CN106153548A

CN106153548A - 气体传感器

Info

Publication number: CN106153548A
Application number: CN201610174975.5A
Authority: CN
Inventors: 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
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: CN110927067A; US10753858B2; DE102016205024A1; US10365208B2; US11092538B2; DE102016205024B4; US20190323947A1; CN106153548B; US20160282259A1; US11530980B2; US20200355602A1; DE202015002315U1; US20210285866A1

Abstract

本发明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。

Description

气体传感器

技术领域

本发明描述了一种具有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。

背景技术

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。

发明内容

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。根据本发明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，贯穿半导体通孔）被引导到共同的衬底平面上，并且被实施在气体传感器的从外部可到达的主表面区域上。这是有利的，因为因此仅仅在气体传感器的一位置处实施气体传感器的接触部并且因此简化了接触。

另外，实施例描述了：发射体元件和传感器元件的接触部在侧面上被实施在发射器元件和传感器单元的表面区域处，其中电路板平行于发射体元件和传感器元件的厚度方向来布置，并且接触在侧面实施的接触部。这是有利的，因为传感器例如可以在没有另外的接触材料的情况下布置在电路板上并且与该电路板电连接。

根据另外的实施例，发射体元件为了发射电磁辐射而具有发射体单元，所述发射体单元是红外发射体。

另外的实施例示出了气体传感器，其中MEMS隔膜形成微机械电容传感器。微机械电容传感器例如是麦克风。

附图说明

本申请的优选实施例在下面参考附图予以阐述。其中：

图1a示出了气体传感器的示意性侧视图；

图1b示出了具有参考室的气体传感器的示意性侧视图；

图1c示出了发射体元件和传感器元件的与图1a不同布置的气体传感器的示意性侧视图；

图2a以横截面图示出了用在气体传感器中的发射体元件和传感器元件的示意图；

图2b示出了根据具有参考室的实施例、用在气体传感器中的发射体元件和传感器元件的示意图；

图2c示出了根据另一实施例的用在气体传感器中的发射体元件和传感器元件的示意图；

图2d示出了具有参考室的替代实施例中的发射体元件和传感器元件的示意图；

图2e示出了具有处于上部的经打孔的相对电极的发射体元件的示意图；

图3示出了壳体中的气体传感器的示意图，其中发射体元件和传感器元件并排布置；

图4a示出了根据一个实施例的气体传感器的示意图，其中发射体元件和传感器元件在厚度方向上堆叠；

图4b示出了根据一个具有参考室的实施例的气体传感器的示意图，其中发射体元件和传感器元件在厚度方向上堆叠；

图4c示出了与图4b不同的实施例中的具有参考室的气体传感器的示意图；

图5a示出了根据一个具有气体传感器的示例性接触的实施例的气体传感器的示意图；

图5b示出了根据一个具有参考室以及气体传感器的示例性接触的实施例的气体传感器的示意图；

图5c示出了根据一个具有参考室以及气体传感器的示例性接触的不同实施例的气体传感器的示意图；

图5d示出了根据一个具有气体传感器的不同接触的实施例的气体传感器的示意图。

具体实施方式

在下面对附图的描述中，给相同或作用相同的元件配备相同的附图标记，使得其描述在不同实施例中可以彼此交换。

图1a示出了气体传感器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被构造用于容纳测量气体50。此外，根据一个实施例，传感器元件10和发射体元件20可以具有密封封闭的连接，使得形成密封封闭的测量室15。这可以延长发射体元件20或整个气体传感器的寿命，因为其在保护气氛中运行。相同的效果也可以通过包围气体传感器的壳体来实现。MEMS隔膜例如形成微机械电容传感器、例如麦克风。微机械电容传感器被构造用于以电容方式测量MEMS隔膜相对于相对电极（未示出）的偏转。

