CN112986149A - 光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法 - Google Patents

Abstract

在此公开光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法。光声探测器单元包括具有开口的壳体和光声换能器，该光声换能器被设计用于将光辐射转换为以下至少一项：压力信号或热信号。光声换能器覆盖壳体的开口，使得光声换能器和壳体形成声学密封腔。压力传感器布置在声学密封腔中。

Description

光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法

技术领域

本公开涉及光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法。

背景技术

光声传感器可以例如检测环境空气中的某些气体种类。尤其是可以指出环境空气中的有害或危险的成分。因此，在许多应用中，尤其是在这种传感器要保证工人安全的情况下，传感器的功能正确性至关重要。光声传感器可以由多个组件构成，并且通常由一个发射器单元和一个探测器单元组成。光声传感器及其组件的制造商正在不断努力改善其产品。特别地，期望提供设计用于有效地检测环境空气中的不同气体种类的光声探测器单元。此外，可能期望提供用于生产这种光声探测器单元的廉价方法。

发明内容

第一方面涉及一种光声探测器单元。光声探测器单元包括具有开口的壳体。光声探测器单元还包括光声换能器，该光声换能器设计用于将光辐射转换成以下至少一项：压力信号或热信号，其中光声换能器覆盖壳体的开口，使得光声换能器和壳体形成声学密封腔。光声探测器单元还包括布置在声学密封腔中的压力传感器。

第二方面涉及一种光声传感器。该光声传感器包括光发射器和根据第一方面的光声探测器单元。

第三方面涉及一种方法。该方法包括在参考气体气氛中将由第一材料制成的第一晶片与由第二材料制成的第二晶片键合，其中形成多个气密封闭腔，这些气密封闭腔包封参考气体气氛中的参考气体。该方法还包括将键合的晶片分割成用于光声探测器单元的多个光声换能器，其中，每个光声换能器包括多个气密密封腔中的一个气密密封腔。

附图说明

下面参照附图更详细地解释根据本发明的光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法。附图中所示的元件不必相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记可以指定相同的组件。

图1示出了根据本公开的光声传感器100的示意图。

图2示出了根据本公开的光声传感器200的示意图。

图3示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元300的截面侧视图。

图4示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元400的截面侧视图。

图5示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元500的截面侧视图。

图6示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元600的截面侧视图。

图7示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元700的截面侧视图。

图8示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元800的截面侧视图。

图9示意性地示出了根据本公开的光声探测器单元900的截面侧视图。

图10示意性地示出了根据本公开的光声传感器1000的截面侧视图。

图11示出了根据本公开的方法的流程图。

图12包含图12A至图12E，图12A至图12E示意性地表示用于制造根据本公开的用于光声探测器单元的光声换能器1200的方法的截面侧视图。

具体实施方式

下面描述的附图示出了根据本公开的光声探测器单元、光声传感器和所属的制造方法。可以以一般方式呈现所描述的设备和方法，以便定性地描述本公开的各方面。所描述的装置和方法可以具有为简单起见而无法在相应附图中示出的其他方面。然而，各个示例可以被扩展为包括结合根据本公开的其他示例所描述的方面。因此，对特定附图的实施可以等同地应用于其他附图的示例。

图1的光声传感器或光声气体传感器100可以具有光声发射器单元2和光声探测器单元4。光声探测器单元4可以具有光声换能器6和壳体8。光声换能器6可以是具有气密封闭腔10的隔间，参考气体12可以被包封在隔间中。光声换能器6可以在第一侧上具有透光窗18，并且在与第一侧相对置的第二侧上具有膜片20。光声换能器6可以覆盖壳体8的开口，使得光声换能器6和壳体8可以形成声学密封腔14。压力换能器16可以布置在声学密封腔14中。

在声学密封腔14中，还可以可选地包封保护气体(未示出)。本说明书中指定的保护气体可以是例如氮气或惰性气体，例如氩气、氙气、氪气。此外，根据应用，可以在声学密封腔14中布置一个或多个替代或附加组件，例如压力传感器ASIC、光电探测器、光电二极管、温度传感器、光发射器中的一个或多个。

