(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のウェハと；
その第１のウェハ上に形成された熱センサ（１９）の第１のアレイ（１２１）と；
を具備した二重キャビティ型ガス／流体センサにおいて：
前記第１のウェハ上に形成された熱センサ（１９）の第２のアレイ（１２２）と；
前記熱センサ（１９）の第１のアレイ（１２１）を取り囲む第１のキャビティと前記熱センサ（１９）の第２のアレイ（１２２）を取り囲む第２のキャビティが得られるように前記第１のウェハ上に形成されたトップキャップが；
前記トップキャップに近接していて、前記第１及び第２のキャビティを照射するためのソース（１２０）と；
前記トップキャップ上に形成された第１の波長を持つ帯域通過フィルタ（１２５）と；
熱センサ（１９）の前記第１のアレイ（１２１）及び第２のアレイ（１２２）と接続された増幅器（１２６）と；
を具備し、
前記第１のキャビティが、ガス／流体センサの周囲環境からガス／流体（２１）を受け取ることができ、前記第２のキャビティは周囲環境に対して密閉されており；
検出しようとするガス／流体（２１）が前記第１の波長に吸収波長を持ち、照射線の吸収が起こると、ガス／流体（２１）の温度変化が生じる；
ことを特徴とする二重キャビティ式ガス／流体センサ。
【請求項２】
熱センサ（１９）の前記第１のアレイ（１２１）が、熱センサ（１９）の前記第１のアレイ（１２１）の周りにおけるガス／流体（２１）の存在を示す第１の信号（１２３）を出力することができ；
熱センサ（１９）の前記第２のアレイ（１２２）が、熱センサ（１９）の前記第２のアレイ（１２２）の周りにガス／流体（２１）が存在しないことを示す第２の信号（１２４）を出力することができ；
前記増幅器（１２６）が、第１の信号（１２３）と第２の信号（１２４）とを減算して、検出されたガス／流体（２１）を示す信号（１２７）を発生すると共に、熱センサ（１９）の前記第１のアレイ（１２１）及び第２のアレイ（１２２）への照射線の入射によって生じる第３の信号を除去することができる；
ことを特徴とする請求項１の二重キャビティ式ガス／流体センサ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、ガスセンサに関し、特に有毒ガスのセンサに関する。詳細には、本発明はマイクロマシニング技術により製造された集積回路型ガス及び流体センサに関する。
燃焼プロセスによって生成されるＣＯ、ＣＯ2、ＮＯ、ＮＯ2及びＶＯＣｓのような有毒ガスを検出するための関連技術の装置は、従来、金属酸化物膜の導電率、化学ルミネッセンス、蛍光発光、種々の形の赤外（ＩＲ）吸収等の変化を指示するセンサに基づいたものである。これらのセンサは、あまりにも高価で、不安定であったり、あるいは感度が悪かったりで、低コストで信頼性のある有毒ガスセンサの要求条件を満たすことができなかった。これらの従来のセンサは、健康及び生命に有害となり得るレベルに相当する濃度のこのような有毒ガスを検出することが困難であり、特に低コストで手頃な信頼性のあるセンサによってこれを行おうとする場合、困難であった。予算ばかり気にするユーザによって運転される古いガスエンジンやガスヒーターは、それらのユーザ及びその他のユーザを危険にさらす有毒ガスの発生源である可能性が最も高いことが多い。これらのユーザは、誰かが彼らに入手可能な適切な技術を提供することに成功しない限り、有毒ガス表示器を最も買いそうにない人々である。
光音響ガスセンサは、ガスが吸収する波長での狭帯域変調照射によってガス温度変動を誘発することにより、低濃度のガスを検出する。変調された温度信号は、直接は検出されないが、閉じられたあるいはほぼ閉じられたガス標本セルを用いてその小さいガス温度信号が圧力信号に変換され、これがマイクロホンによって検出される。このような閉じられたあるいはほぼ閉じられたガスセルでは、ガスセルへガスを出入りさせるのが困難である。
発明の要約
光熱式検出法と呼ばれるガス温度変調信号の直接検出は、閉じられたあるいはほぼ閉じられたガスセルを用いる必要がない。ガス温度信号の直接検出は、適切な感度（すなわちナノ程度の感度）と高速応答性を有するガス温度センサがないというハンディキャップがある。マイクロマシニング加工した熱電センサアレイを使用すると、小さいガス温度変調信号の感度が適切な高速応答検出が可能になる。このような熱電センサアレイは、シリコン・マイクロマシニング技術によって効果的に製造される。
