DE102020123199A1 - Photoacoustic sensor array - Google Patents
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Abstract
Zur Vereinfachung der Fertigung von photoakustischen Sensoranordnungen (2) für die Verwendung in Gasdetektoren (1) wird vorgeschlagen, dass eine mit Referenzgas (3) zu befüllende Referenzgaskammer (3) als Via (9) in einem Trägersubstrat (7) ausgestaltet ist und oberseitig mittels eines optischen Fensters (5) sowie unterseitig mittels eines akustischen Messwertaufnehmers (6), der insbesondere als eine Baugruppe ausgestaltet sein kann, abgeschlossen ist. Dieser Ansatz ermöglicht die parallele Fertigung der Sensoranordnungen (2) auf Basis eines Wafer-Stapels (13), der durch einen Full-wafer-bond des besagten Trägersubstrats (7) mit einem IR-transparenten Substrat (8), erzeugt wird. Im Ergebnis können die einzelnen Sensoranordnungen (2) nach dem Vereinzeln als kompakte Stapel (20) erhalten werden und so kostengünstig gefertigt werden, insbesondere gemeinsam mit den Gasdetektoren (1) (vgl. Figur 6).In order to simplify the manufacture of photoacoustic sensor arrangements (2) for use in gas detectors (1), it is proposed that a reference gas chamber (3) to be filled with reference gas (3) be designed as a via (9) in a carrier substrate (7) and an optical window (5) and is closed off on the underside by means of an acoustic measurement value recorder (6), which can in particular be designed as an assembly. This approach enables the parallel manufacture of the sensor arrays (2) based on a wafer stack (13) which is produced by a full-wafer bond of said carrier substrate (7) with an IR-transparent substrate (8). As a result, the individual sensor arrangements (2) can be obtained as a compact stack (20) after being separated and can thus be manufactured inexpensively, in particular together with the gas detectors (1) (cf. FIG. 6).
Description
Die Erfindung betrifft eine photoakustische Sensoranordnung mit einer nach außen abgeschlossenen Referenzgaskammer, die an wenigstens einer Stelle ein optisches Fenster aufweist, und mit einem akustischen Messwertaufnehmer zum Detektieren von akustischen Schwingungen eines Referenzgases in der Referenzgaskammer. Eine solche photoakustische Sensoranordnung ist insbesondere zur Verwendung in einem photoakustischen Gasdetektor geeignet.The invention relates to a photoacoustic sensor arrangement with a reference gas chamber that is closed off from the outside and has an optical window at at least one point, and with an acoustic measuring value sensor for detecting acoustic oscillations of a reference gas in the reference gas chamber. Such a photoacoustic sensor arrangement is particularly suitable for use in a photoacoustic gas detector.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur parallelen Fertigung von photoakustischen Sensoranordnungen. Diese Sensoranordnungen weisen jeweils mindestens eine Referenzgaskammer und mindestens einen akustischen Messwertaufnehmer auf.The invention also relates to a method for the parallel production of photoacoustic sensor arrays. These sensor arrangements each have at least one reference gas chamber and at least one acoustic measurement value recorder.
Sensoranordnungen wie oben beschrieben sind bekannt und werden beispielsweise in photoakustischen Gasdetektoren unter Anwendung eines subtraktiven Messverfahrens zur Gasdetektion eingesetzt. Hierzu wird ein Anregungslicht, welches typischerweise im infraroten Wellenlängenbereich liegt, durch eine Messkammer des Gasdetektors und anschließend durch das erwähnte optische Fenster in die Referenzgaskammer der Sensoranordnung geführt, wo es mit einem in der Referenzgaskammer eingeschlossenen Referenzgas auf Basis des photoakustischen Effekts wechselwirkt. Die Moleküle des Referenzgases werden dabei von dem Anregungslicht zu Schwingungen angeregt. Wird das Anregungslicht zeitlich moduliert, so entsteht eine detektierbare akustische Modulation (Schallwellen) in dem Referenzgas. Diese Modulation kann mit dem akustischen Messwertaufnehmer erfasst werden.Sensor arrangements as described above are known and are used, for example, in photoacoustic gas detectors using a subtractive measurement method for gas detection. For this purpose, an excitation light, which is typically in the infrared wavelength range, is guided through a measuring chamber of the gas detector and then through the optical window mentioned into the reference gas chamber of the sensor arrangement, where it interacts with a reference gas enclosed in the reference gas chamber on the basis of the photoacoustic effect. The molecules of the reference gas are excited to oscillate by the excitation light. If the excitation light is modulated in time, a detectable acoustic modulation (sound waves) is created in the reference gas. This modulation can be detected with the acoustic transducer.
