CN113567381A - 具有嵌入式加热元件的热发射器 - Google Patents

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S·巴曾
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Abstract

本公开总体上涉及具有嵌入式加热元件的热发射器。热发射器(1)包括由基底(3)支撑的独立膜(2)，其中独立膜(2)在横向延伸中包括中心区段(2‑1)、传导中间区段(2‑2)和边界区段(2‑3)，其中传导中间区段(2‑2)横向地围绕中心区段(2‑1)并且与中心区段(2‑1)电隔离，传导中间区段(2‑2)包括被包封在绝缘材料中的导电半导体材料，以及其中边界区段(2‑3)至少部分地围绕中间区段(2‑2)并且与传导中间区段(2‑1)电隔离，其中穿孔(4)穿过边界区段(2‑3)而形成。

Description

具有嵌入式加热元件的热发射器
技术领域
本公开的实施例涉及发射器，例如具有嵌入式加热元件的红外发射器。本公开还涉及具有嵌入式加热元件和等离子体结构的MEMS红外辐射源。因此，实施例涉及提供红外(IR)辐射源，即IR或热发射器的技术。
背景技术
在感测周围大气中的环境参数，诸如噪声、声音、温度和气体时，例如环境气体组件在移动设备、诸如智能家居的家庭自动化以及汽车行业内实现适当传感器时越来越重要。有害气体浓度可能由于污染和/或某些设备的故障而产生。但是，人或动物的健康受到空气质量的强烈影响。因此，通过廉价、始终可用和连接的传感器在环境大气中进行气体检测将成为未来的话题。
在监视我们环境中的空气质量方面，存在多种类型的气体感测概念，例如，非分散红外(NDIR)传感器、化学传感器和光声传感器(PAS＝光声光谱法)。经常使用的传感器效应是基于某种波长的(红外)光对介质中气体分子的激发。但是，由于其复杂的设置或特殊的组件，当前可用的NDIR或PAS系统相对昂贵。此外，与单波长或包含滤波器的光学系统相比，化学传感器显示出相对较差的选择性。典型的光学传感器，例如PAS传感器，包括辐射源、用于波长选择的滤波器元件、检测器和样本区域，在样本区域处，光源与检测器之间的光与环境介质相互作用。
当前针对红外或中红外辐射的热发射器通常是具有金属加热元件(诸如钨或铂)的小型灯泡或MEMS发射器。具有金属加热器的表面微加工或MEMS发射器通常被限于600℃以下的操作温度，用于防止性能退化。这导致光输出功率的显著降低。金属导体通常具有非常低的发射率，进一步导致输出降低。电流发射器的热质量高，导致其切换速度慢。此外，热阻低，导致能量效率降低(＝每瓦特输入功率的温度上升较小)。
随着气体传感器的日益广泛使用，特别需要能够尽可能便宜地生产这样的具有热发射器的气体传感器，从而具有成本效益。但是，仍应保持或甚至提高气体传感器的可靠性和准确性。
通常，在传感器领域中，需要例如针对气体传感器或流体传感器来提供热发射器的方法，热发射器具有相对较高的热阻(＝低热质量)来实现相对较高的能源效率(＝每输入电功率增量的较高光输出功率增量＝每瓦特输入功率的高温度增量)并且可以在较高的操作温度下操作。
这样的需求可以通过根据权利要求1所述的热发射器来解决。此外，在从属权利要求中限定了流体传感器的具体实现方式。
因此，本公开描述了可能的热发射器，热发射器例如可以是能够同时感测环境大气的至少一个成分的MEMS气体或流体传感器的一部分。针对红外或中红外辐射的热发射器可以被用于具有IR辐射源的任何MEMS器件中。
发明内容
根据一个实施例，热发射器可以包括由基底支撑的独立膜，其中独立膜在横向延伸中包括中心区段、传导中间区段和边界区段，其中传导中间区段横向地围绕中心区段并且与中心区段电隔离，传导中间区段包括被包封在绝缘材料中的导电半导体材料，以及其中边界区段至少部分地围绕中间区段并且与传导中间区段电隔离，其中穿孔穿过边界区段而形成。
根据另一实施例，MEMS气体或流体传感器可以包括上述用于发射热辐射的热发射器、具有目标气体或目标流体并且针对所发射的热辐射来提供光学相互作用路径的测量体积以及声学换能器或(直接)热检测器，声学换能器或(直接)热检测器用于基于所发射的热辐射与测量体积中的目标气体或目标流体的光学相互作用来提供检测器输出信号。
在从属权利要求中描述了进一步的实施例。
附图说明
在下文中，将在参考附图的同时在以下描述实施例，在附图中：
图1a示出了根据一个实施例的热发射器的示意性俯视3D视图；
图1b示出了根据一个实施例的热发射器的示意性(侧向)温度曲线；
图2示出了根据一个实施例的热发射器的示意性仰视3D视图；
图3a示出了根据一个实施例的热发射器的示意性局部俯视图；
图3b示出了根据一个实施例的热发射器的沿图3a的热发射器的虚线相交线A的示意性截面局部视图；
图4a示出了根据一个实施例的热发射器的示意性局部俯视图；
图4b示出了根据一个实施例的热发射器的沿图4a的热发射器的虚线相交线B的示意性局部截面图；
图5a示出了根据一个实施例的具有完全嵌入式等离子体结构的热发射器的示意性截面局部视图；
图5b示出了根据一个实施例的具有部分嵌入式等离子体结构的热发射器的示意性截面局部视图；
图5c示出了根据一个实施例的具有至少部分暴露的等离子体结构的热发射器的示意性局部截面图；
图5d示出了根据一个实施例的具有等离子体谐振器的热发射器的示意性局部截面图；
图6a示出了根据一个实施例的MEMS气体或流体传感器的示意性截面图；以及