国際特許出願第ＷＯ−Ａ−９６／２１１４０には、チューニング可能な距離を隔てて互いに対面状に配置されたマイクロミラーを持つ気密シールされたファブリ-ペロー・キャビティを有するモノリシック構造の分光型検出器が開示されている。光は、ウィンドウウェハを通り、キャビティによりフィルタされた後、ＣＣＤアレイによって検出される。一方のミラーは圧電性薄膜と共に移動可能である。マイクロレンズは、ウィンドウウェハ中にマイクロマシニング加工で形成することができる。
本発明は、存在するガスのガス温度信号を検出する、新しくかつ有用で、安価かつ信頼性の高い直接検出技術を提供すると共に、有毒ガスあるいは燃焼生成物の好ましくない成分の有無を推測指示する技術を提供するものである。有意な確率水準での有毒ガスまたは好ましくないガスの存在を指示する、あるいは推測させるような現象を認識することができる場合は、それらのガスを直接測定する必要はない。従って、本発明のセンサは、有毒ガスの直接ＮＤＩＲ検出法よりコンパクトで信頼性の高い手頃な価格で入手可能な検出手段を提供するものである。また、本発明によれば、直接検出法による高濃度ＣＯ2ガスあるいは他の高濃度ガスに対するいっそうの検出／警報保護が講じられる。
本発明のセンサは、ＣＯ2検出によるＣＯ、ＮＯx及びＶＯＣｓのような有毒燃焼生成物の間接指示を利用するものであり、無換気型ルームヒータ（あるいはキッチンストーブ）のユーザの有毒ガス検出要求や自動車あるいはその付近から生じる排気ガス煙霧を検出したい自動車ドライバの要求に適う安価なＩＣ化センサ設計が妥当な価格で利用可能になる。
二酸化炭素（ＣＯ2）は、好ましくない濃度の燃焼生成物の存在を指示する。ＣＯ2は、燃焼プロセスによってＣＯ、ＮＯxあるいはＶＯＣｓより１０ないし１００倍の濃度で生成される。それでも、上記のガスより３ないし３０倍低い濃度レベルのＣＯ2を特にＮＤＩＲによって測定することができる。燃焼生成物、特にガソリンあるい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、０．００１〜０．４％のＮＯx、０．００１〜０．２％のＣＯ（使い古したあるいは調整不良の自動車エンジンではＣＯ濃度が最高２％になることもある）、及び０．００１〜０．３％の炭化水素（ＨＣ）よりなる、すなわち、ＣＯ2濃度が常に支配的であることが知られている。さらに、先頭の自動車の排気ガスは次に続く自動車の車室空気取り入れ口に達する前に１０ないし１０００倍に薄められるものと予想され、従ってＣＯ2濃度はわずか０．００５ないし１．５％になるものと思われ、これはそれでも測定可能であるが、有毒ガス濃度は０．０００１ないし０．０４％の範囲になる。後者の濃度は測定することがるかに困難であり、特に安価なセンサでは困難である。安価なセンサは、これらのガスが不快感あるいは健康への悪影響を引き起こす濃度で存在しているにもかかわらずそれらのガスを検出し始めない。
本発明のセンサのＩＣ化設計によれば、その製造性及び価格的妥当性が改善される。本発明においては、ガスセル、熱検出器及び光フィルタは、より安価、すなわち、より手頃な価格で入手可能で、高価なセンサより広範に利用可能な単一形のコンパクトなマイクロマシニング加工されたデバイスの形に集積化される。赤外線は、小型電球、あるいは電気加熱マイクロブリッジ（マイクロ放射器）から得ることができる。また、電子回路もシリコン材で集積化できる。本発明のセンサは、従来技術のものと比較してよりコンパクトで、そのためにより頑丈であり、また総合的により有用である。このＩＣ化光熱センサを存在するガスの検出器として用いると、より高感度でより高速の応答とより安定した検出が達成される。より高速の応答は、閉じたられた、あるいはほぼ閉じられたガスセルが不要なことによるものである。
本発明のＩＣ化センサは、従来の関連技術のセンサより１０ないし１００倍小さく、そのために本発明のシステムは、より無理がなく、携帯に適し、かつ有用度の高いものとなる。また、本発明の検出器は、シリコン・マイクロマシニング技術を用いて量産することができるので、従来の関連技術の検出器より１０ないし１００倍安価である。
