CN205003048U - 检测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及检测装置。该检测装置形成在具有第一面、第二面和腔的半导体材料的本体中。检测区域形成在腔中，并且气泵集成在本体中并且被配置成迫使气体朝向检测区域运动。光学型检测系统或者阿尔法粒子检测器至少部分地布置在检测区域中。根据本实用新型的实施例，可以实现增加检测效率并具有高灵敏度和短测量时间、小尺寸、低成本的集成检测装置。

Description

检测装置
技术领域
本申请涉及集成检测装置，特别是对于包含在气体中的诸如颗粒或者阿尔法粒子等粒子的检测器。
背景技术
已知例如用于检测具有小于预设值的直径的粒子的粒子检测器。例如，可获得用于测量粒子或者颗粒PM的设备。存在于大气中并且例如由灰尘、烟雾、气溶胶微滴等等形成的这种微观粒子可能呈现对健康的威胁并且形成影响气候变化的环境风险。
为了检测粒子，一些设备使空气样本穿过具有例如由激光器生成的光束的通道，光束通过撞击包含在空气中的粒子使其发生散射。沿着散射光的路径布置的检测器基于检测信号测量粒子的直径，并且对其数量进行计数。
例如，由GrimmAerosolTechnikGmbH&Co.,KG制造的型号为1.108/1.109的设备“PortableLaserAerosolSpectrometerandDustMonitor”是包括将光聚集在检测器中的反射镜的便携式设备(也参见http://www.wmo-gaw-wcc-aerosol-physics.org/files/OPC-Grimm-model--1.108-and-1.109.pdf)。
然而，上述检测天然浓度的粒子的系统，在相当长的测量时间方面可以得到改善。此外，随着待检测的浓度的降低，系统几乎不可应用，需要更高激光功率，并且由于分立结构而笨重且成本高昂。
由ContecEngineeringSrl制造的另一商业设备“DustMonit”包括受控的容量恒定的泵，其通过辐射对称的探针吸入空气并且将其传送至室内，在室内经运送的粒子由激光束单独地击打。正比于其大小的、由每个粒子反射的能量经由光电二极管被检测并且被计数(也参见http://www.conteng.it/Bollettini/DustMonit_En.pdf)。
上述检测器具有逐个检测粒子的缺点，并且因此具有长检测时间。此外，当粒子沿着连接检测器和源的线对准时，它引入误差。
因此期望具有改进的检测器，其增加检测效率，具有高灵敏度以及短测量时间、小尺寸及低成本。
实用新型内容
根据本实用新型的实施例，提供了半导体材料的检测装置，旨在实现增加检测效率并具有高灵敏度和短测量时间、小尺寸、低成本的检测器。
在实践中，本粒子检测器包括集成了气泵的半导体本体，气泵对诸如空气等气体和包含在其中的粒子进行加速，将它们聚集在形成检测区域的本体腔中，在本体腔中粒子通过由光源发出的光击打以引起光散射，这经由光检测器进行检测。散射光的空间分布与空气中的粒子大小相关联，所以从关于光波长的散射的Mie理论开始并且基于粒子的光学性质(折射率和吸收系数；参见，例如，BohrenC.F.andHuffmanD.R.,1983,“AbsorptionandScatteringofLightbySmallParticles”,JohnWiley&Sons,530页)，通过适当的算法(WiscombeW.J.,1980:“ImprovedMiescatteringalgorithms”,Appl.Opt.,19,pp.1505-1509)，可以计算包含在空气中的粒子的大小分布。备选地，在对于由例如氡气发出的阿尔法粒子的检测器的情况下，粒子检测器被布置在检测区域中，并且气体被加速和/或通过气泵聚集。
特别地，气泵可以是离子型的，其中诸如空气之类的气体通过例如可能具有尖部的电离栅格的结构被电离，并且接着通过例如适当偏置的栅格的结构被引向检测区域。备选地，气泵可以是热学型的，其具有被配置成在检测区域的两个末端之间创建温度差的结构。
以这种方式，可以提供对于例如PM10(直径在2.5微米和10微米之间的粒子)、PM2.5(直径小于2.5微米的粒子)或者甚至更小大小颗粒的颗粒物的检测器和氡检测器两者。
集成了粒子检测器的半导体本体可以容纳用于适配由光源发出的光束的特性(例如，使其展宽)的测微透镜系统。透镜系统可以例如通过利用材料的疏水性和/或电润湿来获得。备选地，可以预制透镜并且后续将其放置到位。
备选地，调束系统可以是用于例如光子学或者MOEMS(微光机电系统)的部分的任何已知系统。
根据本实用新型的一个方面，提供一种检测装置，其特征在于，包括：半导体材料的本体，具有第一面、第二面和腔；检测区域，在所述腔中；气泵，被集成在所述本体中，并被配置成迫使气体朝向所述检测区域运动；以及检测系统，至少部分地被布置在所述检测区域中。
在一个实施例中，所述气泵是离子型的并且包括被布置在所述检测区域的第一侧上的电离结构和被布置在所述检测区域的第二侧上的吸引结构，所述电离结构和所述吸引结构被配置成电离进入所述腔的气体并且迫使所述气体通过所述检测区域。
在一个实施例中，所述电离结构包括具有尖部的导电栅格，并且所述吸引结构包括可偏置导电栅格。
在一个实施例中，所述气泵是热学型的并且包括被布置在所述检测区域的第一侧上的加热结构和被布置在所述检测区域的第二侧上的冷却结构，所述加热结构和所述冷却结构被配置成生成温度差和通过所述检测区域的气体运动。
在一个实施例中，所述加热结构包括导电栅格，所述导电栅格被配置成通过焦耳效应生成热，并且所述冷却结构包括珀耳帖单元。
在一个实施例中，所述腔是通腔并且在所述第一面和所述第二面之间延伸，并且所述气泵被配置成生成通过所述本体的气体运动。
