(57)【要約】  赤外線イメージングデバイスであって、フィルタアレイ（１１０）であって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子（１１６）と、（ｉｉ）複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間にフィルタアレイ上に配置される反射コーティング（１１４）と、（ｉｉｉ）各々が複数の離間フィルタ素子のそれぞれと位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される複数のレンズ（１１２）と、を含むフィルタアレイと、フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子（１２２）を有するイメージングセンサアレイであって、複数のピクセル素子の各々は、複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされる、イメージングセンサアレイ（１２０）とを有する。
2020507064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線イメージングデバイスであって、
フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子の各々の間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）各々が前記複数の離間フィルタ素子の各々と位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される複数のレンズと、を含むフィルタアレイと、
前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子を有するイメージングセンサアレイであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされる、イメージングセンサアレイとを有する
赤外線イメージングデバイス。
【請求項２】
前記イメージングセンサアレイはマイクロボロメータを含む、
請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項３】
前記ピクセル素子の各々は複数のピクセルを含む、
請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項４】
前記複数のピクセル素子のうちの少なくとも１つのピクセル素子は、第１の材料を含む少なくとも第１の複数のピクセルを含み、第２の材料を含む第２の複数のピクセルをさらに含む、
請求項３に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項５】
前記複数の離間フィルタ素子の各々は、ターゲット麻酔薬またはガスに対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有する、
請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項６】
前記複数の離間フィルタ素子の各々の中心波長は、他のフィルタ素子の中心波長と重複しない、
請求項５に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項７】
前記反射コーティングは、隣接するピクセル素子間の信号クロストークを最小化するように構成される、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項８】
前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第２の側面に配置され、前記フィルタアレイの第２の側面は、前記イメージングセンサアレイに面する、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項９】
前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第１の側面に配置され、前記フィルタアレイの第１の側面は、前記イメージングセンサアレイに背面する、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１０】
前記複数のピクセル素子は、第１の材料を含む少なくとも第１のピクセル素子と、第２の材料を含む第２のピクセル素子とを含む、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１１】
前記複数の離間フィルタ素子のうちの少なくとも１つのフィルタ素子は実質的に不透明である、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１２】
前記複数の離間フィルタ素子のうちの第１のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第１のピーク吸収波長であり、前記複数の離間フィルタ素子のうちの第２のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第２のピーク吸収波長である、
請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１３】
前記赤外線イメージングデバイスは、ターゲット麻酔薬の濃度およびターゲット呼吸ガスの濃度を検出するように構成される、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１４】
前記反射コーティングが、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、銅、アルミニウム、および／またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の赤外線イメージングデバイス。
【請求項１５】