光声发射器单元2可以是宽带发射器，其可以设计用于在宽泛的频率范围内发射光辐射。换句话说，宽带发射器发射的辐射可以并不仅仅包括预定频率或预定频带。在本说明书中使用的术语“光辐射”通常可以指电磁光谱的一个子范围，其波长在大约100nm和大约100μm之间。即，光辐射可以特别地包括以下至少一项：波长为大约100nm至大约380nm的紫外线(UV)辐射，波长为大约780nm至大约100μm的红外(IR)辐射，或波长为大约780nm到大约5μm、即近红外辐射和部分中红外辐射。最后提到的区域可以包括4.26μm的二氧化碳和其他气体类型的吸收线/带。更具体地，光辐射可以具有大约300nm至大约20μm的波长。

光声发射器单元2可以设计用于发射具有预定重复频率以及一个或多个预定波长的光脉冲。预定波长可以包括待检测的气体或参考气体12的吸收带。光脉冲的重复频率可以在低频范围内或在从大约1Hz到大约10kHz、特别是从大约1Hz到大约1kHz的频率范围内。更具体地，典型的频率范围可以在大约1Hz与大约100Hz之间，对应于大约0.01s至大约1s的脉冲持续范围。

下面描述光声传感器100的操作模式。由发射器单元2发射的光脉冲可以穿过位于发射器单元2与探测器单元4之间的间隙22。例如，间隙22可以充满环境空气。当通过间隙22传播时，如果在间隙22中(即，在周围空气中)存在待检测气体的部分，则光脉冲可以至少部分地被其吸收。吸收可以是特别针对于待检测的气体，例如待检测气体的原子或分子的特征旋转或振荡模式。

光脉冲可以穿过透光窗18的材料并击中在气密封闭腔10中的参考气体12的原子或分子。参考气体12可以对应于待检测的气体。在本说明书中提到的参考气体可以例如是二氧化碳、氧化物、甲烷、氨。光脉冲可以至少部分地被参考气体12吸收并且引起参考气体12中的局部压力增加。压力增加可以传递到膜片20上，并通过它进一步传递到声学密封腔14中。换句话说，光声换能器6可以设计用于将例如光脉冲形式的光辐射转换成压力信号。光声换能器6在声学方面耦合到声学密封腔14。

作为所描述的压力信号的替代或补充，光声换能器6可以将光辐射转换为热信号。在上下文中，光声换能器6也可以称为光热换能器。可以通过吸收光脉冲来加热膜片20，特别是以光脉冲的预定重复频率来加热。由于膜片20的周期性加热和冷却，在下游的声学密封腔14中会产生压力变化，该变化可以被压力传感器16检测到。

通常，根据本公开的此处所述的光声换能器可以相应地将光辐射转换成以下至少一项：压力信号或热信号。所产生的信号类型可以取决于光声换能器的相应设计。特别地，可以经由膜片的(特别是周期性的)偏转或机械弯曲来提供到压力信号的转换，而特别地可以通过(特别地周期性地)对膜片的加热和冷却来提供到热信号的转换。根据相应光声换能器的设计，可以进行到压力信号和/或热信号的转换。产生的压力信号和热信号都可以由在下游的声学密封腔利用压力传感器来检测。另外，压力信号也可以例如通过集成在膜片中的一个或多个压电元件在膜片本身中被检测(在这方面也参见图8)。

在本说明书中，例如用于腔体14的表述“声学密封”不必一定意味着腔体14是气密的或完全封闭的。相反，形成腔体14的壁可以设计用于在光声传感器100的操作期间对环境提供一种压力补偿，使得压力传感器16可以被正确地操作。例如，不能排除腔体14的壁具有一个或多个小开口，这些开口不会或仅可被忽略地影响正常操作所需的压力均衡。术语“声学密封”可以可选地由术语“半密封(semi-hermetisch)”代替。

由膜片20进一步传递的压力信号和/或热信号可以由在声学密封腔14中的压力传感器16检测。在本说明书中指定的压力传感器可以是例如麦克风或任何其他类型的压力传感器或压敏传感器。压力传感器16所检测的信号可以由一个或多个电路(未示出)进行逻辑处理。例如，可以通过ASIC(专用集成电路)来执行这种信号处理。

