DE102015220270A1 - Micromechanical optical sensor for media detection - Google Patents
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Abstract
Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend:
– eine Detektoreinrichtung (10) mit einem Detektorwafer (12) und einer darauf angeordneten ersten Kappeneinrichtung (11), wobei die erste Kappeneinrichtung (10) als ein Halbleiter-Kappenwafer ausgebildet ist;
– eine auf der ersten Kappeneinrichtung (11) angeordnete zweite Kappeneinrichtung (20), wobei die zweite Kappeneinrichtung (20) zur Aufnahme eines Prüfmediums (21) vorgesehen ist und wenigstens eine Zugangsöffnung für das Prüfmedium (21) aufweist; wobei
– die erste Kappeneinrichtung (11) und der Detektorwafer (12) und die zweite Kappeneinrichtung (20) und die erste Kappeneinrichtung (11) mittels eines Verbindungselements (50) miteinander verbunden sind; und
– eine Strahlungserzeugungseinrichtung (40), wobei eine von der Strahlungserzeugungseinrichtung (40) generierte Messstrahlung (S) durch das Prüfmedium (21) auf wenigstens ein Detektorelement (13) des Detektorwafers (12) führbar ist.Micromechanical sensor (100), comprising:
A detector device (10) having a detector wafer (12) and a first cap device (11) arranged thereon, wherein the first cap device (10) is designed as a semiconductor cap wafer;
A second cap device (20) arranged on the first cap device (11), wherein the second cap device (20) is provided for receiving a test medium (21) and has at least one access opening for the test medium (21); in which
- The first cap means (11) and the detector wafer (12) and the second capping means (20) and the first capping means (11) by means of a connecting element (50) are interconnected; and
- A radiation generating means (40), wherein one of the radiation generating means (40) generated measuring radiation (S) through the test medium (21) on at least one detector element (13) of the detector wafer (12) is feasible.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen optischen Sensor zur Mediendetektion und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensors.The invention relates to a micromechanical optical sensor for media detection and to a method for producing such a sensor.
Stand der TechnikState of the art
Zu einer Detektion von bestimmten Komponenten in Flüssigkeiten oder Gasen können bereits bekannte optische Messsysteme eingesetzt werden. Dabei können einzelne Stoffe in den genannten Medien bzw. eine Stoffkonzentration dieser Medien durch eine spektroskopische Messung detektiert werden, wobei für derartige Messungen wenigstens ein optischer Detektor und wenigstens eine optische Strahlungsquelle benötigt werden. Die verwendeten Quellen haben typischerweise eine Temperatur zwischen ca. 250 °C bis über ca. 1000 °C. Damit müssen üblicherweise Sicherheitsmaßnahmen getroffen wird, falls die zu messenden Stoffe entzündlich sind.For the detection of certain components in liquids or gases already known optical measuring systems can be used. In this case, individual substances in the mentioned media or a substance concentration of these media can be detected by a spectroscopic measurement, wherein for such measurements at least one optical detector and at least one optical radiation source are needed. The sources used typically have a temperature between about 250 ° C to about 1000 ° C. Thus, usually safety measures must be taken if the substances to be measured are flammable.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber bekannten Sensoren verbesserten Aufbau eines spektroskopischen Sensors bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved structure of a spectroscopic sensor over known sensors.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:
- – eine Detektoreinrichtung mit einem Detektorwafer und einer darauf angeordneten ersten Kappeneinrichtung, wobei die erste Kappeneinrichtung als ein Halbleiter-Kappenwafer ausgebildet ist;
- – eine auf der ersten Kappeneinrichtung angeordnete zweite Kappeneinrichtung, wobei die zweite Kappeneinrichtung zur Aufnahme eines Prüfmediums vorgesehen ist und wenigstens eine Zugangsöffnung für das Prüfmedium aufweist; wobei
- – die erste Kappeneinrichtung und der Detektorwafer und die zweite Kappeneinrichtung und die erste Kappeneinrichtung mittels eines Verbindungselements miteinander verbunden sind; und
- – eine Strahlungserzeugungseinrichtung, wobei eine von der Strahlungserzeugungseinrichtung generierte Messstrahlung durch das Prüfmedium auf wenigstens ein Detektorelement des Detektorwafers führbar ist.
