CN102265126A - 红外线光检测器及其生产 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种红外线光检测器，其包含：第一衬底(2)，其包含具照射表面(9)的传感器芯片(8)，可使所述照射表面以红外线光这照射，所述红外线光可由所述传感器芯片变换为电信号；以及第二衬底(3)，其包含布置成直接邻近于所述照射表面且经配置以遮蔽具有预定波长的红外线光的窗口(10)，其中所述窗口的尺寸及其距所述照射表面的距离(12)经设计以使得允许穿越所述窗口的所述红外线光完全撞击所述传感器芯片。

Description

红外线光检测器及其生产
技术领域
本发明涉及一种红外线光检测器、一种生产所述红外线光检测器的方法、以及所述红外线光检测器作为用以检测气体的传感器的用法。
背景技术
为了检测气体，已知要使用在从3μm到5μm的波长范围内的红外线光。使待检测的气体暴露于光源，所述光源适于发射在此波长范围内的红外线光，其中所述红外线光的一部分被气体吸收，因此余光剩余下来。可用红外线光传感器来测量余光，用所述红外线光传感器可检测余光的波长范围和/或强度，且可对应地将余光变换为电信号。在合适的评估之下，可基于所述电信号来推断出所检测气体的类型和含量。
图4中展示常规的红外线光传感器101，所述红外线光传感器101具有从(例如)硅晶片中获得的衬底102。将多个传感器芯片103以栅格布置安装在硅晶片上。红外线光传感器101还具有罐状TO外壳104，所述TO外壳104覆盖具有传感器芯片103的衬底102，以便用TO外壳104来密封传感器芯片103使其不受环境影响。被制成红外线光滤波器的滤波器105安装于TO外壳104的顶侧中，在每个传感器芯片102上方。
根据图4，红外线光传感器101中提供了三个传感器芯片103及其滤波器105，其中展示了左侧传感器芯片滤波器对、中间传感器芯片滤波器对以及右侧传感器芯片滤波器对。
左侧滤波器105经设置以使得其遮蔽具有被气体类型A吸收的波长的光。中间滤波器105经设计以用于气体类型B，且右侧滤波器105经设计以用于气体类型C。如果待检测的气体包含气体类型A，并撞击将在TO外壳104处检测的气体的余光，那么余光穿过滤波器105进入TO外壳104内。左侧滤波器105不从余光中滤出任何光部分，相比之下，中间滤波器105和右侧滤波器105滤出对应的有光部分分量。穿过右侧滤波器103的余光因此撞击右侧传感器芯片103，所述右侧传感器芯片103于是被完全激活。与这形成对比的是，中间传感器芯片103和右侧传感器芯片103并未完全激活，因为穿过滤波器105的与之相关联的光因滤波器105的滤波器效应而对应地衰减。由于传感器芯片103的个别激活而引起对气体类型A的检测。
穿过左侧滤波器105的余光由图4中的第一光线106和第二光线107区别展示。由于光滤波器105对穿过其的余光的散射效应且/或由于气体检测器系统的依赖于系统的变化，光线106和107形成从右侧滤波器105到传感器芯片103呈扇形展开的光束。衬底102上因此产生由光线106和107包围的暴露表面。希望右侧传感器芯片103和中间传感器芯片103位于暴露区域之外，因为(例如)如图4中所示，中间传感器芯片103的照明可导致传感器芯片103的误解激活。TO外壳104按照惯例由金属制成。取决于制造商，TO外壳的高度为1mm到2mm。个别传感器芯片103之间因此产生必要的最小距离0.1mm到1mm，使得(例如)中间传感器芯片103位于左侧传感器芯片103的暴露区域之外。由此导致传感器芯片103的布置的总宽度较大，因此，必须提供对应大小的衬底102的尺寸。红外线光传感器101可替代地配备有仅一个传感器芯片滤波器对，使得为了检测多种气体类型有必要具有多个此类红外线光传感器101。然而，所述多个红外线光传感器101的成本将过高。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外线光检测器、一种生产所述红外线光检测器的方法以及所述红外线光检测器的用法，其中所述红外光检测器的结构空间较小且节省生产成本。
根据本发明的红外线光检测器具有：第一衬底，其具有具暴露区域的传感器芯片，可使所述暴露区域暴露于红外线光，所述红外线光可由传感器芯片变换为电信号；以及第二衬底，其具有布置成直接邻近于暴露区域且经配置以遮蔽具有预定波长的红外线光的窗口，且所述窗口的大小及其距暴露区域的距离的尺寸经设计以使得由所述窗口透射的红外线光完全撞击传感器芯片。
