CN101107500A - 传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了形成在第一基底中的传感器元件和形成在第二基底中的至少一个光学元件，所述第一和第二基底相对于彼此配置，使得所述第二基底在所述至少一个传感器元件上方形成帽，所述至少一个光学元件被配置用于将所述帽上的入射辐射引导到所述至少一个传感器元件。

Description

传感器
技术领域
本发明涉及传感器，具体地，涉及由两个基底组成的传感器，所述基底相对于彼此设置，以便在一个基底中提供感测元件，在第二基底中形成在该感测元件上方提供帽的光学元件。
背景技术
在现有技术中，传感器是大家所熟知的。当形成在半导体材料如硅或锗中时，这种传感器可以作为机械构造被提供，例如作为MEMS装置，或者如红外(IR)传感器的电磁(EM)辐射传感器。使用诸如硅等材料，可以通过蚀刻和其它半导体加工技术，在晶片的一层或多层中形成传感器，以便获得需要的配置。由于传感器的易损坏性质及其对周围环境的敏感性，已知的是在传感器上提供一种保护性帽，该帽用于将传感器的环境与传感器工作的周围环境隔离。
在EM传感器领域内，特别需要可以以封装形式提供的传感器。
发明内容
相应地，本发明的第一实施例提供了一种EM传感器，其包括提供在第一基底中的感测元件，并且具有提供在该感测元件上方的帽，该帽包括形成于其中的光学元件，该光学元件被配置来将帽上的入射辐射引导到下方感测元件的选定部分。
根据一优选实施例，本发明由此提供了根据权利要求1所述的一种传感器。在其从属权利要求中提供了有利的实施方式。本发明还提供了根据权利要求15所述的一种传感器阵列、根据权利要求19所述的气体分析装置以及根据权利要求16所述的鉴别传感器。本发明还提供了根据权利要求21所述的形成传感器的方法。
附图说明
以下将参考附图描述本发明。在附图中：
图1是实施本发明的传感器的一个示例性实施例的截面。
图2是从图1的传感器上方获得的该传感器的透视图。
图3是可用于形成图1传感器的方法的一个实例。
图4A是根据本发明教示的可用于定义光学元件的第一图案的实例。
图4B是根据本发明教示的可用于定义光学元件的第二图案的实例。
图4C是根据本发明教示的可用于定义光学元件的第三图案的实例。
图5是示出了根据本发明一示例性实施例的包括多个传感器元件的传感器的实例的平面示意图。
图6是根据本发明教示的可用于定义适于与图5的多个传感器元件一起使用的光学元件的图案的一个实例。
图7是根据本发明教示的复合传感器的截面图。
具体实施方式
以下，将参考图1至7对本发明进行描述。本发明可应用于任一电磁(EM)辐射感测环境中，然而，为便于说明，现在将结合一优选示例性实施例，考虑硅晶片基的热辐射传感器的情况对本发明进行描述。
此类传感器往往包括易损坏的感测膜。这种膜生产好之后，由于其易坏的特性，要求对传感器的处理小心谨慎(具有最终成本影响)，以防止损坏和成品率损失。此外，对于膜基的热辐射传感器，有利的是将传感器封装在真空中或其它低压环境中，以消除由于气体对流和传导而造成的吸收膜的热损失。最后，尽管许多单点IR传感器根本不使用聚焦透镜，但是，在单点热传感器中，有利的是能够将输入辐射聚焦到膜上的单个敏感点，以有效地放大信号。在单点IR传感器使用透镜的情况下，其通常使用具有适合形状和折射率的材料的折射透镜，所述材料例如锗或其它类似材料。
为了将热场景成像到传感器阵列上以产生该场景的红外图像，除了适用同样的要求外，还高度期望聚焦波束(即，利用透镜)这一附加要求，以便在传感器阵列的图像平面上产生该场景的聚焦图像。
本发明的传感器通过提供一种用于在晶片级对热传感器加硅帽的器件和方法来解决上述这些和其它难题。根据本发明，在一个晶片基底上，制有传感器器件(或重复传感器器件的阵列)，并且在一分离的基底上，制有加盖晶片。该加盖晶片接合到传感器晶片，并且在受控的环境条件下被粘合(bond)到传感器晶片，优选实施例是在真空条件下。该粘合的晶片装置可以被单个化(singulated)或锯成单独的被加盖的传感器芯片，用于最终的封装和销售。在Felton等人的美国专利申请No.20030075794中详细描述了这种加盖方法，该申请被授予本发明的受让人，并且其内容通过引用结合于此。
