具有腔的集成的颗粒物质传感器制造技术

一种颗粒物质(PM)传感器，包括：形成腔(5)的基板，所述基板包括半导体芯片(4)；以及布置在腔(5)中的光源(1)。光源(1)适于发射光束(7)。光束(7)在腔(5)外部形成用于颗粒物质(9)的检测体积(8)。可选地，颗粒物质传感器包括在一端处界定腔(5)的光学元件(2)。光学元件(2)被配置成使光束(7)成形。此外，颗粒物质传感器包括集成到半导体芯片(4)的表面中的至少一个光电探测器(3)。集成有至少一个光电探测器(3)的表面面向检测体积(8)。至少一个光电探测器(3)适于检测由检测体积(8)中的颗粒物质(9)散射的光(10)。射的光(10)。射的光(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有腔的集成的颗粒物质传感器


[0001]本专利技术涉及颗粒物质传感器和包括颗粒物质传感器的颗粒物质传感器模块。

技术介绍

[0002]颗粒物质(PM)是指流体中的固体颗粒和/或液滴。PM可能在例如被吸入时造成健康风险，或者可能导致被称为雾霾的能见度不良。PM的典型类别是PM10和PM2.5，即直径分别为10μm和2.5μm的颗粒，以及更小的颗粒。
[0003]常规的PM传感器模块包括将光发射到检测体积中的光源和检测由检测体积中的颗粒物质散射的光的光检测器。常规的PM传感器模块由分立部件即带有激光二极管的光源组件、光学元件、光电探测器、印刷电路板(PCB)、分立放大器、微处理器和壳体等构成。使用风扇或替选地使用加热器元件生成用于对颗粒取样的气流。例如在WO2018100209A2中公开了示例。
[0004]这样的PM传感器模块具有宏观尺度，即具有几厘米量级的尺寸。常规的PM传感器模块的形状因子和尺寸的原因是所使用的光电部件即激光二极管、光学元件、安装辅助件和光电探测器的分立性质。
[0005]US20150153275A1公开了下述PM传感器，其包括在主体部分中彼此邻近设置的光源和光检测器。光源朝向已被引入到主体部分中的空气发射光。设置在光源上的光学透镜聚焦所发射的光。通过光检测器检测散射光。
[0006]US20160025628A1公开了被配置成感测颗粒物质的移动设备。移动设备中的传感器包括以一定角度布置的光发射器和光接收器。
[0007]CN106483051B公开了用于测量颗粒物质的浓度的移动设备。由移动设备的闪光灯发射光。反向散射光由收集透镜收集，并由光检测器过滤和检测。
[0008]本专利技术的实施方式所要解决的问题是提供小型PM传感器，其尤其产生可靠的高质量测量。

