CN107490536A - 粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法 - Google Patents

粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法。各种实施例提供粒子传感器，所述粒子传感器包括：第一载体，所述第一载体包括至少一个加热结构和光探测结构；设置在所述第一载体之上的至少一个间隔物结构；设置在所述至少一个间隔物结构之上的第二载体，所述第二载体包括发光结构；其中所述第一载体、所述第二载体以及所述至少一个间隔物结构被布置成提供用于流体流动的通道，其中所述发光结构被配置成向所述通道中发射光，并且其中所述光探测结构被配置成探测来自所述通道的光。

Description

粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法
技术领域
各种实施例一般涉及粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法。
背景技术
空气中的粒子污染（也称为颗粒性物质）是受到越来越多关注的主题。除了监测环境中的颗粒性物质之外，存在关于在用于处理半导体的洁净室中的颗粒性物质的预定要求，这使对颗粒性物质的监测是必要的或有帮助的。可以在气体（例如，空气）中或者在液体中（例如，在用于洁净室处理的水中）监测颗粒性物质。气体和液体可以称为流体。颗粒性物质可以包括气体中的固体和液体微滴，以及液体中的固体微滴。粒子可以具有各种各样的大小。可能怀疑具有小于10微米的直径的粒子（也称为PM10）会引起严重的健康问题。具有小于2.5微米的直径的粒子（也称为PM2.5）被称为细粒子。具有在2.5微米与10微米之间的直径的粒子被称为粗粒子。可以通过例如经由激光衍射粒子大小分析、凝结粒子计数器、差分式迁移率分析系统、动态光散射等评估的粒子的统计平均直径来对所述粒子的大小进行分类。
发明内容
各种实施例提供一种粒子传感器，所述粒子传感器包括：第一载体，所述第一载体包括至少一个加热结构和光探测结构；设置在所述第一载体之上的至少一个间隔物结构；设置在所述至少一个间隔物结构之上的第二载体，所述第二载体包括发光结构；其中所述第一载体、所述第二载体以及所述至少一个间隔物结构被布置成提供用于流体流动的通道，其中所述发光结构被配置成向所述通道中发射光，并且其中所述光探测结构被配置成探测来自所述通道的光。
附图说明
在附图中，贯穿不同的视图，相似的参考字符一般指代相同的部分。附图未必成比例，重点反而一般放在图示本发明的原理上。在下面的描述中，参考下面的附图描述本发明的各种实施例，在所述附图中：
图1示出用于探测粒子的常规布置的示意性视图；
图2A和2B示意性地示出根据各种实施例的在不同视图中的粒子传感器；
图3示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器；
图4图示根据各种实施例的平均流动速度与粒子传感器的微通道的通道尺寸的相关性；
图5示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器；
图6A到6D分别示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器的加热器结构；
图7A到7C分别示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器的加热器结构；
图7D到7F分别示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器的加热器结构；
图8A到8C分别示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器的加热器结构；
图9A到9D分别示出根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器；
图10A和10B分别示出根据各种实施例的粒子传感器和加热器结构的电子显微镜图像；
图11到13分别示出根据各种实施例的用于感测流体中的粒子的方法。
具体实施方式
下面的具体描述参考附图，所述附图作为说明示出了在其中可以实践本发明的特定细节和实施例。
下面的具体描述参考附图，所述附图作为说明示出了在其中可以实践本发明的特定细节和实施例。充分详细地描述这些实施例以使本领域中的技术人员能够实践本发明。可以利用其他实施例并且可以做出结构、逻辑和电气的改变，而不脱离本发明的范围。各种实施例未必相互排斥，因为一些实施例能够与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。结合方法描述各种实施例，并且结合装置描述各种实施例。然而，可以理解的是，结合方法描述的实施例可以类似地应用于装置，并且反之亦然。
术语“至少一个”和“一个或多个”可以理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四、[…]等。术语“多个”可以理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五、[…]等。
关于一组元素的短语“[…]和[…]中的至少一个”在本文中可以用来意指来自由这些元素组成的组的至少一个元素。例如，关于一组元素的短语“[…]和[…]中的至少一个”在本文中可以用来意指如下的选择：列举元素中的一种元素，多个列举元素中的一种元素的多个，多个单独的列举元素，或者多组多个列举元素。短语“[…]和[…]中的至少一个”可以用作逻辑“和/或”。
在本文中用来描述“在侧或表面之上”形成特征（例如，层）的词语“在……之上”，可以用来意指所述特征（例如，层）可以“直接在暗指的侧或表面上”形成（例如，与暗指的侧或表面直接接触）。在本文中用来描述“在侧或表面之上”形成特征（例如，层）的词语“在……之上”，可以用来意指所述特征（例如，层）可以“间接在暗指的侧或表面上”形成，其中一个或多个附加层被布置在暗指的侧或表面与形成的层之间。
以相似的方式，在本文中用来描述在另一个之上设置的特征（例如，层）“覆盖”侧或表面的词语“覆盖”，可以用来意指所述特征（例如，层）可以设置在暗指的侧或表面之上并且与暗指的侧或表面直接接触。在本文中用来描述在另一个之上设置的特征（例如，层）“覆盖”侧或表面的词语“覆盖”，可以用来意指所述特征（例如，层）可以设置在暗指的侧或表面之上并且与暗指的侧或表面间接接触，其中一个或多个附加层被布置在暗指的侧或表面与覆盖层之间。
关于在层（例如，衬底、晶片、或半导体工件）上或其中提供的结构（或者结构元件）的“横向”延伸或“横向”邻近所使用的术语“横向”，在本文中可以用来意指沿着层的表面的延伸或位置关系。这意味着，层的表面（例如，衬底的表面、晶片的表面、或工件的表面）可以用作基准（通常称为主处理表面）。进一步地，关于结构的（或者结构元件的）“宽度”使用的术语“宽度”在本文中可以用来意指结构的横向延伸。进一步地，关于结构的（或者结构元件的）“高度”使用的术语“高度”在本文中可以用来意指结构沿着垂直于层的表面（例如，垂直于层的主处理表面）的方向的延伸。关于层的“厚度”使用的术语“厚度”在本文中可以用来意指所述层垂直于所述层所沉积的支撑物（材料或材料结构）的表面的空间延伸。如果支撑物的表面平行于层的表面（例如，平行于主处理表面），则沉积在支撑物的表面上的层的“厚度”可以与层的高度相同。
术语“耦合”在本文中用来意指电连接，其可以包括直接连接或间接连接，其中间接连接可以仅包括电流路径中的附加结构，所述附加结构不影响描述的电路或装置的实质运行。在本文中用来描述两个端子、两个接触等之间的电连接的术语“导电连接”可以理解为在电流路径中具有欧姆行为的导电连接，所述欧姆行为例如由金属或没有p-n结的简并半导体提供。在本文中用来描述在端子与半导体区等之间的电接触的术语“接触”可以理解为直接物理触和/或直接电接触。
关于集成结构例如集成加热结构、集成光探测结构、集成发光结构等使用的术语集成，可以在本文中用来意指所述结构可以形成在载体或层中、形成在载体或层的表面处、或者既形成在载体或层之上又形成在载体或层中。
比热导率可以称为材料用以传导热的性质。结构的实际热导率可以取决于材料，并且在非理想情况下，进一步地取决于其他特性，如例如材料的微结构。如本文中描述的热绝缘结构或热绝缘材料在大约20℃的温度处可以具有小于大约5 W/（K·m）的热导率。热绝缘材料的示例可以是氧化物，例如金属氧化物或者半金属氧化物，例如氧化硅（SiO2）。进一步地，热绝缘材料可以包括例如孔隙率（即，孔洞的体积占总体积的分数）小于大约95 %的多孔材料，因为多孔材料相比于相同非多孔（即，致密或块体）材料可以具有降低的热导率。
根据各种实施例，半导体层（例如，半导体衬底、半导体晶片、沉积的半导体层、外延半导体层等）可以由硅制成或者可以包括硅。然而，可以以相似方式使用各种类型的其他半导体材料，例如锗、III至V族（例如，SiC）或其他类型，包括例如聚合物。在实施例中，半导体层是由硅（例如，p型掺杂的硅或n型掺杂的硅）制成的晶片。在替换的实施例中，半导体层是绝缘体上硅（SOI）晶片。根据各种实施例，载体可以包括单个层或各种层的层堆叠。
