DE102016103646B4 - Integriertes photoakustisches gassensormodul - Google Patents

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    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item

Abstract

Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40), der Folgendes umfasst:ein Substrat (21; 31; 41);eine Lichtemittereinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Lichtemittereinheit einen Lichtemitter (21.1; 31.1; 41.1) umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren; undeine Detektoreinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Detektoreinheit ein Mikrophon (21.2; 31.2; 41.2) umfasst;wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Mikrophon ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann, gekennzeichnet durchein Kappenelement (22; 32; 42), das über dem Substrat angeordnet ist und das konfiguriert ist, den Bereich zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, und das aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials besteht, wobeieines oder mehrere der Lichtemittereinheit und der Detektoreinheit aus einem vorgefertigten Modul bestehen, das an dem Substrat (21; 31; 41) befestigt ist.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen photoakustischen Sensor, ein photoakustisches Gassensormodul und auf ein Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors.
  • HINTERGRUND
  • In der Vergangenheit sind viele Typen von Gasdetektionsvorrichtungen entwickelt worden, um zu detektieren, dass die Atmosphäre oder die Umgebung potentiell schädliche oder gefährliche Komponenten enthält, und um einer Person, falls möglich, eine diesbezügliche Warnung bereitzustellen. Die richtige Funktion der Gasdetektoren kann in vielen Anwendungen von großer Wichtigkeit sein, insbesondere wenn diese Detektoren zum Sicherstellen der Sicherheit von Arbeitspersonal verwendet werden. Abgesehen davon wird außerdem der Raumverbrauch von Gasdetektoren immer wichtiger, da die Größe vieler Vorrichtungen und Instrumente kontinuierlich kleiner wird. Dieser Gesamttrend der Miniaturisierung erzeugt eine Notwendigkeit, kompaktere Gassensoren zu entwickeln, die in vorhandene Vorrichtungen oder Instrumente leicht aufgenommen werden können.
  • DE 20 2015 002 315 U1 beschreibt einen Gassensor, welcher ein Sensorelement mit einer MEMS-Membran, eine ein Messgas aufnehmende Messkammer und ein Strahlerelement umfasst, wobei eine vom Strahlerelement ausgehende elektromagnetische Stahlung durch die Messkammer hindurch bis zum Sensorelement abgestrahlt wird.
  • DE 10 2014 114 672 A1 offenbart eine photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit einem Lichtimpulse emittierenden Sende-modul und einem innerhalb eines Referenzgasvolumens angeordneten druckempfindlichen Modul, welches ein Sensorsignal mit Informationen über eine von den Lichtimpulsen verursachten, durch Wechselwirkungen mit dem Referenzgas verursachte Schallwelle erzeugt.
  • DE 10 2015 106 373 A1 zeigt einen photoakustischen Gassensor, welcher eine Lichtemittereinheit und eine Detektoreinheit mit einem Mikrofon umfasst, wobei die Emittereinheit Lichtbündel aus Lichtpulsen mit einer bestimmten Wiederholungsfrequenz und einer Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines zu erfassenden Gases entspricht, aussendet, so dass die Lichtbündel ein Volumen mit dem zu erfassenden Gas durchqueren und das Mikrofon ein mit der Wiederholungsfrequenz oszillierendes Signal empfangen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung umfasst ein photoakustischer Gassensor ein Substrat, eine Lichtemittereinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Lichtemittereinheit einen Lichtemitter umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren, und eine Detektoreinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Detektoreinheit ein Mikrophon umfasst, wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Mikrophon ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung umfasst ein photoakustisches Gassensormodul ein Substrat, einen Lichtemitter, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen, die von einem Gas zu absorbieren sind, zu emittieren, und einen Detektor, der konfiguriert ist, ein Signal, das mit einer Wiederholungsfrequenz der Lichtimpulse schwingt, zu empfangen, wobei der Lichtemitter und der Detektor durch das Substrat gestützt sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors das Bereitstellen eines Substrats, das Herstellen einer Mehrfachsensorplatte durch das Bilden mehrerer Gassensoreinheiten, wobei jede der mehreren Gassensoreinheiten durch das Substrat gestützt ist und eine Lichtemittereinheit und eine Detektoreinheit umfasst, und das Vereinzeln der Mehrfachsensorplatte, um mehrere photoakustische Gassensoren zu erhalten.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Offenbarung umfasst ein photoakustischer Gassensor eine Lichtemittereinheit, die einen Lichtemitterhohlraum und ein Lichtemitterelement, das in dem Lichtemitterhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Lichtemitterelement konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren, und eine Detektoreinheit, die einen Detektorhohlraum und ein Detektorelement, das in dem Detektorhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Detektorelement dafür ausgelegt ist, ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, zu detektieren.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors das Bereitstellen einer Lichtemittereinheit, die einen Lichtemitterhohlraum und ein Lichtemitterelement, das in dem Lichtemitterhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Lichtemitterelement konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren, und das Bereitstellen einer Detektoreinheit, die einen Detektorhohlraum und ein Detektorelement, das in dem Detektorhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Detektorelement dafür ausgelegt ist, ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, zu detektieren.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Beispiele bereitzustellen, wobei sie in diese Beschreibung aufgenommen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden. Die Zeichnungen veranschaulichen Beispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Beispiele zu erklären. Andere Beispiele und viele der vorgesehenen Vorteile der Beispiele werden leicht erkannt, da sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht in Bezug aufeinander.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
    • 1 umfasst die 1A und 1B und zeigt einen photoakustischen Gassensor gemäß einem Beispiel, wobei sie außerdem das Messprinzip angibt.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors, der ein Substrat, einen Lichtemitter und einen Detektor, die in das Substrat integriert sind, ein Bezugsvolumen, ein Kappenelement und ein Bodenelement umfasst.
    • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors, der ein Substrat, ein vorgefertigtes Lichtemitter- und Detektormodul, das auf dem Substrat angeordnet ist, ein Bezugsvolumen und ein Kappenelement umfasst, wobei das Substrat elektrische Durchgangsverbindungen umfasst.
    • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach 3 vergleichbar ist, wobei das Substrat anstelle der elektrischen Durchgangsverbindungen elektrische ebene Verbindungen auf seiner Oberfläche umfasst.
    • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach 3 vergleichbar ist, wobei das Kappenelement konfiguriert ist, mehrere Reflexionen des Strahlenbündels von Lichtimpulsen auf seinem Weg von dem Lichtemitter zu dem Detektor zu ermöglichen.
    • 6 umfasst die 6A bis 6E und zeigt schematische Darstellungen der Querschnitts-Seitenansichten von Beispielen von photoakustischen Gassensoren einschließlich eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach
    • 2 vergleichbar ist bei Weglassen des Bezugsvolumens (A), ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors gemäß dem Beispiel nach (A) mit einem zusätzlichen integrierten optischen Filter (B), ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach 3 vergleichbar ist bei Weglassen des Bezugsvolumens (C), ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach (C) vergleichbar ist, mit einem zusätzlichen optischen Filter (D), und ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors, der mit dem nach (C) vergleichbar ist, mit einem abgedichteten Mikrophonbereich (E).
    • 7 umfasst die 7A und 7B und zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Substrat-Wafers, der mehrere Gassensoreinheiten umfasst, die durch den Substrat-Wafer gestützt sind (A), und eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht entlang einer Ebene, die durch die Linie B-B in 7A angegeben ist, die die Befestigung eines Kappenelements an dem Substrat-Wafer zum Herstellen mehrerer photoakustischer Gassensoren nach 2 veranschaulicht (B).
    • 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht, die mit 7B vergleichbar ist, die die Befestigung eines Kappenelements an dem Substrat zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors nach 3 zeigt.
    • 9 umfasst die 9A und 9B und zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines photoakustischen Gassensors, wobei sowohl der Emitter als auch der Detektor in vorgefertigten Hohlräumen angeordnet sind, wobei die Hohlräume nebeneinander angeordnet sind und ein Kappenelement mit einer inneren reflektierenden Wand über den Hohlräumen angeordnet ist (A), und eine Darstellung einer schematischen Draufsicht des photoakustischen Gassensormoduls vor dem Anbringen des Kappenelements (B).
    • 10 umfasst die 10A bis 10C und zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Emittermoduls und eines Detektormoduls, wobei die Module in vorgefertigten Hohlräumen angeordnet sind (A), eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht des zusammengebauten photoakustischen Gassensormoduls, wobei die Hohlräume einander gegenüberliegend angeordnet sind (B), und eine schematische Darstellung einer Unteransicht des zusammengebauten photoakustischen Gassensormoduls (C).
    • 11 umfasst die 11A bis 11C und zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Emittermoduls und eines Detektormoduls, wobei die Module in vorgefertigten Hohlräumen angeordnet sind und die Module elektrisch miteinander verbunden sind (A), eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht des zusammengebauten photoakustischen Gassensormoduls, wobei die Hohlräume einander gegenüberliegend angeordnet sind (B), und eine schematische Darstellung einer Unteransicht des zusammengebauten photoakustischen Gassensormoduls (C).
    • 12 umfasst die 12A und 12B und zeigt eine Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Emittermoduls und eines Detektormoduls, wobei die Module elektrisch miteinander verbunden sind (A), und eine Darstellung einer perspektivischen Ansicht des zusammengebauten photoakustischen Gassensormoduls, das an einer Leiterplatte (PCB) angebracht ist (B).
