(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）受光した放射強度に依存する抵抗率をもつ、出力回路に接続された第１の端子を備えた第１の素子と、
（ｂ）受光した放射強度に依存する抵抗率をもつ、前記出力回路に接続された第１の端子を備えた第２の素子と、
（ｃ）前記第１および第２の素子にそれぞれ接続された同一および反対間で切り換わる相対極性を備えた第１および第２の電圧供給装置と、を具備し、
（ｄ）前記出力回路は前記切り換わる極性に同期した相関二重サンプラーを含んでいる、
放射検出器。
【請求項２】
（ａ）受光した放射に依存しない抵抗率をもつ前記出力回路に接続された第３および第４の素子と、
（ｂ）前記第３および第４の素子にそれぞれ接続された第３および第４の電圧供給装置であって、前記第３の電圧供給装置は前記第１の電圧供給装置と反対の極性をもち、前記第４の電圧供給装置は前記第２の電圧供給装置と反対の極性をもつ、前記第３および第４の素子と、
をさらに具備する請求項１記載の検出器。
【請求項３】
（ａ）受光した放射強度に依存する抵抗率をもつ、出力回路に接続された第１の端子を備えた第１の素子と、
（ｂ）受光した放射強度に依存しない抵抗率をもつ、前記出力回路に接続された第１の端子を備えた第２の素子と、
（ｃ）前記第１および第２の素子にそれぞれ接続された反対極性および正と負間で切り換わる相対極性をもつ第１および第２の電圧供給装置と、を具備し、
（ｄ）前記出力回路は前記切り換わる極性に同期した相関二重サンプラーを含んでいる、
放射検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロス・レファレンス】
本願は、１９９５年７月２１日に出願された米国仮出願シリアル番号６０／００１，３３４号の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子装置に関し、特に放射検出器およびそのような検出器を含んだセンサーのような装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
赤外線検出は、夜間視覚（暖かい体からの放射に基づく映像化）、化学的解析（スペクトル吸収）および種々の他の分野に対し重要な解決法を提供している。赤外線検出器は、単一検出器または絵素配列体、極低温（典型的には液体窒素温度）または非冷却検出器、８〜１２（ｌｍ）または３〜５（ｌｍ）または他の波長の感度、および光子または熱検出機構というような、種々の分類ができる。
光子検出（ホトコンダクタ、ホトダイオードおよびホトキャパシタ）は、小さいバンドギャップの半導体材料中に電子−正孔対を発生させる光子吸収によって作用し、この電気的キャリア数の増加が検出される。一方、熱検出は、赤外線光子を吸収する素子の加熱に起因する電気的抵抗または容量の変化によって作用する。光子加熱による抵抗変化に依存する検出器は、ボロメータと呼ばれている。
【０００４】
ホーンベックの米国特許第5,021,663 号およびキーナンの米国特許第5,288,649 号は、夜間視覚に使用されるものとして、単一半導体集積回路の形でＣＭＯＳ制御および駆動回路から懸垂式にそこに接続された非晶質のシリコンボロメータの配列体を開示している。特に、図１はレンズ系１０２、ボロメータ１０６の配列体および赤外線映像用回路を概略的に示している。図２は単一のボロメータの回路を示している。図３はボロメータ１４０の配列の一部を示している。各ボロメータは、２次元映像の１つの絵素用の信号を提供する。集積回路基板上に懸垂したボロメータは熱的隔離を提供するが、また機械的な支持の問題を発生している。ボロメータのパッケージングにおいてはまた、周囲雰囲気によって周囲の近接した検出器リード線とボロメータとが熱的に結合してクロストークしてしまうという問題もある。
【０００５】
図２において、ＲB は温度可変抵抗を示し、ＲL は温度非依存負荷抵抗を、そして単一ボロメータ用のＲB とＲL の直列回路に加えられる＋Ｖのバイアス電圧を示している。夜間視覚を得る時の赤外線放射強度入力の変動によるＲB の温度変化は、典型的には、１ケルビン度以下である。ＲB の温度変動により抵抗変動が発生し、それにより負荷抵抗ＲL 間の電圧変動を誘起し、この電圧が出力増幅器を駆動する。一般的に、ボロメータの低周波ノイズはＲB に関するジョンソンノイズ（抵抗に比例する振幅のホワイトノイズ）を越え、そしてＲB 間に加えられたバイアス電圧により増加する。さらに、ＲB −ＲL 直列によって検出された信号の大きさはバイアス電圧に比例する。また、測定可能な信号を作るために十分なバイアスは、時々、許容できないレベルの低周波ノイズを発生させてしまう。
【０００６】
赤外線ホトコンダクタ検出器はまた、典型的には、過剰な低周波ノイズを有している。この低周波ノイズ問題を解決するための一般的な方法は、入力放射をチョップし（周期的機械的遮蔽）、照射および暗状態双方の出力を測定し、つぎに暗状態出力を照射状態出力から引いてネット出力を与えることである（修正二重サンプリング）。そのようなチョッピングにより、低周波ノイズの効果をかなり減衰させ、そして検出器の信号対ノイズ比を改善する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チョッピング入力法は機械システムの高コストおよび低信頼度の問題を含んでいる。さらに、ボロメータのような熱検出器は、この信号レベルを正確に表すためにかなりの景色設定時間を要する。例えば、ボロメータについて、信頼できる信号再生を得るために３０ミリ秒の信号間隔を必要とすることは異常ではない。このように、最大景色チョッピング周波数が存在する。しかし、修正二重サンプリングの有効性は、検出器のノイズ強度スペクトル中の『１／ｆニー』周波数よりも大きい景色チョッピング周波数に依存する。このように、機械的チョッピングは、景色設定時間に依存する最大景色チョッピング周波数が１／ｆニー周波数よりも小さいかもしれないので、常に有効な機構であるとはいえない。
【０００８】
ボロメータおよびホトコンダクタはまた、可視光および近紫外線を検出し、そして赤外線についての適用に制限されるものではなく、例えば、比色計への応用は丁度異なる波長への適用である。
【０００９】
ウォングの米国特許第5,163,332 号およびブロー他の米国特許第4,709,150 号は、ガスによるスペクトル線の吸収を測定することにより大気中のＣＯ2 または他のガスを検出する赤外線検出器の使用を示している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多重波長の絵素配列、電子的チョッピングおよび自動校正、多重検出器の真空パッケージ内の内部陰付け、絵素冗長、共通支持および隠れた支持を備えた密封ボロメータ、懸垂したボロメータ用の傾斜脚支持、および赤外線源とスペクトル解析用ボロメータ検出器を有するガスセンサーを備えたボロメータを提供する。
【００１１】
本発明の特徴は以下の通りである。異なるフィルターを備えた多重検出器が多重帯域検出が出来、したがって多重ガスに対する集積センサーとなり得る。密封された冗長ボロメータは感度を向上させ、そして傾斜脚支持は懸垂されたボロメータに機械的強度を与える。広く間隔をおいた検出器を備えた内部陰はコンパクトなパッケージ中のクロストークを制限する。電子的チョッピングは、機械的チョッピングを無くすると共にチョッピング周波数における周波数制限となる景色設定時間を避けることができるという利点を有する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
２コンポーネント絵素の好適実施例
図４，図５は２コンポーネント抵抗素子の好適実施例の検出器を示し、それは全般的に参照番号２００で示されており、ホトコンダクタ２０２，２０４と、フィードバック抵抗２１２を備えた演算増幅器２１０と、相関二重サンプラー２２０と、タイミングおよびバイアス制御回路２３０とを含んでいる。ホトコンダクタ２０２，２０４は、図６の平面図および図７の縦断面図に示すように、非晶質シリコンの単一抵抗膜３０６の２つの部分から形成できる。金属接点３１０は、膜３０６の端部で金属接点３１０に平行な接点３１２，３１４を備えた２つの等しい部分に、膜３０６を分割する。金属接点はアルミニウムまたはニッケル等の他の金属から形成される。接点３１０，３１２とそれらの間の膜３０６の部分とはホトコンダクタ２０２を形成し、そして接点３１０，３１４とそれらの間の膜３０６の部分とはホトコンダクタ２０４を形成する。膜３０６は５０（ｌｍ）ｘ５０（ｌｍ）で２００（ｎｍ）厚であり、またシリコン基板３０２上の二酸化（酸化）シリコン層３０４上にある。ホトコンダクタ２０２，２０４はともに、暗状態で約２０メガオーム、波長０．３〜１．２  ｌｍで５ｘ１０-4  ｗａｔｔｓ／ｃｍ2 の光子束にて１％低くなるものである。検出器２００は、映像検出用の絵素配列中の１つの絵素または化学的解析装置内の単一検出器であってもよい。ホトコンダクタに代わってボロメータにも同一の回路が使用できる。ホトコンダクタはＨｇＣｄＴｅのような狭いバンドギャップ材料を必要とし、またそのような材料をシリコン集積回路中に組み込むことにより問題を起こすので、赤外線スペクトル（例えば、１〜２０  Ｔｍ波長）の検出においてボロメータは有益である。
【００１３】
放射感知素子に接続された検出器回路は好ましくは同一シリコン基板３０２上に集積されるが、明瞭化のため図６，図７中には示さない。同様に、他の実施例の支持回路も明示しない。
【００１４】
レンズ系が検出されるべき景色からの放射を検出器２００の配列上に収束し、そして各検出器２００が以下のように（同期して）動作する。放射は定常的にホトコンダクタ２０２，２０４を照射し、したがって、特にボロメータで置き換えられるホトコンダクタ２０２，２０４を備えた実施例に対して、周波数に対する上限を与える景色設定時間がない。しかしながら、制御およびタイミング２３０は、＋１ボルトの一定バイアスを接点３１２に、そして＋１ボルトと−１ボルト間のバイアス切り換えを接点３１４に加える。図８のタイミング図参照。共通接点３１０は、見掛け上接地された演算増幅器（オペアンプ）２１０の反転入力に接続される。したがって、＋１ボルトのバイアスが接点３１４に加わると、ホトコンダクタ２０２，２０４は共に同一の印加電圧を有し、そしてホトコンダクタを介する電流が加わりそしてフィードバック抵抗２１２を介してオペアンプ２１０の出力に通過し、オペアンプはこのようにして−２ＶＲ212 ／ＲPHとなる。ここで、ＲPHはホトコンダクタ２０２，２０４の共通抵抗を示す。逆に、−１ボルトのバイアスが接点３１４に加わると、ホトコンダクタ２０２，２０４は同一の大きさであるが反対極性の印加電圧を有する。このようにして、２つのホトコンダクタからの電流がオペアンプ２１０の反転入力で消去され、そしてフィードバック抵抗２１２には電流が流れず、オペアンプ出力は０であるＶ0 である。
【００１５】