常规地，存在粒子探测和测量的多种方式。可以通过微机电系统测量由微光束上的沉降粒子引起的物理参数的改变（例如，微机电系统的谐振频率的偏移）或者另一适合的配置来探测粒子。然而，大多数常见的粒子传感器使用对经过测试体积的光强度的光电评估。
图1示出常用光学粒子计数器1000的示意性视图。光学粒子计数器1000可以具有高强度光源1002（例如，激光器或发光二极管）、受控气流1004（称为观看体积）、以及高度敏感聚光探测器1006（例如，光电探测器）。受控气流1004包括待计数的粒子1008并且可以由风扇1014生成。粒子1008可以将由高强度光源1002发射的光反射到聚光探测器1006的方向。未散射的由高强度光源1002发射的光可以在光阱1012中被捕获。
为了正确量化粒子浓度，必须控制被测空气体积。这常规地通过使用风扇1014来产生流过测量系统的预定气流而完成。替换地，预定气流可以借助于由热源引起的自由对流来提供。
常规传感器可以具有数十或一百立方厘米的大小。它们的操作可以通过外围元件来改进，所述外围元件诸如用于空气干燥的加热器、用于对粒子预分类的旋风分离器等等。
各种实施例提供以半导体技术制造的传感器100，例如粒子传感器100（也称为粒子计数器100），如在图2A和图2B中以不同横截面视图示意性地图示的。粒子传感器100可以包括第一载体102。第一载体102可以是以半导体技术可处理的任何类型的载体，例如半导体载体，例如硅晶片。第一载体可以包括至少一个加热结构112和至少一个光探测结构122。光探测结构122可以包括至少一个光探测元件，例如光电二极管。根据各种实施例，光探测元件可以以半导体技术形成为集成在第一载体102中和/或在第一载体102之上。光探测结构122可以包括用以经由至少一个光探测元件测量光强度的部件。光探测结构122可以包括布线、测量电路、一个或多个微光学元件等。
根据各种实施例，加热结构112可以包括至少一个加热元件。根据各种实施例，加热结构112或加热结构112的至少一个加热元件可以以半导体技术形成为集成在第一载体102中和/或在第一载体102之上。
粒子传感器100可以进一步包括设置在第一载体102之上的至少一个间隔物结构106。间隔物结构106可以包括远离第一载体102延伸的至少两个侧壁，参见图2B。
粒子传感器100可以进一步包括设置在至少一个间隔物结构106之上的第二载体104。第二载体104可以包括至少一个发光结构114。发光结构114可以包括至少一个发光元件，例如发光二极管、有机发光二极管或激光二极管。根据各种实施例，发光结构114或发光结构114的至少一个发光元件可以以半导体技术形成为集成在第二载体104中和/或在第二载体104之上。发光结构114可以包括用以发射光所用的部件。发光结构122可以包括布线、驱动器电路、一个或多个微光学元件等。
根据各种实施例，第一载体102、第二载体104和至少一个间隔物结构106可以布置成提供用于流体流动的通道108。用作说明地，第一载体102、第二载体104和至少一个间隔物结构106可以以这样的方式形成通道108：使得流体例如气体或液体能够在通道108之内朝着预定方向101流动。
加热结构112可以被配置成大体上加热位于通道108中的流体，例如加热结构112可以被布置在第一载体102的第一表面102a处。发光结构114可以被配置成大体上发射光到通道108中，例如发光结构114或发光结构114的至少一个发光元件可以被布置在第二载体104的第一表面104a处。光探测结构122可以被配置成大体上探测从发光结构114发射的、来自通道108的光，例如光探测结构122或光探测结构122的至少一个光探测元件可以被布置在第一载体102的第一表面102a处。第一载体102的第一表面102a可以面向第二载体104的第一表面104a。间隔物结构106的至少两个侧壁可以从第一载体102延伸到第二载体104，或者换言之，间隔物结构106的每个侧壁可以从第一载体102的第一表面102a延伸到第二载体104的第一表面104a。
根据各种实施例，通道108可以具有至少两个开口108a、108b，从而限定流体从所述至少两个开口108a、108b中的一个到所述至少两个开口108a、108b中的另一个的流动方向101。
根据各种实施例，通道108可以具有到至少一个方向中的延伸，所述延伸在微米范围内；因此，通道108可以被称为微通道。进一步地，通道108可以具有沿着流动方向101在从大约1 mm到大约10 mm的范围内的长度111。进一步地，通道108可以具有垂直于流动方向在从大约0.5 mm到大约2 mm的范围内的宽度113。进一步地，通道108可以具有垂直于流动方向101（并且还垂直于宽度方向103）在微米范围内（例如在从大约10 µm到大约500 µm的范围内）的高度115。
通道108的高度115可以由间隔物结构106限定。间隔物结构106可以包括任何类型的载体或图案化的层结构，所述载体或图案化的层结构提供足够的高度115。间隔物结构106的至少两个侧壁可以由玻璃、金属、聚合物、或允许形成侧壁的任何其他类型的材料形成。
第一和第二载体102、104的表面102a、102b、104a、104b可以是半导体衬底的（例如半导体晶片的）所谓的主处理表面。表面102a、104a中的至少一个可以限定横向方向101、103。关于这点，加热结构112可以被布置成横向邻近光探测结构122或者横向邻近光探测结构122的至少一个光探测元件。
在下文中描述粒子传感器100的各种修改和/或配置以及关于至少一个加热结构112、至少一个光探测结构122和至少一个发光结构122的细节，其中可以类似地包括之前描述的特征和/或功能。进一步地，在下文中描述的特征和/或功能可以包括在如参考图2A到2B描述的粒子传感器100中或者可以与所述粒子传感器100组合。
图3图示根据各种实施例的在横截面视图中的粒子传感器100。粒子传感器100可以包括第一载体102，例如芯片。粒子传感器100可以进一步包括一系列光探测结构122（例如，每个光探测结构122包括至少一个片上光电二极管）和加热结构112，光探测结构122和加热结构112组合地设置在第一载体102之上和/或在第一载体102中。使用一个或多个加热结构112，受控自由对流308c可以建立在靠近第一载体102的第一表面102a的微通道108中。例如包括至少一个发光二极管的一个或多个发光结构114可以设置成相对于第一载体102并且与第一载体102的表面102a面对面以照射324微通道108中的在一个或多个发光结构114与光探测结构122中的至少一些之间的体积（即，用以确定粒子浓度的观看体积）。根据各种实施例，一个或多个第一光探测结构122可以用于直接测量由移动通过通道108的粒子308p引起的遮蔽。进一步地，例如同时地，一个或多个另外的光探测结构122可以用于测量由粒子308p反射的杂散光。因此，一个或多个发光结构114可以配置成大体上发射垂直于流动方向或者换言之平行于粒子传感器100的高度方向105的光324。使用微光学元件（如例如一个或多个透镜、一个或多个光阑、一个或多个反射镜等）可以支持将粒子传感器100配置成由光探测结构中的另一个大体上探测除直接光324的阴影以外的杂散光。换言之，可以探测由位于相应发光结构114与光探测结构之间的粒子308p引起的遮蔽。这可以允许既通过探测杂散光对浅色粒子308p计数又通过探测直接光324的阴影对深色粒子308p计数。
由放置在第一载体102的顶部上的间隔物材料106限定通道高度115和宽度113，如之前描述的那样（也参见图2A和2B）。间隔物材料106可以直接接触发光单元304，其中发光单元304可以由第二载体104和设置在第二载体104中和/或在第二载体104之上的至少一个发光结构114提供，如之前描述的那样。
根据各种实施例，粒子传感器可以包括集成到第一载体102中（例如到芯片中）的电路330。电路330可以包括耦合到一个或多个加热结构112的驱动器电路。驱动器电路可以配置成控制流经相应加热结构112的加热电流。驱动器电路可以包括控制回路，该控制回路以这样的方式控制加热电流：使得在通道108中以从大约0.5 mm/s到大约5 mm/s的范围内的流动速度提供流体流308c。
根据各种实施例，多个光电二极管可以交替地布置在相应加热器之间，如在图3中图示的那样。光电二极管中的每个可以具有数百到数千平方微米的大小。光电二极管可以设计为钉扎光电二极管或者为具有表面发射极区的二极管。根据各种实施例，可以以使得光电二极管的暗电流小于大约一皮安培的方式来提供所述光电二极管。
根据各种实施例，相应光电二极管可以具有抗反射涂层（例如，单层涂层）。根据各种实施例，加热结构122可以具有抗反射涂层（例如，单层涂层）。抗反射涂层可以包括或者可以是氮化物衬里。氮化物衬里的厚度可以被调整为由发光结构例如由发光二极管发射的光的波长。在这样做时，相应表面的反射率可以被衰减到大约1%。
