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氣體傳感器的制作方法

文檔序號(hào):11823675閱讀:208來源:國知局
氣體傳感器的制作方法與工藝

本發(fā)明描述了一種具有MEMS隔膜的氣體傳感器。實(shí)施例示出了利用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))多晶片方案的PAS(光聲傳感器)模塊。



背景技術(shù):

亦稱微機(jī)電系統(tǒng)的MEMS裝置常常被用作傳感器、譬如加速度傳感器、壓力傳感器或聲波傳感器(麥克風(fēng))。所有這些MEMS裝置都具有可移動(dòng)元件、例如隔膜或懸臂,其中可移動(dòng)元件的比如由于壓力改變或加速度引起的移動(dòng)可以以電容方式被檢測(cè)。這樣,MEMS裝置的常見變型包括作為可移動(dòng)元件的可移動(dòng)電極以及固定電極,所述固定電極與可移動(dòng)電極相對(duì),使得兩個(gè)電極之間的距離改變(由于可移動(dòng)元件的移動(dòng)造成)可以導(dǎo)致電容改變。

迄今為止的氣體傳感器系統(tǒng)利用具有毫米至厘米范圍內(nèi)的尺寸的部件。因此,例如紅外發(fā)射體之類的部件具有相對(duì)大的熱質(zhì)量,由此需要高功率來運(yùn)行氣體傳感器。這使系統(tǒng)變得遲鈍,并且僅僅容許非常小的占空比(英語:Duty Cycle)。因此,限制了快速校準(zhǔn)和快速測(cè)量的可能性。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

因此存在的需求是,創(chuàng)造一種用于氣體傳感器的改進(jìn)的方案。

該需求由獨(dú)立權(quán)利要求的主題來解決。根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求中加以定義。

實(shí)施例示出了氣體傳感器,其包括傳感器元件、測(cè)量室以及發(fā)射體元件。傳感器元件具有MEMS隔膜,其中MEMS隔膜布置在第一襯底區(qū)域中。另外,測(cè)量室被構(gòu)造用于容納測(cè)量氣體。發(fā)射體元件被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射,其中該電磁輻射經(jīng)過從發(fā)射體元件出發(fā)具有測(cè)量室的輻射路徑。此外,發(fā)射體元件和傳感器元件被彼此固定地布置、即例如彼此機(jī)械連接。

針對(duì)例如小型化的氣體傳感器,有利地利用以MEMS技術(shù)制造的部件的組合。這些部件可以在所謂的晶片疊層或襯底疊層(晶片或襯底堆)中被連接并且形成發(fā)射體以及傳感器,所述發(fā)射體和傳感器又可以彼此連接。氣體傳感器例如可以是利用光聲效應(yīng)的PAS傳感器(光聲傳感器)。

光聲效應(yīng)是一種利用光聲學(xué)的物理效應(yīng)。該效應(yīng)描述了光能到聲能(聲音)的轉(zhuǎn)換。如果例如氣體之類的傳播介質(zhì)被用光照射,則光能的一部分被介質(zhì)吸?。ㄎ眨┎⑶冶晦D(zhuǎn)換成熱能。通過熱傳導(dǎo),該能量在有限時(shí)間以后分布在介質(zhì)中,并且在介質(zhì)中出現(xiàn)最低升高的溫度。通過熱輸送,尤其是導(dǎo)致體積擴(kuò)大。如果介質(zhì)被用閃光序列或一般而言被用電磁輻射脈沖照射,則導(dǎo)致周期性升溫和冷卻。體積膨脹和縮小的該不斷變換是聲源。這可以是固體中的固體聲或者氣體中的正常聲音。

通過整個(gè)傳感器系統(tǒng)的非常小的尺寸得出優(yōu)點(diǎn),由此可以實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的非常小的熱質(zhì)量。由此減小了功耗,以及實(shí)現(xiàn)了高的開關(guān)速度,由此導(dǎo)致非常高的占空比(英語:duty cycle),并由此導(dǎo)致長(zhǎng)的總壽命。同樣由較高的開關(guān)速度導(dǎo)致測(cè)量的較短的測(cè)量周期,由此可以在相同時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更大數(shù)目次測(cè)量。因此,所述氣體傳感器對(duì)應(yīng)于最高質(zhì)量要求,并且與常規(guī)氣體傳感器相比具有延長(zhǎng)的壽命。

實(shí)施例示出了氣體傳感器,其包括傳感器元件、測(cè)量室以及發(fā)射體元件。傳感器元件具有MEMS隔膜和參考室,該參考室具有位于其中的參考流體,其中MEMS隔膜布置在第一襯底區(qū)域中并且參考室的腔體布置在第二襯底區(qū)域中。第一和第二襯底區(qū)域密封地封閉,并且彼此連接。測(cè)量室被構(gòu)造用于容納測(cè)量氣體。發(fā)射體元件被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射,其中該電磁輻射經(jīng)過從發(fā)射體元件出發(fā)具有測(cè)量室和參考室的輻射路徑,其中測(cè)量室通過針對(duì)電磁輻射可透過的層在空間上與參考室隔開。此外,發(fā)射體元件和傳感器元件彼此機(jī)械連接。具有參考室以及存在于其中的參考?xì)怏w的實(shí)施方案是有利的,因?yàn)閴毫y(cè)量在封閉和已知的參考體積中進(jìn)行,并且因此提供更大數(shù)目種實(shí)現(xiàn)方案可用。背景是:MEMS隔膜或傳感器元件對(duì)測(cè)量氣體的完全或部分選擇性的可變調(diào)節(jié)可能性或者對(duì)交叉靈敏度的避免。這樣,如果參考?xì)怏w是純凈的并且不存在“干擾氣體”,則傳感器元件就僅僅對(duì)參考?xì)怏w的吸收波長(zhǎng)做出反應(yīng)。如果存在干擾氣體,則可能在參考?xì)怏w(或測(cè)量氣體)和干擾氣體的吸收波長(zhǎng)重疊之處出現(xiàn)交叉靈敏度。這樣,例如在測(cè)量CO2的情況下,在大約2.2μm波長(zhǎng)處存在對(duì)濕氣的交叉靈敏度,因?yàn)樵谀抢锒趸己退奈諑е丿B。

