気を満たしたキャビティ８２が形成される。０．１から０．３ミクロンの金反射コーティング層３２が層３０の他方の側に形成されるが、これはヒータまたはＩＲ光源３１を支持しない。Ａｕ膜を保護するために、０．１ミクロンのシリコン層３３が層３２に形成される。４．３ミクロン波長用のＡＲ被膜層３４が基板２７の第２の側、すなわち、基板に形成されるＩＦ層２８が第１の側にある場合にその反対側に形成される。多孔性支持物３５が層３４の周囲に形成される。１から２ミクロンのポリシリコン層３６が形成される。０．１から０．３ミクロンのピエゾ抵抗センサ被膜層３７が層３６に形成され、０．１から０．２ミクロンの金反射コーティング層３８が層３７に形成される。また、多孔性支持物３５が層３８の周囲に形成される。層３４と３８と共に支持物３５が、層３４と３８の間に約２ミクロンのガス・キャビティ４４を形成する。電気的な交流電流（ＡＣ）入力端子３９が、ヒータまたは光源３１に接続される。正の５ボルトの端子４０が層３８の第１の端部に接続され、出力端子４１が層３８の第２の端部に接続される。負荷抵抗器またはリアクタンス４２が出力端子４１と基準電圧４３の間に接続される。
センサ２６のまわりの周囲環境からの空気および／またはガスが多孔性スペーサ３５を介してキャビティ４４に拡散して入る。スペーサ３５は、小さなエッチングされた穴のあるシリコンまたは他の材料であってもよい。もしくは、スペーサ３５は多孔性ステンレス鋼フリットであってもよい。機能的には、光源３１が活動化され、１０から１００ヘルツの間で付加するまたは脈動する強度を持つ光を発する。光源３１が白熱光であれば、速度は１０ヘルツに近いであろうが、第２図の超小型ヒータのアレイであれば、速度は１００ヘルツに近くになるだろう。光８３は狭帯域フィルタ２８、シリコン基板２７および反射防止（ＡＲ）コーティング３４を通って、もしあれば、検出されるガスを含むキャビティ４４に入る。そのガスは多孔性スペーサ３５を通ってキャビティ４４に拡散して入る。多孔性であるスペーサ３５の代わりに、層３６、３７、および３８をシリコンの多孔層またはステンレス鋼フリットなどの多孔層で置換えてもよい。ピエゾ抵抗センサ被膜は、多孔層またはフリットの一部に、またはスペーサ３５の近くにあってもよいだろう。狭帯域フィルタおよびＡＲ被膜は、検出されるガスの吸収波長に設計される。キャビティ４４の中の光８３が、キャビティ４４の中に存在するガスの吸収波長と同じ波長であれば、ガスは光８３を吸収して加熱する。ガスが膨張し、キャビティ４４内の圧力を高くする。その圧力によって、ピエゾ抵抗層またはセンサ３７は曲げられ、または変形され、出力４１に電圧指示が出力される。光８３が強度が減少し、またはオフになる時に、ガスは冷えて、キャビティ４４の圧力は減少し、それによって、ピエゾ抵抗素子３７は反対の方向に、または反対な様に、曲げられ、または変形させられる。センサ３７からの電圧の大きさは、キャビティ４４内、したがってセンサ２６の周囲環境のガスの濃度の量を示すものである。スペーサ３５または層３６〜３８に代わる層の多孔性は、光が検出されるガスに当たり吸収される時に、検出可能な圧力がキャビティ４４に作られるように十分小さいことが必要である。このガス検出器２６は、マイクロフォン的な検出を行う光−音響センサと考えられる。
第５図は、光−音響センサの他の型を示す。４．３ミクロンの波長用の３．０ミクロンの干渉狭帯域フィルタ８８が、２５０ミクロンのシリコン基板８９の第１の表面に形成される。層８９は、代わりに、ガラス板であってもよい。また、２．０ミクロンの反射防止（ＡＲ）コーティング９０が第２の表面、すなわち、シリコン基板８９の他の側に形成される。また、反射防止（ＡＲ）コーティングはフィルタ８８の上に形成されてもよい。ヒータ８６は、基板８９のフィルタ８８に形成される１ミクロンのポリシリコン層８７で形成されてもよい。４．３ミクロンの波長の光に対する０．１ミクロンの反射コーティング９８が層８７の表面に形成される。
ポリシリコン層８７が形成されて、層８８の上に犠牲層によって２ミクロンのキャビティ９１が作られることになる。犠牲層は除去される。キャビティ９１は、ヒータ８６と基板８９の間を熱分離する。キャビティ９１について行われたように、２．０ミクロンのキャビティ９２のために、基板８９のＡＲ側に２．０ミクロンの犠牲層が形成されエッチングされる。４．３ミクロンの波長用の０．１ミクロンの反射コーティング９４が犠牲層の上に形成される。０．１ミクロンのピエゾ抵抗膜９３がコーティング９０、コーティング９４およびキャビティ９２用の犠牲層の上に部分的に形成される。２．０ミクロンのポリシリコン層９５がピエゾ抵抗層９３、反射コーティング９４およびキャビティ９２の犠牲層の上に部分的に形成される。
犠牲層を取り除いてキャビティ９２が結果的にできるようにするために、小さな（０．１ミクロン）穴９６がポリシリコン層９５にエッチングされる。また、穴９６は、センサ８５の周囲環境の空気および／またはガスが拡散してキャビティ９２に入るように、キャビティ９２の多孔性の壁を形成する。ヒータ８６は、層８７、８８、８９、および９０を通ってキャビティ９２に入る光９７を放出する。４．３ミクロンの吸収波長を持つガスがあれば、そのガスは加熱し、その増加した圧力で、電気信号を生成するピエゾ抵抗素子９３が曲げられる。ヒータ８６は、変動または脈動する強度を持つ光９７を放出し、それによってガスが加熱したり冷えたりする。この繰返しが素子９３で感知される。そのようなサイクルのマグニチュードが、キャビティ９２およびセンサ８５の周囲環境のガス、例えばＣＯ2の濃度の量を指示する。
【図１】
0004183285.tif 000002
【図２】
0004183285.tif 000003
【図３】
0004183285.tif 000004
【図４】
0004183285.tif 000005
【図５】
0004183285.tif 000006