CN114111868A - 光声传感器和所属的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及光声传感器和所属的制造方法。一种光声传感器包括：具有光学MEMS发射器的第一层；堆叠在第一层之上的第二层，其具有MEMS压力传感器和透光窗口，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置；以及堆叠在第二层之上的第三层，其具有用于参考气体的腔体。光学MEMS发射器被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和用于参考气体的腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。

Description

光声传感器和所属的制造方法
技术领域
本公开涉及光声传感器和制造光声传感器的方法。
背景技术
光声传感器例如可以被设计用于探测环境空气中的某些气体种类。尤其是可以证明环境空气中的有害或危险成分。因此，这种光声传感器的正确运行在许多应用中非常重要，特别是当光声传感器需要保证工作人员安全时。光声传感器制造商不断努力改进他们的产品。特别地，可能希望提供具有改进结构的廉价光声传感器。此外，可能希望提供制造这种光声传感器的改进方法。
发明内容
各个方面涉及一种光声传感器。该光声传感器包括：具有光学MEMS发射器的第一层；堆叠在第一层之上的第二层，其具有MEMS压力传感器和透光窗口的，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置；以及堆叠在第二层之上的第三层，其具有用于参考气体的腔体。光学MEMS发射器被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和用于参考气体的腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
各个方面涉及一种光声传感器。该光声传感器包括发射器部件，该发射器部件包括具有光学MEMS发射器的第一层和布置在第一层之上的盖体。光声传感器还包括与发射器部件分开的压力传感器部件，该压力传感器部件包括具有MEMS压力传感器和透光窗口的第二层，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置，以及堆叠在第二层之上的第三层，具有用于参考气体的腔体，其中光学MEMS发射器被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和用于参考气体的腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
各个方面涉及制造光声传感器的方法。该方法包括：提供具有光学MEMS发射器的第一层，将具有MEMS压力传感器和透光窗口的第二层堆叠在第一层之上，MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置；以及将具有用于参考气体的腔体的第三层堆叠在第二层之上。光学MEMS发射器被设计为沿光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
附图说明
下面参考附图更详细地解释根据本公开的装置和方法。附图中所示的元件不必相对于彼此按比例绘制。相同的参考符号可以表示相同的部件。
图1包含图1A至1E，图1A示意性地示出了根据本公开的光声传感器100的横截面侧视图，而图1B至1E示出了光声传感器100的部分的俯视图。
图2示意性地示出了根据本公开的光声传感器200的横截面侧视图。
图3示意性地示出了根据本公开的光声传感器300的横截面侧视图。
图4示意性地示出了根据本公开的光声传感器400的横截面侧视图。
图5示意性地示出了根据本公开的光声传感器500的横截面侧视图。
图6示意性地示出了根据本公开的光声传感器600的横截面侧视图。
图7示意性地示出了根据本公开的光声传感器700的横截面侧视图。
图8示意性地示出了根据本公开的光声传感器800的横截面侧视图。
图9示意性地示出了根据本公开的光声传感器900的横截面侧视图。
图10示意性地示出了根据本公开的发射器部件1000的横截面侧视图。
图11示意性地示出了根据本公开的压力传感器部件1100的横截面侧视图。
图12示意性地示出了根据本公开的光声传感器1200的横截面侧视图。
图13示意性地示出了根据本公开的光声传感器1300的透视图。
图14示出了根据本公开的用于制造光声传感器的方法的流程图。
具体实施方式
下面描述的图显示了根据本公开的装置和方法。所描述的装置和方法可以以一般方式呈现以便定性地描述本公开的方面。所描述的装置和方法可以具有另外的方面，为了简单起见可以不在相应的图中示出。然而，相应示例可以扩展为包括结合根据本公开的其他示例描述的方面。因此，与特定附图有关的说明同样适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可以具有带有光学MEMS发射器4的第一层2。具有MEMS压力传感器8和透光窗口10的第二层6可以堆叠在第一层2之上。此外，具有用于参考气体16的腔体14的第三层12可以堆叠在第二层6之上。在图1的示例中，光声传感器100可以可选地具有布置在第一层2和第二层6之间的间隔层18。开口20可以形成在第二层6和间隔层18中。
