DE102016205024A1

DE102016205024A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102016205024A1
Application number: DE102016205024.9A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Jochen Huber; Franz Jost; Stefan Kolb; Horst Theuss; Wilhelm Wiedmeier; Jürgen Wöllenstein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: US11530980B2; US10753858B2; US11092538B2; DE102016205024B4; CN106153548B; CN106153548A; US20210285866A1; US20200355602A1; DE202015002315U1; CN110927067A; US20190323947A1; US20160282259A1; US10365208B2

Abstract

Es ist ein Gassensor 5 mit einem Sensorelement 10, einer Messkammer 15 und einem Strahlerelement 20 gezeigt. Das Sensorelement 10 weist eine MEMS-Membran 25 auf, die in einem ersten Substratbereich 40 angeordnet ist. Die Messkammer 15 ist ferner ausgebildet, ein Messgas 50 aufzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Gassensor, der eine MEMS-Membran aufweist. Ausführungsbeispiele zeigen ein PAS(photoakustischer Sensor)-Modul, das einen MEMS(mikroelektromechanisches System)-Multiwaferkonzept nutzt.
Eine MEMS-Vorrichtung, auch als mikroelektromechanisches System bezeichnet, wird häufig als Sensor verwendet, etwa als Beschleunigungssensoren, Drucksensoren oder Schallwellensensoren (Mikrofon). Alle diese MEMS-Vorrichtungen weisen ein bewegliches Element auf, beispielsweise eine Membran oder einen Kragarm, wobei die Bewegung des beweglichen Elements, wie z. B. durch eine Druckänderung oder eine Beschleunigung herbeigeführt wird, kapazitiv erfasst werden kann. So umfasst eine übliche Variante einer MEMS-Vorrichtung eine bewegliche Elektrode als bewegliches Element und eine feste Elektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, so dass eine Abstandsänderungen zwischen den zwei Elektroden (aufgrund der Bewegung des beweglichen Elements) zu einer kapazitiven Änderung führen kann.
Bisherige Gas-Sensorsysteme nutzen Komponenten mit Abmessungen im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Die Komponenten, beispielsweise ein Infrarotemitter, weisen daher vergleichsweise große thermische Massen auf, wodurch hohe Leistungen benötigt werden, um die Gassensoren zu betreiben. Diese machen das System träge und lassen nur sehr kleine Passgrade (engl.: Duty Cycle) zu. Damit sind die Möglichkeiten einer schnellen Kalibration und einer schnellen Messung eingeschränkt.
Somit besteht ein Bedarf, ein verbessertes Konzept für Gassensoren zu schaffen.
Dieser Bedarf wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele zeigen einen Gassensor, der ein Sensorelement, eine Messkammer und ein Strahlerelement umfasst. Das Sensorelement weist eine MEMS-Membran auf, wobei die MEMS-Membran in einem ersten Substratbereich angeordnet ist. Ferner ist die Messkammer ausgebildet, ein Messgas aufzunehmen. Das Strahlerelement ist ausgebildet, elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen Strahlungsweg durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement die Messkammer aufweist. Darüber hinaus sind das Strahlerelement und das Sensorelement feststehend zueinander angeordnet, d. h. beispielsweise mechanisch miteinander verbunden.
Für einen, beispielsweise miniaturisierten, Gassensor wird vorteilhafterweise eine Kombination von in MEMS-Technologie gefertigten Komponenten genutzt. Diese Komponenten können in einem sogenannten Wafer Stack bzw. einem Substrat Stack (Wafer- bzw. Substrat-Stapel) verbunden sein und einen Emitter sowie einen Sensor ausbilden, die wiederum miteinander verbunden werden können. Der Gassensor kann beispielsweise ein PAS-Sensor (photoakustischer Sensor) sein, der den photoakustischen Effekt nutzt.
Der photoakustische Effekt ist ein physikalischer Effekt, den sich die Optoakustik zunutze macht. Er beschreibt die Umwandlung von Lichtenergie in akustische Energie (Schall). Wird ein Ausbreitungsmedium, z. B. ein Gas, mit Licht bestrahlt, so wird ein Teil der Lichtenergie von dem Medium aufgenommen (absorbiert) und in Wärmeenergie umgewandelt. Durch die Wärmeleitung verteilt sich die Energie nach endlicher Zeit im Medium und es stellt sich eine minimal erhöhte Temperatur im Medium ein. Durch die Wärmezufuhr kommt es unter anderem zur Volumenvergrößerung. Wird das Medium mit einer Folge von Lichtblitzen bzw. allgemein mit Pulsen einer elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, kommt es zu einer periodischen Erwärmung und Abkühlung. Dieser ständige Wechsel von Volumenausdehnung und -verringerung stellt eine Schallquelle dar. Das kann Körperschall im Festkörper oder normaler Schall im Gas sein.
Vorteile ergeben sich durch sehr kleine Abmessungen des gesamten Sensorsystems, wodurch sehr kleine thermische Massen des Sensorsystems realisiert werden können. Dadurch wird die Leistungsaufnahme reduziert sowie hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht, woraus ein sehr großer Tastgrad (engl.: duty cycle) und damit eine lange Gesamtlebensdauer resultieren. Ebenso resultiert aus den höheren Schaltgeschwindigkeiten ein verkürzter Messzyklus einer Messung, wodurch eine größere Anzahl von Messungen in der gleichen Zeit durchgeführt werden kann. Der beschriebene Gassensor entspricht damit höchsten Qualitätsanforderungen und weist eine verlängerte Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Gassensoren auf.
Ausführungsbeispiele zeigen einen Gassensor, der ein Sensorelement, eine Messkammer und ein Strahlerelement umfasst. Das Sensorelement weist eine MEMS-Membran und eine Referenzkammer mit einem darin befindlichen Referenzfluid auf, wobei die MEMS-Membran in einem ersten Substratbereich und eine Kavität der Referenzkammer in einem zweiten Substratbereich angeordnet ist. Der erste und der zweite Substratbereich sind hermetisch abgeschlossen und miteinander verbunden. Die Messkammer ist ausgebildet, ein Messgas aufzunehmen. Das Strahlerelement ist ausgebildet, elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen Strahlungsweg durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement die Messkammer und die Referenzkammer aufweist, wobei die Messkammer durch einen für die elektromagnetische Strahlung durchgängige Schicht räumlich von der Referenzkammer getrennt ist. Darüber hinaus sind das Strahlerelement und das Sensorelement mechanisch miteinander verbunden. Die Ausführung mit Referenzkammer und darin vorliegendem Referenzgas ist vorteilhaft, da die Druckmessung im abgeschlossenen und bekannten Referenzvolumen stattfindet und somit eine größere Anzahl an Realisierungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen. Hintergrund ist eine variable Einstellmöglichkeit der MEMS-Membran bzw. des Sensorelements auf eine vollständige oder teilweise Selektivität eines Messgases bzw. eine Vermeidung von Kreuzempfindlichkeiten. So reagiert das Sensorelement nur auf die Absorptionswellenlänge des Referenzgases, sofern das Referenzgas rein ist und keine „Störgase” vorliegen. Liegt ein Störgas vor, kann eine Kreuzempfindlichkeit dort auftreten, wo sich die Absorptionswellenlängen des Referenzgases (bzw. des Messgases) und des Störgases überlappen. So liegt beispielsweise bei der Messung von CO₂ eine Querempfindlichkeit zu Feuchtigkeit bei einer Wellenlänge von ca. 2,2 μm vor, da sich dort die Absorptionsbanden von Kohlenstoffdioxid und Wasser überlappen.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass die MEMS-Membran ausgebildet ist, eine in der Referenzkammer vorliegende Energie der elektromagnetischen Strahlung in ein Ausgangssignal umzuwandeln. Die Umwandlung erfolgt beispielsweise dadurch, dass die MEMS-Membran ausgebildet ist, eine Auslenkung in Abhängigkeit von der vorliegenden Energie der elektromagnetischen Strahlung aufzuweisen. Dies ist vorteilhaft, da die elektromagnetische Strahlung das Referenzfluid zu einer erhöhten Schwingung anregt und somit die erhöhte Teilchenbewegung bzw. ein erhöhter Druck in der Referenzkammer von der MEMS-Membran bzw. einem mit der MEMS-Membran gebildeten Sensor gemessen werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Strahlerelement ausgebildet, die elektromagnetische Strahlung pulsierend mit einer Frequenz abzustrahlen, die typisch größer als 0,1 Hz oder größer als 0,5 Hz oder größer als 1 Hz ist. Dies ist vorteilhaft, da somit eine erhöhte Anzahl von Messungen in der gleichen Zeit durchgeführt werden können. Ferner wird somit die Messungsdichte beispielsweise bei kontinuierlichen Messungen erhöht, wobei somit eine Änderung eines Messgases in der Messkammer schneller detektiert wird.