相関二重サンプラー２２０はオペアンプ２１０の出力をとり、そして連続するバイアス極性切り換え間隔の間に同一の極性出力から反対の極性出力を差し引く。その結果は、景色からは独立したｄｃオフセットと、入射景色の放射に比例したａｃ信号である。この電子的バイアス切り換えおよび相関二重サンプリングは、機械的チョッピングおよび相関二重サンプリングのように低周波ノイズを大いに減衰させる。このように、オペアンプ２１０の出力は、チョッピング周波数に相当するバイアス極性切り換え周波数を有するチョッピング入力を備えた図１の増幅器の出力に匹敵する。すなわち、このバイアス切り換えは電子的チョッピングを達成する。
【００１６】
図５は、クランプスイッチ２２４を備えたオペアンプ２２２と入力スイッチ２２６と容量２２８とを含んだ相関二重サンプラー２２０を示している。スイッチ２２４，２２６はＭＯＳＦＥＴトランジスタでよい。制御−タイミングブロック２３０は、バイアス極性切り換えおよび相関二重サンプラー２２０によるサンプリングおよびクランピングのためのタイミング信号を提供するためにリング発振器を使用してもよい。相関二重サンプラー２２０の出力はバイアス切り換え周波数の半分であり、そして抵抗２０２，２０４を通るバイアス電流に起因するｄｃオフセットと、変動する入力放射に起因する変動信号の合計を表すアナログ値である。特に、相関二重サンプラーは以下のように動作する。まず、ホトコンダクタ２０２，２０４が反対の極性バイアスを有する期間に、スイッチ２２４，２２６が閉ざされ、これにより容量２２８をＶ0 に充電し、またオペアンプの出力をゼロにする。つぎに、ホトコンダクタ２０２，２０４が同一の極性バイアスを有する期間に、スイッチ２２６が閉ざされ、これにより容量への入力を２ＶＲ212 ／ＲPHに変更し、そしてこれによってオペアンプ２２２の反転入力への入力値を２ＶＲ212 ／ＲPH−Ｖ0 に変え、そしてオペアンプ出力をＡ（２ＶＲ212 ／ＲPH−Ｖ0 ）に変える。ここで、Ａは増幅率である。
【００１７】
ホトコンダクタ２１４を流れる電流は大きさを変えず、極性のみ変えるので、景色設定時間は必要ではなく、チョッピング周波数はこの構造の容量によってのみ制限される。
【００１８】
検出器２００は抵抗２０２，２０４に対して等しい抵抗等しい光学的応答性および等しい大きさのバイアス電圧を使用している。しかしながら、バイアス極性の切り換えはまた、これらの仮定を緩めたとしてもノイズを抑制する。抵抗、光学的応答性またはバイアスの大きさにおける品質不良は検出器の正味の応答性およびオフセット基準を損ねるが、ノイズ性能を変えない。
検出器２００は同じ解決法でホトコンダクタに代えてボロメータ素子を使用できる。
【００１９】
４コンポーネント絵素の好適実施例
検出器２００はオペアンプ２１０の出力にバイアス電流によるｄｃオフセットを有する。図９はｄｃオフセットを避けている４コンポーネント抵抗要素の好適実施例の検出器５００を概略的に示す。特に、検出器５００は、入力放射を受けているホトコンダクタ５０２，５０４と入力から遮蔽されたホトコンダクタ５０６，５０８を含み、またフィードバック抵抗５１２を備えたオペアンプ５１０、相関二重サンプラー５２０および制御−タイミング５３０を含んでいる。繰り返すが、検出器５００は映像装置中の絵素配列の１つの絵素すなわち単一検出器であっても良く、ホトコンダクタはボロメータと置き換わっても良い。
【００２０】
ホトコンダクタ５０２〜５０４は非晶質シリコン６０６の単一抵抗膜の２つの部分として形成されても良く、そしてホトコンダクタ５０６〜５０８は、図１０の平面図および図１１の縦断面図に示すように入力赤外線放射から遮断されるように膜６０６の下部に位置する非晶質シリコン６０７のもう１つの単一抵抗膜の２つの部分として形成されても良い。金属接点６１０は、膜６０６の端部上で金属接点６１０に平行な金属接点６１２，６１４を備えた２つの等しい部分に膜６０６を分割する。金属接点はアルミニウム製である。接点６１０，６１２とそれらの間の膜６０６の部分はホトコンダクタ５０２を形成し、そして接点６１０，６１４とそれらの間の膜６０６の部分はホトコンダクタ５０４を形成する。同様に、接点６１１は膜６０７を２つの等しい部分に分割し、そしてホトコンダクタ５０６は接点６１１と接点６１３との間の膜を含み、ホトコンダクタ５０８は接点６１１と接点６１５との間の膜を含む。膜６０６，６０７はそれぞれ５０（ｌｍ）ｘ５０（ｌｍ）で２００（ｎｍ）厚であり、膜６０７はシリコン基板６０２上の酸化物層６０５上にある。また膜６０６は、入力放射を遮断しそしてアルミナで形成された絶縁層６０４上に存在する。各ホトコンダクタ５０２〜５０８の抵抗は等しく、暗状態でほぼ２０メガオームである。
【００２１】
図１２は４つのホトコンダクタに加わるバイアス電圧（図９および図１２の
Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 およびＶ4 ）を示す。入力放射を受けるホトコンダクタ５０２，５０４は検出器２００のホトコンダクタ２０２，２０４と類似の相対的バイアス切り換えを有する。すなわち、ホトコンダクタ５０２に対し「チョッピング」周波数にて＋１ボルトと−１ボルトとの間で切り換わり、ホトコンダクタ５０４に対しては一定の−１ボルトである。遮蔽されたホトコンダクタ５０６，５０８はまた、ホトコンダクタ５０２，５０４と同期した相対的バイアス極性切り換えを有する。すなわち、ホトコンダクタ５０８のバイアスが＋１ボルトと−１ボルトとの間で切り換わり、ホトコンダクタ５０６のバイアスが一定の＋１ボルトに保持される。
【００２２】
検出器５００は検出器２００と同様に動作する。即ち、まず、ホトコンダクタ５０２のバイアスが＋１ボルト（これはホトコンダクタ５０４のバイアスと反対の極性を有する）であり、そしてホトコンダクタ５０８のバイアスが−１ボルト（これはホトコンダクタ５０６のバイアスと反対の極性を有する）である場合を考える。その時、入力放射を受ける２つのホトコンダクタ５０２，５０４中の電流は同一の大きさであるが反対の極性を有し、フィードバック抵抗５１２には０電流として働く。同様に、２つの遮蔽されたホトコンダクタ５０６，５０８中の電流はまた同一の大きさであるが反対の極性を有し、フィードバック抵抗５１２には０電流として働く。結果として、オペアンプ５２０の出力は０である。
【００２３】
次に、同一極性バイアスの場合について考える。ホトコンダクタ５０２，５０４は同一極性バイアス（−１ボルト）を有し、電流値−２Ｖ／Ｒ502-504 をフィードバック抵抗５１２に与える。そしてホトコンダクタ５０６，５０８は同一極性バイアス（＋１ボルト）を有し、電流値２Ｖ／Ｒ506-508 を与え、ここにおいてＲ502-504 は各ホトコンダクタ５０２，５０４の抵抗であり、そしてＲ506-508 は各遮断されたホトコンダクタ５０６，５０８の抵抗である。ここで、ホトコンダクタ５０２，５０４に入力放射が当たらないとすると、それらは遮断されたホトコンダクタ５０６，５０８と同一の抵抗を有し、それ故Ｒ502-504 はＲ506-508 と等しくなり、フィードバック抵抗５１２への電流は０である。しかしながら、入力放射がホトコンダクタ５０２，５０４に当たると、Ｒ502-504 はＲ506-508 よりも小さくなり、４つのホトコンダクタは入力放射密度に比例した正味負の電流がフィードバック抵抗５１２に与えられる。実際、Ｒが暗状態のホトコンダクタの共通抵抗を示すとして、またＩが入力放射による抵抗の（小さい）微小な減少とすると、フィードバック抵抗を流れる電流は２ＶＩ／Ｒであり、そしてその出力は入力放射に比例する。
【００２４】
４つのホトコンダクタが、不適合、正および負のバイアスが合わない、または素子がそれぞれ異なる光学的応答性を有することに起因して、同一の暗抵抗を持たないとき、検出器５００はなお機械的なチョッピングに匹敵する同一の低周波数ノイズ抑制を得ることができる。図１３〜図１５は実験結果を示す。図１３は、全てのホトコンダクタに１ボルトの定常バイアスを加え、オクターブ当たり３ｄＢの３００Ｈｚバンド幅のローパスフィルターでフィルターし、また相関二重サンプリングを行わない場合の、検出器５００から得られたノイズスペクトルを示す。過渡１／ｆ低周波数ノイズが約１００Ｈｚの周波数ニーで現れる。図１４は、全てのホトコンダクタに１ボルトの定常バイアスを加え、オクターブ当たり３ｄＢの３００Ｈｚバンド幅のローパスフィルターでフィルターし、相関二重サンプリングを行った後におけるノイズスペクトルを示す。このように、これはジョンソンノイズに起因する最小ノイズであり、もし景色が機械的にチョップされていたならば得られていたであろう。最後に、図１５は記載したように電子的チョッピング（２つのホトコンダクタについての−１ボルトと＋１ボルトとの間のバイアス切り換え）によるノイズスペクトルを示す。図１５および図１４は実質的に等しく、これは、電子的チョッピングに必要なもう１つのバイアス切り換えが検出器の過渡またはジョンソンノイズ成分に悪影響しないことを示す。これは、バイアスが切り換えられるが、大きさは変えられず、出力は変化しないことを示す。
【００２５】
他の２コンポーネント絵素の好適実施例
図１６，図１７は全体的に参照符号９００で示す他の２コンポーネント抵抗素子の好適実施例の放射検出器を概略的に示す。検出器９００は、入力放射を受けるホトコンダクタ９０２、入力放射から遮断されたホトコンダクタ９０４、フィードバック抵抗９１２を備えたオペアンプ９１０、相関二重サンプラー９２０、およびタイミング−バイアス制御９３０を含む。ホトコンダクタ９０２，９０４は、図１８の平面図および図１９の縦断面図に示すように、非晶質シリコンの２つの電気的に隔離された抵抗膜１００６，１０１２から形成される。金属接点１０１４，１０１６はホトコンダクタ９０２に対する電気的接点を提供し、そして金属接点１０１８，１０２０はホトコンダクタ９０４の電気的接点を提供する。膜１００６，１０１２はそれぞれ５０（ｌｍ）ｘ５０（ｌｍ）で５００（ｎｍ）厚であり、膜１００６はシリコン基板１００２上の酸化物層１００４上に設けられている。また、膜１０１２は、この膜１０１２を透過する全ての景色放射を遮断するアルミナ絶縁層１０１０上に位置する。アルミナ膜１０１０は他の絶縁酸化物層１００８上に位置する。各ホトコンダクタ９０２，９０４の暗状態抵抗は約５０メガオームである。また、ホトコンダクタに代えてボロメータも使用できる。
【００２６】
図２０は、２つのホトコンダクタ９０２，９０４に加わるバイアス電圧Ｖ1 、Ｖ2 を示す。両ホトコンダクタは、検出器２００のホトコンダクタ２０２，２０４に類似の同一『チョッピング』周波数における＋Ｖと−Ｖとの間の相対的バイアス極性切り換えを有するがこの２つのバイアスは１８０度の位相差を有する。
【００２７】
検出器９００は次のように動作する。まず、ホトコンダクタ９０２のバイアスが＋Ｖボルトであり、そしてホトコンダクタ９０４のバイアスが−Ｖボルトの場合を考える。この形体は電流Ｖ／Ｒ902 −Ｖ／Ｒ904 をフィードバック素子９１２に与え、ここでＲ902 およびＲ904 はホトコンダクタ９０２，９０４それぞれの抵抗である。また、ホトコンダクタ９０２上に入力放射がない場合、Ｒ902 はＲ904 に等しく、フィードバック抵抗９１２の電流は０である。しかしながら、ホトコンダクタ９０２に放射が照射されると、Ｒ902 の抵抗は減少し、正味の正の電流がフィードバック要素９１２を介して流れる。その電流は入力放射強度に比例する。実際、もしＲが暗状態のホトコンダクタの共通抵抗を示し、Ｉが景色放射による（小さい）微小な抵抗の減少であるとすると、フィードバック抵抗を流れる電流はＩＶ／Ｒであり、そしてオペアンプ出力は比例的である（フィードバック抵抗とＲの比）。
