DE102019134267A1

DE102019134267A1 - Photoakustische Detektoreinheit, photoakustischer Sensor und zugehörige Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102019134267A1
Application number: DE102019134267.8A
Authority: DE
Inventors: Rainer Markus Schaller; Stefan Kolb; Matthias Eberl; Franz Jost; Simon Gassner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-06-17
Also published as: US20230296567A1; US11733213B2; CN112986149A; US20210181158A1

Abstract

Eine photoakustische Detektoreinheit umfasst ein Gehäuse mit einer Öffnung sowie einen photoakustischen Wandler, der dazu ausgelegt ist, optische Strahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln. Der photoakustische Wandler deckt die Öffnung des Gehäuses ab, so dass der photoakustische Wandler und das Gehäuse einen akustisch dichten Hohlraum ausbilden. In dem akustisch dichten Hohlraum ist ein Druckaufnehmer angeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft photoakustische Detektoreinheiten, photoakustische Sensoren und zugehörige Herstellungsverfahren.
Hintergrund
Photoakustische Sensoren können beispielsweise bestimmte Gasspezies in der Umgebungsluft detektieren. Insbesondere können dabei schädliche oder gefährliche Komponenten in der Umgebungsluft nachgewiesen werden. Die richtige Funktionsweise solcher Sensoren kann somit bei vielen Anwendungen von höchster Bedeutung sein, insbesondere wenn die Sensoren die Sicherheit von Arbeitspersonal garantieren sollen. Photoakustische Sensoren können aus mehreren Komponenten aufgebaut sein und bestehen in der Regel aus einer Emittereinheit und einer Detektoreinheit. Hersteller photoakustischer Sensoren bzw. derer Komponenten sind ständig bestrebt, ihre Produkte zu verbessern. Insbesondere kann es dabei wünschenswert sein, photoakustische Detektoreinheiten bereitzustellen, die dazu ausgelegt sind, unterschiedliche Gasspezies in der Umgebungsluft effektiv zu detektieren. Ferner kann es wünschenswert sein, kostengünstige Verfahren zur Herstellung solcher photoakustischer Detektoreinheiten bereitzustellen.
Kurzdarstellung
Ein erster Aspekt betrifft eine photoakustische Detektoreinheit. Die photoakustische Detektoreinheit umfasst ein Gehäuse mit einer Öffnung. Die photoakustische Detektoreinheit umfasst ferner einen photoakustischen Wandler, der dazu ausgelegt ist, optische Strahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln, wobei der photoakustische Wandler die Öffnung des Gehäuses abdeckt, so dass der photoakustische Wandler und das Gehäuse einen akustisch dichten Hohlraum ausbilden. Die photoakustische Detektoreinheit umfasst ferner einen in dem akustisch dichten Hohlraum angeordneten Druckaufnehmer.
Ein zweiter Aspekt betrifft einen photoakustischen Sensor. Der photoakustische Sensor umfasst einen optischen Emitter und eine photoakustische Detektoreinheit gemäß dem ersten Aspekt.
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst ein Bonden eines ersten Wafers aus einem ersten Material an einen zweiten Wafer aus einem zweiten Material in einer Referenzgasatmosphäre, wobei mehrere hermetisch verschlossene Hohlräume ausgebildet werden, welche das Referenzgas der Referenzgasatmosphäre einschließen. Das Verfahren umfasst ferner ein Vereinzeln der gebondeten Wafer in mehrere photoakustische Wandler für eine photoakustische Detektoreinheit, wobei jeder der photoakustischen Wandler einen der hermetisch verschlossenen Hohlräume umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Photoakustische Detektoreinheiten, photoakustische Sensoren und zugehörige Herstellungsverfahren gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines photoakustischen Sensors 100 gemäß der Offenbarung.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines photoakustischen Sensors 200 gemäß der Offenbarung.
3 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 300 gemäß der Offenbarung.
4 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 400 gemäß der Offenbarung.
5 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 500 gemäß der Offenbarung.
6 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 600 gemäß der Offenbarung.
7 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 700 gemäß der Offenbarung.
8 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 800 gemäß der Offenbarung.
9 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photoakustischen Detektoreinheit 900 gemäß der Offenbarung.
10 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht eines photoakustischen Sensors 1000 gemäß der Offenbarung.
11 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung.
12 enthält die 12A bis 12E, welche schematisch eine Querschnittsseitenansicht eines Verfahrens zur Herstellung eines photoakustischen Wandlers 1200 für eine photoakustische Detektoreinheit gemäß der Offenbarung darstellen.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgend beschriebenen Figuren zeigen photoakustische Detektoreinheiten, photoakustische Sensoren und zugehörige Herstellungsverfahren gemäß der Offenbarung. Dabei können die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren in einer allgemeinen Weise dargestellt sein, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben. Die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können weitere Aspekte aufweisen, die in der jeweiligen Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt sein können. Das jeweilige Beispiel kann allerdings um Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit anderen Beispielen gemäß der Offenbarung beschrieben sind. Somit können Ausführungen zu einer bestimmten Figur gleichermaßen für Beispiele anderer Figuren gelten.
Der photoakustische Sensor bzw. photoakustische Gassensor 100 der 1 kann eine photoakustische Emittereinheit 2 und eine photoakustische Detektoreinheit 4 aufweisen. Die photoakustische Detektoreinheit 4 kann einen photoakustischen Wandler 6 und ein Gehäuse 8 aufweisen. Bei dem photoakustischen Wandler 6 kann es sich um eine Zelle mit einem hermetisch verschlossenen Hohlraum 10 handeln, in dem ein Referenzgas 12 eingeschlossen sein kann. Der photoakustische Wandler 6 kann auf einer ersten Seite ein optisch transparentes Fenster 18 und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine Membran 20 aufweisen. Der photoakustische Wandler 6 kann eine Öffnung des Gehäuses 8 abdecken, so dass der photoakustische Wandler 6 und das Gehäuse 8 einen akustisch dichten Hohlraum 14 ausbilden können. In dem akustisch dichten Hohlraum 14 kann ein Druckaufnehmer 16 angeordnet sein.
In dem akustisch dichten Hohlraum 14 kann ferner optional ein Schutzgas (nicht dargestellt) eingeschlossen sein. Bei den in dieser Beschreibung spezifizierten Schutzgasen kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder ein Edelgas, wie z.B. Argon, Xenon, Krypton, handeln. Des Weiteren können in dem akustisch dichten Hohlraum 14 je nach Anwendung ein oder mehrere alternative oder zusätzliche Komponenten angeordnet sein, beispielsweise eines oder mehreres von einem Druckaufnehmer-ASIC, einem Photodetektor, einer Photodiode, einem Temperatursensor, einem optischen Emitter.