第一层2可以例如由半导体材料制成，特别是硅。在这种情况下，第一层2在z方向上的厚度可以在例如从大约350微米到大约450微米的范围内。光学MEMS发射器4可以集成到第一层2或其半导体材料中。第一层2因此也可以被称为半导体芯片或MEMS半导体芯片。在一个示例中，光学MEMS发射器4可以具有可移动的MEMS结构，其可以例如以用于产生光辐射26的加热膜的形式来实现。图1E示出了第一层2的俯视图。从图1E可以看出，光学MEMS发射器4或其可移动结构例如可以具有圆形形状。在进一步的示例中，可以不同地选择该形状，例如椭圆形、矩形、正方形等。
第一层2可视为光声传感器100的光声发射单元。光学MEMS发射器4可以特别是宽带发射器，其可以被设计为在宽频率范围内发射光辐射26。换言之，宽带发射器发射的辐射26不仅可以具有预定频率还可以具有预定频带。
本说明书中使用的术语“光学”和“光辐射”通常可以指电磁波谱的子范围，其波长在大约100nm和大约100μm之间。即，光辐射26可以特别地包括以下中的至少一种：具有大约100nm到大约380nm波长的紫外(UV)辐射、具有大约780nm到大约100μm波长的红外(IR)辐射、或具有波长大约780nm至大约5μm的辐射，即近红外辐射和部分中红外辐射。此外，后者的范围可以包括4.26μm处的二氧化碳吸收线/吸收带和其他气体种类。更具体地，光辐射26可以具有大约300nm到大约20μm的波长。
光学MEMS发射器4可以被设计为发射具有预定重复频率和一个或多个预定波长的光脉冲。预定波长可包括待探测气体或参考气体16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和大约100Hz之间，对应于大约0.01s到大约1s的脉冲持续时间范围。
第一层2可以可选地具有可以集成到第一层2的半导体材料中的另外的电子元件。在一个示例中，第一层2可以具有逻辑电路(未示出)，该逻辑电路可以被设计为逻辑地处理由MEMS压力传感器8检测到的信号和/或控制光学MEMS发射器4。例如，逻辑电路可以被设计针对控制功能、信号处理、数字化、信号放大等中的一个或多个。例如，逻辑电路可以设计为ASIC(专用集成电路)的形式。
第一层2可以具有一个或多个电接口22，其例如可以布置在第一层2的顶侧。在图1E的俯视图中，第一层2示例性地可以具有四个电接口22。电接口22可以例如通过一个或多个电连接元件24触电接通。在图1A中，电连接元件24示例性的通过键合线示出。光学MEMS发射器4或其可移动结构可以通过电连接元件24和电接口22又另外的、特别是外部的部件(未示出)电接触并且例如控制。
第二层6可以例如由半导体材料制成，特别是硅。第二层6在z方向上的厚度可以在从大约350微米到大约450微米的范围内。MEMS压力传感器8或MEMS压力传感器8的一个或多个可移动MEMS结构可以集成到第二层6或其半导体材料中。因此，第二层6可以被称为半导体芯片或MEMS半导体芯片。本说明书中指定的MEMS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，其可以例如基于压电传感器技术和/或电容传感器技术。图1C示出了第二层6的俯视图。从图1C可以看出，MEMS压力传感器8或其可移动结构例如可以具有圆形形状。在另外的示例中，可以不同地选择该形状，例如椭圆形、矩形、正方形等。第二层6可以被视为光声传感器100的光声探测器单元。
类似于第一层2，第二层6可具有一个或多个电接口22，其可布置在例如第二层6的顶侧。在图1C的俯视图中，第二层6例如可以具有四个电接口22。电接口22可以例如通过一个或多个电连接元件24触电接通。在图1A的示例中，电连接元件24通过键合线示出。由MEMS压力传感器8或其可移动结构检测到的信号可以通过电接口22和电连接元件24被传输到另外的、特别是外部的部件(未示出)。
MEMS压力传感器8和透光窗口10可以彼此横向、即在x方向和/或y方向上偏移地布置。在一个示例中，透光窗口10可以由第二层6的半导体材料制成。透光窗口10在z方向上的厚度可以例如在从大约100微米到大约200微米的范围内。从图1C的俯视图可以看出，透光窗口10可以例如具有圆形形状。在另外的示例中，可以不同地选择形状，例如椭圆形、矩形、正方形等。透光窗口10可以被设计为允许光辐射26的至少一部分通过。在该上下文中应当注意，硅材料可以是至少部分IR透明的，即IR辐射可穿透的。
在一个示例中，透光窗口10可以具有带通结构(未示出)，其可以被设计为至少允许具有参考气体16的吸收带和/或吸收线的波长的光辐射通过。在一个示例中，带通结构可以通过透光窗口10的气相沉积来提供，其中一个或多个λ/4层在彼此的顶部。在这种情况下，λ/4层可以由例如氮化硅和/或多晶硅制成。在另一示例中，透光窗口10可以具有抗反射涂层(未示出)，其可设计为抑制可由光学MEMS发射器4提供的光辐射26的反射。通过抗反射涂层可以增加透光窗口10的透射率。
在第二层6中形成的开口20的部段可以形成通向光声传感器100的周围环境(或周围空气)的气体通道。气体通道尤其可以提供与在周围环境中并且待探测的气体的连接。在图1A的示例中，开口20可以布置在透光窗口10下方并且例如在y方向上延伸。