赤外線イメージングシステムであって、
フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）複数のレンズであって、前記複数の離間フィルタ素子の各々は、ターゲット麻酔薬またはガスに対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有し、前記複数のレンズの各レンズは、前記複数の離間フィルタ素子の各フィルタ素子と位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される、複数のレンズとを有するフィルタアレイと、
前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間し、複数のピクセル素子を有するマイクロボロメータであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間フィルタ素子の各々からの集束ビームと位置合わせされる、マイクロボロメータとを有する
赤外線イメージングシステム。
【請求項１６】
前記ピクセル素子の各々は複数のピクセルを含む、
請求項１５に記載の赤外線イメージングシステム。
【請求項１７】
前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第２の側面に配置され、前記フィルタアレイの第２の側面は、前記マイクロボロメータに面する、
請求項１５に記載の赤外線イメージングシステム。
【請求項１８】
前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第１の側面に配置され、前記フィルタアレイの第１の側面は、前記マイクロボロメータに背面する、
請求項１５に記載の赤外線イメージングシステム。
【請求項１９】
前記複数の離間フィルタ素子のうちの第１のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第１のピーク吸収波長であり、前記複数の離間フィルタ素子のうちの第２のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第２のピーク吸収波長である、
請求項１５に記載の赤外線イメージングシステム。
【請求項２０】
赤外線イメージングデバイスであって、
フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子であって、前記複数の離間フィルタ素子の各々は、対象に対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有し、さらに、前記複数の離間フィルタ素子のうちの少なくとも１つのフィルタ素子は実質的に不透明である、複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）各々が前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれと位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される複数のレンズと、を含むフィルタアレイと、
前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子を有するマイクロボロメータであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされ、前記反射コーティングは、隣接するピクセル素子間の信号クロストークを最小化するように構成される、マイクロボロメータとを有する、
赤外線イメージングデバイス。
【請求項２１】
前記ピクセル素子の各々は複数のピクセルを含む、
請求項２０に記載の赤外線イメージングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、集積レンズアレイを有するイメージングセンサアレイを用いたリアルタイムの麻酔および呼吸ガス濃度モニタリングのための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロボロメータは、温度依存性電気抵抗を有する材料の加熱を介して入射電磁放射のパワーを測定するために、センサアレイで利用される。電磁放射は、材料に衝突して加熱し、電気抵抗を変化させ、これを検出および分析することができる。かつては軍事用途にのみ使用されていたが、マイクロボロメータは、現在商業分野において確立されており、従って製造および購入コストの低減を経験している。例えば、電流マイクロボロメータは、典型的には、８０ｘ６０（４８００ピクセル）で始まるピクセル数を有し、各ピクセル素子は、酸化バナジウムまたはアモルファスシリコンなどの、マイクロボロメータを構成するための感温抵抗材料を含む。生産量が増加してユニット当たりのコストが減少するにつれて、ピクセル数と感度は増加し続けると予想される。ピクセル数が多ければ多いほど、信号処理の機会がより多くなる。
【０００３】
既存の技術は、一般的には、時間多重化された１つの熱検出器を有するスピニングフィルタホイールを使用し、熱検出器は、ホイールがある所定の速度でスピンするときに、一度に１つの帯域通過フィルタエレメントを見る。測定は順次であり、１つのデータチャンネルのみが提供される。他の既存技術は、マルチ表面ミラーを使用して、異なる方向に進むいくつかの赤外線ビームを生成し、各ビームは、１つの熱検出器を有する帯域通過フィルタに進む。複数のガスを並列にリアルタイムで分析できるが、データチャンネルあたり検出器は１つしかない。
【発明の概要】
【０００４】
従って、マイクロボロメータシステムのような赤外線イメージングシステムであって、より大きなサンプリング容量を有し、並列にデータチャンネルの数を増加させることにより、ターゲットガスのオーバーサンプリング及び改善された信号対雑音性能を提供するものが、当技術分野において継続的に必要とされている。
【０００５】