、マイクロマシニング加工シリコン技術によって形成される本発明の非常に正確なガス検出器は、従来の関連技術の検出器よりはるかに小型化される。
要約すると、本発明は、パルス駆動される加熱放射ソースと、適切な多層干渉フィルタ（ＩＦ）と、反射防止（ＡＲ）膜と、光が熱センサに入射するのを阻止するためのシャドウマスキングあるいは反射防止手段と、例えばＣＯ2の４．３ミクロン波長帯でのエネルギー効率を確保するために赤外線（ＩＲ）あるいは他の波長の光を最大化するよう構成された特殊エッチング加工されたシリコンウェハまたはマスキングと、標本ガスキャビティで、ガスがチャンネルを介して流入出するか、あるいは該キャビティを形成するために用いたサクリファイス層を溶解させるために前に製造に際して使用したエッチング穴との間で、あるいは多孔質の圧縮ステンレススチール・フリットを介してガスが拡散することができる標本ガスキャビティと、シングル出力あるいは差動出力方式で動作するマイクロマシニング加工されたガス温度センサとを有するマイクロマシニング加工されたＩＣ化センサよりなる安価な光熱式検出システムにある。
センサに対する緩慢な周囲温度変動の影響は、自然に熱電ジャンクション対構成によって排除される。空気及び／またはガスの移動によって生じるガス温度変動の影響は、適切な多孔バッフルにより、またロックイン検出によって最小限に抑えられる。バックグラウンド信号をできるだけ小さくするために、熱電温度センサは直接光放射によっては照射せず、反射材でコーティングし、光照射装置とガス温度センサと間に適切なＩＦを挿入することにより、また適切なガス入口構成を用いることによって、差動方式で動作させることができる。
センサの一態様は、二重キャビティを具備したものである。１つのキャビティには検出しようとするガスが入れられ、他方のキャビティは周囲環境に対して密閉され、ガスは全く入っていない。これらのキャビティの検出器からの信号は互いに減算されて、検出器に入射する照射線に起因する固定信号が除去される。
【図面の簡単な説明】
図１は、マイクロマシニング法により形成された推測型光熱式ガスセンサを示す。
図２は、もう１つの推測型光熱式ガスセンサの設計構成を示す。
図３は、さらにもう１つの光熱式ガスセンサの設計構成を示す。
図４ａ、４ｂ及び４ｃは、熱センサの光信号及び熱信号の波形図である。
図５は、熱センサ素子の構造を示す図である。
図６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄは差動方式のセンサ動作を示す。
実施形態の説明
図１は、推測型光熱式ガスセンサ１０の基本的構造を示す図である。シリコンウェハ１１は、片側にエッチングで形成された空間１２を有する。シリコンウェハ１１のこの陥凹空間１２がある側には、ウェハ１１に近い側に一組のマイクロ放射器１４を有するシリコンウェハ１３が形成されている。ウェハ１１のマイクロ放射器１４に近い面あるいは側には反射防止（ＡＲ）膜１５が形成されている。ウェハ１１のその反対側には、ＣＯ2の吸収波長（４．３ミクロン）と同じ波長を有する赤外線だけを通過させるよう設計された狭帯域通過干渉フィルタ（ＩＦ）１６が設けられている。これらのＡＲ膜とＩＦコーティングまたは被膜の位置は互いに入れ換えてもよい。フィルタ１６の表面にはシリコンウェハ１７が形成されている。また、そのウェハ１７上にシリコンウェハ１８が形成されている。シリコンウェハ１７及び１８はエッチングされて、キャビティ２０及びチャンネル１１４が形成される。チャンネル１１４は、キャビティ２０とセンサ１０の外部の周囲雰囲気または空間との間の通路となる。ガスまたは空気２１は、オリフィス、通路すなわちチャンネル１１４を介してキャビティ２０内へあるいはそこから外へ拡散したり、あるいは流入、流出することができる。ウェハ１８は、ピット１１６の上部に形成された熱センサ１９を有する。マイクロ放射器１４及び熱センサ１９はコンタクトパッド２４に接続されている。ウェハ１３あるいは１８上には、集積回路（ＩＣ）あるいは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を形成することによって、マイクロ放射器１４を制御したりあるいは熱センサ１９からの信号を処理するための電子回路２５を設けることもできる。ウェハ１１は、これに代えてガラスプレートを用いることも可能である。ウェハ１７も、これに代えてガラスプレートを用いることができる。以下に開示する実施形態においては、ＩＦフィルタ及びＡＲコーティングもガラスプレート上に設け、あるいは形成することができる。