如果在间隙22或周围空气中没有待检测的气体的任何部分，则由发射器单元2发出的光脉冲仅被参考气体12吸收，并且压力传感器16将检测具有光脉冲重复频率和第一振幅的周期性测量信号。与此相反，如果在间隙22中存在待检测的气体的一些部分，则这些部分可以附加地吸收光辐射。压力传感器16然后将输出具有第二振幅的周期性测量信号，该第二振幅可以小于第一振幅。基于第一和第二振幅的大小和走势，可以确定在环境空气中待检测的气体的存在和/或浓度。如果待检测的气体的浓度超过预定的阈值，则例如可以由光声传感器100或与其连接的装置输出信号，尤其是警告信号。

使用宽带发射器2和光声换能器6(其在其腔体10中包含待检测气体的种类)，图1的光声传感器100可以检测各种气体种类，这些气体种类的吸收带位于黑体辐射器光谱中。

在常规的光声传感器中，压力传感器和参考气体可以被布置在共同的气密封闭腔中。在过程技术上要求将腔体封闭并同时用参考气体填充腔体。与此相反，根据本发明的参考气体12可以布置在光声换能器6的隔间中。由此，在光声传感器100的制造期间，可以将所提到的过程步骤与压力传感器16在腔体14中的安装分开。

在常规的光声传感器中，尤其可以在其中布置有参考气体和压力传感器的公共腔体中提供光声转换。与此相反，在根据本公开的光声传感器100的情况下，可以在单独的气密封闭腔10中提供光声转换，该气密封闭腔连接在声学密封腔14的上游，声学密封腔具有布置在其中的压力传感器16。根据本公开，腔体10或14与参考气体12或压力传感器16可以彼此分离。

在光声传感器100具有所描述的结构时，压力传感器16可以具有极高的灵敏度，由此可以提供光声传感器100的极高的灵敏度。由此在操作光声传感器100时，可以实现能量消耗降低。

从下面描述的图12的方法可以看出，可以在晶片层上基于成本有效的方法步骤制造光声传感器100或光声换能器6。

图2的光声传感器或光声气体传感器200可以具有光声发射器单元2和光声探测器单元4。单元2和4可以通过一个或多个间隔件24彼此间隔开，由此可以形成布置在单元2和4之间的间隙22。可以在光声发射器单元2和光声探测器单元4之间布置滤光器40。光声发射器单元2可以具有带有腔体(气密封闭腔)28的壳体26，其中可以布置发射器30和保护气体32A。光声探测器单元4可以具有壳体34，该壳体34具有腔体(特别是声学密封腔)36。在声学密封腔36中，光声换能器6可以以膜片70、压力传感器16和压力传感器ASIC 38的形式布置。光声传感器200的部件可以类似于图1的光声传感器100的相应部件，因此与图1有关的陈述也可以应用于图2。

下面描述光声传感器200的操作模式。发射器30可以发射光辐射，特别是以光脉冲的形式发射。发射器30可以例如是宽带发射器，其在宽泛的频率范围内发射光辐射。发射器30发射的(宽带)辐射可以首先穿过保护气体32A和壳体26。壳体26可以由对光辐射透明的材料制成，例如由IR透明硅制成。所发射的辐射可以被滤光器40过滤并穿过间隙22。滤光器40尤其可以是或包括带通滤光器。带通滤光器40可以被波长可以包括待检测的气体的吸收带的光辐射穿透。当穿过间隙22或环境空气时，如果在环境空气中包含待检测气体的一些部分，则所过滤的光辐射会击中待检测气体的这些部分。

光辐射可以穿过壳体的上部34并进入腔体36。至少壳体的上部34可以由对光辐射透明的材料制成，例如由IR透明硅制成。在腔体36中，光辐射可以击中膜片70，该膜片尤其可以具有低热质。膜片70可以吸收光辐射，从而在位于膜片70下方的腔体36中产生压力变化。压力变化可以被压力传感器16检测。压力传感器16所检测的信号可以由压力传感器ASIC 38进行逻辑处理。

如已经结合图1描述的那样，压力传感器16所检测的信号可以取决于在间隙22或周围空气中是否存在待检测的气体的一些部分。基于所检测的信号，可以确定环境空气中待检测气体的存在和/或浓度。

可以在不使用参考气体的情况下操作光声传感器200。当使用宽带发射器30和合适的滤光器40时，光声传感器200可以检测黑体辐射器光谱中的任何气体种类。在此无需一定通过选择参考气体来提供气体选择性，而可以通过光声发射器单元2或滤光器40的滤光器特性来提供。