In die Messkammer des Gasdetektors kann nun eine zu untersuchende Gasprobe eingeführt werden, um die Gasprobe photoakustisch zu vermessen. Insbesondere dann, wenn diese Gasprobe Moleküle enthält, die gleich zu denen des Referenzgases sind, wird das Anregungslicht bereits in der Messkammer, das heißt noch vor Eintritt in die Referenzgaskammer, absorbiert.A gas sample to be examined can now be introduced into the measuring chamber of the gas detector in order to measure the gas sample photoacoustically. In particular when this gas sample contains molecules that are the same as those in the reference gas, the excitation light is already absorbed in the measuring chamber, ie before it enters the reference gas chamber.
Im Ergebnis kann das bereits absorbierte Anregungslicht keine akustischen Anregungen mehr in der Referenzgaskammer erzeugen, sodass mit dem akustischen Messwertaufnehmer ein Abfallen des akustischen Signals in der Referenzgaskammer detektierbar ist. Ist das Messgas dagegen unterschiedlich von dem Referenzgas, so wird das Anregungslicht in den relevanten Wellenlängenbereichen ungehindert durch die Messkammer transmittiert, anschließend dann in die Referenzgaskammer eintreten und dort die akustische Anregung des Referenzgases über Lichtabsorption auslösen. Entsprechend ist in diesem Fall gerade kein Abfallen des akustischen Signals in der Referenzgaskammer detektierbar.As a result, the excitation light that has already been absorbed can no longer generate acoustic excitations in the reference gas chamber, so that a drop in the acoustic signal in the reference gas chamber can be detected with the acoustic measurement value recorder. If, on the other hand, the measurement gas differs from the reference gas, the excitation light in the relevant wavelength ranges is transmitted unhindered through the measurement chamber, then enters the reference gas chamber and triggers the acoustic excitation of the reference gas there via light absorption. Accordingly, in this case no drop in the acoustic signal can be detected in the reference gas chamber.
Auf diese Weise ist es bei Verwendung von sehr breitbandigem Licht und einem chemisch sehr reinen Referenzgas möglich, mit dem Gasdetektor Gase gezielt, das heißt mit hoher Selektivität, zu detektieren, wobei das Referenzgas gleich dem zu detektierenden Zielgas sein muss. Zusätzliche optische Filter sind hingegen verzichtbar und es können breitbandige Lichtquellen wie etwa thermische Strahler eingesetzt werden.In this way, when using very broadband light and a chemically very pure reference gas, it is possible to use the gas detector to detect gases in a targeted manner, ie with high selectivity, with the reference gas having to be the same as the target gas to be detected. Additional optical filters, on the other hand, are unnecessary and broadband light sources such as thermal radiators can be used.
Ferner sind im Bereich der Mikrosystemtechnik zahlreiche Verfahren bekannt, mit denen sich Sensoranordnungen parallel auf Wafern fertigen lassen. Hierbei können die Wafer sowohl in sogenannten Batch-Prozessen gemeinsam (etwa beim Reinigen oder Aufwachsen von Schichten) als auch mittels single-wafer-Prozessen (wie etwa Full-wafer-bonding, Photolithographie, etc.) einzeln bearbeitet werden.Furthermore, numerous methods are known in the field of microsystems technology with which sensor arrangements can be produced in parallel on wafers. The wafers can be processed both in so-called batch processes (e.g. when cleaning or growing layers) and individually using single-wafer processes (such as full-wafer bonding, photolithography, etc.).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fertigungsprozess für eine wie eingangs erwähnte photoakustische Sensoranordnung zu vereinfachen und gleichzeitig eine hohe Reproduzierbarkeit der messtechnisch relevanten Charakteristika der Sensoranordnung und eines zugehörigen Gasdetektors zu gewährleisten.The object of the invention is to simplify a manufacturing process for a photoacoustic sensor arrangement as mentioned at the outset and at the same time to ensure high reproducibility of the metrologically relevant characteristics of the sensor arrangement and an associated gas detector.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einer photoakustischen Sensoranordnung die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einer photoakustischen Sensoranordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der eingangs erwähnte Messwertaufnehmer die Referenzgaskammer, insbesondere gasdicht, abschließt.To solve this problem, the features of
Von Vorteil ist hierbei, dass eine sehr kompakte photoakustische Sensoranordnung erhalten werden kann, mit der sich ein kompakter Gasdetektor realisieren lässt. Zudem kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Sensoranordnungen durch eine parallele Fertigung erzielt werden, wie noch genauer zu erläutern sein wird. Durch die Verwendung eines Referenzgases kann zudem eine hohe Gassensitivität erreicht werden.The advantage here is that a very compact photoacoustic sensor arrangement can be obtained, with which a compact gas detector can be implemented. In addition, a high degree of reproducibility of the sensor arrangements can be achieved through parallel production, as will be explained in more detail below. A high gas sensitivity can also be achieved by using a reference gas.