第三层12可由半导体材料(特别是硅)或玻璃材料中的至少一种制成。第二层6和第三层12可以是晶片键合的，即可以在晶片级进行两层的连接。用于参考气体16的腔体14可以设计为气密密封的。图1B示出了第三层12的俯视图。从图1B可以看出，腔体14可以例如具有基本上矩形的形状。在另外的示例中，可以不同地选择形状，例如圆形、椭圆形、方形等。具有位于其中的参考气体16的腔体14可以被称为光声传感器100的参考单元。例如，本说明书中指定的参考气体16可以是二氧化碳、氮氧化物、甲烷、氨等。
下面描述光声传感器100的操作模式。根据本公开在此描述的其他光声传感器可以以类似的方式操作。
光学MEMS发射器4可以沿着光路传输光辐射26，该光路可以基本上沿直线穿过间隔层18和第二层6中的开口20，延伸穿过透光窗口10和参考气体16。由光学MEMS发射器4发射的光脉冲26因此可以通过由开口20形成的中间空间，该中间空间例如可以填充有环境空气。当传播通过开口20时，光脉冲26可以至少部分地被待探测气体部分吸收，如果这种气体存在于开口20中(即，在环境空气中)。吸收可以特定于待探测气体，例如待探测气体的原子或分子的特征旋转或振荡模式。
光脉冲26可以通过窗口10的光学透明材料进入第三层12的腔体14，并在该处与参考气体16的原子或分子相遇。参考气体16可以对应于待探测气体。光脉冲26可以至少部分地被参考气体16吸收并且导致参考气体16中的局部压力增加。这些压力增加可以由MEMS压力传感器8或MEMS压力传感器8的可移动结构检测到。MEMS压力传感器8检测到的信号可以由一个或多个电路(未示出)逻辑处理，如上所述。
如果在开口20或环境空气中没有待探测气体的份额，则由光学MEMS发射器4发射的光脉冲26仅被参考气体16吸收，并且MEMS压力传感器8被周期性测量信号用光脉冲26的重复频率和第一幅度检测。与此相反，如果待探测气体的份额存在于开口20中，则光辐射26可以额外地被这些份额吸收。MEMS压力传感器8然后将输出具有第二幅度的周期性测量信号，该第二幅度可以小于第一幅度。基于第一和第二幅度的大小和走势，可以确定环境空气中待探测气体的存在和/或浓度。如果待探测气体的浓度超过预定阈值，则光声传感器100或与其连接的装置可以输出信号，特别是警告信号。
在图1的示例中，光声传感器100可以可选地具有布置在第一层2和第二层6之间的间隔层18。特别地，间隔层18和第二层6可以是晶片键合的。在这种情况下，位于MEMS压力传感器8的可移动结构下方的、用于参考气体16的腔体28可以被设计为气密密封的。间隔层18可以由半导体材料(特别是硅)或玻璃材料中的至少一种制成，并且可以形成开口20的一个部段。图1D示出了间隔层18的俯视图。从图1D可以看出，开口20的该部段可以具有例如基本矩形的形状。特别地，第二层6和间隔层18的开口部分可以彼此齐平地终止。
间隔层18的开口部段可以形成通向光声传感器100的周围环境(或周围空气)的气体通道的一部分。可通过气体管道提供与环境中的且待探测的气体的连接。通过额外使用间隔层18，可以扩大开口20在z方向，即光路方向上的尺寸。以此方式，可以提供吸收长度的增加，即，由于通过位于开口20中且待探测的气体的加长路径，可以更好地吸收光辐射26。
光声传感器100可以提供下述技术效果。这同样适用于根据本公开的在此描述的另外的光声传感器。
光辐射26可以沿着上述光路传输，并且在该过程中直接与参考气体16相遇。由于MEMS压力传感器8和透光窗口10的横向偏移，MEMS压力传感器8可以布置在光路的延伸路线之外，即光辐射26不与MEMS压力传感器8的可移动结构相遇。以这种方式，可以避免或至少减少不希望的热声干扰效应，这会导致MEMS压力传感器8的检测错误。由于参考单元壁中的吸收效应(与加热有关)，这种热声效应尤其可以产生额外的压力脉冲。
如果MEMS压力传感器8布置在两个硅层12和18之间，则在参考体积中仅会发生IR辐射的轻微IR吸收，因为所使用的硅对于IR辐射具有高透明度。通过这种方式，也可以避免或至少减少所提到的不希望的热声干扰效应。
在光声传感器100的生产过程中，层2、6、12和(可选)18可以在晶片级连接。这意味着在光声传感器100的生产过程中，层2、6、12和18中的至少一层最初可以是晶片的形式。例如，层或盖体12最初可以是玻璃晶片或硅晶片的一部分，其可以包括任意数量的另外的盖体。可以使用晶片键合技术将晶片彼此连接。然后可以将键合的晶片分成多个光声传感器100。使用晶片键合技术在晶片级制造光声传感器100可以比其他制造方法更成本低廉。
被分离的光声传感器100的层因此可以是晶片键合的，即各个层之间的连接可以是所谓的晶片键合的形式。根据相互接合的层的材料，可以使用不同的晶片键合技术。在一个示例中，它可以是不使用中间层的晶片键合。这尤其可以是直接键合或阳极键合。另一个示例可以是使用中间层的晶片键合。这尤其可以是玻璃熔块键合、焊接、共晶键合、热压键合或粘合剂键合。例如，可以使用粘合剂和/或管芯附着膜(DAF)进行键合。