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Aspekte und Beispiele werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen verwendet werden, um überall auf gleiche Elemente zu verweisen, beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind für die Zwecke der Erklärung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Beispiele bereitzustellen. Es kann jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte der Beispiele mit einem geringeren Grad der spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um das Beschreiben eines oder mehrerer Aspekte der Beispiele zu fördern. Es wird erkannt, dass andere Beispiele verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte ferner angegeben werden, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht oder nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil davon bilden und in denen die spezifischen Aspekte, in denen die Beispiele der Offenbarung praktiziert werden können, zur Veranschaulichung gezeigt sind, Bezug genommen. In dieser Hinsicht kann die Richtungsterminologie, wie z.B. „oben“, „unten“, „vorn“, „hinten“ usw., unter Bezugnahme auf die Orientierung der Figuren, die beschrieben werden, verwendet werden. Weil die Komponenten der beschriebenen Vorrichtungen in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, kann die Richtungsterminologie zum Zweck der Veranschaulichung verwendet werden, wobei sie in keiner Weise einschränkend ist. Es wird erkannt, dass andere Aspekte verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Deshalb ist die folgende ausführliche Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Merkmale der hier beschriebenen verschiedenen Beispiele miteinander kombiniert werden können, wenn es nicht spezifisch anders angegeben ist.
  • Wie die Begriffe „geklebt“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ in dieser Beschreibung verwendet werden, sind sie nicht so gemeint, dass sie bedeuten, dass sich die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt befinden müssen; zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen können dazwischenliegende Elemente oder Schichten bereitgestellt sein. Gemäß der Offenbarung können die obenerwähnten Begriffe jedoch optional außerdem die spezifische Bedeutung besitzen, dass sich die Elemente oder Schichten direkt miteinander in Kontakt befinden, d.h., dass zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten bereitgestellt sind.
  • Ferner kann das Wort „über“, das z.B. hinsichtlich eines Abschnitts, eines Elements oder einer Materialschicht verwendet wird, der, das bzw. die „über“ einer Oberfläche ausgebildet ist oder sich „über“ einer Oberfläche befindet, hier so verwendet werden, dass es bedeutet, dass sich der Abschnitt, das Element oder die Materialschicht „indirekt auf“ der implizierten Oberfläche befindet (z.B. angeordnet, ausgebildet, abgeschieden usw. ist), wobei ein oder mehrere zusätzliche Abschnitte, Elemente oder Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und dem Abschnitt, dem Element oder der Materialschicht angeordnet sind. Das Wort „über“, das z.B. hinsichtlich eines Abschnitts, eines Elements oder einer Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche ausgebildet ist oder sich „über“ einer Oberfläche befindet, kann optional außerdem die spezifische Bedeutung besitzen, dass sich der Abschnitt, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direkten Kontakt mit der implizierten Oberfläche befindet (z.B. angeordnet, ausgebildet, abgeschieden usw. ist) .
  • Während außerdem ein spezielles Merkmal oder ein spezieller Aspekt eines Beispiels bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart sein kann, kann ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für irgendeine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Außerdem sind in dem Ausmaß, in dem die Begriffe „enthalten“, „aufweisen“, „mit“ oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, derartige Begriffe vorgesehen, dass sie in einer Weise, die zu dem Begriff „umfassen“ ähnlich ist, einschließend sind. Die Begriffe „gekoppelt“ und „verbunden“ können zusammen mit Ableitungen verwendet werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass diese Begriffe verwendet werden können, um anzugeben, dass zwei Elemente ungeachtet dessen, ob sie sich in direktem physikalischen oder elektrischen Kontakt befinden oder ob sie sich nicht in direkten Kontakt miteinander befinden, miteinander zusammenarbeiten oder wechselwirken. Außerdem ist der Begriff „beispielhaft“ lediglich als ein Beispiel anstatt als das Beste oder das Optimale gemeint. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
  • Die Beispiele der hier beschriebenen Detektormodule können Mikrophon-Chips umfassen. Die Mikrophon-Chips können aus Halbleiter-Chips bestehen. Die Halbleiter-Chips können auf der Grundlage eines spezifischen Halbleitermaterials, wie z.B. Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, AlGaAs, hergestellt werden, wobei sie aber außerdem auf der Grundlage irgendeines anderen Halbleitermaterials hergestellt werden können und außerdem anorganische und/oder organische Materialien, die keine Halbleiter sind, wie z.B. Isolatoren, Kunststoffe oder Metalle, enthalten können. Die Mikrophon-Chips können durch die MEMS-(mikrooptoelektromechanische) Technik hergestellt werden.
  • Die Beispiele eines photoakustischen Gassensors können einen Verkapselungsstoff oder ein Verkapselungsmaterial, in den bzw. das ein oder mehrere der Chips eingebettet sind, umfassen. Das Verkapselungsmaterial kann irgendein elektrisch isolierendes Material, wie z.B. irgendeine Art eines Formmaterials, irgendeine Art eines Harzmaterials oder irgendeine Art eines Epoxidmaterials, sein. Das Verkapselungsmaterial kann außerdem ein Polymermaterial, ein Polyimidmaterial, ein Thermoplastmaterial, ein Silikonmaterial, ein Keramikmaterial und ein Glasmaterial sein. Das Verkapselungsmaterial kann außerdem irgendeines der obenerwähnten Materialien umfassen und ferner Füllmaterialien, die darin eingebettet sind, z.B. wärmeleitfähige Inkremente, enthalten. Diese Füllinkremente können z.B. aus AlO oder Al2O3, AlN, BN oder SiN hergestellt sein. Außerdem können die Füllinkremente die Form von Fasern aufweisen und können z.B. aus Kohlenstofffasern oder Nanoröhren hergestellt sein.
  • Soweit die Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors als eine spezifische Reihenfolge der Verfahrensschritte aufweisend beschrieben sind, sollte erwähnt werden, dass irgendeine andere geeignete Reihenfolge der Verfahrensschritte durch den Fachmann verwendet werden kann. Es sollte ferner erwähnt werden, dass irgendwelche im Zusammenhang mit einem beschriebenen Verfahren erwähnten Kommentare, Bemerkungen oder Merkmale außerdem als eine Vorrichtung offenbarend zu verstehen sind, die aus derartigen Kommentaren, Bemerkungen oder Merkmalen erhalten wird oder sich aus derartigen Kommentaren, Bemerkungen oder Merkmalen ergibt, selbst wenn eine derartige Vorrichtung nicht explizit beschrieben oder in den Figuren veranschaulicht ist. Außerdem sind irgendwelche Kommentare, Bemerkungen oder Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erwähnt werden, als außerdem einen Verfahrensschritt zum Bereitstellen oder Herstellen des jeweiligen Vorrichtungsmerkmals offenbarend zu verstehen.
  • 1 umfasst die 1A und 1B und zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors in den linksseitigen graphischen Darstellungen, die zusammen mit den rechtsseitigen graphischen Darstellungen das Arbeitsprinzip des photoakustischen Gassensors veranschaulichen. Der photoakustische Gassensor 10 nach 1 umfasst eine Lichtemittereinheit 11, die einen Lichtemitter 11.1 umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel 11.2 von Lichtimpulsen 11.3 mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden oder aufzuspürenden Gases entspricht, zu emittieren. Der photoakustische Gassensor 10 umfasst ferner eine Detektoreinheit 12, die ein Mikrophon 12.1 umfasst. Die Lichtemittereinheit 11 ist so angeordnet, dass das Strahlenbündel 11.2 der Lichtimpulse 11.3 einen Bereich A durchquert, der konfiguriert ist, das Gas aufzunehmen, wobei die Detektoreinheit 12 so angeordnet ist, dass das Mikrophon 12.1 ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann. Die Bezugszeichen 12.2, 12.3 und 12.4 bezeichnen ein Detektormodulgehäuse, ein Bezugsgas bzw. ein Lichteinlassfenster, die optionale Elemente des photoakustischen Sensors 10 nach 1 sind.