所述第二衬底可安装于第一衬底正上方较小距离处，因此窗口布置成几乎直接邻近于传感器芯片；已穿过窗口到传感器芯片的光的路线因此较小，使得第一衬底的被散射光照明的区较小。根据本发明的红外线光检测器进而有利地具有较小的结构大小。红外线光检测器及其两个衬底生产起来也是较简单且节省成本的。
根据本发明的用以产生红外线光检测器的方法具有以下步骤：将传感器芯片附接到第一衬底；将第二衬底接合到第一衬底，使得第二衬底覆盖传感器芯片；在第二衬底中产生窗口，使得所述窗口布置成直接邻近于传感器芯片；以及布置窗口，使得所述窗口遮蔽具有预定波长的红外线光；以及设计窗口及其距传感器芯片的距离的尺寸，使得穿过所述窗口的红外线光完全撞击传感器芯片。
根据本发明，将所述红外线光检测器用作用以检测气体的传感器。
所述窗口优选布置成集成在第二衬底的顶侧上，所述顶侧背对第一衬底，且/或集成到第二衬底中，其中所述窗口与暴露区域之间的距离有利地介于10μm与700μm之间。
所述窗口优选为由多层红外线吸收层/电介质层/和/或光学衍射元件形成的红外线光滤波器。所述多层红外线吸收层是可用薄膜层的光刻技术或激光切除来构造且可用已知的商业方法施加到衬底上的层布置。所述光学衍射元件具有金属层和/或电介质层的组合，其中蚀刻一结构，所述结构的大小近似等于由光学衍射元件滤波的光的波长的四分之一。光的具有无法穿过光学衍射元件的波长的部分在金属层处反射。
第一衬底和/或第二衬底是由硅晶片和/或蓝宝石生产。所生产的红外线光检测器及其衬底进而有利地在半导体制造的可能性的范围内生产。
第一衬底具有若干个传感器芯片，且第二衬底具有若干个窗口，所述窗口中的一者(其与相应的传感器芯片相关联)在相应的传感器芯片上对准，且传感器芯片及其窗口布置于栅格布置中。
由于窗口与暴露区域之间的距离介于10μm与700μm之间，所以第一衬底被散射光照明的区有利地较小。传感器芯片可因此布置成在第一衬底上彼此密集地邻接，而不具有已穿过此窗口中的一者从而撞击不与窗口相关联的传感器芯片中的一者的光。红外线光检测器因此将具备较高的传感器芯片空间密度，但所述传感器芯片关于其激活不具有模糊性。而且，相对于在第一衬底上提供的传感器芯片的数目，第一衬底的大小和第二衬底的大小较小，使得在用硅晶片生产衬底时材料消耗较小。由此红外线光检测器的生产节省成本。
窗口优选经配置以遮蔽具有相应的不同预定波长的红外线光。具有不同波长的红外线光进而从窗口传递到传感器芯片，使得传感器芯片在不同的红外线光组成的情况下相应地激活。
第二衬底优选接合到第一衬底。红外线光检测器进而在第一衬底与第二衬底之间具有稳定的机械接合，其中所述衬底布置于距第一衬底的仅较小距离处。
所述红外线光检测器优选具有布置在第一衬底的背对第二衬底的侧面上的第三衬底。第三衬底优选具有用以评估传感器芯片的电信号的评估电路。评估电路可评估产生传感器芯片的电信号的传感器芯片的激活。评估电路优选集成到第三衬底中，且/或安放在第三衬底之外。如果评估电路布置成集成到第三衬底中，那么所述红外线光检测器具有紧凑式设计。第三衬底也优选由硅晶片制成。
光学衍射元件具有电介质层和外壳，所述外壳设计成内部反射的并容纳所述电介质层，所述外壳具有位于背对传感器芯片的侧面上的入口，以及位于面向传感器芯片的侧面上的出口，所述出口布置成相对于所述入口而偏置，使得红外线光的穿过入口进入且无法注入到电介质层中的部分可穿过入口由所述外壳完全反射回来，且所述外壳具有至少一个侧壁，所述侧壁以某一角度布置以使得红外线光的穿过入口进入且可穿过所述入口注入的部分可由所述至少一个侧壁穿过出口朝所述传感器芯片反射。
而且，优选在生产红外线光检测器时，将窗口作为红外线光窗口而生产，所述红外线光窗口是多层红外线吸收层和/或光学衍射元件。用以生产红外线光传感器的方法优选具有以下步骤：移除第二衬底在背对第一衬底的表面处的材料，使得用于暴露于红外线光的窗口不被覆盖。所述方法还优选具有以下步骤：将第三衬底接合到第一衬底的背对传感器芯片的侧面。
附图说明
下文使用所附示意图来阐释根据本发明的红外线光检测器的优选实施例。所展示的是：
图1是根据本发明的红外线光检测器的第一实施例的横截面，
图2是根据本发明的红外线光检测器的第二实施例的横截面，
图3是来自图2的第二实施例的截面，其中窗口是光学衍射元件，以及
图4是常规红外线光传感器的横截面。
具体实施方式