Bei der photoakustischen Emittereinheit 2 kann es sich um einen Breitbandemitter handeln, der dazu ausgelegt sein kann, optische Strahlung über einen breiten Frequenzbereich zu emittieren. Mit anderen Worten kann die von dem Breitbandemitter emittierte Strahlung nicht nur vorbestimmte Frequenzen bzw. vorbestimmte Frequenzbänder umfassen. Der in dieser Beschreibung verwendete Begriff „optische Strahlung“ kann sich im Allgemeinen auf einen Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums mit Wellenlängen zwischen etwa 100nm und etwa 100µm beziehen. Das heißt, die optische Strahlung kann insbesondere zumindest eines von folgendem umfassen: Ultraviolett(UV)-Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 100nm bis etwa 380nm, Infrarot(IR)-Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 780nm bis etwa 100µm, oder Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 780nm bis etwa 5µm, d.h. Nahinfrarot-Strahlung und Teile der mittleren Infrarot-Strahlung. Der letztgenannte Bereich kann unter anderem die Absorptions-Linien/Banden von Kohlendioxid bei 4,26µm sowie weiterer Gasspezies umfassen. Noch spezifischer kann die optische Strahlung eine Wellenlänge von etwa 300nm bis etwa 20µm aufweisen.
Die photoakustische Emittereinheit 2 kann dazu ausgelegt sein, optischen Pulse mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenz und einer oder mehrerer vorbestimmter Wellenlängen zu emittieren. Dabei kann eine vorbestimmte Wellenlänge ein Absorptionsband eines zu detektierenden Gases bzw. des Referenzgases 12 umfassen. Die Wiederholungsfrequenz der optischen Pulse kann innerhalb eines Niederfrequenzbereichs oder innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 1Hz bis etwa 10kHz, insbesondere von etwa 1Hz bis etwa 1kHz, liegen. Noch spezifischer kann ein typischer Frequenzbereich zwischen etwa 1Hz und etwa 100Hz liegen, entsprechend einem Pulsdauerbereich von etwa 0,01s bis etwa 1s.
Im Folgenden ist eine Funktionsweise des photoakustischen Sensors 100 beschrieben. Die von der Emittereinheit 2 emittierten optischen Pulse können einen zwischen der Emittereinheit 2 und der Detektoreinheit 4 liegenden Zwischenraum 22 passieren. Beispielsweise kann der Zwischenraum 22 mit Umgebungsluft gefüllt sein. Bei der Ausbreitung durch den Zwischenraum 22 können die optischen Pulse zumindest teilweise von Anteilen eines zu detektierenden Gases absorbiert werden, falls ein solches in dem Zwischenraum 22 (d.h. in der Umgebungsluft) vorhanden ist. Die Absorption kann spezifisch für das zu detektierende Gas sein, z.B. charakteristische Rotations- oder Schwingungsmodi von Atomen oder Molekülen des zu detektierenden Gases.
Die optischen Pulse können das Material des optisch transparenten Fensters 18 passieren und in dem hermetisch verschlossenen Hohlraum 10 auf Atome oder Moleküle des Referenzgases 12 treffen. Das Referenzgas 12 kann dem zu detektierenden Gas entsprechen. Bei den in dieser Beschreibung genannten Referenzgasen kann es sich beispielsweise um Kohlendioxid, Stickoxid, Methan, Ammoniak handeln. Die optischen Pulse können zumindest teilweise von dem Referenzgas 12 absorbiert werden und lokale Druckanstiege in dem Referenzgas 12 hervorrufen. Die Druckanstiege können an die Membran 20 und durch diese in den akustisch dichten Hohlraum 14 weitergegeben werden. Mit anderen Worten kann der photoakustische Wandler 6 dazu ausgelegt sein, optische Strahlung in Form von z.B. optischen Pulsen in Drucksignale umzuwandeln. Der photoakustische Wandler 6 ist akustisch an den akustisch dichten Hohlraum 14 gekoppelt.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Drucksignalen kann der photoakustische Wandler 6 die optische Strahlung in Wärmesignale umwandeln. In diesem Zusammenhang kann der photoakustische Wandler 6 auch als photothermischer Wandler bezeichnet werden. Dabei kann die Membran 20 durch Absorption der optischen Pulse erwärmt werden, insbesondere mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenz der optischen Pulse. Durch die periodische Erwärmung und Abkühlung der Membran 20 können in dem nachgeschalteten akustisch dichten Hohlraum 14 Druckänderungen erzeugt werden, welche von dem Druckaufnehmer 16 erfasst werden können.
Allgemein können die hierin beschriebenen photoakustischen Wandler gemäß der Offenbarung demnach optische Strahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umwandeln. Die Art des erzeugten Signals kann dabei von der jeweiligen Ausgestaltung des photoakustischen Wandlers abhängen. Eine Umwandlung in ein Drucksignal kann insbesondere über eine (insbesondere periodische) Auslenkung bzw. mechanische Verbiegung der Membran bereitgestellt werden, während eine Umwandlung in ein Wärmesignal insbesondere durch eine (insbesondere periodische) Erwärmung und Abkühlung der Membran bereitgestellt werden kann. Je nach Ausgestaltung des jeweiligen photoakustischen Wandlers kann eine Umwandlung in ein Drucksignal und/oder ein Wärmesignal stattfinden. Erzeugte Drucksignale und Wärmesignale können beide durch einen nachgeschalteten akustisch dichten Hohlraum mit Druckaufnehmer erfasst werden. Darüber hinaus können die Drucksignale auch in der Membran selbst erfasst werden, zum Beispiel durch ein oder mehrere in die Membran integrierte Piezo-Elemente (vgl. hierzu auch 8).
Der beispielsweise für den Hohlraum 14 verwendete Ausdruck „akustisch dicht“ muss in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise bedeuten, dass der Hohlraum 14 hermetisch oder vollständig verschlossen ist. Vielmehr können die den Hohlraum 14 ausbildenden Wände dazu ausgelegt sein, beim Betrieb des photoakustischen Sensors 100 ein solchen Druckausgleich mit der Umgebung bereitzustellen, dass der Druckaufnehmer 16 sachgemäß betrieben werden kann. Dabei kann es beispielsweise nicht ausgeschlossen sein, dass die Wände des Hohlraums 14 ein oder mehrere kleine Öffnungen aufweisen, die den für einen sachgemäßen Betrieb notwendigen Druckausgleich nicht oder nur vernachlässigbar beeinflussen. Der Begriff „akustisch dicht“ kann wahlweise durch den Begriff „semihermetisch“ ersetzt werden.
Die von der Membran 20 weitergegebenen Drucksignale und/oder Wärmesignale können von dem Druckaufnehmer 16 in dem akustisch dichten Hohlraum 14 erfasst werden. Bei den in dieser Beschreibung spezifizierten Druckaufnehmern kann es sich beispielsweise um Mikrophone oder eine beliebige andere Art von Drucksensoren bzw. drucksensitiven Sensoren handeln. Die von dem Druckaufnehmer 16 erfassten Signale können von einem oder mehreren Schaltkreisen (nicht dargestellt) logisch verarbeitet werden. Beispielsweise kann eine solche Signalverarbeitung von einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) durchgeführt werden.