  • Die mit der Wiederholungsfrequenz modulierten Lichtimpulse werden durch das Gas absorbiert und erzeugen einen lokalen Druckimpuls, der ein charakteristisches Signal in dem Mikrophon erzeugt. Die Absorption ist für das Gas spezifisch, wobei sie insbesondere einem spezifischen Übergang in seinem charakteristischen Rotations-Schwingungs-Spektrum entspricht, so dass durch das Anwenden geeigneter Anregungsfrequenzen ein selektiver photoakustischer Gassensor aufgebaut werden kann. Es ist eine besondere Herausforderung, einen kompakten, miniaturisierten photoakustischen Gassensor zu konstruieren, der leicht gehandhabt, transportiert oder an verschiedenen Arten von Substraten angebracht werden kann.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst die Detektoreinheit 12 ein Detektoreinheitsgehäuse 12.2, wobei das Mikrophon 12.1 in dem Detektoreinheitsgehäuse 12.2 angeordnet ist, während ein Bezugsgas, das durch das Bezugszeichen 12.3 angegeben ist, in dem Detektoreinheitsgehäuse 12.2 eingeschlossen ist, wobei das Bezugsgas 12.3 von der gleichen Art wie das abzutastende Gas ist, wobei das Letztere in dem Bereich A bereitgestellt ist. Gemäß einem weiteren Beispiel ist das Bezugsgas 12.3 in dem Detektoreinheitsgehäuse 12.2 hermetisch abgedichtet, wobei das Detektoreinheitsgehäuse 12.2 auf einer Seite, die dem Emittermodul zugewandt ist, ein Lichteintrittsfenster 12.4 umfasst, das für das von dem Lichtemitter 11.1 emittierte Licht durchlässig ist. Das Gas 12.3, das in dem Gehäuse 12.2 hermetisch abgedichtet ist, kann folglich als ein Bezugsgas bezeichnet werden, oder das innere Volumen des Detektoreinheitsgehäuses 12.2 kann als ein Bezugsvolumen bezeichnet werden. Das abzutastende Gas ist in dem Bereich A, insbesondere innerhalb eines Lichtwegs zwischen dem Emittermodul 11 und dem Detektormodul 12, angeordnet. Das Messprinzip ist folglich in einer derartigen Weise konfiguriert, dass in einem Fall, in dem in dem Bereich A, insbesondere in dem Lichtweg zwischen dem Emittermodul 11 und dem Lichteintrittsfenster 12.4 des Detektormoduls 12, kein abzutastendes Gas vorhanden ist, die Lichtimpulse ohne irgendeine Dämpfung in das Bezugsvolumen eintreten, so dass das von dem Mikrophon 12.1 gemessene und zugeführte Signal maximal ist, wie in dem Zeitdiagramm nach 1A gesehen werden kann. Falls andererseits in dem Bereich A, insbesondere in dem Lichtweg zwischen dem Emittermodul 11 und dem Lichteintrittsfenster 12.4 des Detektormoduls 12, ein abzutastendes Gas vorhanden ist, werden die Lichtimpulse gedämpft, so dass Lichtimpulse mit einer geringeren Intensität in das Bezugsvolumen eintreten, was zu einer Abnahme des durch das Mikrophon 12.1 gemessenen und zugeführten Signals führt, wie in dem Zeitdiagramm nach 1B angegeben ist. Folglich geht in der in 1 veranschaulichten Messvariante das mit der Wiederholungsfrequenz schwingende und durch das Mikrophon detektierte Signal von dem Bezugsgas aus. Das Vorhandensein eines Gases im Bereich A wird durch eine Abnahme der durch das Mikrophon 12.1 detektierten Signalstärke angegeben.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel des photoakustischen Gassensors gibt es kein in einem Detektormodulgehäuse eingeschlossenes Bezugsgas, wobei es stattdessen nur das abzutastende Gas gibt, das in dem Bereich A, insbesondere in einem Lichtweg zwischen dem Emittermodul und dem Mikrophon, vorhanden ist. In diesem Fall detektiert das Mikrophon kein Signal und gibt das Mikrophon kein Signal aus, wenn kein abzutastendes Gas in dem Lichtweg zwischen dem Emittermodul und dem Detektormodul vorhanden ist. Falls andererseits ein abzutastendes Gas in dem Bereich A, insbesondere in dem Lichtweg zwischen dem Emittermodul und dem Detektormodul, vorhanden ist, detektiert das Mikrophon ein Signal und gibt das Mikrophon ein Signal aus, dessen Stärke von der Menge oder der Dichte des in dem Bereich A vorhandenen Gases abhängt. Folglich geht in dieser alternativen Messvariante das mit der Wiederholungsfrequenz schwingende und durch das Mikrophon detektierte Signal von dem Gas selbst aus. Das Vorhandensein eines Gases im Bereich A wird durch eine Zunahme der durch das Mikrophon 12.1 detektierten Signalstärke angegeben. Folglich wird in dieser alternativen Variante in dem Fall des Vorhandenseins eines abzutastenden Gases ein positives Signal erhalten.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 liegt die Wiederholungsfrequenz der Lichtimpulse innerhalb eines Audiofrequenzbereichs oder innerhalb eines Frequenzbereichs von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere von 1 Hz bis 1 kHz, wobei ein typischer Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 Hz reicht, was einem Bereich der Impulsdauer von 0,01 s bis 1 s entspricht.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 kann das von dem Lichtemitter 11.1 emittierte Licht irgendeine Sollwellenlänge oder irgendeinen Wellenlängenbereich im sichtbaren oder nicht sichtbaren Spektrum umfassen. Insbesondere ist die Lichtemittereinheit 11 konfiguriert, nur Licht einer vorgewählten Wellenlänge zu emittieren, die dem Absorptionsband des abzutastenden Gases entspricht.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst der Lichtemitter 11.1 einen oder mehrere von einem Breitbandemitter, einem Schmalbandemitter, einem Emitter für kohärentes Licht, einem Emitter für nicht kohärentes Licht, einem Schwarzkörperstrahler, einer Lampe, einem erwärmten Widerstand, einer Leuchtdiode (LED), einem Laser, insbesondere einer Laserdiode. Gemäß einem Beispiel kann in dem Fall, in dem der Lichtemitter 11.1 einen Breitbandemitter umfasst, die Lichtemittereinheit 11 ein optisches Filter umfassen, das vor dem Lichtemitter 11.1 angeordnet ist, wobei das optische Filter konfiguriert ist, den Durchgang von Licht einer vorgewählten Wellenlänge des von dem Lichtemitter 11.1 emittierten Lichts zu erlauben. Falls das Lichtemittermodul 11 ein Lichtemittermodulgehäuse 11.4 und ein Lichtauslassfenster 11.5, das in einer Wand des Lichtemittereinheitsgehäuses 11.4 angeordnet ist, umfasst, kann das optische Filter auf das Lichtauslassfenster 11.5 aufgebracht sein oder kann es sogar mit dem Lichtauslassfenster 11.5 identisch sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst die Lichtemittereinheit 11 einen abstimmbaren Wellenlängenemissionsbereich. Die Abstimmung der Wellenlänge der emittierten Lichtimpulse hängt von der Art des verwendeten Lichtemitters 11.1 ab. Falls z.B. der Lichtemitter 11.1 eine Schmalband-Lichtquelle wie eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode ist, kann die Abstimmung der Emissionswellenlänge durch das direkte Steuern des Lichtemitters 11.1 ausgeführt werden. Falls jedoch der Lichtemitter 11.1 ein Breitband-Lichtemitter ist, werden die emittierten Lichtimpulse durch ein optisches Filter gefiltert, wobei ein wellenlängenabstimmbares optisches Filter, wie z.B. ein Fabry-Perot-Filter, verwendet werden könnte, so dass das Übertragungsband des optischen Filters durch geeignete Mittel eingestellt werden könnte. Es ist ein Vorteil eines abstimmbaren Wellenlängenemissionsbereichs, dass im Prinzip verschiedene Sorten von Gasen detektiert werden könnten.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 ist die Lichtemittereinheit 11 konfiguriert, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen von Infrarotlicht mit einer Wellenlänge, die einer Energie eines Rotations- oder Schwingungsbandes oder -übergangs eines Moleküls des abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 ist das abzutastende Gas eines von CO2, NOx, H2O, O2, N2, CH4 oder Alkohol.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst die Lichtemittereinheit 11 ein Lichtemittereinheitsgehäuse 11.4, wobei der Lichtemitter 11.1 in dem Lichtemittereinheitsgehäuse 11.4 angeordnet ist und das Lichtemittereinheitsgehäuse 11.4 in einer Wand ein Lichtauslassfenster 11.5 umfasst. Wie oben bereits umrissen worden ist, sollte das Lichtauslassfenster 11.5 eine Durchlasskennlinie aufweisen, die den Durchgang der Sollwellenlänge des von dem Lichtemitter 11.1 emittierten Lichts erlaubt. Gemäß einem weiteren Beispiel könnte das Lichtauslassfenster 11.5 als ein optisches Filter zum Filtern der Sollwellenlänge konstruiert sein oder könnte ein derartiges optisches Filter an dem Lichtauslassfenster 11.5 befestigt sein.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 sind die Lichtemittereinheit 11 und die Detektoreinheit 12 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Im Folgenden werden ferner spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 sind die Lichtemittereinheit 11 und die Detektoreinheit 12 einander gegenüberliegend angeordnet, was z.B. bedeutet, dass ein Lichtauslassfenster 11.5 des Emittermoduls 11 und ein Lichteinlassfenster 12.4 des Detektormoduls 12 einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie in 1 gezeigt ist. Im Folgenden werden ferner weitere spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst der Sensor ferner ein Sensorgehäuse, wobei die Lichtemittereinheit und die Detektoreinheit in dem Sensorgehäuse angeordnet oder an dem Sensorgehäuse befestigt sind. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst das Sensorgehäuse eine Wand mit einer Innenseite, die für das von der Lichtemittereinheit emittierte Licht reflektierend ist. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst die Wand eine ellipsenförmige Geometrie, wobei der Lichtemitter und das Mikrophon an den jeweiligen Brennpunkten des Ellipsoids angeordnet sind. Im Folgenden werden ferner spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst das Sensorgehäuse eine Gaseinlassöffnung. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Gaseinlassöffnung durch eine poröse Folie abgedeckt, die konfiguriert ist, das Eindringen des abzutastenden Gases zu erlauben, aber das Eindringen von einem oder mehreren von Feuchtigkeit und Partikeln zu verhindern. Im Folgenden werden ferner spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 umfasst das Detektormodul 12 eine oder mehrere weitere elektronische Vorrichtungen, wie z.B. einen integrierten Logikschaltungs-Chip, einen ASIC-Chip usw. Im Folgenden werden ferner spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 10 nach 1 ist der photoakustische Gassensor als ein photoakustisches Sensormodul konfiguriert, das als eine an einer Oberfläche angebrachte Vorrichtung oder als eine in einem Durchgangsloch angebrachte Vorrichtung konfiguriert ist. Im Folgenden werden ferner spezifische Beispiele dafür gezeigt.