图6b示出了根据一个实施例的MEMS气体或流体传感器的示意性截面图。
在使用附图进一步详细讨论本实施例之前，需要指出的是，在附图和说明书中，相同的元素和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元素通常被提供有相同的附图标记或者以相同的名称来标识，使得在不同实施例中对这些元素及其功能的描述可以相互交换或者可以在不同实施例中彼此应用。
具体实施方式
在以下描述中，将详细讨论实施例，但是，应当理解，实施例提供了可以在各种热发射器中体现的许多可应用的概念。所讨论的特定实施例仅是用于实现和使用本概念的特定方式的例示，并且不限制实施例的范围。在以下实施例的描述中，相同或相似的元素或具有相同功能的元素被提供相同的附图标记或以相同的名称来标识，并且对具有相同附图标记或以相同名称标识的元素的重复描述通常被省略。在以下描述中，阐述了多个细节来提供对本公开的实施例的更彻底的解释。
然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践其他实施例。在其他实例中，公知的结构和设备以框图的形式示出而不是被详细示出，以避免使得本文所述的示例不清楚。附加地，除非另外特别指出，否则本文描述的不同实施例的特征可以被彼此组合。
应当理解，当一个元素被称为被“连接”或“耦合”到另一元素时，它可以被直接连接或耦合到另一元素，或者可以存在中间元素。相反，当一个元素被称为“直接”连接到另一元素，不存在中间元素。用于描述元素之间关系的其他术语应(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”以及“在...上”与“直接在...上”等)以类似的方式来解释。
为了便于描述不同的实施例，附图包括笛卡尔坐标系x，y，z，其中x-y平面对应于(即，平行于)基底的第一主表面区域(＝参考平面＝x-y平面)，其中相对于参考平面(x-y平面)竖直向上的方向对应于“+z”方向，并且其中相对于参考平面(x-y平面)竖直向下的方向对应于“-z”方向。在以下描述中，术语“横向”是指平行于x和/或y方向的方向，即，平行于x-y平面，其中术语“竖直”是指平行于z方向的方向。
在以下描述中，元素的厚度通常指示这样的元素的竖直维度。在图中，不同的元素不一定按比例绘制。因此，某些元素的厚度(例如，独立膜、半导体基底、绝缘层、重掺杂半导体层和/或碟形散热器结构的厚度)可能没有按比例绘制。
图1a示出了根据一个实施例的热发射器1的示意性俯视3D视图(＝三维视图)。在图1a中，绘图平面基本上平行于x-y平面。热发射器1包括由基底3支撑的独立膜2，其中独立膜2在横向延伸中包括中心区段2-1、传导(＝电传导)中间区段2-2和边界区段2-3，其中传导中间区段2-2横向地围绕中心区段2-1并且与中心区段2-1电隔离。传导中间区段2-2包括封装在绝缘材料中的传导(＝电传导)半导体材料。边界区段2-3至少部分地围绕中间区段2-2并且与传导中间区段2-2电隔离，其中穿孔4穿过边界区段2-3而形成。
换言之，由基底3支撑的独立膜2可以被分割(＝划分)为三个区段，(内部)中心区段2-1、传导中间区段2-2和(外部)边界区段2-3，三个区段例如由基底3支撑(例如，布置在基底上或基底处)。根据一个实施例，边界区段2-3可以被机械地键合到基底3，其中独立膜2的中心区段2-1、中间区段2-2和至少部分边界区段2-3被布置在基底3中的腔6(参见图2)上。
中心区段2-1和边界区段2-3可以包括一个或多个层。在多个层的情况下，例如，中心区段2-1的层可以包括相同的材料，或者备选地包括不同的材料。边界区段2-3同样如此。中间区段2-2可以包括多个层，例如至少两个层，使得例如导电半导体层被包封在绝缘材料层中。
因此，独立膜2被划分为至少三个区段，即，中心区段2-1、传导中间区段2-2和边界区段2-3，并且被基底3支撑。当传导中间区段2-2被包封(＝钝化)在绝缘材料中时，传导中间区段2-2与中心区段2-1和边界区段2-3电绝缘。基底3可以包括块状半导体基底7和可选的绝缘层8，其中绝缘层8可以形成基底3的主表面区域3-1，独立膜2被机械地附接到主表面区域3-1。此外，绝缘层8可以包括开口8-1，用于至少部分地或完全地从背侧暴露出腔6(参见图2)。
基于热发射器1的构造，例如针对气体传感器或流体传感器的这样的辐射源可以从系统方面提出许多要求，诸如小巧紧凑、低成本、高辐射输出、高能量效率、高切换速度、高寿命和带宽。由于热发射器1具有相对较高的热阻(＝低热质量)，因此可以实现相对较高的能量效率(＝每瓦特输入功率的高温度增量)，其中由于其特定设置，热发射器1可以在相对较高的操作温度下操作。
根据一个实施例，热发射器1的独立膜2可以作为与基底3的主表面区域3-1平行的层堆叠延伸，其中层堆叠可以包括被包封在绝缘层中的导电半导体层，绝缘层具有绝缘材料(例如，也参见图3b、图4b、图5b)。换言之，形成与基底3的主表面区域3-1平行的传导中间区段2-2的层堆叠可以包括多个层，例如，至少两个层。传导中间区段2-2可以包括导电半导体层，导电半导体层被包封在绝缘封装层形式的绝缘层中，其中导电半导体层提供电流路径，电流路径在热发射器1的电激活期间被加热到操作温度，并且其中绝缘封装层为相邻的环境和元素提供电绝缘并且为导电半导体层向环境生成的热量提供高热导率。