Mit anderen Worten ist es aufgrund der Erfindung verzichtbar, dass die Referenzgaskammer vor Anbringen des Messwertaufnehmers an die Sensoranordnung abgeschlossen werden muss, um das Referenzgas einzuschließen. Der Messwertaufnehmer, der insbesondere als ein Mikrofon ausgestaltet sein kann, kann nämlich eine Versiegelungsfläche bereitstellen, mit welcher sich eine außenseitige Öffnung der Referenzgaskammer gasdicht versiegeln lässt. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die besagte Öffnung der Referenzgaskammer passend zu der Versiegelungsfläche, das heißt insbesondere in passender Form und/oder kleiner als die Versiegelungsfläche, des Messwertaufnehmers ausgestaltet ist. Die besagte Versiegelungs- oder Abdeckfläche des Messwertaufnehmers kann dabei zum Beispiel eine Grundfläche (footprint) des Messwertaufnehmers sein.In other words, the invention makes it unnecessary for the reference gas chamber to be closed before the measured value pickup is attached to the sensor arrangement, in order to enclose the reference gas. The measured value pick-up, which can be designed in particular as a microphone, can namely have a sealing surface provide, with which an outside opening of the reference gas chamber can be sealed gas-tight. For this purpose, it is advantageous if said opening of the reference gas chamber is designed to match the sealing surface, that is to say in particular in a suitable shape and/or smaller than the sealing surface, of the measured-value sensor. The aforesaid sealing or covering area of the measured value pickup can be a base area (footprint) of the measured value pickup, for example.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen gemäß den Unteransprüchen gelöst werden.According to the invention, the object can also be achieved by further advantageous embodiments according to the dependent claims.
So sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass der akustische Messwertaufnehmer mittels surface-mount-Technologie (SMT, oberflächenmontierte Technologie) auf ein Trägersubstrat aufgesetzt ist, welches die Referenzgaskammer mit ausbildet. Hierzu ist es bevorzugt, wenn der akustische Messwertaufnehmer als elektronisches SMD (surface-mounted device, oberflächenmontiertes Bauteil)-Bauteil ausgestaltet ist. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass die Verbindung zwischen dem Messwertaufnehmer und dem Trägersubstrat der Sensoranordnung über Lötverbindungen hergestellt sein kann. Über diese Lötverbindungen kann insbesondere eine elektrische Kontaktierung des akustischen Messwertaufnehmers realisiert sein.A preferred embodiment provides that the acoustic measuring value pickup is placed on a carrier substrate by means of surface-mount technology (SMT, surface-mounted technology), which also forms the reference gas chamber. To this end, it is preferred if the acoustic measurement value pick-up is designed as an electronic SMD (surface-mounted device) component. This approach has the advantage that the connection between the measured value recorder and the carrier substrate of the sensor arrangement can be established via soldered connections. In particular, electrical contacting of the acoustic measurement value recorder can be realized via these soldered connections.
Von Vorteil ist dabei, dass im Herstellungsprozess keine weiteren elektrischen Kontaktierungsschritte für den akustischen Messwertaufnehmer erforderlich sind, wie beispielsweise Draht-Bonden, welches typischerweise erst nach der Vereinzelung der Sensoranordnung durchgeführt werden kann. Die Verwendung von SMT hat somit den Vorteil, dass die gesamte Sensoranordnung parallel mit anderen Sensoranordnungen in einem Wafer-Stapel herstellbar ist.The advantage here is that no further electrical contacting steps are required for the acoustic measurement value pickup in the production process, such as wire bonding, for example, which can typically only be carried out after the sensor arrangement has been separated. The use of SMT thus has the advantage that the entire sensor arrangement can be produced in parallel with other sensor arrangements in a wafer stack.