在一个实施例中，所述腔大体平行于所述第一面延伸并且在所述本体上具有入口开口和出口开口，并且所述气泵被配置成生成在大体平行的方向上通过所述本体的气体运动。
在一个实施例中，所述检测系统包括光学系统并且包括被配置成生成光束的光源和被配置成检测散射光的光检测器，所述光学系统被配置成朝向所述检测区域引导所述光束。
在一个实施例中，所述光源包括在邻近所述检测区域的第一位置中被集成在所述本体中的激光源，并且所述光检测器在邻近所述检测区域的第二位置中被集成在所述本体中。
在一个实施例中，所述光学系统包括被布置在所述光源和所述检测区域之间的调束组件，所述调束组件包括多个透镜和承载所述多个透镜的疏水性支撑或可变疏水性支撑。
在一个实施例中，所述光源被配置成生成偏振激光。
在一个实施例中，所述光源被配置成生成偏振激光，并且所述光检测器包括偏振分光单元和两组多个光接收器元件，每组的多个光接收器元件被配置成检测具有单个相应偏振的光。
在一个实施例中，所述偏振分光单元包括光栅耦合器。
在一个实施例中，所述检测区域具有倾斜壁，所述倾斜壁具有被配置成限定所述光束的光学路径的反射表面，所述光源和所述光检测器被布置在所述光学路径上的所述检测区域的面对位置中。
在一个实施例中，所述检测系统包括阿尔法粒子检测器。
在一个实施例中，所述阿尔法粒子检测器包括半导体衬底，所述半导体衬底具有延伸通过所述腔并且包括敏感区域的阵列和邻近所述敏感区域的多个通孔的部分，其中吸引电极被形成在所述通孔的壁上。
在一个实施例中，所述阿尔法粒子检测器被集成在界定所述腔的壁上的半导体材料的所述本体中。
根据本实用新型的实施例，可以实现增加检测效率并具有高灵敏度和短测量时间、小尺寸、低成本的集成检测装置。
附图说明
为了更好地理解本实用新型的实施例，现在仅通过非限制性示例的方式参考附图描述本实用新型的优选实施例，其中：
图1是通过诸如颗粒物PM10或者PM2.5或者更小大小的颗粒等粒子的检测器的实施例的截面；
图2是图1的检测器的示意表示；
图3是可以用于图1的粒子检测器的栅格的可能的实施例的示意表示；
图4是可以用于图1的粒子检测器的栅格的另一个可能的实施例的示意表示；
图5是可以用于图1的粒子检测器的另一栅格的可能的实施例的示意表示；
图6A-图6F是在连续的制造步骤中的类似于图1的截面；
图7和图8图示了图1的粒子检测器的细节的两个可能的实施例；
图9图示了图7和图8的细节的制造序列；
图10图示了图1的粒子检测器的可能的封装；
图11-图13图示了粒子检测器的不同的实施例；
图14是图1-图13的粒子检测器的另一细节的不同实施例的示意顶视平面图；
图15和图16分别图示了具有不同构造的样本室的粒子检测器的实施例的截面图和顶视平面图；
图17是不同构造的样本室的顶视平面图；
图18是粒子检测器的实施例的截面；
图19是图18的光检测器的不同配置的顶视平面图；
图20和图21是粒子检测器的不同的实施例的截面；
图22和图23是检测诸如氡等气体的装置的实施例的截面；
图24A和图24B是在连续制造步骤中的类似于图23的截面；以及
图25是粒子检测器的实施例的顶视平面图。
具体实施方式
图1和图2图示了集成在具有第一面2A和第二面2B的本体2中的粒子检测器100的实施例。本体2可以由半导体材料(例如单片单晶硅)的衬底20形成，在其主表面中的一个上由第一保护层3A覆盖，并且在其主表面中的另一个上由第二保护层3B覆盖，保护层3A、3B例如都是绝缘材料的并且分别形成第一面2A和第二面2B。
本体2容纳由在本体2的两个面2A和2B之间延伸的开口形成的样本室4。样本室4由两个互相邻接的并且基本上对准的部分形成，包括从本体2的第一面2A延伸的检测区域4A和从第二面2B延伸的聚集区域4B。在所图示的示例中，检测区域4A具有例如大体平行六面体形状(也参见图2的顶视平面图)，并且聚集区域4B具有例如截头圆锥形形状，其中聚集区域4B的次基底直接地邻近检测区域4A并且具有基本上等于检测区域的区域，并且其主基底面对第二面2B。然而，其他形状也是可能的。例如，整个样本室4可以是截头圆锥体或者平行六面体，而没有任何不连续。
本体2进一步集成了光学检测系统，包括布置在检测区域4A侧的光源5(例如激光发射电路)和光检测器6(例如，激光检测电路)。在图1中，光源5和光检测器6布置在检测区域4A的两个相对侧上。第一透射区域7A布置在光源5和样本室4之间，并且第二透射区域7B布置在样本室4和光检测器6之间。透射区域7A和7B可以是空气或者氧化硅、硅、聚合物或者对由光源发射的光的波长透射的其他材料的。如在下文中详细说明的，第一透射区域7A可以嵌入具有如下目的的光学元件8，即调整(例如展宽)由光源5生成的光束并因此增加检测区域4A内的由光束同时击打的粒子的体积。
光源5可以按照使其能够集成在本体2中的任何已知方式实施。例如，可以使用在US6,661,035中描述的光学辐射发射装置。同样地，光检测器可以按照各种方式实施，例如如在W2014107504中描述的。光源5可以进一步包括多个发射光电二极管60，并且光检测器6可以包括多个接收光电二极管61，如图2所示。
样本室4在顶部和底部处通过通常为诸如铝、钨、金或铜等金属的导电材料的第一栅格10和第二栅格11来闭合。
详细而言，第一栅格10形成在本体2的第二表面2B上以形成具有尖部的电离栅格。特别地，参考图3和图4，第一栅格10由一对电极13、14形成。电极13、14布置在同一平面中，平行于本体2的第二面2B延伸，并且是梳指式的。例如，在图3中，每个电极13、14包括多个z字形分支13A、14A，并且一个电极的分支的尖部(例如，第一电极13的分支13A的尖部)面对另一电极的分支的尖部(例如，第二电极14的分支14A的尖部)布置。在图4中，相反，分支13A、13B以恒定距离延伸。然而，所示出的形状仅具有图示的目的，并且很多其他配置也是可能的，只要它们能够电离通过的气体，诸如空气。