實(shí)施例示出:MEMS隔膜被構(gòu)造用于將電磁輻射的存在于參考室中的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。該轉(zhuǎn)換例如通過如下方式進(jìn)行:MEMS隔膜被構(gòu)造成,根據(jù)電磁輻射的當(dāng)前能量具有偏轉(zhuǎn)。這是有利的,因?yàn)殡姶泡椛鋵⒖剂黧w激發(fā)到提高的振蕩,并且因此參考室中的提高的粒子運(yùn)動(dòng)或提高的壓力可以由MEMS隔膜或利用MEMS隔膜形成的傳感器來測(cè)量。

根據(jù)實(shí)施例,發(fā)射體元件被構(gòu)造用于以典型地大于0.1Hz或大于0.5Hz或大于1Hz的頻率脈沖式地發(fā)射電磁輻射。這是有利的,因?yàn)橐虼丝梢栽谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)執(zhí)行提高數(shù)目次測(cè)量。另外,因此例如在連續(xù)測(cè)量時(shí)提高了測(cè)量密度,其中因此在測(cè)量室中更快地探測(cè)到測(cè)量氣體的改變。

另外,實(shí)施例示出了包括第一和第二襯底區(qū)域的發(fā)射體元件,其中第一襯底區(qū)域具有發(fā)射體單元,所述發(fā)射體單元被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射。第二襯底區(qū)域具有腔體,該腔體被構(gòu)造用于最小化發(fā)射體元件的熱質(zhì)量。這是有利的,因?yàn)橐虼丝梢詫?shí)現(xiàn)發(fā)射體元件的已經(jīng)描述的快速開關(guān)時(shí)間。另外,減少了傳感器的不必要的加熱。傳感器的升溫可能導(dǎo)致更快的退化。氣體傳感器的用于排出過剩熱量的冷卻裝置由此可以被確定為更小尺寸或被完全除去。

此外,傳感器或MEMS隔膜優(yōu)選地處于由發(fā)射體發(fā)出的電磁輻射的直接光路之外,以便減少M(fèi)EMS隔膜由于直接電磁輻射引起的加熱。另一實(shí)施例示出了具有蔭罩的氣體傳感器,所述蔭罩布置在輻射路徑中,其中蔭罩被構(gòu)造用于減少發(fā)射體元件到MEMS隔膜上的直接電磁輻射。這是有利的,因?yàn)橐虼搜舆t了MEMS隔膜的退化,因?yàn)镸EMS隔膜遭受電磁輻射的顯著更少的部分。另外,位于MEMS隔膜之后的壓力平衡室以較少強(qiáng)度被電磁輻射升溫,由此在延長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保證了氣體傳感器的靈敏度或精確度。

根據(jù)另外的實(shí)施例,發(fā)射體元件和傳感器元件被布置在在側(cè)面上向發(fā)射體元件和傳感器元件延伸的投影平面內(nèi)。在此,發(fā)射體元件和傳感器元件布置在殼體中,該殼體被構(gòu)造用于將電磁輻射從發(fā)射體元件反射到傳感器元件上。該布置是有利的,因?yàn)橐虼丝梢詫?shí)現(xiàn)極度扁平的氣體傳感器。在此,氣體傳感器的測(cè)量室可以被構(gòu)造成殼體中的腔體。另外有利的是,將傳感器元件的第一襯底區(qū)域和發(fā)射體元件的第一襯底區(qū)域?qū)嵤┰谙嗤囊r底上和/或?qū)鞲衅髟牡诙r底區(qū)域和發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域?qū)嵤┰谙嗤囊r底上。這是有利的,因?yàn)橐虼丝梢园焉婕皞鞲衅髟泻桶l(fā)射體元件中的相同襯底平面的制造步驟在一個(gè)制造步驟中實(shí)施。因此,該氣體傳感器的制造被簡(jiǎn)化,由此實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)率提升。

根據(jù)另一實(shí)施例,發(fā)射體元件和傳感器元件被布置在在厚度方向上向發(fā)射體元件和傳感器元件延伸的投影平面內(nèi),其中傳感器元件的第二襯底區(qū)域以密封封閉的形式與發(fā)射體元件連接。這是有利的,因?yàn)橐虼藢?shí)現(xiàn)了氣體傳感器的最小的總結(jié)構(gòu)大小。在此,發(fā)射體元件中的腔體和/或發(fā)射體元件與傳感器元件之間的腔體可以形成測(cè)量室。如果測(cè)量室被集成在發(fā)射體元件中,則氣體傳感器在厚度方向上具有最小高度。如果腔體被構(gòu)造在發(fā)射體元件與傳感器元件之間,則發(fā)射體元件可以在空間上同測(cè)量氣體隔開,由此避免了傳感器元件由于測(cè)量氣體導(dǎo)致的可能提高的退化。

另外,實(shí)施例示出了氣體傳感器,其中發(fā)射體元件和傳感器元件的接觸部借助于發(fā)射體元件和傳感器元件內(nèi)的襯底通孔接觸(TSV,貫穿半導(dǎo)體通孔)被引導(dǎo)到共同的襯底平面上,并且被實(shí)施在氣體傳感器的從外部可到達(dá)的主表面區(qū)域上。這是有利的,因?yàn)橐虼藘H僅在氣體傳感器的一位置處實(shí)施氣體傳感器的接觸部并且因此簡(jiǎn)化了接觸。