本開示は、リアルタイム呼吸ガス濃度モニタリングのための発明的システムおよび方法に関する。赤外線イメージングシステムに適用すると、本発明のシステムおよび方法は、麻酔および呼吸ガスの検出および濃度測定機能を提供する二次元マイクロボロメータセンサアレイ上に取り付けられたモザイクフィルタ／レンズアレイを含む。マイクロボロメータセンサアレイの上に取り付けられたフィルタモザイクは、赤外線狭帯域通過フィルタを有し、各フィルタは、標準的な麻酔手順の下で見出される呼吸ガスの独特の赤外線吸収波長をターゲットとする。レンズ構造は、各帯域通過赤外線フィルタの下の赤外線エネルギーをマイクロボロメータの画素アレイ上に集束させ、それにより信号を増加させ、隣接する帯域通過フィルタ間の光学的または熱的クロストークを低減し、そして信号対雑音比を改善する。
【０００６】
概して、一態様では、赤外線イメージングデバイスが提供される。本装置は、フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）各々が前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれと位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される複数のレンズと、を含むフィルタアレイと、前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子を有するイメージングセンサアレイであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされる、イメージングセンサアレイとを有する。
【０００７】
一実施形態によれば、前記イメージングアレイはマイクロボロメータを含む。
【０００８】
一実施形態によれば、前記ピクセル素子の各々は複数のピクセルを含む。一実施形態によれば、前記複数のピクセル素子のうちの少なくとも１つのピクセル素子は、第１の材料を含む少なくとも第１の複数のピクセルを含み、第２の材料を含む第２の複数のピクセルをさらに含む。
【０００９】
一実施形態によれば、前記複数の離間フィルタ素子の各々は、ターゲット麻酔薬またはガスに対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有する。
【００１０】
一実施形態によれば、前記複数の離間フィルタ素子の各々の中心波長は、他のフィルタ素子の中心波長と重複しない。
【００１１】
一実施形態によれば、前記反射コーティングは、隣接するピクセル素子間の信号クロストークを最小化するように構成される。
【００１２】
一実施形態によれば、前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第２の側面に配置され、前記フィルタアレイの第２の側面は、前記イメージングセンサアレイに面する。一実施形態によれば、前記複数のレンズは、前記フィルタアレイの第１の側面に配置され、前記フィルタアレイの第１の側面は、前記イメージングセンサアレイに背面する。
【００１３】
一実施形態によれば、前記複数のピクセル素子は、第１の材料を含む少なくとも第１のピクセル素子と、第２の材料を含む第２のピクセル素子とを含む。
【００１４】
一実施形態によれば、前記複数の離間フィルタ素子のうちの少なくとも１つのフィルタ素子は実質的に不透明である。
【００１５】
一実施形態によれば、前記複数の離間フィルタ素子のうちの第１のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第１のピーク吸収波長であり、前記複数の離間フィルタ素子のうちの第２のフィルタ素子の中心波長は、ターゲット麻酔薬またはガスの第２のピーク吸収波長である。
【００１６】
一実施形態によれば、前記デバイスは、ターゲット麻酔薬の濃度およびターゲット呼吸ガスの濃度を検出するように構成される。
【００１７】
一実施形態によれば、前記反射コーティングが、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、銅、アルミニウム、および／またはこれらの組み合わせを含む。
【００１８】
一実施形態によれば、赤外線イメージングシステムが提供される。本赤外線イメージングシステムは、フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）複数のレンズであって、前記複数の離間フィルタ素子の各々は、ターゲット麻酔薬またはガスに対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有し、前記複数のレンズの各レンズは、前記複数の離間フィルタ素子の各フィルタ素子と位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される、複数のレンズとを有するフィルタアレイと、前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子を有するマイクロボロメータであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされる、マイクロボロメータとを有する。
【００１９】
一実施形態によれば、赤外線イメージングデバイスが提供される。本赤外線イメージングデバイスは、フィルタアレイであって、（ｉ）複数の離間フィルタ素子であって、前記複数の離間フィルタ素子の各々は、対象に対応する中心波長を有する狭帯域通過フィルタを有し、さらに、前記複数の離間フィルタ素子のうちの少なくとも１つのフィルタ素子は実質的に不透明である、複数の離間フィルタ素子と、（ｉｉ）前記複数の離間フィルタ素子のそれぞれ間に前記フィルタアレイ上に配置される反射コーティングと、（ｉｉｉ）複数のレンズであって、前記複数のレンズの各レンズは、前記複数の離間フィルタ素子の各フィルタ素子と位置合わせされ、電磁放射を集束してビームにするように構成される、複数のレンズとを有するフィルタアレイと、前記フィルタアレイから第１の距離だけ離間され、複数のピクセル素子を有するマイクロボロメータであって、前記複数のピクセル素子の各々は、前記複数の離間されたフィルタ素子のうちの各フィルタ素子からの集束ビームと位置合わせされる、マイクロボロメータとを有し、前記反射コーティングは、隣接するピクセル素子間の信号クロストークを最小化するように構成される。