另外，图1a示出了发射体元件20、例如红外发射体，该发射体元件20可以被实现为MEMS元件，该MEMS元件被构造用于发射电磁辐射55。电磁辐射55经过辐射路径60，该辐射路径60从发射体元件20出发具有测量室15。另外，发射体元件20和传感器元件10彼此机械连接。密封封闭的连接是可选的，因为将测量气体包围到某体积中例如也可以通过图3所示的壳体来实现。另外，还存在测量气体的包围为可选的实施例。如果测量气体不存在于封闭体积中，则有利的是，将测量气体或测量体积实施成声学高通，以便测量气体的光声信号作用于MEMS隔膜并且避免了到自由空间中的散射。因此，声学高通使得能够在测量气体处于自由空间中时执行连续的测量。换言之，当传感器元件被实施成高通时，可以在探测器的非封闭的体积或参考体积的情况下测量压力改变。因此，连续测量例如可以利用封闭探测器或通过将探测器构造成高通来实现。所描述的实施例是一种可非常小地构建的气体传感器，因为该气体传感器没有在下面描述的具有参考室的实施例中实现。

改善的测量结果可以通过隔离从发射体元件20经由测量气体50的热过渡来实现。换言之，可能有利的是，避免了测量气体50的升温或者由于测量气体的升温造成的压力改变对MEMS隔膜的影响。这可以通过封闭发射体元件或传感器元件来实现。如果发射体元件或发射体被实施为封闭的，则可以在发射体单元、例如加热丝之间布置真空或惰性保护气体，该发射体单元实现发射体元件到测量气体上的红外辐射，但是防止或至少减小了热传播。如果传感器元件被实施为封闭的并且发射体元件20以开放形式存在，则测量气体升温，但是压力改变不作用于MEMS隔膜。在两种情况下，光声信号都可以在没有由于升温造成的测量气体膨胀的叠加的情况下来测量。同样还可以分别密封地封闭发射体元件和传感器元件。

由发射体元件和传感器元件构成的所述组合可以依照多晶片方案的概念来概括。这实现了由分别形成开放或封闭发射体元件或传感器元件的封闭和开放元件构成的任意组合。同样也可以可选地在封闭体积中实施测量室。元件的组合可以是任意的。此外，发射体元件和/或传感器元件本身可以由不同衬底元件或晶片的层构成。示例性地实现关于图2a-e来描述。

图1b示出了气体传感器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和参考室30，该参考室30具有位于其中的参考流体35。MEMS隔膜25布置在第一衬底区域40中，并且参考室30的腔体布置在第二衬底区域45中。测量室15被构造用于容纳测量气体50。另外，构造传感器元件10的第一和第二衬底区域40、45密封地封闭并且彼此连接。此外，根据一个实施例，传感器元件10和发射体元件20也可以具有密封封闭的连接，使得形成密封封闭的测量室15。这可以延长发射体元件20的寿命。

另外，图1b示出了发射体元件20，该发射体元件20被构造用于发射电磁辐射55。电磁辐射55经过辐射路径60，该辐射路径60从发射体元件20出发具有测量室15和参考室30。为了将测量气体和参考流体在空间上彼此隔开，在参考室30与测量室15之间布置电磁辐射55可透过的层65。另外，发射体元件20和传感器元件10彼此机械连接。

参考流体例如是气体混合物，该气体混合物包括要探测的气体、例如C0₂（二氧化碳）、CO（一氧化碳）、NO_x（氧化氮）等等、并且可选地包括缓冲气体。缓冲气体例如充当另外的参考气体，其方式是，将参考单元的选择性扩展为气体混合物或另外的气体。这样，在参考室中除了要探测的气体以外还可以存在一种或多种另外的气体，使得气体传感器灵敏地对包括存在于参考气体中的气体的测量气体做出反应。另外可以将湿气引入到参考室中，以便确定测量气体的湿气含量。换言之，其充当用于修改或优化传输段的元件，其中传输段具有下列步骤。从发射体元件20的温度或电磁辐射出发，在参考室30中产生压力改变，其中该压力改变依赖于电磁辐射被测量气体的吸收（例如成反比）。参考室中的压力改变可以通过传感器10中的隔膜的偏转来测量。另外，可以通过缓冲气体调节气体传感器5或传感器元件10的灵敏度，使得在MEMS隔膜的可预期的转向过度或转向不足的情况下例如通过减小或提高缓冲气体份额来实现所期望的灵敏度。