根据各种实施例，发光结构114（也称为光源）可以包括至少一个发光二极管或至少一个激光二极管。发光结构114可以被配置成照射通道108的内部。发光结构114可以是或者可以包括例如孔径角小于大约±20°的朗伯（Lambertian）光源或小角度发射器。根据各种实施例，光阑结构可以设置在光源之上，使得发射的光仅照射光电二极管。因此，光阑结构可以仅具有小的槽口，所述小的槽口使光透射到通道的期望区中，参见图9D。
发光结构114可以定位在第二载体104上，其中第二载体是用于微通道108的密封物。第二载体可以包括光学元件（例如，微透镜、光阑等）。
本文中描述的布置给出用于灰尘感测的若干有益的机会。一方面，通过微通道108中的无源加热来建立气流308c。以这种方式，操作中的可实现功耗降到数毫瓦——主要由施加到发光结构114的电流支配。与适当算法组合的光电二极管的级联可以允许测量粒子的渡越时间。因此，本文中描述的粒子传感器100具有自监测的能力。此外，当在粒子传感器100中包括微光学元件（遮蔽元件、光阱等）时，对因粒子引起的光衰减的直接测量和对散射光的评估提供关于粒子的颜色、大小和/或形状的附加信息的来源。
图4图示在第一载体102的加热结构112与周围环境（例如，第二载体104）之间的大约100 K的预定温度差ΔT时的、在通道尺寸400x（例如，通道108的高度115）与流体（例如，气体，例如空气）在通道108中的流动速度400y之间的相关性。由于由一个或多个加热结构112引起的温度差，在通道108中引起具有相应流动速度的自由对流流动308c。可以在适当范围之内选择通道108的尺寸（例如高度115）以生成在从大约0.5 mm/s到大约5 mm/s的范围内的流动速度。相应流动速度可以允许依赖于粒子的直径来选择进入通道108的粒子。为了允许大体上仅具有小于大约10 µm的直径的粒子（PM10）进入通道108，可以提供小于大约5 mm/s的流动速度。
如果相应通道108的尺寸是固定的，则温度差的控制，即至少一个加热结构112的控制，可以允许控制通道108中的流动速度400y；并且因此允许关于粒子的直径进行粒子选择。
根据各种实施例，微通道108可以在与第一载体102的表面102a正切的方向上在毫米范围内延伸（例如，在流动方向101上延伸一到十毫米），并且垂直于流动方向101沿着宽度方向103延伸半微米至二毫米。
关键参数可以是通道高度115。由于自由对流可能非常易受通道108的尺寸影响，所以必须调整高度115以在给定温度差下建立目标流动速度。可以在从数十到数百微米的范围内提供通道108的高度115。在非常小的克努森（Knudsen）数（Kn=λ/h，Kn——克努森数，λ——空气中的平均自由程，大约50 nm，h——腔体高度），如果假定水动力充分发展的条件，则可以大大地简化纳维尔-斯托克斯（Navier-Stokes）方程。在这些条件下，在图4中示出自由对流的流动速度400y。
描述的流动速度的范围（例如在从大约0.5 mm/s到大约5 mm/s的范围内）可以适合于气载粒子感测，因为它覆盖大小选择性入口的选项。在粒子的割点（cut-point）直径处，由气流308c通过垂直通道108（参见图3）引起的向上粘滞力来平衡重力。更小直径粒子被加速到通道中，而具有大于样品速度的终点沉降速度的那些粒子被排斥。根据各种实施例，通道108可以被垂直布置或者被布置成与垂直布置的预定偏离（例如，在从大约1°到大约70°的范围内）。
根据各种实施例，一个或多个加热结构可以借助于空洞层上的硅（silicon-on-nothing）技术或者任何其他适合的工艺诸如例如牺牲层技术（参见图6A至8C）来制作。例如大体上由氧化硅或者任何其他适合的热绝缘材料制成的侧向固定物和相应加热结构下面的大腔体，提供加热结构与第一载体（例如，与硅衬底）的热去耦合。尽管热辐射可以是温度的强函数（例如，由Stefan-Boltzmann定律描述），但是热传导是在本文中描述的配置中的支配效果。作为示例，在大约一微米的腔体高度和大约20帕斯卡的内部压强（例如，适合的PECVD沉积的处理压强）处，热传导相比于在大约1巴的标准压强下的空气中的热传导降低到大约1/500。
根据各种实施例，粒子传感器100可以进一步包括：至少一个温度传感器，被配置成测量在微通道108中流动的流体的温度。如在图5中图示的，之前例如参考图2A描述的粒子传感器100可以进一步包括至少两个温度传感器540a、540b，其中所述至少两个温度传感器540a、540b中的第一温度传感器540a被配置成测量在至少两个开口108a、108b中的第一开口108a处的流体温度，并且其中所述至少两个温度传感器540a、540b中的第二温度传感器540b被配置成测量在至少两个开口108a、108b中的第二开口108b处的流体温度。
根据各种实施例，至少一个温度传感器可以集成到第一载体102中。替换地，至少一个温度传感器可以集成到第二载体104中。替换地，多个温度传感器可以被集成到第一载体102中和/或到第二载体104中。进一步地，多于两个温度传感器540a、540b可以用于测量通道108中的流体的温度分布，例如，分别地在开口108a、108b附近，在第一载体102之上和/或在第一载体102中设置两个温度传感器以及在第二载体104之上和/或在第二载体104中设置另两个温度传感器。可以提供其他实施方式以通过温度传感器监测气流。温度传感器可以定位在通道区108的入口108a处和出口108b处，并且可选地在入口108a和出口108b之间。
根据各种实施例，一个或多个加热结构112可以使用空洞层上的硅技术（例如，所谓的威尼斯（venezia）工艺或硅中空洞空间工艺）来制作。替换地，一个或多个加热结构112可以包括分别通过至少一个腔体与下面的载体或层分离的多晶硅板。
根据各种实施例，绝缘体上硅晶片可以用于形成一个或多个加热结构112。绝缘体上硅晶片可以具有硅区和硅顶部层，其中绝缘体层被设置在硅区和硅顶部层之间。绝缘体上硅晶片的硅顶部层可以用作用于一个或多个加热结构112并且用于一个或多个光探测结构122的功能层。从绝缘体上硅晶片的背侧进行的刻蚀工艺（即，穿过硅区）可以用于去除绝缘体上硅晶片的部分。刻蚀工艺可以在绝缘体层处（例如，在掩埋的氧化物层处）停止，因为所述刻蚀工艺能够仅对硅是选择性的。未被去除的氧化物的部分用作本文中描述的间隔物结构106。照射单元304可以被安装到绝缘体上硅晶片的背侧。
图6A图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的加热结构112。加热结构112可以包括第一层602、第二层604以及设置在第一层602与第二层604之间的至少一个腔体603（即，包括至少一个腔体603的腔体结构）。至少一个腔体603可以无任何固体材料。至少一个腔体603可以无任何液体材料。因此，至少一个腔体603可以被配置为热绝缘结构。
加热结构112可以进一步包括设置在第一层602之上（例如，直接在第一层602上）的隔离结构606。隔离结构606可以将第二层604连接到第一层602。隔离结构606可以被配置成将第一层602固定到第二层604，或者换言之承载与第一层604间隔开的第二层604。根据各种实施例，隔离结构606可以物理地将第二层604连接到第一层602，其中第二层604可以不具有到第一层602的直接物理接触。隔离结构606还可以限定第一层与第二层之间的距离，或换言之限定至少一个腔体603的高度603h。至少一个腔体603或腔体结构603的高度603h可以在从大约100 nm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约2 µm的范围内。
如在图6A中图示的，腔体结构603和隔离结构606可以使第二层604与第一层602热隔离。因此，第二层604可以用作加热层（也称为加热元件或加热器），如本文中描述的那样。根据各种实施例，加热结构112可以进一步包括电极结构608。电极结构608可以电接触第二层604以提供流过第二层604的电流。电极结构608可以包括彼此间隔开（例如，多于50 µm）的至少两个电接触，以便电流可以大体上流经第二层604。
根据各种实施例，至少一个腔体603可以通过第一层602、第二层604以及隔离结构606的布置而气密地密封。换言之，隔离结构606可以完全围绕至少一个腔体603，并且可以与第一层602和第二层604两者物理接触。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体603之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。这可以通过在半导体制造期间在半导体处理工具的真空处理室中例如通过使用真空涂布工具（例如，用于化学气相沉积或物理气相沉积的工具）来密封至少一个腔体603而实现。
根据各种实施例，第一层602可以是第一载体102，第一载体102的部分，或者设置在第一载体102之上，如参考图2A描述的那样。第二层604的第一表面604a可以暴露于通道108，如本文中描述的那样。第二层604的第二表面604b可以暴露于至少一个腔体603。第二层604也可以被配置为包括至少一个加热层的多层堆叠。加热层可以包括多晶硅。隔离结构606可以使第二层604与第一层602电隔离。
进一步地，如在图6D中图示的那样，电极结构608可以被布置或配置成横向接触第二层604。