如从图1中明白，红外线光检测器1具有被制成板的第一衬底2。红外线光检测器1还具有第二衬底3，所述第二衬底3具有与第一衬底2相同的尺寸，且布置于第一衬底2上方某一距离处(如图1中所见)。具有与第一衬底2相同的尺寸的第三衬底4提供在第一衬底下方某一距离处(如图1中所见)。第二衬底3和第三衬底4两者借助于接合式附件4而在其外部边缘处紧固到第一衬底2，使得在第一衬底2与第二衬底3之间形成一个腔，且在第一衬底2与第三衬底4之间形成另一腔。
将彼此位于相等距离处的四个传感器芯片8布置于第一衬底2的顶侧6上。每一传感器芯片8在其顶侧处分别具有暴露区域9。集成到第二衬底4中的窗口10分别提供在每一传感器芯片8上方，其中每一窗口和与之相关联的传感器芯片垂直对准。第二衬底3中的窗口10布置成与第二衬底3的顶侧7齐平端接。
窗口10中的每一者被制成红外线光窗口，但窗口10中的每一者滤出处于不同波长的红外线光。穿过窗口10的一者的红外线光进入到第一衬底2与第二衬底3之间的腔中，并撞击与窗口10相关联的传感器芯片8的暴露区域9。传感器芯片8对应于撞击暴露区域9的光的强度而激活，且输出电信号。可在红外线光检测器1的评估电路(未图示)中评估此信号，因此可检测穿过窗口10的红外线光。
窗口10的宽度11及其距暴露区域9的距离12经选定以使得由于光散射效应，穿过窗口10中的一者的红外线光完全撞击与之相关联的传感器芯片8的暴露区域9。邻近于此传感器芯片8的不同传感器芯片8进而不被此光照明。
由于红外线光检测器1具有第一衬底2和第二衬底3，其中传感器芯片8布置于第一衬底2上，且窗口10布置于第二衬底3中，且第一衬底2经由接合而与第二衬底3机械连接，因此红外线光检测器1具有紧凑式设计以及传感器芯片8的高激活精度。
图2中所示的红外线光检测器1的实施例与图1中所示的红外线光检测器的实施例的不同之处在于：如图1中所示的窗口10并未集成到第二衬底3中，而是布置于第二衬底3的顶侧7上。
根据图3，对于图2中所示的实施例，将窗口10提供为光学衍射元件13。所述光学衍射元件13具有外壳，所述外壳具有底板(floorbase)14、盖15以及第一侧壁16和第二侧壁17。所述外壳由金属制成，且设计成内部反射。电介质层20布置于所述外壳中。盖15具有入口18，且底板14具有布置于传感器芯片8上方的出口19。光21可经由入口18而穿透到光学衍射元件13中。入口18和出口19布置成相对于彼此偏置，使得入口18和出口19相对于传入光21的入射方向不重叠。入口18进而布置成关于传入光21的入射方向而与底板14相对。传入光21的注入到电介质层中的部分因此在底板14处反射，使得这部分再次经由入口18而辐射离开。传入光的注入到电介质层20中的其它部分22被传导到电介质层中的右侧21(如图3中所见)和左侧(未图示)。
所述外壳还具有第一侧壁16和第二侧壁17，其中第一侧壁16布置成直接邻近于入口18，且第二侧壁布置成直接邻近于出口19。第二侧壁17以某一角度布置以便向传感器芯片8传导注入光22。第一侧壁16布置成与第二侧壁17相对并成角度，使得传入光21在左侧注入到电介质层中的部分朝第二侧壁17反射。进而用光学衍射元件13实现了高效率。
盖15还经布置以使得盖15关于传入光21的入射方向而封闭出口19。进而保护传感器芯片，使其免于入射光21的直接暴露。
参考列表
1红外线光检测器
2第一衬底
3第二衬底
4第三衬底
5接合式附件
6第一衬底的顶侧
7第二衬底的顶侧
8传感器芯片
9暴露区域
10窗口
11窗口的宽度
12窗口与暴露区域之间的距离
13光学衍射元件
14底板
15盖
16第一侧壁
17第二侧壁
18入口
19出口
20电介质层
21入射光
22注入光
23出射光
101红外线光传感器
102衬底
103传感器芯片
104TO外壳
105滤波器
106第一光线
107第二光线

Claims (17)

1.一种红外线光检测器，其具有：第一衬底(2)，其具有具暴露区域(9)的传感器芯片(8)，可使所述暴露区域(9)暴露于红外线光，所述红外线光可由所述传感器芯片(8)变换为电信号；以及第二衬底(3)，其具有布置成直接邻近于所述暴露区域(9)且经配置以遮蔽具有预定波长的红外线光的窗口(10)，且所述窗口(10)的大小(11)及其距所述暴露区域(9)的距离(12)的尺寸经设计以使得由所述窗口(10)透射的所述红外线光完全撞击所述传感器芯片(8)。
2.根据权利要求1所述的红外线光检测器，其中所述窗口(10)布置成：集成在所述第二衬底(3)的顶侧(7)上，所述顶侧(7)背对所述第一衬底；且/或集成到所述第二衬底(3)中，且所述窗口(10)与所述暴露区域(9)之间的所述距离(12)介于10微米与700微米之间。