根据一个实施例，传导中间区段2-2形成由中心区段2-1分隔的分支电流路径。如图1a中示例性所示，传导中间区段2-2可以形成环形加热元件，环形加热元件在激活状态(＝中间区段2-2通电)期间产生热量，热量也可以散布到中心区段2-1中/散布通过中心区段2-1。因此，中心区段2-1和中间区段2-2可以一起形成最终的加热结构或加热元件，用于以热(例如，红外)辐射的形式将热量发射或耗散到测量腔中。因此，经加热的环形传导中间区段2-2可以在加热结构中提供相对均匀的温度分布。
根据另一实施例，传导中间区段2-2还可以包括圆形、正方形、卵形和椭圆形(或任何凸多边形)中的一种，其中传导中间区段2-2的该形状列表不被认为是详尽的。
根据一个实施例，导电半导体层大部分(例如，至少80％、90％或95％)或完全被包封(＝气密密封或钝化)在绝缘材料中，以防止导电半导体层在激活状态期间氧化。
根据一个实施例，独立膜2的传导中间区段2-2包括被包封在绝缘材料中的重掺杂半导体层10。重掺杂半导体层的掺杂浓度可以在1018至1020掺杂原子/cm3之间的范围内，以实现传导中间区段2-2的重掺杂半导体层的材料的电导率在10S/m至1000S/m之间的范围内。掺杂浓度可以被选择为在冷(＝去激活)状态下，实现重掺杂半导体(例如，Si)层的材料的电导率在250S/m至350S/m之间和(大约)300S/m的范围内并且在独立膜2的传导中间区段2-2的热(＝激活)状态下，在80S/m至120S/m之间和(约)100S/m的范围内。
基于传导中间区段2-2的重掺杂半导体层的材料的所得的(例如，均匀分布的)电导率，均匀电流分布以及因此导致均匀热耗散的均匀热分布可以在传导中间区段2-2中实现。
根据一个实施例，传导中间区段2-2的导电半导体材料可以包括多晶硅或单晶硅，并且绝缘材料可以包括氮化硅。可以使用其他材料。更具体地，绝缘材料可以包括例如氮化硅(SixNy)、氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(Si2N2O)、塑料(例如，聚合物)或陶瓷(例如，Al2O3)，用于在恶劣条件下进行操作。然而，用于覆盖导电半导体层的绝缘材料的该列表不应被认为是详尽的。导电半导体材料可以包括例如硅(Si)(诸如多晶硅(poly-Si)、非晶硅(a-Si)或单晶硅)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)或氮化铝(AlN)。然而，用于导电半导体层的材料的该列表不应被认为是详尽的。
根据一个实施例，独立膜的传导中间区段2-2在独立膜2的至少两个边缘区域5-1、5-2…5-n之间延伸。如图1a所示，横向相对边缘区域5-1、5-2可以横穿或桥接边界区段2-3，以到达相应的布线结构或接触焊盘11。布线结构11可以被布置为提供用于例如借助键合线连接到控制和/或供电单元的外部电连接的键合区域。布线结构11可以包括铜、铝、钨、金、铂和/或钛材料或这些材料中的至少两种的层状堆叠来提供低接触电阻。
根据另一实施例，传导中间区段2-2可以在独立膜2的至少两个边缘区域5-1、5-2…5-n之间包括n个导体臂或延伸部2-2-n，其中n是整数并且n≥2。因此，Y形的传导中间区段2-2具有n＝3个臂(例如，两个输入臂和一个输出臂，反之亦然)，而X形的传导中间区段2-2具有n＝4个臂(例如，两个输入臂和两个输出臂，反之亦然)等。传导中间区段(2-2)的多个臂2-2-n和独立膜2的相关联边缘区域5-n可以相对于穿过中心区段2-1的中心点的中心线或对称线(例如，AA或BB)而被对称地布置。多个臂2-2-n和边缘区域5-n可以以角度偏移或角度差C来布置，其中C＝360°/n。
根据一个实施例，边界区域2-3中的穿孔4在独立膜中形成通风孔或多个通风孔。穿孔4形成穿过边界区段2-3的通风路径。穿孔4的(多个)通风孔允许在独立膜2的两侧(即，邻近主表面区域2-A、2-B)处的环境大气之间进行气体或流体通风。独立膜2两侧处的环境大气之间的大气压力差可以被拉平或平衡。
此外，穿孔4的通气孔连同边界区段2-3的绝缘材料12允许独立膜2的加热结构(即，中间区段2-2和相邻中心区段2-1)与基底2(＝块状Si)的热隔离或热解耦，从而避免基底2用作散热器。独立膜2的边界区段2-3的通风和热隔离功能非常有效，因为独立膜2可以被布置在基底3中的腔上，即，独立膜2可以跨越基底3中的腔(参见图2)。
根据一个实施例，独立膜的中心区段2-1是碟形散热器结构，具有例如在298℃下热导率为κ≥30W/m*K的高导热材料。
在中心区段2-1与中间区段2-2充分地热耦合的情况下，中心区段2-1的高导热材料允许在中心区段2-1中几乎均匀的热分布，并且因此在激活状态(＝中间区段2-2通电)期间，传导中间区段2-2与中心区段2-1几乎均匀地热耗散，其中所实现的温度(热量)仅在中心区段2-1中略有降低。中心区段2-1可以包括半导体材料(例如，硅)或金属。例如，块状硅在298℃时的热导率为κ≥148W/m*K，多晶硅在298℃时的热导率为κ≥30W/m*K，铝在293℃时的热导率为κ≥237W/m*K，铜在293℃时的热导率κ≥401W/m*K，金在300℃时的热导率κ≥315W/m*K，并且钨在293℃下的热导率为κ≥173W/m*K。
通常，散热器结构2-1具有碟形或正方形的形式。但是，例如具有穿孔或凹部的其他结构是可能的。散热器结构2-1的形状通常可以与膜本身的形状相关。因此，由于等温线(＝相同半径)可以被适配为具有由膜夹持产生的相同热边界条件，因此可以使用碟形膜，碟形膜没有具有不同热边界条件的边缘。