Liegen in dem Zwischenraum 22 bzw. in der Umgebungsluft keine Anteile eines zu detektierenden Gases vor, werden die von der Emittereinheit 2 emittierten optischen Pulse lediglich von dem Referenzgas 12 absorbiert und der Druckaufnehmer 16 wird ein periodisches Messsignal mit der Wiederholungsfrequenz der optischen Pulse und einer ersten Amplitude erfassen. Sind im Gegensatz hierzu Anteile eines zu detektierenden Gases in dem Zwischenraum 22 vorhanden, kann die optische Strahlung zusätzlich von diesen Anteilen absorbiert werden. Der Druckaufnehmer 16 wird dann ein periodisches Messsignal mit einer zweiten Amplitude ausgeben, die kleiner als die erste Amplitude sein kann. Basierend auf den Größen und Verläufen der ersten und zweiten Amplitude kann ein Vorhandensein und/oder eine Konzentration des zu detektierenden Gases in der Umgebungsluft ermittelt werden. Übersteigt die Konzentration des zu detektierenden Gases einen vorbestimmten Schwellenwert, kann von dem photoakustischen Sensor 100 oder einer damit verbundenen Vorrichtung beispielsweise ein Signal, insbesondere ein Warnsignal, ausgegeben werden.
Unter Verwendung eines Breitbandemitters 2 und eines photoakustischen Wandlers 6, der in seinem Hohlraum 10 die Spezies eines zu detektierendes Gas enthält, kann mit dem photoakustischen Sensor 100 der 1 jede Gasspezies detektiert werden, deren Absorptionsbanden im Spektrum eines Schwarzkörperstrahlers liegen.
In herkömmlichen photoakustischen Sensoren können der Druckaufnehmer und das Referenzgas in einem gemeinsamen hermetisch verschlossenen Hohlraum angeordnet sein. Ein Verschließen des Hohlraums und gleichzeitiges Füllen des Hohlraums mit dem Referenzgas kann prozesstechnisch anspruchsvoll sein. Im Gegensatz hierzu kann das Referenzgas 12 gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Zelle des photoakustischen Wandlers 6 angeordnet sein. Dadurch können bei der Herstellung des photoakustischen Sensors 100 die genannten Prozessschritte von einer Montage des Druckaufnehmers 16 in dem Hohlraum 14 entkoppelt sein.
Bei den herkömmlichen photoakustischen Sensoren kann die photoakustische Wandlung insbesondere in dem gemeinsamen Hohlraum bereitgestellt werden, in welchem das Referenzgas und der Druckaufnehmer angeordnet sind. Im Gegensatz hierzu kann bei dem photoakustischen Sensor 100 gemäß der Offenbarung die photoakustische Wandlung in einem separaten hermetisch verschlossenen Hohlraum 10 bereitgestellt werden, welcher dem akustisch dichten Hohlraum 14 mit dem darin angeordneten Druckaufnehmer 16 vorgeschaltet ist. Gemäß der Offenbarung können die Hohlräume 10 bzw. 14 mit Referenzgas 12 bzw. Druckaufnehmer 16 voneinander entkoppelt sein.
Bei dem beschriebenen Aufbau des photoakustischen Sensors 100 kann der Druckaufnehmer 16 eine extrem hohe Empfindlichkeit aufweisen, wodurch eine extrem hohe Empfindlichkeit des photoakustischen Sensors 100 bereitgestellt werden kann. Dadurch kann ein reduzierter Energieverbrauch beim Betrieb des photoakustischen Sensors 100 erreicht werden.
Aus dem weiter unten beschriebenen Verfahren der 12 ist ersichtlich, dass der photoakustische Sensor 100 bzw. der photoakustische Wandler 6 basierend auf kostengünstigen Verfahrensschritten auf Wafer-Ebene hergestellt werden kann.
Der photoakustische Sensor bzw. photoakustische Gassensor 200 der 2 kann eine photoakustische Emittereinheit 2 und eine photoakustische Detektoreinheit 4 aufweisen. Die Einheiten 2 und 4 können durch einen oder mehrere Abstandshalter 24 voneinander beabstandet sein, wodurch ein zwischen den Einheiten 2 und 4 angeordneter Zwischenraum 22 ausgebildet werden kann. Zwischen der photoakustischen Emittereinheit 2 und der photoakustischen Detektoreinheit 4 kann ein optisches Filter 40 angeordnet sein. Die photoakustische Emittereinheit 2 kann ein Gehäuse 26 mit einem (insbesondere hermetisch verschlossenen) Hohlraum 28 aufweisen, in welchem ein Emitter 30 und ein Schutzgas 32A angeordnet sein können. Die photoakustische Detektoreinheit 4 kann ein Gehäuse 34 mit einem (insbesondere akustisch dichten) Hohlraum 36 aufweisen. In dem akustisch dichten Hohlraum 36 können ein photoakustischer Wandler 6 in Form einer Membran 70, ein Druckaufnehmer 16 und ein Druckaufnehmer-ASIC 38 angeordnet sein. Die Komponenten des photoakustischen Sensors 200 können entsprechenden Komponenten des photoakustischen Sensors 100 der 1 ähnlich sein, so dass Ausführungen zur 1 auch für die 2 gelten können.
Im Folgenden ist eine Funktionsweise des photoakustischen Sensors 200 beschrieben. Der Emitter 30 kann optische Strahlung emittieren, insbesondere in Form optischer Pulse. Dabei kann es sich bei dem Emitter 30 beispielsweise um einen Breitbandemitter handeln, der optische Strahlung über einen breiten Frequenzbereich emittiert. Die von dem Emitter 30 emittierte (Breitband)-Strahlung kann zunächst das Schutzgas 32A und das Gehäuse 26 passieren. Das Gehäuse 26 kann dabei aus einem für die optische Strahlung transparenten Material gefertigt sein, beispielsweise aus IR-transparentem Silizium. Die emittierte Strahlung kann durch das optische Filter 40 gefiltert werden und den Zwischenraum 22 durchlaufen. Das optische Filter 40 kann dabei insbesondere ein optisches Bandfilter sein bzw. ein solches umfassen. Das optische Bandfilter 40 kann durchlässig für optische Strahlung mit einer Wellenlänge sein, die ein Absorptionsband eines zu detektierenden Gases umfassen kann. Beim Passieren des Zwischenraums 22 bzw. der Umgebungsluft kann die gefilterte optische Strahlung auf Anteile eines zu detektierenden Gases treffen, falls solche in der Umgebungsluft enthalten sind.