在这里形成在第一面2A上的第二栅格11是由具有以蜂窝配置或者根据规则或不规则图案布置在阵列中的任何形状的多个孔洞的导电金属层形成的简单导电栅格，这些形状例如是圆形、方形(如图5示意性地表示的，形成某种光栅)、六边形或者一般地多边形。第二栅格11因此仅具有吸引和加速诸如空气等气体的电离分子和包含在其中的粒子的功能，并且该功能可以经由施加在第二栅格11上的适当偏置电势调节和修改。
衬底20可以进一步集成处理电路，如图1示意性地表示的和在18处指定的。备选地，在衬底20内并且在面2A、2B上，可以提供用于到外部处理单元的电连接的区域。
在使用时，电势差(由图3和图4的电压生成器15表示)施加在第一栅格10的电极13和14之间，并且引起通过第一栅格10进入样本室4的诸如空气等气体的电离。此外，第二栅格11以与空气电离电压相反的符号的电压被偏置。靠近空气击穿电压的高电压施加至电极13和14引起空气分子的电子的释放。因此带正电的空气分子被负偏置的第二栅格吸引，携带走任何粒子。在实践中，因此电离的空气在样本室4内通过检测区域4A被第二栅格11吸引和加速，并且进一步经受压缩，局部地增加其密度，密度也可以由于聚集区域4B的形状具有从第一栅格10朝向检测区域4A递减的截面而增加。由电离空气携带的穿过检测区域4A的待检测粒子的数量因此在单位体积和/或单位时间显著增加。在检测区域4A中，加速和聚集的粒子通过由光生成器5发射的光束12击打并且引起光的散射。因此散射的光通过连接至处理单元(未示出)的检测器6以已知的方式检测，用于确定粒子的数量及其大小，这与光散射区域中的空间分布有关。
在实践中，栅格10、11和样本室4的全体形成气泵50(图2)，其加速和压缩被迫通过样本室4的空气。
以这种方式，在测量期间检测区域4A中的粒子的数量显著增加，因此增加了粒子检测器100的检测效率。
在第一栅格10中，待施加在第一栅格10(电离栅格)的电极13和14之间的电压是尖部之间的距离的函数。该距离可以根据需要在用于限定金属层的光刻工艺的极限的情况下选择得尽可能小。例如，利用当前工艺，可以容易地制作尖部之间的距离小于100nm的、甚至小到50nm或者更小的电极。对于电极13和14之间的这些距离，可以施加100V或者50V或者更小的直流电压。
第二栅格11的偏置电压一般地依赖于应用，并且特别地待测量的环境中期望的粒子浓度。对于其中样本室4快速填满粒子的具有高浓度的待测量粒子的环境中的测量，可以使用比具有低浓度的情况下更低的电压。例如，利用1-10V的电压，可以加速电离空气分子，用于获得待测量的粒子的浓度甚至按照10或100的因子的增加，在仅仅几秒内填满样本室4。根据所选的几何结构和大小，第二栅格11也可以在更高电压(例如，100V、200V)偏置，甚至无需达到空气的击穿电压。
在粒子检测器100的可能实施方式中，第二栅格11的节距可以使得保持感兴趣的粒子。
数据处理算法可以接着基于已知算法并且通过应用经典物理的基本定律，进行数据读取的某种“去放大”，将尺寸分布和粒子浓度的结果与诸如空气等环境气体中的有效浓度相关联。
在进一步可能的实施例中，第一栅格10可以是类似于第二栅格11的标准栅格，并且栅格10和11之间的电压电离并且加速空气分子。在该实施例的变型中，第一栅格10也可以具有含竖直地朝向样本室内部引导(并且因此垂直于本体2的第二面2B)的突起或者尖部的三维结构。此外，突起或者尖部可以面对第二栅格11，用于减小两个栅格10、11之间的距离，并且减小施加至其的电压。
根据粒子检测器100的实施例，在待测量粒子已经聚集在样本室4内部并且已经进行粒子分布的测量之后，可以将栅格10、11的偏置逆转并且通过第一栅格10清空样本室4，也因此去除了积聚在第一栅格10周围的可能的粒子。
粒子检测器100可以如图6A-图6F进行制造。
最初地，并且现在参考图6A，光源5和光检测器6使用半导体工业中已知的微集成技术被集成在衬底20中。在同一衬底中，形成旨在限定检测区域4A的腔(因此也在下文中称为“检测腔4A”)，并且形成由透射区域7A、7B的材料待填充的至少两个光学腔16A和16B。在图6A的截面中，检测腔4A和光学腔16A、16B彼此对准，并且与光源5和光检测器6对准，并且呈现为单个腔。备选地，并且在存在镜面结构时，如下文所讨论的，它们可以不对准。腔4A、16A和16B例如通过刻蚀硅获得。
接着，利用将形成透射区域7A和7B的透射材料7填充检测腔4A和光学腔16A、16B，并且在可能的平整化之后，在晶片2的顶上和底下，通过例如电介质材料形成保护层3A、3B。
接着(图6B)，通过选择性刻蚀从检测腔4A去除透射材料7，并且利用第一牺牲材料23(例如氧化物或者氮化物)填充检测腔4A。
第二栅格11形成在保护层3A(图6C)顶上。为此目的，沉积并接着限定金属层以获取期望形状。
接着(图6D)，反转并刻蚀衬底20，用于形成聚集区域4B。例如，可以使用TMAH(四甲基氢氧化铵)刻蚀或者KOH(氢氧化钾)刻蚀，该刻蚀自动地停止在第一牺牲材料23处，以形成聚集区域4B。接着，利用第二牺牲材料24(例如氧化物或者氮化物)填充聚集区域4B。
第一栅格10以类似于第二栅格11的方式形成在晶片2的第二面2B上(图6E)。
在变型中，在图6E中图示的步骤之前，即在形成第一栅格10之前，通过掩模和刻蚀，可以在第二牺牲材料24中形成腔，使得在第一栅格10的材料的沉积期间形成竖直尖部，因此创建三维栅格。
接着(图6F)，通过第一栅格10和/或第二栅格11去除第一牺牲材料23和第二牺牲材料24。