在光声传感器200具有所描述的结构时，压力传感器16可以具有极高的灵敏度，由此可以提供光声传感器200的极高的灵敏度。由此在操作光声传感器200时，可以实现能量消耗降低。

可以在晶片层上基于成本有效的方法步骤来制造光声传感器200。

图3的光声探测器单元300可以例如在图1的光声传感器100中使用并且可以具有类似的组件。关于光声探测器单元300的操作，参考与图1有关的相应陈述。

光声探测器单元300可以具有光声换能器6，该光声换能器可以具有透光窗18和膜片20。透光窗18和膜片20可形成可包封参考气体12的气密封闭腔10。在一示例中，透光窗18可以由IR透明硅制成。膜片20可以由玻璃材料、例如硼硅酸盐制成。膜片20可以设计用于吸收光辐射、例如红外辐射。通过吸收可以使膜片20变热并产生热信号。换句话说，可以通过膜片20将光辐射转换成热信号。由于膜片20的周期性加热和冷却，可以在布置在膜片20下方的声学密封腔14中产生压力变化。压力变化可以被压力传感器16检测。

透光窗18和薄膜片20可以通过阳极键合连接42彼此固定。从下面描述的图12的方法可以看出，透光窗18和膜片20的阳极键合可以在晶片层上进行。可以在窗18的上侧上布置抗反射涂层44，该抗反射涂层可以设计用于抑制由光声发射器单元(未示出)提供的光辐射的反射。可以通过抗反射涂层44来增加透光窗18的透射率。

光声探测器单元300还可以具有壳体8，该壳体可以是设计为碗形或盆形。在一个示例中，壳体8可以由模塑化合物制成。模塑化合物可以包括以下至少一项：环氧树脂、填充的环氧树脂、玻璃纤维填充的环氧树脂、酰亚胺、热塑性塑料、热固性聚合物、聚合物混合物。光声换能器6可以覆盖壳体8的上侧上的开口，其中壳体8和光声换能器6能够形成声学密封腔14。在图3中，例如，光声换能器6和壳体8可以通过粘合剂46彼此连接。保护气体(未示出)可以可选地被包封在声学密封腔14中。

压力传感器16可以布置在壳体8的底面上。压力传感器可以例如是麦克风芯片，其可以具有一个或多个MEMS结构或可移动结构。此外，麦克风芯片16可以包含用于对被MEMS结构所检测的信号进行逻辑处理的ASIC。麦克风芯片16可以经由一个或多个电连接元件48与一个或多个连接导体50电连接。在图3的示例中，电连接元件48被示出为接合线。连接导体50可以延伸穿过壳体8，并且在麦克风芯片16与布置在壳体8外部的其他部件(未示出)之间提供电连接。

图4的光声探测器单元400可以例如在图1的光声传感器100中使用。此外，光声探测器单元400可以至少部分类似于图3的光声探测器单元300并且具有相同的组件。

与图3不同，图4中的压力传感器16可以以另外的方式实施或布置。压力传感器16或其MEMS结构尤其可以这样布置，使得它们位于由光声发射器单元(未示出)提供的光辐射的延伸路线之外。通过击中压力传感器16的MEMS结构的光辐射会歪曲被压力传感器16所检测的信号。通过将图4所示的压力传感器16布置在光路之外，可以避免或至少减少这种歪曲。

光声探测器单元400可以具有压力传感器装置52。压力传感器装置52可以具有电路板或基板54，电路板具有布置在电路板54的下侧上的压力传感器16和压力传感器ASIC38。压力传感器16和压力传感器ASIC 38可以例如经由一根或多根键合线56彼此电连接。此外，压力传感器16和压力传感器ASIC 38可以经由一根或多根接合线58、经由电路板54内的布线层60以及经由电连接元件48与连接导体50电连接。压力传感器装置52可以具有带有开口64的盖62，该盖布置在压力传感器16上方和压力传感器ASIC 38上方。