  • 2 zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts. Der photoakustische Gassensor 20 nach 2 umfasst ein Substrat 21, eine Lichtemittereinheit, die durch das Substrat 21 gestützt ist, wobei die Lichtemittereinheit einen Lichtemitter 21.1 umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren. Der photoakustische Gassensor 20 umfasst ferner eine Detektoreinheit, die durch das Substrat 21 gestützt ist, wobei die Detektoreinheit ein Mikrophon 21.2 umfasst. Das Strahlenbündel von Lichtimpulsen durchquert einen Bereich 25, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Mikrophon 21.2 ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts umfasst das Substrat 21 eines oder mehrere eines Halbleitersubstrats, eines siliziumbasierten Substrats, eines Glassubstrats und eines Keramiksubstrats.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts können eines oder mehrere des Lichtemitters 21.1 und des Mikrophons 21.2 in dem Halbleitersubstrat 21 integriert sein, wie in 2 gezeigt ist, falls das Substrat 21 ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein siliziumbasiertes Substrat umfasst. Gemäß einem weiteren Beispiel kann der Lichtemitter 21.1 aus einem Dünnschichtwiderstand ausgebildet sein, der in Betrieb als ein pulsierbarer Infrarotemitter wirkt. Insbesondere kann der Dünnschichtwiderstand aus diamantähnlichem nanostrukturierten amorphen Kohlenstoff hergestellt sein, wobei er bei Frequenzen bis zu 70 Hertz mit einer guten Modulationstiefe, d.h., dem Kontrast zwischen den EIN- und AUS-Zuständen, gepulst werden kann. Im Prinzip ist es außerdem möglich, dass der Dünnschichtwiderstand aus Silizium hergestellt ist und zusammenhängend oder einstückig oder integral mit dem Halbleitersubstrat 21 ausgebildet ist.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts ist das Mikrophon 21.2 wenigstens teilweise mit dem Substrat 21 zusammenhängend oder einstückig oder ausgebildet.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts umfasst das Substrat 21, insbesondere im Fall eines Halbleitersubstrats 21, elektronische Vorrichtungen oder eine elektronische Schaltungsanordnung, die in das Substrat 21 integriert sind. Gemäß einem weiteren Beispiel können die elektronischen Vorrichtungen oder die elektronische Schaltungsanordnung mit einem oder mehreren der Lichtemittereinheit und der Detektoreinheit verbunden sein, wobei sie elektrische Funktionen, wie das Ansteuern der Lichtemittereinheit oder das Verarbeiten der von der Detektoreinheit empfangenen Signale, ausführen können. Weitere elektrische Funktionen können eine Signalverstärkung, eine Signalkonditionierung und das Speichern von Daten oder Eichinformationen enthalten.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts bestehen eines oder mehrere der Lichtemittereinheit und der Detektoreinheit aus einem vorgefertigten Modul, das an dem Substrat befestigt ist. Ein diesbezügliches Beispiel wird weiter unten ausführlicher gezeigt und erklärt.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts ist ein Kappenelement 22 über dem Substrat angeordnet, wobei es konfiguriert ist, den Bereich 25 zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts umfasst das Kappenelement 22 eine Öffnung 22.1 zwischen der Umgebung und dem Bereich 25, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts besteht das Kappenelement 22 aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials. Insbesondere umfasst das Kappenelement 22 ein Material, das für das Strahlenbündel von Lichtimpulsen transparent ist und das insbesondere einen Durchlasskoeffizienten für die Wellenlänge des Strahlenbündels von Lichtimpulsen umfasst, der größer als 50% ist, spezifischer größer als 60% ist, spezifischer größer als 70% ist, spezifischer größer als 80% ist, spezifischer größer als 90% ist, spezifischer größer als 95% ist, spezifischer größer als 98% ist. In dem Fall einer Wellenlänge von 4,3 um, die für das Detektieren von CO2 geeignet ist, kann Silizium als das Material für das Kappenelement 22 verwendet werden, da Silizium für diese Wellenlänge im hohen Grade transparent ist. Dies ist selbstverständlich nur relevant, falls das Strahlenbündel von Lichtimpulsen Abschnitte des Kappenelements durchqueren muss, was in dem Beispiel nach 2 der Fall ist, aber bei anderen Beispielen der photoakustischen Gassensoren, die später gezeigt und erklärt werden, nicht der Fall ist.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts umfasst der photoakustische Gassensor 20 ferner ein Bezugsgas, wobei die Detektoreinheit eine Detektoreinheitskammer 23 umfasst, wobei das Substrat 21 und das Kappenelement 22 ferner konfiguriert sind, die Detektoreinheitskammer 23 definieren, wobei das Bezugsgas in der Detektoreinheitskammer 23 eingeschlossen ist, wobei das Bezugsgas von der gleichen Art wie das abzutastende Gas ist. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Detektoreinheitskammer 23 durch einen Abschnitt einer Oberseite des Substrats 21 und eine oder mehrere Oberflächen des Kappenelements 22 begrenzt, wobei das Mikrophon 21.2 an dem Abschnitt der Oberseite des Substrats 21 angeordnet oder in den Abschnitt der Oberseite des Substrats 21 integriert ist, wie in 2 gesehen werden kann.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts umfasst die Lichtemittereinheit eine Lichtemittereinheitskammer 24, wobei das Substrat 21 und das Kappenelement 22 ferner konfiguriert sind, die Lichtemittereinheitskammer 24 zu definieren. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Lichtemittereinheitskammer 24 durch einen Abschnitt einer Oberseite des Substrats 21 und eine oder mehrere Oberflächen des Kappenelements 22 definiert, wobei der Lichtemitter 21.1 an dem Abschnitt der Oberseite des Substrats 21 angeordnet oder in den Abschnitt der Oberseite des Substrats 21 integriert ist.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts ist das Kappenelement 22 konfiguriert, das von der Lichtemittereinheit emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines der Detektoreinheit benachbarten Bereichs abzulenken. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst das Kappenelement 22 eine reflektierende Wand 22A, die konfiguriert ist, das von dem Lichtemitter 21.1 emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines dem Mikrophon 21.2 benachbarten Bereichs abzulenken.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts wird das Kappenelement 22 durch Schweißen, Löten oder anodische Bondprozesse oder durch einen anderen Bondprozess, insbesondere durch einen Bondprozess, der eine hermetische Verbindung erzeugen kann, mit dem Substrat 21 verbunden.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts umfasst der photoakustische Gassensor ein Bodenelement 26, das unter dem Substrat 21 angeordnet ist, wobei das Bodenelement 26 aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials besteht.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts umfasst das Bodenelement 26 elektrische Durchgangsverbindungen, die mit den elektrischen Durchgangsverbindungen, die in dem Substrat 21 ausgebildet sind, verbunden sein können, wobei die Durchgangsverbindungen des Substrats mit einem oder mehreren des Lichtemitters und des Detektors verbunden sind.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensors 20 des ersten Aspekts wird das Bodenelement 26 durch Schweißen, Löten oder anodische Bondprozesse oder durch andere Bondprozesse, insbesondere durch Bondprozesse, die eine hermetische Verbindung erzeugen können, mit dem Substrat 21 verbunden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors des ersten Aspekts. Der photoakustische Gassensor 30 nach 3 umfasst ein Substrat 31, eine Lichtemittereinheit 31.1, die durch das Substrat 31 gestützt ist, wobei die Lichtemittereinheit 31.1 einen Lichtemitter umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren. Der photoakustische Gassensor 30 umfasst ferner eine Detektoreinheit 31.2, die durch das Substrat 31 gestützt ist, wobei die Detektoreinheit 31.2 ein Mikrophon umfasst, wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich 35 durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Mikrophon ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann.
  • Der photoakustische Gassensor 30 nach 3 kann bezüglich ähnlicher Abschnitte oder Merkmale zu dem photoakustischen Gassensor 20 nach 2 ähnlich ausgebildet sein, so dass deren jeweilige Beschreibungen hier nicht wiederholt werden. Abgesehen davon umfasst der photoakustische Gassensor 30 nach 3 im Vergleich zu dem photoakustischen Gassensor 20 nach 2 die folgenden Unterschiede.
  • In dem Beispiel eines photoakustischen Gassensors 30, wie er in 3 gezeigt ist, sind sowohl die Lichtemittereinheit 31.1 als auch die Detektoreinheit 31.2 in der Form von Modulen bereitgestellt, die vorgefertigt und an dem Substrat 31 befestigt sind. Wie in 3 gezeigt ist, kann dies durch das Herstellen der jeweiligen Module und das Verbinden der jeweiligen Module durch eine Flip-Chip-Anordnung mit dem Substrat 31 erreicht werden. Alternativ können die Module außerdem in der Form einer aufrechten Chip-Anordnung und durch das Verbinden der Kontakt-Anschlussflächen der Module durch Drahtbondverbindungen mit auf dem Substrat 31 ausgebildeten elektrischen Kontaktflächen mit dem Substrat 31 verbunden werden.