Die Verbindung des akustischen Messwertaufnehmers mit dem Trägersubstrat kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Messwertaufnehmer an seiner dem Substrat zugewandten Seite Metallisierungen zur Ausbildung von Lötverbindungen aufweist. Die Dichtheit der Referenzgaskammer kann dann beispielsweise mittels einer umlaufenden Lötverbindung zwischen dem Messwertaufnehmer und dem Trägersubstrat hergestellt sein.The connection of the acoustic measurement value pickup to the carrier substrate can be done, for example, in that the measurement value pickup has metallizations for the formation of soldered connections on its side facing the substrate. The tightness of the reference gas chamber can then be established, for example, by means of a circumferential soldered connection between the measured value sensor and the carrier substrate.
Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass der akustische Messwertaufnehmer die Referenzgaskammer gasdicht, vorzugsweise hermetisch, abdichtet. Hierzu kann die Abdichtung mittels einer umlaufenden Lötverbindung und/oder mittels einer gasdichten Verklebung realisiert sein. Ein solcher gasdichter Kleber kann auch im Anschluss an die SMD-Montage und elektrische Kontaktierung aufgebracht werden beziehungsweise sein.Provision can thus be made in particular for the acoustic measurement value pickup to seal the reference gas chamber in a gas-tight, preferably hermetic, manner. For this purpose, the seal can be realized by means of a circumferential soldered connection and/or by means of a gas-tight adhesive bond. Such a gas-tight adhesive can also be applied after the SMD assembly and electrical contacting.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das optische Fenster durch full-wafer-bonding eines IR-transparenten Substrats, vorzugsweise eines Siliziumwafers, mit dem Trägersubstrat ausgebildet ist. Hierbei kann das Trägersubstrat bevorzugt ein IR-intransparentes Substrat, besonders bevorzugt ein LTCC (low temperature cofired ceramics)-Substrat sein. Bei solchen Ausgestaltungen ist es für eine Vereinfachung der Fertigung vorzuziehen, wenn der Messwertaufnehmer außenseitig auf das Trägersubstrat aufgelötet ist. Ein solcher full-wafer-bonding Ansatz ermöglicht eine kostengünstige parallele Fertigung einer größeren Anzahl der Sensoranordnungen auf einem gemeinsamen Substrat, insbesondere auf Basis eines gemeinsamen Wafer-Stapels.A further configuration provides that the optical window is formed by full wafer bonding of an IR-transparent substrate, preferably a silicon wafer, to the carrier substrate. In this case, the carrier substrate can preferably be an IR-opaque substrate, particularly preferably an LTCC (low temperature cofired ceramics) substrate. In such configurations, it is preferable for a simplification of the production if the measured value pick-up is soldered onto the carrier substrate on the outside. Such a full-wafer-bonding approach enables cost-effective, parallel production of a larger number of sensor arrangements on a common substrate, in particular on the basis of a common wafer stack.
Wie bereits erwähnt wurde, ist es für eine besonders einfache Fertigung von großem Vorteil, wenn der akustische Messwertaufnehmer, insbesondere ausschließlich, durch Lötverbindungen zu Metallisierungen, welche auf dem Trägersubstrat vorgesehen sind, elektrisch kontaktiert ist. Eine solche elektrische Kontaktierung des Messwertaufnehmers kann dann nämlich vorzugsweise unter Verzicht auf aufwändig herzustellende Bonddrähte erfolgen.As has already been mentioned, it is of great advantage for a particularly simple manufacture if the acoustic measuring value pickup is electrically contacted, in particular exclusively, by soldered connections to metallizations which are provided on the carrier substrate. Such electrical contacting of the measured-value recorder can then preferably take place without bonding wires that are expensive to produce.