在变型中，可以利用诸如空气等气体填充腔16A和16B。在这种情况下，透射区域7A和7B的材料可以类似于第一牺牲材料23和第二牺牲材料24，并且与牺牲材料一起被去除。
图7和图8图示了例如用于使由光源5生成的光束12对准和/或展宽的光学调整元件8的两个可能的实施例。
详细而言，在图7中，光学元件8包括一对透镜21A、21B。透镜21A、21B可以由具有合适的光学特性的材料的球形成，这样的材料例如具有通过掺杂或者结构的工程而优化的折射率的树脂或者聚合物或者氧化物。在这里，疏水表面22包括具有不同粗糙度的两个部分22A和22B，并且恰好承载第一透镜21A的第一部分22A具有比承载第二透镜21B的第二部分22B更低的粗糙度。此外，第一透镜21A具有比第二透镜21B的折射率n3更大的折射率n1，第二透镜21B又具有比周围材料(第一透射区域7A或者第二透射区域7B的材料或者空气)的折射率n2更大的折射率，n2<n3<n1。第一透镜21A进一步具有小于第二透镜21B的直径，并且在由光源5生成的光束12的方向上被布置在第二透镜21B的上游。
例如，疏水表面22的粗糙度可以通过对硅或者沉积在硅上的具有合适的疏水特性的其他材料进行处理而获得。处理可以以良好控制的方式进行，例如通过光刻和化学刻蚀(例如，在HNO3+HF中的硅湿法刻蚀)。为获得球形透镜，表面可以是超疏水的。
为获得透镜21A、21B，在制造期间，可以将光学材料的液滴沉积在表面22上，例如经由适当设备的喷嘴注射。如已知的，液滴的大小不仅依赖于所沉积的液滴的表面张力，而且依赖于通过改变表面粗糙度获得的衬底的较高或者较低的疏水性。例如，可以改变利用已知光刻方法限定的结构线/空间的周期。因此，在第一部分22A上形成了较小大小的液滴，并且在第二部分22B上形成了较大大小的液滴。因此沉积的液滴例如经由固化而被硬化，用于获得透镜21A、21B。接着，如果需要，沉积将形成透射区域7A、7B的透射材料。应当注意的是，即使在硬化期间透镜21的大小可能经受减小，系统也可以被设计成考虑该减小以便获得期望大小的透镜21。
上述制造模式也可以有利地用于形成用于例如光子学的备选应用的光学系统的一个或者多个透镜，在光子学中例如光束的准直是有用的。
相反，图8图示了包括两个会聚型的透镜23A、23B的光学元件8，使得离开光学元件8的光束12是平行的。该方案在形成如参考图7所描述的透镜21A和21B之后获得。在这种情况下，在使液滴固化之后，沉积并且使用光刻来限定牺牲材料19，例如与透射区域7A、7B相同的材料，并且刻蚀透镜21A和21B(例如，经由在O2等离子体和诸如CF4或SF或NF3等含氟气体中的干法刻蚀)，用于去除其相应的互相面对的部分。接着，在用于去除牺牲层19的任何附加工艺之后，先前由牺牲材料19占据的空间可能由透镜区域7A、7B的材料填充。
根据另一实施例，光学系统8可以更加复杂并且包括利用不同的工艺(例如，预成型并接着引入到粒子检测器中)形成的如图7中的球形透镜(透镜21A和/或透镜21B)。在其他应用中，诸如例如在光子学中，也可以单独地使用透镜，例如用于同一目的。
用于形成透镜21、23的另一方法基于通过将合适的电势施加至衬底的、材料的疏水改性能力。也称为“电润湿”的这种技术在例如"Dielectricmaterialsforelectrowetting-on-dielectricactuation",HongLiu,SamanDharmatilleke,DevendraK.Maurya,AndrewA.O.Tay,Microsyst.Technol.(2010)16:449-460中描述。
在这种情况下，如图9所示，本体2的将提供光学元件8的区域的底部(第一腔16A的底部)具有绝缘层25(例如氧化硅)、将电极区域26(例如金属区域)与绝缘型(例如氧化物、聚合材料或者诸如聚酰亚胺或聚对二甲苯或等树脂)的可变疏水性层27分离的电介质层28。特别地，可变疏水性层27是疏水性可以通过施加适当电压进行电改性的材料的。
在粒子检测器100的制造期间，在沉积第一透射区域7A的材料之前，使用半导体工业中的标准技术，首先形成绝缘层25、电极区域26、电介质层28和可变疏水性层27。接着，在电极区域26上，沉积透射材料的液相的但尚未成形(如图9的左手部分中图示的)的一些液滴29，例如树脂或者聚合物。接着，通过电极区域26，根据可变疏水性层27的材料将例如25V或120V的电压(也参见上面引用的文章的表1和表2)的合适的电势施加至液滴29。
为此，另外的电极(未图示)可以施加在液滴29上，并且电容性耦合至电极26，与液滴29接触或者不接触。该电极可以形成被设计成利用例如承载半导体材料的晶片2的热学夹具经由电润湿使光学材料的液滴29硬化而形成透镜的适当设备的一部分。
所施加的电压引起可变疏水性层27的疏水性的增加以及因此引起液滴29的形状和润湿性的改变，液滴29呈现大体球形形状，如在图9的右手部分中的29’处示出和指定的。
上述效应也可以通过处理疏水性层27的表面以使其粗糙来增强，如参考图7和图8所描述的。接着，如在图8中的，可以去除透镜29的一部分。
粒子检测器100可以如图10的示例所示进行封装。在这里，将本体2键合至具有与样本室4的腔对准的通孔31的支撑30。凸点32可以被提供用于将本体2固定并电连接至支撑30。经穿孔的绝缘层33可以布置在支撑30和本体2之间。封装36在侧边处并且在顶部处围绕本体2，并且嵌入电连接线35。封装36也具有在样本室4顶上的开口37以使得诸如空气等气体能够穿过本体2。
第三栅格38可以提供在开口37的顶上，并且在相对侧上，第四栅格39可以提供在通孔31之下。