Ausführungsbeispiele zeigen ferner das Strahlerelement, das einen ersten und einen zweiten Substratbereich umfasst, wobei der erste Substratbereich eine Strahlereinheit aufweist, die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung abzustrahlen. Der zweite Substratbereich weist eine Kavität auf, die ausgebildet ist, eine thermische Masse des Strahlerelements zu minimieren. Dies ist vorteilhaft, da somit die bereits beschriebenen schnellen Schaltzeiten des Strahlerelements erzielt werden können. Ferner wird ein unnötiges Aufheizen des Sensors reduziert. Eine Erwärmung des Sensors kann zu einer schnelleren Degradation führen. Eine Kühlung des Gassensors zum Abführen überschüssiger Wärme kann dadurch kleiner dimensioniert bzw. vollständig entfernt werden.
Des Weiteren kann der Sensor bzw. die MEMS-Membran bevorzugt außerhalb eines direkten Strahlengangs der vom Emitter ausgesandten elektromagnetischen Strahlung liegen, um eine Aufheizung der MEMS-Membran durch die direkte elektromagnetische Strahlung zu reduzieren. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt den Gassensor mit einer Schattenmaske, die in dem Strahlungsweg angeordnet ist, wobei die Schattenmaske ausgebildet ist, eine direkte elektromagnetische Strahlung des Strahlerelements auf die MEMS-Membran zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, da somit eine Degradation der MEMS-Membran verzögert wird, da diese zu einem erheblich geringeren Teil der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Ferner wird eine hinter der MEMS-Membran befindliche Druckausgleichskammer weniger stark durch die elektromagnetische Strahlung erwärmt, wodurch eine Empfindlichkeit bzw. eine Genauigkeit des Gassensors über einen verlängerten Zeitraum gewährleistet wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind das Strahlerelement und das Sensorelement in einer Projektionsebene angeordnet, die lateral zu dem Strahlerelement und dem Sensorelement verläuft. Das Strahlerelement und das Sensorelement sind dabei in einem Gehäuse angeordnet, das ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung von dem Strahlerelement auf das Sensorelement zu reflektieren. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da somit extrem flache Gassensoren realisiert werden können. Die Messkammer des Gassensors kann dabei als eine Kavität in dem Gehäuse ausgebildet sein. Ferner ist es vorteilhaft, den ersten Substratbereich des Sensorelements und einen ersten Substratbereich des Strahlerelements auf demselben Substrat auszuführen und/oder den zweiten Substratbereich des Sensorelements und einen zweiten Substratbereich des Strahlerelements auf demselben Substrat auszuführen. Dies ist vorteilhaft, da somit Fertigungsschritte, die dieselbe Substratebene im Sensorelement und im Strahlerelement betreffen, gemeinsam in einem Fertigungsschritt ausgeführt werden können. Somit wird eine Herstellung dieser Gassensoren vereinfacht, wodurch eine Produktivitätssteigerung erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind das Strahlerelement und das Sensorelement in einer Projektionsebene angeordnet, die in Dickenrichtung zu dem Strahlerelement und dem Sensorelement verläuft, wobei der zweite Substratbereich des Sensorelements hermetisch abgeschlossen mit dem Strahlerelement verbunden ist. Dies ist vorteilhaft, da somit eine minimale Gesamtbaugröße des Gassensors erreicht wird. Dabei kann eine Kavität in dem Strahlerelement und/oder eine Kavität zwischen dem Strahlerelement und dem Sensorelement die Messkammer ausbilden. Ist die Messkammer in dem Strahlerelement integriert, weist der Gassensor eine minimale Höhe in Dickenrichtung auf. Ist die Kavität zwischen dem Strahlerelement und dem Sensorelement ausgebildet, kann das Strahlerelement räumlich von dem Messgas getrennt sein, wodurch eine möglicherweise erhöhte Degradation des Sensorelements durch das Messgas vermieden wird.
Ausführungsbeispiele zeigen ferner den Gassensor, bei dem Kontakte des Strahlerelements und des Sensorelements mittels Substratdurchkontaktierung (TSV, Through Semiconductor Via) innerhalb des Strahlerelements und des Sensorelements auf eine gemeinsame Substratebene geführt und an einem von außen zugänglichen Hauptoberflächenbereich des Gassensors ausgeführt sind. Dies ist vorteilhaft, da somit Kontakte des Gassensors nur an einer Stelle des Gassensors ausgeführt sind und somit eine Kontaktierung vereinfachen.
Ausführungsbeispiele beschreiben ferner, dass Kontakte des Strahlerelements und des Sensorelements lateral an einem Oberflächenbereich des Strahlerelements und der Sensoreinheit ausgeführt sind, wobei eine Leiterplatte parallel zu einer Dickenrichtung des Strahlerelements und des Sensorelements angeordnet ist und die lateral ausgeführten Kontakte kontaktiert. Dies ist vorteilhaft, da der Gassensor beispielsweise ohne weitere Kontaktierungsmaterialen auf der Leiterplatte angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist das Strahlerelement zur Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung eine Strahlereinheit auf, die ein Infrarotstrahler ist.
Weitere Ausführungsbeispiele zeigen den Gassensor, wobei die MEMS-Membran einen mikromechanischen kapazitiven Sensor formt. Der mikromechanische kapazitive Sensor ist beispielsweise ein Mikrofon.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Seitenansicht eines Gassensors;
1b eine schematische Seitenansicht eines Gassensors mit Referenzkammer;
1c eine schematische Seitenansicht eines Gassensors in einer von 1a abweichenden Anordnung des Strahlerelements und des Sensorelements;
2a eine schematische Darstellung eines Strahlerelements und eines Sensorelements im Querschnitt, die in einem Gassensor verwendet werden;
2b eine schematische Darstellung eines Strahlerelements und ein Sensorelements, die in einem Gassensor verwendet werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Referenzkammer;
2c eine schematische Darstellung eines Strahlerelements und ein Sensorelements, die in einem Gassensor verwendet werden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
2d eine schematische Darstellung eines Strahlerelements und ein Sensorelements in einem alternativen Ausführungsbeispiel mit Referenzkammer;
2e eine schematische Darstellung eines Strahlerelements mit oben liegender perforierter Gegenelektrode;
3 eine schematische Darstellung eines Gassensor in einem Gehäuse, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement nebeneinander angeordnet sind;
4a eine schematische Darstellung eines Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in Dickenrichtung gestapelt sind;
4b eine schematische Darstellung eines Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Referenzkammer, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in Dickenrichtung gestapelt sind;
4c eine schematische Darstellung eines Gassensors mit Referenzkammer in einem von 4b abweichenden Ausführungsbeispiel;
5a eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel mit beispielhafter Kontaktierung des Gassensors;
5b eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Referenzkammer sowie mit beispielhafter Kontaktierung des Gassensors;
5c eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem abweichenden Ausführungsbeispiel mit Referenzkammer sowie mit beispielhafter Kontaktierung des Gassensors;
5d eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel mit abweichender Kontaktierung des Gassensors; und
6 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung des Gassensors.