实施例示出了MEMS隔膜25，其被构造用于将电磁辐射的存在于参考室30中的能量转换成输出信号。输出信号可以基于依赖于电磁辐射的当前能量的偏转来生成。因此，MEMS隔膜例如可以形成微机械电容传感器、例如麦克风。微机械电容传感器被构造用于例如以电容方式测量MEMS隔膜相对于相对电极（未示出）的偏转。

图1c示出了具有发射体元件和传感器元件的与图1a不同布置的气体传感器5的示意图。图1b示出了发射体元件20和传感器元件10沿着在侧面上穿过发射体元件和传感器元件延伸的投影线的布置。在此，发射体元件20和传感器元件10在侧面上延伸的主表面区域处彼此连接。根据一个实施例，电磁辐射55的辐射路径60延伸穿过与发射体元件20和传感器元件10接界的测量气体50。电磁辐射55从发射体元件的发射电磁辐射所在的主表面区域75到传感器元件的电磁辐射进入传感器元件所在的主表面区域80上的弯曲或偏转例如通过反射性元件（未示出）、比如壳体的对电磁辐射55起反射性作用的内侧来进行。图3示出了该布置的实施例。

图2a示出了根据实施例用在气体传感器中的发射体元件20和传感器元件10的示意图。传感器元件10除了第一衬底区域和第二衬底区域45以外还可以具有第三衬底区域85，该第三衬底区域85在此处所示实施例中是传感器元件10的封闭元件。类似于传感器元件，发射体元件也可以具有第一衬底区域90和第二衬底区域95，其中第一衬底区域90具有发射体单元100，该发射体单元100被构造用于发射电磁辐射55。发射体单元100例如是红外发射体（IR发射体），其可以通过加热丝的曲折形布置来实现。发射体元件的第二衬底区域95具有腔体105，该腔体105被构造用于最小化发射体元件的热质量。根据另外的实施例，发射体元件的第二衬底区域95可以补充于或替代于腔体105具有针对电磁辐射55可透过的材料。另外，发射体元件20也具有第三衬底区域110，该第三衬底区域110形成发射体元件的封闭元件。此外应当注意，关于图2b-d所描述的实施例也可以应用于图2a。

根据该布置，发射体元件20可以形成黑体发射体（或普朗克发射体）。理想的黑体发射体完全吸收任何波长的入射电磁辐射，并且将所吸收的能量作为具有仅依赖于温度的特征谱的电磁辐射又进行发射。

图2b示出了根据实施例用在气体传感器中的发射体元件20和传感器元件10的示意图。传感器元件10除了第一衬底区域和第二衬底区域45以外还可以具有第三衬底区域85，该第三衬底区域85在此处所示实施例中是传感器元件10的封闭元件。类似于传感器元件，发射体元件也可以具有第一衬底区域90和第二衬底区域95，其中第一衬底区域90具有发射体单元100，该发射体单元100被构造用于发射电磁辐射55。发射体单元100例如是红外发射体（IR发射体），其可以通过加热丝的曲折形布置来实现。发射体元件的第二衬底区域95具有腔体105，该腔体105被构造用于最小化发射体元件的热质量。根据另外的实施例，发射体元件的第二衬底区域95可以补充于或替代于腔体105具有电磁辐射55可透过的材料。另外，发射体元件20也具有第三衬底区域110，该第三衬底区域110形成发射体元件的封闭元件。

根据实施例，发射体元件的第二衬底区域95可以类似于传感器元件的第二衬底区域的电磁辐射可透过的层65同样具有电磁辐射可透过的层115，其中在图4b中示出了层65和115形成测量室的实施例。层115还可以可选地具有开口120。开口120可以使参考流体能够进入腔体105，使得延长从发射体元件发出的温度辐射的吸收路径。另外，可选地在发射体元件的第一和第三衬底区域中形成腔体，所述腔体分别被构造用于减小传感器元件的热质量并且形成用于实现黑体发射体的空腔125。可选地，空腔125以及105被填充缓冲气体，该缓冲气体被构造用于最小化发射体单元的退化和/或改善发射体元件的质量。在该实施例中有利的是，将层115构造为没有开口120，以便将缓冲气体同测量气体隔开。