【００２０】
言うまでもなく、前述の概念および以下により詳細に論じられる追加の概念のすべての組み合わせは、（そのような概念が相互に矛盾しないことを条件として）本明細書に開示された発明主題の一部であると想定される。特に、本開示の最後に現れる特許請求される主題の全ての組み合わせは、本明細書で開示される本発明の主題の一部であると考えられる。
【００２１】
本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
図中、同じ参照文字は、異なるビューであっても、概して同じパーツを指す。また、図面は必ずしもスケール通りではなく、本発明の原理を例示するに当たり強調した部分もある。
【図１】一実施形態によるマイクロボロメータシステムを示す概略図である。
【図２】一実施形態による、モザイクフィルタ／フォーカスレンズアレイを示す上面図である。
【図３】一実施形態による、モザイクフィルタ／フォーカスレンズアレイを示す側面図である。
【図４】一実施形態による、モザイクフィルタ／フォーカスレンズアレイを示す斜視側面図である。
【図５】一実施形態による、モザイクフィルタ／フォーカスレンズアレイを示す斜視側面図である。
【図６】一実施形態によるマイクロボロメータを示す概略図である。
【図７】一実施形態による、マイクロボロメータシステムによって生成されたデータを示すピクセルマップグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本開示は、ガス濃度を監視するシステムおよび方法のさまざまな実施形態を説明する。より一般的には、出願人は、複数のデータチャンネルを並列に使用して複数の麻酔ガスおよび呼吸ガスの濃度を同時に測定するように構成された赤外線イメージングシステムを提供することが有益であることを認識した。従って、本明細書に記載されるかまたは想定される方法は、麻酔および呼吸ガスの検出および濃度測定機能を提供する、二次元マイクロボロメータセンサアレイの上に取り付けられたモザイクフィルタ／レンズアレイを含むマイクロボロメータシステムを提供する。マイクロボロメータセンサアレイの上に取り付けられたフィルタモザイクは、赤外線狭帯域通過フィルタを有し、各フィルタは、標準的な麻酔手順の下で見出される呼吸ガスの独特の赤外線吸収波長をターゲットとする。レンズ構造は、各帯域通過赤外線フィルタの下の赤外線エネルギーをマイクロボロメータのピクセルアレイ上に集束させ、それにより信号を増加させ、隣接する帯域通過フィルタ間の光学的または熱的クロストークを低減し、そして信号対雑音比を改善する。一実施形態によれば、マイクロボロメータを冷却する必要はなく、周囲温度の変動を排除するために周囲温度よりも上で機能することができる。マイクロボロメータ設計は、較正された黒体光源を用いて、周囲環境で見られるよりもはるかに高い温度で動作し、従って、より大きな放射パワーを提供し、従って所与のガス種吸収係数についてより大きな信号を提供する。
【００２４】
図１を参照すると、一実施形態では、イメージングセンサアレイ１２０の上に取り付けられたモザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０を含むイメージングセンサシステム１００である。このシステムは、モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０内の各レンズが、イメージングセンサアレイのピクセルまたはサブピクセルアレイ１２２上に赤外線エネルギーを集束するように構成される。一実施形態によれば、モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０は、ウェハレベルチップパッケージングアセンブリ中に、集積回路チップパッケージングファウンドリでイメージングセンサアレイ１２０の上に取り付けられるが、システムは、生産の多種多様な他の場所または段階で製造または組み立てることができ、これは消費者が個別部品を購入することを含むがこれに限定されない。図中のイメージングセンサシステム１００は３ｘ３アレイを有するが、その他の多くの組み合わせが可能である。一実施形態によれば、イメージングセンサアレイ１００はマイクロボロメータシステムであるが、イメージングセンサは、本明細書に記載されるか、または本明細書において別途想定される他の任意のイメージングセンサであってもよい。
【００２５】
図２を参照すると、一実施形態では、３ｘ３モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０の上面図である。一実施形態によれば、モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０は、例えば２μｍ〜１５μｍの中波赤外線波長に延在する長波赤外線エネルギーの透過に適した基板材料１１８の一方の表面にデポジットされたモザイクフィルタアレイを含む。一実施形態によれば、各モザイクユニットの各赤外線フィルタは、各ターゲット麻酔薬または呼吸ガス種に固有の中心波長（λｃ）を有する狭帯域通過フィルタ１１６である。
【００２６】
一実施形態によれば、赤外線反射コーティンググリッド１１４は、フィルタモザイクをマスクオフ（ｍａｓｋ  ｏｆｆ）して、隣接するモザイク素子間の赤外線エネルギーの通過をブロックするために、各帯域通過フィルタモザイクの周りにフレームまたはグリッドを形成するように、表面にデポジションされる。反射金属デポジションは、隣接するチャンネル間のクロストークを最小にするための開口として作用する窓フレーム構造を生成し、隣接するチャンネル間に暗帯域（ｄａｒｋ  ｚｏｎｅ）を生成して、信号対ノイズ性能をより良くする光信号からの暗信号のベースライン減算に使用できる「暗ピクセル」を形成する。例えば、反射コーティンググリッドは、隣接するフィルタ素子間のマイクロボロメータピクセルアレイ上に影を作り、それにより、各サブピクセルグループに特に関連付けられたフィルタ素子の分離を可能にする。これは、各ピクセルサブアレイの境界の決定および識別を可能にする。