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
1a zeigt einen Gassensor 5 mit einem Sensorelement 10, einer Messkammer 15 und einem Strahlerelement 20. Das Sensorelement 10 weist eine MEMS-Membran 25 auf, die in einem ersten Substratbereich 40 angeordnet ist. Die Messkammer 15 ist ausgebildet, ein Messgas 50 aufzunehmen. Darüber hinaus kann gemäß eines Ausführungsbeispiels das Sensorelement 10 und das Strahlerelement 20 eine hermetisch abgeschlossene Verbindung aufweisen, sodass eine hermetisch abgeschlossene Messkammer 15 gebildet wird. Dies kann die Lebensdauer des Strahlerelements 20 bzw. des gesamten Gassensors verlängern, da dieser in einer Schutzatmosphäre betrieben wird. Der gleiche Effekt kann auch durch ein Gehäuse erreicht werden, welches den Gassensor umschließt.
Die MEMS-Membran beispielsweise einen mikromechanischen kapazitiven Sensor, wie z. B. ein Mikrofon, formen. Der mikromechanische kapazitive Sensor ist ausgebildet, eine Auslenkung der MEMS-Membran kapazitiv, gegen eine Gegenelektrode (nicht gezeigt) zu messen.
Ferner zeigt 1a das Strahlerelement 20, beispielsweise einen Infrarotemitter, der als MEMS-Element realisiert sein kann, das ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung 55 abzustrahlen. Die elektromagnetische Strahlung 55 durchläuft einen Strahlungsweg 60, der ausgehend von dem Strahlerelement 20 die Messkammer 15 aufweist. Ferner sind das Strahlerelement 20 und das Sensorelement 10 mechanisch miteinander verbunden. Die hermetisch abgeschlossene Verbindung ist optional, da der Einschluss des Messgases in ein Volumen beispielsweise auch durch ein in 3 gezeigtes Gehäuse erreicht werden kann. Ferner gibt es auch Ausführungsbeispiele, in denen der Einschluss des Messgases optional ist. Liegt das Messgas nicht in einem abgeschlossenen Volumen vor, ist es vorteilhaft, das Messgas bzw. das Messvolumen als akustischen Hochpass auszuführen, damit die photoakustischen Signale des Messgases auf die MEMS-Membran wirken und eine Streuung in den freien Raum vermieden wird. Somit ermöglicht der akustische Hochpass das Durchführen von kontinuierlichen Messungen bei einem Messgas im freien Raum. In anderen Worten kann eine Druckänderung bei nicht abgeschlossenem Volumen bzw. Referenzvolumen des Detektors gemessen werden, wenn das Sensorelement als Hochpass ausgeführt ist. Somit sind kontinuierliche Messungen beispielsweise mit abgeschlossenem Detektor oder mit einer Ausbilding des Detektors als Hochpass möglich. Das beschriebene Ausführungsbeispiel stellt einen Gassensor dar, der sehr klein zu konstruieren ist, da er in Abwesenheit der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Referenzkammer realisiert wird.
Ein verbessertes Messergebnis kann durch eine Trennung des Wärmeübergangs vom Strahlerelement 20 über das Messgas 50 erreicht werden. In anderen Worten kann es vorteilhaft sein, wenn eine Erwärmung des Messgases 50 oder eine Auswirkung einer Druckänderung durch die Erwärmung des Messgases auf die MEMS-Membran vermieden wird. Dies kann durch einen Abschluss des Strahlerelements oder des Sensorelements erreicht werden. Wird das Strahlerelement bzw. der Emitter abgeschlossen ausgeführt, kann durch ein Vakuum oder ein inertes Schutzgas zwischen einer Strahlereinheit, beispielsweise eines Heizdrahtes angeordnet werden, die eine Infrarotstrahlung des Strahlerelements auf das Messgas ermöglicht, jedoch eine Wärmeausbreitung verhindert oder zumindest reduziert. Wird das Sensorelement abgeschlossen ausgeführt und liegt das Strahlerelement 20 offen vor, wird das Messgas erwärmt, jedoch wirkt eine Druckänderung nicht auf die MEMS-Membran. In beiden Fällen kann ein photoakustisches Signal frei von einer Überlagerung einer Ausdehnung des Messgases bedingt durch die Erwärmung gemessen werden. Ebenso ist es auch möglich, jeweils das Strahlerelement und das Sensorelement hermetisch zu verschließen.
Die beschriebene Kombinationen aus Strahlerelement und Sensorelement können unter dem Begriff eines Multiwafer Konzepts zusammengefasst werden. Dies ermöglicht eine beliebige Kombination aus verschlossenen und offenen Elementen, die jeweils ein offenes oder geschlossenes Strahler- bzw. Sensorelement ausbilden. Ebenso kann auch die Messkammer optional in einem geschlossenen Volumen ausgeführt sein. Die Kombinationen der Elemente kann beliebig sein. Darüber hinaus können das Strahlerelement und/oder das Sensorelement in sich aus Schichten verschiedener Substratelemente bzw. Wafer ausgebildet sein. Eine beispielhafte Realisierung wird bezüglich 2a–e beschrieben.
1b zeigt einen Gassensor 5 mit einem Sensorelement 10, einer Messkammer 15 und einem Strahlerelement 20. Das Sensorelement 10 weist eine MEMS-Membran 25 und eine Referenzkammer 30 mit einem darin befindlichen Referenzfluid 35 auf. Die MEMS-Membran 25 ist in einem ersten Substratbereich 40 angeordnet und eine Kavität der Referenzkammer 30 ist in einem zweiten Substratbereich 45 angeordnet. Die Messkammer 15 ist ausgebildet, ein Messgas 50 aufzunehmen. Ferner sind der erste und der zweite Substratbereich 40, 45, die das Sensorelement 10 ausbilden, hermetisch abgeschlossen und miteinander verbunden. Darüber hinaus kann gemäß eines Ausführungsbeispiels auch das Sensorelement 10 und das Strahlerelement 20 eine hermetisch abgeschlossene Verbindung aufweisen, sodass eine hermetisch abgeschlossene Messkammer 15 gebildet wird. Dies kann die Lebensdauer des Strahlerelements 20 verlängern.
Ferner zeigt 1b das Strahlerelement 20, das ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung 55 abzustrahlen. Die elektromagnetische Strahlung 55 durchläuft einen Strahlungsweg 60, der ausgehend von dem Strahlerelement 20 die Messkammer 15 und die Referenzkammer 30 aufweist. Um das Messgas und das Referenzfluid räumlich voneinander zu trennen, ist zwischen der Referenzkammer 30 und der Messkammer 15 eine für die elektromagnetische Strahlung 55 durchgängige Schicht 65 angeordnet. Ferner sind das Strahlerelement 20 und das Sensorelement 10 mechanisch miteinander verbunden.
