CN111989560B - 使用波导的倏逝波的粒子密度传感器 - Google Patents

Abstract

粒子传感器装置包括：衬底(1)、光电检测器(3)、在衬底(1)上或衬底上方的电介质(4)、电磁辐射源(5)和在衬底(1)中的衬底通孔(6)。衬底通孔暴露于环境，特别是环境空气。在电介质中或电介质上方设置有波导(7)，使得由电磁辐射源发射的电磁辐射耦合到波导的一部分(7.1)。波导的另外的部分(7.2)与光电检测器相对，使得波导的所述部分位于衬底通孔的不同侧，并且波导横穿衬底通孔。

Description

使用波导的倏逝波的粒子密度传感器

本公开涉及小型空气粒子的检测。

需要一种紧凑并且容易获得的粒子传感器装置，以能够快速且容易地检查环境中的空气粒子，尤其是直径为2.5μm或更小的粒子。这种粒子干扰光的传播，并且能够通过它们对电磁辐射的散射效应来检测，该电磁辐射由在光学传感器装置中设置的光源发射。

本发明的目的是提供一种提高灵敏度的紧凑型粒子传感器装置。

粒子传感器装置包括：衬底、光电检测器、在衬底上或衬底上方的电介质、电磁辐射源和衬底中的衬底通孔。衬底通孔暴露于环境，特别是环境空气。在电介质中或电介质上方设置有波导。由电磁辐射源发射的电磁辐射在衬底通孔的一侧耦合到波导的一部分。波导的另外的部分设置在衬底通孔的另一侧与光电检测器相对的位置，使得所述部分位于衬底通孔的不同侧。波导横穿两侧之间的衬底通孔。

在粒子传感器装置的实施例中，波导包括相对于彼此平行并且横向设置的多个单独的波导，单独的波导中的每个横穿衬底通孔。

在另外的实施例中，波导包括在衬底上方平行并且在不同的水平设置的多个单独的波导，单独的波导中的每个横穿衬底通孔。

在另外的实施例中，电磁辐射源集成在衬底中或电介质中。电磁辐射源尤其可以是垂直腔面发射激光器。

在另外的实施例中，光电检测器集成在衬底中。

在另外的实施例中，集成电路在衬底中形成，尤其是如果衬底包括半导体材料，并且集成电路配置用于光电检测器的工作，尤其用于光电检测器对电磁辐射的检测的评估。

在另外的实施例中，光栅设置在电磁辐射源的波导中，并且另外的光栅设置在与光电检测器相对的位置的波导中。

另外的实施例包括：衬底中的另外的衬底通孔、连接衬底通孔和另外的衬底通孔的通道、以及形成波导的多个单独的波导。单独的波导横穿衬底通孔、另外的衬底通孔，或者同时横穿衬底通孔和另外的通孔。

在另外的实施例中，衬底通孔和另外的衬底通孔具有沿着单独的波导的方向的不同的尺寸。

另外的实施例包括另外的衬底和另外的衬底中的管道。衬底设置在另外的衬底上，并且管道延长了衬底的衬底通孔。

另外的实施例包括具有至少两个独立的开口的壳体。衬底和另外的衬底设置在壳体中，使得开口经由衬底通孔和管道彼此连通。

在另外的实施例中，衬底通孔和通道是设置在壳体内部的开口之间的唯一的连接。

另外的实施例包括另外的衬底中的风扇或泵，风扇或泵配置为产生穿过衬底通孔和管道的气流。气流尤其能够通过衬底通孔的几何形状以及通过风扇或泵的工作来调节。

以下是结合附图的粒子传感器装置的示例的详细描述。

图1是粒子传感器装置的横截面。

图2是壳体中的粒子传感器装置的布置的横截面。

图3是衬底通孔和波导的布置的示意性俯视图。

图4是包括根据图3的布置的装置的横截面。

图5是多个衬底通孔和波导的布置的示意性俯视图。

粒子传感器装置配置为通过与粒子的相互作用引起的光强度的降低来检测粒子。相互作用发生在吸附的粒子与在波导中传导的电磁辐射的倏逝场之间。波导设置在衬底的一个或几个衬底通孔(TSV)上。

将粒子传感器装置的选择性调节到要检测的粒子的大小的一种方法是调整波导的密度和宽度。为了这个目的，多个适当大小的波导可以以网格状的方式设置在衬底通孔的阵列上，该阵列可以包括相同的大小或不同的尺寸。根据个别应用的要求，携带粒子的气体能够以预定的顺序引入部分或全部衬底通孔中。

图1是粒子传感器装置的横截面。衬底1设置有开放的衬底通孔6，该衬底可以包括玻璃或半导体材料，例如尤其是硅，该开放的衬底通孔能够暴露于环境，特别是环境空气。如果衬底1包括半导体材料，则其可以设置有集成电路2，特别是能够以标准CMOS工艺制造的电路，并且集成电路2尤其能够配置为评估由粒子传感器装置执行的测量值。