此外，散热器结构2-1的外周形状(轮廓)通常被适配为传导中间区段2-2的内周形状，其中两个元件以最小的横向距离(例如，1至5μm来布置，以实现它们之间的紧密热耦合。散热器结构2-1和传导中间区段2-2通常通过绝缘段分隔，绝缘段可以包括电介质材料。
根据一个实施例，热发射器形成操作温度在800℃至1100℃之间的范围内的MEMSIR发射器。
根据一个实施例，热发射器1可以由经表面微加工的IR发射器(MEMS发射器)与独立膜2的层堆叠以及封装(＝钝化)(例如，SixNy)层来实现，以防止传导中间区段2-2被具有多晶硅或单晶硅材料的加热层氧化。针对传导中间区段2-2的可能材料是重掺杂(多晶)硅，重掺杂(多晶)硅允许热发射器1在高温(例如，～1000℃)下操作，其中热发射器1的辐射输出“Pout”(＝发射功率)取决于传导中间区段2-2和散热器结构2-1中生成的温度“T”的4次幂：
Figure BDA0003045139540000091
基于所描述的热发射器1的构造，例如，基于MEMS技术，例如针对气体传感器的这样的辐射源可以从系统方面提供许多要求，诸如小而紧凑的尺寸、低成本、高辐射输出、高能量效率、高切换速度、高寿命和带宽。热发射器1可以利用硅麦克风技术来布置，使得由于减小了传导中间区段2-2的厚度，这样的热发射器系统可以具有非常低的热质量。这也导致高的热阻。由于热发射器1具有相对高的热阻(＝低热质量)，因此可以实现相对较高的能量效率(＝每瓦特输入功率的高温度增量)和高切换速度，其中热发射器1可以由于其特定设置而在相对高操作温度下操作。
使用多晶硅作为加热器材料，可以提高在高操作温度下的可靠性，其中与金属相比，热发射器1，即，传导中间区段2-2，更不容易产生电迁移效应。
此外，图1a示出了独立膜2的不同元件平行于x轴的一些示例性横向尺寸。中心区段2-1的横向宽度(直径)w2-1可以在100μm至1600μm之间，在200μm至800μm之间或者在300μm至600μm之间，或者为大约400μm+/-40μm。传导中间区段2-2的横向宽度w2-2可以在25μm至400μm之间，在50μm至200μm之间或者在75μm至125μm之间，或者为大约100μm+/-10μm。边界区段2-3的横向宽度w2-3可以在25μm至400μm之间，在50μm至200μm之间或者在75μm至125μm之间或者为大约100μm+/-10μm。
根据一个实施例，独立膜2的边界区段2-3可以包括被包封在绝缘材料中的半导体层或者包括绝缘材料层。根据一个实施例，独立膜2的中心区段2-1可以包括被包封在绝缘材料中的半导体层或者包括绝缘材料层。
根据一个实施例，热发射器1还可以在独立膜2的中心区段2-1和传导中间区段2-2上包括等离子体结构，其中等离子体结构被至少部分地包封在绝缘材料中，并且其中等离子体结构针对在热发射器操作期间由独立膜发射的IR辐射而形成带通滤波器。根据一个实施例，等离子体结构可以针对所发射的IR辐射而形成等离子体谐振器。
图1b示出了根据一个实施例的热发射器1的独立膜2的示意性(侧向)温度曲线。在图1b中，示例性温度曲线P属于图1a的热发射器1，并且在激活状态(＝中间区段2通电)期间，与热发射器1的独立膜2的不同区段相关联。
所描绘的温度曲线P将温度T(℃＝y轴)示出为距独立膜2中心的距离(x轴)的函数。因此，温度曲线P可以指示取决于距传导中间区段2-2的横向距离的热分布。
如图1b所示，温度曲线P源于环形传导中间区段2-2(＝加热元件)。最高温度TMAX可以在加热元件2-2的环形部分处达到，而温度T可以朝向独立膜2的中心部分(即，碟形中心区段2-1的内部)稍微降低ΔT。在中心区段2-1中，温度T在温度范围ΔT内，其中ΔT取决于中心区段2-1的材料的热导率，即，中心区段2-1的材料的热导率越高，ΔT越小。基于热发射器1的构造，温度减小量ΔT可以小于加热元件2-2的环形部分处的温度TMAX的15％、10％或5％。此外，随着从环形传导中间区段2-2朝向独立膜2的周边部分(即，边界区段2-3中)的横向距离减小，温度T可能迅速下降。
独立膜2的边界区段2-3的热隔离功能在很大程度上允许独立膜2的中间区段2-2与基底2(例如，块状Si)热解耦，这导致在绝缘材料12中具有穿孔4的边界区段2-3中，温度T迅速下降。
在激活热发射器1的中间区段2-2时，热量(温度T升高)在中间区段2-2中产生并且散布到热传导中心区段2-1中。该热量(大约为TMAX)可以由传导中间区段2-2和中心区段2-1以热(例如，红外)辐射的形式发射或耗散。
图2示出了热发射器1的示意性仰视3D视图。根据一个实施例，独立膜2的中心区段2-1、中间区段2-2和至少部分地边界区段2-3可以被布置在基底3中的腔或凹部6上。此外，独立膜2可以覆盖基底3中的腔6，其中独立膜2的边界区段2-3被附接到基底3。基底3可以例如包括块状半导体基底7，例如，块状硅。
在下文中，示例性地描述了热发射器1的若干不同的可能实现方式。在实施例的当前描述中，具有相同结构和/或功能的相同或相似元素被提供有相同的附图标记或相同的名称，其中将不会在每个实施例中重复对这些元素的详细描述。因此，以上关于图1a-图1b和图2的描述同样适用于如下所述的其他实施例。在以下描述中，详细讨论了如上所示的实施例的本质区别(例如，附加元素)以及由此产生的(多个)技术效果。
图3a示出了热发射器1的示意性局部俯视图，其中图3b示出了热发射器1沿图3a的热发射器的虚线相交线A的示意性截面局部视图。相交线A平行于y轴。