Das Referenzfluid ist beispielsweise ein Gasgemisch, das ein zu detektierendes Gas, z. B. CO₂ (Kohlenstoffdioxid), CO (Kohlenstoffmonooxid), NO_x (Stickoxid) etc. und optional ein Puffergas umfasst. Das Puffergas dient beispielsweise als weiteres Referenzgas, indem es die Selektivität der Referenzzelle auf ein Gasgemisch bzw. ein weiteres Gas erweitert. So kann in der Referenzkammer neben dem zu detektierenden Gas ein oder mehrere weitere Gase vorliegen, sodass der Gassensor sensitiv auf ein Messgas reagiert, dass die im Referenzgas vorliegenden Gase umfasst. Ferner ist es möglich, Feuchtigkeit in die Referenzkammer einzubringen, um einen Feuchtigkeitsgehalt des Messgases zu bestimmen. Anders ausgedrückt dient es als Element zur Modifikation bzw. Optimierung der Übertragungsstrecke, wobei die Übertragungsstrecke die nachfolgenden Schritte aufweist. Ausgehend von einer Temperatur bzw. einer elektromagnetischen Strahlung des Strahlerelements 20 wird eine Druckänderung in der Referenzkammer 30 erzeugt, wobei die Druckänderung von der Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch das Messgas (beispielsweise antiproportional) abhängt. Die Druckänderung in der Referenzkammer kann durch eine Auslenkung der Membran im Sensorelement 10 gemessen werden kann. Ferner kann durch das Puffergas eine Empfindlichkeit des Gassensors 5 bzw. des Sensorelements 10 eingestellt werden, sodass bei einer zu erwartenden Über- oder Untersteuerung der MEMS-Membran beispielsweise durch eine Verringerung oder Erhöhung des Puffergasanteils die gewünschte Empfindlichkeit erzielt wird.
Ausführungsbeispiele zeigen die MEMS-Membran 25, die ausgebildet ist, eine in der Referenzkammer 30 vorliegende Energie der elektromagnetischen Strahlung in ein Ausgangssignal umzuwandeln. Das Ausgangssignal kann basierend auf einer Auslenkung generiert werden, die abhängig von der vorliegenden Energie der elektromagnetischen Strahlung ist. Demnach kann die MEMS-Membran beispielsweise einen mikromechanischen kapazitiven Sensor, wie z. B. ein Mikrofon, formen. Der mikromechanische kapazitive Sensor ist ausgebildet, eine Auslenkung der MEMS-Membran beispielsweise kapazitiv, gegen eine Gegenelektrode (nicht gezeigt) zu messen.
1c zeigt eine schematische Darstellung des Gassensors 5 mit einer von 1a abweichenden Anordnung des Strahlerelements und des Sensorelements. 1b zeigt eine Anordnung des Strahlerelements 20 und des Sensorelements 10 entlang einer Projektionslinie, die lateral durch das Strahlerelement und das Sensorelement verläuft. Dabei sind das Strahlerelement 20 und das Sensorelement 10 an einem lateral verlaufenden Hauptoberflächenbereich 70 miteinander verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel verläuft der Strahlungsweg 60 der elektromagnetischen Strahlung 55 durch das an das Strahlerelement 20 und das Sensorelement 10 angrenzende Messgas 50. Die Krümmung bzw. Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung 55 von dem Hauptoberflächenbereich 75 des Strahlerelements, an dem die elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird, auf den Hauptoberflächenbereich 80 des Sensorelements, an dem die elektromagnetische Strahlung in das Sensorelement eintritt, erfolgt beispielsweise über reflektierende Elemente (nicht gezeigt), wie beispielsweise die Innenseite eines Gehäuses, die für die elektromagnetische Strahlung 55 reflektierend wirkt. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Anordnung.
2a zeigt eine schematische Darstellung des Strahlerelements 20 und des Sensorelements 10, die gemäß Ausführungsbeispielen in einem Gassensor verwendet werden. Das Sensorelement 10 kann neben dem ersten Substratbereich und dem zweiten Substratbereich 45 noch einen dritten Substratbereich 85 aufweisen, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abschlusselement des Sensorelements 10 darstellt. Analog zum Sensorelement kann auch das Strahlerelement einen ersten Substratbereich 90 und einen zweiten Substratbereich 95 aufweisen, wobei der erste Substratbereich 90 eine Strahlereinheit 100 aufweist, die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung 55 abzustrahlen. Die Strahlereinheit 100 ist beispielsweise ein Infrarotstrahler (IR-Emitter), der durch eine mäanderförmige Anordnung eines Heizdrahts realisiert werden kann. Der zweite Substratbereich 95 des Strahlerelements weist eine Kavität 105 auf, die ausgebildet ist, eine thermische Masse des Strahlerelements zu minimieren. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der zweite Substratbereich 95 des Strahlerelements ergänzend oder alternativ zur Kavität 105 ein für die elektromagnetische Strahlung 55 durchlässiges Material aufweisen. Ferner weist auch das Strahlerelement 20 einen dritten Substratbereich 110 auf, der ein Abschlusselement des Strahlerelements bildet. Darüber hinaus ist anzumerken, dass die Ausführungsbeispiele, die bezüglich 2b–d beschrieben sind, auch auf 2a angewendet werden können.
Gemäß dieser Anordnung kann das Strahlerelement 20 einen schwarzen Strahler (oder Planckschen Strahler) ausbilden. Ein idealer schwarzer Strahler absorbiert auftreffende elektromagnetische Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig und sendet die aufgenommene Energie als elektromagnetische Strahlung mit einem charakteristischen, nur von der Temperatur abhängigen Spektrum wieder aus.
2b zeigt eine schematische Darstellung des Strahlerelements 20 und des Sensorelements 10, die gemäß Ausführungsbeispielen in einem Gassensor verwendet werden. Das Sensorelement 10 kann neben dem ersten Substratbereich und dem zweiten Substratbereich 45 noch einen dritten Substratbereich 85 aufweisen, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abschlusselement des Sensorelements 10 darstellt. Analog zum Sensorelement kann auch das Strahlerelement einen ersten Substratbereich 90 und einen zweiten Substratbereich 95 aufweisen, wobei der erste Substratbereich 90 eine Strahlereinheit 100 aufweist, die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung 55 abzustrahlen. Die Strahlereinheit 100 ist beispielsweise ein Infrarotstrahler (IR-Emitter), der durch eine mäanderförmige Anordnung eines Heizdrahts realisiert werden kann. Der zweite Substratbereich 95 des Strahlerelements weist eine Kavität 105 auf, die ausgebildet ist, eine thermische Masse des Strahlerelements zu minimieren. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der zweite Substratbereich 95 des Strahlerelements ergänzend oder alternativ zur Kavität 105 ein für die elektromagnetische Strahlung 55 durchlässiges Material aufweisen. Ferner weist auch das Strahlerelement 20 einen dritten Substratbereich 110 auf, der ein Abschlusselement des Strahlerelements bildet.
