MICROSENSOR DE INFRARROJOS.

Microsensor (1) para la detección de radiación electromagnética,

cuya longitud de onda se sitúa especialmente en el rango de los infrarrojos o cerca del mismo, que presenta - un substrato (4); - una cámara de medición (2) llenada de un fluido o gel que absorbe de forma selectiva la radiación y que está formada por un rebaje practicado en el substrato (4); - una capa de ventana (7) que recubre el rebaje en su lado activo; en el que la capa de ventana (7) forma una ventana de entrada (3); en el que la radiación penetra en la cámara de medición (2) a través de la ventana de entrada (3), reaccionando el fluido o el gel a la absorción de la radiación (1) con una modificación de la densidad que provoca una modificación del volumen; - un tubo ascendente (11) que está conectado con la cámara de medición (2), en el que el fluido o gel forma una columna de altura variable; en el que el tubo ascendente (11) está abierto por encima del menisco (15) formado por la superficie de la columna; - un medio para medir la altura; - una cámara de compensación (5) que constituye un depósito y que, asimismo, está formada por un rebaje practicado en el substrato (4); y - un tubo capilar de compensación; en el que la cámara de compensación (5) está comunicada con la cámara de medición (2) a través del tubo capilar de compensación (6) y encontrándose asimismo llena del fluido o gel; en el que la cámara de compensación presenta una abertura por la que existe una presión ambiental por encima del fluido o gel; y en el que la cámara de compensación (5) está protegida contra la entrada de la radiación (1) a medir

La presente invención se refiere a un sensor, en especial un microsensor para la detección de radiación electromagnética, cuya longitud de onda se sitúa especialmente en el rango de los infrarrojos o cerca del mismo. El sensor presenta una cámara de medición llena de un fluido o un gel que absorbe de forma selectiva la radiación, entrando la radiación a través de una ventana de entrada a la cámara de medición y reaccionando el fluido o gel a la absorción de la radiación con una modificación de su volumen.

Por la patente DE 197 18 732 A1 se conoce un sensor que funciona de acuerdo con un principio similar. Éste tiene, por ejemplo, un absorbente formado por un fluido que es selectivo para determinadas longitudes de onda. La modificación de volumen del fluido se mide por un sensor mecánico que transforma la modificación del volumen en una modificación de longitud y luego en una señal eléctrica. Debido al material absorbente selectivo, la sensibilidad del sensor es relativamente alta. Su estructura compleja es, sin embargo, contraria a una fabricación en masa y, sobre todo, a una miniaturización a un rango por debajo de 1 mm.

Por el documento US 4.634.870 se muestra un sensor de IR con una célula llena de gas cuya cara posterior está recubierta por una membrana. Los rayos infrarrojos incidentes calientan el gas en la célula que se expande correspondientemente y provoca una curvatura medible de la membrana. Un sensor IR de tipo similar se muestra en los documentos GB 1415078 y US 4.788.428.

En Kenny T.W. y otros: “Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers” (“Sensores de infrarrojos miniaturizados que utilizan transductores de desplazamiento de túnel”), Review of Scientific Instruments (Revista de instrumentos científicos), American Institute of Physics (Instituto Americano de Física), Melville, NY, EEUU, tomo 67, nº 1, enero de 1996, se describe un microsensor en forma de una célula de Golay que detecta una radiación IR incidente.

Por el documento GB 1 111 712 A se conoce un sensor lleno de líquido. El líquido se encuentra en una cámara hueca del sensor que desemboca en un tubo ascendente abierto hacia arriba. Un calentamiento del líquido al incidir la radiación infrarroja provoca su expansión que puede ser medida en el tubo ascendente.

Además, se conocen bolómetros y detectores piroeléctricos. Al contrario de los sensores semiconductores asimismo conocidos, éstos no necesitan ser enfriados. En este tipo de sensores, el cambio de temperatura provocado por la radiación infrarroja absorbida es transformado directamente en una magnitud eléctrica. En el caso del bolómetro se utiliza como absorbente óxido de vanadio o titanato del bario-estroncio ferroeléctrico, o bien silicio amorfo. En principio, lo que se intenta conseguir con el elemento absorbente utilizado es la máxima modificación posible de la resistencia eléctrica con una modificación de temperatura.

Al contrario de los bolómetros, los sensores piroeléctricos aprovechan el denominado efecto piroeléctrico, que provoca el cambio de la polarización espontánea de un cristal ferroeléctrico debido a un cambio de temperatura. Debido a ello, se genera una carga en las superficies exteriores del cristal. Como sensores piroeléctricos se conocen, además, los denominados sensores de luz alterna donde los rayos incidentes son modulados en su intensidad, por ejemplo, mediante un chopper.