ソース１４は、赤外ソースとして機能する３２×３２のマイクロ放射器のアレイである。ソースすなわちアレイ１４より供給される４．３ミクロン波長の全放射量はタングステンミニ電球の約２．８倍である。キャビティ２０は、奥行き約１００ミクロン×幅５００ミクロンである。キャビティ２０はあまり小さくすることはできず、これが小さ過ぎると、キャビティ表面におけるガス冷却によってガスセンサ１０の感度が低下することもある。
熱センサは、５０ミクロン×５０ミクロンの各窒化ケイ素マイクロブリッジ毎に各々２つの熱電金属ジャンクションを有する直列接続された６４×６４のＮｉＦｅ：Ｃｒ熱電センサ１９のアレイよりなり、２つの熱電金属ジャンクションの１つはマイクロブリッジ上にあり、もう１つは隣接のシリコン上にあり、１ジャンクション対につき１０オームの抵抗を有し、かつそれらの各ジャンクション対のゼーベック係数は６０マイクロボルト／℃である。熱電センサ１９は、赤外線の直接吸収を最小限にするために反射金属層がコーティングされている。熱センサは、通常、０．５ミリ秒のマイクロブリッジ応答時間及び１０Ｈｚの照射変調周波数を有する。ロックイン電子回路型検出システム（例えば、図３の電球９３の代わりにソース素子９４を使用した増幅器１０２、電源１０４及びロックイン増幅器１０３）は、３０秒の応答時間を有する（すなわち、バンド幅ｄＦ＝０．０２ヘルツ）。電圧ノイズ実効値＝（４ＫＴ（６４×６４）ＲｄＦ）の平方根＝２．５ナノボルト実効値、感度＝（２．５ｅ−９）／（６４×６４×６０ｅ−６）＝１０ナノ℃実効値である。これによって、約１００ｐｐｍのＣＯ2濃度からの典型的なガス温度信号の検出が可能になる。
図１において、ソース１４は光１１８及び１１９を放出する。光１１９はシャドウマスク１１３によって遮られる。光１１８は層１５及びウェハ１１を通り抜ける。ただ狭帯域通過干渉フィルタ１６によって通過させられる波長を持つ光１１８だけがキャビティ２０に入り、空気及び／またはガス２１の分子と衝突することができる。このようなガス２１が、フィルタ１６を通過し、ガス２１と衝突する光１１８の波長と同じ吸収波長を持つならば、その光１１８はガス２１によって吸収され、ガス２１が加熱される。ガス２１の温度上昇が熱センサ１９によって検出され、ガス２１の存在を示す信号が熱センサによって出力される。ガス２１によって吸収されない光１１８は非熱部分１１７に入射し、センサ１９には影響を与えない。シャドウマスク１１３があるために、光１１８あるいは１１９は僅かしかセンサ１９に入射しない。ソース１４からの光１１９は、被膜１５、ウェハ１１及び狭帯域通過フィルタ１６を通過して、マスク１１３に入射する。マスク１１３は、これがなければキャビティ２０に入り、熱センサ１９に入射する光１１９の大半を遮る。センサ１９へ光１１９が入射すると、センサ１９は暖められ、ガスの存在を示す信号ではなく固定信号を与える。光１１９がセンサ１９に入射しても、電子回路を用いてそのような光１１９によって生じる固定信号を取り除き、ガス２１の存在を示す真の信号だけを通過させるようにすることができる。この動作方式は、固定信号を除去するために非常に安定した電子回路が必要である。
図６ａに示すもう一つの態様は、どちらも赤外フィルタ１２５を通して同じソース１２０によって照射される熱センサ１９の２つのアレイ１２１及び１２２を用いたもので、その一方のアレイ１２１はガス２１に曝されるが、他方のアレイ１２２はガス２１に曝されない。図６ｂにおいて、それぞれ２つのアレイ１２１及び１２２からの２つの信号１２３と１２４は、差動増幅器１２６によって電子的に減算して信号１２７を得ることにより、照射線の熱センサあるいは温度検出器１９への入射によって生じる固定信号を実質的に取り除くことができる。