Gemäß dieser Anordnung kann das Strahlerelement 20 einen schwarzen Strahler (oder Planckschen Strahler) ausbilden. Ein idealer schwarzer Strahler absorbiert auftreffende elektromagnetische Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig und sendet die aufgenommene Energie als elektromagnetische Strahlung mit einem charakteristischen, nur von der Temperatur abhängigen Spektrum wieder aus.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der zweite Substratbereich 95 des Strahlerelements, analog zur für die elektromagnetische Strahlung durchgängigen Schicht 65 des zweiten Substratbereichs des Sensorelements ebenfalls eine für die elektromagnetische Strahlung durchgängige Schicht 115 aufweisen, wobei in 4b ein Ausführungsbeispiel gezeigt wird, in dem die Schichten 65 und 115 die Messkammer bilden. Die Schicht 115 kann optional ferner eine Öffnung 120 aufweisen. Die Öffnung 120 kann einen Zugang für das Referenzfluid in die Kavität 105 ermöglichen, sodass ein Absorptionspfad für die vom Strahlerelement ausgesendete Temperaturstrahlung verlängert wird. Ferner sind optional Kavitäten im ersten und im dritten Substratbereich des Strahlerelements geformt, die jeweils ausgebildet sind, eine thermische Masse des Sensorelements zu reduzieren und einen Hohlraum 125 zur Realisierung des schwarzen Strahlers zu bilden. Optional kann der Hohlraum 125 sowie 105 mit einem Puffergas gefüllt sein, das ausgebildet ist, eine Degradation der Strahlereinheit zu minimieren und/oder eine Qualität des Strahlerelements zu verbessern. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, die Schicht 115 ohne Öffnung 120 auszubilden, um das Puffergases von dem Messgas zu trennen.
Optional ist ferner ebenso die Anordnung einer Schattenmaske 130 in dem Strahlungsweg 60 (hier nicht eingezeichnet), die ausgebildet ist, eine direkte elektromagnetische Strahlung des Strahlerelements auf die MEMS-Membran 25 zu reduzieren. Die Schattenmaske erlaubt jedoch das Eintreten der elektromagnetischen Strahlung in die Referenzkammer. Dazu deckt die Schattenmaske beispielsweise nur einen Teil der für die elektromagnetische Strahlung durchgängigen Schicht des Sensorelements ab oder sie ist gemäß dem in 2e beschriebenen Ausführungsbeispiel innerhalb der Referenzkammer vor der MEMS-Membran angeordnet. Anders ausgedrückt schattet eine optionale Schattenmaske nicht die Referenzkammer 30 sondern nur die Membran 25 ab. Vorteilhafterweise wird dafür die für die elektromagnetische Strahlung durchgängige Schicht 65, beispielsweise eine Glasscheibe, in einem Bereich einer Projektionslinie, die in Dickenrichtung zur Membran 25 verläuft, beschichtet bzw. eingeschwärzt. Die elektromagnetische Strahlung 55 kann somit das Referenzfluid in der Referenzkammer 30 durch an die Schattenmembran 130 angrenzende Bereiche anregen, jedoch wird die direkte elektromagnetische Einstrahlung auf die MEMS-Membran 25 deutlich reduziert. Somit erhitzt sich die MEMS-Membran deutlich weniger, wodurch ein Verschleiß oder ein Fehlersignal hervorgerufen durch eine Aufheizung und eine dadurch hervorgerufene Auslenkung der Membran (vergleichbar mit dem Effekt bei einem Bimetall) derselben reduziert wird.
Die Schattenmaske 130 vermindert ferner das Aufheizen einer Druckausgleichskammer 135. Die Druckausgleichskammer 135 ist über eine Öffnung 140 in der MEMS-Membran 25 mit der Referenzkammer 30 verbunden. Durch die Öffnung findet ein langsamer Gasaustausch zwischen der Referenzkammer und der Druckausgleichskammer statt, so dass sich ändernde Drücke in der Referenzkammer und der Druckausgleichskammer über einen längeren Zeitraum ausgeglichen werden, und so eine Vorspannung der MEMS-Membran 25, die sich über den langen Zeitraum hinweg verändert, vermeidet. Schnelle Druckänderungen können über die Öffnung 140 nicht ausgeglichen werden, so dass die MEMS-Membran 25 bzw. das Sensorelement 10 die schnellen Änderungen messen kann. Es ist anzumerken, dass die Schattenmaske 130 in allen gezeigten Ausführungsbeispielen optional ist, auch wenn dieselbe in den zugehörigen Figuren eingezeichnet ist.
Die Substratbereiche des Sensorelements und des Strahlerelements können vorteilhaft Silizium aufweisen. In einem Herstellungsverfahren können somit die gleichen Substratbereiche des Sensorelements und des Strahlerelements in einem gemeinsamen MEMS-Herstellungsverfahren realisiert werden. Die separat hergestellten Substratbereiche werden gemäß Ausführungsbeispielen gestapelt und zu einem Wafer Stack bzw. Substrat Stack (Waferstapel bzw. Substratstapel) angeordnet. Zur Befestigung der Substratbereiche können dieselben beispielsweise mittels anodischem Bonden oder Glasfrit Bonden (engl. Glass frit bonding) miteinander verbunden werden, so dass zwischen den Substratbereichen (beispielsweise Wafern) Verbindungselemente je nach Verfahren ausgebildet werden. Die zweiten Substratbereiche des Sensorelements 45 oder des Strahlerelements 95 (Topschichten) bzw. die ersten Substratbereiche des Sensorelements 85 oder des Strahlerelements 110 (Bottomschichten) können auch als Glaswafer ausgebildet sein bzw. einen Glasanteil, beispielsweise in Form eines Fensters, aufweisen.
Das Sensorelement 10 und das Strahlerelement 20 können in der gezeigten Anordnung lateral nebeneinander, beispielsweise in einem Gehäuse, als Drucksensor betrieben werden (vgl. 3) oder alternativ über Sägemarkierungen 145 vereinzelt werden.
2c zeigt das in 2b beschriebene Ausführungsbeispiel, wobei 2b um die Abstandshalter 160 ergänzt ist. Werden das Sensorelement 10 und das Strahlerelement 20 wie in den 4 gezeigt zusammengesetzt, kann zwischen den Abstandshaltern die Messkammer ausgebildet sein. Das Strahlerelement und die MEMS-Membran sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel verschlossen und kommen nicht mit dem Messgas in Kontakt. Neben der hier gezeigten Anordnung des Abstandshalters auf dem Sensorelement kann der Abstandshalter auch auf dem Strahlerelement angeordnet sein. Ferner zeigt 2c eine verschlossene Schicht 115, d. h. die Schicht 115 weist keine Öffnung 120 auf. Somit kommt das Messgas nicht mit dem Emitter 110 in Kontakt. Darüber hinaus kann ein Schutzgas in die Kavitäten 105 und/oder 125 eingeführt werden, um eine Degradation des Emitters zu verringern.
2d zeigt eine schematische Darstellung des Sensorelements 10 und des Strahlerelements 20 gemäß einem von 2b abweichenden Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel zeigt die zweiten Substratbereiche 45, 95 des Sensor- und des Strahlerelements, die beispielsweise Glas oder Siliciumdioxid (SiO₂) aufweisen. Dies kann ein strukturierter Glaswafer sein. Dieser kann ebenso mittels anodischem Bonden an dem ersten Substratbereich 40 bzw. 90 mit den darunterliegenden Substratbereichen verbunden werden. Ferner ist die Kavität 105 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest Teil der Messkammer 15, in die ein zu messendes Messgas eingeführt werden kann. Die Messkammer 15 liegt somit zumindest teilweise im Strahlerelement 20.