Um ein möglichst breites Anwendungsgebiet für die Sensoranordnung in unterschiedlichsten Gasdetektoren zu ermöglichen, ist es ferner vorteilhaft, wenn das optische Fenster für Wellenlängen im Infrarot-Bereich (0.78 µm - 1 mm), insbesondere im mittleren IR-Bereich (MIR = 2 µm - 25 µm), transparent ist. Beispielsweise liegt eines der Hauptabsorptionsbänder von CO2 bei ca. 4.3 µm Wellenlänge.In order to enable the widest possible field of application for the sensor arrangement in a wide variety of gas detectors, it is also advantageous if the optical window for wavelengths in the infrared range (0.78 µm - 1 mm), in particular in the middle IR range (MIR = 2 µm - 25 µm), is transparent. For example, one of the main absorption bands of CO 2 is around 4.3 µm wavelength.
Für eine robuste Messung ist es zudem vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat für Wellenlängen in den besagten Infrarot-Bereichen, also insbesondere im MIR-Bereich, gerade intransparent ist. Denn günstig ist hierbei, dass seitlich einfallendes Licht, beispielsweise Umgebungslicht, vom Eintritt in die Referenzgaskammer abgehalten werden kann, sodass die photoakustische Messung frei von optischen Störungen ablaufen kann.For a robust measurement, it is also advantageous if the carrier substrate is non-transparent for wavelengths in the said infrared ranges, ie in particular in the MIR range. Because it is favorable here that light incident from the side, for example ambient light, can be prevented from entering the reference gas chamber, so that the photoacoustic measurement can take place free of optical interference.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung schlägt vor, dass der akustische Messwertaufnehmer ein MEMS-Mikrofon aufweist und/oder als hybride Baugruppe ausgestaltet ist. Unter einem MEMS (micro-electro-mechanical-system, mikroelektromechanischem)-Mikrofon kann hier ein Mikrofon verstanden werden, welches mit Technologien der Mikrosystemtechnik hergestellt ist und Bauteile beziehungsweise Strukturen mit mikroskopischen Abmessungen aufweist. Unter einer hybriden Baugruppe kann hier eine elektronische Baugruppe verstanden werden, die neben Halbleiter-Bauelementen auch passive Komponenten, insbesondere angeordnet auf einer Leiterplatte, aufweist.A further preferred embodiment proposes that the acoustic measurement recorder has a MEMS microphone and/or is designed as a hybrid assembly. A MEMS (micro-electro-mechanical-system, microelectromechanical) microphone can be understood here to mean a microphone which is produced using microsystems technology and has components or structures with microscopic dimensions. A hybrid assembly can be understood here as an electronic assembly which, in addition to semiconductor components, also has passive components, in particular arranged on a printed circuit board.
Das MEMS-Mikrofon kann die akustischen Schwingungen des Referenzgases beispielsweise piezoresistiv oder kapazitiv oder optisch erfassen.The MEMS microphone can record the acoustic oscillations of the reference gas, for example piezoresistively or capacitively or optically.
Generell kann vorgesehen sein, dass eine Schallöffnung des akustischen Messwertaufnehmers in die Referenzgaskammer mündet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage und Herstellung bei gleichzeitig guter akustischer Ankopplung des Messwertaufnehmers.In general, it can be provided that a sound opening of the acoustic measurement value pickup opens into the reference gas chamber. This enables a particularly simple assembly and production with good acoustic coupling of the measured value recorder at the same time.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß ferner bei einer Verwendung einer photoakustischen Sensoranordnung in einem photoakustischen Gasdetektor die Merkmale des nebengeordneten, auf eine Verwendung gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine erfindungsgemäße photoakustische Sensoranordnung, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine photoakustische Sensoranordnung gerichteten Ansprüche, in einem photoakustischen Gasdetektor verwendet wird. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das eingangs beschriebene optische Fenster der Sensoranordnung eine Messkammer zur Aufnahme einer photoakustisch zu vermessenden Gasprobe begrenzt.In order to achieve the stated object, the features of the subordinate claim directed to a use are also provided according to the invention when a photoacoustic sensor arrangement is used in a photoacoustic gas detector. In particular, it is therefore proposed according to the invention that a photoacoustic sensor arrangement according to the invention, in particular as described above and/or according to one of the claims directed to a photoacoustic sensor arrangement, is used in a photoacoustic gas detector. In this case, it can be provided in particular that the optical window of the sensor arrangement described at the outset delimits a measuring chamber for receiving a gas sample to be measured photoacoustically.