【００２８】
次に、ホトコンダクタ９０２のバイアスが−Ｖボルトであり、そしてホトコンダクタ９０４のバイアスが＋Ｖボルトの場合を考える。この形体は電流Ｖ／Ｒ904 −Ｖ／Ｒ902 をフィードバック要素９１２に与える。また、ホトコンダクタ９０２上に入力放射がない場合、フィードバック要素の電流は０に等しく、そしてオペアンプの出力は０である。逆に、ホトコンダクタ９０２に放射があると、フィードバック抵抗電流は−ＩＶ／Ｒに等しく、そしてオペアンプ出力は比例的である。
【００２９】
相関二重サンプラー９２０はオペアンプ９１０の出力を受け、１つのバイアス形体間の出力を他のバイアス形体間の出力から差し引く。このようにして、相関二重サンプラー９２０は２ＩＶ／Ｒに比例する結果を出力し、そして機械的チョッピングと類似の方法で低周波数ノイズを大いに減衰させる。
【００３０】
Ａ／Ｃ結合の好適実施例
図２１は、容量１２０２を介して増幅器１２０４にそして制御器１２０８を備えた相関二重サンプラー１２０６に結合されたホトコンダクタ（またはボロメータ）９０２，９０４を有する検出器９００の変更例を示す。この容量結合は図１０のフィードバック抵抗間のＤＣオフセットを除外し、増幅器１２０４の利得を高くできる。図２０は再度、ホトコンダクタ９０２，９０４それぞれに加えられるバイアス電圧Ｖ1 、Ｖ2 が同時に正および負間で切り換わり（約１ＫＨｚのチョッピング周波数で）、そして逆極性を有することを示している。バイアス電圧Ｖ1 とバイアス電圧Ｖ2 間のホトコンダクタ９０２，９０４の抵抗Ｒ902 ，Ｒ904 と容量１２０２の並列組み合わせにより、容量１２０２の入力側に（Ｖ1 −Ｖ2 ）Ｒ904 ／（Ｒ902 ＋Ｒ904 ）−Ｖ2 の電圧を発生させる。もしＲが暗状態のホトコンダクタ９０２，９０４の共通抵抗を示し、そしてもしＩが景色の放射によるＲ902 の微小減少とすると、容量１２０２の電圧の大きさは±ＩＶ／（２＋Ｉ）に等しい。ここで、ＶはＶ1 、Ｖ2 の大きさである。ホトコンダクタ９０２のバイアスが＋Ｖであり、ホトコンダクタ９０４のバイアスが−Ｖである時、容量１２０２の電圧は＋ＩＶ／（２＋Ｉ）に等しく、またバイアス極性が逆の時は、容量１２０２の極性はまた−ＩＶ／（２＋Ｉ）に逆転する。このように、ホトコンダクタ９０２に景色の放射が当たると、容量１２０２の電圧が正および負間でトグルし、そして相関二重サンプラー１２０６が２ＩＶ／（２＋Ｉ）を出力する（増幅器１２０４による増幅率を１と仮定する）。繰り返すが、バイアス切り換えにより、電子的チョッピングと低周波ノイズの低減が得られる。先に説明した実施例と同様に、暗抵抗またはバイアスの大きさの不適合によって、検出器およびオフセットペデスタルの正味応答性に悪影響するが、電子的チョッピングによって与えられるノイズ減少は影響を受けない。
【００３１】
能動フィードバックの好適実施例
図２２は、整合したボロメータ（またはホトコンダクタ）１３０２，１３０４、オペアンプ１３０８、温度非感知抵抗１３１２，１３１４、オペアンプ１３１８、温度非感知抵抗１３２２，１３２４，１３２６、オペアンプ１３２８および相関二重サンプラー１３３０を有する検出器１３００を示している。入力バイアスは電子的チョッピング周波数にて＋Ｖと−Ｖとの間で切り換わる。
【００３２】
ボロメータ抵抗１３０２は入力放射を受け（または熱的に近接した放射吸収器を有し）、そして加熱され、一方、ボロメータ抵抗１３０４は放射が遮断されている。ボロメータ抵抗１３０２，１３０４は集積回路基板上で隣接して配置されており、それらは抵抗１３２０が放射加熱されることを除けば同一の熱的入力および環境におかれている。したがって、放射が入ることにより、オペアンプ１３０８の出力電圧は約−Ｖ（１＋Ｉ−Ｔ）Ｒ1302／Ｒ1304であり、ここでＩは温度℃当たりの抵抗率の微小増加であり、−Ｔは入射放射による温度の増加、Ｒ1302およびＲ1304は加熱しない抵抗１３０２，１３０４の抵抗値である。抵抗１３０２，１３０４の非放射加熱または冷却により、両抵抗について同一の増加または減少因子を得ることができ、そしてこれは消去できることを理解されたい。
【００３３】
オペアンプ１３１８の出力は、Ｒ1312およびＲ1314を抵抗１３１２および抵抗１３１４の抵抗値として、±Ｖ（１＋Ｒ1312／Ｒ1314）に等しい。オペアンプ１３２８はオペアンプ１３０８およびオペアンプ１３１８の出力を合算して、相関二重サンプラー１３３０に供給し、特にオペアンプ１３２８の出力は
【数１】
0003859274.tif 000002
ここで、下付き文字は参照符号と同一のものを示す。抵抗１３１４，１３１２，１３２２，１３２４の１つ（またはそれ以上）は可変または取り除けるし、この式の右側第２項を消すように調整でき、これは抵抗１３２２を通過する電流が抵抗１３２４を通過する電流と等しいことを意味する。例えば、以下のように設定された抵抗値を有する抵抗１３２４により、
【数２】
Ｒ1324＝（Ｒ1314＋Ｒ1312）Ｒ1304Ｒ1322／Ｒ1302Ｒ1314
オペアンプ１３２８の出力は
【数３】
Ｖ1328＝±Ｖ（Ｒ1326／Ｒ1322）（Ｒ1302／Ｒ1304）Ｉ−Ｔ
そして相関二重サンプラー１３３０は、正のバイアス出力から負のバイアス出力を差し引いて、
【数４】
２Ｖ（Ｒ1326／Ｒ1322）（Ｒ1302／Ｒ1304）Ｉ−Ｔ
を得る。
【００３４】
勿論、ボロメータ要素１３０４は入力放射を受けることができ、そしてボロメータ要素１３０２は遮断される要素であってよい。また、オペアンプ１３０８はボロメータ要素１３０２〜１３０４と共に相関二重サンプラー１３３０を直接駆動するために使用できる。
【００３５】
検出器配列の好適実施例
図２３，図２４は平面図および縦断面図により好適実施例のガスセンサー１４００を示している。特に、ガスセンサー１４００は、チャンバー１４０２、赤外線放射源１４０４、４つの狭いバンドパスの放射フィルター１４１１〜１４１４および４つの放射検出器１４２１〜１４２４を含んでいる。検出器１４２１は、水素処理非晶質シリコンから成り検出器９００と類似の構造を有しまた光学的フィルター１４１１の近傍に配置されたホトコンダクタまたはボロメータを使用する単一絵素検出器である。同様に、他の検出器の各々は対応するフィルターの近傍に配置される。チャンバー１４０２は、外部の光が検出器１４２１〜１４２４に当たることを防ぎ、ガスが矢印で示すように流れることによりチャンバー１４０２の内容物が雰囲気ガス成分を反射するように、穴を有している。赤外線放射源１４０４は単に低いワット数の光源でよい。フィルター１４１１〜１４１４は、約０. ２  ｌｍのバンド幅の多層干渉バンドパスフィルターである。ボロメータ用として使用する水素処理非晶質シリコンの抵抗値は、室温において１℃あたり約３％減少する。
【００３６】
ガスセンサー１４００は３つのガスの存在を検出する。それは二酸化炭素、水および以下のような揮発性有機物（ＶＯＣ）である。フィルター１４１１は中心波長４. ２６  ｌｍのパスバンドを有し、これは二酸化炭素の吸収帯に対応する。フィルター１４１２は中心波長２. ７  ｌｍのパスバンドを有し、これは水の吸収帯に対応する。フィルター１４１３は中心波長３. ２  ｌｍのパスバンドを有し、これはＣ−Ｈストレッチ結合に対応するので、種々の有機物がこのあたりの波長を吸収する。最後に、フィルター１４１４は中心波長３. ６  ｌｍのパスバンドを有し、これは代表的な雰囲気ガスによる吸収域からは離れている。赤外線放射源１４０４は広帯域の赤外線放射を発生し、検出器１４２１はチャンバー１４０２およびフィルター１４１１内のガスを通過する放射を受光する。このように二酸化炭素濃度がチャンバー１４０２内で変化すると、検出器１４２１で受光した放射は変化し、そして先の説明のとおり検出される。フィルター１４１１はチャンバー１４０２内の他のガスの変動が検出器１４２１により受光された放射に対し影響しないようにする。
【００３７】
同様に、検出器１４２２はチャンバー１４０２内の水蒸気濃度の変化を検出し、そして検出器１４２３はＶＯＣ濃度内の変化を検出する。例えば、源１４０４の照射の変動のようなチャンバー１４０２内のガス濃度変化に起因しない変動は検出器１４２４により検出されるので、検出器１４２４は検出器１４２１〜１４２３用の校正を行う。この情報は検出器１４２１〜１４２３の出力補償に使用される。
【００３８】
センサー１４００の要素の好適実施例の詳細が以下の部分に説明され、これはフィルター１４１１〜１４１４を備えた検出器１４２１〜１４２４の単一パッケージを含んでいる。
【００３９】
カンタル（Kanthal ）赤外線放射源の好適実施例
センサー１４００の第１の好適実施例の赤外線放射源１４０４は、広い範囲を照射するようにコイル状に巻かれ、そして収束反射装置に置かれたカンタルＡｌ合金（７２％鉄、２２％クロム、５. ５％アルミニウムおよび０. ５％コバルト）のフィラメント線を有している。線は０. １ｍｍの直径であり、約２. ５ｍｍの直径で約４ｍｍ長の円筒コイル状に巻かれている。カンタル合金線は、さらなる酸化を防ぐ自然酸化物形として空気中で熱せられる。カンタル合金の抵抗率は殆ど温度に関係なく、したがって動作温度は印加電圧にのみ依存する。カンタル合金はまた、タングステンを越える０. ７の放射度を有し、したがってそれは一層有効な赤外線源である。
【００４０】
図２５は、回転楕円収束反射器１５０４の焦点の所に位置し、そして解析されるガスが熱コイル１５０２に接触することを防ぐ赤外線窓１５０６で覆われたカンタル合金のコイル１５０２を示している。反射器１５０４および窓１５０６の開口は直径２５ｍｍで、空気流通のためそれらの間に２ｍｍの隙間を備えている。反射器は４０ｍｍの広がりを有し、赤外線光の大部分を１００ｍｍ離れた所の約１０ｍｍ直径の範囲に収束し、そしてその領域に渡り最大３％の光束変化である。コイル１５０２を備えた反射器１５０４は検出器１４２１〜１４２４に対し均一な照射を提供し、固定的なパターン問題につながる検出器上のコイル１５０２映像を避けることができる。パラボラ反射器の焦点に位置するコイル１５０２からの光束は分散し、そして検出器にはわずかな赤外線しか到達しない。勿論、検出器に渡り均一な光束を作りそして光を分散しなければ、他の収束反射器形状もまた使用できる。
【００４１】
コイル１５０２は約５００〜９０００Ｋ（大体２５０〜６０００Ｃ）の範囲で動作する。窓１５０６はゲルマニウムまたはセレン化亜鉛または他の赤外線透過材料から形成され、また反射器１５０２は任意の赤外線反射器から作られる。温度が高ければ、大体ＭＴ4 にしたがって赤外線放射は大きくなり、電圧の選択により検出器１４１１〜１４２２の感度を調整する。
【００４２】
カンタル合金は単に他の支持構造上の表面にのみあってもよく、またニクロム（ニッケルとクローム）のような他の空気酸化制限合金が使用できる。
【００４３】
正の温度係数のセラミックＩＲ源