La sensibilidad D de los sensores térmicos conocidos que no son refrigerados se sitúa como máximo en D* = 109 cm Hz1/2 / W. Estos sensores tienen una sensibilidad ampliamente independiente de la longitud de onda de la radiación infrarroja incidente. Comparado con sensores semiconductores refrigerados, la sensibilidad de los sensores térmicos es inferior en dos hasta tres rangos de magnitud. Mediante filtros se consigue una selectividad con respecto a determinadas longitudes de onda, sin embargo, dichos filtros aumentan los costes y a la vez disminuyen la sensibilidad.

Al contrario de los sensores semiconductores, los demás sensores presentan un inconveniente esencial que es que son susceptibles a cambios de la temperatura ambiente y, por lo tanto, han de ser accionados a una temperatura constante. Este requisito necesita la incorporación de los medios correspondientes para el ajuste de la temperatura, lo cual aumenta otra vez los costes de producción. Para aumentar la sensibilidad se pueden incorporar los sensores en una envolvente de vacío lo cual, asimismo, aumenta los costes de producción y reduce la vida útil, en especial, al utilizarlos en un entorno especialmente hostil. Un gran inconveniente es, por lo tanto, además de la sensibilidad relativamente baja, que conjuntos de sensores térmicos resultan demasiado costosos para su amplia aplicación masiva. También resulta ser un inconveniente de los sensores piroeléctricos que, a medida que decrece su grosor, pierden propiedades interesantes para la tecnología de sensores de infrarrojos, lo cual obstaculiza la miniaturización.

Por lo tanto, el objetivo de la invención consiste en dar a conocer un microsensor de construcción sencilla, robusto y de fabricación económica que puede funcionar con medios sencillos sin refrigeración o sin tener que mantener una temperatura constante y mediante el cual se puede absorber, en especial, radiación infrarroja con una sensibilidad elevada.

Este objetivo se consigue mediante un microsensor que presenta las características de la reivindicación 1. Realizaciones muy ventajosas del microsensor, según la invención, están indicadas en las reivindicaciones dependientes.

En primer lugar, un idea fundamental de la invención consiste en alojar los componentes esenciales del sensor en un substrato a tratar con la correspondiente tecnología de microsistemas y medir la altura de llenado del fluido o del gel dentro de un tubo ascendente conformado especialmente como tubo capilar que está comunicado con la cámara de medición. La altura de llenado da lugar a una columna de líquido en el tubo ascendente cuya altura está relacionada directamente con la modificación del volumen. Debido a que las paredes de la cámara son relativamente rígidas, la modificación del volumen es la consecuencia del cambio de presión en el fluido que se expande en el tubo ascendente. De acuerdo con la invención, la cámara de medición está formada por un rebaje practicado en el substrato que está recubierto en su lado “activo” por la capa de ventana que constituye la ventana de entrada, siendo la capa de ventana permeable para la radiación a medir.

Para medir la altura de llenado del fluido que va cambiando en el tubo ascendente, se prevé un medio que funciona especialmente de forma eléctrica u óptica. Muy ventajoso resulta que el fluido sea un electrolito, especialmente un líquido iónico con una presión de vapor relativamente reducida, y que el fluido debería estar adaptado a las características de la radiación a medir a efectos de poder absorber esta radiación de la forma más selectiva posible. A estos efectos se denominan líquidos iónicos aquellos líquidos que contienen exclusivamente iones. Es decir, se trata de sales líquidas sin que la sal esté disuelta en un disolvente tal como agua. Los líquidos iónicos son sales que ya se encuentran en estado líquido a temperaturas por debajo de 100º C.

La ventaja especial de este microsensor es su alta sensitividad y, sobre todo, que según una realización que será descrita a continuación, no necesita mantener una temperatura constante. Además, puede ser construido realmente en dimensiones microscópicas de pocos micrómetros, estando las dimensiones limitadas hacia abajo sólo por la profundidad de penetración de los rayos en la cámara de medición. En cuanto a ello, los microsensores para radiación infrarroja pueden construirse con volúmenes de cámara por debajo de 1000 fl, en especial hasta llegar a aproximadamente 10 fl, siempre y cuando lo permite el modo de fabricación. Resulta muy ventajoso que la expansión de la cámara se sitúe en la dimensión de la profundidad de penetración de los rayos, que debería oscilar entre 1 y 10 micrómetros en el fluido elegido específicamente. Por lo tanto, también es una idea fundamental de la invención seleccionar adecuadamente el tipo de fluido en relación con las dimensiones de la cámara, de tal manera que la profundidad de la cámara que se extiende detrás de la ventana de entrada corresponda a menos de diez veces, especialmente menos de cinco veces la profundidad de penetración de los rayos que penetran... [Seguir leyendo]