  • Der photoakustische Gassensor 30 nach 3 umfasst ein Kappenelement 32, das über dem Substrat 31 angeordnet ist und das konfiguriert ist, den Bereich 35 zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen. Der photoakustische Gassensor 30 umfasst ferner ein Bezugsgas und eine Detektoreinheitskammer 33, wobei das Substrat 31 und das Kappenelement 32 ferner konfiguriert sind, die Detektoreinheitskammer 33 zu definieren, wobei das Bezugsgas in der Detektoreinheitskammer 33 eingeschlossen ist, wobei das Bezugsgas von der gleichen Art wie das abzutastende Gas ist. Zusätzlich dazu ist ein weiteres elektronisches Bauelement 37 innerhalb der Detektoreinheitskammer 33 bereitgestellt, wobei das elektronische Baueelement 37 außerdem in einer Flip-Chip-Anordnung mit dem Substrat 31 verbunden sein kann und über eine elektrische Kontaktfläche, die auf der Oberseite des Substrats 31 bereitgestellt ist, mit dem Detektormodul 31.2 verbunden sein kann. Das elektronische Bauelement 37 kann z.B. eines oder mehrere eines Prozessor-Chips, eines Logik-Chips, eines Verstärkungs-Chips, eines Signalkonditionierungs-Chips und eines SpeicherChips sein.
  • In dem Beispiel eines photoakustischen Gassensors 30 nach 3 ist kein Bodenelement bereitgestellt, wie es bei dem photoakustischen Gassensor 20 nach 2 der Fall war. Mit anderen Worten, das Substrat 31 des photoakustischen Sensors 30 nach 3 erfüllt die Funktionen sowohl des Substrats 21 als auch des Bodenelements 26 des photoakustischen Gassensors 20 nach 2.
  • In dem Beispiel eines photoakustischen Gassensors 30 nach 3 umfasst das Substrat 31 elektrische Durchgangsverbindungen, die mit den elektrischen Kontaktflächen auf der Oberseite des Substrats 31 und mit den elektrischen Kontaktflächen auf der Unterseite des Substrats 31 verbunden sind, so dass der photoakustische Gassensor 30 in einer Oberflächenbefestigungstechnik an dem Substrat angebracht werden kann.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors. Der photoakustische Gassensor 40 nach 4 unterscheidet sich von dem photoakustischen Gassensor 30 nach 3 in dem folgenden Aspekt. Das Substrat 41, das ansonsten mit dem Substrat 31 nach 3 vergleichbar sein kann, umfasst keine elektrischen Durchgangsverbindungen. Anstelle der elektrischen Durchgangsverbindungen umfasst der photoakustische Gassensor 40 elektrische Kontaktflächen 48, die sich aus dem Inneren der Detektoreinheitskammer 43 und dem Inneren der Lichtemitterkammer 46 unterhalb des Kappenelements 42 zur Außenseite auf der Oberseite des Substrats 41 erstrecken. Der photoakustische Gassensor 40 kann dann in einer geeigneten Weise mit irgendeiner Art der Geräte des Kunden verbunden werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnitts-Seitenansicht eines Beispiels eines photoakustischen Gassensors. Der photoakustische Gassensor 50 nach 5 ist mit jenen, die in den 2 und 3 gezeigt sind, vergleichbar, wobei er sich von diesen nur in dem folgenden Aspekt unterscheidet. Die photoakustischen Gassensoren 20 und 30, die in den 2 und 3 gezeigt sind, umfassen jeder ein Kappenelement, das mit einer Mittenöffnung oder einem Mittenanschluss versehen ist, um es zu ermöglichen, dass das Umgebungsgas in den Bereich strömt, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen. Der photoakustische Gassensor 50 nach 5 umfasst jedoch ein Substrat 51 und ein Kappenelement 52, das über dem Substrat 51 angeordnet ist, wobei das Kappenelement 52 zwei oder mehr Öffnungen 52.1 umfasst, wie z.B. konzentrisch um einen Mittenabschnitt 52.2 angeordnet sind. Der Mittenabschnitt 52.2 umfasst eine Unterseite, die eine reflektierende Beschichtung darauf aufweist, wobei außerdem die Unterseiten des Kappenelements 52 auf beiden Seiten des Mittenabschnitts 52.2 jeweilige reflektierende Beschichtungen umfassen, so dass innerhalb des Bereichs, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, mehrere Reflexionen des Strahlenbündels von Lichtimpulsen bewirkt werden. Dies verlängert die Absorptionslänge des Strahlenbündels von Lichtimpulsen, was eine beträchtliche Auswirkung auf die Leistung und die Genauigkeit des Gassensors hat. 5 zeigt eine Variante nur unter Verwendung von Reflexionen in der vertikalen Richtung. Eine Bauform des Reflektors mit horizontalen Reflexionen kann jedoch ebenso implementiert sein.
  • 6 umfasst die 6A-6E und zeigt schematische Darstellungen der Querschnitts-Seitenansichten von Beispielen der photoakustischen Gassensoren.
  • 6A zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors, der mit dem Beispiel vergleichbar ist, das in 2 gezeigt ist. Der Unterschied zu dem Letzteren ist, dass der photoakustische Gassensor nach 6A ein „offenes“ Mikrophon ohne eine Bezugsgaskammer umfasst. Wie oben erklärt worden ist, wird in dieser Variante des photoakustischen Gassensors in dem Fall des Vorhandenseins des abzutastenden Gases ein positives Signal erhalten, wobei aber die Selektivität im Vergleich zu den Varianten, die mit einem Bezugsgas versehen sind, niedriger ist.
  • 6B zeigt eine Variante, die mit der nach 6A vergleichbar ist, aber mit einem zusätzlichen integrierten optischen Filter 65 für das selektive Eindringen der Sollwellenlänge. Das optische Filter 65 stellt eine Wellenlängenselektivität des von dem Lichtemitter emittierten Breitbandlichts bereit. Das optische Filter 65 kann durch eine geeignete Beschichtung bereitgestellt sein, die auf eine Innenwand des Kappenelements 62 aufgebracht ist.
  • 6C zeigt eine Variante, die mit der vergleichbar ist, die in 3 gezeigt ist, aber abermals mit einem „offenen“ Mikrophon und einem „offenen“ Emitter, wie oben im Zusammenhang mit 6A erklärt worden ist.
  • 6D zeigt eine Variante, die mit der vergleichbar ist, die oben im Zusammenhang mit 6C gezeigt und erklärt worden ist, wobei als ein Unterschied ein integriertes optisches Filter 65 bereitgestellt ist, wie oben im Zusammenhang mit 6B gezeigt und erklärt worden ist.
  • 6E zeigt eine Variante, die mit der vergleichbar ist, die oben im Zusammenhang mit 6C gezeigt und beschrieben worden ist, wobei die Detektoreinheit von dem Bereich, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, durch eine Wand abgedichtet ist, die ein Teil des Kappenelements ist. Die Detektoreinheit kann außerdem als eine Bezugsgaskammer konfiguriert sein und kann ein geeignetes Bezugsgas enthalten. Die trennende Wand des Kappenelements kann außerdem eine Beschichtung enthalten, die als ein optisches Filter wirkt, wie vorher beschrieben worden ist. Der Lichtemitterbereich kann nicht abgedichtet oder offen sein, wie in 6E gezeigt ist.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf ein photoakustisches Gassensormodul gemäß einem zweiten Aspekt. Der photoakustische Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt umfasst ein Substrat, einen Lichtemitter, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen, die von einem Gas zu absorbieren sind, zu emittieren, und einen Detektor, der konfiguriert ist, ein Signal, das mit einer Wiederholungsfrequenz der Lichtimpulse schwingt, zu empfangen, wobei der Lichtemitter und der Detektor durch das Substrat gestützt sind.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensormoduls des zweiten Aspekts umfasst das Substrat elektrische Durchgangsverbindungen, die mit dem Lichtemitter und dem Detektor verbunden sind.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensormoduls des zweiten Aspekts umfasst der photoakustische Gassensor ferner ein Kappenelement, das über dem Substrat angeordnet ist, wobei das Kappenelement eine reflektierende Wand umfasst, die konfiguriert ist, das von dem Lichtemitter emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines dem Detektor benachbarten Bereichs zu reflektieren.
  • Gemäß einem Beispiel des photoakustischen Gassensormoduls des zweiten Aspekts umfasst der photoakustische Gassensor ferner ein Bodenelement, das unter dem Substrat angeordnet ist, wobei das Bodenelement elektrische Durchgangsverbindungen umfasst.
  • Weitere Beispiele des photoakustischen Gassensormoduls des zweiten Aspekts können zusammen mit irgendeinem der Beispiele oder Merkmale ausgebildet sein, die oben im Zusammenhang mit dem photoakustischen Gassensor des ersten Aspekts beschrieben worden sind.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors gemäß einem dritten Aspekt, wobei sich das Verfahren auf eine spezielle Form eines erweiterten Prozesses auf Wafer-Ebene (EWL-Prozess) zum Herstellen mehrerer photoakustischer Gassensoren bezieht. Das Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors gemäß dem dritten Aspekt umfasst das Bereitstellen eines Substrats, das Herstellen einer Mehrfachsensorplatte durch das Bilden mehrerer Gassensoreinheiten, wobei jede der mehreren Gassensoreinheiten durch das Substrat gestützt ist und eine Lichtemittereinheit und eine Detektoreinheit umfasst, und das Vereinzeln der Mehrfachsensorplatte, um mehrere photoakustische Gassensoren zu erhalten.