设置了光电检测器3。例如，光电检测器3尤其可以是光电二极管。光电检测器3可以在衬底1中形成，特别形成为集成部件，或者该光电检测器可以是独立的部件，其可以在另外的衬底中或衬底上形成。

电介质4设置在衬底1上或衬底上方，该电介质尤其可以是半导体材料的氧化物。集成电路2和光电检测器3的电连接可以由嵌入在电介质4中的布线提供。

电磁辐射源5设置在电介质4中或电介质附近，该电磁辐射源例如可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)或发光二极管(LED)。电磁辐射源5可以是独立的部件，其可以在另外的衬底中或衬底上形成，或者该电磁辐射源可以在衬底1中或在电介质4中单片集成。电磁辐射源5提供用于电磁辐射的发射，该电磁辐射例如尤其可以是可见光。

波导7设置在电介质4中或电介质上方，使得来自电磁辐射源5的电磁辐射耦合到波导7的一部分中。该耦合可以通过例如对接耦合、或通过设置在波导7中的衍射光栅8来实现。波导7的另外的部分设置在与光电检测器3相对的位置。该部分和另外的部分位于衬底通孔6的不同侧，并且波导7横穿衬底通孔6。

波导7可以包含平行设置的多个单独的波导，例如如图1所示。单独的波导可以在衬底1上方和/或相对于彼此横向设置在不同水平上。

在横穿衬底通孔6之后，电磁辐射从波导7引向到光电检测器3。为了这个目的，在波导7中可以设置另外的光栅9，但是其他装置也可以应用于将电磁辐射衍射或散射出波导7。

在通过粒子传感器装置的每次测量中，来自光源5的电磁辐射由波导7引导穿过衬底通孔6，然后由光电检测器3检测。因此，由于在粒子与波导7周围的倏逝场之间的相互作用而引起的光强度的变化被检测和监测。当将携带粒子的气体引导通过衬底通孔6时，一个或更多个粒子将吸附在波导7上，从而改变通过的电磁辐射的强度。在光强度的变化与吸附的粒子之间、以及在气体中吸附的粒子的数目与粒子的密度之间存在相互关系。

图2是在壳体中的粒子传感器装置的布置的横截面。图1和图2所示的对应元件用相同的附图标记表示。根据图2的布置包括另外的衬底10，该衬底例如尤其可以是硅衬底或晶圆。衬底1安装在另外的衬底10上。在另外的衬底10中的管道11延长了衬底1的衬底通孔6。

衬底1和另外的衬底10设置在载体13上和壳体14中，该壳体形成粒子传感器装置的封装。在壳体14中形成至少两个开口15，该开口以这种方式包括隔室，使得开口15仅经由衬底通孔6和管道11彼此连通。因此，进入位于图2左侧的第一开口15的气体穿过衬底通孔6和管道11，并且通过位于图2右侧的第二开口15离开壳体14的内部空间。

可选的风扇或泵12可以集成在另外的衬底10中来产生并且保持通过管道11的气流，该风扇或泵在图2中示意性示出。风扇或泵12可以替代地由独立的部件提供。气流的适当方向在图2中用箭头示出。气体可以替代地沿相反的方向流动。在任何情况下，气体被迫在衬底通孔6内部穿过波导7。

图3是衬底通孔和波导的布置的示意性俯视图。衬底通孔6、16表示为圆柱形，但是它们可以具有任何其他适当的形状。在图3所示的示例中，提供了另外的衬底通孔16，其直径小于衬底通孔6的直径。波导7包括相对于彼此平行并且横向的单独的波导。

图4是包括根据图3的衬底通孔6、16和波导7的布置的装置的横截面。图2、3和4中所示的对应元件用相同的附图标记表示。另外的衬底10中的通道17在衬底通孔6与另外的衬底通孔16之间形成连接。当气体已经进入衬底通孔6时，通道17允许气体根据图4中插入的箭头流向另外的衬底通孔16，并且离开衬底1。气体可以替代地沿相反的方向流动。

由于通孔的尺寸不同，另外的衬底通孔16中的气体的速度大于衬底通孔6中的气体的速度。

气体的速度决定了由波导7捕获的较大与较小的粒子的数量之间的关系。小粒子主要由较大的衬底通孔6内的波导7捕获，而较大的粒子主要在较小的另外的衬底通孔16内捕获。这个概念能够扩展到包括多个相同或不同尺寸的衬底通孔的粒子传感器装置中。

单独的波导布置的密度以及它们之间的间隙的尺寸也对气体的速度有影响。单独的波导通常可以具有大约1μm的宽度以及它们之间的例如2.5μm至10μm的间隔。

图5示出了几个衬底通孔6、16和单独的波导7的布置的示例的俯视图。每个单独的波导7设置有用于提高的信噪比的光电检测器3。如图5所示的示例，当波导7穿过两个或更多个衬底通孔6、16时，所需的光强度降低。