第三栅格38和第四栅格39例如也通过图案化所沉积的金属层和/或通过键合可以提供为在封装36的三侧之上延伸的单个栅格的相应预成形的栅格来获得，第三栅格38和第四栅格39可以具有安全功能以防止在处理期间与物体或者人员的偶然接触。此外，它们可以防止具有比栅格38、39的孔洞更大的大小的杂质穿透到样本室4中。
图11图示了粒子检测器100的不同的实施例。在这里，从键合在一起的两个衬底40、41开始形成本体2，其中第一衬底40承载第一栅格10并且第二衬底41承载第二栅格11。此外，第二衬底41容纳光源5、检测区域4A、光检测器6和透射区域7A、7B，而第一衬底40容纳聚集腔4B。在这里，控制栅格44形成在第一衬底40和第二衬底41之间。保护栅格44可以经由诸如例如氧化物的绝缘层(未图示)与第一衬底40和/或第二衬底41电绝缘。
保护栅格44可以以中间电压偏置，以便增加气泵50的效率和/或控制粒子在检测区域4A中的浓度。
根据备选例(未图示)，图1、图10、图11的第一保护层3A由第三半导体衬底代替，并且第二栅格(加速栅格11)可以提供在例如衬底20(第二衬底41)和第三晶片之间。
图12图示了与图11相比检测区域47在距本体2的第一面2A和第二面2B一定距离处延伸并且通过第一衬底40中的多个第一孔洞45和第二衬底41中的多个第二孔洞连接至外部的实施例。在这种情况下，在两个衬底40、41的耦合之前，第一栅格10和第二栅格11可以分别布置在第一面2A和第二面2B上(如图所示)或者在检测腔47的底部上的本体2内部，分别在一侧上在检测腔47和孔洞47之间并且在另一侧上在检测腔47和孔洞46之间。
图13图示了具有以热学方式操作的气泵150的粒子检测器200。为此，加热结构51形成在样本室4的一个端部处，并且冷却元件52形成在样本室4的另一端部处。例如，在图13中，本体2如图1所示来提供，并且包括集成了光源5和光检测器6并且容纳样本室4的第一衬底20。加热结构51形成在样本室4的聚集区域4B的端部上，并且包括由被配置成允许电流流动和通过焦耳效应生成热的简单导电栅格形成的加热栅格53。备选地，加热栅格53可以与诸如例如电阻器的加热元件(未图示)热接触。冷却元件52由互相热接触的冷却栅格54和诸如珀耳帖单元的热电装置56形成。冷却元件52可以进一步包括与珀耳帖单元56热接触的散热器或者热沉57。
在使用时，加热结构51被馈送电流并且通过焦耳效应加热。同时以已知的方式供应对冷却栅格54进行冷却的珀耳帖单元56。存在于加热结构51和冷却元件52之间的温度差因此引起诸如空气等气体从加热结构51朝向检测区域4B和冷却元件52的运动，并且因此从外部通过加热结构51吸入其它空气。温度差因此创建了“泵”效应，其加速空气和包含在其中的粒子，将它们聚集并且迫使它们进入检测腔4A，如上文参考图1针对离子泵50所描述的。此外，在这里，栅格52可以具有诸如保持感兴趣的粒子的节距。
图14图示了光学系统8的实施例，其既可以用于图1-图12的粒子检测器100也可以用于图13的粒子检测器200，并且具有增加检测的精度和效率的目的。在这里，光源5包括在顶视平面图中具有大体方形区域的布置在检测区域4A的两个邻近侧62A、62B上的两组多个发光元件60A、60B。此外，光检测器6包括布置在与发光元件60的侧62A、62B相对的检测区域4A的两侧62C、62D上的、两组对应的例如具有PN结的多个接收光电二极管61A、61B。例如，接收光电二极管61可以具有P-I-N型结构，如US4,210,923中所图示的。此外，光源中的至少一个可以发射超过一个波长。
根据另一变型(未图示)，粒子检测器100、200可以仅包括多个发光元件60A和对应的多个接收光电二极管61A。一个或者多个的多个发光元件60A(或者60B)的存在对于使光束展宽作出贡献。该方法可以因此替代图1的光学元件8。
此外，根据另一变型，可以仅提供发光元件60A(或者甚至只有其中之一)和接收光电二极管61B。以这种方式，仅检测在正交方向周围散射的光。
以未图示的方式，光学元件8可以提供在发光元件60和检测区域4A之间，如图1所示，用于使得能够也在竖直方向(垂直于图平面)上进行多个测量。
利用图14的方法，可以同时进行多个测量，因为粒子64可以由多个光束撞击并且产生可以由检测区域4A的两侧62C、62D上的超过一个的接收光电二极管61A、61B检测的多个散射光束。
同样地，以未图示的方式，可以例如通过堆叠集成了元件的多个裸片来布置竖直地(即在垂直于其面2A、2B的本体2的厚度方向上)堆叠的多个发光元件60、60A、60B和/或多个接收光电二极管61、61A、61B。
图15和图16图示了粒子检测器100、200的样本室的不同的构造。在这里，样本室65不是通腔，但是平行于本体2的面2A、2B延伸。在所图示的示例中，伸长的腔延伸到衬底20中，面对例如第一面2A并且具有第一端部65A和第二端部65B。第一栅格10和第二栅格11都形成在第一面2A上，分别在第一端部65A和第二端部65B上。闭合层66在样本室65之上延伸。闭合层66可以是任何合适的材料的，不管透射与否，例如氧化物或者聚合材料，或者可以通过裸片形成。
光源5和光检测器6可以布置在样本室65的两个相对侧上，例如在两个相对的纵向侧上，如图16示意性地图示的。
根据图17中图示的另一实施例，样本室65在顶视平面图中可以是C形的，具有纵向伸展部65A以及与纵向伸展部65A基本上共面的两个输入和输出伸展部65B、65C，使得栅格10、11的对准轴不与纵向伸展部65A的轴重合。在这种情况下，光源5和光检测器6可以布置在纵向伸展部65A或者入口伸展部65B或者如图所示出口伸展部65C的侧面处。
其他形式明显是可能的。例如，形成样本室65的腔可以由掩埋腔形成并且在距衬底20的主表面一定距离处延伸，如在下文中参考图18所描述的。