2e zeigt eine schematische Darstellung des Sensorelements 10 und des Strahlerelements 20 in einem Querschnitt. Das Ausführungsbeispiel zeigt ein unverschlossenes Strahlerelement 20 und ein abgeschlossenes Sensorelement 10. Um das Sensorelement 10 gasdicht zu verschließen kann ein Infrarotfenster 65 über dem zweiten Substratbereich 45 des Sensorelements angeordnet sein. Dieses kann wie bereits beschrieben mittels anodischem Bonden oder einem anderen geeigneten Verfahren mit dem ersten Substratbereich 40 verbunden sein. Ferner weist das Sensorelement eine oben liegende perforierte Gegenelektrode 180 auf. Diese kann Polysilicium, ein Metall, Schichten aus einem Dielektrikum, z. B. SiN (Siliciumnitrid) und einem Metall oder eine Kombination der genannten Materialien umfassen. Vorzugsweise kann hier ein Material verwendet werden, welches Infrarotstrahlung reflektiert (z. B. Metall). Dies kann durch eine metallisierte perforierte Gegenelektrode realisiert werden. Die Gegenelektrode 180 bildet einen funktionalen Gegenpart zu der MEMS-Membran, um einen mikromechanischen kapazitiven Sensor, beispielsweise ein Mikrofon, zu formen. Ferner ist die Gegenelektrode 180 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel perforiert ausgeführt und erfüllt somit gleichzeitig die Aufgabe einer Schattenmaske. Je geringer der Perforationsgrad ausgeführt ist, desto besser ist die Abschattung der MEMS-Membran 25. Die Gegenelektrode kann an einer Haltestruktur 175 befestigt sein, die beispielsweise ein Oxid aufweist.
Ferner ist es auch möglich, nur das Strahlerelement bzw. den Emitter gasdicht zu verschließen. Das Sensorelement bleibt geöffnet. Eine Erwärmung des Messgases kann so beispielsweise durch einen Einschluss der Strahlereinheit, beispielsweise des Heizdrahtes vermieden werden, sodass ausschließlich die ausgesendete Infrarotstrahlung auf das Messgas auftrifft und dort den photoakustisches Signal hervorruft, dass von dem Sensorelement gemessen werden kann. Eine Ausdehnung des Messgases durch die Erwärmung, die sich auf die MEMS-Membran überträgt und das photoakustische Signal überlagert, wird somit vermieden.
3 zeigt die bereits in 2d gezeigte Anordnung von Strahlerelement Sensorelement in einem Gehäuse 150 in einer schematischen Darstellung. Das Gehäuse 150 weist Ein-Austrittsöffnungen 155a, b für das Messgas 50 auf, durch die das Messgas 50 in das Gehäuse 50 gelangen kann. Das Gehäuse 150 ist beispielsweise ein SMD(Surface Mounted Device, dt.: oberflächenmontiertes Bauelement)-Gehäuse. Ferner weist das Gehäuse 150 an einer dem Sensorelement und dem Strahlerelement zugewandten Seite Hauptoberflächenbereiche auf, die ausgebildet sind, die elektromagnetische Strahlung 55 vom Strahlerelement 20 auf das Sensorelement 10 zu reflektieren.
4a zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in Dickenrichtung gestapelt sind. Der Gassensor basiert auf der bereits in 2a gezeigten Anordnung des Strahlerelements und des Sensorelements. Um das in 4a gezeigte Ausführungsbeispiel zu erhalten, kann entlang der in 2a gezeigten Sägemarkierung 145 das Sensorelement vom Strahlerelement getrennt werden und an außenliegenden Hauptoberflächenbereichen der jeweils zweiten Substratbereiche gestapelt werden. Zwischen Sensorelement und dem Strahlerelement kann vorzugsweise ein Abstandshalter 160 angeordnet sein, der zwischen dem Sensorelement und dem Strahlerelement die Messkammer 15 ausbildet. Der Abstandshalter 160 kann z. B. ein Verbindungselement sein, dass durch ein Verbinden der angrenzenden Substratbereiche erzeugt wurde. Ferner können die Abstandshalter ein Halbleitermaterial (z. B. Silizium) oder Glas umfassen. Durch eine Öffnung in dem Abstandshalter 160 kann das Messgas in die Messkammer eingeleitet werden. Die bezüglich der folgenden Figuren beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele lassen sich unter Berücksichtigung der Abwesenheit einer Referenzkammer analog auch auf das hier gezeigte Ausführungsbeispiel anwenden.
4b zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensor gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in Dickenrichtung gestapelt sind. Der Gassensor basiert auf der bereits in 2b gezeigten Anordnung des Strahlerelements und des Sensorelements. Um das in 4b gezeigte Ausführungsbeispiel zu erhalten, kann entlang der in 2b gezeigten Sägemarkierung 145 das Sensorelement vom Strahlerelement getrennt werden und an außenliegenden Hauptoberflächenbereichen der jeweils zweiten Substratbereiche gestapelt werden. Zwischen Sensorelement und dem Strahlerelement kann vorzugsweise ein Abstandshalter 160 angeordnet sein, der zwischen dem Sensorelement und dem Strahlerelement die Messkammer 15 ausbildet. Der Abstandshalter 160 kann z. B. ein Verbindungselement sein, dass durch ein Verbinden der angrenzenden Substratbereiche erzeugt wurde. Ferner können die Abstandshalter ein Halbleitermaterial (z. B. Silizium) oder Glas umfassen. Durch eine Öffnung in dem Abstandshalter 160 kann das Messgas in die Messkammer eingeleitet werden.
Wie bereits beschrieben, können das Sensorelement und das Strahlerelement zusammen mit dem Abstandshalter, beispielsweise mittels anodischem Bonden oder einem anderen Bondverfahren, verbunden werden. Ferner kann der Abstandshalter selber auch durch ein geeignetes Verbindungsmaterial, beispielsweise einer Verbindungsschicht bei einem Bondverfahren mit Zwischenschicht wie sie z. B. bei dem eutektischen Bonden, Glas-Frit Bonden oder adhäsiven Bonden eingesetzt werden, ausgeführt sein. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da das Messgas 50 (hier nicht gezeigt) in der Messkammer 15 weder mit dem Strahlerelement noch mit dem Sensorelement in Berührung kommt, sondern in einem definierten Bereich zwischen dem Sensorelement und dem Strahlerelement, das durch die Abstandshalter 160 sowie die für die elektromagnetische Strahlung durchgängigen Schichten 65 und 115 begrenzt ist, vorliegt. Somit wird eine potenzielle Verunreinigung bzw. eine durch das Messgas hervorgerufene beschleunigte Degradation des Sensorelements und des Strahlerelements vermieden. In anderen Worten sind das Sensorelement und das Strahlerelement in sich abgeschlossen bzw. versiegelt.
Ausführungsbeispiele zeigen den Gassensor sensitiv für Kohlenstoffdioxid (CO₂). Eine Kohlenstoffdioxidkonzentration im Messgas kann beispielsweise 1000 ppm (parts per million, dt.: Teile von 1 Mio.) aufweisen. In der Referenzkammer und der Druckausgleichskammer 30, 135 kann ein Referenzfluid vorliegen, das beispielsweise 50 bis 100% Kohlenstoffdioxid und optional einen Puffergasanteil umfasst. Optional kann die Puffergasfüllung darüber hinaus auch in dem Hohlraum 125 vorliegen. Liegt das Puffergas angrenzend an die Strahlereinheit, d. h. in den Kavitäten 105 oder 125 vor, kann dieses als inertes Schutzgas dienen, d. h. eine Degradation des Emitters verlangsamen. Als Schutzgas können Stickstoff, Argon oder andere schwere Gase dienen, die eine Oberflächenveränderung, z. B. bedingt durch eine große Hitze des Emitters, verhindern oder zumindest verlangsamen.