センサー１４００の第２の好適実施例の赤外線放射源１４０４は、図２６に示すように、金属皮膜１６１１，１６１２を備えた回転セラミックディスク１６０２のパラボラを含む。ディスク１６０２は正の温度係数のセラミック（ＰＴＣセラミック）から形成される。これらのセラミックは、セラミックの成分を調整することによって５００〜６００Ｋの範囲内で選択された固定温度において固有抵抗の重要な非線形的な増加を示す。図２７は温度の関数としての固有抵抗を示す。金属皮膜１６１１と金属皮膜１６１２との間に加わる電圧によりセラミックを介して導電が起こり、そしてディスク１６０２全体を均一にこの固定温度を越えるまで抵抗過熱し、この時、固有抵抗の増加が効果的にさらなる温度上昇を制限して広い範囲に渡って冷却効果を得る。この固定温度においてバイアスされたディスク１６０２は、このように比較的制御容易な安定な赤外線源を提供する。
【００４４】
赤外線源により解決される１つの問題は、この源が発生する赤外線エネルギーの量である。１つの標準的解決方法は、多くのエネルギーを小さいフィラメントに送り込み、そしてフィラメントを極度に熱くさせ、それによって適当な放射量を発することである。同一の効果が、より低い温度で放射させるための大きい表面範囲の使用により達成される。黒体曲線が一層ＩＲ側に移り、この源がＩＲにおいて一層効果的である。源内のさらに多くのパワーが化学的感知用の適性波長で放射される。
【００４５】
図２６の断面図に示すパラボラ形状は反射により内表面１６１１からの発光について或る指向性、すなわち矢印ＩＲで示す全般的な指向性を与えるが、ディスク１６０２の形は発光表面を増加するために変更できる。パラボラの開口は直径１５ｍｍ、赤外線透過窓１６０６との間隔２ｍｍにより空気の流れを確保し、またサンプルガスを隔離する。第２の可能性はパラボラ反射器内に平坦な源を使用することである。これにより、普通に製造されているピル形を使用でき、さらに反射器の増幅効果も有するが、しかしながら、この源の表面は総合反射器形ＰＴＣ源の表面よりも小さい。最後に、球状内面発光表面１６１１は、ユーゲン（Huygens ）波面構成によって示される球体中心に向かう或る指向性を提供する。
【００４６】
解決すべき他の課題は所望の範囲のＩＲ放射源の表面を最適化することである。この源の好適実施例は、放射率を向上させるために暗い金属、金属酸化物または黒ニス等の類似の被覆でコーティングすることである。
【００４７】
そのような装置の熱容量はその源のパルス発生を非常に困難にしている。このタイプの源は電子的チョッピングまたは機械的チョッパーを備えたボロメータと共に使用するのが最適である。
【００４８】
傾斜脚形ボロメータの好適実施例
図６，図７，図１０，図１１，図１８および図１９のホトコンダクタピクセルは下部基板上に直接存在し、基板から殆ど熱的絶縁がされてない。図２８〜図３１は熱的絶縁のために基板上にボロメータを懸垂する好適実施例のボロメータ構造１７００の平面図、断面図および斜視図を示す。特に、赤外線吸収器１７０２は、下部の基板１７１０に平行な熱的絶縁支持アーム１７０６，１７０７を形成するように延在している非晶質シリコン温度依存性抵抗１７０４に、熱的に結合している。また、支持アーム１７０６，１７０７は、傾斜脚１７１２，１７１３状に下方に延びてアルミニウムパッド１７１４，１７１５に接触する。ボロメータ１７００は約５０（ｌｍ）ｘ５０（ｌｍ）の外寸を有し、そして支持アーム１７０６，１７０７は基板１７１０より約２（ｌｍ）上部に吸収器１７０２および抵抗１７０４を懸垂している。傾斜脚１７１２，１７１３は、図３１の斜視図に示すおおよそ４（ｌｍ）の長い窪み状の三角くさび形を有する。１００〜２００ｎｍ厚の単一非晶質シリコン層で約１５０〜２００オームｃｍの抵抗率を有するようにリンまたはボロンをドープしまたシリコン窒化物（『窒化物』）コーティングを備えることにより抵抗１７０４とアーム１７０６，１７０７と傾斜脚１７１２，１７１３とを形成する。図２９は図２８のｂ−ｂ線断面を示し、図３１の斜視図と共に傾斜脚１７１２を示している。傾斜脚１７１２，１７１３はパッド１７１４，１７１５に対し強い機械的取り付け強度を有する。図３０は図２８のｃ−ｃ線断面であり、支持アーム１７０６，１７０７および抵抗１７０４上の吸収器１７０２を示す。
【００４９】
傾斜脚構造は、フィルム応力からのまたはマイクロマシーンすなわちマイクロメカニカル装置中の純機械的構造からの大きな横方向の力に耐えることのできる機械的支持として一般的に使用できる。
【００５０】
好適実施例１７００は以下のように動作する。吸収器１７０２が入射赤外線放射（一般的に基板１７１０に直角）を吸収し、したがって加熱される。これは抵抗１７０４を加熱し、抵抗を減少させる。したがって、パッド１７１４とパッド１７１５との間の電圧が大電流を作り、先に説明したサンプリング回路が電流の増加を検出する。同様に、入射する放射が減少すると、吸収器１７０２は冷え、抵抗が増加し、電流が減少し、サンプリング回路がその減少を検出する。
【００５１】
吸収器１７０２および抵抗１７０４は薄膜構造を有し、したがって単位入射放射範囲当たり熱容量が小さい。これにより高感度（放射の入射ワット当たりの温度増加）を与える。支持アーム１７０６，１７０７はそれぞれ約２〜３（ｌｍ）の幅と約４０（ｌｍ）の長さを有し、吸収器１７０２および抵抗１７０４構造の熱的絶縁を提供する。真空中で動作するとき、吸収器１７０２および抵抗１７０４は、支持アームに沿った熱的状態により、主に吸収器から基板に対し熱を失う。もし所望であるならば、抵抗１７０４を引き伸ばすことにより、支持アーム１７０６，１７０７をさらに長くすることができる（熱抵抗を増加させるために）。吸収器１７０２は３層構造を有する、すなわち抵抗１７０４下部の５０ｎｍ厚のシリコン窒化物層、この窒化物下部の１４ｎｍ厚のチタン層およびチタン層下部の２５ｎｍ厚の窒化物の底部層である。チタンは赤外線を吸収し、窒化物は抵抗１７０４からの電気的絶縁と不活性化を提供する。
【００５２】
支持アーム１７０６，１７０７の電気的抵抗の最小化ために、アルミニウム、ニッケル、チタンまたは他の適当な金属製の薄い（１０〜２０ｎｍ厚）金属ストリップ（２  ｌｍ幅）が支持アーム１７０６上に非晶質シリコン−窒化物傾斜脚１７１２に沿って、そして抵抗１７０４の一側面に沿って配設され、抵抗１７０４に対する低抵抗通路を提供する。図２９および図３０参照。同様の金属ストリップがパッド１７１５から傾斜脚１７１３上を支持アーム１７０７に沿って、そして抵抗１７０４の反対側に沿って配設され、これらの金属ストリップがまた支持アーム１７０６，１７０７の熱伝導源を意味している。図３２は、図２８のものより以上に熱的絶縁を行う吸収器１８０２を備えるように、支持アーム１８０６，１８０７上で抵抗１８０４の２つの側面に沿って延びかつ傾斜脚１８１２，１８１３によりパッドに接合する金属ストリップ１８２０，１８２１を備えたボロメータの平面図を示す。薄い金属層は階段部を十分被覆しないので、パッド１７１４，１７１５から傾斜脚の上端部までをそして支持アーム金属１８２０，１８２１の端部外までの傾斜脚を被覆するために、厚い金属リンク（アルミニウム製）が形成されてもよい。例えば、図４７の金属タブ２２０７を参照。
【００５３】
低応力の作り方の好適実施例
図３３〜図３６はボロメータ１７００の傾斜脚の作り方の好適実施例の工程を示している。特に、基板１７１０上における、アルミニウム接触パッド１７１４，１７１５および相関二重サンプラー回路のような任意の所望の回路から開始する。パッド１７１４，１７１５は介在体を介してそのような回路に横方向または垂直方向に接続される。次に、基板１９００およびアルミニウムパッド１９０５および他の露出回路上で犠牲ポリイミドの２（ｌｍ）厚の層１９１０をスピンオンする。ポリイミドの厚みは基板上の懸垂ボロメータの所望の間隔に等しい。次に、２５（ｎｍ）の窒化物層および１４（ｎｍ）のチタン吸収器層を付着させる。つぎに、写真印刷とエッチングによりチタンおよび窒化物をパターン化しポリイミド１９１０上に吸収器１７０２を形成する。次に、図３３，図３４に示すように、ホトレジスト１９２０をクサビ付き円形状介在体１９２５によりスピンオンおよびパターン化する。これらの介在体は吸収器１７０２の角部に位置する。ポリイミド１９１０およびホトレジスト１９２０を低圧酸素反応イオンエッチング装置中で同時にエッチングする。ポリイミド表面が侵食され、ホトレジストのくさび点がまた側面エッチされ、短くそして狭くなり、徐々にポリイミドのくさび点の上面を一層露出させる、図３５参照。下部のアルミニウムパッド１９０５が露出するまでポリイミドをエッチングする。最終的に、傾斜壁を有するクサビ点を得る。これを介して、化学的蒸着またはスパッターまたは蒸発材料による被覆が容易にできる。単一介在体を示す図３６の斜視図および吸収器１７０２に対する介在体の相対位置を示す図３７の平面図を参照。
【００５４】
次に、５０（ｎｍ）の第２の窒化物層（チタンを電気的に絶縁する）を付着させ、１００〜２００（ｎｍ）の非晶質シリコン層をＰＦ5 またはＢＣｌ3 の適所ドーピングを用いたプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により形成し、次に２０（ｎｍ）の窒化物層を形成する。この３層の組みが傾斜脚、支持アームおよび温度依存抵抗を形成する。窒化物、チタン、窒化物、ポリシリコンおよび上端窒化物不活性化層の積層体が最少の差分応力となるように緩和され、吸収器１７０２と抵抗１７０４の構造が層間の異なる応力によって曲がってしまわないように制御される。実際、窒化物のプラズマ強化蒸着状態は２ｘ１０9dynes/cm2の圧縮応力から５ｘ１０9dynes/cm2の引張応力の範囲を作り出すように調整される。このように、底部層に低い応力の（例えば、１ｘ１０9dynes/cm2以下の）窒化物を使用し、次に典型的には非常に薄いが引き伸ばせるチタンをスパッターし、低応力の中間の窒化物を再度付着し、非晶質シリコンを付着し、最後に低応力でかつポリイミドを除外した後の層の積層体の平坦度を確保するに必要な厚みを有する上端窒化物を付着する。さらに、窒化物の全被覆は、抵抗の長期安定化のための化学的侵食および湿度侵食を防止する。
【００５５】
ホトレジストをスピンオンし、それをパターン化して温度変動抵抗、支持アームおよび傾斜脚を画定し、そして非晶質シリコンと窒化物をエッチマスクであるパターン化ホトレジストにて異方性エッチングし、抵抗、支持アームおよび傾斜脚を形成する。これにより、パッド１７１４，１７１５の部分が残る。図３８参照。
【００５６】
ホトレジストをスピンオンし、そしてそれをパターン化して、支持アームに沿いかつ傾斜脚からアルミニウムパッド１７１４，１７１５に延びた薄い金属の電気的導電体を画定する。次に１０〜２０ｎｍ厚のアルミニウム、ＮｉまたはＴｉのような金属層を付着し、ホトレジストをリフトオフして金属導体を形成する。次に、ホトレジストをスピンオンし、そして写真印刷によりそれをパターン化し、アルミニウムパッド１７１４，１７１５を傾斜脚の上端に接続する金属リンクを画定し、つぎに１０００ｎｍのアルミニウムを付着し、ホトレジストをリフトオフしてリンクを形成する。最後に、酸素プラズマにてポリイミドを除外して、基板上に懸垂した完成したボロメータ検出器を残す。
【００５７】
スーパー絵素ボロメータ配列の好適実施例