图5的光声探测器单元500可以例如在图1的光声传感器100中使用。此外，光声探测器单元500可以至少部分类似于图3的光声探测器单元300并且具有相同的组件。

与图3不同，光声探测器单元500可以具有一个或多个金属层和/或金属合金层66，其可以布置在膜片20上。在图5的示例中，金属层66可以分别布置在膜片20的上侧和下侧上。在另外的示例中，金属层可以仅布置在膜片20的上侧或仅布置在膜片20的下侧上。在图5的示例中，在顶部和底部分别仅布置一层金属层66。在另外的示例中，可以在膜片20的相应侧上布置具有彼此堆叠的几层金属层的层堆叠。在图5的示例中，相应的金属层66可以基本上覆盖膜片20的整个暴露表面。在另外的示例中，相应的金属层66只能覆盖膜片表面的选定部分。布置在膜片20上的金属层66可以具有比膜片20低的热容。

图6的光声探测器单元600可以例如在图2的光声传感器200中使用并且可以具有类似的组件。关于光声探测器单元200的操作，参考与图2有关的相应陈述。

光声探测器单元600可以具有壳体34，壳体34中布置有压力传感器16。膜片70形式的光声换能器6可以覆盖壳体34的上部开口并且与其一起形成声学密封腔36。膜片70可以具有弹性的内部区域72和较厚的边缘区域74。边缘区域74可以具有框架形状。内部区域72可以被悬挂或固定在边缘区域74上并且设计用于在y方向上振动。在y方向上看，内部区域72可以具有例如圆形形状。在图6的示例中，膜片70可以由玻璃材料制成，例如由硼硅酸盐制成。膜片70的内部区域72可以在其靠外的区域中具有一个或多个通风孔68，这些通风孔可以由内部区域72在膜片70的边缘区域74上的结构化悬挂而产生。在图6的示例中，可以在膜片70的下侧上布置金属层66。在另一示例中，另一金属层(未示出)可以布置在膜片70的上侧上。

图7的光声探测器单元700可以例如在图2的光声传感器200中使用。此外，光声探测器单元700可以例如至少部分类似于图6的光声探测器单元600并且具有相同的组件。

光声探测器单元700可以具有膜片70形式的光声换能器6。与图6不同，膜片70可以由掺杂的半导体材料制成。由于半导体材料的掺杂，可以将膜片70设计用于吸收光辐射并将其转换成以下至少一项：压力信号或热信号。在一示例中，膜片70可以由硅制成，并且掺杂有以下至少一项：硼、磷、铝、铟、砷、锑。

与图6的进一步对比，光声探测器单元6还可以具有透光盖76，其可以与膜片70连接并且可以与膜片形成腔体(特别是气密封闭腔)10。盖76可以由例如硅制成。如果盖76和膜片70由硅制成，则它们可以例如通过共晶的硅-硅键合连接彼此固定。从图12的方法可以看出，可以使用在晶片层上的中间层进行共晶键合。中间层可以由例如金制成。

与图6的进一步对比，光声探测器单元6可以可选地具有滤光器层78，该滤光器层可以例如布置在盖76的上侧上。滤光器层78可以被预定波长范围的电磁辐射穿过。波长范围尤其可以包括待检测的气体的吸收带。

参考气体可以可选地包封在气密封闭腔10中。在这种情况下，例如，图7的光声探测器单元700可以被使用在图1的光声传感器100中。

图8的光声探测器单元800可以至少部分地类似于图7的光声探测器单元700，并且具有相同的组件，使得与图7有关的陈述也可以应用于光声探测器单元800。

与图7不同，光声探测器单元800可另外具有集成到膜片70中的一个或多个压电元件80。压电元件80可以例如布置在隔膜片70的边缘区域中或当隔膜片70悬置时布置在内部区域。压电元件80可以被设计用于提供电信号，该电信号被设计为用于由压力传感器16提供的测量信号的参考信号。例如，基于测量信号与参考信号的比较，可以将在光声探测器单元800的操作期间会发生的不需要的声学影响平均化。膜片70在其下侧上可以具有电接触垫82，通过该电接触垫可以提供由压电元件80产生的参考信号。

与图7的进一步对比，壳体34可以以不同的方式设计。例如，图8的壳体34可以由陶瓷材料制成。在图8的横截面侧视图中，壳体34可具有阶梯形状。压力传感器16可以布置在壳体34的底面上。可以在台阶的上侧上布置电接触垫84，该电接触垫可以通过垂直穿过壳体34延伸的导通孔连接86电连接。可以在壳体34的下侧上布置另外的接触垫88。由压电元件80所检测的参考信号可以通过接触垫82和导通孔连接86转发到一个或多个接触垫88。以类似的方式，来自压力传感器16的测量信号可以通过接触垫84和导通孔连接86被转发到一个或多个接触垫88。