吸附的概率是粒子大小、气流的速度和波导7的间距和宽度的函数。气流尤其能够通过衬底通孔6的几何形状以及通过风扇或泵12的工作来调节。气体的较小的速度有助于检测较小的粒子，而较大的粒子主要以较大的速度检测。

所描述的粒子传感器装置的优点是增强的可集成性和所需的光强度的降低。由于小的空气粒子易于吸附在波导上，仅需要相对较少数量的孔来吸附足够数量的粒子，从而实现高灵敏度。因此，该装置能够在标准尺寸的芯片上实现。

波导的使用增强了与电磁辐射的波长有关的小的粒子的散射效果。波导的限制降低了非期望的散射的概率，否则该散射可能增加噪声水平，并且增加粒子的存在对由光电检测器接收的辐射的影响。

附图标记说明

1 衬底

2 集成电路

3 光电检测器

4 电介质

5 电磁辐射源

6 衬底通孔

7 波导

7.1 波导的一部分

7.2 波导的另外的部分

8 光栅

9 另外的光栅

10 另外的衬底

11 管道

12 风扇或泵

13 载体

14 壳体

15 开口

16 另外的衬底通孔

17 通道。

Claims (15)

1.一种粒子传感器装置，包括：

衬底(1)，

光电检测器(3)，

所述衬底(1)上或衬底上方的电介质(4)，

电磁辐射源(5)，以及

所述衬底(1)中的衬底通孔(6)，

其特征在于，

所述衬底通孔(6)暴露于环境，

在所述电介质(4)中或电介质上方设置有波导(7)，来自所述电磁辐射源(5)的电磁辐射耦合到所述波导(7)的一部分(7.1)，

所述波导(7)的另外的部分(7.2)设置在所述光电检测器(3)处，并且

所述波导(7)在所述部分(7.1)与所述另外的部分(7.2)之间的位置处横穿衬底通孔(6)，

所述波导(7)被配置成使得一个或更多个粒子能够在所述衬底通孔(6)内被吸附在波导(7)上。

2.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，其中，所述波导(7)包括相对于彼此平行并且横向设置的多个单独的波导，所述单独的波导中的每个横穿衬底通孔(6)。

3.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，其中，所述波导(7)包括在衬底(1)上方平行并且在不同的水平设置的多个单独的波导，所述单独的波导中的每个横穿衬底通孔(6)。

4.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，其中，所述电磁辐射源(5)集成在衬底(1)中或集成在电介质(4)中。

5.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，其中，所述电磁辐射源(5)是垂直腔面发射激光器。

6.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，其中，所述光电检测器(3)集成在衬底(1)中。

7.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，还包括：

在所述衬底(1)中形成的集成电路(2)，所述集成电路(2)配置用于光电检测器(3)的工作。

8.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，还包括：

在所述波导(7)的一部分(7.1)中的光栅(8)，在所述光栅中，所述电磁辐射耦合到波导(7)中，以及

在与所述光电检测器(3)相对的波导(7)的另外的部分(7.2)中的另外的光栅(9)。

9.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，还包括：

在所述衬底(1)中的另外的衬底通孔(16)，

连接所述衬底通孔(6)和所述另外的衬底通孔(16)的通道(17)，以及

形成所述波导(7)的多个单独的波导，所述单独的波导横穿衬底通孔(6)、另外的衬底通孔(16)，或者同时横穿衬底通孔(6)和另外的衬底通孔(16)。

10.根据权利要求9所述的粒子传感器装置，其中，所述衬底通孔(6)和所述另外的衬底通孔(16)具有沿着所述单独的波导的方向的不同的尺寸。

11.根据权利要求1所述的粒子传感器装置，还包括：

另外的衬底(10)，衬底(1)设置在所述另外的衬底(10)上，以及

在所述另外的衬底(10)中的管道(11)，所述管道(11)延长衬底通孔(6)。

12.根据权利要求11所述的粒子传感器装置，还包括：

具有至少两个独立的开口(15)的壳体(14)，衬底(1)和另外的衬底(10)设置在所述壳体(14)中，所述开口(15)经由衬底通孔(6)和管道(11)彼此连通。

13.根据权利要求12所述的粒子传感器装置，其中，所述衬底通孔(6)和所述管道(11)是所述壳体(14)内的开口(15)之间的唯一连接。

14.根据权利要求11所述的粒子传感器装置，还包括：

在所述另外的衬底(10)中的风扇或泵(12)，所述风扇或泵(12)配置为产生通过衬底通孔(6)和管道(11)的气流。

15.根据权利要求14所述的粒子传感器装置，其中，所述气流通过衬底通孔(6)的几何形状以及通过风扇或泵(12)的工作来调节。