图2的光声传感器200可以至少部分地类似于图1的光声传感器100。与图1不同，光声传感器200可以附加地具有另一层30，其可以堆叠在第一层2下方。附加层30可由半导体材料或玻璃材料中的至少一种制成。在一个示例中，层30可以具有逻辑电路，该逻辑电路例如可以被设计为逻辑地处理由MEMS压力传感器8检测到的信号和/或控制光学MEMS发射器4。在该上下文中并且类似于光声传感器200的另外的层，附加层30可以例如由ASIC晶片制造或者对应于其隔离的部分。在另一示例中，层30不一定必须具有电功能，但可以例如设计为保护光学MEMS发射器4。类似于图1中的层2和12，该层30可以通过一个或多个电接口22和电连接元件24被电接触。
图3的光声传感器300可以至少部分地类似于上述光声传感器，例如图2的光声传感器200。与图2不同，图3中的层30可以堆叠在层12之上。图2和3的层30可以具有相似的功能。类似于图2，可以通过一个或多个电接口22和电连接元件24与层30进行电接触。
图4的光声传感器400可以至少部分地类似于先前描述的光声传感器，例如图1的光声传感器100。与图1不同，可以设计为将光声传感器400机械和电连接到电路板(未显示)。在图4的侧视图中，示例性地示出了两个连接元件32。在另外的示例中，可以不同地选择连接元件32的数量，特别是大于两个。在图4的示例中，连接元件32可以布置在第三层12的顶侧上，其中右连接元件32经由第一电连接部34与光学MEMS发射器4连接，而左连接元件32经由第二电连接部34与MEMS压力传感器8电连接。
在一个示例中，一个或多个电连接34可以基于电镀技术制成。电连接部34可以布置在光声传感器400的层中的至少一层的侧表面上并且阶梯状地延伸，即被设计为克服可能形成上下堆叠的层之间形成的阶梯。例如，所使用的电镀技术可以基于使用可喷涂光掩模的光刻工艺。在所涉及的阶梯之上的布线和电镀仅需一个步骤就能实现。作为上述电镀技术的替代或补充，在另外的示例中，电连接部34也可以设计为电直通连接的形式，其可以在z方向上穿过光声传感器400的相应层。根据层的材料，这些直通连接可以是例如TSV(硅通孔)和/或TGV(玻璃通孔)。
图4的光声传感器400可以通过连接元件32直接与电路板(未示出)连接，例如通过焊接工艺。光声传感器400因此可以是可表面安装的部件或SMD(表面安装装置)。在z方向上看，光声传感器400的层可以基本叠合。换言之，光声传感器400可为芯片级封装(CSP)或芯片级壳体。
图5的光声传感器500可以至少部分地类似于上述光声传感器。例如，光声传感器500可以对应于处于倒置状态的图4的光声传感器400。与图4相反，光声传感器500可以安装在电路板36上。电路板36可以被认为是也可以不被认为是光声传感器500的一部分。在电路板36的顶部和/或底部，电路板36可以具有导电结构38，其可以通过通孔40彼此电连接。
图6的光声传感器600可以至少部分地类似于先前描述的光声传感器，例如图5的光声传感器500。与图5不同，光声传感器600可以具有布置在第三层12上的光敏装置42，例如可以包括一个或多个光电二极管。从图6中可以看出，光敏装置42可以布置在光辐射26的光路延伸路线之内。光敏装置42可以被设计为监测光学MEMS发射器4的输出强度或性能。通过随时间测量和评估被发射的光辐射26的强度，可以检测光学MEMS发射器4在其使用寿命期间可能发生的退化。由此可以抵消系统的系统偏差或漂移。
与图5不同，光声传感器600还可具有堆叠在第一层2之上的另一层44。该层44可以由半导体材料或玻璃材料中的至少一种制成，并且可以被配置为保护光学MEMS发射器4。光学反射结构46可以例如以金属化的形式布置在层44的底侧上。在图6的示例中，光学MEMS发射器4可以被设计为主要在负z方向上传输光辐射26。反射结构46可以设计为反射光学MEMS发射器4的在偏离该传输方向的方向上传输的光辐射26。在图6的示例中，从光学MEMS发射器4沿正z方向发射的光辐射可以被反射结构46反射。反射结构46因此可以充当反射镜并且在负z方向上增强光辐射的强度。
图7的光声传感器700可以至少部分地类似于上述光声传感器。光声传感器700可以具有载体48。在一个示例中，芯片载体48可以是层压板，特别是与电路板类似的有机多层基板形式的层压板。在这方面，芯片载体48可以例如具有类似于图5的电路板36的特性。在另一示例中，芯片载体48可以是陶瓷芯片载体。在又一个示例中，芯片载体48可以是引线框架，其可以由金属和/或金属合金制成。
传感器装置50和半导体芯片或半导体封装形式的逻辑电路52可以布置在芯片载体48的顶侧上。在图7的示例中，传感器装置50可以类似于图1中的传感器100。在图7的示例中，传感器装置50、逻辑电路52和载体48可以通过键合线彼此电连接。此外，可以在芯片载体48的顶侧之上布置具有一个或多个声孔56的盖体54。载体48和盖体54可以形成腔体58，其中传感器装置50和逻辑电路52可以布置在腔体58中的载体48的安装面上。
盖54可以例如由金属或金属合金制成。声孔56可以可选地至少部分地被膜(未示出)覆盖。例如，膜可以是多孔的，从而可以在腔体58和光声传感器700的周围环境之间提供气流或气体交换。膜可以防止污垢、污染物、颗粒等渗入腔体58。例如，膜可以由金属和/或有机材料制成。
图8的光声传感器800可以至少部分地类似于图7的光声传感器700并且具有相同的功能。与图7不同，图8的示例中的传感器装置50可以以其他类型布置。图8的壳体可以具有由模塑化合物制成的外套60和带有一个或多个声孔56的盖体54。外套60和盖体54可以形成腔体58，其中传感器装置50可以布置在腔体58中的外套60的底面上。例如，在图8中，传感器装置50可以类似于图3的光声传感器300。如上所述，逻辑电路可以集成在传感器装置50的层30中。