图9的光声探测器单元900可以至少部分类似于图7的光声探测器单元700。与图7不同，光声换能器6可以具有附加的中间层90，该中间层可以布置在膜片70和盖76之间。中间层90可以被设计用于在过程技术上简化将膜片70与盖76的连接。例如，膜片70可以由掺杂的硅制成，并且覆盖层76可以由硅制成。在这种情况下，中间层90可以由玻璃材料、特别是硼硅酸盐制成。由此，膜片70和盖76可以分别通过阳极键合与中间层90连接。另外，通过使用中间层90，可以以简单的方式适应或增加光声换能器6在y方向上的结构高度。

图10的光声传感器1000可以类似于图1和2的光声传感器100和200之一。特别地，图10所示的结构可以用于实现图1和2的光声传感器。

图10的光声传感器1000可以具有光声发射器单元2和光声探测器单元4。单元2和4的空间分离在图10中通过垂直虚线定性地示出。在图10的示例中，光声探测器单元4可以例如类似于图7的光声探测器单元700。

光声传感器1000可以具有壳体8，该壳体可以通过分离结构92分成左侧部分和右侧部分。壳体8的右侧部分可以对应于图7的壳体34。可以在壳体8的左部中布置光发射器30。取决于光声探测器单元4的实施方式，光发射器30可以是具有或不具有下游连接的带通滤光器的宽带发射器。光声传感器1000还可以具有布置在单元2和4上的盖94，该盖具有反光内表面。

在光声传感器1000在操作中，发射器30可以发射光辐射，该光辐射可以沿着在图10中由三个箭头示出的光路传播。发射器30可以沿盖94的方向发射光辐射。发出的辐射可以在盖94的内表面上反射。为了能够提供在图10中定性示出的反射走势，盖94的内表面可以以合适的方式成形。由盖94的内表面反射的光辐射可以击中光声探测器单元4。

图12示出了根据本公开的方法的流程图。借助于该方法，例如可以制造用于根据本发明的光声探测器单元的一个或多个光声换能器。

在96处，在参考气体气氛中，将由第一材料制成的第一晶片键合至由第二材料制成的第二晶片。在此形成了多个气密封闭腔，它们包封了参考气体气氛中的参考气体。在98，将键合的晶片分割成多个用于光声探测器单元的光声换能器。这些光声换能器中的每一个包括气密封闭腔之一。

可以将图12中的方法视为图11中方法的更详细的实施。在图12A中，可以提供由第一材料制成的第一晶片102。第一晶片102可具有多个凹陷104。凹陷104的数量尤其可以对应于将通过图1的方法产生的光声换能器的数量。在图12A的截面侧视图中，凹陷104可具有倒圆的形状。在另外的示例中，凹陷104的形状可以不同地选择，例如正方形、矩形、多边形等。第一晶片102可以例如由玻璃材料或掺杂的半导体材料制成。

在图12B中，可以提供由第二材料制成的第二晶片106。第二晶片106可具有多个凹陷108。凹陷108的数量尤其可以对应于第一晶片102中的凹陷104的数量。在图12B的示例中，凹陷108可以具有倒圆的形状。在另外的示例中，凹陷108的形状可以不同地选择，例如正方形、矩形、多边形等。第二晶片106可以例如由半导体材料制成。

在图12C中，第一晶片102可以在参考气体气氛中键合到第二晶片106。对于键合过程，可以将第一晶片102和第二晶片106布置在键合室(未示出)中，该键合室被设计用于提供参考气体气氛。当键合晶片102和106时，可以形成多个气密密封腔110，其包封参考气体气氛的参考气体。

图12C中使用的键合过程尤其可以取决于晶片102和106的材料。在第一示例中，第一晶片102的材料可以包括玻璃材料(例如，硼硅酸盐)，而第二晶片106的材料可以包括半导体材料(例如，硅)。在这种情况下，键合过程可以包括阳极键合。在第二示例中，第一晶片102的材料可以包括掺杂的半导体材料(例如，掺杂的硅)，并且第二晶片106的材料可以包括半导体材料(例如，硅)。在这种情况下，键合过程可以包括使用中间层的共晶键合。中间层可以由例如金制成。

