CN114286935A - 基于mems的光声单元 - Google Patents

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Abstract

在第一方面中，本发明涉及一种光声气体传感器，其包括可填充气体的检测腔室和基准腔室，其中检测腔室和基准腔室是侧向上并排布置的并且通过传感器通道相连。存在于传感器通道上或者内的传感器允许测量光声信号。两个腔室都优选地位于垂直于同样包括在内的红外发射器所发射的红外辐射的平面内。除此之外，气体传感器由多层衬底形成。在其它方面中，本发明还涉及一种用于气体传感器的制造方法和一种用于通过气体传感器分析气体的方法。

Description

基于MEMS的光声单元
技术领域
在第一方面中，本发明涉及一种光声气体传感器，其包括可填充气体的检测腔室和基准腔室，其中检测腔室和基准腔室是侧向上并排布置的并且通过传感器通道相连。存在于传感器通道上或者内的传感器允许光声信号的测量。两个腔室都优选地位于垂直于同样包括在内的红外发射器所发射的红外辐射的平面内。除此之外，气体传感器由多层衬底形成。
在其它方面中，本发明涉及一种用于气体传感器的制造方法和一种用于通过气体传感器分析气体的方法。
背景技术
光声光谱技术(PAS)允许检测浓度极其细微的气体并且具有多种应用。典型的是CO2的检测，其在研究和空气调节技术中发挥作用。还可以这样测量例如空气中废气的浓度。同样地，其中可以检测最低浓度的毒气的军事应用是意义重大的。
在光声光谱技术中，使用强度调制的红外辐射，其频率处于在气体中待检测的分子的吸收光谱内。如果这一分子存在于光路中，则发生经调制的吸收，其引起加热过程和冷却过程，其时标反映辐射的调制频率。加热过程和冷却过程引起气体的膨胀和收缩，由此造成具有调制频率的声波。随即可以通过声检测器(诸如传声器)或者流量传感器对其进行测量。
光声气体传感器由发射器、检测器和单元等部件构成。还可以存在多个单元。单元大多由钢介观地实施为圆柱体，参见例如[1]以及US 2018005 9066A1。这会妨碍进一步的微型化。
根据现有技术，还已知了对于微型化的追求。举例而言，在DE 202015 002 315中提出了一种竖直集成的MEMS系统，其包括两个或更多个在红外发射器的辐射方向上竖直地相互重叠的单元。然而，这种竖直的布置结构有不同的缺点。因此，会由于红外线照射而影响检测器和第二单元，因为其同样被布置在辐射方向上。这特别地涉及红外辐射，其中红外辐射无法在第一单元的介质中被吸收，而由此进入第二单元(通常为基准腔室)并且在那里产生不期望的信号。检测器/传感器本身也会接收辐射的热量并且由此出错。
迄今为止，尚未知晓没有这些缺点并且完全以MEMS技术制得的光声气体传感器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光声光谱仪形式的气体传感器、一种用于气体测量的方法以及一种没有现有技术的缺点的气体传感器的制造方法。特别地，本发明的目的在于，给出一种改善的基于光声光谱仪的气体传感器，其可以紧凑地、稳固地以高灵敏度和精度测量气体浓度，并且同时其特征在于简单、成本低廉且广泛适用的制造方法，其中可以只在少量步骤中直接集成地生产所有部件。
该目的通过独立权利要求的特征得以实现。在从属权利要求中描述本发明的优选实施方案。
在第一方面中，本发明优选地涉及一种光声气体传感器，其包括：
-可调制的红外发射器，
-可填充气体的检测腔室，
-基准腔室，
-将检测腔室与基准腔室相连的传感器通道，以及
-位于传感器通道内或者附近的传感器，
其中检测腔室位于红外发射器的光路内，使得红外发射器能够借助于可调制地发射的红外辐射激发检测腔室内的气体，以形成可借助于传感器通道内的传感器检测的声压力波，其中检测腔室、传感器通道、基准腔室和传感器以布置在侧向平面内的状态存在，该侧向平面基本上垂直于红外发射器的辐射方向伸长。传感器还可以优选地被称为传感器元件。传感器或者说传感器元件优选地被设置用于检测通过传感器通道，从检测器腔室到基准腔室的声压补偿。优选地，可在该意义上理解借助于传感器或者说传感器元件I进行的传感器通道内的声压力波的检测。
在一种优选实施方案中，检测腔室、传感器通道、基准腔室和传感器位于多层衬底内。传感器可以在优选的
在该气体传感器中，检测腔室和基准腔室优选地垂直于红外发射器的辐射方向并排布置在平面内并且形成在多层衬底中。通过该布置并且通过使用位于腔室之间的传感器通道内的传感器，可以实现简单的制造方式和结构高度低的紧凑型结构形式。
由于检测腔室和基准腔室在侧向上并排布置并且红外发射器的辐射被定向为基本上垂直于该布置平面，因此，在将射束同时聚焦在检测腔室上时，可以特别地实现只照射检测腔室，而不照射基准腔室。如果紧接着，由于存在的气体组成部分而在检测腔室中发生经调制的吸收，则通过传感器通道，进行对于优选地不被照射的基准腔室的压力补偿，其中可以通过传感器通道中的传感器测量该压力补偿。由此，可以避免干扰影响并且提高灵敏度。
通过包括传感器的多层衬底中的紧凑型构造，可以实现包括气体传感器的重要部件的集成结构形式。在这种情况下，其也可以明显地被微型化。在多层衬底中的实现简化了制造方法。有利地，在此可以引入半导体的标准化制造方法和/或MEMS制造。通过传感器，可以选择特别是传感器通道的尺寸，而无关于气体传感器的剩余部件的大小，并且使其适应于特定要求，例如关于检测腔室内的压力变化方面的期望的传感器灵敏度。
在这种情况下，光声气体传感器在其基本特点或者说重要部件方面对于本领域技术人员而言是已知的。可调制的发射器生成红外波长范围内的电磁辐射，并且在此优选地对其进行布置和配置，使得由红外发射器发射的红外辐射基本上或者至少部分地击中检测腔室内的气体。
如果以对应于位于气体混合物中的气体组分分子的吸收光谱的红外波长实现经调制的照射，则发生经调制的吸收，这引起加热和冷却过程，其时标反映辐射的调制频率。根据光声效应，加热和冷却过程引起气体组分的膨胀和收缩，由此对其进行激发，以形成基本上为调制频率的声压力波。声压力波还被称为PAS信号，并且可以借助于传感器(例如声检测器或者流量传感器)进行测量。在这种情况下，声波的功率优选地直接与吸收的气体组分的浓度成比例。
术语“气体组分”优选地理解为化学上(和光谱学上)相同的气体分子(例如CO2、甲烷、氮等)在气体混合物中的份额，而气体混合物指的是由多个(优选不同的)气体组分构成的整体或者说混合物(例如天然气、空气等)。
优选地，考虑将不同的红外(IR)发射器用作用于所提及的应用的辐射源。例如，可以使用红外范围内的窄频带激光源。其有利地允许使用高辐射强度，并且可以通过用于光声光谱技术的标准部件，优选地对其进行高频调制。然而，由于激光器的窄光谱，只能检测具有对应的吸收光谱的分子。因此，如果应检测不同的分子，则优选地使用多个激光器。
红外发射器优选地被布置在通向检测腔室的线性布置结构中。这优选地意味着，从检测腔室与基准腔室之间的连接线上的一点，与连接线成直角地布置红外发射器。红外发射器可以优选地直接邻接检测腔室和/或基准腔室并且对其进行照射。然而，同样可以优选的是，在红外发射器与检测腔室和/或基准腔室之间布置有空闲区域，红外射束在该空闲区域内横越自由射流区段。
优选地，同样可以使用宽频带的热发射器。其有利地具有例如可通过使用(可调谐的)滤波器进一步选择的宽光谱。由于热时间常数，在直接调制时，调制频率优选地处于若干Hz到约100Hz的范围内。
可调制的红外发射器优选地表示一种发出的电磁辐射处于红外(IR)范围的波长范围内的装置，特别是约700纳米(nm)到1毫米(mm)之间的波长。所发射的辐射的对应频率可以处于大约300千兆赫兹(GHz)到400太赫兹(THz)的范围内。同样地，如在光谱技术领域中常见的，可以优选地根据m-1或者说cm-1的波数描述光谱。本领域技术人员了解如何在这些单位之间进行换算。
特别地，选择光谱，使得其对应于发射器的优选应用领域，即对应于红外光谱技术，并且特别地对应于光声光谱技术。在这种情况下，特别是待光谱分析和/或待检测的气体分子的振动激发是优选的，其根据气体分子，对应于优选的光谱范围。举例而言，大约4.2微米(μm)的光谱范围适合于激发CO2分子。特别优选的红外辐射波长范围为700nm到10μm，优选地为1到10μm，特别优选地为2μm到10μm。
为了生成红外辐射，优选地预设以加热元件的形式提供热能。(微)加热元件是特别优选的。优选地，微加热元件理解为一种微米(μm)数量级尺寸的加热元件。在这种情况下，加热元件包括由导电材料制成的可加热的层，该导电材料在电流流经时产生焦耳热。根据是否使用电流源或者电压源，所产生的热量优选地表现出对于元件的欧姆电阻和电流强度的二次幂或者说所施用的电压的二次幂和欧姆电阻倒数的依赖性。红外辐射的热源具有对于PAS有利的特性，诸如宽频带的发射，通过该宽频带的发射，只用一个光源，就能激发多种极其不同的气体原子或者说气体分子。而且，热红外发射器是特别成本低廉的，易于制造并且具有耐久性。
在平衡状态下，所产生的热量等于由于热传导、对流和热辐射(同义词：热量辐射、红外辐射)在电流流经的可加热的层的外部边界面上散发的热损失。如对于本领域技术人员已知的，所产生的热量还特别地由于颗粒的热运动而引起热辐射，该热运动例如造成载流子的加速和/或振荡的偶极矩。由此，可以通过电流流经的可加热的层，有针对性地生成红外辐射。可加热的层优选地由金属制成，例如由钨、钼制成或者由铂制成。通过施用适当的电压和由此得到的电流，生成焦耳热并且由此最终生成红外辐射。