- A detector device having a detector wafer and a first cap device arranged thereon, wherein the first cap device is designed as a semiconductor cap wafer;
- A second cap device arranged on the first cap device, wherein the second cap device is provided for receiving a test medium and has at least one access opening for the test medium; in which
- - The first cap means and the detector wafer and the second cap means and the first cap means are interconnected by means of a connecting element; and
- A radiation generating device, wherein a measuring radiation generated by the radiation generating device can be guided through the test medium to at least one detector element of the detector wafer.
Vorteilhaft ist auf diese Weise ein Grundkonzept des Sensors bereits auf Waferebene realisierbar, wodurch eine kompakte Bauform unterstützt ist. Ferner lässt sich ein derartiger Sensor mit bekannten Verfahren der Halbleiter-Mikromechanik effizient fertigen und benötigt nur einen geringen Assemblierungsaufwand. Durch die Verwendung von Kappen kann eine wirksame Entkopplung der Messstrahlung von den Prüfmedien bereitgestellt werden.Advantageously, in this way, a basic concept of the sensor can already be realized at the wafer level, whereby a compact design is supported. Furthermore, such a sensor can be manufactured efficiently with known methods of semiconductor micromechanics and requires only a small amount of assembly work. By using caps, an effective decoupling of the measuring radiation from the test media can be provided.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:
- – Ausbilden einer Detektoreinrichtung mit einem Detektorwafer und einer darauf angeordneten ersten Kappeneinrichtung, wobei die erste Kappeneinrichtung und der Detektorwafer mittels eines Verbindungselements verbunden werden;
- – Ausbilden einer zweiten Kappeneinrichtung auf der ersten Kappeneinrichtung, wobei ein Inneres des zweiten Kappeneinrichtung für ein Prüfmedium vorgesehen ist;
- – Verbinden der zweiten Kappeneinrichtung mit der ersten Kappeneinrichtung mittels eines Verbindungselements; und
- – Anordnen einer Strahlungserzeugungseinrichtung derart, dass Messstrahlung der Strahlungserzeugungseinrichtung durch das Prüfmedium und auf ein Detektorelement der Detektoreinrichtung führbar ist.
- - Forming a detector device with a detector wafer and a first cap means arranged thereon, wherein the first cap means and the detector wafer are connected by means of a connecting element;
- - Forming a second capping means on the first capping means, wherein an interior of the second cap means is provided for a test medium;
- - Connecting the second cap means with the first cap means by means of a connecting element; and
- Arranging a radiation generating device such that measuring radiation of the radiation generating device can be guided through the test medium and onto a detector element of the detector device.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the micromechanical sensor are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass der Detektorwafer wenigstens zwei Detektorelemente aufweist, wobei eines der Detektorelemente als ein Messelement und eines der Detektorelemente als ein Referenzelement ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein Referenzkanal bereitgestellt, wodurch vorteilhaft die Drifteffekte der Komponenten über die Lebensdauer des mikromechanischen Sensors berücksichtigt werden können.An advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the detector wafer has at least two detector elements, wherein one of the detector elements is designed as a measuring element and one of the detector elements as a reference element. In this way, a reference channel is provided, whereby advantageously the drift effects of the components over the life of the micromechanical sensor can be taken into account.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Filterelement auf einer Innenfläche der ersten Kappeneinrichtung angeordnet ist, wobei die Messstrahlung durch das Filterelement auf das Detektorelement des Detektorwafers führbar ist. Auf diese Weise kann eine geeignete Wellenlänge für die Messestrahlung und das zu prüfende Prüfmedium bereitgestellt werden.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that at least one filter element is arranged on an inner surface of the first cap device, wherein the measuring radiation can be guided through the filter element onto the detector element of the detector wafer. In this way, a suitable wavelength for the measuring radiation and the test medium to be tested can be provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Zugangsöffnung der zweiten Kappeneinrichtung als eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Auf diese Weise können Messungen in einem fließenden Medium vorgenommen werden, bei denen es insbesondere darauf ankommt, Änderungen des Prüfmediums schnell erkennen zu können.