在图8的示例中，外套60和/或盖体54可以由例如模塑化合物制成。本说明书中提及的模塑化合物可包括环氧树脂、填充环氧树脂、玻璃纤维填充环氧树脂、酰亚胺、热塑性塑料、热固性聚合物、聚合物混合物中的至少一种。模塑化合物可以基于以下一种或多种技术而制成：压缩成型、注射成型、粉末成型、液体成型等。
电接口导体62可以延伸穿过外套60，光声传感器800可以经由电接口导体与电路板(未示出)电连接。在图8的示例中，布置在壳体中的电子部件可以经由键合线与电接口导体62电连接。因此可以经由电接口导体62和键合线提供电路板和布置在壳体中的电子部件之间的电连接。
图9的光声传感器900可以至少部分地类似于图7和8的光声传感器700和800并且具有相同的功能。与图7和8不同，图9中的传感器装置50可以以其他类型布置。例如，在图9的示例中，传感器装置50可以类似于图1的光声传感器100。
光声传感器900可具有引线框64，该引线框具有一个或多个安装面(例如以芯片垫66的形式)以及一个或多个接口导体(引线或引脚)68。接口导体68例如可以弯曲成翼状(“鸥翼形”)。在图9的示例中，传感器装置50可以安装在芯片垫66的顶侧上，而逻辑电路52可以安装在芯片垫66的底侧上。光声传感器900可以具有封装材料70，其可以例如由模塑化合物制成。此外，光声传感器900可以具有带有一个或多个声孔56的盖体54，其中盖体54可以由例如模塑化合物、金属和/或金属合金制成。逻辑电路52可以嵌入在封装材料70中，因此可以保护逻辑电路52可能存在的光敏结构免受光照。引线框64、封装材料70和盖体54可以形成腔体58，其中传感器装置50可以布置在腔体58中。
图10的发射器部件1000可以具有带有光学MEMS发射器4的层2。例如，层2可以类似于图1中的第二层2。可由玻璃材料或半导体材料中的至少一种制成的盖体72可布置在层2之上。在图10的示例中，盖体72可以具有凹陷。例如，在盖体72的内侧上，可以存在例如金属化形式的光学反射结构，如已经结合图6所描述的。盖体72可以设计为保护光学MEMS发射器4，尤其是其可移动结构。
图11的压力传感器部件1100可以具有带有MEMS压力传感器8和透光窗口10的层6，其中MEMS压力传感器8和透光窗口10可以彼此横向偏移地布置。例如，层6可以类似于图1中的第二层6。间隔层18可以布置在层6的底侧上(对此参见图1)。此外，具有用于参考气体16的腔体14的另一层12可以安装在层6的顶侧上(对此参见图1)。
图12的光声传感器1200可以至少部分地类似于上述光声传感器。特别地，光声传感器1200的壳体可以至少部分地类似于图9中描述的壳体类型。图11的压力传感器部件1100可以布置在载体或芯片垫66的上安装面上，而图10的发射器部件1000可以布置在芯片垫66的下安装面上。两个部件1000和1100因此可以通过芯片垫66彼此分开。引线框64或芯片垫66可具有开口74。开口74连同部件1000和1100中的切口可以一起形成腔体76，腔体76可以形成通向光声传感器1200的环境环境或周围气体的气体通道，如已经结合之前的示例所描述的。部件1000和1100可以布置在芯片垫66之上，使得光学MEMS发射器4可以沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过开口74、腔体76、透光窗口10和用于参考气体16的腔体14。类似于前面的示例，MEMS压力传感器8可以布置在光路的延伸路线之外。
例如，图13的光声传感器1300可以类似于图9和12的光声传感器900和1200。与图9和12不同，图13中的载体可以设计为类似PCB的基板78的形式，在其顶侧和/或底侧上可以布置例如图9和12中所示的部件。这些部件不一定必须在图13中可见，因为它们可以被一种或多种覆盖物或封装材料70覆盖。可以在封装材料70中形成一个或多个开口56，这些开口可以提供光声传感器1300的周围环境与其内部之间的气体连接。
基板78可以保持至少部分未被封装材料70覆盖，并且在其顶侧和/或底侧具有一个或多个电接口80。布置在封装材料70内的发射器和/或压力传感器部件可以经由电接口80从光声传感器1300的外部被电接触。光声传感器1300不一定必须是可表面安装的部件。相反，光声传感器1300可以例如利用基板78未被封装材料70覆盖的部分插入到插座(未示出)中。插座可在其内部具有电接触元件，当被插入时，该电接触元件可与电接口80电连接。
图14的方法为本发明光声传感器的制作方法。就此而言，可以结合前面的示例来阅读该方法。图14的方法以一般方式呈现以定性地描述本公开的方面。为了简单起见，该方法可以具有在图14中未示出和描述的其他方面。例如，该方法可以通过结合前述附图描述的一个或多个方面来扩展。