  • Gemäß einem Beispiel des Verfahrens des dritten Aspekts umfasst das Bilden der mehreren Gassensoreinheiten das Integrieren der Lichtemittereinheit und Detektoreinheit in einen Bereich, der einer oberen Hauptfläche des Substrats benachbart ist.
  • Gemäß einem Beispiel des Verfahrens des dritten Aspekts umfasst das Bilden der mehreren Gassensoren die Vorfertigung einer Lichtemittereinheit und einer Detektoreinheit und das Anordnen der Lichtemittereinheit und Detektoreinheit über einer oberen Hauptfläche des Substrats.
  • Weitere Beispiele des Verfahrens des dritten Aspekts können zusammen mit irgendeinem der Beispiele und Merkmale gebildet werden, die oben im Zusammenhang mit einem photoakustischen Gassensor des ersten Aspekts oder einem photoakustischen Gassensormodul des zweiten Aspekts beschrieben worden sind.
  • 7 umfasst die 7A und 7B und veranschaulicht ferner ein Beispiel eines Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt.
  • 7A zeigt eine Darstellung einer Draufsicht eines Zwischenprodukts des Herstellungsprozesses. Das Zwischenprodukt enthält einen Halbleiter-Wafer, insbesondere einen Silizium-Wafer 70, als ein Substrat. Der Halbleiter-Wafer 70 enthält mehrere Bereiche 71, die vorgesehen sind, die jeweiligen Gassensoreinheiten zu werden. Die weitere Verarbeitung des Halbleiter-Wafers 70 hängt davon ab, welches der Beispiele, die in den 2-6 gezeigt sind, vorgesehen ist, um verwirklicht zu werden. Es kann z.B. der Fall sein, dass in einem der ersten Schritte elektrische Durchgangsverbindungen in jedem der Bereiche 71 in dem Silizium-Wafer 70 gebildet werden können. Dann können elektrische Kontaktflächen, die mit den elektrischen Durchgangsverbindungen verbunden sind, auf der Ober- und der Unterseite des Silizium-Wafers 70 in jedem der Bereiche 71 gebildet werden, wobei die elektrischen Kontaktflächen vorgesehen sind, jeweils mit den Lichtemittern und den Detektoren verbunden zu werden. In dem Fall, in dem ein Beispiel, wie z.B. das nach 2, hergestellt werden soll, können dann elektronische Vorrichtungen und/oder eine elektronische Schaltungsanordnung in einer aktiven Oberseite des Silizium-Wafers 70 in jedem der Bereiche 71 bearbeitet werden, wobei die elektronischen Vorrichtungen und die elektronische Schaltungsanordnung vorgesehen sind, um mit dem Lichtemitter und/oder dem Detektor verbunden zu werden. Außerdem kann es in dem Fall, in dem ein Beispiel, wie z.B. das nach 2, hergestellt werden soll, zum Integrieren des Lichtemitters und des Detektors in den Silizium-Wafer 70 notwendig sein, leere Räume unter dem Lichtemitter und dem Mikrophon durch das Entfernen des Silizium-Materials von der Unterseite des Silizium-Wafers 70 fast bis zur Oberseite des Silizium-Wafers 70 zu bilden. Falls sonst ein Beispiel, wie z.B. das, das in den 3 und 4 gezeigt ist, hergestellt werden soll, werden vorgefertigte Lichtemitter- und Detektormodule mit der Oberseite des Silizium-Wafers 70 verbunden und mit den jeweiligen elektrischen Kontaktflächen darauf elektrisch verbunden.
  • In jedem Fall werden in jedem der Bereiche 71 des Halbleiter-Wafers 70 eine Lichtemittereinheit 72 und eine Detektoreinheit 73 bereitgestellt.
  • 7B zeigt die nächsten Schritte des Herstellungsprozesses eines photoakustischen Gassensors gemäß dem Beispiel nach 2, d.h., das Befestigen des Kappenelements 22 an dem Substrat 21 von oben und das Befestigen des Bodenelements 26 an dem Substrat 21 von unten. Sowohl das Kappenelement 22 als auch das Bodenelement 26 können die gleiche Form wie das Substrat 21, d.h., der Silizium-Wafer 21, aufweisen. Beide Fertigungsprozesse können durch Schweißen und/oder Löten und/oder anodische Bondprozesse oder durch irgendeinen anderen Verbindungsprozess, der eine hermetische Verbindung erzeugen kann, ausgeführt werden. Es sollte ergänzt werden, dass der Herstellungsprozess nicht auf die klassischen, d.h., die kreisförmigen Wafer-Formen eingeschränkt ist. Es ist im Prinzip außerdem möglich, andere wie quadratische oder rechteckige Formen des Substrats 21, des Kappenelements 22 und des Bodenelements 26 zu verwenden.
  • 8 zeigt außerdem eine Querschnittsansicht entlang einer Ebene, die durch die Linie B-B, die in 7A angegeben ist, angegeben ist, wobei jedoch ein photoakustischer Gassensor gemäß dem Beispiel nach 3 hergestellt wird. In diesem Fall werden nach dem Bearbeiten des Halbleiter-Wafers 70 die Lichtemittereinheiten 72 und die Detektoreinheiten 73 an der Oberseite des Silizium-Wafers 70 in einer Flip-Chip-Weise befestigt und mit den jeweiligen elektrischen Kontaktflächen darauf elektrisch verbunden. Danach wird das Kappenelement 75 auf der Oberseite des Silizium-Wafers 70 befestigt und durch irgendeines der Verbindungsverfahren, die vorher beschrieben worden sind, mit ihm verbunden.
  • In einem letzten Schritt des Herstellungsverfahrens wird die Mehrfachsensorplatte z.B. durch das Sägen entlang der Linien, die die Bereiche 71 trennen, wie in 7A gezeigt ist, in einzelne Gassensoreinheiten vereinzelt.
  • 9 umfasst die 9A und 9B und zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors gemäß dem vierten Aspekt. Der photoakustische Gassensor 90, der in 9 gezeigt ist, umfasst eine Lichtemittereinheit 91, die einen Lichtemitterhohlraum 91.1 und ein Lichtemitterelement 91.2, das in dem Lichtemitterhohlraum 91.1 angeordnet ist, umfasst. Das Lichtemitterelement 91.2 ist konfiguriert, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren. Das Lichtemitterelement 91.2 kann irgendeine Konfiguration oder Bauform aufweisen, wie sie oben für die Lichtemitter der vorhergehenden Beispiele beschrieben worden ist. Der photoakustische Gassensor 90 umfasst ferner eine Detektoreinheit 92, die einen Detektorhohlraum 92.1 und ein Detektorelement 92.2, das in dem Detektorhohlraum 92.1 angeordnet ist, umfasst. Das Strahlenbündel von Lichtimpulsen durchquert einen Bereich, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Detektorelement 92.2 dafür ausgelegt ist, ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, zu detektieren. Das Detektorelement 92.2 kann wie in den vorhergehenden Beispielen aus einem Mikrophon bestehen. In dem Detektorhohlraum 92.1 können weitere elektrische Vorrichtungen angeordnet und mit dem Detektorelement 92.2 verbunden sein.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel umfasst der photoakustische Gassensor 90 kein Bezugsvolumen wie das, das in einigen der vorhergehenden Beispiele gezeigt worden ist.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel umfassen sowohl der Lichtemitterhohlraum 91.1 als auch der Detektorhohlraum 92.1 eine Bodenwand und vier Seitenwände, wobei die Seitenwände mit der Bodenwand verbunden sind und in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind. Gemäß einem Beispiel sind der Lichtemitterhohlraum 91.1 und der Detektorhohlraum 92.1 aus irgendeiner Art eines Kunststoffmaterials, wie z.B. irgendeiner Art eines Harzmaterials oder eines Formmaterials oder irgendeines anderen Materials, das oben im Zusammenhang mit einem Verkapselungsstoff oder den Verkapselungsmaterialien erwähnt worden ist, hergestellt. Außerdem können der Lichtemitterhohlraum 91.1 und der Detektorhohlraum 92.1 aus ein und demselben Material ausgebildet sein.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel sind der Lichtemitterhohlraum 91.1 und der Detektorhohlraum 92.1 seitlich nebeneinander angeordnet, so dass ihre jeweiligen Bodenwände in ein und derselben Ebene angeordnet sind. Der photoakustische Gassensor gemäß dem Beispiel nach 9 umfasst ferner ein Kappenelement 93, das sowohl über dem Lichtemitterhohlraum 91.1 als auch über dem Detektorhohlraum 92.1 angeordnet und an den oberen Enden der äußeren Seitenwände der Hohlräume 91.1 und 91.2 z.B. durch einen Klebstoff befestigt ist. Das abzutastende Gas kann in das Innere der Vorrichtung in einen Bereich zwischen den Hohlräumen 91.1 und 91.2 strömen. Das Kappenelement 93 kann wie irgendeines der Kappenelemente konfiguriert sein, die in den vorhergehenden Beispielen gezeigt und beschrieben worden sind. Insbesondere ist das Kappenelement 93 konfiguriert, einen Bereich zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, und der konfiguriert ist, das von der Lichtemittereinheit 91 emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines der Detektoreinheit 92 benachbarten Bereichs abzulenken. Gemäß einem Beispiel umfasst das Kappenelement 93 eine Innenwand 93.1, die z.B. durch eine reflektierende Schicht, die auf der Innenwand 93.1 angeordnet ist, für die Wellenlänge des Strahlenbündels von Lichtimpulsen im hohen Grade reflektierend ist. Die innere reflektierende Wand 93.1 des Kappenelements 93, die in 9 gezeigt ist, umfasst zwei ebene geneigte Wände, wobei jede über einer der Lichtemittereinheit 91 und der Detektoreinheit 92 angeordnet ist, wobei die geneigten Wände so orientiert sind, dass das Strahlenbündel von Lichtimpulsen abgelenkt wird, wie oben beschrieben worden ist. Die Geometrie der Innenwand 93.1 des Kappenelements 93 kann außerdem eine Ellipsoidform aufweisen, wobei das Lichtemitterelement 91.2 und das Detektorelement 92.2 in den Brennpunkten der Ellipse angeordnet sein können. Außerdem kann das Kappenelement 93 aus ein und demselben Material wie der Lichtemitterhohlraum 91.1 und der Detektorhohlraum 92.1 hergestellt sein.