如在图6A和6D中图示的粒子传感器100的至少一个腔体可以基于如参考图6B和图6C示意性地描述的牺牲层工艺来形成。首先，可以在第一层602的表面602a之上形成隔离结构606和牺牲层。隔离结构606可以横向围绕牺牲层613。牺牲层613可以包括任何适合的材料，所述材料能够相对于隔离结构606以及第一和第二层602、604被容易且选择性地刻蚀。隔离结构606可以包括热绝缘材料，例如氧化物，例如氧化硅。第二层604可以形成（例如，沉积）在隔离结构606和牺牲层613之上。第二层604可以包括例如多晶硅或适合于经由电流加热的任何其他材料。随后，牺牲层613可以例如经由湿法刻蚀或等离子体刻蚀被选择性地去除。因此，可以形成穿过第一层602、第二层604或隔离结构606的通路（例如，开口）。在部分地或完全地去除了牺牲层613之后，可以（例如，经由沉积通路的材料）封闭通路以密封腔体603（如果需要的话）。
图7A图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的加热结构112。加热结构112可以包括第一层602、第二层604以及设置在第一层602与第二层604之间的至少一个腔体603，与之前描述的实施例类似。
加热结构112可以进一步包括设置在第一层602与第二层604之间的隔离结构606。隔离结构606可以（例如，横向地）将第二层604连接到第一层602。隔离结构606可以被配置成将第二层602固定到第一层604，或者换言之承载与第一层604间隔开的第二层604。根据各种实施例，隔离结构606可以物理地将第二层604连接到第一层602，其中第二层604可以不具有到第一层602的直接物理接触。至少一个腔体603或腔体结构603的高度603h可以在从大约100 nm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约2 µm的范围内。
如在图7A中图示的，腔体结构603和隔离结构606可以使第二层604与第一层602热隔离。因此，第二层604可以用作加热层（也称为加热元件或加热器），如本文中描述的那样。根据各种实施例，加热结构112可以进一步包括电接触第二层604的电极结构608。因此，电流可以经由电极结构608传导经过第二层604。电极结构608可以包括彼此间隔开（例如，多于50 µm）的至少两个电接触，以便电流大体上流经第二层604。
根据各种实施例，至少一个腔体603可以通过第一层602、第二层604以及隔离结构606的布置而气密地密封。因此，隔离结构606可以完全横向围绕第二层604，并且可以与第一层602和第二层604两者物理接触。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体603之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。这可以通过在半导体制造期间在半导体处理工具的真空处理室中例如通过使用真空涂布工具（例如，用于化学气相沉积或物理气相沉积的工具）来密封至少一个腔体603而实现。
根据各种实施例，第一层602可以是第一载体102，第一载体102的部分，或者设置在第一载体102之上，如参考图2A描述的那样。第二层604的第一表面604a可以暴露于通道108，如本文中描述的那样。第二层604的第二表面604b可以暴露于至少一个腔体603。隔离结构606也可以使第二层604与第一层602电隔离。
在图7A中图示的粒子传感器100的至少一个腔体603可以如参考图7B和图7C描述的那样来形成。
可以在第一层602中提供至少一个腔体603。第一层602可以包括硅。可以通过空洞层上的硅工艺例如通过如下步骤而形成所述至少一个腔体603：在载体中形成沟槽结构并且对所述沟槽结构进行退火以便在退火期间通过硅的迁移和/或扩散来形成至少一个腔体。然而，可以存在适合于在第一层602中形成一个或多个腔体603的其他技术。根据各种实施例，至少一个腔体603可以完全地被第一载体602的材料围绕，因此至少一个腔体603可以称为掩埋的腔体。
随后，可以在第一层602中形成隔离结构606。因此，可以形成沟槽结构，所述沟槽结构从第一层602的表面602a延伸到第一层602中。隔离结构可以横向围绕第二层604。用作说明地，沟槽结构可以横向围绕第一层602的第一区604。沟槽结构可以至少延伸到至少一个腔体603。沟槽结构可以完全填充或者至少部分填充有热绝缘材料，例如填充有氧化物例如氧化硅，以提供隔离结构606。
图7D图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的加热结构112。加热结构112可以包括第一层602、第二层604以及设置在第一层602与第二层604之间的至少一个腔体603，与之前描述的实施例类似。
加热结构112可以进一步包括设置在第一层602与第二层604之间的隔离结构606。隔离结构606可以将第二层604连接到第一层602。隔离结构606可以被配置成将第二层602固定到第一层604，或者换言之承载与第一层604间隔开的第二层604。根据各种实施例，隔离结构606可以物理地将第二层604连接到第一层602，其中第二层604可以不具有到第一层602的直接物理接触。至少一个腔体603可以设置在隔离结构606与第一层602之间。换言之，隔离结构606和第一层602可以（例如，完全）围绕至少一个腔体603。
进一步地，可以在至少一个腔体603之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。这可以通过在半导体制造期间在半导体处理工具的真空处理室中例如通过使用真空涂布工具（例如，用于化学气相沉积或物理气相沉积的工具）来气密地密封至少一个腔体603而实现。
至少一个腔体603或腔体结构603的高度603h可以在从大约100 nm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约15 µm的范围内，例如在从大约0.5 µm到大约2 µm的范围内。
如在图7D中图示的，腔体结构603和隔离结构606可以使第二层604与第一层602热隔离。因此，第二层604可以用作加热层（也称为加热元件或加热器），如本文中描述的那样。根据各种实施例，加热结构112可以进一步包括电接触第二层604的电极结构608。因此，电流可以经由电极结构608传导经过第二层604。电极结构608可以包括彼此间隔开（例如，多于50 µm）的至少两个电接触，以便电流大体上流经第二层604。
根据各种实施例，至少一个腔体603可以通过第一层602以及隔离结构606的布置而气密地密封。在这种情况下，第一层602可以完全横向围绕至少一个腔体603；并且进一步地，隔离结构606可以完全覆盖设置在第一层602之内的至少一个腔体603。隔离结构606可以与第一层602和第二层604两者物理接触。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体603之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。这可以通过在半导体制造期间在半导体处理工具的真空处理室中例如通过使用真空涂布工具（例如，用于化学气相沉积或物理气相沉积的工具）来密封至少一个腔体603而实现。
根据各种实施例，第一层602可以是第一载体102，第一载体102的部分，或者设置在第一载体102之上，如参考图2A描述的那样。第二层604的第一表面604a可以暴露于通道108，如本文中描述的那样。第二层604的第二表面604b可以与隔离结构606接触。隔离结构606也可以使第二层604与第一层602电隔离。
第二层604可以是用作加热层或加热器板的板结构。板结构604可以经由至少一个腔体603和隔离结构606而与第一层602热隔离。隔离结构606可以是氧化物框架或氧化物层。板结构604可以包括多晶硅。板结构604可以具有分别在从大约250 µm到大约750 µm的范围内（例如，大约500 µm）的长度（例如，沿着方向101）和宽度（例如，垂直于方向101、105）。氧化物框架606可以具有在从大约0.25 µm到大约2 µm的范围内（例如，大约1 µm）的厚度。氧化物框架606可以具有分别在从大约500 µm到大约1000 µm的范围内的长度（例如，沿着方向101）和宽度（例如，垂直于方向101、105）。根据各种实施例，板结构604（即，第二层）可以与第一层602横向间隔开。从腔体603的一侧到板604的相应侧的横向距离625可以在从大约1 µm到大约50 µm的范围内，例如在从大约5 µm到大约20 µm的范围内。横向距离可以减少经由隔离结构606从板结构604到第一层602的热传递。
根据各种实施例，第二层604可以被加热直至高于环境温度大约100 K，例如高于第一层602的温度100 K。环境温度可以例如为大约300 K，并且第二层604可以经由通过第二层604提供的电流被加热直至大约400 K。
在图7D中图示的粒子传感器100的至少一个腔体603可以如参考图7E和图7F描述的那样来形成。