另外,實(shí)施例描述了:發(fā)射體元件和傳感器元件的接觸部在側(cè)面上被實(shí)施在發(fā)射器元件和傳感器單元的表面區(qū)域處,其中電路板平行于發(fā)射體元件和傳感器元件的厚度方向來布置,并且接觸在側(cè)面實(shí)施的接觸部。這是有利的,因?yàn)閭鞲衅骼缈梢栽跊]有另外的接觸材料的情況下布置在電路板上并且與該電路板電連接。

根據(jù)另外的實(shí)施例,發(fā)射體元件為了發(fā)射電磁輻射而具有發(fā)射體單元,所述發(fā)射體單元是紅外發(fā)射體。

另外的實(shí)施例示出了氣體傳感器,其中MEMS隔膜形成微機(jī)械電容傳感器。微機(jī)械電容傳感器例如是麥克風(fēng)。

附圖說明

本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例在下面參考附圖予以闡述。其中:

圖1a示出了氣體傳感器的示意性側(cè)視圖;

圖1b示出了具有參考室的氣體傳感器的示意性側(cè)視圖;

圖1c示出了發(fā)射體元件和傳感器元件的與圖1a不同布置的氣體傳感器的示意性側(cè)視圖;

圖2a以橫截面圖示出了用在氣體傳感器中的發(fā)射體元件和傳感器元件的示意圖;

圖2b示出了根據(jù)具有參考室的實(shí)施例、用在氣體傳感器中的發(fā)射體元件和傳感器元件的示意圖;

圖2c示出了根據(jù)另一實(shí)施例的用在氣體傳感器中的發(fā)射體元件和傳感器元件的示意圖;

圖2d示出了具有參考室的替代實(shí)施例中的發(fā)射體元件和傳感器元件的示意圖;

圖2e示出了具有處于上部的經(jīng)打孔的相對(duì)電極的發(fā)射體元件的示意圖;

圖3示出了殼體中的氣體傳感器的示意圖,其中發(fā)射體元件和傳感器元件并排布置;

圖4a示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖,其中發(fā)射體元件和傳感器元件在厚度方向上堆疊;

圖4b示出了根據(jù)一個(gè)具有參考室的實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖,其中發(fā)射體元件和傳感器元件在厚度方向上堆疊;

圖4c示出了與圖4b不同的實(shí)施例中的具有參考室的氣體傳感器的示意圖;

圖5a示出了根據(jù)一個(gè)具有氣體傳感器的示例性接觸的實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖;

圖5b示出了根據(jù)一個(gè)具有參考室以及氣體傳感器的示例性接觸的實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖;

圖5c示出了根據(jù)一個(gè)具有參考室以及氣體傳感器的示例性接觸的不同實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖;

圖5d示出了根據(jù)一個(gè)具有氣體傳感器的不同接觸的實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖。

具體實(shí)施方式

在下面對(duì)附圖的描述中,給相同或作用相同的元件配備相同的附圖標(biāo)記,使得其描述在不同實(shí)施例中可以彼此交換。

圖1a示出了氣體傳感器5,其具有傳感器元件10、測(cè)量室15和發(fā)射體元件20。傳感器元件10具有MEMS隔膜25,所述MEMS隔膜25布置在第一襯底區(qū)域40中。測(cè)量室15被構(gòu)造用于容納測(cè)量氣體50。此外,根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,傳感器元件10和發(fā)射體元件20可以具有密封封閉的連接,使得形成密封封閉的測(cè)量室15。這可以延長(zhǎng)發(fā)射體元件20或整個(gè)氣體傳感器的壽命,因?yàn)槠湓诒Wo(hù)氣氛中運(yùn)行。相同的效果也可以通過包圍氣體傳感器的殼體來實(shí)現(xiàn)。MEMS隔膜例如形成微機(jī)械電容傳感器、例如麥克風(fēng)。微機(jī)械電容傳感器被構(gòu)造用于以電容方式測(cè)量MEMS隔膜相對(duì)于相對(duì)電極(未示出)的偏轉(zhuǎn)。

另外,圖1a示出了發(fā)射體元件20、例如紅外發(fā)射體,該發(fā)射體元件20可以被實(shí)現(xiàn)為MEMS元件,該MEMS元件被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射55。電磁輻射55經(jīng)過輻射路徑60,該輻射路徑60從發(fā)射體元件20出發(fā)具有測(cè)量室15。另外,發(fā)射體元件20和傳感器元件10彼此機(jī)械連接。密封封閉的連接是可選的,因?yàn)閷y(cè)量氣體包圍到某體積中例如也可以通過圖3所示的殼體來實(shí)現(xiàn)。另外,還存在測(cè)量氣體的包圍為可選的實(shí)施例。如果測(cè)量氣體不存在于封閉體積中,則有利的是,將測(cè)量氣體或測(cè)量體積實(shí)施成聲學(xué)高通,以便測(cè)量氣體的光聲信號(hào)作用于MEMS隔膜并且避免了到自由空間中的散射。因此,聲學(xué)高通使得能夠在測(cè)量氣體處于自由空間中時(shí)執(zhí)行連續(xù)的測(cè)量。換言之,當(dāng)傳感器元件被實(shí)施成高通時(shí),可以在探測(cè)器的非封閉的體積或參考體積的情況下測(cè)量壓力改變。因此,連續(xù)測(cè)量例如可以利用封閉探測(cè)器或通過將探測(cè)器構(gòu)造成高通來實(shí)現(xiàn)。所描述的實(shí)施例是一種可非常小地構(gòu)建的氣體傳感器,因?yàn)樵摎怏w傳感器沒有在下面描述的具有參考室的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。