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel umfasst der photoakustische Gassensor 90 ein optisches Filter 94, das entweder vor der Lichtemittereinheit 91 oder vor der Detektoreinheit 92 angeordnet ist. Wie im Zusammenhang mit einem anderen Beispiel erklärt worden ist, kann ein optisches Filter 94 erforderlich sein, falls das Lichtemitterelement 91.2 in der Form eines Breitband-Lichtemitterelements konfiguriert ist, wobei das optische Filter 94 konfiguriert sein kann, wie im Zusammenhang mit einem der vorhergehenden Beispiele beschrieben worden ist, wobei es z.B. so konfiguriert sein kann, dass es einen Schmalband-Durchlassbereich bei der vorgegebenen Wellenlänge oder um die vorgegebene Wellenlänge umfasst. Gemäß einem weiteren Beispiel umfassen die Seitenwände eines oder mehrerer des Lichtemitterhohlraums 91.1 und des Detektorhohlraums 92.1 einen nach innen gerichteten Vorsprung oder eine nach innen gerichtete Schulter 91.11 in Umfangsrichtung, um es zu ermöglichen, dass das optische Filter zwischen den Seitenwänden in dem jeweiligen Hohlraum befestigt wird. Das optische Filter 94 kann durch einen Klebstoff an dem Vorsprung 91.11 befestigt sein. Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel ist das optische Filter 94 in dem Lichtemitterhohlraum 91.1 angebracht. Außerdem kann gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel der Detektorhohlraum 92.1 außerdem einen ähnlichen Vorsprung 92.11 umfassen, um einen optischen Deckel 95 daran zu befestigen. Der optische Deckel oder die Platte 95 dienen nur für den Zweck des Schützens des Detektorelements 92.2, wobei er bzw. sie in der Form einer dünnen Platte konfiguriert sein kann, die für das Licht der vorgegebenen Wellenlänge wenigstens teilweise durchlässig sein sollte. Es ist außerdem möglich, dass das optische Filter 94 in dem Detektorhohlraum 92.1 angebracht ist und dass der optische Deckel 95 in dem Lichtemitterhohlraum 91.1 angebracht ist. Weiterhin ist es außerdem möglich, dass kein optisches Filter 94 verwendet wird, sondern dass stattdessen nur optische Deckel 95 im Lichtemitter- und im Detektorhohlraum zum Schützen des Lichtemitterelements und des Detektorelements angebracht sind, nämlich in dem Fall, in dem ein Schmalband-Lichtemitterelement verwendet wird, das nur Licht eines schmalen Bandes um die vorgegebene Wellenlänge emittiert.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel umfasst der photoakustische Gassensor 90 ferner die Kontaktleitungen 96, die sich in die Hohlräume 91.1 und 91.2 erstrecken, so dass das Lichtemitterelement 91.2 und das Detektorelement 92.2 mit den inneren Enden der Kontaktleitungen 96, z.B. durch Drahtbondverbindungen, wie gezeigt ist, verbunden sein können. Die Kontaktleitungen 96 können in derselben oder um dieselbe Ebene wie die Bodenwände der Hohlräume 91.1 und 91.2 angeordnet sein. Die Kontaktleitungen 96 erstrecken sich zur Außenseite, so dass sie z.B. mit einer Leiterplatte (PCB) verbunden sein können. Die Kontaktleitungen 96 können aus einem Leiterrahmen (Leadframe) hergestellt sein, wobei der untere Abschnitt des photoakustischen Gassensors 90 durch das Formen der beiden Hohlräume 91.1 und 91.2 an dem Leiterrahmen hergestellt werden kann, wie in 9B gezeigt ist.
  • 10 umfasst die 10A bis 10C und zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors gemäß dem vierten Aspekt. Der photoakustische Gassensor 100 nach 10 umfasst eine Lichtemittereinheit 101 und eine Detektoreinheit 102. Die Lichtemittereinheit 101 umfasst einen Lichtemitterhohlraum 101.1 und ein Lichtemitterelement 101.2, das in dem Hohlraum 101.1 angeordnet ist. Gleichermaßen umfasst die Detektoreinheit 102 einen Detektorhohlraum 102.1 und ein Detektorelement 102.2, wie z.B. ein Mikrophon, das in dem Hohlraum 102.1 angeordnet ist. Gemäß dem Beispiel nach 10 und wie in 10B gesehen werden kann, sind der Lichtemitterhohlraum 101.1 und der Detektorhohlraum 102.1 einander gegenüberliegend angeordnet, so dass ihre jeweiligen Seitenwände z.B. durch einen Klebstoff miteinander verbunden sind und die Lichtemittereinheit 101 und die Detektoreinheit 102 einander zugewandt sind. In wenigstens einer Seitenwand von einem oder beiden der Hohlräume 101.1 und 102.1 ist eine Öffnung bereitgestellt, damit das Gas in das Innere des Sensors strömt. Der photoakustische Gassensor 100 kann ferner ein optisches Filter 104 und einen optischen Deckel 105 umfassen, die die gleichen Funktionen wie die jeweiligen Elemente des vorhergehenden Beispiels haben können. Der photoakustische Gassensor 100 kann ferner zwei erste Kontaktleitungen 106 umfassen, die beide mit der Lichtemittereinheit 101 verbunden sind und die zu der Ebene der Bodenplatte des Detektorhohlraums 102.1 nach unten gebogen sind. In dem Detektorhohlraum 102.1 sind zweite Kontaktleitungen 107 bereitgestellt, wobei sich die zweiten Kontaktleitungen 107 durch die Bodenplatte des Detektorhohlraums 102.1 erstrecken, so dass das Detektorelement 102.2 und mögliche weitere elektrische Vorrichtungen z.B. entweder durch elektrische Kontakt-Anschlussflächen auf der Rückseite oder Bonddrähte mit den zweiten Kontaktleitungen 107 elektrisch verbunden sein können.
  • 10A gibt ein mögliches Verfahren zum Herstellen des photoakustischen Gassensors 100 an. Die Lichtemittereinheit 101 und die Detektoreinheit 102 werden unabhängig hergestellt, wobei die Emittereinheit durch Formen um die beiden ersten Kontaktleitungen 106 hergestellt werden kann und die Detektoreinheit durch Formen um die zweiten Kontaktleitungen 107 hergestellt werden kann. Danach wird das Emitterelement 101.2 in dem Hohlraum 101.1 angeordnet und mit den inneren Enden der ersten Kontaktleitungen 106 z.B. durch Drahtbondverbindungen elektrisch verbunden. Gleichermaßen werden das Detektorelement 102.2 und mögliche weitere elektrische Vorrichtungen in dem Detektorhohlraum 102.1 angeordnet und mit den zweiten Kontaktleitungen 107 z.B. durch Löten oder Drahtbondverbindungen elektrisch verbunden. Danach wird die Emittereinheit 101 auf der Detektoreinheit 102 angeordnet, indem die jeweiligen Seitenwände aneinandergeklebt werden, wobei dann die ersten Kontaktleitungen 106 zu der Ebene der Bodenwand des Detektorhohlraums 102.1 nach unten gebogen werden.
  • 11 umfasst die 11A bis 11C und zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors gemäß dem vierten Aspekt. Der in 11B gezeigte photoakustische Gassensor 110 entspricht im Prinzip insofern dem photoakustischen Gassensor 100 des vorhergehenden Beispiels in 10, als die Lichtemittereinheit 111 und die Detektoreinheit 112 einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen Seitenwände z.B. durch einen Klebstoff miteinander verbunden sind und die Lichtemittereinheit 111 und die Detektoreinheit 112 einander zugewandt sind. Ein Unterschied zu dem Sensor nach 10 ist die Weise der elektrischen Verbindung der Lichtemittereinheit 111 und der Detektoreinheit 112 miteinander und zur Außenseite. In dem Beispiel nach 11 ist eine erste Kontaktleitung 116 bereitgestellt, die die Lichtemittereinheit 111 mit der Detektoreinheit 112 verbindet. Außerdem sind zweite Kontaktleitungen 117 bereitgestellt, die sowohl mit der Emittereinheit 111 als auch mit der Detektoreinheit 112 verbunden sind und die beide zur Ebene der Bodenwand der Detektoreinheit 112 nach unten gebogen sind. 11A gibt ferner eine mögliche Weise des Herstellens des photoakustischen Gassensors 110 an, nämlich indem zuerst ein Zwischenprodukt hergestellt wird, wie in 11A gezeigt ist, wobei sowohl die Lichtemittereinheit 111 als auch die Detektoreinheit 112 hergestellt und durch die erste Kontaktleitung 116 elektrisch miteinander verbunden werden, wobei danach die Lichtemittereinheit 111 zu der Detektoreinheit 112 gebogen wird, wie durch den Pfeil angegeben ist, wobei dann die jeweiligen Seitenwände z.B. durch einen Klebstoff aneinander befestigt werden. Die mit den Bezugszeichen 111.1 (der Lichtemitterhohlraum), 111.2 (das Lichtemitterelement), 112.1 (der Detektorhohlraum), 112.2 (das Detektorelement), 114 (das optische Filter) und 115 (der optische Deckel) bezeichneten Elemente sind zu jenen der vorhergehenden Beispiele eines photoakustischen Gassensors gleich oder ähnlich. Die Detektoreinheit 112 kann ferner eine Lichtabsorptionsschicht 118 umfassen, falls eine direkte Bestrahlung des Detektorelements 112.2 vermieden werden soll.