可选地，同样还有在辐射路径60（在此未绘出）中布置荫罩130，该荫罩130被构造用于减小辐射体元件到MEMS隔膜25的直接电磁辐射。但是荫罩允许电磁辐射进入参考室。为此，荫罩例如仅仅覆盖传感器元件的电磁辐射可透过的层的一部分，或者其根据图2e中所描述的实施例在参考室内布置在MEMS隔膜之前。换言之，可选的荫罩不遮蔽参考室30，而是仅仅遮蔽隔膜25。为此，电磁辐射可透过的层65、例如玻璃片有利地在在厚度方向上向隔膜25延伸的投影线的区域中被镀层或涂黑。因此，电磁辐射55可以通过与荫蔽隔膜130接界的区域激励参考室30中的参考流体，但是明显减少到MEMS隔膜25上的直接电磁辐射。因此，MEMS隔膜明显更少地加热，由此减少了由于加热造成的磨损或故障信号并且减少了由此造成的相同隔膜的偏转（可与双金属材料情况下的效果相比）。

荫罩130还减少了压力平衡室135的加热。压力平衡室135通过MEMS隔膜25中的开口140与参考室30连接。通过开口来进行参考室与压力平衡室之间的缓慢气体交换，使得参考室和压力平衡室中改变的压力在较长时间段内被平衡，并且因此避免了MEMS隔膜25的超过长时间段改变的预应力。快速的压力改变不能通过开口140来平衡，使得MEMS隔膜25或传感器元件10可以测量该快速改变。应当注意，荫罩130在所有示出的实施例中都是可选的，即使其在所属的图中被绘出。

传感器元件和发射体元件的衬底区域有利地可以具有硅。因此，在制造方法中，传感器元件和发射体元件的相同衬底区域可以在共同的MEMS制造方法中实现。分开制造的衬底区域根据实施例被堆叠并且被布置成晶片叠层或衬底叠层（晶片堆或衬底堆）。为了固定衬底区域，这些衬底区域例如可以借助于阳极接合或玻璃料接合（英语：Glass frit bonding（玻璃料接合））彼此连接，使得在衬底区域（例如晶片）之间形成视方法而定的连接元件。传感器元件45或发射体元件95的第二衬底区域（顶部层）、或传感器元件85或发射体元件110的第一衬底区域（底部层）也可以被构造成玻璃晶片或具有例如以窗口形式的玻璃部分。

传感器元件10和发射体元件20可以在所示布置中横向并排地例如在壳体中作为压力传感器运行（参见图3）或者替代地通过锯开标记145被分离。

图2c示出了在图2b中描述的实施例，其中对图2b补充了间隔垫片160。如果传感器元件10和发射体元件20如图4中所示被组装，则可以在间隔垫片之间形成测量室。发射体元件和MEMS隔膜在所示实施例中被封闭并且不与测量气体接触。除了间隔垫片在传感器元件上的在此所示的布置以外，还可以在发射体元件上布置间隔垫片。另外，图2c示出了封闭的层115，也就是说，层115不具有开口120。因此，测量气体不与发射体110接触。此外，可以将保护气体加入到腔体105和/或125中，以便减小发射体的退化。

图2d示出了根据与图2b不同的实施例的传感器元件10和发射体元件20的示意图。该实施例示出了例如具有玻璃或二氧化硅（SiO₂）的传感器元件和发射体元件的第二衬底区域45、95。这可以是结构化的玻璃晶片。该玻璃晶片同样可以借助于阳极接合在衬底区域40或90处与其下的衬底区域连接。另外，腔体105在该实施例中可以是可引入要测量的测量气体的测量室15的至少一部分。测量室15因此至少部分地处于发射体元件20中。