在82，可以提供具有光学MEMS发射器的第一层。在84，具有MEMS压力传感器和透光窗口的第二层可以堆叠在第一层之上，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移。在86，具有用于参考气体的腔体的第三层可以堆叠在第二层之上。光学MEMS发射器可以被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和腔体，并且其中MEMS压力传感器可以布置在光路的延伸路线之外。应当注意，图14的方法可以具有一个或多个进一步的可选动作。例如，将第三层堆叠在第二层之上的可以包括晶片键合操作，其中用于参考气体的腔体被气密密封。
示例
在下文中，将使用示例来解释光声传感器和相关的制造过程。
示例1是一种光声传感器，包括：第一层，具有光学MEMS发射器；堆叠在第一层之上的第二层，具有MEMS压力传感器和透光窗口，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置；以及堆叠在第二层之上的第三层，具有用于参考气体的腔体，其中光学MEMS发射器被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和用于参考气体的腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
示例2是根据示例1的光声传感器，其中第二层和第三层是晶片键合的，并且气密密封地形成用于参考气体的腔体。
示例3是根据示例1或2的光声传感器，其中第一层或第二层中的至少一个由半导体材料制成。
示例4是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中所述透光窗由所述第二层的半导体材料制成。
示例5是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中所述透光窗口包括带通结构，所述带通结构被设计为至少允许具有参考气体的吸收带或吸收线的波长的光辐射通过。
示例6是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中第三层由半导体材料或玻璃材料中的至少一种制成。
示例7是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中第二层包括开口，所述开口形成通向光声传感器的周围环境的气体通道。
示例8是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，还包括：布置在第一层与第二层之间的间隔层，所述间隔层具有开口，其中光路延伸穿过间隔层的开口。
示例9是根据示例8的光声传感器，其中间隔层的开口形成通向光声传感器的周围环境的气体通道的一部分。
示例10是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中所述第一层还包括逻辑电路，所述逻辑电路被设计为逻辑地处理由所述MEMS压力传感器检测到的信号、和/或控制所述光学MEMS发射器。
示例11是根据示例1至9中任一项所述的光声传感器，还包括：另一层，其堆叠在第一层之上或第三层之上，其中另一层包括逻辑电路，所述逻辑电路被设计为逻辑地处理由所述MEMS压力传感器检测到的信号、和/或控制所述光学MEMS发射器。
示例12是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，还包括：一个或多个连接元件，被设计为将光声传感器与电路板机械连接且电连接，其中连接元件布置在第三层上并通过电连接部与光学MEMS发射器和MEMS压力传感器电连接到。
示例13是根据示例12的光声传感器，其中电连接部基于电镀技术而制成，并且布置在光声传感器的层的至少一层的侧表面上。
示例14是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中光声传感器是可表面安装部件。
示例15是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，其中光声传感器是芯片级封装。
示例16是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，还包括：布置在第三层上的光敏装置，所述光敏装置布置在光路的延伸路线之内、并且被设计为监测光学MEMS发射器的输出强度。
示例17是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，还包括：布置在第一层之上的光学反射结构，其中光学MEMS发射器被设计为主要在第一方向上传输光辐射，并且其中反射结构被设计为反射光学MEMS发射器的在偏离第一方向的方向上传输的光辐射。
示例18是根据前述示例中任一项所述的光声传感器，还包括：与电路板类似的基板；以及带有声孔的盖体，其中基板和盖体形成腔体，其中具有第一层、第二层和第三层的层堆叠布置在腔体中的基板的安装面上。
示例19是根据示例1至17中任一项所述的光声传感器，还包括：由模塑化合物制成的外套；以及带有声孔的盖体，其中外套和盖体形成腔体，其中具有第一层、第二层和第三层的层堆叠布置在腔体中的外套的底面上。
示例20是根据示例1至18中任一项所述的光声传感器，还包括：引线框，其中具有第一层、第二层和第三层的层堆叠安装在引线框的第一安装面上，并且逻辑电路安装在引线框架的相对的第二安装面上；封装材料，其中逻辑电路嵌入封装材料中；和带有声孔的盖体，其中引线框、封装材料和盖体形成腔体，并且层堆叠布置在腔体中。