改善的測(cè)量結(jié)果可以通過隔離從發(fā)射體元件20經(jīng)由測(cè)量氣體50的熱過渡來實(shí)現(xiàn)。換言之,可能有利的是,避免了測(cè)量氣體50的升溫或者由于測(cè)量氣體的升溫造成的壓力改變對(duì)MEMS隔膜的影響。這可以通過封閉發(fā)射體元件或傳感器元件來實(shí)現(xiàn)。如果發(fā)射體元件或發(fā)射體被實(shí)施為封閉的,則可以在發(fā)射體單元、例如加熱絲之間布置真空或惰性保護(hù)氣體,該發(fā)射體單元實(shí)現(xiàn)發(fā)射體元件到測(cè)量氣體上的紅外輻射,但是防止或至少減小了熱傳播。如果傳感器元件被實(shí)施為封閉的并且發(fā)射體元件20以開放形式存在,則測(cè)量氣體升溫,但是壓力改變不作用于MEMS隔膜。在兩種情況下,光聲信號(hào)都可以在沒有由于升溫造成的測(cè)量氣體膨脹的疊加的情況下來測(cè)量。同樣還可以分別密封地封閉發(fā)射體元件和傳感器元件。

由發(fā)射體元件和傳感器元件構(gòu)成的所述組合可以依照多晶片方案的概念來概括。這實(shí)現(xiàn)了由分別形成開放或封閉發(fā)射體元件或傳感器元件的封閉和開放元件構(gòu)成的任意組合。同樣也可以可選地在封閉體積中實(shí)施測(cè)量室。元件的組合可以是任意的。此外,發(fā)射體元件和/或傳感器元件本身可以由不同襯底元件或晶片的層構(gòu)成。示例性地實(shí)現(xiàn)關(guān)于圖2a-e來描述。

圖1b示出了氣體傳感器5,其具有傳感器元件10、測(cè)量室15和發(fā)射體元件20。傳感器元件10具有MEMS隔膜25和參考室30,該參考室30具有位于其中的參考流體35。MEMS隔膜25布置在第一襯底區(qū)域40中,并且參考室30的腔體布置在第二襯底區(qū)域45中。測(cè)量室15被構(gòu)造用于容納測(cè)量氣體50。另外,構(gòu)造傳感器元件10的第一和第二襯底區(qū)域40、45密封地封閉并且彼此連接。此外,根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,傳感器元件10和發(fā)射體元件20也可以具有密封封閉的連接,使得形成密封封閉的測(cè)量室15。這可以延長(zhǎng)發(fā)射體元件20的壽命。

另外,圖1b示出了發(fā)射體元件20,該發(fā)射體元件20被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射55。電磁輻射55經(jīng)過輻射路徑60,該輻射路徑60從發(fā)射體元件20出發(fā)具有測(cè)量室15和參考室30。為了將測(cè)量氣體和參考流體在空間上彼此隔開,在參考室30與測(cè)量室15之間布置電磁輻射55可透過的層65。另外,發(fā)射體元件20和傳感器元件10彼此機(jī)械連接。

參考流體例如是氣體混合物,該氣體混合物包括要探測(cè)的氣體、例如C02(二氧化碳)、CO(一氧化碳)、NOx(氧化氮)等等、并且可選地包括緩沖氣體。緩沖氣體例如充當(dāng)另外的參考?xì)怏w,其方式是,將參考單元的選擇性擴(kuò)展為氣體混合物或另外的氣體。這樣,在參考室中除了要探測(cè)的氣體以外還可以存在一種或多種另外的氣體,使得氣體傳感器靈敏地對(duì)包括存在于參考?xì)怏w中的氣體的測(cè)量氣體做出反應(yīng)。另外可以將濕氣引入到參考室中,以便確定測(cè)量氣體的濕氣含量。換言之,其充當(dāng)用于修改或優(yōu)化傳輸段的元件,其中傳輸段具有下列步驟。從發(fā)射體元件20的溫度或電磁輻射出發(fā),在參考室30中產(chǎn)生壓力改變,其中該壓力改變依賴于電磁輻射被測(cè)量氣體的吸收(例如成反比)。參考室中的壓力改變可以通過傳感器10中的隔膜的偏轉(zhuǎn)來測(cè)量。另外,可以通過緩沖氣體調(diào)節(jié)氣體傳感器5或傳感器元件10的靈敏度,使得在MEMS隔膜的可預(yù)期的轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的情況下例如通過減小或提高緩沖氣體份額來實(shí)現(xiàn)所期望的靈敏度。

實(shí)施例示出了MEMS隔膜25,其被構(gòu)造用于將電磁輻射的存在于參考室30中的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。輸出信號(hào)可以基于依賴于電磁輻射的當(dāng)前能量的偏轉(zhuǎn)來生成。因此,MEMS隔膜例如可以形成微機(jī)械電容傳感器、例如麥克風(fēng)。微機(jī)械電容傳感器被構(gòu)造用于例如以電容方式測(cè)量MEMS隔膜相對(duì)于相對(duì)電極(未示出)的偏轉(zhuǎn)。

圖1c示出了具有發(fā)射體元件和傳感器元件的與圖1a不同布置的氣體傳感器5的示意圖。圖1b示出了發(fā)射體元件20和傳感器元件10沿著在側(cè)面上穿過發(fā)射體元件和傳感器元件延伸的投影線的布置。在此,發(fā)射體元件20和傳感器元件10在側(cè)面上延伸的主表面區(qū)域處彼此連接。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,電磁輻射55的輻射路徑60延伸穿過與發(fā)射體元件20和傳感器元件10接界的測(cè)量氣體50。電磁輻射55從發(fā)射體元件的發(fā)射電磁輻射所在的主表面區(qū)域75到傳感器元件的電磁輻射進(jìn)入傳感器元件所在的主表面區(qū)域80上的彎曲或偏轉(zhuǎn)例如通過反射性元件(未示出)、比如殼體的對(duì)電磁輻射55起反射性作用的內(nèi)側(cè)來進(jìn)行。圖3示出了該布置的實(shí)施例。