Die optische Strahlung kann den oberen Teil des Gehäuses 34 passieren und in den Hohlraum 36 eintreten. Zumindest der obere Teil des Gehäuses 34 kann dabei aus einem für die optische Strahlung transparenten Material gefertigt sein, zum Beispiel aus IR-transparentem Silizium. Im Hohlraum 36 kann die optische Strahlung auf die Membran 70 treffen, welche insbesondere eine geringe thermische Masse aufweisen kann. Die Membran 70 kann die optische Strahlung absorbieren und dadurch Druckänderungen in dem unter der Membran 70 liegenden Hohlraum 36 erzeugen. Die Druckänderungen können von dem Druckaufnehmer 16 erfasst werden. Die von dem Druckaufnehmer 16 erfassten Signale können von dem Druckaufnehmer-ASIC 38 logisch verarbeitet werden.
Wie bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben, können die von dem Druckaufnehmer 16 erfassten Signale davon abhängen, ob Anteile des zu detektierenden Gases in dem Zwischenraum 22 bzw. der Umgebungsluft vorhanden sind oder nicht. Basierend auf den erfassten Signalen kann ein Vorhandensein und/oder eine Konzentration des zu detektierenden Gases in der Umgebungsluft ermittelt werden.
Der photoakustische Sensor 200 kann ohne die Verwendung eines Referenzgases betrieben werden. Bei Verwendung eines Breitbandemitters 30 und eines geeigneten optischen Filters 40 kann mit dem photoakustischen Sensor 200 jede Gasspezies im Spektrum eines Schwarzkörperstrahlers detektiert werden. Die Gasselektivität muss hierbei nicht notwendigerweise durch die Wahl eines Referenzgases bereitgestellt werden, sondern kann durch die optische Filtereigenschaft der photoakustischen Emittereinheit 2 bzw. des optischen Filters 40 bereitgestellt werden.
Bei dem beschriebenen Aufbau des photoakustischen Sensors 200 kann der Druckaufnehmer 16 eine extrem hohe Empfindlichkeit aufweisen, wodurch eine extrem hohe Empfindlichkeit des photoakustischen Sensors 200 bereitgestellt werden kann. Dadurch kann ein reduzierter Energieverbrauch beim Betrieb des photoakustischen Sensors 200 erreicht werden.
Der photoakustische Sensor 200 kann auf Basis kostengünstiger Verfahrensschritte auf Wafer-Ebene hergestellt werden.
Die photoakustische Detektoreinheit 300 der 3 kann beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 100 der 1 verwendet werden und ähnliche Komponenten aufweisen. Hinsichtlich eines Betriebs der photoakustischen Detektoreinheit 300 wird auf entsprechende Ausführungen zur 1 verwiesen.
Die photoakustische Detektoreinheit 300 kann einen photoakustischen Wandler 6 aufweisen, der ein optisch transparentes Fenster 18 und eine Membran 20 aufweisen kann. Das optisch transparente Fenster 18 und die Membran 20 können einen hermetisch verschlossenen Hohlraum 10 ausbilden, der ein Referenzgas 12 einschließen kann. In einem Beispiel kann das optisch transparente Fenster 18 aus IR-transparentem Silizium gefertigt sein. Die Membran 20 kann aus einem Glasmaterial gefertigt sein, beispielsweise aus einem Borosilikat. Die Membran 20 kann dazu ausgelegt sein, optische Strahlung wie z.B. IR-Strahlung zu absorbieren. Durch die Absorption kann die Membran 20 erwärmt werden und ein Wärmesignal erzeugen. Mit anderen Worten kann die optische Strahlung durch die Membran 20 in ein Wärmesignal umgewandelt werden. Aufgrund der periodischen Erwärmung und Abkühlung der Membran 20 können in einem unter der Membran 20 angeordneten akustisch dichten Hohlraum 14 Druckänderungen erzeugt werden. Die Druckänderungen können von einem Druckaufnehmer 16 erfasst werden.
Das optisch transparente Fenster 18 und die Membran 20 können über eine anodische Bondverbindung 42 aneinander befestigt sein. Aus dem weiter unten beschriebenen Verfahren der 12 ist ersichtlich, dass ein anodisches Bonden des optisch transparenten Fensters 18 und der Membran 20 auf Wafer-Ebene durchgeführt werden kann. Auf der Oberseite des Fensters 18 kann eine Antireflexbeschichtung 44 angeordnet sein, die dazu ausgelegt sein kann, eine Reflexion optischer Strahlung zu unterdrücken, die von einer photoakustischen Emittereinheit (nicht dargestellt) bereitgestellt werden kann. Durch die Antireflexbeschichtung 44 kann die Transmission des optisch transparenten Fensters 18 erhöht werden.
Die photoakustische Detektoreinheit 300 kann ferner ein Gehäuse 8 aufweisen, welches die Form einer Schale oder einer Wanne ausbilden kann. In einem Beispiel kann das Gehäuse 8 aus einer Moldverbindung gefertigt sein. Die Moldverbindung kann mindestens eines von einem Epoxid, einem gefüllten Epoxid, einem glasfasergefüllten Epoxid, einem Imid, einem Thermoplast, einem duroplastischen Polymer, einer Polymermischung beinhalten. Der photoakustische Wandler 6 kann eine Öffnung auf der Oberseite des Gehäuses 8 abdecken, wobei das Gehäuse 8 und der photoakustische Wandler 6 den akustisch dichten Hohlraum 14 ausbilden können. In der 3 können der photoakustische Wandler 6 und das Gehäuse 8 beispielhaft durch einen Kleber 46 miteinander verbunden sein. In dem akustisch dichten Hohlraum 14 kann optional ein Schutzgas (nicht dargestellt) eingeschlossen sein.
Auf der Bodenfläche des Gehäuses 8 kann der Druckaufnehmer 16 angeordnet sein. Bei dem Druckaufnehmer kann es sich beispielsweise um einen Mikrophon-Chip handeln, der ein oder mehrere MEMS-Strukturen bzw. bewegliche Strukturen aufweisen kann. Ferner kann der Mikrophon-Chip 16 einen ASIC zur logischen Verarbeitung der durch die MEMS-Strukturen erfassten Signale beinhalten. Der Mikrophon-Chip 16 kann über einen oder mehrere elektrische Verbindungselemente 48 mit einem oder mehreren Anschlussleitern 50 elektrisch verbunden sein. Im Beispiel der 3 ist das elektrische Verbindungselement 48 beispielhaft als Bonddraht dargestellt. Die Anschlussleiter 50 können durch das Gehäuse 8 verlaufen und eine elektrische Verbindung zwischen dem Mikrophon-Chip 16 und weiteren außerhalb des Gehäuses 8 angeordneten Komponenten (nicht dargestellt) bereitstellen.
Die photoakustische Detektoreinheit 400 der 4 kann beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 100 der 1 verwendet werden. Ferner kann die photoakustische Detektoreinheit 400 der photoakustischen Detektoreinheit 300 der 3 zumindest teilweise ähnlich sein und gleiche Komponenten aufweisen.