图18图示了如图15-图17所示检测区域纵向地并且平行于本体的面2A、2B延伸但光学系统5、6垂直于本体2的面2A、2B布置的方案。
在这里，本体2包括键合在一起的三个衬底80-82。特别地，邻近本体2的第二面2B的第一衬底80容纳光源5。第二衬底81在中间位置中，并且包围检测区域85的一部分，检测区域85在这里具有伸长形状并且大体平行于本体2的面2A、2B定向，像图15和图16的检测区域65。邻近本体2的第一面2A的第三衬底82形成空气入口和空气出口通道86、87，其横断地延伸至并且在检测区域85和第一面2A之间用于将检测区域85连接至外部。
第二衬底81使得能够增加检测区域85的高度，但是可以根据针对检测区域85所选择的高度而消减。
第一栅格10和第二栅格11都形成在本体2的第一面2A上，分别在空气入口和空气出口通道86、87处。
光源5接近第一衬底80的面对检测区域85的表面而集成。第三衬底82进一步容纳在面对光源5的位置中的光检测器6以及处理电子装置88。在所图示的示例中，光检测器6接近本体2的第一面2A而集成，并且为减小光检测器6与检测区域85之间的距离以及增加检测区域85的尺寸，第三衬底82具有面对第二衬底81的腔89，使得检测区域85还延伸到第三衬底82中。备选地，腔89可以不存在，并且在将衬底81-82键合之前，光检测器6可以接近第三衬底82的面对第二衬底81的掩埋面而集成，并且按照本来已知的方法经由未图示的通连而连接至处理电子装置88。
根据变型，图18的粒子检测器100可以形成在堆叠布置的刚好两个衬底中。例如，第二衬底81可以缺失，并且检测区域85可以提供为第三衬底82中的直接地面对第一衬底80的腔并且通过空气入口和空气出口通道86、87连接至外部世界。
图18的具有两个或者三个衬底的光学系统的竖直实施方式具有如下优点，即可以在两个不同的衬底80和82中提供光源5和光检测器6，两个不同的衬底然后使用不总是容易且完全兼容的不同材料单独优化。事实上，对于形成具有相同波长的光源5和光检测器6，使用目前不兼容的不同有源材料。例如，在红外光的情况下，可以使用GaAs或InP来形成光源5，但是这些材料例如与目前可以用于检测红外光的Ge不兼容。
在图18中，光源5和光检测器6两者可以通过元件60、61的二维阵列形成。
在变型(未图示)中，可以形成串联连接在由空气入口和空气出口通道86、87和检测区域85限定的流体路径上的两个或者更多个气泵，在中间位置处提供类似于栅格10、11的其他栅格。
在实施例中，光源5可以生成偏振光。在这种情况下，光检测器6可以包括用于分离光的偏振分量的元件。
例如，在图19中，具有图18中图示的整体结构的粒子检测器100包括光检测器6，光检测器6包括分光器90和多个光电二极管92A和92B。分光器90可以例如通过布置在光源5的顶上的偏振分光光栅耦合器形成，诸如在由AttilaMekis等人在IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.17,N.3,May/June2011中发表的"AGrating-Coupler-EnabledCMOSPhotonicsPlatform"中描述的。
例如，光源5可以生成偏振光。因此，由检测区域85中的粒子散射的光的两个正交偏振分量以适当角度击打在格栅90的表面上并且在这里分离。例如通过将光检测器6在相应的平面XY中相对于光源5不对准，或者利用使其倾角的表面刻蚀工艺来优化光在格栅的表面上的入射角。
特别地，分光器90包括利用半导体工业典型的光刻和刻蚀工艺在半导体材料中切割的周期性线的两个正交结构。两个结构的线相对于属于本体2的第一面2A的平面XY的X轴以±45°定向。两个正交结构有效地透射具有平行于线的偏振的光，接着将入射光的具有正交偏振的两个分量分离，并且生成相对于X轴以±45°发射的具有单偏振的两个光束91A、91B，其在相应的光波导(未图示)中传播。光电二极管92A、92B被布置使得每个可以接收相应的光束91A、91B。
图19的方案使得能够改进测量精度，因为光偏振使得能够基于空间散射光的分布强度来更精确地计算待检测的粒子的大小。
通过添加适当反射镜，相同的方案也可以应用于图1-图17中图示的具有水平光学系统的粒子检测器。
图20图示了光源5和光检测器6在视图中不对准并且检测区域68具有用于使由光源5生成的光束转向的反射斜壁的实施例。
详细而言，在图20中图示的实施例中，粒子检测器100形成在具有键合在一起的两个衬底40、41的本体2中。在这里，检测区域68形成在第一衬底40中，并且具有大体截头椎体形状，该检测区域的次基底与本体2的第一面2A共面并且通过第一栅格10闭合，并且该检测区域的主基底与第二栅格基本上共面。检测区域68因此具有等于第一衬底40的厚度的高度。检测区域68的至少两个相对倾斜侧被涂布有例如金或铝的均形成反射镜的相应的反射层69A、69B。
在图20中，光源5形成在第二衬底41中，第二衬底41在形成截头椎体检测区域68的主基底的侧上固定至第一衬底40。通孔72贯穿第二衬底41的厚度延伸并且在第二栅格11处结束。光源5形成在通孔72的一侧上，在这里通孔72具有例如柱体、立方体或者平行六面体形状，并且光检测器6形成在另一侧上。光源5和光检测器6面对检测区域68的倾斜壁布置，使得由光源5发射的激光击打面对它的侧壁(反射镜69A)，朝向检测区域68的内部被反射，在检测区域68处它可以被通过由第一栅格10电离的空气携带的粒子击打并且被它们散射。散射光接着可以被第二倾斜壁(反射镜69B)朝向面对它的光检测器6反射。
同样在这种情况下，光源5和光检测器6可以分别通过多个发光元件60和接收元件61形成。此外，它们可以均布置在通孔72的两个邻近侧上，如图14所示。