在图12D中，图12C的布置可以沿着垂直虚线分割成多个布置。分割过程可以包括例如蚀刻过程、等离子体切割过程、机械超声切割过程、激光切割过程或其组合。

图12E示出了通过分割所获得的光声换能器1200之一，其可以具有透光窗18和膜片20。膜片20可以由第一晶片102的材料制成并且透光窗18可以由第二晶片106的材料制成。

图12的方法可以具有另外的步骤，为了简化起见，没有明确示出和讨论这些步骤。进一步的步骤尤其可以在晶片层上进行。例如，该方法可以扩展到包括以下步骤：在该步骤中可以将抗反射涂层施加到第二晶片106上，使得所产生的光声换能器1200可以在透光窗18上各自具有抗反射涂层。

示例

在下文中，通过示例解释光声探测器、光声传感器和所属的生产方法。

示例1是一种光声探测器单元，包括：具有开口的壳体；以及光声换能器，其被配置为将光辐射转换成以下至少一项：压力信号或热信号，其中所述光声换能器覆盖所述壳体的开口，使得所述光声换能器和所述壳体形成声学密封腔；以及布置在声学密封腔中的压力传感器。

示例2是根据示例1的光声探测器单元，其中，光声换能器设计用于将红外辐射或紫外辐射中的至少一种辐射转换成压力信号或热信号中的至少一种信号。

示例3是根据示例1或2的光声探测器单元，其中，所述光声换能器包括：具有气密封闭腔；以及包封在气密封闭腔中的参考气体，该参考气体涉及用于吸收光辐射。

示例4是根据示例3的光声探测器单元，其中，所述隔间包括：在所述隔间的第一侧上的透光窗；以及在所述隔间的与所述第一侧面相对置的第二侧上的膜片。

示例5是根据示例4的光声探测器单元，其中，透光窗由硅制成。

示例6是根据示例4或5的光声探测器单元，其中，膜片由玻璃材料制成。

示例7是根据示例4至6中任一项的光声探测器单元，其中，膜片由掺杂的硅制成。

示例8是根据示例4至7中任一项的光声探测器单元，其中，透光窗和膜片形成气密封闭腔。

示例9是根据示例4至8中任一项的光声探测器单元，其中，透光窗和膜片是晶片键合的。

示例10是根据示例4至9中任一项的光声探测器单元，还包括：布置在透光窗上的抗反射涂层。

示例11是根据示例4至10中任一项的光声探测器单元，还包括：布置在膜片上的金属层。

示例12是根据前述示例中任一项的光声探测器单元，还包括：包封在声学密封腔中的保护气体。

示例13是根据前述示例中任一项的光声探测器单元，其中，壳体由模制化合物制成。

示例14是根据示例1的光声探测器单元，其中，光声换能器包括：设计用于吸收光辐射的膜片。

示例15是根据示例14的光声探测器单元，其中，所述膜片由以下至少一项制成：玻璃材料或掺杂的硅。

示例16是根据示例14或15的光声探测器单元，还包括：集成在膜片中的压电元件，所述压电元件设计用于提供电信号，所述电信号被设计为用于由压力传感器提供的测量信号的参考信号。

示例17是根据示例14至16中任一项的光声探测器单元，还包括：滤光层，所述滤光层能被预定波长的电磁辐射穿过，其中所述滤光层被施加到以下至少一项上：所述膜片或布置在所述膜片上方的覆盖物。

示例18是一种光声传感器，包括：光发射器；以及以及根据前述示例中任一项的光声探测器单元。

示例19是根据示例18的光声传感器，其中，所述光发射器包括宽带光发射器。

示例20是根据示例19的光声传感器，还包括：连接在所述光学宽带发射器下游的光学带通滤波器，所述光学带通滤波器能被预定波长的电磁辐射穿过。

示例21是一种方法，包括：在参考气体气氛中将由第一材料制成的第一晶片与由第二材料制成的第二晶片键合，其中形成多个气密封闭腔，所述多个气密封闭腔包封所述参考气体气氛中的所述参考气体；以及将键合的晶片分割成用于光声探测器单元的多个光声换能器，其中这些光声换能器中的每个光声换能器包括所述多个气密封闭腔中的一个气密封闭腔。