在这种情况下，优选地，近似地通过普朗克辐射定律描述加热主体的辐射光谱，其中本领域技术人员已知实际的可加热的层与黑体的差别，例如发射率或者与黑体的热平衡的实际偏差。尽管有偏差，但基本上由根据普朗克辐射定律的温度和辐射面描述所生成的光谱及其强度。
由此，本领域技术人员可以通过有针对性地设计(微)加热元件，获得具有优选的强度分布的优选光谱。为此，除了加热元件的材料和几何设计外，所提供的电能以及除了热辐射外的加热元件的热损失的大小也优选地是决定性的。例如，通过加热元件与邻接的材料和/或流体之间的导热能力及其热容量和边界面的大小，确定这些热损失的大小。
加热元件形式的红外发射器是特别成本低廉且稳固的，同时，由于发射的光谱宽度，可以在PAS过程中检测多种气体分子。通过优选地可调谐的带通滤波器，可以优选地在需要时，从宽发射光谱中选择更窄的光谱。
优选地，还可以通过在期望的红外光谱范围内发射的发光二极管(LED)和/或激光器，生成红外辐射。特别地，激光器优选地具有窄发射光谱，使得优选地，只能激发并且由此检测气体原子或者说气体分子的精确地匹配该光谱的吸收谱线。因此，当只需检测特定的气体分子时，激光器是有利的，其中在这些分子的存在方面，检测的效力特别高，因为不能通过激光器的窄光谱激发其它分子。
优选地，红外发射器的发射以射束实现，其中射束以直线的形式定向在优选的方向上。在进一步的过程中，术语“射束”应描述由发射器发出的、沿着发射器的优选射束方向成束的辐射部分，其中特别地，最大强度的范围沿着该方向定义射束。优选地，强度被定义为面功率密度，并且其单位优选地为瓦每平方米，简写为W/m2。
诸如透镜等额外的部件可以集成在发射器中或者被外部安置，其保障射束的成束或者说准直。本领域技术人员了解如何通过设计红外发射器并且通过使用其它部件，形成辐射源的发射剖面，从而得到期望的射束剖面和期望的射束方向。在这种情况下，可调制的红外发射器优选地在没有额外的透镜的情况下也能堪用，或者作为包括辐射源和至少一个用于射束准直的透镜的系统存在。
发射器是可调制的，这意味着，能够随着时间的推移，可控地改变所发射的辐射的强度，优选射束的强度。调制应优选地引发强度的时间变化作为可测量的变量。这例如意味着，对于跟随时间变化的强度而言，在测量时段内测得的最弱强度与同一时段内测得的最强强度之间存在差异，该差异大于为了辐射光谱和应用通常使用的用于测量或者确定强度的设备的灵敏度。优选地，该差异明显大于最强可设定强度与最弱可设定强度之间的差异的两倍，更优选地大于其4倍、6倍或者8倍。特别优选地，针对一个或更多个预先确定的谐振波长，实现经调制的射束的强度的调制。
优选地，可以通过电流供应的变化，进行直接调制。在热发射器中，由于热时间常数，这种调制大多被限制在调制光谱的特定范围，例如最高100Hz的数量级的范围内。对于例如激光器或者LED，(例如处于kHZ范围内等)明显更高的调制速率优选地是可能的。
红外发射器的调制可以优选地同样通过外部调制实现，例如通过使用转动的调制盘和/或电光调制器实现。
特别地，红外发射器可以是(优选地整体式)集成在气体传感器的结构中的MEMS发射器。
检测腔室优选地可填充气体。在这种情况下，检测腔室优选地是气体传感器内的空腔。优选地，这可以意味着，甚至对于至少部分地闭合的或者说可封闭的容积，存在优选地可封闭的用于填充的开口。根据PAS的测量方法，开口在此可以优选地被形成为可再次封闭的，由此可以交换气体。然而，同样可以优选的是，一次性地(例如在制造过程中)为腔室填充气体并且之后不能交换或者说再填充气体。优选地，通过检测腔室例如包括至少一个第一开口，还可以实现气流。
优选地，可以通过例如作为进口的第一开口和作为出口的第二开口，实现进入腔室的连续气流或者不连续的气流，其中可以例如在填充阶段或者说气体交换阶段，在检测腔室中进行气体的填充或者说交换。在测量阶段中，例如可以中断气流。优选地，可以在不同的时间点分析不同的气体，其中优选地，在两种待分析的气体之间，可以供应清洁气体，以清洁容积中可能的气体残留。
检测腔室优选地也被称为检测器腔室。
如果检测腔室例如通过根据需要定尺寸的开口，是相对于环境至少部分地开启的，则可以有利地发生与环境的持续气体交换，其中通过与环境的气体气氛的相互作用，进行检测腔室的填充。
检测腔室的高度优选地对应于检测腔室朝向红外辐射方向的最大膨胀。相反，检测腔室宽度优选地对应于朝向垂直于辐射方向的侧向平面的方向的最大膨胀，其中检测腔室和基准腔室并排布置地存在于该侧向平面内。
优选地，同样定义深度，该深度优选地垂直于高度和宽度伸长。深度优选地同样被称为长度。
有利地，根据应用领域和/或在尺寸、灵敏度和/或其它描述功率的参数方面对于气体传感器的要求，一般而言，特别地关于这三个空间方向和造型，调整检测腔室的定尺寸。在这种情况下，可以根据发射器的射束尺寸进行调整或者选择尺寸，从而促进声谐振。检测腔室可以优选地具有基本上长方体的轮廓。
同样包括基准腔室，可以优选地以类似于检测腔室的方式形成其尺寸和几何外形，并且以类似于检测腔室的方式，用高度、宽度和/或深度/长度表示其膨胀。
对于通过光声光谱技术进行的气体分析而言，与检测腔室一同使用基准腔室是优选的测量结构。在这种情况下，在基准腔室内，优选地存在与检测腔室内相同的气体，或者存在具有已知特性的基准气体。在第一种情况下，优选地，应基本上只用红外辐射照射检测腔室，使得优选地，基本上只在那里产生通过吸收该辐射产生的声压力波，并且由此可以通过优选地布置在两个腔室之间的检测器或者说传感器对其进行测量。由于例如外部生成的声压力波等外部影响造成的局部压力波动在此优选地涉及两个腔室，并且有利地不对其进行测量，因为传感器特别地基本上测量两个腔室之间的压差。
同样地，在基准腔室内存在基准气体的第二种情况下，可以优选的是，两个腔室都被经调制的红外辐射照射，其中优选地，可以基于检测腔室的不同吸收特性，推断那里的组合物，特别地推断不同于基准气体的组合物和/或浓度。在这种情况下，特别地，可以优选的是，基准腔室具有真空。本领域技术人员了解：实际中的真空从不是绝对的，其特征在于在正常条件下相对于大气压力显著更低的压力。
优选地，基准腔室可以填充气体，其中这可以通过自有的、优选可封闭的开口进行。还可以考虑在制造过程中进行填充。同样地，可以优选的是，基准腔室没有自有的开口，而是通过传感器通道，被填充来自检测腔室的气体。
在检测腔室与基准腔室之间，优选地有将检测腔室与基准腔室相连的传感器通道。其优选地具有相对于两个腔室的尺寸显著减小的横截面。特别地，在该传感器通道内布置有传感器，通过该传感器，可以在检测器通道内检测腔室之间的声压力波或者说声压的补偿。
在这种情况下，优选地，对应地布置传感器，以检测从检测腔室和/或基准腔室到达传感器通道的声压力波。传感器通道可以特别地被设计为腔室之间的连接管或者说小连接管的形式，传感器可以被引入到其中。然而，同样可以优选的是，通过检测腔室与基准腔室之间的隔板中的孔径或者说开口形成传感器通道，其中传感器或者说传感器元件优选地以至少部分地安装在隔板上的状态存在，被设置用于测量穿过孔径的气流。
在传感器通道内集成有传感器的情况下，传感器可以优选地基本上或者部分地包括传感器通道的整个横截面积。在这种情况下，传感器可以优选地具有特别地被称为孔径的开口。传感器可以优选地闭合通道，或者在两个腔室之间的通道内完成没有被传感器包括的开口。对于位于腔室内的气体，其可以优选地是基本上或者部分地材料密封的，或者是基本上或者部分地透气的。对于透气性，特别优选的是，其被设计为使得可以在两个腔室之间发生压力补偿，然而，该压力补偿相对于待检测的声压力波而言是足够延迟的，以便能够有效地检测声压力波。本领域技术人员了解其必须如何根据布置结构、腔室和/或通道的定尺寸、所使用的传感器、待检测的气体和/或其它影响变量布置、设计开口和/或对其定尺寸，以达到前述目的。
优选地，气体传感器具有面对红外发射器的统一表面，其在整个侧向布置结构上包括检测腔室、传感器通道和基准腔室。在这种情况下，传感器通道优选地是相对于包括腔室的内容积而言稍稍相对于红外发射器后移的，以使得布置在传感器通道内的传感器上的、不期望的、直接的红外辐照最小化。
优选地，检测腔室位于红外发射器的光路内。优选地，这意味着，射束的强度基本上或者至少部分地击中检测腔室的面对发射器的一侧上。“部分地”优选地意味着至少40％，优选地至少50％、60％或更多。特别地，这意味着，射束强度的最大值范围击中检测腔室。优选地，这意味着，对射束进行聚焦和/或准直，使得强度的绝大部分击中面对发射器的一侧。作为优选的示例，要提到高斯射束，其特别地具有根据高斯曲线的横向剖面。在这种情况下，沿着射束，优选地由具有最大强度的区段定义z轴。在这种情况下，射束“高度”z上的射束半径w优选地被定义成相对于z轴的距离，强度在其上降至1/e2(优选约13.5％)。按照该定义，优选的是，“检测腔室位于红外发射器的光路内”意味着，基本上整个射束半径都击中检测腔室的面对发射器的一侧上。
可以优选的是，射束强度基本上被分给检测腔室与基准腔室之间的相同部分。在这种情况下，上文中提及的定义优选地以类似的方式适用于以相同部分照射检测腔室和基准腔室的射束。
特别地，用红外辐射照亮至少一个腔室，使得在时间上调制地在两个腔室之间产生所包含的气体的流动/压力。
优选地，检测腔室的面对发射器的一侧对于所发射的红外辐射而言是透明的，使得辐射基本上到达腔室的可填充气体的内部空间。特别是检测腔室的面对红外发射器的一侧优选地也被称为入射面。
这能够优选地以类似的方式适用于基准腔室。
“检测腔室位于红外发射器的光路内”特别地意味着，红外发射器能够借助于可调制地发射的红外辐射激发检测腔室内的气体，以形成声压力波，因为至少部分地(优选地至少40％，更优选地至少50％，特别地至少60％)对其进行照射，并且特别地，绝大部分红外辐射到达检测腔室内部的可填充气体的容积。绝大部分特别地意味着至少80％，更优选90％，并且特别是95％。