圖2a示出了根據(jù)實(shí)施例用在氣體傳感器中的發(fā)射體元件20和傳感器元件10的示意圖。傳感器元件10除了第一襯底區(qū)域和第二襯底區(qū)域45以外還可以具有第三襯底區(qū)域85,該第三襯底區(qū)域85在此處所示實(shí)施例中是傳感器元件10的封閉元件。類似于傳感器元件,發(fā)射體元件也可以具有第一襯底區(qū)域90和第二襯底區(qū)域95,其中第一襯底區(qū)域90具有發(fā)射體單元100,該發(fā)射體單元100被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射55。發(fā)射體單元100例如是紅外發(fā)射體(IR發(fā)射體),其可以通過加熱絲的曲折形布置來實(shí)現(xiàn)。發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域95具有腔體105,該腔體105被構(gòu)造用于最小化發(fā)射體元件的熱質(zhì)量。根據(jù)另外的實(shí)施例,發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域95可以補(bǔ)充于或替代于腔體105具有針對(duì)電磁輻射55可透過的材料。另外,發(fā)射體元件20也具有第三襯底區(qū)域110,該第三襯底區(qū)域110形成發(fā)射體元件的封閉元件。此外應(yīng)當(dāng)注意,關(guān)于圖2b-d所描述的實(shí)施例也可以應(yīng)用于圖2a。

根據(jù)該布置,發(fā)射體元件20可以形成黑體發(fā)射體(或普朗克發(fā)射體)。理想的黑體發(fā)射體完全吸收任何波長(zhǎng)的入射電磁輻射,并且將所吸收的能量作為具有僅依賴于溫度的特征譜的電磁輻射又進(jìn)行發(fā)射。

圖2b示出了根據(jù)實(shí)施例用在氣體傳感器中的發(fā)射體元件20和傳感器元件10的示意圖。傳感器元件10除了第一襯底區(qū)域和第二襯底區(qū)域45以外還可以具有第三襯底區(qū)域85,該第三襯底區(qū)域85在此處所示實(shí)施例中是傳感器元件10的封閉元件。類似于傳感器元件,發(fā)射體元件也可以具有第一襯底區(qū)域90和第二襯底區(qū)域95,其中第一襯底區(qū)域90具有發(fā)射體單元100,該發(fā)射體單元100被構(gòu)造用于發(fā)射電磁輻射55。發(fā)射體單元100例如是紅外發(fā)射體(IR發(fā)射體),其可以通過加熱絲的曲折形布置來實(shí)現(xiàn)。發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域95具有腔體105,該腔體105被構(gòu)造用于最小化發(fā)射體元件的熱質(zhì)量。根據(jù)另外的實(shí)施例,發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域95可以補(bǔ)充于或替代于腔體105具有電磁輻射55可透過的材料。另外,發(fā)射體元件20也具有第三襯底區(qū)域110,該第三襯底區(qū)域110形成發(fā)射體元件的封閉元件。

根據(jù)該布置,發(fā)射體元件20可以形成黑體發(fā)射體(或普朗克發(fā)射體)。理想的黑體發(fā)射體完全吸收任何波長(zhǎng)的入射電磁輻射,并且將所吸收的能量作為具有僅依賴于溫度的特征譜的電磁輻射又進(jìn)行發(fā)射。

根據(jù)實(shí)施例,發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域95可以類似于傳感器元件的第二襯底區(qū)域的電磁輻射可透過的層65同樣具有電磁輻射可透過的層115,其中在圖4b中示出了層65和115形成測(cè)量室的實(shí)施例。層115還可以可選地具有開口120。開口120可以使參考流體能夠進(jìn)入腔體105,使得延長(zhǎng)從發(fā)射體元件發(fā)出的溫度輻射的吸收路徑。另外,可選地在發(fā)射體元件的第一和第三襯底區(qū)域中形成腔體,所述腔體分別被構(gòu)造用于減小傳感器元件的熱質(zhì)量并且形成用于實(shí)現(xiàn)黑體發(fā)射體的空腔125??蛇x地,空腔125以及105被填充緩沖氣體,該緩沖氣體被構(gòu)造用于最小化發(fā)射體單元的退化和/或改善發(fā)射體元件的質(zhì)量。在該實(shí)施例中有利的是,將層115構(gòu)造為沒有開口120,以便將緩沖氣體同測(cè)量氣體隔開。

可選地,同樣還有在輻射路徑60(在此未繪出)中布置蔭罩130,該蔭罩130被構(gòu)造用于減小輻射體元件到MEMS隔膜25的直接電磁輻射。但是蔭罩允許電磁輻射進(jìn)入?yún)⒖际摇榇?,蔭罩例如僅僅覆蓋傳感器元件的電磁輻射可透過的層的一部分,或者其根據(jù)圖2e中所描述的實(shí)施例在參考室內(nèi)布置在MEMS隔膜之前。換言之,可選的蔭罩不遮蔽參考室30,而是僅僅遮蔽隔膜25。為此,電磁輻射可透過的層65、例如玻璃片有利地在在厚度方向上向隔膜25延伸的投影線的區(qū)域中被鍍層或涂黑。因此,電磁輻射55可以通過與蔭蔽隔膜130接界的區(qū)域激勵(lì)參考室30中的參考流體,但是明顯減少到MEMS隔膜25上的直接電磁輻射。因此,MEMS隔膜明顯更少地加熱,由此減少了由于加熱造成的磨損或故障信號(hào)并且減少了由此造成的相同隔膜的偏轉(zhuǎn)(可與雙金屬材料情況下的效果相比)。