示例21是一种光声传感器，包括：发射器部件，包括：具有光学MEMS发射器的第一层和布置在第一层之上的盖体；以及与发射器部件分开的压力传感器部件，包括：具有MEMS压力传感器和透光窗口的第二层，其中MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置，以及堆叠在第二层之上的第三层，具有用于参考气体的腔体，其中光学MEMS发射器被设计为沿着光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和用于参考气体的腔体，并且其中MEMS压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
示例22是根据示例21所述的光声传感器，还包括：载体，其中发射器部件和压力传感器部件安装在载体的相对的安装面上，其中载体包括开口并且光路延伸穿过载体的开口。
示例23是根据示例21或22的光声传感器，还包括：封装材料，其中发射器部件嵌入封装材料中；以及带有声孔的盖体，其中，芯片载体、封装材料和盖体形成腔体，并且压力传感器部件布置在腔体中。
示例24是一种用于制造光声传感器的方法，该方法包括：提供具有光学MEMS发射器的第一层；将具有MEMS压力传感器和透光窗口的第二层堆叠在第一层之上，MEMS压力传感器和透光窗口彼此横向偏移地布置；以及将具有用于参考气体的腔体的第三层堆叠在第二层之上，其中光学MEMS发射器被设计为沿光路传输光辐射，其中光路延伸穿过透光窗口和腔体，并且其中MEMS-压力传感器布置在光路的延伸路线之外。
示例25是根据示例24的方法，其中在第二层之上堆叠第三层包括晶片键合操作，其中用于参考气体的腔体被气密密封。
尽管在此示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以用多种替代和/或等效实施方式替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在涵盖本文讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (25)

1.一种光声传感器，包括：
第一层(2)，具有光学MEMS发射器(4)；
堆叠在所述第一层(2)之上的第二层(6)，具有MEMS压力传感器(8)和透光窗口(10)，其中所述MEMS压力传感器(8)和所述透光窗口(10)彼此横向偏移地布置；以及
堆叠在所述第二层(6)之上的第三层(12)，具有用于参考气体(16)的腔体(14)，
其中所述光学MEMS发射器(4)被设计为沿着光路传输光辐射(26)，其中所述光路延伸穿过所述透光窗口(10)和所述用于参考气体(16)的腔体(14)，并且其中所述MEMS压力传感器(8)布置在所述光路的延伸路线之外。
2.根据权利要求1所述的光声传感器，其中所述第二层(6)和所述第三层(12)是晶片键合的，并且所述第二层(6)和所述第三层(12)气密密封地形成所述用于参考气体(16)的腔体(14)。
3.根据权利要求1或2所述的光声传感器，其中所述第一层(2)或所述第二层(6)中的至少一个层由半导体材料制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述透光窗口(10)由所述第二层(6)的半导体材料制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述透光窗口(10)包括带通结构，所述带通结构被设计为至少允许具有所述参考气体(16)的吸收带或吸收线的波长的光辐射通过。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述第三层(12)由半导体材料或玻璃材料中的至少一种材料制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述第二层(6)包括开口(20)，所述开口形成通向所述光声传感器的周围环境的气体通道。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，还包括：
布置在所述第一层(2)与所述第二层(6)之间的间隔层(18)，所述间隔层具有开口(20)，其中所述光路延伸穿过所述间隔层(18)的所述开口(20)。
9.根据权利要求8所述的光声传感器，其中所述间隔层(18)的所述开口(20)形成通向所述光声传感器的所述周围环境的所述气体通道的一部分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述第一层(2)还包括逻辑电路，所述逻辑电路被设计为逻辑地处理由所述MEMS压力传感器(8)检测到的信号、和/或控制所述光学MEMS发射器(4)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的光声传感器，还包括：
另一层(30)，所述另一层堆叠在第一层(2)之上或所述第三层(6)之上，其中所述另一层(30)包括逻辑电路，所述逻辑电路被设计为逻辑地处理由所述MEMS压力传感器(8)检测到的信号、和/或控制所述光学MEMS发射器(4)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，还包括：