图1以截面的形式示出了这种传感器器件100。该器件包括形成在第一硅晶片110，或者有时称为传感器裸片(sensor die)，中的感测装置105。还提供了包括硅盖的帽115，图案120被蚀刻到其中以形成单独的衍射光学元件。实施该衍射光学元件(DOE)的两个可能的方法分别称为幅度调制和相位调制。在幅度调制的情况下，该表面图案包括允许辐射传输的区域和阻止辐射的区域。在相位调制的情况下，该图案包括在表面上的高度变化，其基于图案的相对高度差来有效改变辐射的相对相位。在示出的实施例中，图案被提供在帽的内表面135上，但是，应该理解，图案也可以被提供在外表面140上。还应该理解，为便于观看，该图案的几何形状被放大，该图案包括多个脊150，其相距距离和深度与光学元件所使用的光的波长有关。所述帽通常形成在第二硅晶片或加盖裸片中。在衍射光学元件帽115中定义的图案120能够将特定频率的入射辐射125聚焦到传感器的特定平面上或者传感器上的特定点上，或者能够将不同频率聚焦到不同的点上。帽115使用胶或密封材料130粘合到第一晶片，并且该粘合限定一密封腔145，该密封腔145可以处于与周围压力不同的压力，典型地是较低的压力。可替选地，该腔的密封特性和制造工艺允许腔内的环境气体与空气不同，例如，我们可以使用氙，其具有比空气或其它气体更低的热传导性。尽管硅帽对于可见光谱中的入射光基本上是不透明的，因此可以认为其使光结束，从而光打不到其内的感测元件，但是，应该理解，硅允许EM频谱的红外频率的光的传输，因此，对于本应用，由于提供的是IR传感器，硅帽的材料是适合的。图2示出了组装的传感器器件的一个实例，从中可以看出感测元件由提供在其上方的帽所覆盖。
在图3中示出了一种用于制造传感器的典型的工艺流程。首先，使用本领域技术人员熟知的技术制造传感器晶片110(步骤300)。另外，单独制造加盖晶片(步骤310)。该加盖晶片的制造包括在该帽的外表面140和内表面135两者上或者其中任何一个上蚀刻需要的图案。可在该帽的内表面或外表面附加地添加抗反射涂层。一旦在两个晶片基底中的每一个晶片基底上提供了所需的部件，就可以将晶片接合在一起以便粘合(步骤320)。理想的是，该粘合在真空条件下完成。一旦两个晶片被接合在一起，通过去除第二晶片中未限定帽的区域，可在晶片的整个区域内单个化或限定各个晶片(步骤330)。通过该方法，可以在一个工艺流程中提供多个单独的芯片或传感器。
将会理解，定义光学元件的图案的性质将影响传感器的表现。图4示出了图案类型的实例，其可以使用幅度调制或相位调制方法来实现，可用于定义传感器帽中的衍射光学装置。图4A的实例对于使用针对相位调制方法的衍射光学元件的高度上的正弦变化，将10微米波长的平行输入光向下聚焦到300微米远的焦平面来说是最佳的。正弦曲线的相对高度通过图案中的灰度级来表示，对于幅度调制方法，灰度级表示图案的传输效率。图4B的实例被设计用于将10微米波长的平行输入光向下聚焦到370微米远的焦平面，但是，在这种情况下，黑色和白色图案表示实现相位调制的衍射光学元件的栅化的单阶高度变化，而不是正弦曲线的变化。图4C中的实例也使用单阶高度变化来实现衍射光学元件，但是，在这种情况下，其被设计来将10微米波长的平行输入光聚焦到10微米远的焦平面。应该理解，可使用图案类型的这三个实例是示例性的，并且，利用该方法，有关焦平面的控制或者对入射辐射中不同波长成分的独立控制的不同的设计要求也是可能的，并且由本发明所覆盖。包括图4B和4C中的黑色和白色圆形的这些实例可以表示聚焦光的传输图案或者相位调制图案，但是，在传输中还是经受损耗。然而，应该理解，该图案的设计可以被优化，以获得较低的损耗标准，例如在限定栅的脊特征中引入弯曲的侧壁，如图4A的灰度级图所示。
本发明提供的帽在许多方面是有利的。其用于：1)在随后的处理期间对膜进行保护，2)还为感测膜提供在制造期间被抽空的壳体，以及3)可以被图案化和蚀刻为使得将入射的红外辐射聚焦到单点上以放大信号或者聚焦到阵列上以创建场景的图像。具体而言，图案可以是这样的，即实现光学元件(即，常规的折射或菲涅耳透镜)或者在优选实施例中实现衍射光学元件。针对该应用创建光学元件的优点在于，透镜可以以硅而不是此前的红外折射透镜所需的较奇异的(并且昂贵的)材料来实现。在硅帽中使用衍射光学装置得到的优点在于，可以在晶片批量级使用良好建立的工艺来对透镜进行图案化和蚀刻，并且透镜与传感器晶片粘合，从而获得与此前采用的折射透镜技术相比较而言节省成本的透镜。除了这里描述的红外应用之外，该方法还可以应用于其它电磁辐射传感器。如果传感器用于除了IR传感器以外的应用，则帽可由例如石英制成，或者在有些情况下由诸如派热克斯玻璃(pyrex)的标准玻璃或者可能由蓝宝石制成。