示例22是根据示例21的方法，其中：第一材料包括玻璃材料，第二材料包括半导体材料，并且键合包括阳极键合。

示例23是根据示例21的方法，其中：所述第一材料包括掺杂的半导体材料，所述第二材料包括半导体材料，并且所述键合包括使用中间层的共晶键合。

尽管已经在本文中示出和描述了特定的实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等同的实现方式可以代替所示出和描述的特定的实施例。本申请旨在覆盖本文讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，意图是本公开仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (23)

1.一种光声探测器单元，包括：

具有开口的壳体(8、34)；

光声换能器(6)，所述光声换能器设计用于将光辐射转换成以下至少一项：压力信号或热信号，其中所述光声换能器(6)覆盖所述壳体(8、34)的所述开口，使得所述光声换能器(6)和所述壳体(8、34)形成声学密封腔(14、36)；以及

布置在所述声学密封腔(14、36)中的压力传感器(16)。

2.根据权利要求1所述的光声探测器单元，其中，所述光声换能器(6)设计用于将红外辐射或紫外辐射中的至少一种辐射转换成压力信号或热信号中的至少一种信号。

3.根据权利要求1或2所述的光声探测器单元，其中，所述光声换能器(6)包括：

具有气密封闭腔(10)的隔间；以及

包封在所述气密封闭腔(10)中的参考气体(12)，所述参考气体(12)设计用于吸收所述光辐射。

4.根据权利要求3所述的光声探测器单元，其中，所述隔间包括：

在所述隔间的第一侧上的透光窗(18)；以及

在所述隔间的与所述第一侧面相对置的第二侧上的膜片(20)。

5.根据权利要求4所述的光声探测器单元，其中，所述透光窗(18)由硅制成。

6.根据权利要求4或5所述的光声探测器单元，其中，所述膜片(20)由玻璃材料制成。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的光声探测器单元，其中，所述膜片(20)由掺杂的硅制成。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的光声探测器单元，其中，所述透光窗(18)和所述膜片(20)形成所述气密封闭腔(10)。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的光声探测器单元，其中，所述透光窗(18)和所述膜片(20)是晶片键合的。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的光声探测器单元，还包括：

布置在所述透光窗(18)上的抗反射涂层(44)。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的光声探测器单元，还包括：

布置在所述膜片(20)上的金属层(66)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光声探测器单元，还包括：

包封在所述声学密封腔(14、36)中的保护气体(32)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光声探测器单元，其中，所述壳体(8、34)由模制化合物制成。

14.根据权利要求1所述的光声探测器单元，其中，所述光声换能器(6)包括：

设计用于吸收所述光辐射的膜片(70)。

15.根据权利要求14所述的光声探测器单元，其中，所述膜片(70)由以下至少一项制成：玻璃材料或掺杂的硅。

16.根据权利要求14或15所述的光声探测器单元，还包括：

集成在所述膜片(70)中的压电元件(80)，所述压电元件设计用于提供电信号，所述电信号被设计为用于由压力传感器(16)提供的测量信号的参考信号。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的光声探测器单元，还包括：

滤光层(78)，所述滤光层能被预定波长的电磁辐射穿过，其中所述滤光层(78)被施加到以下至少一项上：所述膜片(70)或布置在所述膜片上方的覆盖物(76)。

18.一种光声传感器，包括：光发射器(2)；以及根据前述权利要求中任一项所述的光声探测器单元。

19.根据权利要求18所述的光声传感器，其中，所述光发射器(2)包括光学宽带发射器。

20.根据权利要求19所述的光声传感器，还包括：

连接在所述光学宽带发射器下游的光学带通滤波器，所述光学带通滤波器能被预定波长的电磁辐射穿过。

21.一种方法，包括：

在参考气体气氛中将由第一材料制成的第一晶片(102)与由第二材料制成的第二晶片(106)键合，其中形成多个气密封闭腔(110)，所述多个气密封闭腔包封所述参考气体气氛中的所述参考气体；以及

将键合的晶片(102、106)分割成用于光声探测器单元的多个光声换能器(1200)，其中所述光声换能器(1200)中的每个光声换能器包括所述多个气密封闭腔(110)中的一个气密封闭腔。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：

所述第一材料包括玻璃材料；

所述第二材料包括半导体材料；以及

所述键合包括阳极键合。

23.根据权利要求21所述的方法，其中：

所述第一材料包括掺杂的半导体材料；

所述第二材料包括半导体材料；以及

所述键合包括使用中间层的共晶键合。

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