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that the access opening of the second cap device as a through-opening is trained. In this way, measurements can be made in a flowing medium where it is particularly important to be able to quickly detect changes in the test medium.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sehen vor, dass die zweite Kappeneinrichtung als eine Halbleiterkappe oder als eine Kunststoffkappe oder als eine Metallkappe ausgebildet ist. Auf diese Weise können je nach Anwendungsbereich des mikromechanischen Sensors unterschiedliche Kappenkonzepte realisiert werden.Further advantageous developments of the micromechanical sensor provide that the second cap device is designed as a semiconductor cap or as a plastic cap or as a metal cap. In this way, depending on the application of the micromechanical sensor different cap concepts can be realized.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des mikromechanischen Sensors sieht vor, dass sie ferner eine auf der zweiten Kappeneinrichtung angeordnete dritte Kappeneinrichtung aufweist, wobei die dritte Kappeneinrichtung mit der zweiten Kappeneinrichtung mittels eines Verbindungselements verbunden sind. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise ein Schutz für den darunter angeordneten Waferstapel und/oder eine Möglichkeit zu einer integrativen Anordnung einer Strahlungsquelle bereitgestellt.A further advantageous embodiment of the micromechanical sensor provides that it further comprises a third cap device arranged on the second cap device, wherein the third cap device is connected to the second cap device by means of a connecting element. This advantageously provides protection for the wafer stack arranged thereunder and / or a possibility for an integrative arrangement of a radiation source.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sehen vor, dass die Strahlungserzeugungseinrichtung in der dritten Kappeneinrichtung oder auf der zweiten Kappeneinrichtung oder unterhalb des Detektorwafers angeordnet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für die Strahlungserzeugungseinrichtung mit jeweils eigenen Charakteristiken bereitgestellt.Further advantageous developments of the micromechanical sensor provide that the radiation generating device is arranged in the third cap device or on the second cap device or below the detector wafer. In this way, advantageously different positioning possibilities are provided for the radiation generating device, each with its own characteristics.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Sensors sehen vor, dass das Filterelement auf einer Innenfläche der zweiten Kappeneinrichtung oder auf dem Detektorelement angeordnet ist. Dadurch werden vorteilhaft unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für das Filterelement bereitgestellt.Further advantageous developments of the sensor provide that the filter element is arranged on an inner surface of the second cap device or on the detector element. As a result, different positioning possibilities for the filter element are advantageously provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Innenfläche der zweiten Kappeneinrichtung eine Reflexionsschicht angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein Durchmesser des Medienkanals vorteilhaft noch kleiner ausgebildet sein, weil die Messstrahlung das Prüfmedium aufgrund einer Reflexion zweimal durchquert.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that a reflection layer is arranged on an inner surface of the second cap device. In this way, a diameter of the media channel can advantageously be made even smaller because the measuring radiation passes through the test medium twice due to a reflection.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors zeichnen sich dadurch aus, dass die zweite Kappeneinrichtung aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium oder aus Kunststoff oder aus Metall ausgebildet ist. Auf diese Weise können vorteilhaft unterschiedliche Abmessungen für das Prüfmedium bereitgestellt werden.Further advantageous developments of the micromechanical sensor are characterized in that the second cap device is formed from a semiconductor material, in particular silicon or from plastic or from metal. In this way, advantageously different dimensions for the test medium can be provided.