技术实现思路

[0009]该问题通过根据权利要求1所述的颗粒物质(PM)传感器来解决。在从属权利要求中提供了有利的实施方式。
[0010]因此，提供了一种颗粒物质传感器，包括：
[0011]‑
包括半导体芯片的基板，所述基板形成腔，所述腔的至少一部分形成在半导体芯片中；
[0012]‑
集成到半导体芯片的表面中的至少一个光电探测器；以及
[0013]‑
布置在腔中的光源，所述光源适于朝向腔的一端(以下称为“第一”端)发射光束，所述光束在腔外部限定用于颗粒物质的检测体积，
[0014]其中，半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面面向检测体积，并且
[0015]其中，至少一个光电探测器适于检测由检测体积中的颗粒物质散射的光。
[0016]通过提供至少部分地形成在集成有至少一个光电探测器的完全相同的半导体芯片中的腔以及将光源布置在腔中，可以获得非常紧凑的PM传感器。
[0017]检测体积包括光束的一部分，其中光的强度足够高以使得能够通过至少一个光电探测器检测从光束中的PM散射的光。特别地，检测体积可以被定义为下述体积：该体积中存在的PM在PM传感器中引起高于噪声水平的清晰(即，统计上显著的)信号。这样，检测体积取决于各种因素，诸如PM的尺寸、光源的光功率、光束的几何形状等。
[0018]在一些实施方式中，半导体芯片包括CMOS层堆叠。所述CMOS层堆叠中的一个或更多个层接着可以形成膜，所述膜在腔的第一端处跨越腔。膜的厚度可以小于20μm，特别是小于10μm。因此膜可以保护光源。特别地，腔可以在第一端处被膜完全封闭，使得腔在其第一端处是流体密封的。
[0019]在一些实施方式中，颗粒物质传感器可以包括在第一端处界定腔的光学元件，所述光学元件被配置成使光束成形以形成检测体积。在其他实施方式中，光学元件可以被省去。例如，光源本身可以被配置成产生足够准直或聚焦的光束，使得光束在腔外部具有足够的强度以形成检测体积。在一些实施方式中，光学元件包括由CMOS层堆叠中的一个或更多个层形成的膜。在其他实施方式中，腔在第一端处开口，并且光学元件布置在腔的开口的第一端上。
[0020]腔优选地在与第一端相对的第二端处开口。光源在腔中优选地布置在腔的第二端处。
[0021]在一些实施方式中，基板可以完全由半导体芯片形成，即基板可以仅包括半导体芯片。在其他实施方式中，基板可以包括半导体芯片与之接合的间隔件，如下文进一步详细描述的。
[0022]如果基板仅包括半导体芯片，并且如果存在光学元件，则颗粒物质传感器可以具有以下特征：
[0023]‑
半导体芯片，所述半导体芯片形成腔；
[0024]‑
集成到半导体芯片的表面中的至少一个光电探测器；
[0025]‑
布置在腔中的光源，所述光源适于发射光束，
[0026]‑
在一端(“第一”端)处界定腔的光学元件；
[0027]其中，光源被布置成将光束引导到光学元件上，
[0028]其中，光学元件被配置成使光束成形，使得光束在腔外部形成用于颗粒物质的检测体积，
[0029]其中，半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面面向检测体积，并且
[0030]其中，至少一个光电探测器适于检测由检测体积中的颗粒物质散射的光。
[0031]下面说明PM传感器的有利实施方式。PM传感器通常包括以下元件：
[0032]‑
形成腔的基板：基板包括半导体芯片或由半导体芯片组成，有利地，半导体芯片包括互补金属氧化物半导体(CMOS)层堆叠。因此，PM传感器功能优选地集成到半导体芯片中。腔具有由基板形成的侧壁。每个侧壁的至少一部分由半导体芯片形成。腔可以基本上具有立方体的形状，例如其中边缘长度在0.3mm与1mm之间的范围内，或者腔可以具有圆柱体的形状，例如其中直径在0.3mm与1mm之间的范围内。在其他实施方式中，腔可以具有截头圆锥或截头棱锥的形状。更一般地说，腔的每个侧壁可以具有相对于光轴或相对于腔的对称
轴倾斜的至少一个倾斜部分。腔的至少一部分可以例如通过优选地从基板的底侧蚀刻半导体芯片或通过替选的处理技术来制造。在一些实施方式中，腔可以穿通半导体芯片的整个厚度，而在其他实施方式中，腔可以不穿通半导体芯片的整个厚度，而是采取通过半导体芯片的其余部分、通常通过由CMOS层堆叠中的一个或更多个层形成的膜所界定的凹部的形状。
[0033]‑
适于发射光束的光源。所述光源布置在腔中。在有利的实施方式中，光源是激光二极管，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。术语“光”并不意味着限于可见光，而是至少也包括紫外光和红外光。通常，发射光的波长在500nm至1100nm的范围内，特别是在640nm与950nm之间。光源朝向腔的第一端发射光束。光源可以布置在腔的第二端处。
[0034]‑
可选地，在第一端处界定腔的光学元件：通常，光学元件被布置在腔的与光源相对的端部处。光源布置在腔中，以将光束通过腔的至少一部分引导到光学元件上。光学元件适于使光束成形，从而形成检本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种颗粒物质传感器，包括：
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包括半导体芯片(4)的基板，所述基板形成腔(5)，所述腔(5)的至少一部分形成在所述半导体芯片(4)中；
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集成到所述半导体芯片(4)的表面中的至少一个光电探测器(3)；