【００２７】
一実施形態によれば、赤外線反射コーティング１１４は、赤外線エネルギーを反射するのに適した他の多くのタイプの材料のうち、例えば、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、銅、アルミニウム、および／またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、１つ以上の材料を含むことができる。反射コーティングは、約０．２５〜５μｍの層であってもよいが、０．２５μｍより薄い層または５μｍより厚い層も可能である。
【００２８】
一実施形態によれば、赤外線反射コーティング１１４は、物理デポジションまたは別の厚層デポジション（ｔｈｉｃｋ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または電気化学デポジションプロセスを用いてデポジションされ得る。一実施形態によれば、デポジション（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、リソグラフマスキングプロセスによって、またはリソグラフマスキングプロセスと組み合わせて行うことができる。
【００２９】
一実施形態によれば、各モザイクユニットの各フィルタは、複数のターゲット麻酔薬および／または呼吸ガス種に固有の中心波長（λｃ）を有する狭帯域通過フィルタ１１６であり、これには、亜酸化窒素、デスフルラン、イソフルラン、セボフルラン、ハロタン、エンフルタン、二酸化炭素、および／または吸入麻酔薬を含む他の１つ以上のガスまたは麻酔薬が含まれるが、これらに限定されない。これらのガスは、典型的には、２〜１５μｍの中波から長波の赤外線波長の分光吸収帯を有するが、他の波長でもよい。ＢＰＦの中心波長（λｃ）および帯域幅は、他のいずれのターゲットガスの波長においても重複しないように選択することができる。
【００３０】
一例として、３ｘ３フィルタモザイクアレイ１１０は、図１のような合計９個のフィルタ素子１１６を有する。この例によれば、フィルタ素子１１６のうちの７つは、特定ガス帯域通過フィルタ素子（例えば、亜酸化窒素、デスフルラン、イソフルラン、セボフルラン、ハロタン、エンフルタン、及び二酸化炭素）であってもよく、フィルタ素子１１６のうちの１つは、バックグラウンド減算のためのものであってもよく、フィルタ素子１１６のうちの１つは、水蒸気を検出するために利用されてもよい。バックグラウンド減算のためのフィルタ素子１１６は、その素子がブロックされるように、その素子上にデポジションされた反射コーティングを含むことができる。この構成は、機械的シャッタまたは連続変調された赤外線源の必要性を排除し得る。
【００３１】
一実施形態によれば、フィルタモザイクは、マイクロボロメータのピクセルアレイへの赤外線エネルギー伝達損失を最小化するように、適切な基板材料で構成される。基板材料の例は、多数ある中で、シリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、および／またはＧＡＳＩＲであってもよい。好ましい基板材料は、ターゲットガス吸収波長に対して高い透過率を有する広い赤外線波長帯域幅を有する。
【００３２】
図３を参照すると、一実施形態では、３ｘ３モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０の側面図である。一実施形態によれば、モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０は、赤外線エネルギーの透過に適した基板材料１１８を含む。基板材料の上側に見出される各フィルタモザイク素子１１６（図示せず）の下に、集束レンズ１１２がある。従って、フィルタアレイ１１０は、複数の離間フィルタモザイク素子１１６を含む第１の表面と、複数の集束レンズ１１２を含む第２の表面とを有する基板材料１１８を有し、各フィルタモザイク素子１１６は、集束レンズ１１２の各々と位置合わせされる。同様に、図４は、一実施形態における、基板材料１１８を含むフィルタアレイ１１０の斜視側面図であり、基板材料１１８は、複数の離間フィルタモザイク素子１１６を有する第１の表面１２４と、複数の集束レンズ１１２を含む第２の表面１２６とを有し、各フィルタモザイク素子１１６は、集束レンズ１１２の各集束レンズと位置合わせされる。
【００３３】
図５は、一実施形態における、基板材料１１８を含むフィルタアレイ１１０を示す斜視側面図であり、第１の表面１２４は、各々が集束レンズ１１２を有する複数の離間フィルタモザイク素子を含む。この実施形態では、集束レンズ１１２は凸状であり、フィルタモザイク素子の上に、第１の表面１２４上に配置される。反射コーティンググリッド１１４は、フィルタモザイクをマスクオフして各帯域通過フィルタモザイクの周りにフレームまたはグリッドを形成するために、表面上にデポジションされる。
【００３４】
一実施形態によれば、帯域通過フィルタ材料１１６は、マイクロリソグラフィプロセスを利用してフィルタモザイク基板材料１１８上にデポジションされ、そこでは、化学的デポジションプロセスと共にマスクのセットを用いて、各々が特定の赤外線帯域通過フィルタを有する複数の正方形または長方形領域からなるモザイクを形成する。一実施形態によれば、フィルタアレイを作成するプロセスは、基板材料に依存するウエハサイズで、半導体ウエハレベルスケールで実行される。ウエハのサイズに応じて、例えば、ウエハ毎にＮ個のフィルタアレイを作成して、作成可能なフィルタアレイユニットの数を最大化し、従って、ユニット当たりのコストを低減することができる。離間フィルタモザイク素子１１６は、正方形または長方形の領域として示すが、円形、三角形、または他の任意のいかなる形状またはサイズを含む他の任意の形状またはサイズであってもよい。