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Teil einer elektronischen Auswerteschaltung zur Auswertung der auf das Detektorelement auftreffenden Messstrahlung auf dem Detektorwafer angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein Integrationsgrad des Sensors vorteilhaft noch weiter erhöht werden.A further advantageous development of the micromechanical sensor is characterized in that at least part of an electronic evaluation circuit for evaluating the measuring radiation impinging on the detector element is arranged on the detector wafer. In this way, a degree of integration of the sensor can advantageously be further increased.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sehen vor, dass die Strahlungserzeugungseinrichtung als eines aus Folgendem ausgebildet ist: MEMS-Quelle, Infrarotquelle, LED, Laser. Auf diese Weise werden unterschiedliche Möglichkeiten für die Strahlungserzeugungseinrichtung mit jeweils spezifischen Charakteristiken und Genauigkeiten bereitgestellt.Further advantageous developments of the micromechanical sensor provide that the radiation generating device is designed as one of the following: MEMS source, infrared source, LED, laser. In this way, different possibilities for the radiation generating device, each with specific characteristics and accuracies, are provided.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des mikromechanischen Sensors sehen vor, dass das Filterelement ein aktives oder ein passives Bauelement ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche technische Realisierungsmöglichkeiten für das Filterelement bereitgestellt.Further advantageous developments of the micromechanical sensor provide that the filter element is an active or a passive component. In this way, advantageously different technical implementation options for the filter element are provided.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleich Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all disclosed features, regardless of their relationship in the claims and regardless of their representation in the description and in the figures form the subject of the present invention. Same or functionally identical elements have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily drawn to scale.
In den Figuren zeigt:In the figures shows:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizient zu realisierendes, kostengünstiges Aufbaukonzept für einen spektroskopischen Flüssigkeits- bzw. Gassensor bereitzustellen, wobei ein gekapseltes, flexibles Konzept zur Medienmessung vorgesehen ist. Als Strahlungsquelle kann eine Infrarotquelle als ein zusätzliches MEMS-Element oder eine LED bzw. ein Laser zum Einsatz kommen. Aufgrund des gekapselten Konzepts wird eine Entkopplung der Strahlungsquelle von einem unter Umständen entzündlichen Prüfmedium bereitgestellt, wodurch eine Betriebssicherheit des Sensors vorteilhaft bedeutend erhöht sein kann. Ein erforderlicher Absorptionsweg für eine Messstrahlung im Prüfmedium kann durch eine Kavernengeometrie in einer Kappe dimensioniert werden, wodurch eine Adaption für unterschiedliche Applikationen schnell und kostengünstig vorgenommen werden kann.A basic idea of the present invention is to provide an economically feasible, low-cost design concept for a spectroscopic liquid or gas sensor, wherein an encapsulated, flexible concept for media measurement is provided. As the radiation source, an infrared source can be used as an additional MEMS element or an LED or a laser. Due to the encapsulated concept, a decoupling of the radiation source is provided by a possibly inflammatory test medium, whereby an operational safety of the sensor can advantageously be significantly increased. A required absorption path for a measuring radiation in the test medium can be dimensioned by a cavern geometry in a cap, whereby an adaptation for different applications can be made quickly and inexpensively.
Eine mögliche Variante eines derartigen mikromechanischen Sensors zeigt
Als Basis dient ein Detektorwafer
Auf diese Weise kann mittels des Referenzpixels ein Referenzkanal für die Messstrahlung S realisiert werden, der über eine Lebensdauer des Sensors
Eine elektronische Auswerteschaltung
Die erste Kappeneinrichtung
Ein Waferbondprozess kann auch zum Einsatz kommen, um eine zweite Kappeneinrichtung
Erkennbar ist ferner eine dritte Kappeneinrichtung
Erkennbar ist in der in
Einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des mikromechanischen Sensors
Die zweite Kappeneinrichtung
Eine Anzahl der Messkanäle ist applikationsabhängig, denkbar sind beispielsweise ein bis sechzehn Messkanäle oder eine noch höhere Anzahl an Messkanälen. Dabei kann ein Detektorarray mit einer geeigneten Anzahl an Einzeldetektoren bzw. -pixeln eingesetzt werden.A number of the measuring channels is application-dependent, conceivable are, for example, one to sixteen measuring channels or an even higher number of measuring channels. In this case, a detector array with a suitable number of individual detectors or pixels can be used.
