CN109313079A - 用于测量温度和检测气体的热电堆红外单个传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外壳中的热电堆红外单个传感器，该外壳填充有气体介质并具有光学单元并具有单个的传感器单元的一个或多个传感器芯片，该传感器单元具有带网状膜的红外传感器结构，在每种情况下，其红外敏感区域由至少一个载体主体中的空腔上的梁所跨越，具有良好的热传导性。本发明的目标包括使用用于非接触温度测量的单片硅微机械技术赋予热电堆红外传感器特性，在足够大接收表面的情况下，其输出具有高响应速度的大信号，并且其可以在正常压力或减小的压力下的气体介质中运行，并且其可以在不需要用于密封外壳的复杂技术的情况下进行批量生成。在每种情况下，这通过将分别具体一个红外敏感区域的多个单个相邻传感器单元(18)组合到热电堆结构(14、15)来获得，所述热电堆结构(14、15)位于单独的热电堆传感器结构的单个芯片的公共载体主体(1)上的膜(12)上，所述单独的热电堆传感器结构在外壳中有信号输出，由基板(3)密封的盖子(12)组成，具有公共气体介质(10)。

Description

用于测量温度和检测气体的热电堆红外单个传感器

本发明涉及一种外壳中以单片硅微机械技术测量温度或检测气体的热电堆单个传感器，该外壳填充有气体介质并具有光学单元以及一个或多个传感器芯片，该传感器芯片具有单个的传感器单元，该传感器单元具有具备网状膜的红外传感器结构，其红外敏感区域各自由至少一个在载体主体中的空腔上的梁所跨越，具有良好的热传导性。

以硅微机械技术产生的热电堆红外传感器存在于极其不同的实施例中。例如，DE10144343A1中描述的热电堆传感器芯片，其具有垂直或近乎垂直的壁，并具有尽可能大的膜作为红外接收区域，以最大化在膜上的红外敏感区域所接收的信号。该膜跨越硅载体主体中的凹槽，该硅载体主体也形成为散热片。

DE 10321639A1中提出了进一步的解决方案，其中提供了热电堆元件，其热端位于膜上而其冷端位于硅载体主体上。

这些实施例具有均质薄膜携带多个热电偶的特性(例如热电堆元件)，并且传感器芯片封装在具有大气压和通常干燥空气或干燥的氮气的外壳中。为了获得热电堆传感器元件中尽可能大的信号电压，其热电偶必须尽可能长地形成，因为在热电偶的热端和冷端之间的热传导会减少，从而达到更大的温差。

因此，在较小的芯片区域无法达到足够高的信号电压用于多种应用，并且测量任务中的信噪比或检测极限无法满足需求。如果这样的芯片用于检测气体，例如仅敏感的传感器区域已经选择得相当大了，例如1x1mm，或更大。随后传感器芯片本身也显著变大，这对用户是不利的。

不利的是，每单位面积获得的信号电压对许多应用来说是不够的，较大的面积也具有较高的时间常数(热惯性)，并且从而这导致反应时间过慢。从而通过具有许多热电偶的均匀的非结构化膜，在低反应时间下不能实现所需的信号电压。

在WO 9102229 A1中提出了单个热电堆传感器，其中，在单独的自由浮动的膜布置在芯片体的凹槽上，该膜通过尽可能长的梁连接到散热片上(即，芯片体的边缘)。由于用于制造芯片体中的凹槽的蚀刻方法，产生划分凹槽的倾斜壁。在这个传感器中，由于膜上更好的吸收体区域，可以在更小的面积上获得更大的信号。然而，包围吸收体区域的“正常大气”(即空气，氮气)的热传导性阻止传感器获得足够高的信号。而且，导致相对敏感区域极大的并因此使整个芯片非常昂贵的倾斜壁是不利的。

此外，在DE 102010042108 A1中提出了单片硅微机械中的热电堆红外传感器，其通过传感器芯片膜可以在非常小的面积上获得非常高的信号电压，该传感器芯片膜设置有槽和接收红外辐射的内部区域，悬浮在薄网状物的吸收体区域上，一些热电偶通过其从硅边缘(“冷”触点)引导到吸收体区域(“热”触点)。为了提高内部吸收体区域的绝缘性，传感器元件包围在具有明显小于空气的较低热传导性介质的外壳中。