図３９は、各ボロメータがボロメータ１８００と類似し、そして金属母線２０５１〜２０５５に接続されたパッドに接続されている傾斜脚を有し、基板上に懸垂したおおよそ４角形のボロメータ２０１１〜２０４４の４ｘ４配列の好適実施例を示す平面図である。各ボロメータは約３５（ｌｍ）ｘ３５（ｌｍ）の吸収器面積で、全面積（金属母線２０５１〜２０５５を含む）５０（ｌｍ）ｘ６３（ｌｍ）を有している。金属母線２０５１〜２０５５は全てのボロメータ２０１１〜２０４４に並列に接続され（線２０５１，２０５３，２０５５が１つの検出器接続を形成し、線２０５２，２０５４が他の検出器接続を形成している）、大面積の単一検出器（スーパー絵素）を形成しているが、付随する機械的問題を有する単一の大きい懸垂範囲は備えていない。実際、もし１つ以上のボロメータ２０１１〜２０４４が例えば支持アームの破壊によって故障すると、残りの１５個のボロメータがなお機能し、十分な検出器性能を提供する。さらに、Ｎ個のより小さいボロメータの並列配置により、単一ボロメータに対しＯＮの係数で信号対雑音比の改善がはかれる。
【００５８】
特に、入力放射が低い変調周波数（チョッピング）においては、単一ボロメータの感度は支持アームの熱抵抗と放射吸収範囲との直接関数である。変調周波数ｆc に対し、ボロメータの感度はｔａｎｈ（１／ｆc ＲＣ）に比例する他の因子を含み、ここでＲは支持アームの熱抵抗そしてＣは吸収器を含む懸垂された材料の熱容量（熱質量）である。代表的な値は大体以下のようである。ｆc が約３０  Ｈｚ、Ｒが約２ｘ１０7deg-sec/joule-m、Ｃが約１０-9joule/deg である。このように、変調によって、感度を増加させるための吸収器範囲の増加は、熱質量Ｃの増加によるｔａｎｈ因子の相殺的な減少をもたらす。さらに、同様に感度増加のための熱抵抗Ｒの増加はＲの増加によるｔａｎｈ因子の相殺的減少をもたらす。このように、並列のボロメータ配列は、個々のボロメータの熱質量または熱抵抗の変化なしに、吸収範囲を増加させる。
【００５９】
別の方法においては、配列中の１つの行（列）中のボロメータを直列に接続しそしてその行（列）を並列に接続するか、または１つの列（行）中のボロメータを並列に接続しそしてその並列の列（行）を次に直列に接続する。これは簡単な接続の利点を有する。例えば、図３９において、左側の金属線２０５１と右側の金属線２０５５がボロメータ放射吸収抵抗についての２つの接続線となる。
【００６０】
スパイラル支持アームスーパー絵素ボロメータ配列の好適実施例
図４０は、おおよそ４角形のボロメータの１０ｘ１０配列２１００の好適実施例の平面図であり、各ボロメータは、パッドに接続した傾斜脚付き環状支持アームによって基板上に懸垂しており、このパッドは金属線２１１１〜２１１５または金属線２１２１〜２１２５に接続され、母線２１０１が線２１１１〜２１１５を共に結び合わせ、そして母線２１０２が線２１２１〜２１２５を共に結び合わせている。図４１，図４２は配列２１００の２ｘ２サブ配列の拡大によるボロメータの詳細を示す。各ボロメータは、約１９２０  ｌｍ2 の全範囲の懸垂膜２１３２（例えば、窒化物／非晶質シリコン／窒化物から成る）上に約１３４８  ｌｍ2 の吸収器２１３０を有する。傾斜脚２１３４は環状支持アーム２１３６に接続しており、各環状支持アームは約５０（ｌｍ）長と約４（ｌｍ）幅を有し、環状支持アーム２１３６はそれぞれ電気的接続用の薄い金属ストリップを有し、そしてボロメータ１８００の支持アーム１８０６，１８０７と類似の熱抵抗を提供する。上端金属レベル（アルミニウム、ニッケル、チタンまたは類似の金属、約１０ｎｍ厚、３（ｌｍ）幅）は傾斜脚２１３４から環状支持アーム２１３６そして４つの隣接ボロメータ膜２１３２の端部に沿った環状体２１３８まで伸び、これら４つの隣接ボロメータ膜の各々および環状体２１３８の一部である接合体２１４４に沿った電極２１４０を形成する。図４１および図４２参照。膜リンク２１４２は、環状体２１３８に接続していない４つの隣接ボロメータ膜の角部に接続する。これにより、膜の曲がりを防止する機械的支持が提供される。ボロメータ１７００，１８００と同様に、ボロメータ膜２１３２は窒化物／非晶質シリコン／窒化物から成る。
【００６１】
図４２は底レベルの金属線２１１１，２１１２を示し、その上に本図の４つの角部の傾斜脚が接続し、また金属線２１２１上には本図の中央の傾斜脚が接続することを示す。
【００６２】
支持アーム２１３６は膜２１３２の面において完全な環状に対し僅かに３／４を越えて延在している。下部基板に対する熱抵抗率を増加させるために、支持アーム２１３６はスパイラル形状の使用によってより長くでき、膜２１３２の面にて完全な１回転以上が実現できる。
【００６３】
応力緩和スーパー絵素ボロメータ配列の好適実施例
図３７，図３８に関して説明したボロメータ製造における低応力化は、図４３，図４４の縦断面図にそれぞれ示すように中央または配列周辺のいずれかで発生するスーパー絵素２１００の膜の基板への接触（熱絶縁の損失）を引き起こし得る懸垂膜の曲がりを避けるためのプロセス制御を必要とする。図４５は応力緩和の好適実施例のスーパー絵素２１７０を示し、それは周辺ダミー絵素２１７１を加えており、そして僅かに上向きの湾曲膜を与えるパラメータ値を中心とした付着状態を使用する。周辺ダミー絵素２１７１は、図４５に示すように基板と接触してもよいが、活性絵素２１７３は基板から熱的絶縁を保っている。１０ｘ１０活性配列について、スーパー絵素２１７０は１２ｘ１２の絵素配列を有し、その内側の１０ｘ１０のサブ配列絵素のみが活性である。このように、下方湾曲の機会が最少化され上方湾曲はスーパー絵素を破損しないので、この周辺ダミー絵素は、稼働スーパー絵素を作るための付着パラメータについて広範囲を許容する。
【００６４】
さらに、のこぎり歯状のふちを周辺ダミー絵素の外側端部に加えて、それらの基板への熱接触を低減してもよい。１０ｘ１０の中央活性絵素２１７３と周辺ダミー絵素２１７１を示す図４６参照。のこぎり歯状の端部２１７５が示されており、明瞭化のため大きい歯を示すが、小さい歯も付加的熱絶縁を提供する。
【００６５】
隠れた支持アームボロメータ配列の好適実施例
図４７〜図５０は、基本的に懸垂吸収器および抵抗の下部に支持アームを有する高充填率のボロメータ配列の好適実施例の製造段階を示す。この方法により、隣接ボロメータ間に最小の間隔が可能となり、ボロメータ配列が映像または高解像度スペクトルメータの目的で使用される場合、および各ボロメータが個別に感知される絵素である場合に適用できる。もちろん、この高充填率のボロメータ配列は、列のパッド２２０１が共に図３９，図４０と同様に接続されそして化学センサに使用されるスーパー絵素としても使用できる。図４８の平面図に示す個々のボロメータは四角であるが、他のタイル形状、例えば矩形および６角形であってもよい。ボロメータは、５０（Ｔｍ）ｘ５０（Ｔｍ）のような任意のサイズで、隣接ボロメータ間の間隔が１（Ｔｍ）幅と小さく、製作中に使用される支持材料をプラズマ除去可能とするものでよい。実際、隣接ボロメータ間の間隔は支持アームの幅以下である。
【００６６】
製造方法の好適実施例は図３３〜図３６に関して先に説明した段階および材料を含み、工程は以下の通りである。
（１）第１のポリイミド層２２０３（約１  ｌｍ厚）を、既に形成されておりかつボロメータ支持アームがその上に形成された金属着地パッド２２０１に接続されている回路を備えた基板上に付着させる。着地パッド２２０１は所望の絵素サイズにしたがって間隔を設けてある。第１のポリイミド層２２０３を通して着地パッド２２０１まで介在体（図３３〜図３６に関して先に説明したように、くさび形ホトレジストおよびポリイミドの酸素プラズマエッチングを使用する）を形成する。左の部分の平面図および右の部分の対応断面図を示す図４７参照。
【００６７】
（２）介在体下部の着地パッド２２０１まで延在した、支持アーム材料および電気的導電材料（例えば、非晶質シリコンおよび金属の同一または異なる）の層を付着する。この層を写真印刷によりパターン化およびエッチングし支持アームを形成する。支持アーム材料は、導電材料の付着およびそれに続くパターン化およびエッチングに先行して、パターン化およびエッチングされてもよい。これにより４Ｔｍ幅２００〜４００ｎｍ厚の支持アーム２２０５を形成する。電気的導電材料から着地パッド２２０１への電気的接続を確保するため、支持アーム２２０５は全ての着地パッド２２０１を被覆せず、そして金属脚接触タブ２２０７が付着と写真印刷によりパターン化およびエッチングにより形成される。図４７参照。代替例として、支持アーム材料と電気的導電材料を別々にパターン化およびエッチングすると、電気的導電材料は直接着地パッド２２０１に接続する（図２９の非晶質シリコン支持アーム上に付着したアルミニウムに類似する）。
【００６８】
（３）第２のポリイミド層２２１３（約１  ｌｍ厚）を支持アーム２２０５と第１のポリイミド層２２０３上に付着し、第２のポリイミド層２２１３が第１のポリイミド層２２０３内の介在体中に充填し、平坦面を有する。窒化物およびチタンの層の付着およびそれに続く先に説明した写真印刷およびエッチングによって、ポリイミド２２１３上に吸収器を形成する。吸収器は、図３２の吸収器１８９２と類似して、ボロメータの中央部分に位置する。吸収器および抵抗はボロメータサイズに依存してボロメータ範囲の８０〜９０％を占める。
【００６９】
（４）第２のポリイミド層２２１３を通して、着地パッド２２０１から離れた支持アーム２２０５の端部まで介在体を形成する。左の部分に平面図そして右の部分に対応する断面図を示す図４８参照。再度、くさび形介在体が使用できる。次に、窒化物および抵抗材料である非晶質シリコンの層を付着する。窒化物、チタン、窒化物、非晶質シリコンおよび（最終の）上端窒化物の積層体がボロメータ膜２２１５を形成する。低応力の部分で先に説明したように、窒化物は低応力状態で付着でき、そして上端の窒化物の厚みは個々のボロメータの湾曲を防止するために使用する。
【００７０】
（５）膜２２１５を写真印刷によるパターン化およびエッチングし、別々の絵素を形成し、そしてまた第２のポリイミド層２２１３中の介在体の底部の膜２２１５中に穴を開けて、支持アーム２２０５の端部を露出させる。抵抗材料から支持アーム２２０５への電気的接続を形成するため、また図３２の抵抗の一側面に沿って延長するため、接触金属２２１７が写真印刷によるパターン化、金属付着およびレジスト除去により形成される。同様に、傾斜脚間の薄い金属２２１７を支持アーム２２０５に接続するために、厚い金属リンクが形成されてもよい。図４８参照。
【００７１】
（６）上端の窒化物層を付着し、絵素を分離するためにパターン化しそして両方のポリイミド層を除外して懸垂ボロメータを完成させる。直角方向からの縦断面図である図４９，図５０を参照。
【００７２】
基板基準抵抗の好適実施例