首先，可以在第一层602的表面602a之上形成隔离结构606。可以在区606a中使隔离结构606图案化以部分暴露在隔离结构606以下的第一层的表面602a。图案化区可以包括多个通孔，所述多个通孔为刻蚀剂提供通路以部分去除在隔离结构606的区606a以下的区602r中的第一层。
随后，可以例如经由选择性湿法刻蚀工艺或者经由选择性干法刻蚀工艺来部分去除第一层602以在第一层602中提供至少一个腔体603。可选地，可以（例如，完全）填充隔离结构606中的多个通孔，从而提供覆盖腔体603的致密（即，空气不可渗透的、密闭的、或气密的）隔离结构606。隔离结构606中的各个通孔可以填充有热隔离材料或任何其他适合的材料，例如填充有氧化物或氮化物，例如填充有与用于形成隔离结构606相同的材料，例如填充有氧化硅或氮化硅。然而，可以选择形成隔离结构606的材料以使第二层604与第一层602热隔离。
随后，可以例如经由沉积并图案化多晶硅层而在隔离结构606之上形成第二层604。根据各种实施例，第二层604可以至少部分嵌入到隔离结构606中或者可以设置在隔离结构606上。
根据各种实施例，在通过填充隔离结构606中的各个通孔来密封腔体之前，可以在腔体603中提供小于大约1毫巴的压强。根据各种实施例，可以以如下这样的方式在相应腔体603中提供真空：使得腔体603中的剩余气体分子的平均自由程可以大于腔体603的高度603h。在小于大约1毫巴的压强处，腔体603中的剩余气体分子的平均自由程可以大于大约60 µm。
图8A图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的加热结构112。加热结构112可以包括第一层602和第二层604，如之前描述的。
加热结构112可以进一步包括设置在第一层602与第二层604之间的隔离结构606。隔离结构606可以（例如，横向地）将第二层604连接到第一层602。隔离结构606可以被配置成将第二层602固定到第一层604，或者换言之承载与第一层604间隔开的第二层604。根据各种实施例，隔离结构606可以物理地将第二层604连接到第一层602，其中第二层604可以不具有到第一层602的直接物理接触。
如在图8A中图示的，隔离结构606可以使第二层604与第一层602热隔离。因此，第二层604可以用作加热层，如本文中描述的那样。根据各种实施例，可以提供电极结构608，所述电极结构608电接触第二层604以提供流过第二层604的电流。电极结构608可以包括彼此间隔开（例如，多于50 µm）的至少两个电接触，以便电流大体上流经第二层604。
可以在第二层604以下提供至少一个腔体603。可以在第一层602中形成至少一个腔体603。至少一个腔体603可以从第一层602的第二表面602b延伸到第一层602中。至少一个腔体603可以例如通过防止或减少热传导来使第二层604热隔离。根据各种实施例，隔离结构606可以完全横向围绕第二层604，并且可以物理接触第一层602和第二层604两者。
根据各种实施例，第一层602可以是第一载体102，第一载体102的部分，如之前描述的那样。第二层604的第一表面604a可以暴露于通道108，如本文中描述的那样。第二层604的第二表面604b可以暴露于至少一个腔体603。隔离结构606可以使第二层604与第一层602电隔离。
如在图8A中图示的粒子传感器100的至少一个腔体603可以如参考图8B和图8C描述的那样来形成。
可以在第一层602中形成隔离结构606。因此，可以形成沟槽结构，所述沟槽结构从第一层602的第一表面602a延伸到第一层602中。用作说明地，沟槽结构可以横向围绕第一层602的区604。沟槽结构可以完全填充或者至少部分填充有热绝缘材料（例如氧化物，例如氧化硅），以提供隔离结构606。
至少一个腔体603可以例如经由反应离子刻蚀从第一层602的第二表面602b形成到第一层602中。第一层602可以具有如下厚度：该厚度可能需要使用所谓的Bosch工艺或深反应离子刻蚀以向第一层602中形成足够深的腔体603。根据各种实施例，可以在第一层602中使用刻蚀停止层以限制至少一个腔体603的刻蚀。
图9A图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器100，其中以与参考图2A或图5描述的相似方式配置粒子传感器100。根据各种实施例，至少一个加热结构112和至少一个光探测结构122可以被嵌入到平面包封层902中以防止或减少微通道108中的流体流动的扭曲。平面包封层902可以包括透明氧化物，例如氧化硅。进一步地，根据各种实施例，光探测结构114可以被嵌入到另外的平面包封层904中以防止或减少微通道108中的流体流动的扭曲。另外的平面包封层904可以包括透明氧化物，例如氧化硅。
图9B图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器100，其中以与参考图2A或图5描述的相似方式配置粒子传感器100。根据各种实施例，可以在第一载体102中例如在至少一个光探测结构122下面提供光阻挡层934。光阻挡层934可以减少或防止经过第一载体102到光探测结构122中的光引入。因此，可以以高精度操作光探测结构122。
根据各种实施例，至少一个加热结构112可以被配置成向第一载体102中消散尽可能少的热。这可以例如通过使用如参考例如图6A到8C在本文中描述的加热结构112或相似加热结构来实现。加热结构112可以具有与第一载体102热隔离的加热层604（或一般地，加热元件）。这种布置可以增强光探测结构122的灵敏度，原因在于可以减少从加热结构112到光探测结构的热传递。将被传递到光探测结构中的热可能例如由于增加的热噪声而降低光探测结构（例如，包括光学传感器，诸如光电二极管）的分辨率。
图9C图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器100，其中以与参考图2A描述的相似方式配置粒子传感器100。根据各种实施例，一个或多个加热结构112和一个或多个光探测结构122可以被并排集成到相同的载体102中，例如到晶片中，例如到硅晶片中。根据各种实施例，热沉结构944可以被提供在第一载体102的第二表面102b处以增强在操作期间从第一载体102进行的热消散。这可以例如由于降低的热噪声而允许光学传感器（诸如光电二极管）的高分辨率。
图9D图示根据各种实施例的在示意性横截面视图中的粒子传感器100，其中以与参考图2A和图3描述的相似方式配置粒子传感器100。根据各种实施例，至少第一光探测结构122a可以用于直接测量由移动经过通道108的粒子308p引起的遮蔽924d。
第一光探测结构122a可以包括至少一个光电二极管922或任何其他适合的光探测元件以及可选地包括用以降低用于光探测的最大入射角的光阑926。相应地，发光结构114可以以如下这样的方式被布置在通道108的相对侧：使得光924基本上被发射到第一光探测结构122a的方向。发光结构114可以包括至少一个发光二极管914或任何其他适合的发光元件以及可选地包括用以降低至少一个发光二极管914的最大发射角的光阑916。第一光探测结构122a相对于发光结构114的这种布置可以允许例如通过分析由第一光探测结构122a测量的第一光强度来对经过通道108的粒子计数。
进一步地，例如同时地，第二光探测结构122b可以用于测量由粒子308p反射的杂散光924s。第二光探测结构122b可以包括至少一个光电二极管922或任何其他适合的光探测元件。
进一步地，根据各种实施例，微光学元件比如透镜、光阑、反射镜等可以用于支持粒子传感器100的双探测配置，使得可以基本上（例如，仅仅）由第二光探测结构122b探测杂散光324s，并且使得可以基本上（例如，仅仅）由第一光探测结构122a探测直接光324d以及因此探测由粒子308p引起的遮蔽。这可以允许通过探测杂散光324s对浅色粒子308p计数并通过探测直接光324d的阴影对深色粒子308p计数。
在本文中描述的粒子传感器100和集成加热结构122可以支持粒子传感器用最小覆盖区集成以用于下一代产品和装置。例如加热器和光电二极管在硅载体102上（例如，在管芯上、在芯片上、或者在任何其他硅工件上）的组合可以与发光二极管一起使用，所述发光二极管与硅载体102面对面地安装在结构化间隔物106上。封闭的通道108可以用作具有自由对流气流的受监视体积。
根据各种实施例，设置在腔体以上的多晶硅片604可以用作加热元件或加热层。以相似方式，多晶硅片的阵列可以设置在延伸的腔体以上。
图10A和图10B分别示出示例性加热器112和粒子传感器100构造的扫描电子显微镜图像。如在图10A中图示的，加热器板604（例如，由多晶硅制成）可以设置在衬底102上（例如，在硅衬底上），其中热隔离结构606（例如，基于热绝缘氧化物）可以设置在加热器板604和衬底102之间。在加热器板604的拐角处，存在用于在处理期间去除使用的牺牲层的释放开口（也称为通路）。如在图10B中图示的，加热器112的阵列可以形成在第一载体102之上和/或在第一载体102中。间隔物材料106设置在载体的顶部上。光探测结构122可以形成在加热器结构112之间和/或在加热器结构112以下。