诸如“基本上”、“大概”、“大约”、“约”等术语优选地描述小于±20％，优选地小于±10％，还更优选地小于±5％，并且特别地小于±1％的公差范围。“基本上”、“大概”、“大约”、“约”等说明公开并且始终还包括精确提及的数值。
优选地，可借助于传感器通道内的传感器检测声压力波。这意味着，MEMS传感器优选地就其布置结构及其实现而言，适合于检测腔室之间的声压力波或者说声压的补偿。传感器例如可以被实施为隔膜形式的传声器的形式，其可以被声压力波激发振动，其中优选地，可通过对应的电、磁和/或电子布置结构和/或操控装置读取振动。
传感器优选地表示微系统(微机电系统，英语：Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)形式的传感器，因此，在优选的实施方案中，还可以被称为MEMS传感器。特别地，微系统是微型化的设备、组件和/或构件，其中部件具有大约1微米(μm)数量级或者更小的尺寸，并且作为系统共同作用。MEMS传感器例如是MEMS传声器。
特别地，整个光声气体传感器可以被实现为MEMS。在这种情况下，传感器可以有利地直接实现或者说集成在MEMS中。在该意义上，MEMS传感器优选地表示实施在MEMS中的光声气体传感器中的传感器或者说传感器元件。
检测腔室、传感器通道、基准腔室以及MEMS传感器特别地形成在多层衬底中。衬底特别地表示用于生产相应部件的基本材料。特别地，术语针对半导体工业，其中从衬底中产生电路。在这种情况下，主要使用半导体工业和/或MEMS生产中已知的材料和/或生产技术，其特征在于其效率、简单性、低生产成本和适合大量生产的适用性。
在这种情况下，可以根据需求，通过蚀刻工艺和/或物理加工技术，连续性地加工衬底，并且在形状上进行调整，特别地通过削减和/或清除单个衬底的区域和/或层厚。多层衬底特别地包括多个层，优选2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个层，或更多个单个薄衬底，可以单个地对其进行加工并且随即将其接合成特别地包括提及的部件的气体传感器。
特别地，通过提及的在侧向平面内并排布置的部件，可以非常简单和/或基本上同时地在相应衬底层中生产部件的相应层。可以将可简单制造的、具有低结构高度和高兼容性的气体传感器生产成诸如电子电路等其它半导体元件。只使用了少量衬底层。由此，可以有利地进一步降低所使用的部件的数量。特别地，可以通过适当地接合衬底层，实现具有集成的检测器的整体式腔室。“整体式”优选地意味着由一件组成、连接和/或无接缝地或者说由非常小的结构元件不可分离地组合而成。
通过气体传感器的紧凑性和兼容性，得到特别多样性的应用领域。举例而言，可以设想装入到智能手机或者其它可由最终用户利用的设备中。气体传感器例如还可以被用于发射控制，并且由于其尺寸，可以很好地进行加装。还可以设想在公众敏感区域进行加装，例如火车站、机场、火车等，以避免恐怖袭击的危险。
在本发明的一种优选实施方案中，基准腔室和包括传感器的传感器通道没有位于红外发射器的光路内。特别地，这可以通过将检测腔室、传感器通道和基准腔室侧向上相互布置在垂直于辐照方向的平面内得以实现。由此，可以通过对气体传感器适当地定尺寸，特别是对检测腔室的入射面和/或指向检测腔室的红外射束适当地定尺寸得以实现。由此，可以有利地实现基本上只在检测腔室内生成通过PAS调制的声压力波。由此，可以改善测量精度和测量灵敏性。除此之外，还可以优选地使得可能存在的、会干扰传感器测量精度的热影响最小化。
在本发明的另一优选实施方案中，多层衬底包括至少两个衬底层，该衬底层选自由以下构成的组：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、锗化硅、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓、磷化铟和玻璃。
在半导体制造和/或微系统制造中，可以特别简单且成本低廉地加工这些材料，并且这些材料同样很好地适合于批量生产。同样地，这些材料特别适合于掺杂和/或涂敷，以在特定的区域内获得期望的电、热和/或光学特性。为了高红外透明性，系统晶片可以例如是尽可能低掺杂的。特别是对于由多层衬底制造气体传感器(优选地包括MEMS元件)而言，前述材料由于可应用标准化制造技术而提供多种优点，其同样特别适合于集成诸如电子电路等其它部件。特别是玻璃在至少一个衬底层中的应用很好地适合于实现检测腔室和/或基准腔室的入射面。
在本发明的另一优选实施方案中，通过键合至少两个晶片，形成多层衬底。
晶片的键合优选地描述半导体技术和微系统技术中的一种方法步骤，其中两个例如由硅、石英、玻璃和/或前述材料制成的晶片或者垫片被相互连接。
在键合过程中，优选地可以使用不同的方法：
-在特别是硅晶片的直接键合过程中，优选地，在高温下，使晶片的亲水和疏水表面接触。优选地，在这种情况下，其中一个晶片被同心地压向另一个晶片，其中有利地产生第一接触点。在这种情况下，接触区域中的该机械连接优选地基于氢桥和/或范德华相互作用。在这种情况下，通过依次移除起初存在于这些面之间的间隔件，由此连接的接触区域优选地膨胀至剩余的晶片面。在这种情况下，过程温度优选地处于1000℃到1200℃之间，并且在晶片上施加10兆帕斯卡(MPa)到25MPa，特别是大概18MPa的数量级的压力。直接键合可以优选地被用于连接两个硅晶片和/或二氧化硅晶片。
-在阳极键合过程中，特别地使用具有提高的Na+离子溶度(优选带正电荷的钠离子)的玻璃，其优选地与硅晶片接触。在这种情况下，施用电压，该电压特别地被配置为在玻璃上产生负极。由此，特别地借助于提高的过程温度，优选地实现钠离子(Na+)扩散至电极，优选地，由此在边界面上形成空间电荷区，其引起电场的提高并且产生Si-O-Si键。这些键优选地依次扩散至玻璃与硅之间的整个连接面。由此，特别地可以将玻璃和硅晶片相互连接。在对应地调整工艺的情况下，两个硅层的键合和/或硅金属层与玻璃的键合同样是有可能的。优选地，可以在大约400℃的温度下发生阳极键合，同样优选地，其可以发生在大约180℃的“低温”下，其中优选地保护待键合的材料。优选地，还可以键合不同的前述材料。
-优选地，还可以使用在待键合的晶片之间具有所谓的中间层的键合方法，诸如所谓的共晶键合，其优选地也基于通过共晶合金作为中间层(例如Si-Au(硅-金)或者Ge-Al(锗-铝))实现的连接。优选地，共晶键合是一种其组成部分以一定比例相互混合的合金，该比例使得在特定温度下，整个合金是液态的或者说固态的。共晶键合可以例如被用于连接两个硅晶片。然而，优选地，还可以连接其它前述材料。
-玻璃熔块键合也优选地基于在待连接的晶片之间使用中间层，其中特别地，通过熔融玻璃焊料/玻璃熔块形成连接。玻璃焊料优选地包括具有低软化温度(例如约400℃)的玻璃。玻璃熔块优选地包括表面融化的玻璃粉，其玻璃颗粒优选地至少部分地熔结或者说烧结。这类键合可以优选地将硅晶片和/或二氧化硅晶片相互连接，但是，优选地，也可以连接其它前述材料。
-粘接键合优选地描述一种通过包括粘合剂的中间层实现的连接形成。通过粘接键合，可以优选地将不同的前述材料相互键合。
优选地，可以通过光刻、蚀刻和/或剥离法进行选择性键合。
通过键合单个预加工的衬底的多个层，可以有利地简单地制造气体传感器的复杂部件，特别是完全集成的、完整的气体传感器。
由预加工的衬底构成的结构的键合允许简单地制造复杂的结构，而这些复杂的结构之前只能用大花费，由单个晶片和/或衬底制得。多层衬底的键合例如可以被用于简单且高效地制造气体传感器的腔体或者说腔室，而不必花费高昂地从原始材料的内部雕塑出腔体或者说腔室。
优选地，通过键合晶片得到的装置也被称为晶片堆叠体。
在本发明的另一优选实施方案中，下部系统晶片包括传感器和至少两个下部腔体，并且上部覆盖晶片具有与下部腔体互补的上部腔体，使得通过键合下部系统晶片和上部覆盖晶片，形成基准腔室和检测腔室。
特别地，两个待键合的晶片的相应腔体是半边闭合的腔体，其特别地是在面对分别另一晶片的一侧上打开的，使得通过接合，产生基本上整侧上闭合的腔体，其中优选地，可以存在可能的用于气体交换和/或传感器通道的开口。特别地，在晶片的应与另一晶片相连的一侧上，相应晶片的腔体在晶片中包括至少两个凹进部分。在这种情况下，分别布置两个晶片的凹进部分，使得其在接合后相互对应一致，其中一个晶片的一个凹进部分和另一晶片的一个凹进部分分别相互形成装配而成的结构内共同的空腔。
传感器优选地包含在下部系统晶片的腔体之间。优选地，可以在与形成腔体的共同结构化过程中使其成形。
优选地，在键合两个晶片后，通过每个晶片的分别两个腔体，形成检测腔室和基准腔室。在这种情况下，优选地至少在其中一个晶片中，在两个腔体之间布置有连接性的腔体，其在接合后形成传感器通道。特别优选地，两个晶片具有彼此对应一致的腔体，其在装配后类似地形成传感器通道。优选地，关于晶片中的凹进部分的几何尺寸，特别是其深度，该至少一个腔体具有比其它两个腔体更低的膨胀。
优选地，传感器被安置在用于传感器通道的腔体内或者与之对应一致地安置在系统晶片上，使得其在键合后位于传感器通道内。
然而，同样可以优选的是，在结构化过程中，在系统晶片上形成隔板或者说分离隔膜，其将系统晶片的下部腔体与覆盖晶片的上部腔体分隔。分离隔膜可以优选地具有一个或更多个孔径，其允许在键合后获得的腔室之间的气流(参见图22)。优选地，传感器的部件(例如加热元件或者温度传感器)被施加在分离隔膜本身上，如下文中详细阐述的，优选地被设置用于测量穿过孔径的气流。