図１８，図１９は図１６の検出器９００のホトコンダクタ形を示し、そのホトコンダクタ９０２〜９０４は本質的に熱的に基板に結合され、そしてホトコンダクタ９０４はホトコンダクタ９０２により入力放射から遮断されている。検出器９００のボロメータ形は、熱的絶縁のためにボロメータ９０２が基板上に懸垂される必要があり、また同様の懸垂ボロメータ９０４の遮断がホトコンダクタ程には簡単でないので、さらに複雑である。好適実施例のボロメータ検出器２３００は、基板上に位置しそして懸垂ボロメータと同一の抵抗材料、例えば非晶質シリコンから成る非遮蔽基準抵抗９０４を使用することによって、問題を避けている。支持アーム２３０６，２３０７、および下部基板上の窒化物／非晶質シリコン／窒化物膜２３０４を懸垂している傾斜脚２３１２，２３１３の平面図を示す図５１を参照。ここにおいて、下部基板は懸垂膜上に吸収器２３０２を有し、そして基板直上の窒化物／非晶質シリコン／窒化物２３３４の膜から成る隣接抵抗を有している。金属膜２３２０，２３２１は支持アーム２３０６，２３０７に沿った電気的抵抗を低下させ、そして膜２３０４の懸垂非晶質シリコン抵抗に端部接触し、また同様にアルミニウム膜２３４０，２３４１が膜２３３４の非晶質シリコン抵抗に端部接触している。
【００７３】
基準抵抗９０４の代替実施例。抵抗は検出器下部の保存範囲に置かれる。これは、映像検出に使用される絵素配列において、理想的なものとして絵素がその間に出来るだけ小さい非活性空間を有するという利点を与える。そのような基板基準抵抗は、それが熱蓄積器として働く基板に熱的に結合されるので、遮蔽される必要がない。実際、そのような基準抵抗２３３４は、基板温度が入力放射のないボロメータ温度に等しいので、基板温度の変動を補償する。このように、ボロメータ抵抗および同一の材料と抵抗（サイズ）の基板基準抵抗により、基板温度の変化が２つの抵抗値の同一変化を導きそしてそれを相殺する。
【００７４】
スーパー絵素配列ボロメータについて、基板基準抵抗は比例的により小さい抵抗値を有し、そしてより小さい抵抗値はより短い膜２３３４によって、またはアルミニウム膜２３４０，２３４１を指状に延ばすことにより、またはその組み合わせにより達成できる。指２３４２，２３４３を示す図５２参照。２０メガオームの単一絵素ボロメータ抵抗値、およびスーパー絵素を形成する１０ｘ１０の並列接続ボロメータ配列について、基板基準抵抗の抵抗値は、スーパー絵素中の並列の百個のボロメータの抵抗値に適合するように、単に２００キロオームである。膜の抵抗値はドーピングレベルを調整することにより調整できる。読み取り回路に依存して、１キロオーム乃至５００メガオームの範囲の抵抗値が望ましい。
【００７５】
金属接点２３４０，２３４１を備え、基板に熱的結合した基準抵抗２３３４がまた懸垂ボロメータ素子２３０４の直下に位置できる。これにより、最大の型範囲が利用でき、そしてスーパー絵素および１つの範囲または線形範囲から成る単一素子の両方に適用できるようになる。図５５は、懸垂膜２３５０および基準抵抗膜２３５５の直上で間隔をあけた関連支持アーム２３５３の断面図を示している。吸収器２３５１の電気的絶縁に使用される同一の絶縁材料２３５２は、反射器材料２３５７が膜２３５５の上端面に取り付けできるように、使用できる。全ての適用に要求される訳ではないが、２つの電極が共通電極２３５４を形成するために組合わされ、結果として型範囲を一層最適化できる。共通電極２３５９によって低い熱基準抵抗２３６０に接続されている懸垂素子２３５８により電圧割算器ネットワークを実現することを同様の概略図が示している。
【００７６】
図５３，図５４は、図３３〜図３８に関して説明した段階に続く検出器２３００の製造段階を示している。まず、ポリイミド層が回路と金属着地パッドおよび基準抵抗端子上に形成される。次に、傾斜脚（再度くさび形の）および基板基準抵抗の位置用の開口にてホトレジストをパターン化する。先に述べたように、プラズマエッチングを行い、ホトレジストを侵食しポリイミドを除外して金属着地パッドの一部および抵抗端子を露出させる。次に、窒化物、非晶質シリコンおよび窒化物を付着させ、そして図５４に示すように、それを写真印刷によりパターン化する。次に、窒化物を介してイオンミルして非晶質シリコンを露出させそしてアルミニウムを付着し、レジストを取り除き、最後に前述のようにポリイミドを取り除く。
【００７７】
内部陰つきパッケージの好適実施例
図５６〜図５８は、赤外線透過パッケージ蓋２４１０の内部の赤外線阻止膜（陰）つきの赤外線検出器２４０１〜２４０４の真空パッケージ２ｘ２配列２４００の好適実施例の平面および縦断面図を示す。蓋２４１０上の狭帯域光学フィルター２４１１〜２４１４が対応する検出器２４０１〜２４０４および陰２４０６内の開口上に位置する。図５７，図５８に示すように、陰２４０６は、対応する重複フィルターの通過を除き、全ての入射赤外線放射を検出器から阻止する。開口の目的は、その下部の検出器への（垂直）軸光を制限し、そしてパッケージ内で内部反射する光が別の検出器に当たることを防止する。内部陰（外部陰に対する）は検出器により近く、したがって目的の検出器への光に制限する。実際、陰２４０６の開口は本質的に、図５７，図５８の光線のトレースで示される検出器の（小さい）活性範囲と光学フィルターの（大きい）範囲間の大きさの相違を内挿する。図５７は、検出器２４０１が図５６の水平方向に直角な方向から２６°および  ４１°の開口角を有するコーンに入射する放射を受けることを示しており、そして図５８は、垂直方向に５０°の開口角を示している。この角度は適用例に依存して変化する。また、図５７の光線２４５０は検出器２４０１とフィルター２４１２間の通路を阻止する陰２４０６を示し、そして図５８の光線２４５１はフィルター２４１１と検出器２４０３間の通路を阻止する陰２４０６を示す。
【００７８】
各検出器２４０１〜２４０４は、単一のボロメータまたはボロメータ配列と回路を備えそして約１. ５ｍｍ角のシリコン集積回路であり、陰２４０６の対応開口は約２ｍｍｘ２. ５ｍｍである。隣接する検出器はおおよそ５ｍｍまたは１０ｍｍ離れている。蓋２４１０は約９ｍｍｘ１７ｍｍであり、セラミックパッケージベース２４３０は約１０ｍｍｘ２５ｍｍｘ３ｍｍ厚である。セラミックパッケージベース２４３０は、ニッケル上に金のシールバンド（蓋取り付け用）を備えた焼結アルミニウム酸化物から成る。検出器２４０１〜２４０４はセラミックパッケージベース２４３０にハンダ付けされた金：錫（８０％：２０％）である。検出器およびパッケージリードフレームおよびリード間の結合ワイヤは全般的に示されておらず、分離前のリードの外部部分のみが図５８に示される。蓋２４１０は赤外線透過性であり、ゲルマニウムの（または他の）反射防止被覆を備えた０. ５ｍｍ厚のシリコン（またはゲルマニウム）から形成される。陰２４０６は金／ニッケル／クロムの０．５（ｌｍ）厚の積層である。検出器２４０１〜２４０４は蓋２４１０から約０. ２５ｍｍ離れている。フィルター２４１１〜２４１４は約４ｍｍｘ７ｍｍｘ０. ２５ｍｍ厚の多層干渉フィルターであり、それらの周囲に沿ってエポキシ接着剤で蓋２４１０に取り付けられる。
【００７９】
真空パッケージの好適実施例
検出器２４０１〜２４０４は熱的絶縁を備えたボロメータを採用しており、検出器２４０１〜２４０４に対する充分なガス圧力が熱的導電通路を提供することによってそれらの感度を制限する。実際、蓋２４１０とセラミックパッケージベース２４３０間の空隙内のガス圧力は２００ｍＴｏｒｒ以下に、好ましくは５０−１００ｍＴｏｒｒに維持されるべきである。金：錫共晶が蓋２４１０をセラミックパッケージベース２４３０に取り付け、そして検出器２４０１〜２４０４をパッケージベースに取り付ける。取り付けのためにエポキシに代えて金：錫を使用することで、有機エポキシからの排出ガスが空隙中に入ることを避けている。金／ニッケル／クロムの陰２４０６は、ガストラップを避ける金の付着により形成される。チタン／パラジウム／金の金属系も使用できる。クロムはシリコン蓋２４１０への接着を提供し、そしてニッケルはクロムと金間の拡散障壁を提供する。陰２４０６は、検出器上の開口を画定するパターン化されたホトレジスト上に付着させた金／ニッケル／クロムを上昇させることによって形成できる。金／ニッケル／クロムは蓋周辺まで延在し、そして金：錫が蓋上の金／ニッケル／クロムをパッケージベース内のニッケルシールバンド上の金に接続することに注意されたい。金：錫は始めは約５０〜７５（ｌｍ）の厚みを有するが、シールの間に圧縮される。シール方法の好適実施例についての以下の説明を参照。
【００８０】
低温ゲッターが空隙中に挿入され、活性化されてもよい。パッケージフロアに取り付けられたワイヤ結合２４７２によって維持されたゲッター２４７０を示す図５９および図６０を参照。ゲッターはまた適所にスポット溶接またはハンダ付けされてもよい。ゲッター２４７０はジルコニウム−バナジウム−鉄または同様のガス吸着材料から成る。
【００８１】
検出器２４０１〜２４０４を含む空洞は約８０ｍｍ3 の体積を有する。実験の結果、空洞中の約２００ｍＴｏｒｒ初期圧力でシールしたパッケージ２４００は１年後に３００ｍＴｏｒｒ以下の空洞圧を維持した。すなわち、パッケージ２４００は１年間で１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力上昇を示し、同様の圧力上昇が他の初期圧力にも適用できる。また、パッケージ２４００は１ｍＴｏｒｒ以下の初期圧力でシールされており、また加速テストにより、圧力が１年後に１０ｍＴｏｒｒ以下に維持されていることが示されている。このように、パッケージ２４００は非常に低い圧力への適用性を有している。
【００８２】
パッケージ２４００は別の材料から作られてもよく、その真空性能を維持する。特に、蓋は低い多孔質の焼結セラミックまたは非金属（多）結晶材料、またはガス抜きガラスまたはＶＡＲ金属であってもよく、そしてこれら全ての材料のガス排出がかなり制限されているので、パッケージベースはこれらの同一材料のいずれかで作られてよい。別の方法は便利な材料を用い、そして空洞面にガス拡散障壁（例えば、シリコン窒化物）を適用することである。実際、パッケージベースは、シールバンドとして、そして空洞の底部においては蓋および検出器それぞれの金：錫ハンダに接続するために、好ましくはニッケル上に金被覆を有している。シール用の金：錫は、他の低ガス排出ハンダまたは低温度シール用インジウムによって置き換えられる。
【００８３】
別のパッケージおよび組み立て方法は、蓋取り付け後に空洞が排気されるように、真空にしないで蓋２４１０をセラミックパッケージベース２４３０にハンダ付けし、セラミックパッケージベース２４３０にポートを提供することである。排気の後、低温度インジウムハンダシール（熔融または冷間プレスのいずれか）がポートをふさぐ。または、空洞へのポートが、熔融による排気の後に容易にシールされるガラス管であってもよい。
【００８４】
真空パッケージの別の形は、マイクロメカニカル共振器のような種々のマイクロマシーンまたは他の構造用に使用でき、そして蓋は透明である必要がない。金：錫シールと蓋上の蒸発またはイオンメッキ外側金層の使用により、他の蓋では見られるガス排出を除外し、真空を維持する。
【００８５】
真空パッケージシールの好適実施例
図６１〜図６３は、以下の段階を含む真空パッケージ２４００のシール方法の好適実施例を示す。
（１）検出器２４０１〜２４０４およびゲッター２４７０が取り付けられたパッケージベース２４３０を懸垂させ、および蓋２４１０上の金のシールバンドを上下反転させ、金：錫２４７０は真空炉中で蓋の周囲（金／ニッケル／クロム表面層または同等の機能を備えた金属）に沿った４つの角部に金：錫２４７０がタック溶接される。炉を０. ００１ｍＴｏｒｒに排気する。図６１参照。