图11图示用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法1100的示意性流程图。所述方法可以基于如例如参考图9D在本文中描述的粒子传感器100来执行。所述方法可以包括：在1110中，加热粒子传感器100的至少一个加热结构112以提供流体在粒子传感器100的通道108中的自由对流流动，其中流体包括粒子308p；在1120中，通过粒子传感器100的发光结构114向粒子传感器100的通道108中发射光；在1130中，通过粒子传感器100的第一光探测结构122a探测由发光结构114发射的光的第一光强度，其中所述第一光探测结构122a被布置成接收直接来自发光结构114的光；以及在1140中，通过粒子传感器100的第二光探测结构122b探测由发光结构114发射的光的第二光强度，其中所述第二光探测结构122b被布置成基本上接收在通道108中的粒子308p上散射的来自发光结构114的光。
图12图示用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法1200的示意性流程图。所述方法可以基于如本文中描述的多个粒子传感器100执行。根据各种实施例，可以以如针对具有一个通道108的一个粒子传感器100示例性地在本文中描述的相似配置而在载体上提供至少两个或多于两个粒子传感器100。所述至少两个粒子传感器100可以基本上彼此相同，但是可以在不同条件下（例如，在不同温度处）操作。因此，至少两个粒子传感器100可以用于探测具有不同直径的粒子，如例如参考图4描述的那样，以控制待分析的流体的自由对流的不同流动速度。所述方法可以包括：在1210中，加热第一粒子传感器的第一加热结构到第一温度，从而提供流体在所述第一粒子传感器的第一通道中的第一自由对流流动；在1220中，通过所述第一粒子传感器的第一发光结构向所述第一粒子传感器的第一通道中发射光；在1230中，通过所述第一粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述第一发光结构发射的光的第一光强度；在1240中，加热第二粒子传感器的第二加热结构到第二温度，从而提供流体在所述第二粒子传感器的第二通道中的第二自由对流流动；在1250中，通过所述第二粒子传感器的第二发光结构向所述第二粒子传感器的第二通道中发射光；以及在1260中，通过所述第二粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述第二发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第一温度小于所述第二温度。
图13图示用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法1300的示意性流程图。所述方法可以基于如本文中描述的多个粒子传感器100执行。根据各种实施例，可以以如针对具有一个通道108的一个粒子传感器100示例性地在本文中描述的相似配置而在载体上提供至少两个或多于两个粒子传感器100。所述至少两个粒子传感器100可以在基本上相同的条件下（例如，在相同的温度处）操作，但是可以设有不同的通道几何结构（即，尺寸）。因此，至少两个粒子传感器100可以用于探测具有不同直径的粒子，如例如参考图4描述的那样，以产生待分析的流体的自由对流的不同流动速度。所述方法可以包括：在1310中，加热第一粒子传感器的第一加热结构，从而提供流体在所述第一粒子传感器的第一通道中的第一自由对流流动；在1320中，通过所述第一粒子传感器的第一发光结构向所述第一粒子传感器的第一通道中发射光；在1330中，通过所述第一粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述第一发光结构发射的光的第一光强度；在1340中，加热第二粒子传感器的第二加热结构，从而提供流体在所述第二粒子传感器的第二通道中的第二自由对流流动；在1350中，通过所述第二粒子传感器的第二发光结构向所述第二粒子传感器的第二通道中发射光；以及在1360中，通过所述第二粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述第二发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第一通道比所述第二通道具有更大的尺寸。
根据各种实施例，方法1200和1300可以进一步包括基于探测的第一光强度和第二光强度确定粒子的数量或粒子的浓度。
示例1是一种集成加热结构。所述集成加热结构可以包括：第一层；第二层；设置在所述第一层和所述第二层之间的腔体结构，其中所述腔体结构包括无固体材料的至少一个腔体；横向围绕所述第二层的隔离结构，其中所述隔离结构物理地将所述第二层连接到所述第一层，其中所述腔体结构和所述隔离结构使所述第二层与所述第一层热隔离；以及电极结构，电接触所述第二层以提供流过所述第二层的电流。所述至少一个腔体可以通过所述第一层、所述第二层和所述隔离结构的布置而被气密地密封。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。
替换地，所述集成加热结构可以包括：第一层；与所述第一层间隔开的第二层；设置在所述第一层与所述第二层之间的至少一个腔体，其中所述至少一个腔体无固体材料；物理地将所述第二层连接到所述第一层的固定结构，其中所述固定结构配置成使所述第二层与所述第一层热隔离；以及电极结构，电接触所述第二层以提供流过所述第二层的电流。所述至少一个腔体可以通过所述第一层、所述第二层和所述固定结构的布置而被气密地密封。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。
替换地，所述集成加热结构可以包括：载体；设置在载体中的隔离结构，所述隔离结构横向围绕载体的区并且使载体的所述区与载体的其余部分分离；其中载体包括设置在载体的所述区以下的至少一个腔体；其中所述至少一个腔体无固体材料；以及电极结构，电接触载体的所述区以提供流过所述区的电流。在这种情况下，所述隔离结构横向围绕载体的第一区并且使载体的所述第一区与载体的第二区分离。所述第二区可以至少横向围绕所述第一区。所述第二区可以可选地设置在所述第一区以下。所述隔离结构可以从载体的第一表面延伸到载体中。所述至少一个腔体可以从载体的第二表面延伸到载体中，其中所述第二表面与所述第一表面相对。
替换地，所述集成加热结构可以包括：载体；设置在载体中的腔体结构，所述腔体结构包括无固体材料的至少一个腔体；从载体的表面延伸到载体中至少到所述腔体结构的沟槽结构，所述沟槽结构横向围绕在所述至少一个腔体以上的载体的区；以及电极结构，电接触载体的所述区以提供流过所述区的电流。所述至少一个腔体可以通过载体和所述沟槽结构的布置而被气密地密封。载体可以包括第一层和设置在所述第一层上的第二层。所述至少一个腔体可以设置在所述第一层和所述第二层之间。进一步地，可以在气密地密封的至少一个腔体之内提供真空（即，亚大气压，例如小于大约100毫巴的压强）。所述沟槽结构可以从载体的第一表面延伸到载体中。所述至少一个腔体可以从载体的第二表面延伸到载体中，其中所述第二表面与所述第一表面相对。
替换地，所述集成加热结构可以包括：载体；设置成在载体之上和在载体中的至少一种的隔离结构；设置成在载体之上和在载体中的至少一种的腔体结构，所述腔体结构包括无固体材料的至少一个腔体，其中所述隔离结构邻接所述腔体结构；设置在所述腔体结构之上的加热层，其中所述隔离结构使所述加热层与载体热分离；以及电极结构，电接触所述加热层以提供流过所述加热层的电加热电流。所述加热层可以不具有与载体的直接物理接触。如参照示例1描述的，所述第二层、载体的所述（例如，第一）区或所述加热层可以用作加热结构。
在示例2中，示例1的主题可以可选地包括耦合到所述电极结构的驱动器电路，其中所述驱动器电路被配置成提供流过所述加热结构的加热电流。所述加热电流可以以如下这样的方式提供：由于功率损耗，使得所述加热结构的温度增加到预定温度。所述驱动器电路可以配置成控制所述加热结构的温度。所述加热结构的温度可以被提供在从大约50℃到大约300℃的范围内以引起在通道中的自由对流。
在示例3中，示例1或2的主题可以可选地：所述驱动器电路被设置在所述第一层的表面处或在载体的表面处。换言之，所述驱动器电路可以形成为与所述加热结构间隔开。
在示例4中，示例1至3中的任一项的主题可以可选地包括：所述隔离结构或所述固定结构包括沟槽结构。所述沟槽结构可以包括（例如，可以填充有）热绝缘材料。
在示例5中，示例1至4中的任一项的主题可以可选地包括：所述隔离结构、所述固定结构或所述沟槽结构可以完全横向围绕所述加热结构。因此，热绝缘材料可以完全横向围绕所述加热结构。进一步地，所述加热结构可以仅具有与所述隔离结构、所述固定结构或所述沟槽结构的直接物理接触。换言之，所述加热结构可以由所述隔离结构、所述固定结构或所述沟槽结构承载。
在示例6中，示例1至5中的任一项的主题可以可选地包括：所述隔离结构包括设置在所述第一层之上的热绝缘材料。