【００３５】
他の一実施形態では、集束レンズ１１２は、複数の方法のうち、マイクロリソグラフィプロセスまたは成形プロセスを利用して、フィルタモザイク基板材料１１８上にデポジションされてもよい。別の実施形態によれば、集束レンズ１１２は、フィルタアレイ１１０の第２の表面１２６の上、フィルタアレイ１１０の第１の表面１２４の上、またはフィルタアレイの第１の表面および第２の表面の両方の上に配置されてもよい。レンズ構造１１２は、図１に示すように、マイクロボロメータセンサアレイ表面に集束および／またはフォーカスされた熱エネルギーのコーンを生成するために、凸状または平凸状であってもよい。これにより、信号が増加し、隣接する帯域フィルタ間の光学的または熱的クロストークが減少し、信号対雑音比が改善される。
【００３６】
図６を参照すると、図６は一実施形態における、マイクロボロメータセンサアレイ１２０の上に取り付けられたモザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０を含むマイクロボロメータシステム１００である。モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０の各レンズが、複数のピクセルまたはサブピクセルアレイ１２２を有するマイクロボロメータセンサアレイ１２０上に赤外線エネルギーを集束するように構成される。一実施形態によれば、モザイクフィルタ／集束レンズアレイ１１０の各素子１１２および／または１１６は、マイクロボロメータセンサアレイ１２０の各ピクセルまたはサブピクセルアレイ１２２の上に取り付けられる。マイクロボロメータシステム１００のフィルタ／集束レンズアレイ１１０は、フィルタモザイクをマスクオフし、隣接するアレイ素子間の赤外線エネルギーの通過を阻止するフレームまたはグリッドを形成する反射コーティンググリッド１１４を有する。
【００３７】
図６に示されるように、マイクロボロメータシステム１００は３ｘ３アレイを有するが、その他多くの組み合わせが可能である。フィルタアレイ１１０の各レンズ１１２は、狭い帯域幅のＬＷＩＲエネルギーを、その直下の対応する個々のマイクロボロメータ焦点面センサ素子１２２に通過させ、集束されたＬＷＩＲエネルギーの円形スポットを生成する。スポットのサイズは、エレメント１２２の表面積の大きさを利用するのに十分大きくすることができるが、好ましくは、その面積全体を包含するほど大きくなく、集束スポットの外側領域に、ベースライン減算に使用することができる暗所になるピクセルを残してもよい。一実施形態によれば、各マイクロボロメータアレイセンサ素子は、任意のｎ×ｎサイズ、例えば、９００個のセンサ素子を有する３０×３０個のピクセルセンサ、または６４００個のピクセルセンサを有する８０×８０のような大きいオーダであってもよい。図６では、例えば、フィルタアレイ素子１１２ａは、対応するマイクロボロメータセンサ素子１２２ａの表面上のスポットにエネルギーを集束させる。スポットサイズは、センサアレイ１２２ａの総表面積よりも小さく、おそらく５０％のみが赤外線エネルギーに露出されるが、他の大きなパーセンテージであってもよく、全体よりは小さいが、はるかに大きくても、はるかに小さくてもよい。実際、センサの残りの非露光領域は、フィルタアレイ１１０上の反射金属グリッド１１４のために、暗所にある。暗ピクセルは、ベースライン減算などの信号処理に使用することができる。
【００３８】
一実施形態によれば、各マイクロボロメータアレイセンサ素子１２２は、同一のシリコンダイ上に製造されてもよく、または個々のシリコンダイであってもよい。各マイクロボロメータアレイ素子の回路を作成するＣＭＯＳプロセスは、ピクセルアレイ１２２を作成するＭＥＭＳ製造と共に使用することができる。システム１００の読出し回路は、各マイクロボロメータアレイ素子の一部であってもよく、それは同じシリコンダイ上にあっても、個々のダイ上にあってもよい。一実施形態によれば、各アレイ１２２からの電気信号を分割するために、第２のシリコンウエハ１２８は、マイクロボロメータアレイ素子を含むウエハに接合され得る。この第２のウエハは、周辺にあるマイクロボロメータセンサアレイ素子によって囲まれたマイクロボロメータアレイ素子に、信号が到達することを可能にするインターポーザとして機能し得る。例えば、図６を参照すると、中央ピクセルアレイ１２２は、その下のインターポーザ層を使用せずには、外部エレクトロニクスに接続することができない場合がある。
【００３９】
図７を参照すると、図７は、一実施形態における、マイクロボロメータシステム１００によって生成されたデータを示すピクセルマップ２００である。凸レンズ構造１１２は、図１に示されるように、マイクロボロメータセンサアレイ表面に集中および／または集束される熱エネルギーのコーンをもたらす。凸レンズ構造または実質的凸レンズ構造から生じる熱エネルギーのこの集束コーンは、エネルギバックグラウンド１３２中にエネルギーのピーク１３０を形成する。
【００４０】
他の一実施形態では、センサアレイ１２０は、入射電磁放射線のパワーを検出または測定するように構成された他の任意のセンサであってもよい。例えば、センサアレイ１２０は、サーモパイル、焦電体、サーミスタ、生体材料マイクロカンチレバー熱センサ、およびサーマルダイオードを含む二次元アレイであってもよい。一実施形態によれば、センサアレイは、２μｍ〜１５μｍを含む、中波から長波までの赤外線帯域で感度を有する。周囲温度動作マイクロボロメータ感度は、２０ｍＫから１００ｍＫの範囲の雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）として特定することができ、いくつかの技術は、バイマテリアルマイクロカンチレバー熱センサアレイを含み、ＮＥＴＤを約３ｍＫまで押している。
【００４１】