【００８６】
（２）炉の温度を２７００℃に２４時間保って焼き、真空シールの後に空洞中に入る可能性のある排出ガスを取り除く。金：錫２４８０は融点２８００℃の共晶であり、したがって蓋２４１０の適所に保持される。
【００８７】
（３）焼き付けの終了時に、温度を３１０〜３２００℃にはね上げ、そして約６〜７分維持する。これにより、金：錫２４８０を熔融し、そしてさらにガス排気を促進するが、金／ニッケル／クロムから金が金：錫中に溶解させることはなしに、融点を増加させる。反対方向ではなくてパッケージベースの下部に蓋２４１０を有することにより、熔融した金：錫２４８０が蓋２４１０から落下することを防止する。図６２参照。
【００８８】
（４）２〜４分間の再流動によりシールを形成するために、熔融金：錫２４８０を備えた蓋２４１０上にパッケージベース２４３０を降下させる。図６３参照。金：錫２４８０は約５０〜７５（ｌｍ）の初期厚みを有し、そして蓋またはパッケージベースまたはそれらの両方の平坦度の欠陥を補償する。つぎに、急激に室温に降下させる。
【００８９】
焼き付けにより、さらにゲッターの活性化が得られる。ゲッター２４００は表面吸着ガスと化学反応して不揮発性となり、そして熱的活性化が非反応ゲッター材料を表面に運んで、蓋シール後の吸着ガスと最終的に反応する。
【００９０】
代替的な方法は、パッケージベース２４３０上に蓋２４１０をのせるような方向反転であり、しかし金：錫２４８０をパッケージベース２４３０上に有することである。焼き付け時間および温度は１２〜３６時間の間で変化できる。また、ゲッター２４７０は電気的に活性であり、これにより一層完全な活性化がえられ、したがって、より大きいゲッター容量に起因してより短期の焼き付けが可能となる。また、外側の層がガスを排出しなければ、他の材料も使用できる。このように、アルゴン（スパッター因子）を吸収するスパッタされた金が真空を維持せず、しかし蒸発した金は真空を維持する。
【００９１】
スペクトロメータ
系の化学的または物理的状態の特徴は、波長の全範囲に渡って系からの赤外線吸収または発射をスペクトルメータで測定することによって確立できる。図６４は検出器集積回路２５０１を含むスペクトルメータ２５００の好適実施例の平面図であり、検出器集積回路２５０１はパッケージベース２５３０中の１２８個の隣接する２ｘ１０スーパー絵素ボロメータの線形配列２５０３と赤外線透過蓋２５１０の下部に階調干渉フィルター２５１１を有する。フィルター２５１１は矩形であり、長い側面の方向に沿って線形に変化する中心波長を備えたバンドパスフィルターであり、その長い側面の方向はまたボロメータの線形配列の長手方向である。中心波長は線形配列２５０３の長さに渡って約２の係数で変化する。このように、ボロメータに当たる波長帯域は線形配列２５０３の長手方向にそって変化し、これによりスペクトル分離が提供される。もちろん、いくぶんコリメートした入力放射はクロストークを制限し、そして解像度を改善するが、絵素の密接およびフィルターの連続性が陰の使用を除外している。
【００９２】
単に多重ボロメータ配列を一緒にすることにより、より広い範囲の波長が解析できる。図６５は４つの隣接配列を示し、配列２５５１は２. ０〜４. ０（ｌｍ）の中心波長範囲を有するフィルター２５６１の下部にあり、配列２５５２は３. ５〜７. ０（ｌｍ）の中心波長範囲を有するフィルター２５６２の下部にあり、配列２５５３は６. ０〜１２. ０（ｌｍ）の中心波長範囲を有するフィルター２５６３の下部にあり、そして配列２５５４は１０. ０〜２０. ０（ｌｍ）の中心波長範囲を有するフィルター２５６４の下部にある。このように、４つの配列の組が配列間で僅かに重複しながら２. ０〜２０. ０（ｌｍ）の範囲をカバーし、単一のフィルターの中心波長範囲は２の比を越えない。この４つの配列は一体で概ねスペクトルを４００の間隔に分割し、それによって信号処理によりスペクトルメータは１％以下の解像度を有する。
【００９３】
図６６，図６７は好適実施例のスペクトルメータ２５００のボロメータ範囲の平面および縦断面図である。各絵素は約５０（ｌｍ）角であり、線形配列は１２. ８ｍｍ長と０. ５ｍｍ幅である。各スーパー絵素は、図６６の列２６０１，２６０２のようなそれぞれ１０絵素の２つの列であり、読みだし母線がこの２つの列間の支持に接続し、そして隣接するスーパー絵素が列２６０２と２６０３間の支持に接続するようにバイアス電圧源を共有している。先に説明した電子的チョッピング装置および基板基準抵抗は適用でき、そしてその回路がこの線形配列に並列に位置できる。
【００９４】
階調干渉フィルター２５１１は異なる誘電率の多層誘電体から成り、通過バンド中心波長は層厚みに依存し、通過バンド中心波長の変化は装置厚みの変化からくる。そのようなフィルターは誘電体層の段階厚み成長によって作られ、層の数は通過バンド（例えば、中心波長の５〜１０％のバンド幅）のバンド幅を決定する。
【００９５】
自動校正
図６８はセンサ１４００用の自動校正回路２７００を概略的に示す。回路２７００は、標準的ガスサンプルを包含する再校正を使用することなく、ランプ１４０４の出力変化および振れを補償する。特に、検出器１４２１〜１４２３の内の１つの出力は図６８の『信号検出器』出力であり、そして検出器１４２４の出力は図６８の『基準検出器』出力である。このように３つの回路２７００が使用される。各ガス検出器について１つであり、３つ全ての回路が同一の基準検出器を使用している。回路２７００は次のように動作する。信号検出器２７０２の出力および基準検出器２７０４の出力が差動増幅器２７１０の２つの入力を提供し、したがって増幅器２７１０の出力がガスによって吸収された測定される赤外線の量を表す。もし赤外線源１４０４が安定であったなら、これはすべて必要である。しかしながら、源１４０４が振れると、第２の差動増幅器２７１２が基準検出器２７０４の出力と校正電圧２７０６を比較する。なお、校正電圧２７０６はセンサ組み立ておよび校正時においては、基準検出器２７０４の出力と等しくされてもよい。このように、増幅器２７１２の出力は源１４０４の強度変化に対応し、この出力は自動利得制御回路２７２０を駆動して増幅器２７１０の出力に係数を掛けてセンサ組み立ておよび校正時の大きさまで回復させる。
【００９６】
差動増幅器２７１０〜２７１２は全般的な目的のオペアンプから構成でき、そして自動利得制御回路は反転増幅器において接続されるようなオペアンプのフィードバックループ中の電圧制御抵抗として構成される。もちろん、他の回路も差分増幅器および自動利得制御機能用に使用できる。
自動校正回路２７００はまた電子的チョッピングなしでも使用でき、単に信号検出器２７０２〜２７０４を図２におけるような抵抗電圧分割器とすることである。
【００９７】
自己校正
図６９は源強度の連続校正を行う読みだし回路２８００の好適実施例を示し、信号検出器および基準検出器双方を有するセンサ１４００のようなセンサの雰囲気温度の補償も行う。特に、抵抗２８０２〜２８０４は、測定されるべきガスの検出器用の図１６の抵抗９０２〜９０４に対応し、そして抵抗２８５２〜２８５４は基準検出器用の抵抗９０２〜９０４に対応する。すなわち、抵抗２８０２は測定されるべきガスの吸収線辺りの狭帯域の入力赤外線放射を受光し、そして抵抗２８０４はこの放射から遮断される。そして抵抗２８５２は測定されるべきガスの吸収線から離れた狭帯域の入力赤外線放射を受光し、そして抵抗２８５４はまたこの放射から遮断される。抵抗２８０４，２８５４はまた図５２で説明した基板熱基準抵抗でもよい。読みだし回路２８００は次のように動作する。
【００９８】
まず、入力放射を無視する。次に同一抵抗値でありまた等しい抵抗温度係数を有する抵抗２８０２と抵抗２８０４はフィードバック抵抗２８０６を通る電流がゼロであることを意味し、そしてオペアンプ２８１０の出力は周囲温度が変化してもゼロである。同様に、オペアンプ２８６０の出力は抵抗２８５２と抵抗２８５４が同一抵抗値でありまた等しい抵抗温度係数を有する時にゼロである。
【００９９】
次に、抵抗２８０２，２８５２に当たる光源（例えば、赤外線源１４０４）からの入力放射により、オペアンプ２８１０，２８６０の出力が、信号および基準フィルターそれぞれを通過する入力放射光を表している。次に、割算器２８７０によるこの２つのオペアンプ出力の比は光源の輝度に関係なく、単に信号を表している。さらに詳細には、Ｒが校正温度における抵抗２８０２，２８０４，２８５２，２８５４の抵抗値を示し、Ｉが抵抗の温度係数を示すとすると、温度変化−ＴはＩＲ−Ｔの抵抗値変化を生む。周囲温度変化を−ＴA 、そして入力放射がさらに変えている信号抵抗２８０２の温度変化を−Ｔs そして基準抵抗２８５２の温度を−ＴR と仮定する。そのとき、オペアンプ２８１０はＩＩＲF −ＴS を出力し、ここでＩはＶボルトのバイアスで校正温度における抵抗２８０２，２８０４，２８５２，２８５４を通過する電流であり、ＲF はフィードバック（温度に感知しない）抵抗２８０６，２８５６の抵抗値である。また−ＴA 時間は省略されることに注意されたい。同様に、オペアンプ２８６０は  ＩＩＲF −ＴR を出力する。最後に、割算器２８７０はその入力と出力の比−ＴS ／−ＴR を出力バッファー２８７２に持って行く。このように、もし赤外線光源の放射が係数分変化すると、−ＴS および−ＴR の両方が同じ係数だけ変化し、比出力には影響しない。そして測定されるガスの濃度が変化すると、−ＴS が変化し、一方−ＴR は相対的に一定となり、この出力比は所望の検出信号を発生する。
【０１００】
割算器２８７０へ入力を供給するために、図１６タイプの回路２つを使用することによって電子的チョッピングが適用できる。割算器２８７０はフィードバックループにアナログ乗算器を備えたオペアンプでよい。
もし、抵抗２８０２，２８０４，２８５２，２８５４の校正抵抗値が等しくないなら、これは校正電流を等しくするように適用バイアス電圧（例えば、電圧割算器）を調整することによって解決される。もちろん、以上全ては予期される小さい温度変化を満足させる線形近似を採用した。
【０１０１】
熱的補償
ボロメータ抵抗の抵抗率は、雰囲気温度および入力放射による加熱に依存するそのものの温度に依存する。雰囲気温度変化の補償（熱的補償）は３種類の基準抵抗によって達成できる。それは、不透明ボロメータ抵抗（光遮断ボロメータ）、赤外光非感知ボロメータ（吸収器を除外したボロメータ）およびボロメータ抵抗材料から成る（基板基準抵抗）熱的に機能しない抵抗（基板基準抵抗）である。各場合に、入力放射は基準抵抗に影響しないが、基準抵抗は雰囲気／基板温度を追跡する。図７０は、Ｖｏｕｔ＝−（ＲB ／ＲR ）ＶB で熱的補償を提供する回路２９００を示し、ここでＲB はボロメータ抵抗の抵抗値、そしてＲR は基準抵抗の抵抗値である。このように、もし雰囲気温度が−ＴA 変化すると、ボロメータ抵抗の赤外線放射加熱がさらにその温度を−ＴI だけ変化させ、そして両抵抗Ｉの温度抵抗率係数を有し、それにより、これらの温度変化による抵抗値の線形近似変化はＲB と係数（１＋Ｉ−ＴA ）（１＋Ｉ−ＴI ）の積およびＲR と係数（１＋Ｉ−ＴA ）の積になる。それ故、係数（１＋Ｉ−ＴA ）およびＶｏｕｔは単に係数（１＋Ｉ−ＴI ）だけ変化し、入力赤外線放射に影響する。
【０１０２】