优选地，还可以包括(例如侧向上引出的)用于可能的用于读取传感器的电子机构的连接垫片和/或导线。同样地，可选地，在系统晶片上可以存在可调谐的红外滤波器。
优选地，覆盖晶片也可以由优选地对于红外辐射透明的硅、玻璃或者金属构成。
覆盖晶片可以优选地包括特别地具有印制导线的“印刷电路板”(PCB)和/或(载体)陶瓷。因此，例如，可以特别轻松且节约成本地实现气体传感器的和特别是传感器的电子布线或者说实现传感器本身。
PCB优选地表示印刷电路板或者说电路板或者印刷电路。其优选地是用于电子构件(特别是表面安装器件(SMD)和/或集成电路)的载体，或者说可以特别地本身是集成电路的组成部分。
PCB可以例如包括具有附着于其上的、特别地由铜制成的导电连接(印制导线)的电绝缘材料。作为绝缘材料，例如可以包括纤维增强的塑料、层压纸、特氟龙、氧化铝和/或陶瓷。
载体陶瓷特别地包括陶瓷载体材料，其通过结构化和/或装备诸如关于功能性的印制导线等其它部件而形成。陶瓷或者说陶瓷材料特别地包括硅酸盐、氧化铝、氧化铍、氧化锆(IV)、氧化钛(IV)、碳化硅、氮化硼、碳化硼、氮化硅、氮化铝、二硅化钼和/或碳化钨。
以此方式，可以通过使用尽可能少且简单的工艺步骤，特别简单、尽可能集成地制造气体传感器。首先，有利地单个生产系统晶片和覆盖晶片，其随即必须基本上仅通过键合而接合成气体传感器。
在本发明的另一优选实施方案中，下部系统晶片包括传感器和至少两个下部腔体，其中通过键合下部系统晶片和上部覆盖晶片，形成基准腔室和检测腔室。
在该优选实施方案中，特别地，通过系统晶片的腔体形成腔室，这些腔室由于键合覆盖晶片而基本上是从上侧闭合的。
在制造方面，该实施方案是特别简单且价廉的。
在本发明的另一优选实施方案中，下部系统晶片包括传感器和下部腔体，并且上部覆盖晶片包括具有两个与下部腔体互补的上部腔体，使得通过键合下部系统晶片和上部覆盖晶片，形成基准腔室、检测腔室和传感器通道。
在本发明的另一优选实施方案中，检测器腔室和/或基准腔室的高度为10μm到2mm，优选地为50μm到1mm，特别优选地为100μm到500μm。
因此，可以实现气体传感器的扁平且紧凑的结构形式，特别是低结构高度。特别地，由于腔室的侧向上布置的结构形式，结构高度对于测量的质量和/或灵敏度不是决定性的。在射束方向上(相互重叠)布置腔室的情况下，有利地，获得一定的最低结构高度，以使得红外辐射对于基准腔室和/或传感器的可能不期望的影响最小化。有利地，这在侧向的结构形式中不是必需的。
在本发明的另一优选实施方案中，检测器腔室和/或基准腔室的长度或宽度为100μm到5mm，优选地为200μm到3mm，特别优选地为500μm到2mm。
因此，同时形成紧凑型结构形式和足够的容积，以通过PAS激发可检测的声波。
在本发明的另一优选实施方案中，传感器通道的长度为1μm到500μm，优选地为10μm到200μm，特别优选地为10μm到100μm。
在本发明的另一优选实施方案中，传感器通道的横截面为1μm2(例如1x1μm2)到250000μm2(如500x500μm2)，优选地为100μm2(例如10x10μm2)到25000μm2(例如50x50μm2)。
由此，布置在检测腔室与基准腔室之间的传感器通道可以在同时实现紧凑型结构形式时获得两个腔室的充分的侧向分隔。同时，可以特别简单地将传感器布置在传感器通道内。
在本发明的另一优选实施方案中，传感器是声压检测器，其中声压检测器优选地包括压电、压阻和/或磁性横梁和/或电容、压电、压阻和/或光学传声器。
优选地，能够以不同方式检测通过PAS生成的声压力波。在这种情况下，声压检测器是特别好地适合的设备。特别地，声压检测器可以是压电横梁。
优选地，压电横梁是可振动的结构，特别地以悬臂梁的形式，其包括例如致动器形式的压电材料。
在这种情况下，可以优选的是，悬臂梁是被动的，这优选地意味着，其通过声压力波引发振动。在这种情况下，其又通过压电材料的变形生成基于压电效应的电压。(直接)压电效应优选地描述电压的出现和/或由对应材料制成的固体电变形时其上阻抗的变化。例如，可以通过适当的接触，量取电压，并且通过对应的电子电路，读取电压。
同样地，可以优选的是，悬臂梁是主动的，这特别地意味着，其由于逆压电效应引发振动。压电效应优选地描述在施用电压和/或电场时材料的变形，由此特别地，可以通过材料施加力。在这种情况下，优选地，通过声压力波，会引起振动的横梁的阻尼的变化，这例如可通过振动的横梁的谐振频率的变化进行测量。
优选地，同样可以例如通过电容、磁性和/或压阻方法，读取由于声压力波而被动振动的横梁。在这种情况下，理念优选地同样在于，通过振动，生成可电读取的改变，例如基于由于随之振动的磁铁、由于振动的电极与固定的电极之间变化的电容和/或由于压阻材料中变化的电阻造成的变化的磁通量。
优选地，传声器包括可振动地支承的隔膜，其由于声压力波而被激发振动，类似于前文中描述的横梁，这又是可电读取的。在这种情况下，同样可以应用电容、压电和/或压阻的振动参数测量方法。
优选地，还可以应用光学传声器，其中振动可以优选地通过反射例如隔膜上的激光射束而被转化为例如在干涉仪布置结构中读取的光学信号。
在本发明的另一优选实施方案中，传感器(优选MEMS传感器)是电容传声器，其包括作为电极的MEMS隔膜和反电极，并且其中MEMS隔膜优选地具有100μm到1500μm，特别是200到1000μm的朝向至少一个方向的最大膨胀。该实施方案呈现了传感器的紧凑性与灵敏度的理想结合。
优选地，传声器的隔膜(特别是MEMS隔膜)具有小的开口，其优选地被叫做孔径。特别地，当(MEMS)隔膜包括传感器通道的整个横截面并且由此代表了传感器通道内检测腔室与基准腔室之间的、特别地压力密封的分隔性元件时，可以包括优选地用于压力补偿的孔径或者说通风孔。因此，首先可以提高隔膜的耐久性。
在本发明的另一优选实施方案中，传感器是流量传感器，优选是热流量传感器、热线风速计、热电风速计和/或电阻式风速计。
代替声压检测器，还可以通过流量传感器，检测传感器通道内由于压差产生的气流。优选地，流量传感器是一种能够测量通过通道、管和/或小管的气体流量的传感器。这优选地是传感器通道。在该实施方案中，特别优选地，在检测腔室与基准腔室之间存在孔径，由此在传感器通道内发生可测量的流量。
热流量传感器优选地基于以下原则，即根据气体的流动速度，抽走被加热的元件(例如加热丝)的热量。本领域技术人员了解其由此能够如何根据可测量的流动速度，推断在PAS过程中生成的声压变化并且最终推断气体浓度。
风速计优选地表示一种用于局部测量流体的流场的速度的装置。
热线风速计优选地使用电流流经的传感器面和/或线材作为探针并且对其进行电加热。所使用的材料优选地具有取决于温度的电阻，其特别地随着温度的升高而提高。电供应的热功率由流体的流动根据其速度而部分地作为热损失功率被运走。优选地，加热电流可以被保持为恒定的，并且可以测量电阻上的压降。测得的电压随即优选地与探针的温度成比例，其中随着流动速度的提高，探针进一步冷却并且测得的电压优选地降低。
温度也可以优选地被保持为恒定的，其中用于加热的电流根据由于流动的气体造成的冷却而变化。
同样地，可以优选地使用热电风速计和/或电阻式风速计。超声风速计也可以是适合的。在此，超声波被其在此中传播的气体一同带走，使得在固定长度的测量区段上，信号的运行时间取决于测量区段的穿流。优选地，传感器通道的长度对应于超声发生器与超声传感器之间的测量区段，使得可精确地确定检测腔室与基准腔室之间的流量。
优选地，还可以使用热电堆。其优选地是一种可以通过其将热能转化为电能的电气结构元件。例如，在使用在恒定温度下应保持的热线风速计时，可以使用热电堆。
由于优选地缺失机械部件，可以特别简单且紧凑地制造该实施方案的传感器，并且传感器在此是非常稳固的。
在本发明的另一优选实施方案中，流量传感器位于传感器通道内并且形成孔径，其优选地具有100μm到1500μm，特别是200μm到1000μm的朝向至少一个方向的最大膨胀。
通过孔径或者说通风孔的大小，可以有利地设定气体传感器的灵敏性和/或动力学。这优选地取决于孔径的绝对大小。在一些情况下，其也优选地取决于与传感器通道的尺寸相比，特别地与传感器通道的横截面的尺寸相比的相对大小。特别地，在该文件中提及的尺寸下，前述孔径大小被证明是特别有利的。
在这种情况下，例如在孔径的边缘区域内和/或作为通过其外部尺寸形成孔径的元件，孔径优选地包括传感器的部件，例如加热元件和热电堆。
在另一优选实施方案中，检测腔室和基准腔室至少部分地由隔板分隔，其具有至少一个孔径，该孔径形成传感器通道，并且其中传感器以至少部分地布置在隔板上的状态存在，并且被设置用于测量穿过至少一个孔径而位于检测腔室与基准腔室之间的气流。
隔板优选地是隔膜。优选地，检测腔室与基准腔室之间的气流只通过隔板内的至少一个孔径成为可能。相反，隔板的剩余区域优选地是气密的。
在该优选实施方案中，隔板或者说分离隔膜中的孔径由此优选地形成本发明意义上的传感器通道，该传感器通道连接检测腔室与基准腔室。为了测量穿过孔径的气流的目的，传感器优选地以至少部分地安装在隔板上的状态，邻接或者临近孔径或者说传感器通道。
“邻接”或者说“临近”优选地指的是传感器的至少一个元件距孔径边缘的距离小于20μm，优选地小于10μm，小于5μm。传感器在位置上临近孔径优选地允许通过传感器测量至少一个物理参数，其由于穿过孔径的气流而发生变化。
在优选实施方案中，传感器的测量原理基于隔板中环绕孔径的区域内的温度和/或热流的调制。
在一种优选实施方案中，传感器包括至少一个加热元件和至少一个温度传感器，该加热元件和该温度传感器以安装在隔板上的状态存在，使得至少一个孔径位于加热元件与至少一个温度传感器之间，从而可以根据加热元件与至少一个温度传感器之间的热流的调制，测量穿过至少一个孔径而位于检测腔室与基准腔室之间的气流。