Alternativ oder ergänzend kann das Puffergas am Emitter auch zur Filterung der Ausgangsstrahlung dienen, um eine vergleichsweise breitbandige elektromagnetische Strahlung des Strahlereinheit in ihrer Bandbreite (weiter) zu begrenzen, sodass eine schmalbandigere elektromagnetische Strahlung auf das Messgas auftrifft. Die vergleichsweise breitbandige elektromagnetische Strahlung am Emitter kann eine Bandbreite zwischen 1 μm und 10 μm aufweisen, wobei die gefilterte schmalbandigere elektromagnetische Strahlung beispielsweise eine Bandbreite zwischen 0,2 μm und 0,5 μm aufweist. Um die Messgenauigkeit des Gassensors zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass das Puffergas frei von dem zu bestimmenden Messgas ist. Eine Filterfunktion kann auch durch eine geeignete Trennung zwischen Emitter und Messkammer erreicht werden. So wird beispielsweise die für die elektromagnetische Strahlung durchgängige Schicht 115 als Filterelement ausgebildet. Dies kann durch eine spezielle Behandlung einer Glasscheibe oder den Einsatz eines Fabry Perot Filters erreicht werden.
Liegt das Puffergas angrenzend an die MEMS-Membran 25 bzw. in der Referenzkammer vor, kann es ebenfalls die Funktion eines Schutzgases für die MEMS-Membran erfüllen. Alternativ oder ergänzend kann es auch als Referenz das zu bestimmende Messgas, d. h. beispielsweise das zu messende Gas bzw. die zu messende Gasmischung umfassen.
Das Ausführungsbeispiel zeigt das Strahlerelement 20 und das Sensorelement 10 in einer Projektionsebene angeordnet, die in Dickenrichtung zu dem Strahlerelement und dem Sensorelement verläuft, wobei der zweite Substratbereich des Sensorelements hermetisch abgeschlossen mit dem Strahlerelement verbunden ist. Wie bereits beschrieben, kann zwischen dem Strahlerelement und dem Sensorelement der Abstandshalter 160 eingefügt sein. Das Verbinden erfolgt vorteilhafterweise mittels anodischem Bonden oder einem anderen geeigneten Verfahren zum Verbinden von Substratbereichen. Zur elektrischen Kontaktierung des Strahlerelements und des Sensorelements können zwischen dem zweiten und dem dritten Substratbereich oder zwischen dem ersten und dem zweiten Substratbereich des Sensorelements und des Strahlerelements Anschlüsse der Sensoreinheit und der MEMS-Membran ausgeführt sein, die beispielsweise über Kontaktpads kontaktiert werden können.
4c zeigt eine schematische Darstellung des Gassensors 5, der basierend auf dem Sensorelement 10 und dem Strahlerelement 20 des in 2d gezeigten Ausführungsbeispiels aufgebaut ist. Wie bereits bezüglich 4b beschrieben, können das Sensorelement und das Strahlerelement an der Sägemarkierung 145 getrennt werden, so dass der zweite Substratbereich des Sensorelements mit dem zweite Substratbereich des Strahlerelements derart verbunden werden kann, dass ein in Dickenrichtung gestapelter Gassensor entsteht, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Substratbereiche umfasst. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein versiegeltes Mikrofon 25 auf, wohingegen die Messkammer in das Strahlerelement integriert ist und direkten Kontakt mit der Strahlereinheit 100 aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht die kleinste Ausführungsform des Gassensors 5 in x-, y- und z-Richtung.
5a zeigt eine schematische Darstellung des Gassensors 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel ohne Referenzkammer, das an die in 2a und 4a gezeigten Ausführungsbeispiel angelehnt ist. Abweichend von den genannten Ausführungsbeispielen ist die Ausführung des Strahlerelements 20, bei dem der erste Substratbereich 90 um 180° um eine lateral durch den Substratbereich verlaufende Achse gedreht ist. Die Strahlereinheit 100 kann oberflächlich auf dem Substratbereich 90 angeordnet sein, und von einem gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich rückseitig, beispielsweise durch Ätzen, freigelegt werden. Somit kann das Strahlerelement 20 rückseitig betrieben werden. Das gleiche Prinzip ist auch auf die MEMS-Membran 25 im ersten Substratbereich 40 des Sensorelements anwendbar, wird jedoch in den Figuren nicht explizit gezeigt.
Ferner zeigt 5a eine Kontaktierung des Gassensors 5 auf einer Leiterplatte 165 (PCB, Printed Circuit Board), die anhand der folgenden Figuren genauer beschrieben ist. Ebenso ist eine Kontaktierung gemäß der in 5b beschriebenen TSV 170' möglich, so wie auch die andere Ausführungsbeispiele, die bezüglich 5b–d beschrieben sind, auf 5a anwendbar sind.
5b zeigt eine schematische Darstellung des Gassensors 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das an die in 2b und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel angelehnt ist. Abweichend von den genannten Ausführungsbeispielen ist die Ausführung des Strahlerelements 20, bei dem der erste Substratbereich 90 um 180° um eine lateral durch den Substratbereich verlaufende Achse gedreht ist. Die Strahlereinheit 100 kann oberflächlich auf dem Substratbereich 90 angeordnet sein, und von einem gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich rückseitig, beispielsweise durch Ätzen, freigelegt werden. Somit kann das Strahlerelement 20 rückseitig betrieben werden. Das gleiche Prinzip ist auch auf die MEMS-Membran 25 im ersten Substratbereich 40 des Sensorelements anwendbar, wird jedoch in den Figuren nicht explizit gezeigt.
Ferner zeigt 5b eine Kontaktierung des Gassensors 5 auf einer Leiterplatte 165 (PCB, Printed Circuit Board). In 5b ist die Kontaktierung mittels Kontaktelementen 170, beispielsweise mittels Drähten gezeigt, die nach außen ausgeführte Kontakte des Gassensors 5 mit der Leiterbahn 165 kontaktieren. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die Substratebene 40 des Sensorelements einen größeren Durchmesser aufweist, als die darüber liegenden Substratbereiche, wie in 5b gezeigt. Somit können Kontaktstrukturen der MEMS-Membran 25 an einem Hauptoberflächenbereich des ersten Substratbereichs 40 frei liegen. Die Kontakte der Strahlereinheit 100 werden ebenfalls an einem Hauptoberflächenbereich ausgeführt und über ein Kontaktelement 170 mit der Leiterbahn 165 verbunden.
Alternativ können die Anschlüsse der MEMS-Membran 25 und der Strahlereinheit 100 beispielsweise mittels TSV 170' im Inneren der Substratbereiche auf die Leiterbahn 165 geführt werden und dort mit derselben kontaktiert werden.
Ebenso ist es möglich, jedoch nicht gezeigt, beispielsweise den Anschluss der Strahlereinheit 100 auf eine Substratebene der MEMS-Membran zu führen, und dort die Kontaktierung mit beiden Kontaktierungselementen 170 vorzunehmen.
5c zeigt ein Ausführungsbeispiel, das an die Ausführungsbeispiele der 2d und 4c angelehnt ist. Wie bereits in 5b beschrieben, wird die Strahlereinheit 100 rückseitig betrieben. Ferner ist die geätzte Kavität des Substratbereichs 90 als Messkammer 15 ausgebildet. 5c zeigt, wie bereits bezüglich 5b beschrieben, die Kontaktierung der Leiterplatte 165 mittels der Kontaktierungselemente 170.