根据热发射器1的实施例，独立膜2的中心区段2-1可以包括被包封在绝缘材料12中的半导体层10的第一部分10-1。此外，独立膜2的传导中间区段2-2可以包括被包封在绝缘材料12中的半导体层10的第二部分10-2。绝缘材料12可以包括第一绝缘材料层12-1和第二绝缘材料层12-2，其中第一绝缘材料层12-1被布置在半导体层10的第一主表面区域10-A上，其中第二绝缘材料层12-2被布置在半导体层10的第二主表面区域10-B上，并且其中绝缘材料12的电介质分割线12-3被横向地布置在半导体层10的第一部分10-1和第二部分10-2之间，以将这两个部分电分隔。
此外，独立膜2的边界区段2-3可以包括被包封在绝缘材料12中的半导体层10的第三部分10-3，或者可以包括绝缘材料层12-2。可选地，绝缘材料12的另一电介质分割线12-3可以被横向布置在半导体层10的第二部分10-2与第三部分10-3之间，以将两个部分(在第三部分10-3存在的情况下)电分隔。
半导体层10的至少第二部分10-2被重掺杂。可选地，半导体层10的第一部分10-1和第三(可选)部分10-3也被重掺杂。
因此，热发射器1的独立膜2可以在绝缘材料12的第一绝缘材料层12-1与第二绝缘材料层12-2之间，作为包括半导体层10(部分10-1、10-2和可选的10-3)的层堆叠延伸。
绝缘材料12可以形成独立膜2的半导体层10(＝加热元件)(部分10-1和/或10-2)的钝化。加热元件本身可以被集成到独立膜(＝载体膜)2中，从而导致改进热加热器1的热性质。
如图3a-图3b所示，布线结构11被布置在独立膜2的边缘区域5-1处，以例如针对借助键合线而连接到控制和/或供电单元的外部电连接提供键合区域。布线结构11可以包括金、铂和/或钛材料或这些材料中的至少两种的层状堆叠，用于提供低接触电阻。如图3b中例示性所示，布线结构11可以包括金属层堆叠，金属层堆叠包括在传导中间区段2-2的半导体层10的第二部分10-2上的Ti层11-1、Ti层11-1上的Pt层11-2以及Pt层11-2上的Au层11-3。
由于中心区段2-1被热耦合到中间区段2-2，中心区段2-1的高导热材料允许在中心区段2-1中几乎均匀的热分布，并且因此允许在激活状态下(中间区段2-2通电)，传导中间区段2-2连同中心区段2-1的几乎均匀的热耗散。
如图3a-图3b所示，基底3可以包括块状半导体基底7和可选的绝缘层8，独立膜2被机械地附接到绝缘层8。根据另一实施例，可选的绝缘层8可以被省略，其中独立膜的第二绝缘材料层12-2也可以被直接连接至半导体基底7。
如图3a-图3b所示，半导体层10(及其部分10-1、10-2、可选的10-3)的(竖直)厚度d10可以在200nm至2000nm之间、在400nm至1300nm之间或者在500nm至800nm之间，或者为大约660nm+/-60nm(＝在600nm至720nm之间)。备选地，半导体层10的(竖直)厚度d10可以在80nm至1200nm之间、在160nm至700nm之间或者在250nm至400nm之间，或者为大约330nm+/-30nm(＝在300nm至360nm之间)。
绝缘材料层12-1、12-2的(竖直)厚度d12各自可以在50nm至400nm之间、在100nm至300nm之间或者在120nm至160nm之间，或者为大约140nm+/-10nm(在130nm至150nm之间)。
绝缘层8的(竖直)厚度d8可以在500nm至8000nm之间、在1000nm至4000nm之间或者在1800nm至2600nm之间，或者为大约2200nm+/-200nm(＝在2000至2400μm之间)。
块状基底7的(竖直)厚度d7各自在50μm至1000μm之间、100μm至750μm之间或者200μm至300μm之间，或者为大约250μm+/-25μm(＝在225μm至275μm之间)。
接触焊盘11可以包括金属层堆叠，金属层堆叠具有(竖直)厚度d11-1为大约400nm+/-40nm的Ti层11-1，(竖直)厚度d11-2为大约100nm+/-10nm的Pt层11-2以及(竖直)厚度d11-3为大约50nm+/-5nm Au层11-3。
以上值和/或值范围同样适用于本文所述的其他实施例。
图4a示出了热发射器1的示意性局部俯视图，其中图4b示出了热发射器1沿图4a的热发射器的虚线相交线B的示意性截面局部视图。相交线A平行于x轴。
如图4a-图4b所示，独立膜2的边界区段2-3可以包括具有穿孔4的组合绝缘材料层12-1和12-2，以提供通风和热隔离功能。
如图4a-图4b所示，基底3可以包括块状半导体基底7和可选的绝缘层8，独立膜2被机械地附接到绝缘层8。根据另一实施例，可选的绝缘层8可以被省略，其中独立膜的第二绝缘材料层12-2也可以被直接连接至半导体基底7。因此，独立膜2的边界区段2-3可以仅包括绝缘材料12，例如绝缘材料层12-1和12-2。
图5a示出了具有完全嵌入式等离子体结构9的热发射器1的示意性局部截面图。图5a的热发射器1的布置与图3b的热发射器1的布置的不同之处在于：热发射器1在独立膜2的中心区段2-1上和/或可选地在传导中间区段2-2上包括等离子体结构9，其中等离子体结构9被完全包封或封闭在绝缘材料12中，例如在第一绝缘材料层12-1中。根据一个实施例，等离子体结构9可以在热发射器1的操作期间，针对由独立膜2发射的IR辐射而形成带通滤波器或等离子体谐振器。
等离子体结构9可以包括呈现负实数介电常数的等离子体材料(金属或类金属材料或电介质材料)，例如，金、银或硅。