在示例7中，示例6的主题可以可选地包括：所述热绝缘材料完全横向围绕所述第二层并且其中所述热绝缘材料物理地将所述第二层连接到所述第一层。
所述热绝缘材料可以包括氧化物例如氧化硅（SiO2），或者可以由所述氧化物构成。
在示例8中，示例1至7中的任一项的主题可以可选地包括：所述第一层或载体可以包括半导体材料例如硅，或者可以由所述半导体材料构成。
在示例9中，示例1至8中的任一项的主题可以可选地包括：所述第二层可以包括半导体材料，或者可以由半导体材料构成。换言之，所述加热可以包括半导体材料例如硅，或者可以由半导体材料例如硅构成。
示例10是一种粒子传感器。所述粒子传感器可以包括：第一载体，所述第一载体包括至少一个加热结构和光探测结构；设置在所述第一载体之上的至少一个间隔物结构；设置在所述至少一个间隔物结构之上的第二载体，所述第二载体包括发光结构；其中所述第一载体、所述第二载体以及所述至少一个间隔物结构被布置成提供用于流体流动的通道，其中所述发光结构被配置成向所述通道中发射光，并且其中所述光探测结构被配置成探测由所述发光结构发射的光。所述发光结构可以集成到所述第二载体中。至少一个加热结构和光探测结构可以（例如，两者都）被集成到所述第一载体中。至少一个加热结构和光探测结构可以被布置成横向邻近彼此。
在示例11中，示例10的主题可以可选地包括：如在示例1至9中的任一项中描述的那样配置加热结构。
在示例12中，示例10或11的主题可以可选地包括：所述通道具有至少两个开口，所述至少两个开口限定流体从所述至少两个开口中的一个到所述至少两个开口中的另一个的流动方向。
在示例13中，示例12的主题可以可选地包括至少两个温度传感器，其中所述至少两个温度传感器中的一个被配置成测量在所述至少两个开口中的一个处的流体的温度，并且其中所述至少两个温度传感器中的另一个被配置成测量在所述至少两个开口中的另一个处的流体的温度。
在示例14中，示例10至13中的任一项的主题可以可选地包括：所述通道被配置成具有例如沿着流动方向测量的在从大约1 mm到大约10 mm的范围内的长度。
在示例15中，示例10至14中的任一项的主题可以可选地包括：所述通道被配置成具有例如垂直于流动方向测量的在从大约0.5 mm到大约2 mm的范围内的宽度。
在示例16中，示例10至15中的任一项的主题可以可选地包括：所述通道被配置成具有例如垂直于流动方向并且垂直于宽度测量的在从大约10 µm到大约500 µm的范围内的高度。
在示例17中，示例10至16中的任一项的主题可以可选地包括：耦合到所述至少一个加热结构的驱动器电路。所述驱动器电路可以被配置成提供流过所述至少一个加热结构的加热电流。
在示例18中，示例17的主题可以可选地包括：所述驱动器电路被配置成以如下这样的方式提供加热电流：使得所述通道中的流体流动具有在从大约0.5 mm/s到大约5 mm/s的范围内的流动速度。
在示例19中，示例10至18中的任一项的主题可以可选地包括：温度传感器，配置成测量在所述通道中流动的流体的温度。
在示例20中，示例10至19中的任一项的主题可以可选地包括所述至少一个加热结构包括：第一层；第二层；设置在所述第一层和所述第二层之间的腔体结构，其中所述腔体结构包括无固体材料的至少一个掩埋的腔体；横向围绕所述第二层的隔离结构，其中所述隔离结构物理地将所述第二层连接到所述第一层，其中所述腔体结构和所述隔离结构使所述第二层与所述第一层分离；以及电极结构，电接触所述第二层以提供流过所述第二层的电流。
在示例21中，示例20的主题可以可选地包括：驱动器电路，耦合到所述电极结构以提供流过所述第二层的加热电流。驱动器电路可以连接到所述电极结构，并且可以配置成经由加热电流来加热所述加热层。
在示例22中，示例20或21的主题可以可选地包括：所述驱动器电路被设置成在所述第一层之上和在所述第一层中的至少一种。
在示例23中，示例20至22中的任一项的主题可以可选地包括：所述隔离结构包括填充有热绝缘材料的沟槽结构，或者由所述沟槽结构构成。
在示例24中，示例23的主题可以可选地包括：所述沟槽结构完全横向围绕所述第二层。
在示例25中，示例24的主题可以可选地包括：所述热绝缘材料物理地将所述第二层连接到所述第一层。
在示例26中，示例20至22中的任一项的主题可以可选地包括：所述隔离结构包括设置在所述第一层之上的热绝缘材料，或者由所述热绝缘材料构成。
在示例27中，示例26的主题可以可选地包括：所述热绝缘材料完全横向围绕所述第二层。
在示例28中，示例27的主题可以可选地包括：所述热绝缘材料物理地将所述第二层连接到所述第一层。
参考示例25和28，所述热绝缘材料可以物理地接触所述第一层和所述第二层。
在示例29中，示例23至28中的任一项的主题可以可选地包括：所述热绝缘材料包括氧化物，或者由氧化物构成。
在示例30中，示例29的主题可以可选地包括：所述氧化物是氧化硅（SiO2）。
在示例31中，示例20至30中的任一项的主题可以可选地包括：所述第一层包括半导体材料，或者由半导体材料构成。
在示例32中，示例20至31中的任一项的主题可以可选地包括：所述第二层包括半导体材料，或者由半导体材料构成。
在示例33中，示例31或32的主题可以可选地包括：所述半导体材料是硅。
在示例34中，示例20至33中的任一项的主题可以可选地包括：所述光探测结构被设置在所述第一层之上。
在示例35中，示例34的主题可以可选地包括：所述光探测结构设置成横向邻近所述腔体结构。
在示例36中，示例20至35中的任一项的主题可以可选地包括：测量电路，耦合到所述光探测结构以提供表示来自所述光探测结构的测量数据的信号。
在示例37中，示例36的主题可以可选地包括连接到所述测量电路的模拟-数字转换器。所述模拟-数字转换器可以配置成将从所述光探测结构获得的模拟测量信号转换成数字测量信号。
在示例38中，示例37的主题可以可选地包括连接到所述模拟-数字转换器的数字信号处理器。所述数字信号处理器可以配置成基于所述数字测量信号来提供输出信号。所述输出信号表示由所述光探测结构感测的光强度。
在示例39中，示例36的主题可以可选地包括连接到所述测量电路的模拟信号处理器。所述模拟信号处理器可以配置成基于从所述光探测结构获得的模拟测量信号来提供输出信号。所述输出信号表示由所述光探测结构感测的光强度。
在示例40中，示例10至39中的任一项的主题可以可选地包括：所述间隔物结构被布置成在所述至少一个加热结构之上提供通道。所述加热结构因此被布置成直接加热在所述通道中流动的流体。所述加热结构可以具有暴露于所述通道的内部的表面。
在示例41中，示例10至40中的任一项的主题可以可选地包括：所述间隔物结构被配置成在所述至少一个光探测结构之上提供通道。所述光探测结构因此被布置成接收（例如，仅）来自所述通道的内部的光。所述光探测结构可以具有光阻挡结构，所述光阻挡结构防止探测不是从所述发光结构发射的光。
在示例42中，示例10至41中的任一项的主题可以可选地包括：所述间隔物结构包括至少两个侧壁，所述至少两个侧壁远离所述第一载体延伸以在所述至少两个侧壁之间提供通道。所述通道可以被配置成基本上封闭的通道以为流体（如例如气体或液体）提供管状通路。
在示例43中，示例10至42中的任一项的主题可以可选地包括：所述发光结构被配置成发射具有在从大约200 nm到大约1500 nm的范围内，例如在从大约300 nm到大约1300nm的范围内的波长的光。
在示例44中，示例10至43中的任一项的主题可以可选地包括：所述发光结构包括以下部件组中的至少一个部件：发光二极管、激光二极管、有机发光二极管。发光二极管可以形成在所述第二载体的半导体材料中。因此，所述第二载体的半导体材料可以被掺杂以提供至少一个结，例如p-n或n-p结。
在示例45中，示例10至44中的任一项的主题可以可选地包括：所述发光结构包括至少一个微光学元件。所述至少一个微光学元件可以包括以下光学元件组中的至少一个：反射镜、透镜、光阑、滤光片等。
在示例46中，示例10至45中的任一项的主题可以可选地包括：所述光探测结构包括至少一个光电二极管。
在示例47中，示例10至46中的任一项的主题可以可选地包括：所述光探测结构包括设置成横向邻近所述加热结构的第一光探测元件和设置成横向邻近所述加热结构的第二光探测元件，其中所述加热结构被布置在第一探测元件和第二光探测元件之间。
在示例48中，示例47的主题可以可选地包括：第一探测元件被配置成接收来自所述发光结构的未散射光，并且所述第二光探测元件被配置成接收来自所述发光结构的散射光。
在示例49中，示例48的主题可以可选地包括：所述光探测结构包括光阑，所述光阑设置在所述第二光探测元件与所述发光结构之间并且配置成防止由所述发光结构对第二光探测元件的直接照射。
在示例50中，示例48或49的主题可以可选地包括：所述光探测结构包括光阑，所述光阑设置在第一光探测元件与所述发光结构之间并且配置成基本上允许由所述发光结构对第二光探测元件的直接照射。