蔭罩130還減少了壓力平衡室135的加熱。壓力平衡室135通過MEMS隔膜25中的開口140與參考室30連接。通過開口來進(jìn)行參考室與壓力平衡室之間的緩慢氣體交換,使得參考室和壓力平衡室中改變的壓力在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)被平衡,并且因此避免了MEMS隔膜25的超過長(zhǎng)時(shí)間段改變的預(yù)應(yīng)力??焖俚膲毫Ω淖儾荒芡ㄟ^開口140來平衡,使得MEMS隔膜25或傳感器元件10可以測(cè)量該快速改變。應(yīng)當(dāng)注意,蔭罩130在所有示出的實(shí)施例中都是可選的,即使其在所屬的圖中被繪出。

傳感器元件和發(fā)射體元件的襯底區(qū)域有利地可以具有硅。因此,在制造方法中,傳感器元件和發(fā)射體元件的相同襯底區(qū)域可以在共同的MEMS制造方法中實(shí)現(xiàn)。分開制造的襯底區(qū)域根據(jù)實(shí)施例被堆疊并且被布置成晶片疊層或襯底疊層(晶片堆或襯底堆)。為了固定襯底區(qū)域,這些襯底區(qū)域例如可以借助于陽極接合或玻璃料接合(英語:Glass frit bonding(玻璃料接合))彼此連接,使得在襯底區(qū)域(例如晶片)之間形成視方法而定的連接元件。傳感器元件45或發(fā)射體元件95的第二襯底區(qū)域(頂部層)、或傳感器元件85或發(fā)射體元件110的第一襯底區(qū)域(底部層)也可以被構(gòu)造成玻璃晶片或具有例如以窗口形式的玻璃部分。

傳感器元件10和發(fā)射體元件20可以在所示布置中橫向并排地例如在殼體中作為壓力傳感器運(yùn)行(參見圖3)或者替代地通過鋸開標(biāo)記145被分離。

圖2c示出了在圖2b中描述的實(shí)施例,其中對(duì)圖2b補(bǔ)充了間隔墊片160。如果傳感器元件10和發(fā)射體元件20如圖4中所示被組裝,則可以在間隔墊片之間形成測(cè)量室。發(fā)射體元件和MEMS隔膜在所示實(shí)施例中被封閉并且不與測(cè)量氣體接觸。除了間隔墊片在傳感器元件上的在此所示的布置以外,還可以在發(fā)射體元件上布置間隔墊片。另外,圖2c示出了封閉的層115,也就是說,層115不具有開口120。因此,測(cè)量氣體不與發(fā)射體110接觸。此外,可以將保護(hù)氣體加入到腔體105和/或125中,以便減小發(fā)射體的退化。

圖2d示出了根據(jù)與圖2b不同的實(shí)施例的傳感器元件10和發(fā)射體元件20的示意圖。該實(shí)施例示出了例如具有玻璃或二氧化硅(SiO2)的傳感器元件和發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域45、95。這可以是結(jié)構(gòu)化的玻璃晶片。該玻璃晶片同樣可以借助于陽極接合在襯底區(qū)域40或90處與其下的襯底區(qū)域連接。另外,腔體105在該實(shí)施例中可以是可引入要測(cè)量的測(cè)量氣體的測(cè)量室15的至少一部分。測(cè)量室15因此至少部分地處于發(fā)射體元件20中。

圖2e以橫截面示出了傳感器元件10和發(fā)射體元件20的示意圖。該實(shí)施例示出了未封閉的發(fā)射體元件20和封閉的傳感器元件10。為了氣密地封閉傳感器元件10,可以將紅外窗口65布置在傳感器元件的第二襯底區(qū)域45之上。該紅外窗口可以如已經(jīng)描述的那樣借助于陽極接合或其它合適方法與第一襯底區(qū)域40連接。另外,傳感器元件具有位于上部的經(jīng)打孔的相對(duì)電極180。所述相對(duì)電極180可以包括多晶硅、金屬、由介電質(zhì)、例如SiN(氮化硅)和金屬構(gòu)成的層或者所述材料的組合。在此,優(yōu)選地可以使用反射紅外輻射的材料(例如金屬)。這可以通過金屬化的經(jīng)打孔的相對(duì)電極來實(shí)現(xiàn)。相對(duì)電極180形成MEMS隔膜的功能相對(duì)物,以便形成微機(jī)械電容傳感器、例如麥克風(fēng)。另外,相對(duì)電極180在所示實(shí)施例中被實(shí)施為經(jīng)打孔的,并且因此同時(shí)履行蔭罩的任務(wù)。打孔度被實(shí)施為越小,則MEMS隔膜25的遮蔽就越好。相對(duì)電極可以固定在保持結(jié)構(gòu)175處,該保持結(jié)構(gòu)例如具有氧化物。

另外,也可以僅僅氣密地封閉發(fā)射體元件或發(fā)射體。傳感器元件保持開放。這樣,測(cè)量氣體的升溫例如可以通過包圍發(fā)射體元件、例如加熱絲來避免,使得僅僅發(fā)射的紅外輻射入射到測(cè)量氣體上,并且在那里產(chǎn)生可由傳感器元件測(cè)量的光聲信號(hào)。因此,避免測(cè)量氣體由于傳輸?shù)組EMS隔膜上并與聲光信號(hào)疊加的升溫造成的膨脹。

圖3以示意圖示出了殼體150中的發(fā)射體元件、傳感器元件在圖2d中已經(jīng)示出的布置。殼體150具有用于測(cè)量氣體50的入、出口155a、b,通過所述入口和出口,測(cè)量氣體可以進(jìn)入殼體50中。殼體150例如是SMD(Surface Mounted Device(表面安裝器件),德語:表面安裝器件)殼體。另外,殼體150在朝向傳感器元件和發(fā)射體元件的側(cè)上具有主表面區(qū)域,所述主表面區(qū)域被構(gòu)造用于將電磁輻射55從發(fā)射體元件20反射到傳感器元件10上。