在有些应用中，能够使用所述透镜/帽配置来将输入辐射中的不同波长聚焦到由帽封住的不同传感器上也可能是有用的。图5是一个这种实例的示意性图示，其中，四个感测元件501、502、503、504提供在同一帽装置内。将理解，透镜装置的适合的设计可实现传感器的优化，以使一个特定的波长聚焦，同时使其它波长散焦(拒绝)。这可实现红外辐射中不同波长成分的单独的强度测量，这是一种在例如气体分析中可能非常有用的能力，气体分析如酒精呼气取样器，其中，需要监测人呼吸中的酒精量。因为在IR频谱中，酒精具有特定的吸收峰，所以，符合这些峰的辐射到提供在帽下方的阵列中的传感器元件501、502、503、504中特定的传感器元件上的聚焦将使得能够鉴别这些特定频率的辐射的强度的任何变化，因此用作样品中酒精存在的指示器。由于该传感器元件中的每个被配置来对适合频率的入射辐射作出反应，当该辐射入射到各个传感器上时，对传感器每个传感器元件表现的分析指示存在或者不存在其被设计用来对其作出反应的材料一提供被分析气体的气体波长特征。
图6是使用幅度调制方法的衍射光学元件(DOE)设计的一个实例，其可以结合图5中的传感器装置使用，以便将入射辐射内的四个不同波长的每一个聚焦到图5所示的四个感测元件501、502、503、504中的一个上。这种设计或图案可通过在透镜中创建单阶或者提供多个不同高度的阶来制作。将理解，关于DOE的制作，本发明并不旨在以任何方式受到限制，而是旨在包括所有制造方法，它们可以是单阶、多阶或其它变形。
尽管未示出，但是应该理解，本发明的结构可被进一步修改，以包括提供在光学元件上方的第二透镜装置，以便实现复合透镜效果。这种装置可适用于诸如提高放大率、扩大视场、提高分辨率和改进光学滤波等应用。这种装置可通过提供耦合到芯片的第二透镜来提供。可替选地，并且如图7所示，可以制作第二透镜701并且将该第二透镜耦合到完成的封装700。通过该方法，在DOE 115与第二透镜701的内部之间创建有限定的容积703。可以根据需要对该限定的容积内的空气的压力或容量进行控制。应该理解，本发明旨在包括制作复合透镜效果的任何其它方法。
应该理解，本发明的技术提供了一种有效的方法来提供IR传感器阵列，如60×60阵列。诸如IR成像的应用需要这种配置，其中，本发明的传感器阵列可用于代替传统的IR阵列。目前的IR阵列不具有如本发明所提供的集成在一个低成本单元中的透镜和传感器阵列。目前的常规IR阵列提供具有IR透射窗口的真空封装，或在封装中提供透镜，而不是本发明描述的晶片级的解决方案。
本发明的集成传感器元件/透镜帽配置的另一应用是需要场深度分析的应用。通过适当配置透镜，可以将从两个不同距离来的光聚焦到帽中不同的传感器元件上。这使得能够鉴别热源的来源，例如，其为平面金属板还是3-维人体躯干。这种应用可包括用于例如气袋部署装置中的鉴别部署传感器。
根据本发明的传感器的尺寸典型地在微米至毫米的量级。例如，当将10微米波长的辐射作为目标时，可以确定帽的尺寸为具有大约1mm2的收集面积并且位于传感器元件上方大约160微米的高度。但是，这些尺寸只是仅仅为了示例，并不是旨在将本发明限制于任何一套尺寸标准。
为便于说明，使用措词“上”、“下”、“内”和“外”，以便阐述示例性的、图示性的实施例，并非是旨在将本发明限制于任一方位。类似地，当在本说明书中使用措词“包括/包含”时，是为了具体说明存在所述特征、整数、步骤或成分，但是并不排除在其中存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、成分或组。而且，尽管已经参考特定实例描述了本发明，但是除了根据所附权利要求可能认为有必要的之外，并不是旨在以任何方式限制本发明，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对所述实施例进行多种修改和变化。

Claims (21)