加热元件可以例如是将电能转化为热量的加热电阻。加热元件优选地被调节至相对于环境温度提高的温度。通过隔板和孔径，实现到温度传感器的热传递。
有利地，直接通过气流调制热传递。因此，温度下降强烈地取决于气体以何种速度流动穿过孔径。效果无关于实现定向的还是交替的气流。在任何情况下，气流都有效地降低热传递，使得可测量增强的温度下降(参见图18)。
可以例如作为紧邻孔径处的温度T1与更远离孔径处的基准温度T0之间的温度差，测量沿着隔板或者说孔径的热流的调制。能够以不同的方式，热学地并且热电地实现温度测量，并且温度测量直接反映通过气流实现的热传递的调制。
一种特别优选的温度传感器是热电堆。热电堆(英语：thermopile)优选地包括多个串联(连续)的或者并联的热电偶(英语：thermocouple)。
热电堆优选地基于热电效应的原理。因此，当热电堆的不同金属(热电偶)暴露于温差时，产生电压。
优选地，热电偶测量从其连接点到在其上测量热电偶的输出电压的点的温差。一旦闭合电路包括不同的金属，并且在接合点与从一种金属到另一金属的过渡段的点之间存在温差，就生成电流，类似于热接合点与冷接合点(hotand cold junction)之间的电势差。
热电偶可以作为热电偶对串联，由此提高电压输出的值。因此，热电堆优选地不对绝对(环境)温度做出反应，而是生成与局部温差或者温度梯度成比例并且由此对其非常敏感的输出电压。
在实现热电堆的情况下，优选地对其进行安装，使得热接合点(hot junction)位于面对孔径的一侧上，而冷接合点(cold junction)位于背离孔径的一侧上。
有利地，热电堆的输出信号关于这两个点之间的温差是非常敏感的。由此，可以快速并可靠地测量从加热元件优选地到热电堆的热接点(hot junction)的热传递的调制。
在另一优选实施方案中，传感器包括至少一个加热元件，其具有与至少一个孔径对应一致的至少一个开口并且以安装在隔板上的状态存在，并且其中可以根据加热元件的冷却，测量穿过至少一个孔径和加热元件的对应一致的开口而位于检测腔室与基准腔室之间的气流。
加热元件例如可以被设计为扁平的加热电阻(垫片)并且包括多个开口，其与位于其下的隔板的孔径对应一致。“对应一致”优选地指的是：开口和孔径是精确匹配地(优选地叠合且居中地)相对布置的，使得分别有一个开口和一个孔径形成(传感器)通道。
穿过(一个或更多个)孔径的气流直接引起加热元件本身的冷却，这例如可以借助于温度传感器(例如热学地或者热电地)测得。
在一种优选实施方案中，光声气体传感器的隔板或者说分离隔膜包括至少2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个孔径。
在上文中描述的根据加热元件的冷却测量穿过孔径的气流的情况下，提供多个孔径可以有利地增强冷却效果并且额外地改善信噪比。
而且，对于基于检测由气流引起的热流的调制的测量原理，提供多个孔径可以引起更精确的测量结果。
如图22中图解的，例如可以优选地在分离隔膜上安装中央加热元件，在其两侧上存在多个孔径。可以为每个孔径都分配温度传感器，优选热电堆，其在PAS信号的情况下检测从加热元件到温度传感器的热流的调制。
可检测的输出信号有利地基于多个热电偶或者说热电堆，还更敏感的测量由此是可能的。
除了孔径的数量，还可以优化孔径的定尺寸，以改善检测质量。
在一种优选实施方案中，至少一个孔径的横截面积处于1μm2到10000μm2之间，优选地处于5μm2到1000μm2之间，特别优选地处于10μm2到100μm2之间。
有利地，通过选择优选地提及的孔径横截面积，可以确保：甚至在PAS信号非常不显著的情况下，仍会出现足够高的穿过孔径的流速，以可靠地进行检测。另一方面，孔径不会过小，而导致声阻大大提高，从而降低传感器的动态分辨率。
由此，有可能在MEMS技术中生产光声气体传感器的框架内实现前述孔径既允许高灵敏度，也允许进一步的微型化。
额外地，可以优化隔膜的热阻或者还有温度传感器的热接点的热容量，以确保特别高的用于检测PAS信号的信噪比。
在本发明的另一优选实施方案中，检测器腔室、传感器通道和基准腔室形成闭合的系统，该系统填充有基准气体，并且其中待分析的气体位于红外发射器与检测腔室之间的光路中，从而可以根据检测腔室内声压力波的形成，测量基准气体在待分析的气体中的份额。
检测腔室优选地包含基准气体，其与红外发射器相配合，使得进入检测腔室的、经调制的红外辐射借助于那里的气体实现PAS。如果现在在红外发射器与检测腔室之间的测量区段中同样包含吸收红外辐射的气体(特别是基准气体)并且发生PAS，则检测腔室中的吸收强度降低。通过降低的程度，可以推断测量区段中的气体浓度。在这种情况下，优选地，检测腔室中声压力波的形成越小，检测腔室外的光路中的基准气体越多，因为随即特别地，已经在那里发生了吸收和激发。优选地，为了能够尽可能只激发基准气体，在此使用窄频带的红外发射器。
举例而言，可以封闭检测器腔室和基准腔室，并且填充基准气体(混合物)，例如N2中的CO2。如果现在应测量环境空气中的CO2份额，则优选地宽频带辐射的红外发射器与侧向单元相隔。在该间隔中，经调制的红外光横越环境空气(测量区段或者说“被测气体”)并且之后才出现在检测器腔室中。对应于空气中CO2的浓度，吸收CO2波长中的辐射，并且在剩余红外辐射进入检测器腔室中时，该能量缺失。在那里，基准气体(混合物)中的残余红外辐射被吸收并且引起声压事件，如所描述地，该声压事件通过传感器通道被补偿至基准腔室，其中传感器可以作为PAS信号，测量压力补偿。
该测量方法对于之前确定的气体的份额的测量而言是特别敏感的。在这种情况下，红外发射器与检测腔室之间的小自由射流间隙就可以是足够的。因此，可以非常简单地提供紧凑型气体传感器，其可以测量气体传感器的环境中特定气体的浓度。
在本发明的另一优选实施方案中，检测腔室呈现了敞开的系统，该系统包括一个或更多个开口，使得待分析的气体能够流入或者扩散到检测腔室中。
检测器腔室和基准腔室例如通过开口，与待分析的气体混合物(例如空气)连通。开口可以优选地足够小，以保证声通风频率低于测量频率。替代地，还可以优选地能用阀门封闭开口，为了待分析的气体混合物的进入而选择性地将其打开并且为了测量而将其封闭。优选地，红外发射器经调制地并且波长选择性地射入到基准腔室中。如果例如应在该气体混合物中确定气体组分(例如CO2浓度)，则优选地用气体组分(例如CO2)特定的波长对其进行激发。这样做的结果是：与气体混合物中该气体组分的浓度成比例地产生声脉冲或者说声压力波。声压由于传感器通道或者说进入基准腔室的孔径而下降。借助于位于传感器通道中或者邻接其的传感器或者说传感器元件，可以如所描述地测量压力补偿。
在这种情况下，开口优选地足够大，使得其对于向内扩散具有适当的流动阻力和/或不妨碍在检测腔室内构建声压力波。根据制造，来自蚀刻工艺的横截面是优选的。在(例如通过氢氧化钾——KOH进行的)湿法化学蚀刻工艺中，优选地产生对于晶向的依赖性，在干法蚀刻工艺中，基本上正方形的横截面可以是优选的。
在本发明的另一优选实施方案中，检测腔室包括两个或更多个开口，其朝向至少一个方向的最大膨胀为1nm到500μm。
这些尺寸被证明在紧凑型气体传感器中是特别适合的。
在本发明的另一优选实施方案中，红外发射器允许波长选择性的辐射，和/或在红外发射器与检测腔室之间的光路中有波长选择性的滤波器，例如法珀滤波器。
波长选择性的滤波器优选是可调谐的。因此，气体传感器可以被用于确定不同气体的存在和/或浓度，可以为了PAS，在不同的波长下激发这些气体。
波长敏感的红外发射器可以例如是可调谐的激光器和/或包括多个不同波长的激光器。
在使用可调谐的滤波器的情况下，可以特别地使用具有宽光谱的红外发射器，例如LED和/或热发射器。
在另一方面中，本发明涉及一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器的方法，其包括以下步骤：
-提供至少两个衬底层
-在第一衬底层上施加至少一层导电材料和/或对第一衬底层上的导电材料进行结构化，以形成MEMS传感器
-在第一衬底层和/或第二衬底层中蚀刻腔体
-将第一衬底层与第二衬底层相连，以形成检测腔室、基准腔室和传感器通道，其中传感器通道将检测腔室与基准腔室相连，并且传感器以集成的状态存在于传感器通道中或者邻接传感器通道。
本领域普通技术人员认识到：根据本发明的光声气体传感器的优选实施方案的技术特征、定义和优点还适用于根据本发明的制造方法。
除了施加一个层外，施加至少一层导电材料优选地同样包括施加多个层以及特别是层系统。在这种情况下，层系统包括至少两个有计划地相互施加的层。
施加层或者层系统优选地有利于在第一衬底层上定义传感器。
例如在衬底由多晶硅制成的情况下，施加例如包括沉积。
优选地，可以在衬底层中进行腔体的蚀刻，其中仅由另一层(特别是覆盖晶片)相对于腔室，基本上封闭腔体。这特别地对于简单且成本低廉的制造是有利的。作为第二层或者说覆盖晶片，在此可以特别地使用具有印制导线的PCB或者陶瓷。
在本发明的一种优选实施方案中，
-蚀刻和/或结构化选自以下组，该组包括：干法蚀刻、湿法化学蚀刻和/或等离子蚀刻，特别是反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻(Bosch工艺)；
-施加选自以下组，该组包括：物理气相沉积(PVD)，特别是热蒸镀，激光束蒸镀，电弧蒸镀，分子束外延，溅射，化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)，和/或