図６ｃはもう一つの差動方式の態様を示す。この態様では、共通ガスキャビティ１３９中の熱電センサ１３０の２つのアレイ１２８及び１２９が、電球１３４と２つの異なる干渉フィルタ１３２及び１３３により得られる２つの異なる波長の光によって照射される。その際２つの波長は強度が実質的に等しいが、一方の波長は直接検出しようとするガス１３１によって吸収され、他方の波長は吸収されないようになっている。アレイ１２８から第１の電気信号が取り出される。それには、センサ１３０への照射線の入射と吸収によって生じる固定信号と直接検出しようとするガスの濃度によって決まる信号成分とが含まれる。一方、アレイ１２９からは、センサ１３０上における照射線の入射と吸収によって生じる固定信号だけからなる第２の電気信号が取り出される。これら２つの信号は、リード線１３６と１３５を介してそれぞれ図６（ｄ）に示す差動増幅器１３７に入力され、センサ１３０上での照射線の入射と吸収によって生じる固定信号が実質的に除去された差信号１３８が作り出される。
図６（ａ）ないし（ｄ）に示す差動方式の各態様では、第２の信号の大きさをソースの強度の測定値として用いて、ソースの強度の変化を検出し、それに応じて信号を補正するようにすることができる。
図６（ｃ）の構成は、キャビティ１３９中のガスの熱伝導率の変化を補償するようになっている。このような熱伝導率の変化は実際には第１及び第２の両方の信号を変化させるが、このガスの熱伝導率による信号変化は第１の信号１３５と第２の信号１３６の比を求めることによって事実上除去される。
第２の信号は、ソース１３４の強度とキャビティ中のガスの熱伝導率の大きさを示す。ガスの熱伝導率は第２の信号１３６を変化させ、従ってこの第２の信号１３６をすべての状況でソース１３４の明るさを測定するために使用することはできない。このような場合は、別個のフォトセンサ１４０を用いてソース１３４の明るさを測定することが必要になるかもしれない。フォトセンサ１４０は、放射の大きさの示す。これによれば、ガスの熱伝導率とは関わりなく、直接ソースの明るさを測定する方法が得られる。また、これによればガスの熱伝導率の測定も可能であり、これが役に立つ場合もある。必要ならば、フォトセンサ１４０を用いて明るさを一定に保つよう駆動電圧を制御することができる。フォトセンサ１４０はソース１３４によって照射されるような位置に配置すべきである。センサを一定温度に保つために、ヒーター抵抗器１４１及び温度センサ１４２を用いてもよい。場合によっては、センサを一定温度に保つことが役に立つが、これは、通常センサを一定温度に向けて僅かに加熱することにより行われる。これは温度依存性のセンサパラメータが変化しないように行われる（例えば、熱電対あるいはフォトセンサの感度は温度依存性の場合がある）。検出手段１４１、１４２は熱センサと同じ側の面上に置くことができる。
図６ｃのセンサからの２つの信号１３５と１３６の差信号１３８ではなく、これらの信号の比１４３を測定することには利点がある。その理由は、差を取る場合、これらの信号は決して正確に等しくはならないので、どうしても若干の残留信号が残るためである。残留信号はセンサ内に存在するガス１３１の熱伝導率に従属して変化し、従って大きく異なる熱伝導率のガスが存在すると、検出したいガス種に起因する信号と識別不可能なセンサ信号が生じる。これに対して、２つの信号１３５と１３６の比１４３は、存在ガスの熱伝導率による影響がはるかに小さい。これは、比の式では分子と分母がガスの熱伝導率と共にほぼ同じに変化し、互いに相殺し合うするからである。異なる熱伝導率のガス１３１の存在がほとんど影響を持たないという点で、比の方が差より効果的に用いられるということが実験により確認されている。
図６ｃは、効果的に機能すると思われるセンサの態様を示したものである。図６ａ及び６ｃに示すように、このデバイスは実際に１つのウェハ１４４、１４５（マイクロマシニング加工で形成された熱センサを有する）とトップキャップ１４６、１４７で形成することができる。トップキャップの主な目的は、デリケートなマイクロマシニング加工された熱センサを埃や流体移動から保護することである。トップキャップ１４６、１４７は第２のシリコンウェハであってもよく、また任意のＩＲ透過性材料を使用することができる。ガラスの顕微鏡スライドあるいはＩＲフィルタ自体をトップキャップ１４６、１４７として使うこともできる。図１におけるような第３の及び第４のシリコンウェハ１１、１３を付加する目的は、図６ａ及び６ｃに示す電球１２０、１３４の役割を代替させることにある。この態様は、電球を用いる場合に比べて技術的な長所があるが、実施することははるかに困難である。