1. Microsensor (1) para la detección de radiación electromagnética, cuya longitud de onda se sitúa especialmente en el rango de los infrarrojos o cerca del mismo, que presenta

- un substrato (4);

- una cámara de medición (2) llenada de un fluido o gel que absorbe de forma selectiva la radiación y que está formada por un rebaje practicado en el substrato (4);

- una capa de ventana (7) que recubre el rebaje en su lado activo; en el que la capa de ventana (7) forma una ventana de entrada (3); en el que la radiación penetra en la cámara de medición (2) a través de la ventana de entrada (3), reaccionando el fluido o el gel a la absorción de la radiación (1) con una modificación de la densidad que provoca una modificación del volumen;

- un tubo ascendente (11) que está conectado con la cámara de medición (2), en el que el fluido o gel forma una columna de altura variable; en el que el tubo ascendente (11) está abierto por encima del menisco (15) formado por la superficie de la columna;

- un medio para medir la altura;

- una cámara de compensación (5) que constituye un depósito y que, asimismo, está formada por un rebaje practicado en el substrato (4); y

- un tubo capilar de compensación; en el que la cámara de compensación (5) está comunicada con la cámara de medición (2) a través del tubo capilar de compensación (6) y encontrándose asimismo llena del fluido o gel; en el que la cámara de compensación presenta una abertura por la que existe una presión ambiental por encima del fluido o gel; y en el que la cámara de compensación (5) está protegida contra la entrada de la radiación (1) a medir.

2. Microsensor, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo ascendente está conformado como tubo capilar.

3. Microsensor, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la cámara de medición (2) y el tubo ascendente

(11) están incorporados en el substrato (4) formado, especialmente, por una oblea de silicio mediante un procedimiento litográfico.

4. Microsensor, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el tubo ascendente (11) está formado por un estrechamiento de la cámara de medición (2) a modo de chimenea, que está dispuesta en el lado opuesto al de la ventana de entrada (3).

5. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la profundidad de la cámara de medición (2) que se extiende detrás de la ventana de entrada (3) y el tipo de fluido o gel, son seleccionados de tal manera que la profundidad corresponde a menos de diez veces, en especial, menos de cinco veces la profundidad de penetración de la radiación (1) en el fluido o gel.

6. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara de medición (2) presenta un volumen de medición del orden de menos de 1000 fl, en particular menos de 100 fl.

7. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara de medición (2) incorporada en el substrato (4) está recubierta por una capa aislante (9) en su lado opuesto al lado activo.

8. Microsensor, según la reivindicación 7, caracterizado porque la capa aislante (9) presenta una abertura por encima de la cámara de compensación (5) y una abertura encima del tubo ascendente (11), estando la abertura (10) por encima de la cámara de compensación (5) destinada al llenado y a la compensación de la presión.

9. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el substrato (4) presenta un grosor de menos de 200 micras, en especial, menos de 100 micrómetros.

10. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de ventana (7) está formada por pirex o silicio y tiene un grosor de menos de 10 micrómetros, estando la capa de ventana (7) ligada sobre el substrato (4).

11. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara de compensación (5) y el tubo capilar de compensación (6) asimismo son introducidos en el substrato (4), en especial mediante ataque químico.

12. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio para medir la altura de ascenso dentro del tubo ascendente (11) presenta un electrodo de trabajo (16) y un contraelectrodo (13), encontrándose el fluido o gel entre los electrodos (13, 16), estando como mínimo el electrodo de trabajo (16)

constituido como electrodo de inmersión sumergido en el tubo ascendente (11), de manera que la modificación del volumen modifica la superficie humedecida del electrodo de trabajo (16).

13. Microsensor, según la reivindicación 12, caracterizado porque cada uno de los electrodos (13, 16) está formado por una capa de metal, en especial una capa de oro, que presenta un grosor de pocos micrómetros y está aplicado sobre la capa aislante (9) mediante chisporroteo.

14. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido es un líquido iónico.

15. Microsensor, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la cámara de medición (2) llena de fluido o gel se encuentra un material sólido que absorbe la radiación y que está presente especialmente en forma de pequeñas partículas individuales o en forma de una estructura esponjosa o a modo de red.

16. Substrato, en especial oblea de silicio, con múltiples microsensores, según una de las reivindicaciones anteriores, que conforman un conjunto de sensores.

17. Procedimiento para la lectura de un conjunto de sensores, según la reivindicación 16, caracterizado porque un rayo de luz (27) que sale de una fuente de luz (26) incide sobre la superficie del conjunto de sensores en un ángulo de incidencia y porque la luz reflejada en elevaciones (25) es registrada a través de un chip de cámara (29).