-衬底层的连接选自以下组，该组包括：晶片键合、直接键合、表面活性键合、等离子活性键合、阳极键合、共晶键合、焊接键合、玻璃熔块键合和/或粘接键合。
表面活性键合和/或等离子活性键合特别地涉及通过对应方法(例如等离子预处理)实现的晶片表面预处理和/或键合工艺的激活。可以实现低接合时间和/或高机械强度。
在另一方面中，本发明涉及一种用于分析气体的方法，其包括：
a.提供根据前述权利要求中任一项所述的用于分析气体的光声气体传感器
b.在红外发射器与检测腔室之间的光路内或者在检测腔室内提供待分析的气体
c.通过以调制频率调制的红外辐射照射待分析的气体和检测腔室，以生成声压力波
d.借助于传感器，测量生成的声压力波
e.根据测量结果，表征待分析的气体。
本领域普通技术人员认识到：根据本发明的光声气体传感器的优选实施方案的技术特征、定义和优点还适用于根据本发明的用于分析气体的方法。
附图说明
在下文中，将根据示例，详细地阐述本发明，而不会对其有限制作用。
附图的简要说明
图1示出了气体传感器的示意图。
图2示出了包括自由射流测量区段的气体传感器。
图3示出了在检测腔室中包括开口的气体传感器。
图4示出了包括流量传感器的气体传感器。
图5示出了包括电容传声器的气体传感器。
图6示出了由两个键合的晶片层制成的气体传感器。
图7至图17示出了由两个晶片层构成的气体传感器的不同制造步骤。
图18至图22示出了用于根据穿过隔板的孔径而位于检测腔室与基准腔室之间的气流来测量PAS信号的传感器的一种优选实施方案。
图23示出了用于优化所描述的传感器的检测质量的优选建模方法的示意性图解。
具体实施方式
图1示出了气体传感器1，其包括检测腔室3、基准腔室5和连接两个腔室的传感器通道7。红外发射器9被布置在检测腔室3前方。检测腔室3和基准腔室5被侧向上相互布置在(侧向)平面内，该平面垂直于红外发射器9的辐射11伸长。检测器腔室3和基准腔室5通过优选地在侧向平面内伸长的传感器通道7相连。在这种情况下，红外发射器9的辐射11进入检测器腔室3，并且可以在存在对应气体的情况下，在那里通过PAS生成声压的调制。由于除此之外基准腔室5与检测腔室3之间存在相同的压力比，所以通过PAS，经由传感器通道7，补偿所产生的声压力波，其中在那里存在用于对其进行检测的传感器(未示出)。
图2示出了位于红外发射器9与检测腔室3之间的自由射流测量区段13。检测腔室3优选地包含基准气体，其与红外发射器9相配合，使得进入检测腔室3的、经调制的红外辐射11借助于那里的气体实现PAS。如果此时在测量区段13中同样含有吸收红外辐射11的气体(特别是基准气体)并且发生PAS，则检测腔室3中的吸收强度降低。通过降低的程度，可以推断测量区段13中的气体浓度。优选地，为了能够尽可能只激发基准气体，在此使用窄频带的红外发射器9。
图3示出了包括开口15的检测器腔室3，使得环绕气体传感器的气体能够进入检测器腔室3并且在那里必要时被激发，以进行PAS。由此，可以确认这种气体的存在。其基础特别地在于：每种气体都只有在至少一种特定的波长下才会被吸收并且由此被激发。在这种情况下，优选地，例如通过滤波器16调谐宽频带的红外发射器9，从而已知红外辐射11的相应波长，并且由此可以为特定的气体分配通过传感器检测的激发。
图4特别地示出了一种流量传感器17(热线风速计)形式的传感器，其位于传感器通道7内。传感器周围是孔径18，使得气体能够流经传感器通道7。流量的速度优选地在PAS发生时变化，其由此可以被检测到。
图5示出了一种包括MEMS隔膜20的电容传声器19形式的传感器。MEMS隔膜具有用于压力补偿的孔径18。这样可以提高隔膜的耐久性。隔膜20优选地同时用作电极，从而可以借助于(MEMS)反电极22，使得由声压力波造成的隔膜的振动能够被测量。
图6示出了一种由两个键合的晶片层制成的气体传感器1。下部的系统晶片21(灰色)包含腔体和传感器元件。在下侧上同样可以存在侧向上引出的、用于可能的用以读取传感器的电子机构的连接垫片以及可选的可调谐的红外滤波器。为了高红外透明性，晶片是尽可能低掺杂的。覆盖晶片23(绿色)包含互补的腔体和盖板(底板)中可选的开口，其用于与气体传感器的环境气氛的可能的气体交换。两个晶片都优选地借助于晶片键合技术，(必要时严密地)相互键合。
图7至图17示出了由两个晶片层构成的气体传感器的不同制造步骤。在图7中示出了用于系统晶片的初始衬底25，其例如由SOI(绝缘体上硅，Silicon-on-insulator)晶片/衬底或者氧化物上多晶硅(Polysilizium on Oxide)晶片/衬底形成。
图8示出了例如通过干法蚀刻进行的衬底表面的第一结构化。
图9示出了用薄氧化层27遮盖晶片。
在图10中，为湿法蚀刻工艺准备了硬掩膜。在此过程中，注意特定的设计准则，以获得需要的结构。例如，可以使用薄的多晶硅层29来影响蚀刻工艺。
图11示出了得到的结构，其包括腔体31和当中布置的用于传感器的结构。
图12示出了所施加的用于电气机构和电子机构和/或印制导线的通孔33。其可以例如包括金属和/或SOI或者说多晶硅。
图13示出了用于覆盖晶片的衬底35，其被氧化层环绕。
在图14中，通过有针对性地移除若干部位处的氧化层，同样为了湿法化学蚀刻，对该覆盖晶片进行预结构化。
图15示出了蚀刻出的覆盖晶片，其包括两个腔体31，这些腔体可以与下部的一个腔体一同形成检测腔室和基准腔室。这对应于以下优选实施方案，其中下部系统晶片包括传感器和下部腔体，并且上部覆盖晶片包括两个与下部腔体互补的上部腔体，使得通过键合下部系统晶片和上部覆盖晶片，形成基准腔室、检测腔室和传感器通道。
图16示出了组装的晶片，其中系统晶片已然具有不同的结构，并且其具有两个与覆盖晶片的腔体对应一致的腔体。在传感器通道中集成有用于风速计36的加热丝。
相反，图17示出了作为传感器的集成压电悬臂梁37。
由此，图7至图17阐明了在典型的MEMS或者说半导体制造技术中实现的简单的结构形式。
图18a、b图解了用于根据穿过隔板44的孔径18而位于检测腔室3与基准腔室5之间的气流44来测量PAS信号的传感器的一种优选实施方案。
优选地，检测腔室3与基准腔室5之间的气流只通过隔板44内的至少一个孔径18成为可能。相反，隔板44的剩余区域将检测腔室3和基准腔室5的气体容积气密地相对于彼此闭合。隔板44优选地是隔膜。
在该优选实施方案中，隔板44中的孔径18由此形成连接检测腔室3与基准腔室5的传感器通道7。传感器被设置用于测量穿过至少一个孔径18而位于检测腔室3与基准腔室5之间的气流，并且为了该目的，以邻接于孔径18或者说传感器通道，至少部分地安装在隔板44上的状态存在。
传感器包括加热元件40(例如加热电阻)和温度传感器42，该温度传感器例如可以被设计为包括多个串联或者并联的热电偶的热电堆。
加热元件40可以被调节至相对于环境温度提高的温度T2。通过隔板42和孔径18，实现到温度传感器42的热传递。
在图18b中示意性地图解了温度变化过程。温度沿着隔板42或者说隔膜，在孔径18和温度传感器42的范围内下降。
有利地，温度下降强烈地取决于流动穿过孔径18的气流。如在附图中图解的，可以均匀地在两个方向18上发生气流。特别是在光声地激发其中一个腔室内的气体分子的情况下，在PAS信号的时间段内，出现穿过孔径18的通风气流。光声效应可以直接通过热传递的调制证实光声效应。如在图18b中图解的，通过气流(V>0)减少了热传递，并且在孔径的范围内出现了比没有气流(V＝0)的情况更剧烈的温度下降。
沿着隔板42的热流的调制可以例如作为紧邻孔径处的温度T1与更远离孔径处的基准温度T0之间的温度差进行测量。能够以不同的方式，热学地并且热电地实现温度测量，并且温度测量直接反映通过气流实现的热传递的调制。
有利地，热传递的调制非常快速并且在传感器的动态分辨率方面不构成任何限制性因素。额外地，可以优化隔膜的热阻、孔径的大小或者还有温度传感器的热接点(hotjunctions)的热容量，以确保特别高的用于检测PAS信号的信噪比。
图18至图20图解了用于根据穿过隔板44的孔径18的气流44来测量PAS信号的传感器的另一优选实施方案。
如在图18中所示，优选的是，两个腔室(例如检测腔室3或者说基准腔室5)借助于隔板38相互分隔，使得仅通过一个或更多个边界清晰的孔径18的气流44成为可能。
因此，目标导向地通过孔径，以(通风)气流的形式实现第一腔室(V1、P1)与第二腔室(V2、P2)之间的压力补偿，其例如由于光声地激发其中一个腔室内的气体分子造成。借助于MEMS传感器，气流可以例如作为通过孔径实现的热通量的调制或者根据加热元件的冷却效果，快速且精确地被测定。
有利地，通过选择特别小的孔径横截面积，还可以确保：即使在PAS信号非常不显著的情况下，仍会出现足够高的穿过孔径的流速，以可靠地检测PAS信号。由此，有可能在基于MEMS的生产的框架内实现小孔径既允许高灵敏度，也允许光声气体传感器的进一步微型化。
图19和图20图解了优选的实施方案，其中在隔板或者说隔膜38中引入多个孔径，以提高测量精度。
在图20中所示的实施方案中，传感器包括加热元件40，其优选地被实施为扁平的垫片并且以安装在隔板38上的状态存在。加热元件40包括多个与隔板的孔径18对应一致的开口。穿过孔径18的气流引起加热元件40的冷却，这例如可以借助于温度传感器(未示出)测得。通过在隔板38或者说隔膜上提供多个孔径，可以增强气流的冷却效果并且改善信噪比。
在图21中图解了一种实施方案，其中传感器包括被实施为扁平垫片的加热元件40，以及多个优选地被设计为热电堆的温度传感器42。加热元件40和温度传感器42以安装在隔板38或者说隔膜上的状态存在，使得孔径18均位于加热元件40与多个温度传感器42之间。