图2e以横截面示出了传感器元件10和发射体元件20的示意图。该实施例示出了未封闭的发射体元件20和封闭的传感器元件10。为了气密地封闭传感器元件10，可以将红外窗口65布置在传感器元件的第二衬底区域45之上。该红外窗口可以如已经描述的那样借助于阳极接合或其它合适方法与第一衬底区域40连接。另外，传感器元件具有位于上部的经打孔的相对电极180。所述相对电极180可以包括多晶硅、金属、由介电质、例如SiN（氮化硅）和金属构成的层或者所述材料的组合。在此，优选地可以使用反射红外辐射的材料（例如金属）。这可以通过金属化的经打孔的相对电极来实现。相对电极180形成MEMS隔膜的功能相对物，以便形成微机械电容传感器、例如麦克风。另外，相对电极180在所示实施例中被实施为经打孔的，并且因此同时履行荫罩的任务。打孔度被实施为越小，则MEMS隔膜25的遮蔽就越好。相对电极可以固定在保持结构175处，该保持结构例如具有氧化物。

另外，也可以仅仅气密地封闭发射体元件或发射体。传感器元件保持开放。这样，测量气体的升温例如可以通过包围发射体元件、例如加热丝来避免，使得仅仅发射的红外辐射入射到测量气体上，并且在那里产生可由传感器元件测量的光声信号。因此，避免测量气体由于传输到MEMS隔膜上并与声光信号叠加的升温造成的膨胀。

图3以示意图示出了壳体150中的发射体元件、传感器元件在图2d中已经示出的布置。壳体150具有用于测量气体50的入、出口155a、b，通过所述入口和出口，测量气体可以进入壳体50中。壳体150例如是SMD（Surface Mounted Device（表面安装器件），德语：表面安装器件）壳体。另外，壳体150在朝向传感器元件和发射体元件的侧上具有主表面区域，所述主表面区域被构造用于将电磁辐射55从发射体元件20反射到传感器元件10上。

图4a示出了根据一个实施例的气体传感器的示意图，其中发射体元件和传感器元件在厚度方向上堆叠。该气体传感器基于发射体元件和传感器元件的已经在图2a中示出的布置。为了获得图4a中所示实施例，可以沿着图2a中所示的锯开标记145将传感器元件同发射体元件分开，并且在分别第二衬底区域的处于外部的主表面区域处堆叠。在传感器元件与发射体元件之间优选地可以布置间隔垫片160，该间隔垫片160在传感器元件与发射体元件之间形成测量室15。间隔垫片160例如可以是通过连接接界的衬底区域所生成的连接元件。另外，间隔垫片可以包括半导体材料（例如硅）或玻璃。通过间隔垫片160中的开口，测量气体可以被引入到测量室中。关于下列图描述的另外的实施例也可以在考虑没有参考室的情况下类似地应用于在此所示的实施例。

图4b示出了根据一个实施例的气体传感器的示意图，其中发射体元件和传感器元件在厚度方向上堆叠。该气体传感器基于发射体元件和传感器元件的已经在图2b中示出的布置。为了获得图4b中所示实施例，可以沿着图2b中所示的锯开标记145将传感器元件同发射体元件分开，并且在分别第二衬底区域的处于外部的主表面区域处堆叠。在传感器元件与发射体元件之间优选地可以布置间隔垫片160，该间隔垫片160在传感器元件与发射体元件之间形成测量室15。间隔垫片160例如可以是通过连接接界的衬底区域所生成的连接元件。另外，间隔垫片可以包括半导体材料（例如硅）或玻璃。通过间隔垫片160中的开口，测量气体可以被引入到测量室中。

如已经描述的那样，传感器元件和发射体元件可以与间隔垫片一起例如借助于阳极接合或其它接合方法被连接，另外，间隔垫片本身也可以通过合适的连接材料、例如连接层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间层的接合方法的情况下来实施。这些布置是有利的，因为测量气体50（在此未示出）在测量室15中既不与发射体元件接触又不与传感器元件接触，而是存在于传感器元件与发射体元件之间的由间隔垫片160以及电磁辐射可透过的层65和115所界定的所定义的区域中。因此，避免了潜在的污染或由测量气体引起的传感器元件和发射体元件的加速退化。换言之，传感器元件和发射体元件本身封闭或密封。