热发射器1可以作为具有宽发射频谱(例如，在0.25μm至3μm之间)的黑体发射器来发射光，例如，在加热元件(独立膜2的中心区段2-1和/或传导中间区段2-2)处包括等离子体结构9可以在期望的波长范围内增强辐射。因此，热发射器1可以被配置为将预定波长谱中的热辐射(例如，红外辐射)发射到例如气体传感器或流体传感器的测量腔中。所发射的热辐射的特定波长可以与待检测的气体或流体(即，所谓的分析物或目标气体/流体)相关。
通过将等离子体结构9嵌入绝缘材料12中，等离子体结构9的材料向基础材料中的解吸、粘附力的损失或扩散/合金化可以被防止。热发射器1(加热结构)可以被提供有在期望波长范围内的增强发射，其中长期稳定性、长寿命、高效率和小芯片尺寸可以被实现。
图5b示出了具有部分嵌入式等离子体结构的热发射器的示意性截面局部视图。图5b的热发射器1的布置与图5a的热发射器1的布置的不同之处在于，热发射器1在独立膜2的中心区段2-1上和/或可选地在传导中间区段2-2上包括等离子体结构9，其中等离子体结构9被部分包封或封闭在绝缘材料12中。
如图5b中所示，等离子体结构9可以被直接布置在独立膜2的中心区段2-1上和/或可选地布置在传导中间区段2-2上。因此，等离子体结构9被包封在绝缘材料12与半导体层10的相应部分10-1和/或10-2之间。
图5c示出了根据一个实施例的具有至少部分暴露的等离子体结构9的热发射器的示意性截面局部视图。图5c的热发射器1的布置与图5a-图5b的热发射器1的布置的不同之处在于，热发射器1在独立膜2的中心区段2-1上和/或可选地在传导中间区段2-2上包括等离子体结构9，其中等离子体结构9被布置在绝缘材料12的第一绝缘材料层12-1上并且远侧主表面区域9-A(＝避开层12-1)被至少部分或完全暴露于环境。
图5d示出了根据另一实施例的具有等离子体谐振器9-1的热发射器1的示意性局部截面图。如图5a至图5c中的任一个所示，热发射器1可以包括与半导体层10的第一主表面区域10-A相邻的等离子体结构9，其中反射层9-2被布置在半导体层10的相对侧上，即，邻近于半导体层10的第二主表面区域10-B。反射层9-2可以在膜2的底侧上包括反射材料(例如，金属)。针对等离子体的反射材料通常是低欧姆材料。
图6a示出了根据一个实施例的MEMS气体传感器或MEMS流体传感器20的示意性截面图。与热发射器1有关的上述评估同样适用于图6a的热发射器(＝辐射源)1。在当前上下文中，实施例可以涉及例如在环境大气中可能存在的气体或气体成分的检测和感测。但是，本概念通常适用于流体或流体成分的检测和感测，其中术语流体通常可以涉及液体或气体。在环境介质涉及环境空气的情况下，目标流体可以涉及环境空气(＝环境大气)中存在的目标气体或目标气体成分。本发明同样适用于感测环境介质、环境气体或环境液体中的目标液体或目标液体成分。
根据一个实施例，MEMS气体传感器20可以被布置为PAS传感器(PAS＝＝光声光谱)，可以包括用于发射热辐射22的热发射器1，并且可以包括具有目标气体GT并为所发射的热辐射22提供光学相互作用路径26的测量体积24，并且可以包括声学换能器28或热检测器以用于基于所发射的热辐射22与测量体积中的目标气体GT的光学相互作用而提供检测器输出信号SOUT。如图6a所示，热发射器1和声学换能器28被布置在相互测量体积(＝腔)24内部。
光声原理提供了非常高的选择性以及相对便宜的组件集合，例如，(红外)发射器1、可选的滤波器9和检测器28。PAS原理示出了例如对作为目标气体的二氧化碳的良好灵敏性。
腔24被布置用于为提供光学相互作用路径26，光学相互作用路径26用于具有中心波长λ0的热辐射22与腔24中的目标气体GT的相互作用，其中腔24对于包括目标气体成分的环境气体是可接近的，例如穿过壳体32中的至少一个进入开口30。气体传感器20可以被形成为PAS配置中的MEMS气体传感器(MEMS＝微机电系统)。腔24可以被形成为波导或反射壳体36，其中成形的结构壳体壁(＝腔壁)上的诸如金属层的反射涂层可以借助反射来引导所发射的辐射穿过相互作用路径。如图6a所示，腔24由壳体32形成。
所发射的辐射22的特定波长可以针对待检测的相应气体或气体组分(即，所谓的分析气体或目标气体GT)来设置。发射器结构1可以被配置为间歇地或周期性地发射热辐射22。因此，测量腔24内部的环境气体(包括目标气体)吸收经间歇地发射的热辐射，并且因此，响应于所发射的热辐射，气体被间歇地或周期性地加热和冷却。测量腔24内部的气体的吸收以及相关的加热和冷却可以在腔24内部产生交替的压力增加和压力减少。这些压力变化可以由声学换能器28(例如，MEMS麦克风)来检测。气体对所发射的热辐射的吸收量以及腔24内部的相关压力变化可以取决于腔24内部的气体种类，并且其可以随着相应目标气体GT及其浓度而变化。每个目标气体GT可以包括特征吸收频谱，即，它可以响应于所发射的热辐射22而引起特征压力变化。所述特征吸收频谱也可以被称为气体特定的指纹。因此，声学换能器28可以记录可以是相应目标气体GT的特征的信号，使得声学换能器28可以由此检测和标识相应目标气体GT。
根据一个实施例，气体传感器20可以可选地包括处理电路或控制器34，用于向IR发射器1提供(例如，时变或脉冲的)激励信号S1，并且用于读出并可选地处理声学换能器28的相应输出信号SOUT，并且用于提供气体传感器输出信号S34，气体传感器输出信号S34具有与腔24中环境气体中的目标气体成分GT的浓度有关的信息。处理电路34可以由ASIC形成(ASIC＝专用集成电路)。