非差動方式や比方式の態様と同様に、差動方式の態様で使用する熱センサにも、赤外線の直接入射及び吸収をできるだけ少なくするために照射線マスクを具備し、あるいは反射金属層をコーティングすることが可能である。
図２は、照射線を反対方向に通過させるようにした光熱式ガスセンサ７０の断面図である。シリコンウェハ４６は、約５×５ミリメートル（ｍｍ）の正方形で、約２０ミルの厚さを有する。ウェハ４６上には、赤外線の加熱放射ソース４７が形成されている。ソース４７は、抵抗加熱体と共に窒化ケイ素のような高耐熱性材料で形成される。ウェハ４６には、ソース４７からの熱損失を最小にするために溝あるいはピット４８がエッチングで形成される。ソース４７を作動させて照射線５１を放出させるよう１０ないし１００ヘルツの周波数の交流信号を供給するために、約１ミル厚のリード線６０がコンタクト４９に接続されている。チップまたはウェハ４６の周部には、取り付け材料５０が形成されている。約２０ミル厚のシリコンウェハ５２は、空間５５から空気が取り除かれるように真空中で取り付けられる。ウェハ５２の第１の側にはＡＲ被膜５３が形成され、ウェハ５２の第２の側には波長４．３ミクロンの光を通過させるための狭帯域通過ＩＦの多重スタック層５４が形成されている。ＡＲ被膜層５３は、異なる屈折率を有する材料の１／４波長厚の膜が交互に約２ないし６枚積層されたものである。ＩＦ層５４は、異なる屈折率を有する材料の１／２波長の膜が交互に積層されたものである。ウェハ５２は、ウェハ４６上の取り付け材料５０がウェハ５２の周囲の面に接触すると同時にウェハ４６に近接させられ、排気された断熱空間５５を形成する。
加熱放射ソース４７は、中実Ｓｉ基板の表面から１ないし２ミクロンの部分にあって、高速応答性を有し、可能な限り高い周波数（通常１０ないし１００ヘルツ）で変調されて、キャビティを光で満たすが、これは高感度を得るためには不可欠である。光源４７がタングステンフィラメントの白熱ミニ電球ならば、交流励起信号の最大パルスレートは約１０ヘルツであろう。周波数を高くすると、低周波数の電子ノイズが少なくなるので、より良好な感度が得られる。本発明の集積回路型光源４７は、実際、最高１００ヘルツで周期駆動あるいはパルス駆動して、センサ７０の感度をより改善することができる。
シリコン検出器ウェハ６９は、第１の面を４．３ミクロン狭帯域通過光学干渉フィルタ５４及びシリコンウェハ５２に近接させて形成されている。ウェハ６９の第２の表面には、照射線５１を反射させるため、そして素子７１のガスとの熱的接触を改善するために、溝あるいはピット７２が形成、あるいはエッチング形成されている。ウェハ６９上には、熱電（ＴＥ）温度センサまたは検出器層７３が形成されている。ピット７２の上方には感温素子７１が形成されている。素子７１は、赤外線の直接吸収を最小にするために、反射性金属がコーティングされている。ウェハ６９の第２の表面のエッチングされていない部分には、センサ層７３の温度不感で照射線５１を透過させる部分７４が形成されている。検出器層７３上には、リード線６０を介して層７３との間で電気信号伝送を行うためにコンタクト７５が形成されている。層７３とウェハ６９の第２の表面の周部には取り付け材料１１５が形成されている。キャビティ７８を形成するように、トップキャップ・シリコンウェハ７７が形成され、取り付けられている。この取り付けは、１つ以上のバイアで、ガス及び／またはが空気キャビティ７８に流入することができるようなチャンネルあるいは穴７９が形成されるようにして行われる。