Gleichzeitig erlaubt das Gehäusekonzept eine entsprechende Abdichtung mittels eines Dichtungselements
Für den Fall einer Verwendung des Sensors
Weitere nicht in Figuren dargestellte Realisierungsmöglichkeiten des mikromechanischen Sensors
Auch eine Art makroskopische Umsetzung des beschriebenen Sensorkonzepts ist denkbar, wobei anstatt Halbleiterwafer Leiterplatten verwendet werden. Als Detektor kann dabei ein Sensorelement in einem Gehäuse (zum Beispiel in einer TO39 Zelle) verwendet werden.A kind of macroscopic implementation of the described sensor concept is also conceivable, whereby printed circuit boards are used instead of semiconductor wafers. In this case, a sensor element in a housing (for example in a TO39 cell) can be used as the detector.
Ebenso kann das Konzept für andere optische Sensoren, die im Nahinfrarot, sichtbaren oder in anderen optischen Bereichen arbeiten, verwendet werden. Dabei müssen die Art des Detektors und der Quelle aufeinander abgestimmt werden. Wichtig ist in jedem Fall, dass die Strahlungserzeugungseinrichtung
Denkbar ist auch, dass das Filterelement
Die in den vorgenannten Ausführungsformen gezeigte zweite Kappeneinrichtung
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Schließlich wird in einem Schritt
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanischer Sensor und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors vorgeschlagen, der eine mikromechanische Realisierung eines Sensorkonzepts für spektroskopische Messungen auf Waferebene realisiert, z.B. zur Verwendung in einer Kraftstoffsensorik im Kraftfahrzeugbereich.In summary, the present invention proposes a micromechanical sensor and a method for producing a micromechanical sensor, which realizes a micromechanical realization of a sensor concept for spectroscopic measurements at the wafer level, e.g. for use in a fuel sensor system in the automotive sector.
Vorteilhaft können mit dem vorgeschlagenen Sensor Längen von optischen Messstrecken auf einfache Weise dimensioniert werden, die jeweils an einen spezifischen Anwendungsfall angepasst sind. Vorteilhaft kann dadurch, verglichen mit herkömmlichen Sensoren, die viele Einzelbauelemente auf einer Leiterplatte assembliert aufweisen, ein kostengünstiges und einfach zu realisierendes Sensorkonzept umgesetzt werden. Im Ergebnis ist dadurch eine große und kostengünstige Gestaltungsfreiheit für spektroskopische Sensoren realisierbar.Advantageously, with the proposed sensor lengths of optical measuring sections can be dimensioned in a simple manner, which are each adapted to a specific application. Advantageously, compared to conventional sensors that have many individual components assembled on a printed circuit board, a cost-effective and easy-to-implement sensor concept can be implemented. As a result, thereby a large and cost-effective design freedom for spectroscopic sensors can be realized.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015220270.4A DE102015220270A1 (en) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | Micromechanical optical sensor for media detection |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102015220270.4A DE102015220270A1 (en) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | Micromechanical optical sensor for media detection |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102015220270A1 true DE102015220270A1 (en) | 2017-04-20 |
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ID=58456545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102015220270.4A Pending DE102015220270A1 (en) | 2015-10-19 | 2015-10-19 | Micromechanical optical sensor for media detection |
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DE (1) | DE102015220270A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016216209A1 (en) * | 2016-08-29 | 2018-03-01 | Robert Bosch Gmbh | Optical sensor device and method for analyzing an analyte |
-
2015
- 2015-10-19 DE DE102015220270.4A patent/DE102015220270A1/en active Pending
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