示例51是一种用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法。所述方法包括：加热粒子传感器的至少一个加热结构以提供流体在所述粒子传感器的通道中的自由对流流动，其中流体包括粒子；通过所述粒子传感器的发光结构向所述粒子传感器的通道中发射光；通过所述粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述发光结构发射的光的第一光强度，其中所述第一光探测结构被布置成接收直接来自所述发光结构的光（即，未散射的光）；以及通过所述粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第二光探测结构被布置成仅接收在通道中的粒子上散射的来自所述发光结构的光。
在示例52中，示例51的主题可以可选地包括基于探测的第一光强度和第二光强度确定粒子的数量或粒子的浓度。
在示例53中，示例51或52的主题可以可选地包括：布置所述粒子传感器，使得以相对于垂直方向在从0°到大约70°的范围内的角度布置所述通道。
示例54是一种用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法。所述方法包括：加热第一粒子传感器的第一加热结构到第一温度，从而提供流体在所述第一粒子传感器的第一通道中的第一自由对流流动；通过所述第一粒子传感器的第一发光结构向所述第一粒子传感器的第一通道中发射光；通过所述第一粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述第一发光结构发射的光的第一光强度；加热第二粒子传感器的第二加热结构到第二温度，从而提供流体在所述第二粒子传感器的第二通道中的第二自由对流流动；通过所述第二粒子传感器的第二发光结构向所述第二粒子传感器的第二通道中发射光；通过所述第二粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述第二发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第一温度小于所述第二温度。
示例55是一种用于感测流体中的粒子浓度或粒子数量的方法。所述方法包括：加热第一粒子传感器的第一加热结构，从而提供流体在所述第一粒子传感器的第一通道中的第一自由对流流动；通过所述第一粒子传感器的第一发光结构向所述第一粒子传感器的第一通道中发射光；通过所述第一粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述第一发光结构发射的光的第一光强度；加热第二粒子传感器的第二加热结构，从而提供流体在所述第二粒子传感器的第二通道中的第二自由对流流动；通过所述第二粒子传感器的第二发光结构向所述第二粒子传感器的第二通道中发射光；通过所述第二粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述第二发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第一通道比所述第二通道具有更大的尺寸。
在示例56中，示例54或55的主题可以可选地包括基于探测的第一光强度和第二光强度确定粒子的数量或粒子的浓度。
在示例57中，示例54或55的主题可以可选地包括：基于探测的第一光强度确定粒子的第一数量或粒子的第一浓度，以及基于探测的第二光强度确定粒子的第二数量或粒子的第二浓度。
虽然参考特定的实施例具体地示出了和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离如由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中做出形式和细节中的各种改变。本发明的范围因此由所附权利要求所指示，并且因此旨在涵盖落在权利要求的等同物的意义和范围之内的所有改变。

Claims (21)

1.一种粒子传感器，包括：
第一载体，所述第一载体包括至少一个加热结构和光探测结构，
设置在所述第一载体之上的至少一个间隔物结构，
设置在所述至少一个间隔物结构之上的第二载体，所述第二载体包括发光结构，
其中所述第一载体、所述第二载体以及所述至少一个间隔物结构被布置成提供用于流体流动的通道，其中所述发光结构被配置成向所述通道中发射光，并且其中所述光探测结构被配置成探测来自所述通道的光。
2.权利要求1所述的粒子传感器，
其中所述通道具有至少两个开口，所述至少两个开口限定流体从所述至少两个开口中的一个到所述至少两个开口中的另一个的流动方向。
3.权利要求2所述的粒子传感器，
其中所述通道被配置成具有沿着流动方向在从大约1 mm到大约10 mm的范围内的长度。
4.权利要求2所述的粒子传感器，
其中所述通道被配置成具有垂直于流动方向在从大约0.5 mm到大约2 mm的范围内的宽度。
5.权利要求4所述的粒子传感器，
其中所述通道被配置成具有垂直于流动方向在从大约10 µm到大约500 µm的范围内的高度。
6.权利要求1所述的粒子传感器，进一步包括：
驱动器电路，耦合到所述至少一个加热结构并且配置成提供流过所述至少一个加热结构的加热电流。
7.权利要求6所述的粒子传感器，
其中所述驱动器电路被配置成控制所述加热电流以提供具有在从大约0.5 mm/s到大约5 mm/s的范围内的流动速度的流体流动。
8.权利要求1所述的粒子传感器，进一步包括：
温度传感器，被配置成测量在所述通道中流动的流体的温度。
9.权利要求2所述的粒子传感器，进一步包括：
至少两个温度传感器，其中所述至少两个温度传感器中的一个被配置成测量在所述至少两个开口中的一个开口处的流体的温度，并且其中所述至少两个温度传感器中的另一个被配置成测量在所述至少两个开口中的另一个开口处的流体的温度。
10.一种粒子传感器，包括：
第一载体，
隔离结构，设置成在所述第一载体之上和在所述第一载体中的至少一种；
腔体结构，设置成在所述第一载体之上和在所述第一载体中的至少一种，所述腔体结构包括无固体材料的至少一个腔体；
设置在所述腔体结构之上的加热层，其中所述隔离结构使所述加热层与所述第一载体隔离；
电极结构，电接触所述加热层以提供流过所述加热层的电加热电流；
光探测结构，设置成在所述第一载体之上和在所述第一载体中的至少一种，
设置在所述第一载体之上的至少一个间隔物结构，
设置在所述至少一个间隔物结构之上的第二载体，所述第二载体包括发光结构，
其中所述第一载体、所述第二载体以及所述至少一个间隔物结构被布置成提供用于流体流动的通道，其中所述加热层被布置成加热所述通道中的流体，其中所述发光结构被配置成向所述通道中发射光，并且其中所述光探测结构被配置成探测来自所述通道的光。
11.权利要求10所述的粒子传感器，进一步包括：
驱动器电路，耦合到所述电极结构以提供流过所述加热层的加热电流。
12.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述隔离结构包括填充有热绝缘材料的沟槽结构。
13.权利要求12所述的粒子传感器，
其中所述沟槽结构完全横向围绕所述加热层并且其中所述热绝缘材料物理地将所述加热层连接到所述第一载体。
14.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述隔离结构包括设置在所述第一载体之上的热绝缘材料，并且其中所述热绝缘材料物理地将所述加热层连接到所述第一载体。
15.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述腔体结构设置在所述第一载体与所述加热层之间。
16.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述第一载体包括半导体材料，并且其中所述加热层包括半导体材料。
17.权利要求10所述的粒子传感器，
其中，所述隔离结构包括氧化物。
18.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述腔体结构的至少一个腔体被所述第一载体、所述隔离结构以及所述加热层气密地密封。
19.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述腔体结构的至少一个腔体被气密地密封并且其中在所述至少一个腔体内提供真空。
20.权利要求10所述的粒子传感器，
其中所述光探测结构包括至少一个光电二极管，并且其中所述发光结构包括至少一个发光二极管。
21.一种用于感测流体中的粒子的方法，所述方法包括：
加热粒子传感器的至少一个加热结构以提供流体在所述粒子传感器的通道中的自由对流流动，其中流体包括粒子；
通过所述粒子传感器的发光结构向所述粒子传感器的通道中发射光；
通过所述粒子传感器的第一光探测结构来探测由所述发光结构发射的光的第一光强度，其中所述第一光探测结构被布置成基本上接收直接来自所述发光结构的光；以及
通过所述粒子传感器的第二光探测结构来探测由所述发光结构发射的光的第二光强度，其中所述第二光探测结构被布置成基本上接收在通道中的粒子上散射的来自所述发光结构的光；以及
基于探测的第一光强度和第二光强度来确定粒子的数量。
CN201710431950.3A 2016-06-09 2017-06-09 粒子传感器和用于感测流体中的粒子的方法 Pending CN107490536A (zh)

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