实施例示出了对二氧化碳（CO₂）灵敏的气体传感器。测量气体中的二氧化碳浓度例如可以具有1000ppm（parts per million（百万分率），德语：百万分率）。在参考室和压力平衡室30、135中，可以存在参考流体，该参考流体例如包括50至100%二氧化碳和可选地包括缓冲气体部分。可选地，缓冲气体填充此外还可以存在于空腔125中。如果缓冲气体与发射体单元接界地、即在空腔105或125中存在，则该缓冲气体可以充当惰性保护气体、即减慢发射体的退化。可充当保护气体的是氮气、氩气或其它重气体，所述重气体防止或至少减慢例如由于发射体的大量发热造成的表面改变。

替代地或补充地，发射体处的缓冲气体也可以用于对输出辐射进行过滤，以便对发射体单元的相对宽带的电磁辐射在其带宽方面（进一步）进行限制，使得窄带电磁辐射射到测量气体上。发射体处的相对宽带的电磁辐射可以具有1μm和10μm之间的带宽，其中经过滤的窄带电磁辐射例如具有0.2μm和0.5μm之间的带宽。为了获得气体传感器的测量精确度有利的是，缓冲气体不含要确定的测量气体。过滤功能也可以通过发射体与测量室之间的合适分离来实现。这样，例如电磁辐射可透过的层115被构造成过滤元件。这可以通过特别处理玻璃片或者使用法布里柏罗过滤器来实现。

如果缓冲气体与MEMS隔膜25接界地或在参考室中存在，则缓冲气体同样可以满足用于MEMS隔膜的保护气体的功能。替代地或补充地，缓冲气体也可以作为参考包括要确定的测量气体、即例如要测量的气体或要测量的气体混合物。

该实施例示出了布置在投影平面内的发射体元件20和传感器元件10，该投影平面在厚度方向上向发射体元件和传感器元件延伸，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。如已经描述的那样，可以在发射体元件与传感器元件之间加入间隔垫片160。该连接有利地借助于阳极接合或用于连接衬底区域的其它合适方法来进行。为了电接触发射体元件和传感器元件，可以在传感器元件和发射体元件的第二和第三衬底区域之间或者在第一和第二衬底区域之间实施传感器单元和MEMS隔膜的接线端子，所述接线端子例如可以通过接触垫被接触。

图4c示出了基于图2d中所示实施例的传感器元件10和发射体元件20构造的气体传感器5的示意图。如已经关于图4b所描述的那样，传感器元件和发射体元件可以在锯开标记处被分开，使得传感器元件的第二衬底区域可以与发射体元件的第二衬底区域连接为，使得产生在厚度方向上堆叠的气体传感器，该气体传感器在所示实施例中包括六个衬底区域。所示实施例具有密封的麦克风25，而测量室被集成到发射体元件中并且具有与发射体单元100的直接接触。该实施例实现了气体传感器5在x、y和z方向上的最小实施方式。

图5a示出了根据没有参考室的以图2a和4a中所示实施例为依据的实施例的气体传感器5的示意图。发射体元件20的实施方案与所述实施例不同，其中第一衬底区域90围绕在侧面上穿过衬底区域延伸的轴转动180°。发射体单元100可以表面地布置在衬底区域90上，并且例如通过蚀刻被相对的主表面区域从背侧露出。因此，发射体元件20可以在背侧运行。相同的原理也可以应用于传感器元件的第一衬底区域40中的MEMS隔膜25，但是在图中未明确示出。

另外，图5a示出了在电路板165（PCB，Printed Circuit Board（印刷电路板））上对气体传感器5的接触，该接触根据下面的图予以更详尽描述。如同关于5b-d描述的其它实施例可应用于图5a那样，根据图5b中描述的 TSV 170'的接触同样可以。

图5b示出了根据以图2b和图4b中所示实施例为依据的实施例的气体传感器5的示意图。发射体元件20的实施方案与所述实施例不同，其中第一衬底区域90围绕在侧面上穿过衬底区域延伸的轴转动180°。发射体单元100可以表面地布置在衬底区域90上，并且例如通过蚀刻被相对的主表面区域从背侧露出。因此，发射体元件20可以在背侧运行。相同的原理也可以应用于传感器元件的第一衬底区域40中的MEMS隔膜25，但是在图中未明确示出。