Im Gegensatz zur 3 kann der Druckaufnehmer 16 in der 4 auf eine andere Weise ausgeführt bzw. angeordnet sein. Dabei können der Druckaufnehmer 16 bzw. sein MEMS-Strukturen insbesondere so angeordnet sein, dass sie außerhalb eines Verlaufs der optischen Strahlung liegen, die durch eine photoakustische Emittereinheit (nicht dargestellt) bereitgestellt wird. Durch auf die MEMS-Strukturen des Druckaufnehmers 16 treffende optische Strahlung können durch den Druckaufnehmer 16 erfasste Signale verfälscht werden. Aufgrund der in der 4 gezeigten Anordnung des Druckaufnehmers 16 außerhalb des optischen Pfades kann eine solche Verfälschung vermieden oder zumindest reduziert werden.
Die photoakustische Detektoreinheit 400 kann eine Druckaufnehmer-Vorrichtung 52 aufweisen. Die Druckaufnehmer-Vorrichtung 52 kann eine Platine bzw. ein Substrat 54 mit einem auf der Unterseite der Platine 54 angeordneten Druckaufnehmer 16 und Druckaufnehmer-ASIC 38 aufweisen. Der Druckaufnehmer 16 und der Druckaufnehmer-ASIC 38 können beispielsweise über einen oder mehrere Bonddrähte 56 elektrisch miteinander verbunden sein. Ferner können der Druckaufnehmer 16 und der Druckaufnehmer-ASIC 38 über einen oder mehrere Bonddrähte 58, über eine Verdrahtungsschicht 60 innerhalb der Platine 54 und über die elektrischen Anschlusselemente 48 mit den Anschlussleitern 50 elektrisch gekoppelt sein. Die Druckaufnehmer-Vorrichtung 52 kann einen über dem Druckaufnehmer 16 und über dem Druckaufnehmer-ASIC 38 angeordneten Deckel 62 mit einer Öffnung 64 aufweisen.
Die photoakustische Detektoreinheit 500 der 5 kann beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 100 der 1 verwendet werden. Ferner kann die photoakustische Detektoreinheit 500 der photoakustischen Detektoreinheit 300 der 3 zumindest teilweise ähnlich sein und gleiche Komponenten aufweisen.
Im Gegensatz zur 3 kann die photoakustische Detektoreinheit 500 ein oder mehrere Metallschichten und/oder Metalllegierungsschichten 66 aufweisen, die auf der Membran 20 angeordnet sein können. Im Beispiel der 5 kann jeweils auf der Oberseite und auf der Unterseite der Membran 20 eine Metallschicht 66 angeordnet sein. In weiteren Beispielen kann eine Metallschicht nur auf der Oberseite oder nur auf der Unterseite der Membran 20 angeordnet sein. Im Beispiel der 5 ist auf der Ober- und Unterseite jeweils nur eine Metallschicht 66 angeordnet. In weiteren Beispielen kann auf der jeweiligen Seite der Membran 20 ein Schichtstapel mit mehreren übereinander gestapelten Metallschichten angeordnet sein. Im Beispiel der 5 kann die jeweilige Metallschicht 66 im Wesentlichen die gesamte freiliegende Oberfläche der Membran 20 bedecken. In weiteren Beispielen kann die jeweilige Metallschicht 66 nur ausgewählte Teile der Membranoberflächen bedecken. Eine auf der Membran 20 angeordnete Metallschicht 66 kann im Vergleich zur Membran 20 eine geringere Wärmekapazität aufweisen.
Die photoakustische Detektoreinheit 600 der 6 kann beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 200 der 2 verwendet werden und ähnliche Komponenten aufweisen. Hinsichtlich eines Betriebs der photoakustischen Detektoreinheit 200 wird auf entsprechende Ausführungen zur 2 verwiesen.
Die photoakustische Detektoreinheit 600 kann ein Gehäuse 34 mit einem darin angeordneten Druckaufnehmer 16 aufweisen. Ein photoakustischer Wandler 6 in Form einer Membran 70 kann eine obere Öffnung des Gehäuses 34 bedecken und mit diesem einen akustisch dichten Hohlraum 36 ausbilden. Die Membran 70 kann einen elastischen Innenbereich 72 und einen dickeren Randbereich 74 aufweisen. Der Randbereich 74 kann die Form eines Rahmens aufweisen. Der Innenbereich 72 kann an dem Randbereich 74 aufgehängt bzw. befestigt sein und dazu ausgelegt sein, in der y-Richtung zu schwingen. In der y-Richtung betrachtet kann der Innenbereich 72 beispielsweise eine kreisförmige Form aufweisen. Im Beispiel der 6 kann die Membran 70 aus einem Glasmaterial gefertigt sein, beispielsweise aus einem Borosilikat. Der Innenbereich 72 der Membran 70 kann an seinen äußeren Bereichen ein oder mehrere Belüftungslöcher 68 aufweisen, die sich aus einer strukturierten Aufhängung des Innenbereichs 72 an dem Randbereich 74 der Membran 70 ergeben können. Im Beispiel der 6 kann eine Metallschicht 66 auf der Unterseite der Membran 70 angeordnet sein. In einem weiteren Beispiel kann eine weitere Metallschicht (nicht dargestellt) auf der Oberseite der Membran 70 angeordnet sein.
Die photoakustische Detektoreinheit 700 der 7 kann beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 200 der 2 verwendet werden. Ferner kann die photoakustische Detektoreinheit 700 beispielsweise der photoakustischen Detektoreinheit 600 der 6 zumindest teilweise ähnlich sein und gleiche Komponenten aufweisen.
Die photoakustische Detektoreinheit 700 kann einen photoakustischen Wandler 6 in Form einer Membran 70 aufweisen. Im Gegensatz zur 6 kann die Membran 70 aus einem dotierten Halbleitermaterial gefertigt sein. Aufgrund der Dotierung des Halbleitermaterials kann die Membran 70 dazu ausgelegt sein, optische Strahlung zu absorbieren und in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln. In einem Beispiel kann die Membran 70 aus Silizium gefertigt sein und mit mindestens einem von Bor, Phosphor, Aluminium, Indium, Arsen, Antimon dotiert sein.
In einem weiteren Gegensatz zur 6 kann die photoakustische Detektoreinheit 6 ferner einen optisch transparenten Deckel 76 aufweisen, welcher mit der Membran 70 verbunden sein kann und mit dieser einen (insbesondere hermetisch verschlossenen) Hohlraum 10 ausbilden kann. Der Deckel 76 kann beispielsweise aus Silizium gefertigt sein. Sind der Deckel 76 und die Membran 70 aus Silizium gefertigt, können sie beispielsweise über eine eutektische Silizium-Silizium-Bondverbindung aneinander befestigt sein. Wie aus dem Verfahren der 12 ersichtlich, kann ein eutektisches Bonden unter Verwendung einer Zwischenschicht auf Wafer-Ebene durchgeführt werden. Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus Gold gefertigt sein.
In noch einem weiteren Gegensatz zur 6 kann die photoakustische Detektoreinheit 6 optional eine optische Filterschicht 78 aufweisen, die beispielsweise auf der Oberseite des Deckels 76 angeordnet sein kann. Die optische Filterschicht 78 kann für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs durchlässig sein. Der Wellenlängenbereich kann insbesondere ein Absorptionsband eines zu detektierenden Gases umfassen.
In dem hermetisch verschlossenen Hohlraum 10 kann optional ein Referenzgas eingeschlossen sein. In diesem Fall kann die photoakustische Detektoreinheit 700 der 7 beispielsweise in dem photoakustischen Sensor 100 der 1 verwendet werden.
Die photoakustische Detektoreinheit 800 der 8 kann der photoakustischen Detektoreinheit 700 der 7 zumindest teilweise ähnlich sein und gleiche Komponenten aufweisen, so dass Ausführungen zur 7 auch für die photoakustische Detektoreinheit 800 gelten können.
Im Gegensatz zur 7 kann die photoakustische Detektoreinheit 800 zusätzlich ein oder mehrere in die Membran 70 integrierte Piezo-Elemente 80 aufweisen. Die Piezo-Elemente 80 können dabei beispielsweise beim Randbereich der Membran 70 bzw. bei einer Aufhängung des inneren Bereichs der Membran 70 angeordnet sein. Die Piezo-Elemente 80 können dazu ausgelegt sein, ein elektrisches Signal bereitzustellen, welches als Referenzsignal für ein von dem Druckaufnehmer 16 bereitgestelltes Messsignal ausgelegt ist. Beispielsweise können basierend auf einem Vergleich des Messsignals mit dem Referenzsignal ungewünschte akustische Einflüsse herausgemittelt werden, welche beim Betrieb der photoakustischen Detektoreinheit 800 auftreten können. Die Membran 70 kann elektrische Kontaktpads 82 auf ihrer Unterseite aufweisen, über welche von den Piezo-Elementen 80 erzeugte Referenzsignale bereitgestellt werden können.
In einem weiteren Gegensatz zur 7 kann das Gehäuse 34 auf eine andere Weise ausgeführt sein. Das Gehäuse 34 der 8 kann beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt sein. In der Querschnittsseitenansicht der 8 kann das Gehäuse 34 eine stufenförmige Gestalt aufweisen. Auf der Bodenfläche des Gehäuses 34 kann der Druckaufnehmer 16 angeordnet sein. Auf den Oberseiten der Stufen können elektrische Kontaktpads 84 angeordnet sein, welche mit senkrecht durch das Gehäuse 34 verlaufenden Via-Verbindungen 86 elektrisch verbunden sein können. Auf der Unterseite des Gehäuses 34 können weitere Kontaktpads 88 angeordnet sein. Von den Piezo-Elementen 80 erfasste Referenzsignale können über die Kontaktpads 82 und über die Via-Verbindungen 86 an ein oder mehrere der Kontaktpads 88 weitergeleitet werden. Auf ähnliche Weise können Messsignale des Druckaufnehmers 16 über die Kontaktpads 84 und die Via-Verbindungen 86 an ein oder mehrere der Kontaktpads 88 weitergeleitet werden.
Die photoakustische Detektoreinheit 900 der 9 kann der photoakustischen Detektoreinheit 700 der 7 zumindest teilweise ähnlich sein. Im Gegensatz zur 7 kann der photoakustische Wandler 6 eine zusätzliche Zwischenschicht 90 aufweisen, welche zwischen der Membran 70 und dem Deckel 76 angeordnet sein kann. Die Zwischenschicht 90 kann dazu ausgelegt sein, ein Verbinden der Membran 70 mit dem Deckel 76 prozesstechnisch zu vereinfachen. Beispielsweise können die Membran 70 aus dotiertem Silizium und der Deckel 76 aus Silizium gefertigt sein. In einem solchen Fall kann die Zwischenschicht 90 aus einem Glasmaterial, insbesondere einem Borosilikat, gefertigt sein. Dadurch können die Membran 70 und der Deckel 76 jeweils durch anodisches Bonden mit der Zwischenschicht 90 verbunden werden. Darüber hinaus kann durch eine Verwendung der Zwischenschicht 90 die Aufbauhöhe des photoakustischen Wandlers 6 in der y-Richtung auf einfache Weise angepasst bzw. vergrößert werden.
Der photoakustische Sensor 1000 der 10 kann einem der photoakustischen Sensoren 100 und 200 der 1 und 2 ähnlich sein. Insbesondere kann der in der 10 gezeigte Aufbau für eine Realisierung der photoakustischen Sensoren der 1 und 2 verwendet werden.
Der photoakustische Sensor 1000 der 10 kann eine photoakustische Emittereinheit 2 und eine photoakustische Detektoreinheit 4 aufweisen. Eine räumliche Trennung der Einheiten 2 und 4 ist in der 10 durch eine senkrecht verlaufende gestrichelte Linie qualitativ angedeutet. Im Beispiel der 10 kann die photoakustische Detektoreinheit 4 beispielsweise der photoakustischen Detektoreinheit 700 der 7 ähnlich sein, so dass diesbezüglich auf Ausführungen zur 7 verwiesen werden kann.
Der photoakustische Sensor 1000 kann ein Gehäuse 8 aufweisen, welches durch eine Trennstruktur 92 in einen linken und rechten Teil getrennt sein kann. Der rechte Teil des Gehäuses 8 kann dabei dem Gehäuse 34 der 7 entsprechen. Im linken Teil des Gehäuses 8 kann ein optischer Emitter 30 angeordnet sein. Je nach Ausführungsform der photoakustischen Detektoreinheit 4 kann es sich bei dem optischen Emitter 30 um einen Breitbandemitter mit oder ohne nachgeschaltetem optischen Bandfilter handeln. Der photoakustische Sensor 1000 kann ferner einen über den Einheiten 2 und 4 angeordneten Deckel 94 mit einer optisch reflektierenden Innenfläche aufweisen.
Im Betrieb des photoakustischen Sensors 1000 kann der Emitter 30 optische Strahlung emittieren, die entlang eines optischen Pfads propagieren kann, welcher in der 10 durch drei Pfeile dargestellt ist. Der Emitter 30 kann optische Strahlung in Richtung des Deckels 94 emittieren. Die emittierte Strahlung kann an der Innenfläche des Deckels 94 reflektiert werden. Um den in der 10 qualitativ dargestellten Reflexionsverlauf bereitstellen zu können, kann die Innenfläche des Deckels 94 auf geeignete Weise geformt sein. Die von der Innenfläche des Deckels 94 reflektierte optische Strahlung kann auf die photoakustische Detektoreinheit 4 treffen.
12 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung. Mithilfe des Verfahrens können beispielsweise ein oder mehrere photoakustische Wandler für eine photoakustische Detektoreinheit gemäß der Offenbarung hergestellt werden.
Bei 96 wird ein erster Wafer aus einem ersten Material an einen zweiten Wafer aus einem zweiten Material in einer Referenzgasatmosphäre gebondet. Dabei werden mehrere hermetisch verschlossene Hohlräume ausgebildet, welche das Referenzgas der Referenzgasatmosphäre einschließen. Bei 98 wird der gebondeten Wafer in mehrere photoakustische Wandler für eine photoakustische Detektoreinheit vereinzelt. Dabei umfasst jeder der photoakustischen Wandler einen der hermetisch verschlossenen Hohlräume.
Das Verfahren der 12 kann als eine detailliertere Implementierung des Verfahrens der 11 angesehen werden. In der 12A kann ein erster Wafer 102 aus einem ersten Material bereitgestellt werden. Der erste Wafer 102 kann eine Vielzahl von Vertiefungen 104 aufweisen. Dabei kann die Anzahl der Vertiefungen 104 insbesondere einer Anzahl der durch das Verfahren der 12 herzustellenden photoakustischen Wandler entsprechen. In der Querschnittsseitenansicht der 12A können die Vertiefungen 104 eine abgerundete Form aufweisen. In weiteren Beispielen kann die Form der Vertiefungen 104 anders gewählt sein, zum Beispiel quadratisch, rechteckig, polygonal, etc. Der erste Wafer 102 kann beispielsweise aus einem Glasmaterial oder einem dotierten Halbleitermaterial gefertigt sein.
In der 12B kann ein zweiter Wafer 106 aus einem zweiten Material bereitgestellt werden. Der zweite Wafer 106 kann eine Vielzahl von Vertiefungen 108 aufweisen. Die Anzahl der Vertiefungen 108 kann insbesondere der Anzahl der Vertiefungen 104 des ersten Wafers 102 entsprechen. Im Beispiel der 12B können die Vertiefungen 108 eine abgerundete Form aufweisen. In weiteren Beispielen kann die Form der Vertiefungen 108 anders gewählt sein, zum Beispiel quadratisch, rechteckig, polygonal, etc. Der zweite Wafer 106 kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial gefertigt sein.
In der 12C kann der erste Wafer 102 in einer Referenzgasatmosphäre an den zweiten Wafer 106 gebondet werden. Für den Bonding-Prozess können der erste Wafer 102 und der zweite Wafer 106 in einer Bonding-Kammer (nicht dargestellt) angeordnet werden, die dazu ausgelegt ist, die Referenzgasatmosphäre bereitzustellen. Beim Bonden der Wafer 102 und 106 können mehrere hermetisch verschlossene Hohlräume 110 ausgebildet werden, welche das Referenzgas der Referenzgasatmosphäre einschließen.
Der in der 12C angewendete Bonding-Prozess kann insbesondere von den Materialien der Wafer 102 und 106 abhängen. In einem ersten Beispiel kann das Material des ersten Wafers 102 ein Glasmaterial (z.B. ein Borosilikat) und das Material des zweiten Wafers 106 ein Halbleitermaterial (z.B. Silizium) umfassen. In diesem Fall kann der Bonding-Prozess ein anodisches Bonden umfassen. In einem zweiten Beispiel kann das Material des ersten Wafers 102 ein dotiertes Halbleitermaterial (z.B. dotiertes Silizium) und das Material des zweiten Wafers 106 ein Halbleitermaterial (z.B. Silizium) umfassen. In diesem Fall kann der Bonding-Prozess ein eutektisches Bonden unter Verwendung einer Zwischenschicht umfassen. Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus Gold gefertigt sein.
In der 12D kann die Anordnung der 12C entlang senkrechter gestrichelter Linien in mehrere Anordnungen vereinzelt werden. Der Vereinzelungsprozess kann beispielsweise einen Ätzprozess, einen Plasma-Dicing-Prozess, einen mechanischen Ultraschall-Dicing-Prozess, einen Laser-Dicing-Prozess, oder eine Kombination davon beinhalten.
Die 12E zeigt einen der durch die Vereinzelung erhaltenen photoakustischen Wandler 1200, der ein optisch transparentes Fenster 18 und eine Membran 20 aufweisen kann. Dabei kann die Membran 20 aus dem Material des ersten Wafers 102 und das optisch transparente Fenster 18 aus dem Material des zweiten Wafers 106 gefertigt sein.
Das Verfahren der 12 kann weitere Schritte aufweisen, die der Einfachheit halber nicht explizit dargestellt und diskutiert sind. Die weiteren Schritte können dabei insbesondere auf Wafer-Ebene ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren um einen Schritt erweitert werden, bei dem eine Antireflexbeschichtung auf dem zweiten Wafer 106 aufgebracht werden kann, so dass die hergestellten photoakustischen Wandler 1200 jeweils eine Antireflexbeschichtung auf dem optisch transparenten Fenster 18 aufweisen können.
Beispiele
Im Folgenden werden photoakustische Detektoreinheiten, photoakustische Sensoren und zugehörige Herstellungsverfahren anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine photoakustische Detektoreinheit, umfassend: ein Gehäuse mit einer Öffnung; einen photoakustischen Wandler, der dazu ausgelegt ist, optische Strahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln, wobei der photoakustische Wandler die Öffnung des Gehäuses abdeckt, so dass der photoakustische Wandler und das Gehäuse einen akustisch dichten Hohlraum ausbilden; und einen in dem akustisch dichten Hohlraum angeordneten Druckaufnehmer.
Beispiel 2 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 1, wobei der photoakustische Wandler dazu ausgelegt ist, mindestens eines von Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln.
Beispiel 3 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 1 oder 2, wobei der photoakustische Wandler umfasst: eine Zelle mit einem hermetisch verschlossenen Hohlraum; und ein in dem hermetisch verschlossenen Hohlraum eingeschlossenes Referenzgas, wobei das Referenzgas dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung zu absorbieren.
Beispiel 4 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 3, wobei die Zelle umfasst: ein optisch transparentes Fenster auf einer ersten Seite der Zelle; und eine Membran auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Zelle.
Beispiel 5 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 4, wobei das optisch transparente Fenster aus Silizium gefertigt ist.
Beispiel 6 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 4 oder 5, wobei die Membran aus einem Glasmaterial gefertigt ist.
Beispiel 7 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 4 bis 6, wobei die Membran aus dotiertem Silizium gefertigt ist.
Beispiel 8 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 4 bis 7, wobei das optisch transparente Fenster und die Membran den hermetisch verschlossenen Hohlraum ausbilden.
Beispiel 9 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 4 bis 8, wobei das optisch transparente Fenster und die Membran wafer-gebondet sind.
Beispiel 10 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 4 bis 9, ferner umfassend: eine auf dem optisch transparenten Fenster angeordnete Antireflexbeschichtung.
Beispiel 11 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 4 bis 10, ferner umfassend: eine auf der Membran angeordnete Metallschicht.
Beispiel 12 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: ein in dem akustisch dichten Hohlraum eingeschlossenes Schutzgas.
Beispiel 13 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Gehäuse aus einer Moldverbindung gefertigt ist.
Beispiel 14 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 1, wobei der photoakustische Wandler umfasst: eine Membran, die dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung zu absorbieren.
Beispiel 15 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 14, wobei die Membran aus mindestens einem von Glasmaterial oder dotiertem Silizium gefertigt ist.
Beispiel 16 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach Beispiel 14 oder 15, ferner umfassend: ein in die Membran integriertes Piezo-Element, welches dazu ausgelegt ist, ein elektrisches Signal bereitzustellen, welches als Referenzsignal für ein von dem Druckaufnehmer bereitgestelltes Messsignal ausgelegt ist.
Beispiel 17 ist eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der Beispiele 14 bis 16, ferner umfassend: eine optische Filterschicht, die für elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist, wobei die optische Filterschicht auf mindestens einem von der Membran oder einem über der Membran angeordneten Deckel aufgebracht ist.
Beispiel 18 ist ein photoakustischer Sensor, umfassend: einen optischen Emitter; und eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Beispiele.
Beispiel 19 ist ein photoakustischer Sensor nach Beispiel 18, wobei der optische Emitter einen optischen Breitbandemitter umfasst.
Beispiel 20 ist ein photoakustischer Sensor nach Beispiel 19, ferner umfassend: ein dem optischen Breitbandemitter nachgeschaltetes optisches Bandfilter, welches für elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist.
Beispiel 21 ist ein Verfahren, umfassend: Bonden eines ersten Wafers aus einem ersten Material an einen zweiten Wafer aus einem zweiten Material in einer Referenzgasatmosphäre, wobei mehrere hermetisch verschlossene Hohlräume ausgebildet werden, welche das Referenzgas der Referenzgasatmosphäre einschließen; und Vereinzeln der gebondeten Wafer in mehrere photoakustische Wandler für eine photoakustische Detektoreinheit, wobei jeder der photoakustischen Wandler einen der hermetisch verschlossenen Hohlräume umfasst.
Beispiel 22 ist ein Verfahren nach Beispiel 21, wobei: das erste Material ein Glasmaterial umfasst, das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst, und das Bonden ein anodisches Bonden umfasst.
Beispiel 23 ist ein Verfahren nach Beispiel 21, wobei: das erste Material ein dotiertes Halbleitermaterial umfasst, das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst, und das Bonden ein eutektisches Bonden unter Verwendung einer Zwischenschicht umfasst.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Photoakustische Detektoreinheit, umfassend: ein Gehäuse (8, 34) mit einer Öffnung; einen photoakustischen Wandler (6), der dazu ausgelegt ist, optische Strahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln, wobei der photoakustische Wandler (6) die Öffnung des Gehäuses (8, 34) abdeckt, so dass der photoakustische Wandler (6) und das Gehäuse (8, 34) einen akustisch dichten Hohlraum (14, 36) ausbilden; und einen in dem akustisch dichten Hohlraum (14, 36) angeordneten Druckaufnehmer (16).
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 1, wobei der photoakustische Wandler (6) dazu ausgelegt ist, mindestens eines von Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung in zumindest eines von einem Drucksignal oder einem Wärmesignal umzuwandeln.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der photoakustische Wandler (6) umfasst: eine Zelle mit einem hermetisch verschlossenen Hohlraum (10); und ein in dem hermetisch verschlossenen Hohlraum (10) eingeschlossenes Referenzgas (12), wobei das Referenzgas (12) dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung zu absorbieren.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 3, wobei die Zelle umfasst: ein optisch transparentes Fenster (18) auf einer ersten Seite der Zelle; und eine Membran (20) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Zelle.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 4, wobei das optisch transparente Fenster (18) aus Silizium gefertigt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Membran (20) aus einem Glasmaterial gefertigt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Membran (20) aus dotiertem Silizium gefertigt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das optisch transparente Fenster (18) und die Membran (20) den hermetisch verschlossenen Hohlraum (10) ausbilden.
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das optisch transparente Fenster (18) und die Membran (20) wafer-gebondet sind.
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 9, ferner umfassend: eine auf dem optisch transparenten Fenster (18) angeordnete Antireflexbeschichtung (44).
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 10, ferner umfassend: eine auf der Membran (20) angeordnete Metallschicht (66) .
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein in dem akustisch dichten Hohlraum (14, 36) eingeschlossenes Schutzgas (32).
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (8, 34) aus einer Moldverbindung gefertigt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 1, wobei der photoakustische Wandler (6) umfasst: eine Membran (70), die dazu ausgelegt ist, die optische Strahlung zu absorbieren.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 14, wobei die Membran (70) aus mindestens einem von Glasmaterial oder dotiertem Silizium gefertigt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach Anspruch 14 oder 15, ferner umfassend: ein in die Membran (70) integriertes Piezo-Element (80), welches dazu ausgelegt ist, ein elektrisches Signal bereitzustellen, welches als Referenzsignal für ein von dem Druckaufnehmer (16) bereitgestelltes Messsignal ausgelegt ist.
Photoakustische Detektoreinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 16, ferner umfassend: eine optische Filterschicht (78), die für elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist, wobei die optische Filterschicht (78) auf mindestens einem von der Membran (70) oder einem über der Membran angeordneten Deckel (76) aufgebracht ist.
Photoakustischer Sensor, umfassend: einen optischen Emitter (2); und eine photoakustische Detektoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Photoakustischer Sensor nach Anspruch 18, wobei der optische Emitter (2) einen optischen Breitbandemitter umfasst.
Photoakustischer Sensor nach Anspruch 19, ferner umfassend: ein dem optischen Breitbandemitter nachgeschaltetes optisches Bandfilter, welches für elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge durchlässig ist.
Verfahren, umfassend: Bonden eines ersten Wafers (102) aus einem ersten Material an einen zweiten Wafer (106) aus einem zweiten Material in einer Referenzgasatmosphäre, wobei mehrere hermetisch verschlossene Hohlräume (110) ausgebildet werden, welche das Referenzgas der Referenzgasatmosphäre einschließen; und Vereinzeln der gebondeten Wafer (102, 106) in mehrere photoakustische Wandler (1200) für eine photoakustische Detektoreinheit, wobei jeder der photoakustischen Wandler (1200) einen der hermetisch verschlossenen Hohlräume (110) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: das erste Material ein Glasmaterial umfasst, das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst, und das Bonden ein anodisches Bonden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: das erste Material ein dotiertes Halbleitermaterial umfasst, das zweite Material ein Halbleitermaterial umfasst, und das Bonden ein eutektisches Bonden unter Verwendung einer Zwischenschicht umfasst.