图21图示了光源5和光检测器6形成在被固定至容纳样本室的本体2的分离的集成装置中的分立方案。
详细而言，在图21中，样本室4如图1所示而形成并且因此包括检测区域4A和聚集区域4B，栅格10和11分别形成在本体2的面2A(邻近检测区域4A)和面2B(邻近聚集区域4B)上。同样在这里，在检测区域的两个相对侧上，两个腔16A、16B容纳透射区域7A和7B。在这里，腔16A、16B的远离检测区域4A的底壁是倾斜的并且涂布有相应的反射层(反射镜75A、75B)。特别地，底壁和反射镜75A、75B在某方向上倾斜使得腔16A和16B在图21的截面中具有等腰梯形的形状，其中主基底面对本体2的面2A。
在图21中，第一保护层3A是透射材料的，例如多晶硅、氧化硅或者聚合物，或者在光束的入口和出口点中具有透射材料的窗口。
分别集成了光源5和光检测器6的第一和第二集成装置76、77被固定至本体2的面2A，并且面对反射镜75A、75B。以这种方式，对于图20的方案，由光源5发射的光在达到检测区域4A之前在反射镜75A上被反射，并且由粒子散射的光在由光检测器6检测之前在反射镜75B上被反射。
图22和图23图示了基于阿尔法粒子检测的用于诸如氡的气体的检测器。
详细而言，图22图示了布置在本体2中并且具有含离子气泵50的类似于图11的粒子检测器100的整体结构的气体检测器300。特别地，本体2由容纳样本室4的两个衬底40、41形成。样本室4在这里也分为分别形成在第一衬底40和第二衬底41中的两个区域4A和4B，并且在一侧(第二面2B)上由用于空气电离的第一栅格10界定并且在另一侧(第一面2A)上由具有吸引功能的第二栅格11界定。
在图22中，阿尔法粒子检测结构305形成在第一和第二衬底40、41之间延伸的第三衬底310中。详细而言，阿尔法粒子检测结构305在两个区域4B和4A之间的样本室4内延伸。
第三衬底310的在样本室4内延伸并且形成阿尔法粒子检测结构305的部分具有用于空气通过的多个通孔312，并且在通孔312之间的部分中形成敏感区域314的阵列。敏感区域314的壁涂布有形成电极316的导电材料。敏感区域314可以以任何已知方式形成，例如如在以本申请人的名义提交的US7,847,360中所描述的。
如已经提及的，气体检测器300具有离子型气泵50，并且因此类似于参考粒子检测器100所描述的内容的方式操作和成形。
在使用时，栅格11和可能地电极316以用于吸引空气分子和衰减产物的适当电压(例如，100V)偏置，其中空气分子通过离子泵50的电离栅格10正偏置。敏感区域314可以因此检测由氡、其衰减产物或者包含在空气中的其他辐射性元素在敏感区域314附近发射的、通过电离空气分子的携带而加速的阿尔法粒子。
图23图示了具有如参考图13所描述的以热学方式操作的气泵150的气体检测器400。
特别地，本体2由容纳样本室4的衬底405形成。在本体2的第二面2B上，加热栅格53形成在样本室4的第一端部处，并且在本体2的第一面2A上，冷却元件52(在这里也是布置成与珀耳帖单元56热接触的栅格54)形成在样本室4的第二端部处。
阿尔法粒子的检测器410布置在样本室4的接近冷却栅格54的侧面处，功能上类似于在US7,847,360中描述的传感器，但是被修改以便考虑阿尔法粒子的方向，即水平的而不是竖直的。例如，阿尔法粒子检测器410被集成在衬底405中，并且面对样本室4的侧壁。备选地，检测器可以在硅晶片中个别地处理，并且接着在硅竖直布置的情况下利用倒装芯片型的封装工艺(系统级封装)定位。
样本室4在图23的图平面的截面中可以具有任何形状。例如，样本室4可以具有伸长的矩形截面，具有一个远大于另一个的尺寸。以这种方式，实现高检测效率。
作为热泵150的结果，通过与环境空气一起流过样本室4的氡发射的阿尔法粒子可以因此由阿尔法粒子检测器410在较短时间内检测，保持与自然环境中的浓度的相关性。
集成型的具有阿尔法粒子410的检测器的气体检测器400可以如图24A和图24B所示例如从SOI(绝缘体上硅)衬底开始形成。在这种情况下，衬底405包括具有例如P型导电性的第一半导体层406、绝缘层407和也具有例如P型导电性的第二半导体层408。例如N型的第一阱412和第二阱413经由已知工艺形成在第二半导体层408中。第一阱412可以是环形形状的并且可以围绕像衬底的P型的第一阱412，与后者一起界定环形部分414，如图23中可见的。第一阱412通过绝缘区域(未图示)以本来已知的方式进一步与衬底408的其余部分并且与可能的其他部件绝缘。样本室4利用掩模和刻蚀工艺通过去除第一阱413的一部分而获得。
接着，以未图示的方式，阿尔法粒子检测器410经由布置在顶上并且有可能在侧面处(例如在检测腔4A的壁上)的(例如，钨的)电极连接至气体检测器400的其他部件。特别地，阿尔法粒子检测器410可以具有与P型区域414接触的公共电极(未图示)和与N型阱412、413接触的两个电极。
接着，形成第一保护层3A和第二保护层3B以及栅格53、54，如图24B所示。
最终，固定热电装置56和散热器57。备选地，第一保护层3A可以由上面已经形成了冷却栅格54的另一个穿孔衬底替代。
为增加检测效率，可以提供并排布置的多个样本室4，如图25所示。样本室4可以具有远大于其他的尺寸。以这种方式，根据环境浓度，可以在例如几厘米或者更小直到几毫米的检测器的尺寸的情况下实现短于一个小时的测量时间，例如仅几分钟或者甚至更少。
最终，清楚的是可以对本文所描述和图示的检测器和光学系统做出各种修改和变化，而不由此脱离如所附权利要求所限定的本实用新型的范围。
例如，在实施例中，可以将具有布置在彼此顶上的、一起形成用于增加采样体积的单个较大样本室的相应腔体的不同衬底堆叠在彼此顶上。