一个或多个连接元件(32)，被设计为将所述光声传感器与电路板(36)机械连接且电连接，其中所述连接元件(32)布置在第三层(12)上、并通过电连接部(34)与所述光学MEMS发射器(4)和所述MEMS压力传感器(8)电连接。
13.根据权利要求12所述的光声传感器，其中所述电连接部(34)基于电镀技术而制成，并且布置在所述光声传感器的这些层中的至少一层的侧表面上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述光声传感器是可表面安装部件。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，其中所述光声传感器是芯片级封装。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，还包括：
布置在所述第三层(12)上的光敏装置(42)，所述光敏装置布置在所述光路的所述延伸路线之内、并且被设计为监测所述光学MEMS发射器(4)的输出强度。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，还包括：
布置在所述第一层(2)之上的光学的反射结构(46)，
其中所述光学MEMS发射器(4)被设计为主要在第一方向上传输光辐射，并且
其中所述反射结构(46)被设计为反射所述光学MEMS发射器(4)的在偏离所述第一方向的方向上传输的光辐射。
18.根据前述权利要求中任一项所述的光声传感器，还包括：
与电路板类似的基板(48)；以及
带有声孔(56)的盖体(54)，
其中所述基板(48)和所述盖体(54)形成腔体(58)，其中具有所述第一层(2)、所述第二层(6)和所述第三层(12)的层堆叠布置在所述腔体(58)中的所述基板(48)的安装面上。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的光声传感器，还包括：
由模塑化合物制成的外套(60)；以及
带有声孔(56)的盖体(54)，
其中所述外套(60)和所述盖体(54)形成腔体(58)，其中具有所述第一层(2)、所述第二层(6)和所述第三层(12)的层堆叠布置在所述腔体(58)中的所述外套(60)的底面上。
20.根据权利要求1至18中任一项所述的光声传感器，还包括：
引线框(64)，其中具有所述第一层(2)、所述第二层(6)和所述第三层(12)的所述层堆叠安装在所述引线框(64)的第一安装面上，并且逻辑电路(52)安装在所述引线框架(64)的相对的第二安装面上；
封装材料(70)，其中所述逻辑电路(52)嵌入所述封装材料(70)中；以及
带有声孔(56)的盖体(54)，
其中所述引线框(64)、所述封装材料(70)和所述盖体(54)形成腔体(58)，并且所述层堆叠布置在所述腔体(58)中。
21.一种光声传感器，包括：
发射器部件(1000)，包括：
具有光学MEMS发射器(4)的第一层(2)，和
布置在所述第一层(2)之上的盖体(72)；以及
与所述发射器部件(1000)分开的压力传感器部件(1100)，包括：
具有MEMS压力传感器(8)和透光窗口(10)的第二层(6)，其中所述MEMS压力传感器(8)和所述透光窗口(10)彼此横向偏移地布置，以及
堆叠在所述第二层(6)之上的第三层(12)，具有用于参考气体(16)的腔体(14)，
其中所述光学MEMS发射器(4)被设计为沿着光路传输光辐射(26)，其中所述光路延伸穿过所述透光窗口(10)和所述用于参考气体(16)的腔体(14)，并且其中所述MEMS压力传感器(8)布置在所述光路的延伸路线之外。
22.根据权利要求21所述的光声传感器，还包括：
载体(64)，其中所述发射器部件(1000)和所述压力传感器部件(1100)安装在所述载体(64)的相对的安装面上，
其中所述载体(64)包括开口(74)，并且所述光路延伸穿过所述载体(64)的所述开口(74)。
23.根据权利要求21或22所述的光声传感器，还包括：
封装材料(70)，其中所述发射器部件(1000)嵌入所述封装材料(70)中；以及
带有声孔(56)的盖体(54)，
其中芯片载体(64)、所述封装材料(70)和所述盖体(54)形成腔体(58)，并且所述压力传感器部件(1100)布置在所述腔体(58)中。
24.一种用于制造光声传感器的方法，所述方法包括：
提供具有光学MEMS发射器(4)的第一层(2)；
将具有MEMS压力传感器(8)和透光窗口(10)的第二层(6)堆叠在所述第一层(2)之上，所述MEMS压力传感器(8)和所述透光窗口(10)彼此横向偏移地布置；以及
将具有用于参考气体(16)的腔体(14)的第三层(12)堆叠在所述第二层(6)之上，
其中所述光学MEMS发射器(4)被设计为沿光路传输光辐射(26)，其中所述光路延伸穿过所述透光窗口(10)和所述腔体(14)，并且其中所述MEMS-压力传感器(8)布置在所述光路的延伸路线之外。
25.根据权利要求24所述的方法，其中在所述第二层(6)之上堆叠所述第三层(12)包括晶片键合操作，其中所述用于参考气体(16)的腔体(14)被气密密封。
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