在这个方式中，非常小的膜(吸收体区域)可以获得非常高的信号电平。如果把吸收区域的大小增加到0.5x0.5mm...1x1mm的区域(通常至少对所谓的NDIR气体传感器是必须的)，但是，随后变得越来越缓慢的吸收体区域造成较长的时间常数，即传感器芯片散热片和传感器的响应速度将在许多应用中大大变缓。

在US 4472239A和US 4654622 A中还提出了具有用于刻蚀底层载体衬底的部分的薄膜和槽的热传感器结构。在这两种情况下，底层凹槽仅达到较小的深度，其(如上述解决方案中)只有在具有成本效益而没有高真空密封性的外壳解决方案的情况下才允许低灵敏度。

在DE 19954091 A1和US 6342667 B中记载了热电堆传感器单元，其中传感器结构下的凹槽通过槽结构，以膜的外围区域中的大三角形式或以膜的中部的十字架形式自由刻蚀。在这两种情况下，这都是通过湿蚀刻方法进行的，该方法由于倾斜的壁而不允许在周边上与散热片的大距离出现。并联排列的多个热电偶防止了“热”和“冷”触点之间较大的温度差，并因此防止获得更高的信号灵敏度。

在DE 19843984 A1中提出了红外辐射传感器的多个单元。单个单元的凹槽具有垂直的壁，其通过整个衬底，其中该衬底包围该凹槽。膜位于凹槽的上方。但是，还提供了多个相当短的热电偶，其不允许高灵敏度。由微机械解决方案产生凹槽，例如通过刻蚀穿过膜中的开孔，其中刻蚀的深度可以是50-200μm。膜上的传感器结构与最大200μm的散热片之间的短距离在此是不利的，其具有这样的结果：由于气体的热传导性，无法实现较高的灵敏度。

并且，在DE 4091364 C1中提出了具有薄膜和开槽的结构的热电堆传感器单元。通过较长的梁和一些热电偶保持膜上的吸收体区域，其中孔或槽位于膜中。但是，具有热电偶且宽度为130μm的梁，通过槽也与衬底外围和吸收体区域绝缘，该槽也是宽的。位于传感器结构下方的载体衬底从后侧湿刻蚀，其产生衬底中的倾斜壁。整个布置设置有具有保护气体的填料。

原则上，使用该解决方案可以获得更高的温度差和灵敏度。但是，这些宽槽防止了传感器单元的最佳区域利用率(填充程度)。载体衬底中的湿刻蚀凹槽具有向外的倾斜壁，其中整个传感器单元约为2x2mm大小。向外倾斜的衬底壁不允许小传感器单元或单元间隔。悬浮的接收区域的较大结构造成较慢的响应速度和较大的时间常数，并因此需要迅速测量的许多测量任务是不可能完成的。

综上所述，可以认为，现有技术中提出的热红外传感器单元由于采用大面积芯片技术而没有足够的吸收体隔热，要么实现每单元面积的低信号电平，要么在单个吸收体区域的足够大敏感区域的情况下，具有过高的时间常量，并因此在测量任务中反应极其缓慢(sluggishly and slowly)。

本发明的目的是在单片硅微机械技术中详细说明一种热电堆红外传感器，用于非接触温度测量或NDIR气体检测，该传感器输出具有较高响应速度的较高信号和足够大的接收区域，并可以在常压或减压下的气体介质下运行，并可以在没有外壳封装的复杂技术的情况下，批量计数生产。

这是在开头所述类型的热电堆红外单个传感器中实现的，其中，在每种情况下，分别具有一个红外敏感区域的多个单个的相邻传感器单元，与膜上的热电堆结构在单个芯片的公共载体主体上组合起来，以形成单个热电堆传感器结构，该单个热电堆传感器结构具有在外壳中的信号输出，由用基板密封的盖子组成，并具有公共气体介质。

在本发明的第一个实施例中，将每个传感器芯片的单个传感器单元的信号组合起来，以通过串联电路、并联电路或串并联电路的组合形成一个输出信号，并通过端子引出。

具有红外敏感区域的每个膜下的空腔优选具有垂直或近乎垂直的壁，其从晶圆后面驱动。

可选择地，具有红外敏感区域的每个膜下的空腔可以具有倾斜的壁，其从正面通过膜中的槽刻蚀出。

优选地，公共气体介质为在正常大气压下具有明显大于空气摩尔质量的气体(例如，氙气、氪气或氩气)。

优选地，气体介质为具有显著低于正常大气压的压力的气体或气体混合物。

在本发明的另一实施例中，通过单独的预处理通道引导传感器芯片的每个单个传感器单元的信号，该单独预处理通道具有单独的前置放大器、阻抗变换器或模拟数字变换器，其中，一些或全部单个传感器单元的单独预处理通道具有至少一个积分功能或低通功能。

并且，传感器芯片的单个传感器单元的预处理信号有利地组合到电子求和电路中(例如多路复用器和/或微控制器)，以形成输出信号。

在本发明的改进中，单个传感器单元的信号处理通道和求和单元封装在相同的半导体载体主体上或在传感器外壳内的相邻半导体芯片上。

可选择地，除了信号预处理通道和求和单元，其他电子信号处理单元(例如温度或电压参考值或用于计算温度或气体浓度)封装在相同的半导体载体主体上或在公共气体介质中传感器外壳内的相邻半导体芯片上。

此外，热电堆结构由应用于CMOS工艺中的n导电和p导电多晶硅、非晶硅、锗、或硅锗的混合形式、或应用由铋或锑构成的热电薄金属层组成，以确保生产成本效益。

本发明特别有利地适用于使用至少两个热电堆红外单个传感器，每个传感器在公共底板上的公共盖子下形成彼此相邻的一个传感器通道，作为气体探测器，其中，提供不同波长的各自光学滤波器用于每个传感器通道，并且其中在每种情况下，相邻传感器通道之间设置有隔壁。

为了提高长期的稳定性和漂移电阻，一个传感器通道装备有参考滤波器。

形成传感器通道的热电堆红外单个传感器有利地适用于用作NDIR气体检测。

基于示例性实施例，将更详细地描述本发明，其中附图的单视图为：

图1：示出了根据本发明在外壳中具有多个结构的单个芯片的热电堆单个传感器的基本结构

a)具有垂直壁，

b)具有倾斜壁；

图2：示出了根据发明的热电堆传感器的单个芯片的俯视图，该热电堆传感器具有热电堆传感器芯片的排列，该热电堆传感器芯片具有四重结构的传感器单元；

图3：示出了根据本发明的单个芯片的俯视图，该芯片具有九重结构的传感器单元，且每个在串联电路中；

图4：示出了根据本发明的热电堆传感器的实施例，该实施例具有通过前置放大器或阻抗变换器和电子求和元件的单个结构的信号总和；

图5：示出了根据本发明的另一热电堆传感器结构，该结构具有多通道传感器(例如，用于检测气体)；以及

图6：示出了来自图2的细节A的放大视图。

图1a、b示出了单个芯片上的根据本发明的热电堆红外单个传感器的示意性结构。该热电堆单个传感器建立在公共框架形半导体载体主体1上(例如，由硅组成)，并且位于传感器外壳中，并由底板2、基板3、盖子7以及光学单元9组成，其中，基板3具有电端子4，其每个端子通过具有端子焊盘6的线桥5连接到框架形半导体载体主体1(图2和3)，盖子7具有孔径开口8，其中传感器外壳以不泄漏的方式包围住气体介质10。

载体主体1设置有空腔11，其通过具有敏感区域(吸收体区域)的膜12跨越，并且通过梁13连接到用作散热片的框架形半导体载体主体1上。

气体介质10是气体或气体混合物，其热传导率低于空气或氮气的热传导率，以保持从膜12上的中心敏感区域到载体主体1尽可能低的对流。优选地，气体介质10是具有高摩尔质量的气体(例如氙气、氪气或氩气)，或是具有相对正常大气压显著降低的内压的气体。在这种情况下，传感器外壳必须是密封的，从而在周围不会发生气体交换。

由单个芯片的载体主体1组成的传感器芯片包含具有开槽的膜12和梁结构13的多个单个单元18，封装有诸如热电堆结构的热电偶13’，其“热”触点14位于膜12上，而“冷”触点15位于载体主体1上。此外，薄吸收体层16(优选小于1μm)位于膜12上，以引起敏感区域的热质量较低而响应速度较高。槽17位于膜12和梁13之间，并且位于这些与载体主体1之间，用于热分离(图2、3、6)。

热电堆结构的热电偶是由具有不同热电极性的热电材料产生的。在CMOS工艺中可以采用两种半导体材料，例如n导电和p导电多晶硅、(掺杂的)非晶硅、锗、或硅与锗的混合形式、或采用热电薄金属层(例如，铋、锑等)，其中每种情况下厚度小于1μm。

具有梁13和敏感区域的膜12在空腔12上方的载体主体1上跨越。这些空腔11可以通过从晶圆背面进行干刻蚀(深RIE)引入，并随后优选地具有垂直壁(图1a)，或可以通过从前面穿过半导体衬底中的槽17(图2和3)刻蚀牺牲层或半导体衬底本身驱动穿过膜12，以形成载体主体1。图1b中空腔11的倾斜壁是后者的一个示例。

根据本发明产生了有益效果，从而具有开槽的膜12的多个小单元18(例如2、4、9或16单元)位于紧密相邻的热电堆单个传感器的区域上，其单元通过互连形成与已知单个元件热电堆芯片一样大的接收区域，其中气体介质10使每个单元18具有高单个信号电平。

由于各自膜12上的相对小尺寸的单个单元18及其敏感区域，产生比常规大小的非分段热电堆芯片明显更小的时间常数和更快的响应速度。随即，热电堆芯片的所有单元18的信号求和使相同大小的热电堆芯片上产生明显更高的信号电压。

图2和3示出了根据本发明的热电堆单个传感器，其具有如俯视图的多个单元18，以例示出热电堆单个传感器的单个单元18的排列和互连。在这种情况下，除了单个单元18的几何面积通常明显小于传统的热电堆单个传感器，每个单元18的作用类似于本身已知的单个热电堆。

热电堆单个传感器的每个单元18具有正和负端子(接合焊盘5)。形成为热电堆的所有单元18彼此互连以形成有效的热电堆单个传感器。优选地，在这种情况下，热电堆单个传感器的所有单元18通过像电池块中单个电池一样将各自的正和负端子连接在一起串联连接。但是，并联电路或串并联电路的组合也是可能的。

图2示出了四重单元结构化，而图3示出了九重单元结构化。

本发明的另一实施例组成是使用前置放大器或阻抗变换器19和/或电子求和元件20或多路复用器/微处理控制器，而不是单元18(图4)的简单串联电路。

具有前置放大器或前置放大器及低通滤波器19和求和单元20或多路复用器的信号电子单元可以封装在与热电堆单个传感器相同的衬底上，或在外壳内或外壳外的单独芯片上。求和还可以在微处理器中进行，其处理单个单元18的预放大的、过滤的和多路复用信号。

由于噪声限值低通滤波器或下游微处理器的功能是完全可以理解的，图4中省略了单独的图示。

求和元件20优选组成是用于所有单元18的信号多路复用器和具有微处理器的下游A/D转换器，其以低噪方式添加了所有单元18的信号。至少部分的信号处理的结构方便地封装在外壳中，因为这样可以更好地抑制外界的电或电磁干扰影响。

集成前置放大器19或每个单元18的阻抗变换器的另一优势如下：

如果单元18的更多或更薄的热电偶串联连接，从而信号增加，但是阻抗(热电偶、电阻器)也如此。如果许多(例如，4、9、16或更多)单元18串联连接，并在没有前置放大器或阻抗转换器的情况下将信号引导到外部，因此导致整个热电堆单个传感器的非常高的阻抗(内部电阻)。随着阻抗增加，外部干扰源的噪声干扰或由下游电子器件的输入电路的电流噪声指示的附加噪声源的风险增加，尤其是在阻抗较低的情况下可忽略不计。两个效应可以降低测量精度。

特别对于NDIR气体检测(NDIR：非分散红外技术)，有利的是将由一个热电堆单个传感器组成的两个或多个传感器通道的每一个集成到一个外壳中，即根据本发明的两个或四个热电堆红外单个传感器在一个外壳中彼此相邻布置。

从而可以同时测量多种气体。一个传感器通道可选择地装备有参考滤波器，其显著地改善了长期的稳定性和漂移电阻。随后另一通道或多个通道测量一个或多个特定气体。

例如多通道热电堆传感器，图5示出了双热电堆传感器，其特别适合于NDIR气体检测。

根据本发明，多个单元18再次组合以形成一个热电堆单个传感器(每个通道)，而两个这样的热电堆单个传感器21、22彼此相邻地排列在公共底板27上的公共盖子26下，其中为每个通道提供独立的光学过滤器23、24。此外，建议在相邻的通道之间设置光学隔墙25，这样阻止了相邻通道之间红外辐射的光学串扰。为了这一目的，隔墙25必须吸收红外辐射而不能传输它或反射它。

在这种情况下，底板27上的公共接地引脚(负端子)可以与每个单元18相关联，而正端子的每个通过单独的端子引出。可选择地，多个通道可以通过前置放大器和低通滤波器引导到多路复用器中，并通过一条输出线连续地读出。

如图5所示，所有组合的热电堆单个单元还可以位于相同的芯片上，这简化了信号处理，或可以封装在单独的单个芯片上。根据大小，2到4个，还可以是10个或更多单个通道位于一个外壳中。隔壁18可以安装在底板27或盖子26上。

除了信号处理通道和电子求和单元以外，其他电子信号处理单元(例如，具有温度或电压参考值，或用于计算物体温度或气体浓度的计算电路)可以封装在传感器外壳内的相同半导体载体主体1上。

附图标记列表

1 载体主体

2 底板

3 基板

4 端子

5 线桥

6 端子焊盘

7 盖子

8 孔径开口

9 光学单元

10 气体介质

11 空腔

12 膜

13 梁

13’ 热电偶

14 热触点

15 冷触点

16 吸收体层

17 槽

18 单元

19 前置放大器或前置放大器和低通滤波器

20 求和元件

21 热电堆单个传感器

22 热电堆单个传感器

23 光学过滤器

24 光学过滤器

25 隔壁

26 盖子

27 底板

Claims (15)

1.一种外壳中的热电堆红外单个传感器，所述外壳填充有气体介质并具有光学单元以及一个或多个传感器芯片，所述传感器芯片具有单个的传感器单元，所述传感器单元具有具备网状膜的红外传感器结构，其红外敏感区域各自由至少一个载体主体中的空腔上的梁所跨越，具有良好的热传导性，其特征在于，在每种情况下，分别具有一个红外敏感区域的多个单个的相邻传感器单元(18)与膜(12)上的热电堆结构(14、15)在单个芯片的公共载体主体(1)上组合起来，以形成单个热电堆传感器结构，所述单个热电堆传感器结构具有在外壳中的信号输出，由用基板(3)密封的盖子(12)组成，并具有公共气体介质(10)。

2.根据权利要求1所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，将每个传感器芯片的单个传感器单元(18)的所述信号组合起来，以通过串联电路、并联电路或串并联电路的组合形成一个输出信号，并通过端子(4)引出。

3.根据权利要求1所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，具有红外敏感区域的每个膜(12)下的空腔(11)具有垂直或近乎垂直的壁，其从晶圆后面驱动。

4.根据权利要求1所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，具有红外敏感区域的每个膜(12)下的空腔(11)具有倾斜壁，其从正面通过膜中的槽刻蚀出。

5.根据权利要求1所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，在正常大气压下，所述公共气体介质(10)是具有摩尔质量显著大于空气摩尔质量的气体，例如，氙气、氪气、氩气。

6.根据权利要求5所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，所述公共气体介质(10)是具有明显低于正常大气压的压力的气体或气体混合物。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，传感器芯片的单个传感器单元(18)的每一个的信号通过具有单个前置放大器、阻抗变换器、或模拟数字变换器的单个预处理通道(19)引导。

8.根据权利要求7所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，单个传感器单元的一些或所有单个预处理通道(19)具有至少一种积分功能或低通功能。

9.根据权利要求7或8所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，传感器芯片的单个传感器单元的预处理信号组合到电子求和电路(20)中，例如多路复用器和/或微控制器，以形成输出信号。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，单个单元(18)的信号处理通道(19)和求和单元(20)封装在相同的半导体载体主体(1)上或在具有公共气体介质(10)的传感器外壳内的相邻半导体芯片上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，除了信号预处理通道(19)和求和单元(20)，其他电子信号处理单元，例如温度或电压参考值或用于计算温度或气体浓度，封装在相同的半导体载体主体(1)上或在具有公共气体介质的传感器外壳内的相邻半导体芯片上。

12.根据权利要求1所述的热电堆红外单个传感器，其特征在于，所述热电堆结构(14、15)由应用于CMOS工艺中的n导电和p导电多晶硅、非晶硅、锗、或硅锗的混合形式、或由铋或锑构成的热电薄金属层组成。

13.根据权利要求1至12中任一项所述至少两个热电堆红外单个传感器的用途，所述每个传感器形成传感器通道，所述传感器通道在公共底板(27)上的公共盖子(26)下彼此相邻，作为气体检测器，其中，为每个通道提供不同波长的单独光学滤波器(23、24)，并且其中在每种情况下隔壁(25)布置在相邻传感器通道之间。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述传感器通道的其中一个装备有参考滤波器。

15.根据权利要求13和14所述的热电堆红外单个传感器形成传感器通道用于NDIR气体检测的用途。