图6b示出了根据一个实施例的气体传感器或流体传感器20’的另一示例的示意性截面图。与热发射器1有关的上述评估同样适用于图6b的热发射器(＝辐射源)1。
根据一个实施例，MEMS气体传感器20’可以被布置为NDIR传感器(NDIR＝非分散红外)。MEMS气体传感器20’可以包括用于发射热辐射22的热发射器1，并且可以包括具有目标气体GT并为所发射的热辐射22提供光相互作用路径26的测量体积24，并且可以包括(直接)热检测器28’，用于基于所发射的热辐射22与测量体积中目标气体GT的光学相互作用来提供检测器输出信号SOUT。如图6b所示，热发射器1和检测器28可以被布置在腔24的外部。
NDIR气体传感器20’专门测量样本室24中目标气体GT的丰度或浓度。如果在从红外光源1到检测器28’的相互作用路径26中存在气体，则在非分散系统中，如果具有中心波长λ0的IR辐射22落入目标气体GT的吸收频谱中，IR辐射22被(多个)目标气体吸收。吸收程度取决于环境气体中目标气体GT的浓度或者是其度量。
腔24可以被形成为波导或反射壳体32，其中成形的结构壳体壁(＝腔壁)上的诸如金属层的反射涂层可以借助反射来引导所发射的辐射穿过相互作用路径。例如穿过壳体32中的至少一个进入开口30，腔24对于包括目标气体成分的环境气体是可接近的。
描述了可以单独使用或与本文描述的特征和功能组合使用的附加的实施例和各方面。
根据一个实施例，热发射器包括由基底支撑的独立膜，其中独立膜在横向延伸中包括中心区段、传导中间区段和边界区段，其中传导中间区段横向地围绕中心区段并且与中心区段电隔离，传导中间区段包括被包封在绝缘材料中的导电半导体材料，以及其中边界区段至少部分围绕中间区段并且与传导中间区段电隔离，其中穿孔穿过边界区段而形成。
根据一个实施例，独立膜作为与基底的主表面区域平行的层堆叠而延伸，其中层堆叠包括导电半导体层，导电半导体层被包封在具有绝缘材料的封装层中。
根据一个实施例，传导中间区段形成由中心区段分割的分支电流路径。
根据一个实施例，独立膜的传导中间区段包括重掺杂半导体层，重掺杂半导体层被包封在绝缘材料中，其中导电半导体材料包括多晶硅或单晶硅，并且其中绝缘材料包括氮化硅。
根据一个实施例，独立膜的传导中间区段在独立膜的两个横向相对边缘区域之间延伸。
根据一个实施例，独立膜的传导中间区段包括在独立膜的多个相关联边缘区域之间延伸的多个导体臂，其中独立膜的传导中间区段的多个臂和边缘区域相对于穿过中心区段的中心点的对称线而对称地布置。
根据一个实施例，独立膜的中心区段和中间区段被布置在基底中的腔上。
根据一个实施例，独立膜覆盖基底中的腔，其中独立膜的边界区段被附接到基底。
根据一个实施例，基底包括块状半导体基底和绝缘层，其中绝缘层形成基底的主表面区域，独立膜被附接至基底的主表面区域。
根据一个实施例，边界区段中的穿孔在独立膜中形成通风孔或多个通风孔。
根据一个实施例，独立膜的边界区段包括被包封在绝缘材料中的半导体层或包括绝缘材料层。
根据一个实施例，独立膜的中心区段包括被包封在绝缘材料中的半导体层或包括绝缘材料层。
根据一个实施例，独立膜的中心区段是碟状散热器结构，碟状散热器结构具有例如在298℃下热导率κ≥30W/m*K的高导热材料。
根据一个实施例，热发射器还在独立膜的中心区段和传导中间区段上包括等离子体结构，其中等离子体结构在热发射器的操作期间，针对由独立膜发射的IR辐射而形成带通滤波器。
根据一个实施例，等离子体结构针对所发射的IR辐射，形成等离子体谐振器。
根据一个实施例，热发射器形成操作温度在800℃至1100℃之间的范围内的MEMSIR发射器。
根据一个实施例，一种MEMS气体或流体传感器可以包括上述用于发射热辐射的热发射器、具有目标气体或目标流体并且针对所发射的热辐射来提供光学相互作用路径的测量体积以及声学换能器或(直接)热检测器，声学换能器或(直接)热检测器用于基于所发射的热辐射与测量体积中的目标气体或目标流体的光学相互作用来提供检测器输出信号。
尽管已在设备的上下文中将一些方面描述为特征，但是很清楚，这样的描述也可以被认为是方法的对应特征的描述。尽管已在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但是很清楚，这样的描述也可以被认为是关于与设备的功能有关的对应特征的描述。
在前面的具体实施方式中，可以看出，为了简化本公开的目的，在示例中将各种特征组合在一起。本公开的方法不应被解释为反映了所要求保护的示例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，主题可以少于单个公开示例的所有特征。因此，所附权利要求由此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以作为独立的示例而独立存在。尽管每个权利要求可以独立作为单独的示例，但应注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括从属权利要求与其他从属权利要求的主体的组合，或者每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非指出不意图特定的组合，否则在本文中提出了这样的组合。此外，意图是即使该权利要求未直接从属于独立权利要求，也将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求中。
