气体传感器制造技术

本发明专利技术示出了一种气体传感器5，其具有传感器元件10、测量室15和发射体元件20。传感器元件10具有MEMS隔膜25，所述MEMS隔膜25布置在第一衬底区域40中。测量室15还被构造用于容纳测量气体50。

Gas sensor

The present invention provides a gas sensor 5 which has a sensor element 10, a measuring chamber, and an emitter element (s) 20. The sensor element 10 has a MEMS diaphragm 25, which is disposed in a first substrate region (s) of 40 (MEMS). The measurement chamber 15 is also constructed to accommodate the measurement gas 50.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术描述了一种具有MEMS隔膜的气体传感器。实施例示出了利用MEMS（微机电系统）多晶片方案的PAS（光声传感器）模块。
技术介绍
亦称微机电系统的MEMS装置常常被用作传感器、譬如加速度传感器、压力传感器或声波传感器（麦克风）。所有这些MEMS装置都具有可移动元件、例如隔膜或悬臂，其中可移动元件的比如由于压力改变或加速度引起的移动可以以电容方式被检测。这样，MEMS装置的常见变型包括作为可移动元件的可移动电极以及固定电极，所述固定电极与可移动电极相对，使得两个电极之间的距离改变（由于可移动元件的移动造成）可以导致电容改变。迄今为止的气体传感器系统利用具有毫米至厘米范围内的尺寸的部件。因此，例如红外发射体之类的部件具有相对大的热质量，由此需要高功率来运行气体传感器。这使系统变得迟钝，并且仅仅容许非常小的占空比（英语：Duty Cycle）。因此，限制了快速校准和快速测量的可能性。
技术实现思路
因此存在的需求是，创造一种用于气体传感器的改进的方案。该需求由独立权利要求的主题来解决。根据本专利技术的改进方案在从属权利要求中加以定义。实施例示出了气体传感器，其包括传感器元件、测量室以及发射体元件。传感器元件具有MEMS隔膜，其中MEMS隔膜布置在第一衬底区域中。另外，测量室被构造用于容纳测量气体。发射体元件被构造用于发射电磁辐射，其中该电磁辐射经过从发射体元件出发具有测量室的辐射路径。此外，发射体元件和传感器元件被彼此固定地布置、即例如彼此机械连接。针对例如小型化的气体传感器，有利地利用以MEMS技术制造的部件的组合。这些部件可以在所谓的晶片叠层或衬底叠层（晶片或衬底堆）中被连接并且形成发射体以及传感器，所述发射体和传感器又可以彼此连接。气体传感器例如可以是利用光声效应的PAS传感器（光声传感器）。光声效应是一种利用光声学的物理效应。该效应描述了光能到声能（声音）的转换。如果例如气体之类的传播介质被用光照射，则光能的一部分被介质吸取（吸收）并且被转换成热能。通过热传导，该能量在有限时间以后分布在介质中，并且在介质中出现最低升高的温度。通过热输送，尤其是导致体积扩大。如果介质被用闪光序列或一般而言被用电磁辐射脉冲照射，则导致周期性升温和冷却。体积膨胀和缩小的该不断变换是声源。这可以是固体中的固体声或者气体中的正常声音。通过整个传感器系统的非常小的尺寸得出优点，由此可以实现传感器系统的非常小的热质量。由此减小了功耗，以及实现了高的开关速度，由此导致非常高的占空比（英语：duty cycle），并由此导致长的总寿命。同样由较高的开关速度导致测量的较短的测量周期，由此可以在相同时间内执行更大数目次测量。因此，所述气体传感器对应于最高质量要求，并且与常规气体传感器相比具有延长的寿命。实施例示出了气体传感器，其包括传感器元件、测量室以及发射体元件。传感器元件具有MEMS隔膜和参考室，该参考室具有位于其中的参考流体，其中MEMS隔膜布置在第一衬底区域中并且参考室的腔体布置在第二衬底区域中。第一和第二衬底区域密封地封闭，并且彼此连接。测量室被构造用于容纳测量气体。发射体元件被构造用于发射电磁辐射，其中该电磁辐射经过从发射体元件出发具有测量室和参考室的辐射路径，其中测量室通过针对电磁辐射可透过的层在空间上与参考室隔开。此外，发射体元件和传感器元件彼此机械连接。具有参考室以及存在于其中的参考气体的实施方案是有利的，因为压力测量在封闭和已知的参考体积中进行，并且因此提供更大数目种实现方案可用。背景是：MEMS隔膜或传感器元件对测量气体的完全或部分选择性的可变调节可能性或者对交叉灵敏度的避免。这样，如果参考气体是纯净的并且不存在“干扰气体”，则传感器元件就仅仅对参考气体的吸收波长做出反应。如果存在干扰气体，则可能在参考气体（或测量气体）和干扰气体的吸收波长重叠之处出现交叉灵敏度。这样，例如在测量CO2的情况下，在大约2.2μm波长处存在对湿气的交叉灵敏度，因为在那里二氧化碳和水的吸收带重叠。实施例示出：MEMS隔膜被构造用于将电磁辐射的存在于参考室中的能量转换成输出信号。该转换例如通过如下方式进行：MEMS隔膜被构造成，根据电磁辐射的当前能量具有偏转。这是有利的，因为电磁辐射将参考流体激发到提高的振荡，并且因此参考室中的提高的粒子运动或提高的压力可以由MEMS隔膜或利用MEMS隔膜形成的传感器来测量。根据实施例，发射体元件被构造用于以典型地大于0.1Hz或大于0.5Hz或大于1Hz的频率脉冲式地发射电磁辐射。这是有利的，因为因此可以在相同时间内执行提高数目次测量。另外，因此例如在连续测量时提高了测量密度，其中因此在测量室中更快地探测到测量气体的改变。另外，实施例示出了包括第一和第二衬底区域的发射体元件，其中第一衬底区域具有发射体单元，所述发射体单元被构造用于发射电磁辐射。第二衬底区域具有腔体，该腔体被构造用于最小化发射体元件的热质量。这是有利的，因为因此可以实现发射体元件的已经描述的快速开关时间。另外，减少了传感器的不必要的加热。传感器的升温可能导致更快的退化。气体传感器的用于排出过剩热量的冷却装置由此可以被确定为更小尺寸或被完全除去。此外，传感器或MEMS隔膜优选地处于由发射体发出的电磁辐射的直接光路之外，以便减少MEMS隔膜由于直接电磁辐射引起的加热。另一实施例示出了具有荫罩的气体传感器，所述荫罩布置在辐射路径中，其中荫罩被构造用于减少发射体元件到MEMS隔膜上的直接电磁辐射。这是有利的，因为因此延迟了MEMS隔膜的退化，因为MEMS隔膜遭受电磁辐射的显著更少的部分。另外，位于MEMS隔膜之后的压力平衡室以较少强度被电磁辐射升温，由此在延长的时间段内保证了气体传感器的灵敏度或精确度。根据另外的实施例，发射体元件和传感器元件被布置在在侧面上向发射体元件和传感器元件延伸的投影平面内。在此，发射体元件和传感器元件布置在壳体中，该壳体被构造用于将电磁辐射从发射体元件反射到传感器元件上。该布置是有利的，因为因此可以实现极度扁平的气体传感器。在此，气体传感器的测量室可以被构造成壳体中的腔体。另外有利的是，将传感器元件的第一衬底区域和发射体元件的第一衬底区域实施在相同的衬底上和/或将传感器元件的第二衬底区域和发射体元件的第二衬底区域实施在相同的衬底上。这是有利的，因为因此可以把涉及传感器元件中和发射体元件中的相同衬底平面的制造步骤在一个制造步骤中实施。因此，该气体传感器的制造被简化，由此实现了生产率提升。根据另一实施例，发射体元件和传感器元件被布置在在厚度方向上向发射体元件和传感器元件延伸的投影平面内，其中传感器元件的第二衬底区域以密封封闭的形式与发射体元件连接。这是有利的，因为因此实现了气体传感器的最小的总结构大小。在此，发射体元件中的腔体和/或发射体元件与传感器元件之间的腔体可以形成测量室。如果测量室被集成在发射体元件中，则气体传感器在厚度方向上具有最小高度。如果腔体被构造在发射体元件与传感器元件之间，则发射体元件可以在空间上同测量气体隔开，由此避免了传感器元件由于测量气体导致的可能提高的退化。另外，实施例示出了气体传感器，其中发射体元件和传感器元件的接触部借助于发射体元件和传感器元件内的衬底通孔接触（TSV，贯穿半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体传感器（5），包括：传感器元件（10），其具有MEMS隔膜（25），其中MEMS隔膜（25）布置在第一衬底区域（40）中；测量室（15），其被构造用于容纳测量气体（50）；发射体元件（20），其被构造用于发射电磁辐射（55），其中电磁辐射（55）经过从发射体元件（20）出发具有测量室（15）的辐射路径（60）；其中发射体元件（20）和传感器元件（10）彼此固定地布置。