圖4a示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖,其中發(fā)射體元件和傳感器元件在厚度方向上堆疊。該氣體傳感器基于發(fā)射體元件和傳感器元件的已經(jīng)在圖2a中示出的布置。為了獲得圖4a中所示實(shí)施例,可以沿著圖2a中所示的鋸開標(biāo)記145將傳感器元件同發(fā)射體元件分開,并且在分別第二襯底區(qū)域的處于外部的主表面區(qū)域處堆疊。在傳感器元件與發(fā)射體元件之間優(yōu)選地可以布置間隔墊片160,該間隔墊片160在傳感器元件與發(fā)射體元件之間形成測(cè)量室15。間隔墊片160例如可以是通過連接接界的襯底區(qū)域所生成的連接元件。另外,間隔墊片可以包括半導(dǎo)體材料(例如硅)或玻璃。通過間隔墊片160中的開口,測(cè)量氣體可以被引入到測(cè)量室中。關(guān)于下列圖描述的另外的實(shí)施例也可以在考慮沒有參考室的情況下類似地應(yīng)用于在此所示的實(shí)施例。

圖4b示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣體傳感器的示意圖,其中發(fā)射體元件和傳感器元件在厚度方向上堆疊。該氣體傳感器基于發(fā)射體元件和傳感器元件的已經(jīng)在圖2b中示出的布置。為了獲得圖4b中所示實(shí)施例,可以沿著圖2b中所示的鋸開標(biāo)記145將傳感器元件同發(fā)射體元件分開,并且在分別第二襯底區(qū)域的處于外部的主表面區(qū)域處堆疊。在傳感器元件與發(fā)射體元件之間優(yōu)選地可以布置間隔墊片160,該間隔墊片160在傳感器元件與發(fā)射體元件之間形成測(cè)量室15。間隔墊片160例如可以是通過連接接界的襯底區(qū)域所生成的連接元件。另外,間隔墊片可以包括半導(dǎo)體材料(例如硅)或玻璃。通過間隔墊片160中的開口,測(cè)量氣體可以被引入到測(cè)量室中。

如已經(jīng)描述的那樣,傳感器元件和發(fā)射體元件可以與間隔墊片一起例如借助于陽極接合或其它接合方法被連接,另外,間隔墊片本身也可以通過合適的連接材料、例如連接層在利用如例如在共晶接合、玻璃料接合或粘接接合中所使用的中間層的接合方法的情況下來實(shí)施。這些布置是有利的,因?yàn)闇y(cè)量氣體50(在此未示出)在測(cè)量室15中既不與發(fā)射體元件接觸又不與傳感器元件接觸,而是存在于傳感器元件與發(fā)射體元件之間的由間隔墊片160以及電磁輻射可透過的層65和115所界定的所定義的區(qū)域中。因此,避免了潛在的污染或由測(cè)量氣體引起的傳感器元件和發(fā)射體元件的加速退化。換言之,傳感器元件和發(fā)射體元件本身封閉或密封。

實(shí)施例示出了對(duì)二氧化碳(CO2)靈敏的氣體傳感器。測(cè)量氣體中的二氧化碳濃度例如可以具有1000ppm(parts per million(百萬分率),德語:百萬分率)。在參考室和壓力平衡室30、135中,可以存在參考流體,該參考流體例如包括50至100%二氧化碳和可選地包括緩沖氣體部分??蛇x地,緩沖氣體填充此外還可以存在于空腔125中。如果緩沖氣體與發(fā)射體單元接界地、即在空腔105或125中存在,則該緩沖氣體可以充當(dāng)惰性保護(hù)氣體、即減慢發(fā)射體的退化??沙洚?dāng)保護(hù)氣體的是氮?dú)狻鍤饣蚱渌貧怏w,所述重氣體防止或至少減慢例如由于發(fā)射體的大量發(fā)熱造成的表面改變。

替代地或補(bǔ)充地,發(fā)射體處的緩沖氣體也可以用于對(duì)輸出輻射進(jìn)行過濾,以便對(duì)發(fā)射體單元的相對(duì)寬帶的電磁輻射在其帶寬方面(進(jìn)一步)進(jìn)行限制,使得窄帶電磁輻射射到測(cè)量氣體上。發(fā)射體處的相對(duì)寬帶的電磁輻射可以具有1μm和10μm之間的帶寬,其中經(jīng)過濾的窄帶電磁輻射例如具有0.2μm和0.5μm之間的帶寬。為了獲得氣體傳感器的測(cè)量精確度有利的是,緩沖氣體不含要確定的測(cè)量氣體。過濾功能也可以通過發(fā)射體與測(cè)量室之間的合適分離來實(shí)現(xiàn)。這樣,例如電磁輻射可透過的層115被構(gòu)造成過濾元件。這可以通過特別處理玻璃片或者使用法布里柏羅過濾器來實(shí)現(xiàn)。

如果緩沖氣體與MEMS隔膜25接界地或在參考室中存在,則緩沖氣體同樣可以滿足用于MEMS隔膜的保護(hù)氣體的功能。替代地或補(bǔ)充地,緩沖氣體也可以作為參考包括要確定的測(cè)量氣體、即例如要測(cè)量的氣體或要測(cè)量的氣體混合物。

該實(shí)施例示出了布置在投影平面內(nèi)的發(fā)射體元件20和傳感器元件10,該投影平面在厚度方向上向發(fā)射體元件和傳感器元件延伸,其中傳感器元件的第二襯底區(qū)域以密封封閉的形式與發(fā)射體元件連接。如已經(jīng)描述的那樣,可以在發(fā)射體元件與傳感器元件之間加入間隔墊片160。該連接有利地借助于陽極接合或用于連接襯底區(qū)域的其它合適方法來進(jìn)行。為了電接觸發(fā)射體元件和傳感器元件,可以在傳感器元件和發(fā)射體元件的第二和第三襯底區(qū)域之間或者在第一和第二襯底區(qū)域之間實(shí)施傳感器單元和MEMS隔膜的接線端子,所述接線端子例如可以通過接觸墊被接觸。