5d zeigt anhand des Ausführungsbeispiels von 4c eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind Kontakte des Strahlerelements und des Sensorelements lateral an einem Hauptoberflächenbereich des Strahlerelements und der Sensoreinheit ausgeführt. Die lateral ausgeführten Kontakte sind die direkt mit der Leiterplatte 165, die parallel zu einer Dickenrichtung des Strahlerelements und des Sensorelements angeordnet ist kontaktiert.
6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zur Herstellung des Gassensors. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 602 mit Formen einer MEMS-Membran in einem ersten Substratbereich eines Sensorelements, einen Schritt 604 mit Stapeln des ersten Substratbereichs und einen zweiten Substratbereich zu einem Substratstapel um das das Sensorelement zu bilden und einen Schritt 606 mit Verbinden des Sensorelements mit einem Strahlerelement, so dass das Sensorelement und das Strahlerelement feststehend zueinander angeordnet sind, wobei das Strahlerelement ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen Strahlungsweg durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement eine Messkammer durchläuft, wobei die Messkammer ausgebildet ist, ein Messgas aufzunehmen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Gassensor (5) umfassend: ein Sensorelement (10), das eine MEMS-Membran (25) aufweist, wobei die MEMS-Membran (25) in einem ersten Substratbereich (40) angeordnet sind; eine Messkammer (15), die ausgebildet ist, ein Messgas (50) aufzunehmen; und ein Strahlerelement (20), das ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung (55) abzustrahlen, wobei die elektromagnetische Strahlung (55) einen Strahlungsweg (60) durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement (20) die Messkammer (15) aufweist; wobei das Strahlerelement (20) und das Sensorelement (10) feststehend zueinander angeordnet sind.
Gassensor (5) gemäß Anspruch 1, wobei das Sensorelement (10) eine Referenzkammer (30) mit einem darin befindlichen Referenzfluid (35) aufweist, wobei eine Kavität der Referenzkammer (30) in einem zweiten Substratbereich (45) angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Substratbereich (40, 45) hermetisch abgeschlossen und miteinander verbunden sind; und wobei die elektromagnetische Strahlung (55) von dem Strahlerelement (20) den Strahlungsweg (60) durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement (20) die Messkammer (15) und die Referenzkammer (30) aufweist, und wobei die Messkammer (15) durch eine für die elektromagnetische Strahlung (55) durchgängige Schicht (65) räumlich von der Referenzkammer (30) getrennt ist.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die MEMS-Membran (25) ausgebildet ist, eine in einer Referenzkammer (30) vorliegende Energie der elektromagnetischen Strahlung (55) in ein Ausgangssignal umzuwandeln.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die MEMS-Membran (25) ausgebildet ist, eine Auslenkung abhängig von der vorliegenden Energie der elektromagnetischen Strahlung (55) aufzuweisen.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlerelement (20) ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung (55) pulsierend mit einer Frequenz abzustrahlen, die größer als 0,1 Hz oder größer als 0,5 Hz oder größer als 1 Hz ist.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlerelement (20) einen ersten und einen zweiten Substratbereich (90, 95) umfasst, wobei der erste Substratbereich (90) des Strahlerelements eine Strahlereinheit (100) aufweist, die ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung (55) abzustrahlen, wobei der zweite Substratbereich (95) des Strahlerelements eine Kavität (105) aufweist, die ausgebildet ist, eine thermische Masse des Strahlerelements (20) zu minimieren.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein erster und ein zweiter Substratbereich (90, 95) des Strahlerelements (20) hermetisch abgeschlossen und miteinander verbunden sind.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Schattenmaske (130) in dem Strahlungsweg (60) angeordnet ist, wobei die Schattenmaske (130) ausgebildet ist, eine direkte elektromagnetische Strahlung des Strahlerelements (20) auf die MEMS-Membran (25) zu reduzieren.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die MEMS-Membran abseits eines direkten Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung liegt um eine direkte elektromagnetische Strahlung des Strahlerelements (20) auf die MEMS-Membran (25) zu reduzieren.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in einer Projektionsebene angeordnet sind, die lateral zu dem Strahlerelement (20) und dem Sensorelement (10) verläuft, wobei das Strahlerelement und das Sensorelement in einem Gehäuse (150) angeordnet sind, das ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung (55) in dem Strahlerelement (20) auf das Sensorelement (10) zu reflektieren.
Gassensor (5) gemäß Anspruch 9, wobei eine Kavität in dem Gehäuse (150) die Messkammer (15) ausbildet.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Substratbereich (40) des Sensorelements (10) und ein erster Substratbereich (90) des Strahlerelements (20) auf demselben Substrat ausgeführt sind und/oder wobei ein zweiter Substratbereich (45) und ein zweiter Substratbereich (95) des Strahlerelements (20) auf demselben Substrat ausgeführt sind.
Gassensor (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Strahlerelement (20) und das Sensorelement (10) in einer Projektionsebene angeordnet sind, die in Dickenrichtung zum Strahlerelement und dem Sensorelement verläuft, wobei der zweite Substratbereich (45) des Sensorelements (10) hermetisch abgeschlossen mit dem Strahlerelement (20) verbunden ist.
Gassensor (5) gemäß Anspruch 12, wobei eine Kavität (105) in dem Strahlerelement und/oder eine Kavität zwischen dem Strahlerelement (20) und dem Sensorelement (10) die Messkammer (15) ausbildet.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Kontakte des Strahlerelements und des Sensorelements mittels Substratdurchkontaktierung (TSV, Through Semiconductor Via) innerhalb des Strahlerelements und des Sensorelements auf eine gemeinsame Substratebene geführt und an einem von außen zugänglichen Hauptoberflächenbereich des Gassensors ausgeführt sind.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Kontakte des Strahlerelements und des Sensorelements lateral an einem Oberflächenbereich des Strahlerelements und des Sensorelements ausgeführt sind, wobei eine Leiterplatte (165) parallel zu einer Dickenrichtung des Strahlerelements und des Sensorelements angeordnet ist und die lateral ausgeführten Kontakte kontaktiert.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlerelement zur Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung (55) eine Strahlereinheit (100) aufweist, die ein Infrarotstrahler ist.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die MEMS-Membran (25) einen mikromechanischen kapazitiven Sensor formt.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die MEMS-Membran (25) als Mikrofon ausgebildet ist.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Strahlerelement als mikroelektromechanischer Emitter ausgebildet ist.
Gassensor (5) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gassensor einen Stapel aus einer Mehrzahl von Schichten sich unterscheidender Wafer gemäß einem Multiwafer Konzept umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensors mit: Formen einer MEMS-Membran in einem ersten Substratbereich eines Sensorelements; Stapeln des ersten Substratbereichs und einen zweiten Substratbereich zu einem Substratstapel um das Sensorelement zu bilden; Verbinden des Sensorelements mit einem Strahlerelement, so dass das Sensorelement und das Strahlerelement feststehend zueinander angeordnet sind, wobei das Strahlerelement ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen Strahlungsweg durchläuft, der ausgehend von dem Strahlerelement eine Messkammer durchläuft, wobei die Messkammer ausgebildet ist, ein Messgas aufzunehmen.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Verbinden des Sensorelements mit dem Strahlerelement derart erfolgt, dass ein für den Eintritt der elektromagnetischen Strahlung ausgebildeter Hauptoberflächenbereich des Sensorelements an einen Hauptoberflächenbereich des Strahlerelements, an dem die elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird, angrenzt und der Gassensor einen Substratstapel umfassend das Sensorelement sowie den ersten und den zweiten Substratbereich des Strahlerelements aufweist.