In einem solchen Fall ist es für eine besonders einfache Fertigung vorzuziehen, wenn die Sensoranordnung, insbesondere das optische Fenster, hierzu mittels full-wafer-bonding mit einem Substrat verbunden ist, welches die Messkammer mit ausbildet. Das hier erwähnte Substrat, welches die Messkammer mit ausbildet, kann beispielsweise ein weiteres Trägersubstrat (Trägersubstrat II) sein, insbesondere ein weiteres LTCC-Substrat. Das besagte Substrat kann aber auch ein Funktionssubstrat sein, welches IR-Lichtquellen für den Gasdetektor bereitstellt (insbesondere bei Verzicht auf das Trägersubstrat II - vgl. dazu die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter unten). Ferner kann die Verbindung direkt sein, etwa zum Trägersubstrat, oder indirekt, zum Beispiel zum Funktionssubstrat, nämlich dann, wenn ein Trägersubstrat zwischen dem Funktionssubstrat und dem optischen Fenster / der Sensoranordnung angeordnet ist.In such a case, it is preferable for particularly simple production if the sensor arrangement, in particular the optical window, is connected to a substrate for this purpose by means of full-wafer bonding, which substrate also forms the measuring chamber. The substrate mentioned here, which also forms the measuring chamber, can be, for example, a further carrier substrate (carrier substrate II), in particular a further LTCC substrate. Said substrate can, however, also be a functional substrate which provides IR light sources for the gas detector (in particular if the carrier substrate II is dispensed with—cf. the description of a preferred exemplary embodiment further below). Furthermore, the connection can be direct, for example to the carrier substrate, or indirect, for example to the functional substrate, namely when a carrier substrate is arranged between the functional substrate and the optical window/sensor arrangement.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind ferner erfindungsgemäß die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Ausbildung von Vias in einem Trägersubstrat;
- - Ausbildung von Metallisierungen auf dem Trägersubstrat;
- - Full-Wafer-Bonden des Trägersubstrats mit einem IR-transparenten Substrat zu einem Wafer-Stapel;
- - SMT-Löten von akustischen Messwertaufnehmern auf die Metallisierungen, insbesondere zum gasdichten Abschließen von jeweiligen Referenzgaskammern;
- - Vereinzeln der Sensoranordnungen aus dem Wafer-Stapel;
- - formation of vias in a carrier substrate;
- - Formation of metallization on the carrier substrate;
- - Full-wafer bonding of the carrier substrate with an IR-transparent substrate to form a wafer stack;
- - SMT soldering of acoustic measurement sensors on the metallization, in particular for gas-tight sealing of the respective reference gas chambers;
- - Separating the sensor arrays from the wafer stack;
Die einzelnen Verfahrensschritte können, müssen aber nicht zwingend, in der oben angegebenen Reihenfolge abgearbeitet werden; insbesondere kann die Reihenfolge einzelner der Schritte variieren. Gerade die letzten beiden Verfahrensschritte können auch - je nach Design der Sensoranordnung beziehungsweise eines zugehörigen Gasdetektors - in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.The individual process steps can, but do not necessarily have to, be processed in the order given above; in particular, the order of individual steps can vary. The last two method steps in particular can also be carried out in reverse order, depending on the design of the sensor arrangement or an associated gas detector.
Bei der oben beschriebenen parallelen Fertigung einer Vielzahl von Sensoranordnungen auf Basis eines gebondeten Wafer-Stapels weist jeder der photoakustischen Sensoranordnungen, jeweils eine Referenzgaskammer und einen akustischen Messwertaufnehmer auf. Die Sensoranordnungen können daher mindestens auf einem gemeinsamen Substrat basieren. Dadurch können die Sensoranordnungen zunächst gemeinsam prozessiert und erst am Ende der Fertigung vereinzelt und/oder komplementiert werden.In the case of the above-described parallel production of a multiplicity of sensor arrangements based on a bonded wafer stack, each of the photoacoustic sensor arrangements has a reference gas chamber and an acoustic measurement value recorder. The sensor arrangements can therefore be based on at least one common substrate. As a result, the sensor arrangements can initially be processed together and only separated and/or complemented at the end of production.