如上文中阐述的，从中央加热元件40到温度传感器42的热流是对穿过孔径18的气流44敏感的。可以优选地借助于热电堆，测定通过气流44实现的热流的调制，该热电堆精确地确定紧邻孔径18处的接触点(hotjunction)与热电堆的背离加热元件40的端部之间的温差。
图22示出了一种由两个键合的晶片层制成的气体传感器1，其中所描述的传感器以集成的状态存在。下部系统晶片21(灰色)包含腔体和传感器元件。在下侧上同样可以存在侧向上引出的、用于可能的用以读取传感器的电子机构的连接垫片以及可选的可调谐的红外滤波器。覆盖晶片23(绿色)包含互补的腔体。两个晶片都优选地借助于晶片键合技术，(必要时严密地)相互键合。能够以类似的方式应用在图7至图17中示出的用于由两个晶片层构成的气体传感器的制造步骤。
在所获得的气体传感器1中，检测腔室3(容积1)和基准腔室5(容积2)是通过分离隔膜38相互气密地闭合的。在分离隔膜38内存在至少一个孔径18，腔室之间的气流通过该孔径成为可能。通过调制频率调制的红外辐射11优选地作用于检测腔室(容积1)。
如果以对应于位于气体混合物中的气体组分分子的吸收光谱的红外波长实现经调制的照射，则发生经调制的吸收，这引起加热和冷却过程，其时标反映辐射的调制频率。根据光声效应，加热和冷却过程引起气体组分的膨胀和收缩，由此激发气体组分，以形成基本上具有调制频率的声压力波。声压力波可作为穿过孔径18的气流44，借助于传感器测量。
传感器包括加热元件40和例如可以被设计为热电堆的温度传感器42，其被布置在分离隔膜38上，使得孔径18位于其间。
如上文中阐述的，在PAS信号的情况下，穿过孔径18的气流44引起加热元件40与温度传感器42之间的热传递的调制，其使得快速且可靠的检测成为可能。
通过气流44实现的热传递的调制有利地代表了一种特别敏感的用于确定PAS信号的衡量尺度，其可以特别地通过优化孔径18的尺寸确定、隔板38或者说隔膜的热阻以及热电堆42的热电偶的热容量得到进一步的优化。
图23示意性地图解了一种用于优化所描述的传感器的信噪比的建模方法，其可以根据穿过隔板的孔径的气流，测量(声)压力波或者说PAS信号的生成。
一方面，这种传感器的声动力学优选地取决于孔径的声阻：
Figure BDA0003521932730000361
其中Raperture表示孔径声阻，η是气体的动力粘度，并且r是孔径的半径，其中在数量为n的孔径的情况下，以Rtotal＝Raperture/n得出总电阻，其中Rtotal表示总和声阻。
另一方面，动力学的特征在于声容
Figure BDA0003521932730000362
其中V表示相应腔室的容积，ρ是气体密度，并且c是声速(参见Sattler,Robert；Physikalischbasierte Mixed-LevelModellierung von
Figure BDA0003521932730000363
博士论文；慕尼黑工业大学，2007)。
能够以如下方式，作为总和声阻Rtotal和第二容积的电容C2的乘积，计算用于借助于传感器确定第一容积中的取决于时间的(声)压力变化p(t)的特性时间常数τ：
Figure BDA0003521932730000371
对于半径r＝5μm以及基准腔室的容积为1mm3的n＝20孔径的示例，可以为类似空气的气体(η＝1.8E-5kg/m/s，ρ＝1.23kg/m3，c＝340m/s)获得0.15ms的特性时间常数τ。
由此，可以毫无问题地解决频率为数百赫兹的声压力变化。由此，所描述的传感器原理很大程度上适合于光声光谱技术，其中典型地使用若干Hz至100Hz的激发性红外发射器的调制频率。可靠地检测还更高频的调制。
有利地，信噪比在更广的频率范围内适合于充分的测量精度。噪声的因数主要考虑孔径、加热元件或者传感器的声阻。其它噪声因数涉及约翰逊噪声(Johnson noise)
Figure BDA0003521932730000372
或者关于通过孔径进行的热传递的额外的噪声特征。
在优选的实施方案中，对噪声因数进行建模，以根据主导噪声因数的最小化，实现光声气体传感器的额外改善的分辨率。
附图标记列表
1 气体传感器
3 检测腔室
5 基准腔室
7 传感器通道
9 红外发射器
11 红外辐射
13 测量区段
15 通向检测腔室的开口
16 可调谐的滤波器
17 流量传感器
18 孔径
19 电容传声器
20 MEMS隔膜/电极
21 系统晶片
22 反电极
23 覆盖晶片
25 用于系统晶片的衬底/晶片
27 氧化层
29 多晶硅层
31 蚀刻出的腔体
33 通孔/印制导线
35 用于覆盖晶片的衬底/晶片
36 用于风速计的加热丝
37 压电悬臂梁
38 隔板，优选隔膜
40 加热元件
42 温度传感器，例如热电堆
44 气流
46 包括可选的红外窗或者入口/出口的衬底
48 壳体。
参考文献
[1]Huber,J.：Miniaturisierter photoakustischer Gassensor für denNachweis von Kohlendioxid，Der Andere Verlag，2016

Claims (25)

1.一种光声气体传感器(1)，包括：
-能调制的红外发射器(9)，
-能填充气体的检测腔室(3)，
-基准腔室(5)，
-传感器通道(7)，所述传感器通道将所述检测腔室(3)与所述基准腔室(5)相连，以及
-传感器，所述传感器位于所述传感器通道(7)内或者邻接所述传感器通道(7)，
其中所述检测腔室(3)位于所述红外发射器(9)的光路内，使得所述红外发射器(9)能够借助于能调制地发射的红外辐射(11)激发所述检测腔室(3)内的气体，以形成声压，并且能借助于所述传感器，检测通过所述传感器通道(7)进入所述基准腔室的声压补偿，
其特征在于，
所述检测腔室(3)、所述传感器通道(7)、所述基准腔室(5)和所述传感器以布置在侧向平面内的状态存在，所述侧向平面基本上垂直于所述红外发射器(9)的辐射方向伸长。
2.根据前述权利要求所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述基准腔室(3)和包括所述传感器的所述传感器通道(7)没有位于所述红外发射器(9)的光路内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测腔室(3)、所述传感器通道(7)、所述基准腔室(5)和传感器元件形成在多层衬底中。
4.根据权利要求3所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述多层衬底包括至少两个衬底层，所述衬底层选自由以下构成的组：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、锗化硅、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓、磷化铟和玻璃。
5.根据权利要求3所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
通过键合至少两个晶片，形成所述多层衬底，
其中优选地，下部系统晶片(21)包括所述传感器和至少两个下部腔体(31)，并且上部覆盖晶片(23)具有与所述下部腔体(31)互补的上部腔体(31)，使得通过键合下部的所述系统晶片(21)和上部的所述覆盖晶片(21)，形成所述基准腔室(5)和所述检测腔室(3)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测器腔室(3)和/或所述基准腔室(5)的高度为10μm到2mm，优选地为50μm到1mm，特别优选地为100μm到500μm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测器腔室(3)和/或所述基准腔室(5)的长度或宽度为100μm到5mm，优选地为200μm到3mm，特别优选地为500μm到2mm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器通道(7)的长度为1μm到500μm，优选地为10μm到200μm，特别优选地为10μm到100μm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器通道(7)的横截面为1μm2到250000μm2，优选地为100μm2到25000μm2。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器是声压检测器，其中所述声压检测器优选地包括能电容式或者光学读取的、压电、压阻和/或磁性横梁和/或电容(19)、压电、压阻和/或光学传声器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器是电容传声器(19)，所述电容传声器包括作为电极的MEMS隔膜(20)和反电极(22)，并且其中所述MEMS隔膜(20)优选地具有100μm到1500μm，特别是200到1000μm的朝向至少一个方向的最大膨胀。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器是流量传感器(17)，优选是热流量传感器、热线风速计、热电风速计、电阻式风速计和/或超声风速计。