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布置在所述腔(5)中的光源(1)，所述光源(1)适于朝向所述腔(5)的第一端发射光束(7)，所述光束在所述腔(5)外部限定用于颗粒物质(9)的检测体积(8)，其中，所述半导体芯片(4)的集成有所述至少一个光电探测器(3)的表面面向所述检测体积(8)，并且其中，所述至少一个光电探测器(3)适于检测由所述检测体积(8)中的颗粒物质(9)散射的光(10)。2.根据权利要求1所述的颗粒物质传感器，其中，所述半导体芯片(4)包括CMOS层堆叠(24)，并且其中，所述CMOS层堆叠(24)中的一个或更多个层形成膜(22)，所述膜在所述腔的第一端处跨越所述腔(5)，其中，优选地，所述膜(22)的厚度小于20μm，特别是小于10μm。3.根据权利要求1或2所述的颗粒物质传感器，包括光学元件(2)，所述光学元件布置在所述腔(5)的第一端处，特别地，所述光学元件在所述第一端处界定所述腔(5)，所述光学元件(2)被配置成使所述光束(7)成形，由此所述光束(7)形成所述检测体积(8)。4.根据权利要求3所述的颗粒物质传感器，其中，所述光学元件限定光轴(20)，所述光轴(20)垂直于所述半导体芯片(4)的集成有所述至少一个光电探测器(3)的表面。5.根据权利要求3或4所述的颗粒物质传感器，其中，所述光学元件(2)被配置成使所述光束(7)聚焦，特别地，其中，所述检测体积(8)的范围从所述光学元件(2)至少到所述光束(7)的焦点，以及/或者特别地，其中，所述光学元件(2)与所述焦点之间的距离是至少1mm，以及/或者特别地，其中，所述颗粒物质传感器适于检测距所述光学元件(2)至少1.5mm远的颗粒物质(9)。6.根据权利要求3至5中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述腔(5)在所述光源(1)与所述光学元件(2)之间的高度为至少0.25mm，特别是至少0.45mm。7.根据权利要求3至6中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述光学元件(2)被布置在由所述半导体芯片(4)的集成有所述至少一个光电探测器(3)的表面限定的平面中，以及/或者其中，所述光学元件(2)从所述半导体芯片(4)的集成有所述至少一个光电探测器(3)的表面突出达不超过1mm。8.根据权利要求3至7中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述至少一个光电探测器(3)被布置在距所述光学元件(2)至多2mm的距离处，特别地，其中，所述至少一个光电探测器(3)被布置成横向邻近于所述光学元件(2)。9.根据权利要求3至8中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述光学元件(2)形成折射光学元件、特别是折射透镜(12；15；71；72；74)、以及/或者衍射光学元件(13；73；75)。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述光学元件(2)包括玻璃载体基板(23)和光学结构、特别是聚合物透镜(15)，所述光学结构优选地通过压印和光刻中的至少一种形成在所述玻璃载体基板(23)上，其中，优选地，所述玻璃载体基板(23)的厚度小于1000μm，特别是小于750μm。11.根据权利要求3至10中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述半导体芯片(4)包括CMOS层堆叠(24)，并且其中，所述光学元件(2)包括由所述CMOS层堆叠(24)中的一个或更多个层形成的膜(22)，其中，优选地，所述膜的厚度小于20μm，特别是小于10μm。12.根据权利要求11所述的颗粒物质传感器，其中，光学结构(71；72；73；74；75)被设置在所述膜(22)上以与所述膜(22)一起形成所述光学元件(2)，以及/或者其中，所述膜(22)包括至少一个结构化CMOS层(76)以形成所述光学元件(2)。13.根据权利要求3至12中任一项所述的颗粒物质传感器，还包括：
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由所述光学元件(2)上的涂层形成的光圈(29)，所述光圈(29)限定用于所述光束(7)的孔径；以及/或者
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在所述光学元件(2)与所述至少一个光电探测器(3)之间的光屏障(19)，特别是所述光学元件(2)的面向所述至少一个光电探测器(3)的侧壁的黑化部或镀银部，其中，所述黑化部或所述镀银部优选地包括仅与玻璃反应但不与设置在所述玻璃上的聚合物反应的选择性涂层。14.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，所述颗粒物质传感器包括多个所述光电探测器(3)，所述光电探测器(3)布置成阵列以及/或者设置在所述腔(5)周围的不同位置处，优选地设置在所述腔(5)的直径相对侧上，更优选地沿着所述腔(5)的周界分布在多个位置上，特别地，如果所述颗粒物质传感器根据权利要求3至13中任一项被配置，则所述光电探测器设置在所述光学元件(2)周围的不同位置处。15.根据权利要求14所述的颗粒物质传感器，其中，在所述半导体芯片(4)的集成有所述光电探测器(3)的表面上，所述光电探测器(4)由导电材料(18)特别是由所述基板的金属化部隔开，特别地，其中，所述导电材料(18)被配置成接地以便保护所述光电探测器(3)免受电磁辐射。16.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒物质传感器，其中，在所述半导体芯片(4)的集成有所述至少一个光电探测器(3)的表面上设置有光学滤波器(28)，所述光学滤波器(28)覆盖所述至少一个光电探测器(3)，所述光学滤波器(28)被配置成拒绝波长在包含所述光源(1)的主波长的波长带之外的光。17.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒物质传感器，还包括：
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控制单元(27)，所述控制单元电连接至所述至少一个光电探测器(3)，以及适于从所述至少一个光电探测器(3)接收由所述检测体积(8)中的颗粒物质(9)散射的光(10)引起的信号以及基于所述信号确定与所述颗粒物质(9)相关的物理量，其中，优选地，所述控制单元(27)的至少一部分集成到所述半导体芯片(4)中，
其中，所述物理量优选地包括颗粒物质的数量浓度、尺寸和尺寸分布中的至少一者。18.根据权利要求17所述的颗粒物质传感器，还包括光敏辅助检测器(25)，特别是辅助光电二极管，所述辅助检测器(25)被集成到所述半导体芯片(4)中以及被配置成接收已从所述光源(1)发射且尚未被所述检测体积(8)中的颗粒物质...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克，
申请(专利权)人：盛思锐股份公司，
类型：发明
国别省市：