感度増加のための二重検出器
センサ１４００のような多重検出器を有するセンサにより多くのガスを感知するときの問題は、それらの選択吸収帯域において種々のガスが異なる吸収力を有することである。他の問題は、異なるガスが異なる濃度検出レベルを要求することから発生する。例えば、もしＣＯおよびＣＯ2 両方を検出すべきとき、４. ７４ミクロンの波長におけるＣＯの吸収よりも４. ７４ミクロン帯域でＣＯ2 がより強く吸収するけれども、毒性の大きいＣＯが、センサはＣＯ2 よりもＣＯに対して大きい感度を有するべきであることを示唆する。しかし、各ガスに対するボロメータ検出器を備えたセンサは、望ましい所とは逆に、ＣＯ2 に対して感度が高い。製造の面から言えば、同一の材料から多くの製品を作れる汎用性のあるセンサプラットフォームを作ることが望ましい。記載した真空パッケージは、感知されるべきガスを決定する光学フィルターが検出器パッケージ製作後に設置されるので、ガスセンサ設計においては多様性がある。これは、センサ装置の骨組みの中で種々の化学的種類に対して装置の感度を変更することができる時には、一層有益である。
【０１０３】
好適実施例は、ガスに対するセンサ感度を増加させるために単一ガス用に簡単な多重検出器を使用することによって、両方の問題を解決している。多重検出器は大きい信号に対して並列に接続されるか、または別々のガスサンプリングで別々の回路を有するものとして扱われる。図７１は２ｘ２検出器配列の単一の真空パッケージの平面図であり、ＣＯ検出のため４. ７４ミクロンの波長の通過帯域を有する単一フィルター２９１１の背後に検出器２９０１，２９０２を、ＣＯ2 検出のため４. ２６ミクロンの通過帯域を有するフィルター２９１３の背後に検出器２９０３を、そして基準となる３. ６ミクロンの波長の通過帯域を有するフィルター２９１４の背後に検出器２９０４を備えている。もちろん、フィルター２９１１は同一波長の２つの別々のフィルターでもよい。２ｘ２配列はセンサ１４００に類似するセンサ中で使用できる。もし所望の結果が感度の増加と共に選択性の増加であるならば、同一の種類を感知するために、多重波長が使用できる。このように、他の物質と干渉帯域の波長が選択でき、そして干渉しない第２の帯域が選択できる。問題の物質の効果は干渉帯域から回収でき、そして両帯域からの信号が混合される。もちろん、干渉の帯域として第２の帯域が選択されそして信号のその部分を検出器出力から除外することによって、同一の結果が達成できる。
【０１０４】
同様に、図７２はＣＯ用のフィルター２９５１の背後に４つの検出器を備えた３ｘ３単一パッケージ配列を示し、２つの検出器はＣＯ2 用のフィルター２９５２の背後に、そして１つの検出器がＨ2 Ｏ、揮発性有機物そして基準それぞれ用のフィルター２９５３〜２９５５それぞれの背後にある。２ｘ３または１ｘ４等の他の配列が同様の方法で使用できる。極端にいえば、ここに説明したスペクトルメータは、特定のフィルター下の検出器、および関連する吸収力に結び付いておりかつ検出器パッケージが組み立てられた後に決定されるこれらフィルターの関連部分のグループとして形成できる。
同一の物理的結果が１つのチャンネルの感知範囲をもう１つのものとは対照的に優先的に増加させることによって得ることができる、ということが重要である。これは、その部分をより特殊な応用に向けそしてコスト増加を招くので、好ましいことではない。
【０１０５】
変更例
真空パッケージ多重検出器、スーパー絵素、傾斜脚支持、内部陰、密接パッキング用下部支持等の特徴の１つまたはそれ以上を保持したまま、好適実施例は多くの変更ができる。
例えば、種々の電子的チョッピング装置、パッケージング、絵素構造、フィルター設定および光源の選択が、種々のセンサ装置を形成するために行われる。スペクトル解析されるガスまたは液体が種々の基準で選択でき、ボロメータ感度は絵素のサイズと数によって変えられる。
【０１０６】
機能的な特徴が残っている場合には、寸法および材料は変更できる。ボロメータ構造は、４つの角部の柱、絵素中心に伸びた支持アーム、共通赤外線吸収および抵抗値変化材料、別の材料から成るものでよい支持アームおよびボロメータ膜等、他の支持装置を含むことができる。
電子的チョッピング周波数は１／ｆニー周波数以上であるべきであり、そしてホトコンダクタの１／ｆニーはバンドギャップ（最大波長検出可能）および温度に依存する。例えば、約０. ２５ｅＶのバンドギャップ（５  ｌｍの波長に対応する）を有する水銀カドミウムテルル化合物で、室温の１／ｆニーは数Ｈｚであり、したがってバイアス切り換えは少なくとも数Ｈｚである。
ａｃまたはｄｃ読みだしのできる可逆極性の一般的な電流源が好適実施例のように極性反転によって電子的にチョップできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知のボロメータシステムを示す図。
【図２】公知のボロメータシステムを示す図。
【図３】公知のボロメータシステムを示す図。
【図４】電気的にチョップした検出器の第１の好適実施例の概略的ブロック図。
【図５】電気的にチョップした検出器の第１の好適実施例の概略的ブロック図。
【図６】第１の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図７】第１の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図８】タイミング図。
【図９】第２の好適実施例の検出器を概略的に示す図。
【図１０】第２の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図１１】第２の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図１２】タイミング図。
【図１３】ノイズ抑圧を示す図。
【図１４】ノイズ抑圧を示す図。
【図１５】ノイズ抑圧を示す図。
【図１６】電気的にチョップした検出器の他の好適実施例の概略的ブロック図。
【図１７】電気的にチョップした検出器の他の好適実施例の概略的ブロック図。
【図１８】他の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図１９】他の好適実施例の絵素の平面および縦断面図。
【図２０】タイミング図。
【図２１】絵素要素のａｃ結合を示す図。
【図２２】絵素要素の代替的配列を示す図。
【図２３】好適実施例のガスセンサーへの適用を示す図。
【図２４】好適実施例のガスセンサーへの適用を示す図。
【図２５】好適実施例の赤外線放射源を概略的に示す図。
【図２６】好適実施例の赤外線放射源を概略的に示す図。
【図２７】好適実施例の赤外線放射源を概略的に示す図。
【図２８】好適実施例のボロメータの平面図、縦断面図、および斜視図。
【図２９】好適実施例のボロメータの平面図、縦断面図、および斜視図。
【図３０】好適実施例のボロメータの平面図、縦断面図、および斜視図。
【図３１】好適実施例のボロメータの平面図、縦断面図、および斜視図。
【図３２】他の好適実施例のボロメータの平面図。
【図３３】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３４】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３５】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３６】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３７】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３８】ボロメータ形成方法の好適実施例の工程を示す図。
【図３９】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４０】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４１】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４２】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４３】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４４】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４５】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４６】好適実施例の絵素配列の平面図。
【図４７】好適実施例の絵素配列を示す図。
【図４８】好適実施例の絵素配列を示す図。
【図４９】好適実施例の絵素配列を示す図。
【図５０】好適実施例の絵素配列を示す図。
【図５１】基板抵抗体を備えた懸垂型ボロメータの好適実施例を示す図。
【図５２】基板抵抗体を備えた懸垂型ボロメータの好適実施例を示す図。
【図５３】基板抵抗体を備えた懸垂型ボロメータの好適実施例を示す図。
【図５４】基板抵抗体を備えた懸垂型ボロメータの好適実施例を示す図。
【図５５】基板抵抗体を備えた懸垂型ボロメータの好適実施例を示す図。
【図５６】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図５７】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図５８】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図５９】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図６０】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図６１】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図６２】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図６３】好適実施例のパッケージボロメータ検出器の平面図および縦断面図。
【図６４】好適実施例のスペクトルメータを示す図。
【図６５】好適実施例のスペクトルメータを示す図。
【図６６】好適実施例のスペクトルメータの態様を示す図。
【図６７】好適実施例のスペクトルメータの態様を示す図。
【図６８】自動校正の好適実施例の概略図。
【図６９】手動校正の好適実施例の概略図。
【図７０】熱的補償の好適実施例の概略図。
【図７１】重複検出器を備えた配列の好適実施例を示す図。
【図７２】重複検出器を備えた配列の好適実施例を示す図。
【符号の説明】
２００  検出器
２０２，２０４  ホトコンダクタ
２１２  フィーバック抵抗
２１０  演算増幅器
２２０  相関二重サンプラー
２３０  タイミングおよびバイアス制御回路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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