在一些实施例中，样本室4可以不是通室，并且可以反转栅格10和11的极性以引起气体喷射或者反转气流。同样地，如果所有栅格53、54可以被加热并且与相应珀耳帖单元热接触，则在图13和图23图示的热泵的情况下，也可以实现气流的反转和样本室4的清空。
如果本体2提供有布置在彼此顶上的多个衬底，则可以提供一个或者多个中间偏置栅格以增加泵浦效率。
样本室4的形状也可以使用选择性硅刻蚀技术根据需要修改。
将多个衬底布置在彼此顶上，如果需要，可以获得具有不同高度的样本室4的两个或者更多个光学系统5、6，用于增加测量的精度。
在竖直样本室的情况下，空气入口和出口开口以及因此在离子泵50的情况下，栅格10和11，即加热元件51和冷却元件52，可以不与彼此对准。此外，在水平样本室的情况下，空气入口和出口开口以及因此在离子泵50的情况下，栅格10和11，即加热元件51和冷却52，可以布置在本体2的相对面2A、2B上。构成所描述的检测器的各个部分可以分别形成在不同的集成电路中，并且被组装以形成具有等价功能的包封系统SIP。
在特定说明性实施例中，保护层3A、3B可以由有可能可以容纳另外的集成电路的相应的半导体材料的另外衬底替代。
作为对以放大细节图示的内容的备选例，图22的阿尔法粒子检测器310可以如参考图23、图24B所描述的那样形成。

Claims (17)

1.一种检测装置，其特征在于，包括：
半导体材料的本体，具有第一面、第二面和腔；
检测区域，在所述腔中；
气泵，被集成在所述本体中，并被配置成迫使气体朝向所述检测区域运动；以及
检测系统，至少部分地被布置在所述检测区域中。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述气泵是离子型的并且包括被布置在所述检测区域的第一侧上的电离结构和被布置在所述检测区域的第二侧上的吸引结构，所述电离结构和所述吸引结构被配置成电离进入所述腔的气体并且迫使所述气体通过所述检测区域。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述电离结构包括具有尖部的导电栅格，并且所述吸引结构包括可偏置导电栅格。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述气泵是热学型的并且包括被布置在所述检测区域的第一侧上的加热结构和被布置在所述检测区域的第二侧上的冷却结构，所述加热结构和所述冷却结构被配置成生成温度差和通过所述检测区域的气体运动。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述加热结构包括导电栅格，所述导电栅格被配置成通过焦耳效应生成热，并且所述冷却结构包括珀耳帖单元。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述腔是通腔并且在所述第一面和所述第二面之间延伸，并且所述气泵被配置成生成通过所述本体的气体运动。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述腔大体平行于所述第一面延伸并且在所述本体上具有入口开口和出口开口，并且所述气泵被配置成生成在大体平行的方向上通过所述本体的气体运动。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测系统包括光学系统并且包括被配置成生成光束的光源和被配置成检测散射光的光检测器，所述光学系统被配置成朝向所述检测区域引导所述光束。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述光源包括在邻近所述检测区域的第一位置中被集成在所述本体中的激光源，并且所述光检测器在邻近所述检测区域的第二位置中被集成在所述本体中。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述光学系统包括被布置在所述光源和所述检测区域之间的调束组件，所述调束组件包括多个透镜和承载所述多个透镜的疏水性支撑或可变疏水性支撑。
11.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述光源被配置成生成偏振激光。
12.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述光源被配置成生成偏振激光，并且所述光检测器包括偏振分光单元和两组多个光接收器元件，每组的多个光接收器元件被配置成检测具有单个相应偏振的光。
13.根据权利要求12所述的检测装置，其特征在于，所述偏振分光单元包括光栅耦合器。
14.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述检测区域具有倾斜壁，所述倾斜壁具有被配置成限定所述光束的光学路径的反射表面，所述光源和所述光检测器被布置在所述光学路径上的所述检测区域的面对位置中。
15.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测系统包括阿尔法粒子检测器。
16.根据权利要求15所述的检测装置，其特征在于，所述阿尔法粒子检测器包括半导体衬底，所述半导体衬底具有延伸通过所述腔并且包括敏感区域的阵列和邻近所述敏感区域的多个通孔的部分，其中吸引电极被形成在所述通孔的壁上。
17.根据权利要求15所述的检测装置，其特征在于，所述阿尔法粒子检测器被集成在界定所述腔的壁上的半导体材料的所述本体中。
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