3.根据权利要求1或2所述的红外线光检测器，其中所述窗口(10)是由多层红外线吸收层/电介质层和/或光学衍射元件(13)形成的红外线光滤波器。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的红外线光检测器，其中所述第一衬底(2)和/或所述第二衬底(3)由硅晶片和/或蓝宝石生产。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的红外线光检测器，其中所述第一衬底(2)具有若干个所述传感器芯片(8)，且所述第二衬底(3)具有若干个窗口(10)，其中在所述传感器芯片(8)中的每一者处，所述窗口(10)中分别与所述传感器芯片(8)相关联的一者在所述传感器芯片(8)上对准，且所述传感器芯片(8)及其窗口(10)布置于栅格布置中。
6.根据权利要求5所述的红外线光检测器，其中所述窗口(10)经配置以遮蔽具有相应的不同预定波长的红外线光。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的红外线光检测器，其中所述第二衬底(3)接合到所述第一衬底(2)。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的红外线光检测器，其中所述红外线光检测器(1)具有第三衬底(4)，所述第三衬底(4)布置于所述第一衬底(2)的背对所述第二衬底(3)的侧面上。
9.根据权利要求8所述的红外线光检测器，其中所述第三衬底(4)具有用以评估所述传感器芯片(8)的电信号的评估电路。
10.根据权利要求9所述的红外线光检测器，其中所述评估电路集成到所述第三衬底(4)中，且/或安放在所述第三衬底(4)之外。
11.根据权利要求9或10所述的红外线光检测器，其中所述第三衬底(4)由硅晶片和/或蓝宝石生产。
12.根据权利要求3到11中任一权利要求所述的红外线光检测器，其中所述光学衍射元件(13)具有电介质层(20)和外壳(14、15)，所述外壳(14、15)设计成内部反射的并容纳所述电介质层(20)，所述外壳(14、15)具有位于背对所述传感器芯片(8)的侧面上的入口(18)，以及位于面向所述传感器芯片(8)的侧面上的出口(19)，所述出口(19)布置成相对于所述入口(18)而偏置，使得红外线光的穿过所述入口(18)而进入且无法注入到所述电介质层(20)中的部分可穿过所述入口(18)由所述外壳(14、15)完全反射回来，且所述外壳(14、15)具有至少一个侧壁(17)，所述侧壁(17)以某一角度布置以使得红外线光的穿过所述入口(18)而进入且可注入到所述电介质层(20)中的其它部分可由所述至少一个侧壁(17)穿过所述出口(19)朝所述传感器芯片(18)反射。
13.一种用以生产根据权利要求1到12所述的红外线光检测器的方法，其具有以下步骤：
将传感器芯片(8)附接到第一衬底(2)；
将第二衬底(3)接合到所述第一衬底(2)，使得所述第二衬底(3)覆盖所述传感器芯片(8)；
在所述第二衬底(3)中产生窗口(10)，使得所述窗口布置成直接邻近于所述传感器芯片(8)，其中所述窗口(10)经配备以使得所述窗口(10)遮蔽具有预定波长的红外线光，其中所述窗口(10)的大小(11)及其距所述传感器芯片(8)的距离(12)的尺寸经设计以使得由所述窗口(10)透射的所述红外线光完全撞击所述传感器芯片(8)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述窗口(10)作为红外线光滤波器而生产，所述红外线光滤波器是多层红外线吸收层和/或光学衍射元件。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其具有以下步骤：
移除第二衬底(3)在背对所述第一衬底(2)的表面处的材料，使得用于暴露于红外线光的所述窗口(10)不被覆盖。
16.根据权利要求13到15中任一权利要求所述的方法，其具有以下步骤：
将第三衬底(4)接合到所述第一衬底(2)的被施加到所述传感器芯片(8)的侧面上。
17.一种将根据权利要求1到11中任一权利要求所述的红外线光检测器作为用以检测气体的传感器的用法。
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