  • 12 umfasst die 12A und 12B und zeigt ein Beispiel eines photoakustischen Gassensors gemäß dem vierten Aspekt. Der photoakustische Gassensor 120 nach 12A und sein in 12B angegebenes Herstellungsverfahren sind zu jenen des vorhergehenden Beispiels nach 11 ähnlich, so dass die Einzelheiten hier nicht wiederholt werden. Das Beispiel nach 12 zeigt als ein weiteres Merkmal, wie eine Gaseinlassöffnung bereitgestellt sein kann. Wie in 12B gezeigt ist, kann in einer oder mehreren Seitenwänden des Lichtemitterhohlraums 121.1 der Lichtemittereinheit 121 eine Aussparung 121.11 ausgebildet sein. Wenn die photoakustische Sensorvorrichtung 120 zusammengebaut wird, wie durch den Pfeil in 12B gezeigt ist, führen die Aussparungen 112.11 zu einer Gaseinlassöffnung 128, wie in 12A gezeigt ist. 12A zeigt außerdem die an einer Leiterplatte (PCB) 130 angebrachte und mit der Leiterplatte (PCB) 130 elektrisch verbundene photoakustische Sensorvorrichtung 120.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines photoakustischen Gassensors gemäß einem fünften Aspekt, wobei das Verfahren das Bereitstellen einer Lichtemittereinheit, die einen Lichtemitterhohlraum und ein Lichtemitterelement, das in dem Lichtemitterhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Lichtemitterelement konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren, und das Bereitstellen einer Detektoreinheit, die einen Detektorhohlraum und ein Detektorelement, das in dem Detektorhohlraum angeordnet ist, umfasst, umfasst, wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Detektorelement dafür ausgelegt ist, ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, zu detektieren.
  • Gemäß einem Beispiel des Verfahrens des fünften Aspekts umfasst das Verfahren das Herstellen eines photoakustischen Gassensors gemäß dem vierten Aspekt und insbesondere eines photoakustischen Gassensors, wie er oben im Zusammenhang mit einer der 9 bis 12 beschrieben worden ist.
  • Obwohl hier spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, wird durch die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet erkannt, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch verschiedene alternative und/oder äquivalente Implementierungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist vorgesehen, dass diese Anmeldung alle Anpassungen oder Variationen der hier erörterten spezifischen Ausführungsformen abdeckt. Deshalb ist vorgesehen, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt ist.

Claims (15)

  1. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40), der Folgendes umfasst: ein Substrat (21; 31; 41); eine Lichtemittereinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Lichtemittereinheit einen Lichtemitter (21.1; 31.1; 41.1) umfasst, der konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren; und eine Detektoreinheit, die durch das Substrat gestützt ist, wobei die Detektoreinheit ein Mikrophon (21.2; 31.2; 41.2) umfasst; wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Mikrophon ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, empfangen kann, gekennzeichnet durch ein Kappenelement (22; 32; 42), das über dem Substrat angeordnet ist und das konfiguriert ist, den Bereich zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, und das aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials besteht, wobei eines oder mehrere der Lichtemittereinheit und der Detektoreinheit aus einem vorgefertigten Modul bestehen, das an dem Substrat (21; 31; 41) befestigt ist.
  2. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (21; 31; 41) eines oder mehrere eines Halbleitersubstrats, eines siliziumbasierten Substrats, eines Glassubstrats und eines Keramiksubstrats umfasst.
  3. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (21; 31; 41) ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein siliziumbasiertes Substrat umfasst, und eines oder mehrere des Lichtemitters (21.1; 31.1; 41.1) und des Mikrophons (21.2; 31.2; 41.2) in das Halbleitersubstrat integriert sind.
  4. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (21; 31; 41) ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein siliziumbasiertes Substrat umfasst, und eines oder mehrere des Lichtemitters (21.1; 31.1; 41.1)und des Mikrophons (21.2; 31.2; 41.2) wenigstens teilweise mit dem Halbleitersubstrat zusammenhängend sind.
  5. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Substrat (21; 31; 41) elektronische Vorrichtungen oder eine elektronische Schaltungsanordnung umfasst, die in das Substrat integriert sind.
  6. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: ein Bezugsgas; und die Detektoreinheit, die eine Detektoreinheitskammer (23; 33; 43) umfasst; wobei das Substrat (21; 31; 41) und das Kappenelement (22; 32; 42) ferner konfiguriert sind, die Detektoreinheitskammer (23; 33; 43) zu definieren, und das Bezugsgas in der Detektoreinheitskammer (23; 33; 43) eingeschlossen ist, wobei das Bezugsgas von der gleichen Art wie das abzutastende Gas ist.
  7. Photoakustischer Gassensor (20; 40) nach Anspruch 6, der ferner Folgendes umfasst: die Lichtemittereinheit, die eine Lichtemittereinheitskammer (24; 46) umfasst; wobei das Substrat (21; 41) und das Kappenelement (22; 42) ferner konfiguriert sind, die Lichtemittereinheitskammer (24; 46) zu definieren.
  8. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kappenelement (22; 32; 42) konfiguriert ist, das von der Lichtemittereinheit emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines der Detektoreinheit benachbarten Bereichs abzulenken.
  9. Photoakustischer Gassensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kappenelement (22) eine Öffnung (22.1) zwischen der Umgebung und dem Bereich, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, umfasst.
  10. Photoakustischer Gassensor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner Folgendes umfasst: ein Bodenelement (26), das unter dem Substrat (21) angeordnet ist, wobei das Bodenelement aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials besteht.
  11. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40), der Folgendes umfasst: eine Lichtemittereinheit, die einen Lichtemitterhohlraum und ein Lichtemitterelement (21.1; 31.1; 41.1), das in dem Lichtemitterhohlraum angeordnet ist, umfasst, wobei das Lichtemitterelement konfiguriert ist, ein Strahlenbündel von Lichtimpulsen mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz und einer vorgegebenen Wellenlänge, die einem Absorptionsband eines abzutastenden Gases entspricht, zu emittieren; und eine Detektoreinheit, die einen Detektorhohlraum und ein Detektorelement (21.2; 31.2; 41.2), das in dem Detektorhohlraum angeordnet ist, umfasst; wobei das Strahlenbündel von Lichtimpulsen einen Bereich durchquert, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, wobei das Detektorelement dafür ausgelegt ist, ein Signal, das mit der Wiederholungsfrequenz schwingt, zu detektieren, gekennzeichnet durch ein Kappenelement (22; 32; 42), das sowohl über dem Lichtemitterhohlraum als auch über dem Detektorhohlraum angeordnet ist und das konfiguriert ist, den Bereich zu definieren, der vorgesehen ist, um das Gas aufzunehmen, und das aus einem oder mehreren eines Halbleitermaterials, eines siliziumbasierten Materials, eines Glasmaterials und eines Keramikmaterials besteht, wobei eines oder mehrere der Lichtemittereinheit und der Detektoreinheit aus einem vorgefertigten Modul bestehen, das an dem Substrat (21; 31; 41) befestigt ist.
  12. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 11, wobei sowohl der Lichtemitterhohlraum als auch der Detektorhohlraum eine Bodenwand und vier Seitenwände umfassen, wobei die Seitenwände mit der Bodenwand verbunden sind und in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind.
  13. Photoakustischer Gassensor (20; 30; 40) nach Anspruch 12, wobei das Kappenelement (22; 32; 42) konfiguriert ist, das von der Lichtemittereinheit emittierte Strahlenbündel von Lichtimpulsen in der Richtung eines der Detektoreinheit benachbarten Bereichs abzulenken; wobei der Lichtemitterhohlraum und der Detektorhohlraum seitlich nebeneinander angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen Bodenwände in ein und derselben Ebene angeordnet sind.
  14. Photoakustischer Gassensor (100; 110) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Lichtemitterhohlraum und der Detektorhohlraum einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen Seitenwände miteinander verbunden sind und die Lichtemittereinheit (101; 111) und die Detektoreinheit (102; 112) einander zugewandt sind.
  15. Photoakustischer Gassensor (100; 110) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, der ferner Folgendes umfasst: ein optisches Filter (104; 105), das entweder vor der Lichtemittereinheit (101; 111) oder vor der Detektoreinheit (102; 112) angeordnet ist.
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