尽管本文已图示和描述了特定实施例，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本实施例的范围的情况下，各种替代和/或等效的实现方式可以代替所示出和描述的特定实施例。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，旨在使得实施例仅由权利要求及其等同物来限制。

Claims (17)

1.一种热发射器(1)，包括：
由基底(3)支撑的独立膜(2)，其中所述独立膜(2)在横向延伸中包括中心区段(2-1)、电传导中间区段(2-2)和边界区段(2-3)，
其中所述传导中间区段(2-2)横向地围绕所述中心区段(2-1)并且与所述中心区段(2-1)电隔离，所述传导中间区段(2-2)包括被包封在绝缘材料中的导电半导体材料，以及
其中所述边界区段(2-3)至少部分地围绕所述中间区段(2-2)并且与所述传导中间区段(2-1)电隔离，其中穿孔(4)穿过所述边界区段(2-3)而形成。
2.根据权利要求1所述的热发射器，其中所述独立膜(2)作为与所述基底(3)的主表面区域(3-1)平行的层堆叠而延伸，其中所述层堆叠包括导电半导体层，所述导电半导体层被包封在具有所述绝缘材料的封装层中。
3.根据权利要求1或2所述的热发射器，其中所述传导中间区段(2-2)形成由所述中心区段(2-1)分隔的分支电流路径。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述传导中间区段(2-2)包括重掺杂半导体层，所述重掺杂半导体层被包封在所述绝缘材料中，其中所述导电半导体材料包括多晶硅或单晶硅，并且其中所述绝缘材料包括氮化硅。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述传导中间区段(2-2)在所述独立膜(2)的两个横向相对边缘区域(5-1、5-2)之间延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述传导中间区段(2-2)包括在所述独立膜(2)的多个相关联边缘区域(5-1，5-2，…，5-n)之间延伸的多个导体臂(2-2-1，2-2-2，…，2-2-n)，其中所述独立膜(2)的所述传导中间区段(2-2)的所述多个臂(2-2-1，2-2-2，…，2-2-n)和所述边缘区域(5-1，5-2，…，5-n)相对于穿过所述中心区段2-1的所述中心点的对称线(AA)而对称地布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述中心区段(2-1)和所述中间区段(2-2)被布置在所述基底(3)中的腔(6)上。
8.根据权利要求7所述的热发射器，其中所述独立膜(2)覆盖所述基底(3)中的所述腔(6)，其中所述独立膜(2)的所述边界区段(2-3)被附接到所述基底(3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述基底(3)包括块状半导体基底(7)和绝缘层(8)，其中所述绝缘层(8)形成所述基底(3)的主表面区域(3-1)，所述独立膜(2)被附接到所述基底(3)的所述主表面区域(3-1)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述边界区段(2-3)中的所述穿孔(4)在所述独立膜(2)中形成通风孔或多个通风孔。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述边界区段(2-3)包括被包封在绝缘材料中的半导体层或者包括绝缘材料层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述中心区段(2-1)包括被包封在绝缘材料中的半导体层或者包括绝缘材料层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述独立膜(2)的所述中心区段(2-1)是碟形散热器结构，所述碟形散热器结构具有在298℃下热导率为κ≥30W/m*K的高导热材料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，还在所述独立膜(2)的所述中心区段(2-1)和所述传导中间区段(2-2)上包括等离子体结构(9)，其中所述等离子体结构(9)在所述热发射器的操作期间，针对由所述独立膜(2)发射的IR辐射而形成带通滤波器。
15.根据权利要求14所述的热发射器，其中所述等离子体结构(9)针对所发射的IR辐射而形成等离子体谐振器(9-1)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的热发射器，其中所述热发射器形成操作温度在800℃至1100℃之间的范围内的MEMS IR发射器。
17.一种MEMS气体或流体传感器，包括：
根据前述权利要求1至15中任一项所述的用于发射热辐射的热发射器；
具有目标气体或目标流体并且针对所发射的热辐射提供光学相互作用路径的测量体积，以及
声学换能器或直接热检测器，用于基于所发射的热辐射与所述测量体积中所述目标气体或目标流体的光学相互作用来提供检测器输出信号。
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