13.根据前述权利要求所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述流量传感器(17)位于所述传感器通道(7)内并且形成孔径(18)，所述孔径优选地具有100μm到1500μm，特别是200μm到1000μm的朝向至少一个方向的最大膨胀。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测腔室(3)和所述基准腔室(5)至少部分地由隔板(38)，优选地由分离隔膜(38)分隔，所述隔板具有至少一个孔径(18)，所述孔径形成所述传感器通道(7)，并且其中所述传感器以至少部分地布置在所述隔板(38)上的状态存在，并且被设置用于测量穿过至少一个所述孔径(18)而位于所述检测腔室(3)与所述基准腔室(5)之间的气流(44)。
15.根据权利要求13所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器包括至少一个加热元件(40)和至少一个温度传感器(42)，所述加热元件和所述温度传感器以安装在所述隔板(38)上的状态存在，使得至少一个所述孔径(18)位于所述加热元件(40)与至少一个所述温度传感器(42)之间，从而能够根据所述加热元件(40)与至少一个所述温度传感器(42)之间的热流的调制，测量穿过至少一个所述孔径(18)而位于所述检测腔室(3)与所述基准腔室(5)之间的气流(44)。
16.根据权利要求13所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述传感器包括至少一个加热元件(40)，所述加热元件具有与至少一个所述孔径(18)对应一致的开口并且以安装在所述隔板(38)上的状态存在，并且其中能够根据所述加热元件(40)的冷却，测量穿过至少一个所述孔径(18)和所述加热元件(40)的对应一致的开口而位于所述检测腔室(3)与所述基准腔室(5)之间的气流。
17.根据前述权利要求13-15中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述隔板(38)包括至少2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个孔径(18)。
18.根据前述权利要求13-15中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
至少一个所述孔径(18)的横截面积处于1μm2到10000μm2之间，优选地处于5μm2到1000μm2之间，特别优选地处于10μm2到100μm2之间。
19.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测器腔室(3)、所述传感器通道(7)和所述基准腔室(5)形成闭合的系统，所述系统填充有基准气体，并且待分析的气体位于所述红外发射器(9)与所述检测腔室(3)之间的光路中，从而能够根据所述检测腔室(3)内声压力波的形成，测量所述基准气体在待分析的气体中的份额。
20.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测腔室(3)呈现了敞开的系统，所述系统包括一个或更多个开口(15)，使得待分析的气体能够流入或者扩散到所述检测腔室(3)中。
21.根据前述权利要求所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述检测腔室(3)包括两个或更多个开口(15)，所述开口朝向至少一个方向的最大膨胀为1nm到500μm。
22.根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)，
其特征在于，
所述红外发射器(9)允许波长选择性的辐射，和/或
在所述红外发射器与所述检测腔室之间的光路中有波长选择性的滤波器(16)，例如法珀滤波器。
23.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的光声气体传感器(1)的方法，包括以下步骤：
-提供至少两个衬底层
-在第一衬底层上施加至少一层导电材料和/或对所述第一衬底层上的导电材料进行结构化，以形成MEMS传感器
-在所述第一衬底层和/或第二衬底层中蚀刻腔体(31)
-将所述第一衬底层与所述第二衬底层相连，以形成所述检测腔室(3)、所述基准腔室(5)和所述传感器通道(7)，其中所述传感器通道(7)将所述检测腔室(3)与所述基准腔室(5)相连，并且所述传感器以集成的状态存在于所述传感器通道(7)中或者邻接所述传感器通道(7)。
24.根据前述权利要求所述的制造方法，
其特征在于，
-蚀刻和/或结构化选自以下组，所述组包括：干法蚀刻、湿法化学蚀刻和/或等离子蚀刻，特别是反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻(Bosch工艺)；
-所述施加选自以下组，所述组包括：物理气相沉积(PVD)，特别是热蒸镀，激光束蒸镀，电弧蒸镀，分子束外延，溅射，化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)，和/或
-所述衬底层的连接选自以下组，所述组包括：晶片键合、直接键合、表面活性键合、等离子活性键合、阳极键合、共晶键合、焊接键合、玻璃熔块键合和/或粘接键合。
25.一种用于分析气体的方法，包括：
a.提供根据前述权利要求1至22中任一项所述的用于分析气体的光声气体传感器(1)
b.在所述红外发射器(9)与所述检测腔室(3)之间的光路内或者在所述检测腔室(3)内提供待分析的气体
c.使用以调制频率调制的红外辐射(11)照射待分析的所述气体和所述检测腔室(3)，以生成声压力波
d.借助于所述传感器，测量生成的所述声压力波
e.根据测量结果，表征待分析的所述气体。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021111012A1 (de) 2021-04-29 2022-11-03 Technische Universität Dortmund, Körperschaft des öffentlichen Rechts Photoakustischer Gassensor und Verfahren zur Herstellung
DE102022106887A1 (de) 2021-05-25 2022-12-01 Remmers Gmbh Verwendung eines flüssig aufzubringenden reaktivdachabdichtungsmittels zur herstellung einer dachabdichtung
DE102022131508A1 (de) 2022-11-29 2024-05-29 Endress+Hauser Optical Analysis, Inc. Gassensor zur Bestimmung der Konzentration zumindest eines Gases in einem Gasgemisch und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration zumindest eines Gases in einem Gasgemisch mit einem Gassensor

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE9006169U1 (zh) * 1990-05-31 1991-07-18 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De
JPH07140075A (ja) * 1993-09-24 1995-06-02 Fuji Electric Co Ltd 赤外線ガス分析計
JPH08122251A (ja) * 1994-10-19 1996-05-17 Mitsubishi Materials Corp 赤外線式ガス分析装置
NO300078B1 (no) * 1995-02-10 1997-04-01 Sinvent As Fotoakustisk gassdetektor
US7034943B1 (en) * 2000-03-03 2006-04-25 Aritron Intrumente AG Gas sensors
JP5230883B2 (ja) * 2001-08-10 2013-07-10 株式会社堀場製作所 赤外線ガス分析計用流量検出素子
JP2005274515A (ja) * 2004-03-26 2005-10-06 Myotoku Ltd センサ及びその測定方法
DE202015002315U1 (de) 2015-03-27 2015-05-06 Infineon Technologies Ag Gassensor
US10352910B2 (en) 2016-08-31 2019-07-16 Infineon Technologies Ag Gas analyzer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023206663A1 (zh) * 2022-04-28 2023-11-02 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种气体传感器

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