圖4c示出了基于圖2d中所示實(shí)施例的傳感器元件10和發(fā)射體元件20構(gòu)造的氣體傳感器5的示意圖。如已經(jīng)關(guān)于圖4b所描述的那樣,傳感器元件和發(fā)射體元件可以在鋸開標(biāo)記處被分開,使得傳感器元件的第二襯底區(qū)域可以與發(fā)射體元件的第二襯底區(qū)域連接為,使得產(chǎn)生在厚度方向上堆疊的氣體傳感器,該氣體傳感器在所示實(shí)施例中包括六個(gè)襯底區(qū)域。所示實(shí)施例具有密封的麥克風(fēng)25,而測(cè)量室被集成到發(fā)射體元件中并且具有與發(fā)射體單元100的直接接觸。該實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了氣體傳感器5在x、y和z方向上的最小實(shí)施方式。

圖5a示出了根據(jù)沒有參考室的以圖2a和4a中所示實(shí)施例為依據(jù)的實(shí)施例的氣體傳感器5的示意圖。發(fā)射體元件20的實(shí)施方案與所述實(shí)施例不同,其中第一襯底區(qū)域90圍繞在側(cè)面上穿過襯底區(qū)域延伸的軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。發(fā)射體單元100可以表面地布置在襯底區(qū)域90上,并且例如通過蝕刻被相對(duì)的主表面區(qū)域從背側(cè)露出。因此,發(fā)射體元件20可以在背側(cè)運(yùn)行。相同的原理也可以應(yīng)用于傳感器元件的第一襯底區(qū)域40中的MEMS隔膜25,但是在圖中未明確示出。

另外,圖5a示出了在電路板165(PCB,Printed Circuit Board(印刷電路板))上對(duì)氣體傳感器5的接觸,該接觸根據(jù)下面的圖予以更詳盡描述。如同關(guān)于5b-d描述的其它實(shí)施例可應(yīng)用于圖5a那樣,根據(jù)圖5b中描述的 TSV 170'的接觸同樣可以。

圖5b示出了根據(jù)以圖2b和圖4b中所示實(shí)施例為依據(jù)的實(shí)施例的氣體傳感器5的示意圖。發(fā)射體元件20的實(shí)施方案與所述實(shí)施例不同,其中第一襯底區(qū)域90圍繞在側(cè)面上穿過襯底區(qū)域延伸的軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。發(fā)射體單元100可以表面地布置在襯底區(qū)域90上,并且例如通過蝕刻被相對(duì)的主表面區(qū)域從背側(cè)露出。因此,發(fā)射體元件20可以在背側(cè)運(yùn)行。相同的原理也可以應(yīng)用于傳感器元件的第一襯底區(qū)域40中的MEMS隔膜25,但是在圖中未明確示出。

另外,圖5b示出了在電路板165(PCB,Printed Circuit Board(印刷電路板))上對(duì)氣體傳感器5的接觸。在圖5b中示出了借助于接觸元件170、例如借助于導(dǎo)線的接觸,所述接觸元件170將氣體傳感器5的向外實(shí)施的接觸部與印制導(dǎo)線165接觸。為此有利的是,傳感器元件的襯底平面40與處于其之上的襯底區(qū)域相比具有更大的直徑,如圖5b中所示。因此,MEMS隔膜25的接觸結(jié)構(gòu)可以在第一襯底區(qū)域40的主表面區(qū)域處露出。發(fā)射體單元100的接觸部同樣被實(shí)施在主表面區(qū)域處,并且通過接觸元件170與印制導(dǎo)線165連接。

替代地,MEMS隔膜25和發(fā)射體單元100的接線端子例如可以借助于襯底區(qū)域內(nèi)部中的TSV 170'被引導(dǎo)到印制導(dǎo)線165上并且在那里與其接觸。

同樣可以——但未示出——例如將發(fā)射體單元100的接線端子引導(dǎo)到MEMS隔膜的襯底平面上,并且在那里進(jìn)行與兩個(gè)接觸元件170的接觸。

圖5c示出了以圖2d和4c的實(shí)施例為依據(jù)的實(shí)施例。如已經(jīng)在圖5b中所描述的那樣,發(fā)射體單元100背側(cè)地運(yùn)行。另外,襯底區(qū)域90的經(jīng)蝕刻的腔體被構(gòu)造成測(cè)量室15。圖5c如已經(jīng)關(guān)于圖5b所描述那樣示出了借助于接觸元件170對(duì)電路板165的接觸。

圖5d根據(jù)圖4c的實(shí)施例示出了另一接觸方案。根據(jù)該實(shí)施例,發(fā)射體元件和傳感器元件的接觸部在側(cè)面上實(shí)施在發(fā)射體元件和傳感器單元的主表面區(qū)域處。側(cè)面實(shí)施的接觸部直接與電路板165接觸,該電路板165被布置為平行于發(fā)射體元件和傳感器元件的厚度方向。

盡管一些方面是結(jié)合裝置描述的,但是能夠理解,這些方面也可以表示對(duì)相應(yīng)方法的描述,使得裝置的塊或器件也可以被理解成相應(yīng)方法步驟或者方法步驟的特征。與之類似地,結(jié)合或作為方法步驟被描述的方面也可以表示對(duì)相應(yīng)裝置的相應(yīng)塊或細(xì)節(jié)或特征的描述。

上述實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的原理的解釋。易于理解的是,其他專業(yè)人員明白對(duì)在此所述的布置和細(xì)節(jié)的修改和變型。因此有意的是,本發(fā)明僅僅由后面的權(quán)利要求來限定、而不應(yīng)受在此根據(jù)實(shí)施例的描述和闡述所呈現(xiàn)的特定細(xì)節(jié)的限制。

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