一実施形態によれば、カスタムマイクロボロメータアレイ１２０は、フィルタ素子１１６に関連する１以上のピクセルアレイ１２２をピクセルサブアレイ１２２に分割できるように設計することができる。ピクセルアレイをより小さいサブアレイに分割することによって、ピクセル電圧ゲイン、バイアス電圧、およびオフセット電圧は、互いに独立に調整することができる。例えば、幾つかのターゲットガスは高い吸収ピークを有して増幅器の利得がより少なくてもよく、これに対し、吸収ピークが低いガスは増幅器の利得がより高いことを必要とする。しかし、ほとんどのマイクロボロメータアレイセンサは、一般的に、利用可能な１つのグローバルゲイン、バイアス、およびオフセット調整を有し、これは一部のガスのダイナミックレンジおよび信号対雑音比を犠牲にすることがある。アレイを、各々が自分の増幅器回路を有するサブアレイに分割することによって、より大きな柔軟性を提供することができる。例えば、亜酸化窒素は、１６．９４９μｍに強い吸収を有し、吸収信号を測定するために低い利得を必要とし、一方、ハロタンのような他の麻酔ガスは、高い利得設定を必要とする。マイクロボロメータの増幅器ゲインは、電荷を収集する積分器回路で設定され、積分時間が長いほど、ゲインがより大きいことを意味する。積分時間が長いと、センサのフレームレートが低減し、これは低ゲイン設定だとフレームレートをより高くできることと対照的である。例えば、図６を参照すると、９つの異なる利得値、９つの異なるバイアス電圧、および９つの異なるフレームレートが存在し、９つの個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子１２２から来るデータを収集することができる。
【００４２】
実際、サブピクセルアレイの別の利点は、ピクセルアレイ全体に対して１つの読み出しチャンネルがあるのとは対照的に、各々が自分の読み出しチャンネルを有し、データ読み出し速度を増加させることができることである。また、より速い読み出しは、センサのフレームレートを増加させることができ、従って、ガスサンプルのサンプリングがより速くなり、リアルタイム測定を改善することができる。実際、マイクロボロメータピクセルアレイは、サブアレイ領域で読み出すことができ、データ読み出しの速度を増加させ、データ記憶および処理に必要なメモリの量を減少させる。例えば、複数の麻酔ガスのうち１つまたは幾つかのみを同時に使用する場合、その１つ以上のガスについての帯域通過フィルタの下のピクセルアレイの部分のみが読み出される必要がある。配列の残りは読み出されないか、または関連のないデータは破棄される。
【００４３】
単一素子ではなく個々のマイクロボロメータアレイセンサ素子１２２の別の利点は、複数の異なるマイクロボロメータセンサ材料でマイクロボロメータを製造することが可能だということである。センサに使用される異なる各材料は、黒体熱源に露出されたとき、異なる波長の熱エネルギーに対して異なる応答性を有する。個々のマイクロボロメータアレイセンサ素子１２２では、そのマイクロボロメータアレイの各素子に使用されるマイクロボロメータ感知材料を異ならせることが可能である。９つの個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子１２２を有する３ｘ３アレイを参照すると、９つの素子のうちの１つは、酸化バナジウムをベースとする素子であってもよく、他の素子は、アモルファスシリコンをベースとする素子であってもよく、麻酔ガスを検出するためにこれらの個々のセンサ素子が必要とする赤外線エネルギーのターゲット帯域幅において熱エネルギーに対する最良の応答性を提供し得る。
【００４４】
一実施形態によれば、異なる波長の複数のフィルタを有することは、各ターゲットガスに対して３つ以上の波長を使用できることを含む、多数の利益がある。例えば、２つ以上の波長を使用する場合、測定の信号対雑音比を改善するために追加測定を行うことができる。例えば、イソフルランは、１１６７．５ｃｍ−１および１２１２ｃｍ−１で最も強い吸収ピークを有する。これら２つのピークを中心とするフィルタを有する２つのフィルタを提供することによって、両方を用いて全吸収値を計算することができ、それによって信号対雑音比を改善する。
【００４５】
一実施形態によれば、麻酔ガス濃度が所与のフレーム速度と感度で同時に測定され、マイクロボロメータセンサの熱時定数が改善し続けるマイクロボロメータシステム１００では、患者に供給されるガス濃度だけでなく、カプノグラフィにおけるＣＯ２モニタリングのような呼気ごとに患者によって吐出されるガスの残留濃度を測定することが可能である。これにより、例えば、麻酔科医は何が入り、何が出るのかを知り、患者がどれだけ吸収したかを判断することができる。
【００４６】
一実施形態によれば、マイクロボロメータシステム１００は、工場で、および／またはシステムの使用前、使用中または使用後に較正することができる。例えば、システムは、センサアレイの熱ドリフトを防止するために、周囲温度を超える一定の温度に維持することができる。エネルギーをブロックする反射フィルタモザイク素子の下に位置するサブピクセルアレイは、赤外線源がオンであるか否かに関わらず、ダークバックグラウンド減算（ｄａｒｋ  ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ  ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）に使用することができる。次いで、アレイの不良（ｄｅａｄ  ｏｒ  ｂａｄ）ピクセルマップを作成し、不良ピクセルをデータセット計算から排除することができる。一実施形態によれば、ピクセルアレイのアクティブ領域のダイナミックレンジおよびゲイン感度の最適化されたバランスを取得し、各ガス種に対する所望の解像度をカバーするように、ソースエネルギーを調整することができる。
【００４７】
一実施形態によれば、マイクロボロメータシステム１００は、気道測定システムのようなより大きなシステムの一部として利用することができる。対象ガスの吸収係数に応じて、光路長は長くてもよく、１メートル以上であってもよく、そのため、この光路長を短くするために、システム内のより短い光路長に１つ以上の光反射（ｏｐｔｉｃａｌ  ｂｏｕｎｃｅｓ）があり、より短い物理距離で等価光路長としてもよい。