【技术特征摘要】
2015.03.27 DE 202015002315.01.一种气体传感器（5），包括：传感器元件（10），其具有MEMS隔膜（25），其中MEMS隔膜（25）布置在第一衬底区域（40）中；测量室（15），其被构造用于容纳测量气体（50）；发射体元件（20），其被构造用于发射电磁辐射（55），其中电磁辐射（55）经过从发射体元件（20）出发具有测量室（15）的辐射路径（60）；其中发射体元件（20）和传感器元件（10）彼此固定地布置。2.根据权利要求1所述的气体传感器（5），其中传感器元件（10）具有参考室（30），所述参考室（30）具有位于其中的参考流体（35），其中参考室（30）的腔体布置在第二衬底区域（45）中，其中第一和第二衬底区域（40，45）密封地封闭并且彼此连接；以及其中电磁辐射（55）从发射体元件（20）经过从发射体元件（20）出发具有测量室（15）和参考室（30）的辐射路径（60），并且其中测量室（15）通过电磁辐射（55）可透过的层（65）在空间上与参考室（30）隔开。3.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中MEMS隔膜（25）被构造用于将电磁辐射（55）的存在于参考室（30）中的能量转换成输出信号。4.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中MEMS隔膜（25）被构造成，根据电磁辐射（55）的当前能量具有偏转。5.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件（20）被构造用于以大于0.1Hz或大于0.5Hz或大于1 Hz的频率脉冲式地发射电磁辐射（55）。6.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件（20）包括第一和第二衬底区域（90，95），其中发射体元件的第一衬底区域（90）具有发射体单元（100），所述发射体单元（100）被构造用于发射电磁辐射（55），其中发射体元件的第二衬底区域（95）具有腔体（105），所述腔体（105）被构造用于最小化发射体元件（20）的热质量。7.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件（20）的第一和第二衬底区域（90，95）密封封闭并且彼此连接。8.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中在辐射路径（60）中布置有荫罩（130），其中荫罩（130）被构造用于减少发射体元件（20）到MEMS隔膜（25）上的直接电磁辐射。9.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中MEMS隔膜远...

【专利技术属性】
技术研发人员：A德赫，J胡贝尔，F约斯特，S科尔布，H托伊斯，W魏德迈尔，J韦伦施泰因，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，弗劳恩霍弗实用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE