CN109313129A - 微电子传感器装置和用于制造微电子传感器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实现一种微电子传感器装置和一种相应的用于制造微电子传感器装置的方法。微电子传感器装置包括红外源(10)和压力敏感的微膜片(20)，其中，在所述压力敏感的微膜片(20)的上侧(O1)上布置具有特定气体(G1)的气体室(30)。此外，在所述红外源(10)和所述气体室(30)之间构造吸收区域(A1)，在该吸收区域的内部能够感测所述特定气体(G1)，其中，调节所述压力敏感的微膜片(20)，以便测量在所述气体室(30)中的通过所述红外源(10)加热的所述特定气体(G1)的压力上升；并且，这样构造所述压力敏感的微膜片(20)，使得在所述吸收区域(A1)中出现所述特定气体(G1)的情况下能够测量在所述压力敏感的微膜片(20)上的压力降。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电子传感器装置和一种用于制造微电子传感器装置的方法。
背景技术
尤其在封闭空间中的空气质量的监控越来越重要。这种监控的目的是选择性地感测或测量环境空气的组分、例如CO2。尤其在班级和开放式办公室中，由于大数量的人存在于相对较小的空间中，环境空气的质量可以快速地变坏。如果在环境空气中出现过高的CO2分量，那么这可以损害传导性
因此，产生对微电子传感器装置的需求，所述微电子传感器装置尤其可以选择性地探测或测量例如来自环境空气中的气体。
用于气体传感器的示例是光声气体传感器。该光声气体传感器包括气体室，该气体室包括气体进入开口。通过单色的红外光照射该气体室，该红外光以声频调制。单色的红外光的波长如此选择，使得所述波长处于要验证的气体的吸收峰值中。在气体室中存在要验证的气体时，该气体吸收红外光的一部分并且由此加热。通过红外光以声频的调制实现在这种调制中的加热，由此在气体室中在相应声频的情况下产生声压。在气体室的边缘存在麦克风。麦克风包括穿孔的膜片并且测量压差。因为在麦克风的前侧上存在气体室容积的大部分并且在麦克风的后侧上仅存在膜片和相应室壁之间的小容积，那么可以感测来自气体室容积的声压。
EP 0120231A3公开了一种用于气体验证的装置，该装置具有由金属氧化物组成的传感器。气体验证通过以下装置实施，该装置的气体传感器包含至少一种金属氧化物并且在通过气体作用的情况下改变所述金属氧化物的光学特性。
发明内容
本发明建立一种根据权利要求1所述的微电子传感器装置和一种根据权利要求10所述的、相应的用于制造微电子传感器装置的方法。
优选的扩展方案是各个从属权利要求的主题。
本发明所基于的想法尤其在于，借助于半导体技术或MEMS技术这样扩展光声的或光气压的(photobarometrische)传感器装置，使得尤其可以简单地实施缩小尺度并且可以提供微电子传感器装置。例如这里所述的微电子传感器装置基于硅技术。
此外，可以通过这里所述的微电子传感器装置特别准确地测量来自环境空气的待探测或待测量的气体组分、例如CO2。
根据本发明的一方面，微电子传感器装置包括红外源。红外源尤其理解为红外光源。红外源例如发射在红外光谱范围中的单色光。这样能够如此选择红外源的波长，使得红外源的波长处于特定气体的吸收峰值中。替代地，微电子传感器装置可以具有宽频的红外源，从而可以同时测量多个特定气体。
微电子传感器装置包括压力敏感的微膜片，其中，在压力敏感的膜片的上侧上布置具有特定气体的气体室。气体室也可以理解为罩。气体室尤其可以气密地布置在压力敏感的微膜片上。压力敏感的微膜片尤其包括边缘区域，在该压力敏感的微膜片上可以布置有气体室或罩。换言之，压力敏感的微膜片可以作为室壁起作用并且气密地封闭气体室。气体室尤其可以是硅罩，该硅罩具有带有特定气体的凹槽或空穴。硅对于红外光是可穿透的，使得可以简单地实施特定气体的气密包围。特定气体例如可以是水(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、氧气(O2)、一氧化二氮(N2O)、氨气(CH4)、一氧化碳(CO)或二氧化氮(NO2)。
在这里如此选择或调节红外源的波长，使得特定气体的吸收峰值处于红外源的波长范围中。
在微电子传感器装置的红外源和气体室之间构造有吸收区域，在该吸收区域内部可以感测特定气体，其中，调节压力敏感的微膜片，以便测量在气体室中的通过红外源加热的特定气体的压力上升，并且压力敏感的微膜片这样构造，使得在吸收区域中出现特定气体的情况下可以测量在压力敏感的微膜片上的压力降。换言之，这样选择红外源的波长，使得红外源的例如单色光的波长处于吸收区域和气体室中的特定气体的吸收峰值中。
在气体室中的特定气体吸收红外源的光并且加热或在气体室中膨胀，其中，可以测量在压力敏感的微膜片上的压力上升。如果现在特定气体作为环境空气的组分出现在吸收区域中，那么环境空气或气体混合物的特定气体已经吸收红外源的光的一部分，由此减小在气体室中的特定气体的吸收，并且可以测量在压力敏感的微膜片上的压力降。
此外可能的是，在真空中或借助于在相关频率范围中的惰性气体或稀有气体校准微电子传感器装置，使得除了在吸收区域或样本空间中的待测量的特定气体的浓度变化之外也可以确定特定气体量的绝对值。
根据优选的扩展方案，在压力敏感的微膜片的与气体室相对置的一侧上，惰性气体室与压力敏感的微膜片连接。由此整体结构变得在机械上更稳定或者说更稳固。此外，由此测量尤其是与环境压力无关的。此外，只要选择对于两种气体(即特定气体和惰性气体)而言基本上适用理想气体方程的运行范围，那么所述测量变得近似与环境和运行温度无关。
根据另外的优选扩展方案，惰性气体室具有稀有气体。惰性气体室例如可以具有氩气。这样微电子传感器装置能够特别精确地运行，因为稀有气体在红外范围中不吸收。
根据另外的优选扩展方案，传感器装置包括多个另外的压力敏感的微膜片，其中，所述多个另外的压力敏感的微膜片分别具有气体室并且气体室至少部分地具有不同的特定气体。在这里，所述压力敏感的微膜片中的每个压力敏感的微膜片可以在它的后侧具有惰性气体室。换言之，微电子传感器装置可以包括在相同的芯片或半导体衬底上的多个压力敏感的微膜片的集成阵列，其中，所述压力敏感的微膜片中的每个压力敏感的微膜片可以分别具有一个单独的气体室，在该气体室中可以包围不同的特定气体。由此可以在使用宽频的红外源的情况下尤其同时测量多个特定气体。这意味着，在以宽频的红外光(对于所有特定气体而言分别至少一个吸收峰值处于该红外光的频宽中)运行时，可以提供具有用于不同特定气体的集成阵列的微电子传感器装置，其中，尤其需要仅一个红外源。为了引入不同的特定气体，要么打开一个气体室或罩，然后抽真空，以特定气体充注并且通过激光再密封过程重新封闭。替代地，开始时打开多个罩或气体室并且随后将所有仍打开的罩或气体室抽真空并且以待验证的特定气体充注，接着相应地封闭气体室。
根据另外的优选扩展方案，压力敏感的微膜片可以直接结构化到半导体衬底上。这样能够提供特别小的微电子传感器装置。尤其能够简单地实现或实施缩小尺度。例如使包括作为压力传感器的压力敏感的硅微膜片的MEMS结构化。为了读取相应的膜片运动，例如在压力敏感的硅微膜片上在其露出之前结构化出压阻式元件。替代地，电容式读取方法是可能的。
根据另外的优选扩展方案，气体室借助于晶片键合在上侧上与压力敏感的微膜片连接。气体室和/或惰性气体室(也称为腔)通过晶片键合方法键合到压力敏感的微膜片上。这在气体室的情况下在待验证的特定气体的气氛中发生，在惰性气体室的情况下在相对于红外线呈光学惰性的气体的气氛中发生。这样能够简单地使特定气体气密地包围在气体室中或者说使惰性气体气密地包围在惰性气体室中。
根据另外的优选扩展方案，压力敏感的微膜片朝着红外源的方向具有红外线反射金属层。红外线反射金属层例如可以通过物理沉积、例如喷镀或溅镀沉积到压力敏感的微膜片上。这样红外源的电磁辐射多次地、尤其两次地穿过特定气体并且提高吸收。此外，在惰性气体室中也可以使用特定气体。由此这里所述的压力与在气体室和惰性气体室中的特定气体的温度相关性在所有温度范围中可以是绝对一致的。
根据另外的优选扩展方案，气体室可以通过激光再密封过程封闭。激光再密封过程尤其在DE 10 2014 202 801A1说明。如果在特定气体或惰性气体的气氛中的晶片键合证明为在技术上是不利的，那么特定气体或惰性气体可以通过替代的措施包围到气体室或惰性气体室中。例如借助于光刻和沟槽蚀刻将小的开口结构化到气体室中。这可以在晶片键合之前或之后进行。在晶片键合和在罩中产生开口之后首先产生真空，然后使特定气体或惰性气体进入，其中，在气体室或惰性气体室中的开口可以借助于激光再密封过程简单地封闭。
根据另外的优选扩展方案，压力敏感的微膜片包括温度传感器。温度传感器例如包括温度二极管。在这里，温度传感器与特定气体接触，由此可以测量特定气体的温度。
本发明也带来一种用于制造微电子传感器装置的方法。根据本发明的一方面，所述方法包括提供红外源和压力敏感的微膜片，其中，在压力敏感的微膜片的上侧上布置具有特定气体的气体室。在所述方法的下一个步骤中，在红外源和气体室之间构造吸收区域，并且如此调节红外源的波长或波长范围，使得红外源的波长或波长范围处于在吸收区域和气体室中的特定气体的吸收峰值中。
在这里公开的用于微电子传感器装置的特征也适用于制造微电子传感器装置的所述方法，反之亦然。
附图说明
下面根据实施例参照附图阐释本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1根据本发明的实施方式的微电子传感器装置和相应的制造方法的示意性示图；和
图2用于阐释用于制造微电子传感器装置的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方式的微电子传感器装置和相应的制造方法的示意性示图。
在图1中附图标记100表明微电子传感器装置、尤其是MEMS传感器。微电子传感器装置100包括红外源10和压力敏感的微膜片20，其中，在压力敏感的微膜片20的上侧O1上布置具有特定气体G1的气体室30。在压力敏感的微膜片20的与上侧O1相对置的一侧U1上，惰性气体室40与压力敏感的微膜片20连接。在惰性气体室40中例如可以气密地包围稀有气体50、例如氩气。压力敏感的微膜片尤其包括边缘区域R1，在该压力敏感的微膜片上布置有气体室30或罩。此外，在微电子传感器装置100的红外源10和气体室30之间构造有吸收区域A1，在该吸收区域内部可以感测特定气体G1，其中，调节压力敏感的微膜片20，以便测量在气体室30中的通过红外源10加热的特定气体G1的压力上升，并且压力敏感的微膜片20这样构造，使得在吸收区域A1中出现特定气体G1的情况下可以测量在压力敏感的微膜片20上的压力降。气体室30的特定气体G1和惰性气体室40的惰性气体、这里是氩气50与压力敏感的微膜片20至少区域式地直接接触。压力敏感的微膜片20可以直接在半导体衬底20‘上结构化。
图2示出用于阐释用于制造微电子传感器装置的方法的流程图。
在用于制造微电子传感器装置100的所述方法的步骤A中提供红外源10。
在用于制造微电子传感器装置100的所述方法的步骤B中提供压力敏感的微膜片20，其中，在压力敏感的微膜片20的上侧O1上布置具有特定气体G1的气体室30。
在用于制造微电子传感器装置100的所述方法的步骤C中，在红外源10和气体室30之间构造吸收区域A1。
在用于制造微电子传感器装置100的所述方法的步骤D中，这样调节红外源10的波长，使得红外源10的波长处于在吸收区域A1和气体室30中的特定气体G1的吸收峰值中。
尽管参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此。所提到的材料和拓扑结构仅是示例性的并且不局限于所阐释的示例。
Claims (12)
1.微电子传感器装置(100)，具有：
红外源(10)；和
压力敏感的微膜片(20)，其中，在所述压力敏感的微膜片(20)的上侧(O1)上布置具有特定气体(G1)的气体室(30)；其中，
如此选择所述红外源(10)的波长，使得所述特定气体(G1)的吸收峰值处于所述红外源(10)的波长范围中；并且，
在所述红外源(10)和所述气体室(30)之间构造吸收区域(A1)，在该吸收区域的内部能够感测所述特定气体(G1)；其中，
调节所述压力敏感的微膜片(20)，以便测量在所述气体室(30)中的通过所述红外源(10)加热的所述特定气体(G1)的压力上升；并且，
这样构造所述压力敏感的微膜片(20)，使得在所述吸收区域(A1)中出现所述特定气体(G1)的情况下能够测量在所述压力敏感的微膜片(20)上的压力降。
2.根据权利要求1所述的微电子传感器装置(100)，其中，在所述压力敏感的微膜片(20)的与所述气体室(30)相对置的一侧(U1)上，惰性气体室(40)与所述压力敏感的微膜片(20)连接。
3.根据权利要求2所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述惰性气体室(40)具有稀有气体(50)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述微电子传感器装置(100)包括多个另外的压力敏感的微膜片(20)，其中，所述多个另外的压力敏感的微膜片(20)分别具有所述气体室(30)并且所述气体室(30)至少部分地具有不同的特定气体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述压力敏感的微膜片(20)能够直接结构化到半导体衬底(20‘)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述气体室(30)借助于晶片键合在所述上侧(O1)上与所述压力敏感的微膜片(20)连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述压力敏感的微膜片(20)朝着所述红外源(10)的方向具有红外线反射金属层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述气体室(30)能够通过激光再密封过程封闭。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微电子传感器装置(100)，其中，所述压力敏感的微膜片(20)包括温度传感器(T1)。
10.用于制造微电子传感器装置(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
A)提供红外源(10)；
B)提供压力敏感的微膜片(20)，其中，在所述压力敏感的微膜片(20)的上侧(O1)上布置具有特定气体(G1)的气体室(30)；
C)在所述红外源(10)和所述气体室(30)之间构造吸收区域(A1)；并且
D)这样调节所述红外源(10)的波长，使得所述红外源(10)的波长处于在所述吸收区域(A1)中的和所述气体室(30)中的所述特定气体(G1)的吸收峰值中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述压力敏感的微膜片(20)直接结构化到半导体衬底(20‘)上。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述气体室(30)到所述压力敏感的微膜片(20)上的布置通过晶片键合进行。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190205 |