【００４８】
ここで定義し用いたすべての定義は、辞書の定義、参照援用した文献における定義、及び／又は定義された用語の通常の意味で用いられていると理解すべきである。
【００４９】
本明細書及び特許請求の範囲で使われている不定冠詞「ａ」と「ａｎ」は、特段の断りがなければ、「少なくとも１つの」を意味するものと理解すべきである。
【００５０】
本明細書及び特許請求の範囲において使用する「及び／又は」とは、接続された要素の「どちらか一方」または「両方」を意味する。すなわち、ある場合には要素が結合的にあり、、他の場合には要素が非結合的にある。「及び／又は」でリストされた複数の要素は、同様に解釈されるべきであり、すなわち「１つ以上の」要素が結合される。「及び／又は」で具体的に特定された要素以外の他の要素が、その具体的に特定された要素に関係してもしなくても、任意的あってもよい。
【００５１】
本明細書及び特許請求の範囲において用いられる「又は」とは、上記「及び／又は」と同じ意味であると理解すべきである。例えば、リスト中のアイテムに使う時、「又は」と「及び／又は」は包含的に、すなわち複数の又はリストの要素のうち１つ少なくとも１つを含み、また２つ以上を含むものと解釈しなければならない。逆に、「１つだけ」または「正確に１つ」のように、または特許請求の範囲において使用される「よりなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」という用語は、幾つかのまたは要素リスト中のただ１つの要素を含むことを指す。一般的に、本明細書で用いる用語「又は（ｏｒ）」は、排他性を示す用語、例えば、「どちらか（ｅｉｔｈｅｒ）」、「のうち一方（ｏｎｅ  ｏｆ）」、「のうち１つのみ（ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」、または「のうちただ１つ（ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ）」排他的代替関係（すなわち、「両方ではなくどちらか一方」）を示すものと解釈される。
【００５２】
本明細書と特許請求の範囲で用いるように、１つ以上の要素のリストを参照して「少なくとも１つの」とは、その要素のリスト中の１つ以上の任意の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味し、必ずしも、その要素のリスト中に具体的にリストされたすべての要素を少なくとも１つずつ含むことは意味せず、その要素のリスト中の要素の任意の組合せを排除するものではない。また、この定義により、「少なくとも１つの」というフレーズが参照する要素のリストで具体的に特定された要素以外の要素が、その具体的に特定された要素に関係するしないにかかわらず、任意的にあってもよい。
【００５３】
また、言うまでもなく、反対に明確に示されていない限り、２つ以上のステップまたは動作を含む本明細書で特許請求される任意の方法において、方法のステップまたは動作の順序は、必ずしも方法のステップまたは動作が列挙される順序に限定されるものではない。
【００５４】
特許請求の範囲および明細書では、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担う（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「構成する（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」などの全ての移行句は、オープンエンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）であり、すなわち、限定せず、含むことを意味するものと解釈すべきである。移行フレーズ「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」及び「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」のみが、各々クローズド又はセミクローズドな移行句である。
【００５５】
本明細書において発明のいくつかの実施形態を記載し説明してきたが、当業者は、本明細書において説明した機能を実行し、および／または結果や一以上の利点を得るための他の様々な手段および／または装置に容易に想到でき、そのような変形および／または修正の各々は、本明細書に記載される本発明の実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者には言うまでもないが、本明細書に記載された全てのパラメータ、寸法、材料及び構成は例示的なものであり、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される特定のアプリケーションに依存する。当業者は、本明細書に記載の本発明の具体的な実施形態に対する多くの均等物を認識するか、または定常的な実験を用いて確認できる。したがって、言うまでもなく、前述の実施形態は単なる例示として提示され、添付の特許請求の範囲およびそれと均等の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に記載され特許請求される以外の方法で実施され得る。本開示の発明実施形態は、本明細書に記載した個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。さらに、そのような特徴、システム、物品、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、そのような特徴、システム、物品、キットおよび／または方法の２つ以上の任意の組み合わせは、本開示の発明範囲内である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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