光熱式ガスセンサ７０の動作には、ＩＲ成分を有する変動性あるいはパルス照射線５１の放出が含まれる。照射線すなわち光５１は、ＡＲ層５３を透過し、ウェハ５２を透過してＩＦ層５４に達する。一部の光５１は、例えば、４．３ミクロン（ＣＯ2検出の場合）の波長を有する光だけを通過させる狭帯域通過フィルム層５４によってフィルタされ、除去される。検出しようとするガスあるいは流体の種類によって、上記以外の帯域通過波長を有するフィルタを使用することが可能である。光の４．３ミクロン波長の部分はウェハ６９に進入する。ピット７２に入射する光５１は、ほとんどすべて光８０として反射される。ウェハ６９の第２の表面のエッチングされていない部分に入射する光５１は検出器部７４を通過してキャビティ７８に入る。ピット７２は、感温部７１が入射光５１の熱によって影響されないように光５１を反射する。ＣＯ2のような空気及び／またはガス６７は、チャンネル７９を介してキャビティ７８中に流入し、かつそこを流過する。光５１がＣＯ2によって吸収されると、温度が上昇してセンサ７１の温度を上昇させ、光５１の波長がＣＯ2の吸収波長と同じであるために、その結果として熱、引いてはＣＯ2の存在が検出されることになる。ガス６７がキャビティ７８内を流過しまたその中にある間、光５１は大きさあるいは強度が変動あるいは脈動して、ガス６７のＣＯ2の加熱／冷却を生じさせる。検出器素子７１からの電気信号はコンタクト７５及びリード線６０を介してプロセッサ８１へ送られる。プロセッサ８１は、ＣＯ2の有無及び量を算定して、ガスセンサ７０の直近環境に存在する有毒ガスの存在を推測により指示する。反射光８０は、プロセッサ８１に供給される固定信号を最小にするためにセンサ素子７１への入射が阻まれる。図６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄのような差動型構成を採用することもできる。他の種類のガスあるいは液体を直接検出するために、センサ７０をセンサ１０に類似した変更態様とすることも可能である。
ガスセンサ７０は、ＣＯ2以外の他のガスあるいは液体の存在を直接検出して、指示するような構成とすることもできる。その場合、狭帯域通過フィルタ５４は、検出、測定しようとする他の種類のガスの吸収波長と等しい光５１の上記と異なる波長を通過させるようなフィルタに変えられる。例えば、センサ７０によってＣＯを直接検出しようとする場合は、フィルタは波長４．６ミクロンの光を通過させるように設計され、炭化水素（ＣＨ）結合を有するガスあるいは液体（ＶＯＣｓ）をセンサ７０によって直接検出しようとする場合は、３．２ないし３．４ミクロンの波長に併せて設計される。
図３は、もう一つの光熱式ガスセンサ８２を図解したものである。シリコン基板８３はエッチングピット８４を有する。エッチングピット８４の上方には、熱電レセプタ８５が設けられている。基板８３上にはスペーサ８６が設けられている。スペーサ８６上にはシリコン基板８７が配置されている。基板８７の一方側の表面上には狭帯域通過干渉フィルタ８８が形成されている。基板８７の反対側の平らな表面上には反射防止膜８９が形成されている。フィルタ８８上には、反射防止膜８９、基板８７及びフィルタ８８を通してキャビティ９１に進入する入射光を熱電センサ８５の直上部のエリアに限って遮るシャドウマスク９０が形成されている。各シャドウマスク９０の目的は、キャビティ９０に入って来る光９２の大半をセンサ素子８５に入射しないよう遮ることにある。ソースまたは光源９２は、白熱電球９３から、あるいはソース基板あるいはウェハ９５上に形成されたマイクロ放射器アレイ９４から得ることができる。基板８７あるいは被膜８９上には、光源またはソース素子９４が内蔵された基板あるいはウェハ９５を支えるためのスペーサ９６を形成してもよい。ウェハ８７あるいは被膜８９上に形成されたスペーサ９６によって基板９５を支持すると、ウェハ９５とウェハ８７または膜８９との間に断熱キャビティが形成されることになる。