另外，图5b示出了在电路板165（PCB，Printed Circuit Board（印刷电路板））上对气体传感器5的接触。在图5b中示出了借助于接触元件170、例如借助于导线的接触，所述接触元件170将气体传感器5的向外实施的接触部与印制导线165接触。为此有利的是，传感器元件的衬底平面40与处于其之上的衬底区域相比具有更大的直径，如图5b中所示。因此，MEMS隔膜25的接触结构可以在第一衬底区域40的主表面区域处露出。发射体单元100的接触部同样被实施在主表面区域处，并且通过接触元件170与印制导线165连接。

替代地，MEMS隔膜25和发射体单元100的接线端子例如可以借助于衬底区域内部中的TSV 170'被引导到印制导线165上并且在那里与其接触。

同样可以——但未示出——例如将发射体单元100的接线端子引导到MEMS隔膜的衬底平面上，并且在那里进行与两个接触元件170的接触。

图5c示出了以图2d和4c的实施例为依据的实施例。如已经在图5b中所描述的那样，发射体单元100背侧地运行。另外，衬底区域90的经蚀刻的腔体被构造成测量室15。图5c如已经关于图5b所描述那样示出了借助于接触元件170对电路板165的接触。

图5d根据图4c的实施例示出了另一接触方案。根据该实施例，发射体元件和传感器元件的接触部在侧面上实施在发射体元件和传感器单元的主表面区域处。侧面实施的接触部直接与电路板165接触，该电路板165被布置为平行于发射体元件和传感器元件的厚度方向。

尽管一些方面是结合装置描述的，但是能够理解，这些方面也可以表示对相应方法的描述，使得装置的块或器件也可以被理解成相应方法步骤或者方法步骤的特征。与之类似地，结合或作为方法步骤被描述的方面也可以表示对相应装置的相应块或细节或特征的描述。

上述实施例仅仅是对本发明的原理的解释。易于理解的是，其他专业人员明白对在此所述的布置和细节的修改和变型。因此有意的是，本发明仅仅由后面的权利要求来限定、而不应受在此根据实施例的描述和阐述所呈现的特定细节的限制。

Claims

1.一种气体传感器（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隔膜远离电磁辐射的直接光路，以便减少发射体元件（20）到MEMS隔膜（25）上的直接电磁辐射。

10.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件和传感器元件布置在在侧面上向发射体元件（20）和传感器元件（10）延伸的投影平面内，其中发射体元件和传感器元件布置在壳体（150）中，所述壳体（150）被构造用于将发射体元件中的电磁辐射（55）反射到传感器元件（10）上。

11.根据权利要求9所述的气体传感器（5），其中壳体（150）中的腔体形成测量室（15）。

12.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中传感器元件（10）的第一衬底区域（40）和发射体元件（20）的第一衬底区域（90）被实施在相同的衬底上，和/或其中第二衬底区域（45）和发射体元件（20）的第二衬底区域（95）被实施在相同的衬底上。

13.根据权利要求1至8之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件（20）和传感器元件（10）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（10）的第二衬底区域（45）以密封封闭的形式与发射体元件（20）连接。

14.根据权利要求12所述的气体传感器（5），其中发射体元件中的腔体（105）和/或发射体元件（20）与传感器元件（10）之间的腔体形成测量室（15）。

15.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，贯穿半导体通孔）被引导到共同的衬底平面上，并且被实施在气体传感器的从外部可到达的主表面区域上。

16.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件和传感器元件的接触部在侧面上被实施在发射器元件和传感器单元的表面区域处，其中电路板（165）被布置为平行于发射体元件和传感器元件的厚度方向，并且接触侧面实施的接触部。

17.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件为了发射电磁辐射（55）而具有发射体单元（100），所述发射体单元（100）是红外发射体。

18.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）形成微机械电容传感器。

19.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）被构造成麦克风。

20.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中发射体元件被构造成微机电发射体。

21.根据前述权利要求之一所述的气体传感器（5），其中气体传感器包括根据多晶片方案由不同晶片的多个层构成的堆。