1.一种传感器，具有形成在第一基底中的至少一个传感器元件以及形成在第二基底中的至少一个光学元件，所述第一和第二基底相对于彼此配置为使得所述第二基底在所述至少一个传感器元件上方形成帽，所述至少一个光学元件被配置为将所述帽上的入射辐射引导至所述至少一个传感器元件。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一和第二基底是用硅来提供的。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个传感器元件是红外传感器元件。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个光学元件是衍射光学元件。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述至少一个光学元件是折射光学元件。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述帽在所述传感器元件周围限定一腔，在该腔内的环境条件和组分可以被指定。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述腔被提供处于比环境压力低的压力。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述腔被填充有针对所述传感器的应用而选定的气体组分。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述气体组分包括其热传导比氮的热传导小的气体。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述光学元件形成在所述帽的邻近所述腔的内表面中。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述光学元件形成在所述帽的远离所述腔的外表面中。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中，在所述帽的远离所述腔的外表面和邻近所述腔的内表面中形成光学元件，邻近所述腔的光学元件和远离所述腔的光学元件的组合形成复合透镜。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中，形成有多个传感器元件，并且所述光学元件被配置成选择地将特定波长的辐射引导至所述多个传感器元件中预选的传感器元件。
14.根据权利要求1所述的传感器，包括第二帽，所述第二帽定位在所述第一帽上方，所述第二帽包括光学元件，所述第一帽和第二帽的光学元件被配置为提供复合透镜。
15.一种传感器阵列，包括多个传感器，所述传感器中的每一个具有形成在第一基底中的传感器元件以及形成在第二基底中的光学元件，所述第一和第二基底相对于彼此配置为使得所述第二基底在所述传感器元件上方形成帽，所述光学元件被配置为将所述帽上的入射辐射引导至所述感测元件，所述传感器阵列被配置为限定图像平面。
16.一种鉴别传感器，被配置为提供与被感测的预定义的三维形状的确定有关的信号，所述传感器包括：第一传感器元件，其被配置为提供与感测距所述传感器第一距离的物体有关的信号；以及第二传感器元件，其被配置为提供与感测距所述传感器第二距离的物体有关的信号，所述第一和第二传感器元件中的每一个包括形成在第一基底中的至少一个感测元件和形成在第二基底中的至少一个光学元件，所述第一和第二基底相对于彼此配置为使得所述第二基底在所述至少一个感测元件上方形成帽，所述至少一个光学元件被配置为将所述帽上的入射辐射引导至所述至少一个感测元件。
17.根据权利要求16所述的鉴别传感器，其中，所述第一和第二传感器元件中的每一个的所述至少一个感测元件形成在同一基底中。
18.根据权利要求16所述的鉴别传感器，其中，所述物体为人体躯干。
19.一种气体分析装置，包括形成在第一基底中的至少一个传感器元件和形成在第二基底中的至少一个光学元件，所述第一和第二基底相对于彼此配置为使得所述第二基底在所述至少一个传感器元件上方形成帽，所述至少一个光学元件被配置来将所述帽上的入射辐射引导至所述至少一个传感器元件，所述被引导的入射辐射的波长可指示特定气体的存在。
20.根据权利要求19所述的气体分析装置，包括多个传感器元件，以及多个相关联的光学元件，这些组合的传感器元件和光学元件中的每一个针对特定波长分析而配置，使得所述多个传感器元件的输出可用于提供气体波长特征频谱。
21.一种形成传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一基底中形成至少一个传感器元件，
在第二基底中形成光学元件，
将所述第一和第二基底接合在一起，使得所述第二基底在所述传感器元件上方提供帽，并且所述光学元件被配置为将所述帽上的入射辐射引导至所述传感器元件上。
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