マイクロ放射器９４あるいは電球９３からの光９２は、強度が変化する波形あるいはパルス波形で変調される。光９２は、マイクロ放射器９４が使用される場合は断熱キャビティ９７を通り抜け、電球９３が使用される場合は、まず反射防止膜８９を透過する。被膜８９、基板８７及び干渉フィルタ８８を通り抜けた後、光９２はキャビティ９１に進入する。検出しようとするガスの吸収波長以外の波長を有する光９２は、狭帯域通過フィルタ８８によって遮られる。全波長の光は、光９２の熱センサ８５への入射を少なくするためにシャドウマスク９６によって遮られる。熱センサ８５は、赤外線の直接吸収を最小にするために反射金属層でコーティングしてもよい。センサ８２の周囲環境の空気及び／またはガス１１２は、矢印１１１で示すように、キャビティ９１に自由に流入出することができる。ガス１１２がフィルタ８８を通過する光９２の波長と同じ吸収波長を持つ場合は、光９２はそのガス１１２によって吸収され、その結果ガス１１２の温度が上昇する。ガス１１２の温度上昇は熱センサ８５によって検出される。フィルタ８８を通過する光９２の波長と同じ吸収波長を持つガスが存在しない場合は、ガスによる光の吸収がなく、キャビティ９１内におけるガス及び／または空気の温度の上昇あるいは変化が生じない。そのために、熱センサ８５は温度変化を検出しない。しかしながら、シャドウマスク９０がないとすると、光９２が熱センサ８５に入射し、熱センサ８５がキャビティ９１内の温度の上昇及び／または変化を検出することになり、これによってガス依存性信号に加えて大きな固定信号が発生する結果になる。
図４ａ、４ｂ及び４ｃは、シャドウマスク９０及び金属反射層がある場合とない場合におけるキャビティ９１内の光９２の影響を図解したものである。図４ａの波形は、フィルタ８８を透過してキャビティあるいはチャンバ９１中に入り込む光９２の振幅を表している。図４ｂは、シャドウマスク９０がないときの熱センサ８５からの信号９９を示す。干渉フィルタ８８を通過する光９２の波長と同じ吸収波長を持つガスがチャンバ９１内にあれば、検出中のガスによる光９２の吸収の結果増加したチャンバ中の熱が、曲線１００として曲線９９に重ねられる。シャドウマスク９０を正しい位置に設け、反射層を形成した場合、光９２が熱センサ８５に入射し、これによって吸収されることがないよう遮られるために、信号９９はその大部分が取り除かれる。センサ８５に対して光９２を遮断した結果のセンサ信号は、図４ｃに示す信号１００のようになる。
センサ８５からの信号は、増幅器１０２及びロックイン増幅器１０３へ送られる。電源１０４は、電気信号１０５を出力し、この出力は電球９３あるいはマイクロ放射器９４に供給されて、パルス性あるいは強度変化性の光９２が発生する。また、信号１０５はロックイン増幅器１０３にも供給される。ロックイン増幅器１０３の信号出力は、キャビティ９１内及びセンサ８２の周囲環境で検出されたガスの濃度の示度を与える。増幅器１０３からの信号はプロセッサ１０６へ送られ、プロセッサ１０６は、直接検出されたガス、例えばＣＯ2の量からマイクロマシニング加工された推測式有毒ガス指示器８２を直に取り巻く周囲環境中における種々の有毒ガスの有無及び量を推測により決定する。また、プロセッサ１０６は、センサ８２の周りの現在または過去の化学作用あるいは物理作用も推測する。プロセッサ１０６は、将来の化学作用あるいは物理作用活動を予測することも可能である。プロセッサ１０６は、一定程度の濃度の他のガスあるいは流体の存在を推測させる特定のガスあるいは流体の一定程度の濃度を示した情報のテーブルを持つこともできる。ＣＯ2のようなガスの検出濃度の大きさは推測された他のガスの濃度の一定程度の濃度よりも最高で数オーダー大きいので、一定程度の濃度のそのような他のガスあるいは流体の存在は、キャビティ９１内における一定程度の濃度の特定のガスあるいは流体の存在によってより正確に推測される。
図５は、熱電センサ８５の製造における構造を示したものである。シリコン基板８３は、検出器すなわち熱電センサ８５の断熱用のエッチングピット８４を有する。金属薄膜１０７と１０８との重なり部分からマイクロマシニング加工された熱電センサ８５のアレイが形成される。これらの熱電センサは、シリコン基板８３上に形成された窒化ケイ素１０９の層間に形成される。金属薄膜層１０７及び１０８のセンサ部分は、切除部１１０によって区画され、エッチングピット８４の上方に位置する金属薄膜１０７と１０８の重なり及び接触領域として切り離されている。熱電センサ８５による照射線の直接吸収を少なくするために、金属反射層（金）を塗工する（１０９ａ）ことも可能である。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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