Wie noch genauer zu beschreiben sein wird, können die Sensoranordnungen als Wafer-Stapel zunächst mit weiteren Substraten verbunden werden, um komplexe Gasdetektoren in paralleler Weise herzustellen. Diese können anschließend vereinzelt werden, wobei dann jeder der Gasdetektoren mindestens eine der Sensoranordnungen aufweisen kann. Der Wafer-Stapel, aus welchem die Sensoranordnungen final vereinzelt werden, kann also noch weitere Substrate umfassen.As will be described in more detail below, the sensor arrays can first be connected to other substrates as a wafer stack in order to produce complex gas detectors in parallel. These can then be separated, in which case each of the gas detectors can then have at least one of the sensor arrangements. The wafer stack from which the sensor arrangements are finally separated can also include other substrates.
Die Sensoranordnungen können ferner insbesondere wie zuvor beschrieben oder gemäß einem der auf eine Sensoranordnung gerichteten Ansprüche ausgebildet sein.The sensor arrangements can also be configured in particular as described above or according to one of the claims directed to a sensor arrangement.
Unter einem IR-transparenten Substrat kann hier ein Substrat verstanden werden, welches Wellenlängen im IR-Bereich transmittiert. Unter einem Via kann hier insbesondere eine durch das Substrat führende Ausnehmung verstanden werden, deren geometrische Abmessungen die Referenzgaskammer mitbestimmen. Die Vias können somit die Referenzgaskammern der einzelnen Sensoranordnungen ausbilden.An IR-transparent substrate can be understood here to mean a substrate which transmits wavelengths in the IR range. A via can be understood here in particular as a recess leading through the substrate, the geometric dimensions of which also determine the reference gas chamber. The vias can thus form the reference gas chambers of the individual sensor arrangements.
Das notwendige Einbringen des Referenzgases in die einzelnen Referenzgaskammern kann vor dem Verschließen der Referenzgaskammern erfolgen, etwa vor dem SMD-Löten der akustischen Messwertaufnehmer oder vor dem Aufbringen eines gasdichten Klebers zum Abschließen der Referenzgaskammer; alternativ kann das Einbringen des Referenzgases aber auch erst nach Herstellung und Abschließen der Referenzgaskammern erfolgen, etwa durch im Trägersubstrat angelegte (Mikro-) Gaskanäle. Mit anderen Worten können somit in dem Trägersubstrat, welches mit dem IR-transparenten Substrat (8) verbunden ist, vorzugsweise mikrostrukturierte, Gaszuführkanäle zum jeweiligen Einführen eines Referenzgases in eine jeweilige der Referenzgaskammern in dem Fertigungsverfahren ausgebildet werden. Das Zielgas kann also entweder durch spezielle Gaskanäle in die Referenzgaskammer eingebracht werden, wobei die Gaskanäle beispielsweise in dem Trägersubstrat ausgebildet sein können und nach dem Befüllen verschlossen werden können. Alternativ kann auch die Montage des akustischen Messwertaufnehmers und damit das Verschließen der Referenzgaskammern in einer Atmosphäre geschehen, die gleich dem Zielgas ist, so dass die Referenzgaskammer automatisch mit dem Zielgas befüllt wird.The necessary introduction of the reference gas into the individual reference gas chambers can take place before the reference gas chambers are sealed, for example before the SMD soldering of the acoustic measuring transducers or before the application of a gas-tight adhesive to seal off the reference gas chamber; Alternatively, the reference gas can also be introduced after the reference gas chambers have been produced and sealed, for example through (micro) gas channels created in the carrier substrate. In other words, preferably microstructured gas supply channels can be formed in the carrier substrate, which is connected to the IR-transparent substrate (8), for introducing a reference gas into a respective reference gas chamber in the manufacturing process. The target gas can therefore either be introduced into the reference gas chamber through special gas channels, in which case the gas channels can be formed in the carrier substrate, for example, and can be closed after filling. Alternatively, the installation of the acoustic measurement value recorder and thus the closing of the reference gas chambers can also take place in an atmosphere which is the same as the target gas, so that the reference gas chamber is automatically filled with the target gas.
Zur Erzeugung des gebondeten Wafer-Stapels können vielfältige Technologien eingesetzt werden, wie etwa anodisches Bonden oder adhäsives Bonden, die sich insbesondere bei Verwendung von LTCC-Substraten eignen.Various technologies can be used to produce the bonded wafer stack, such as anodic bonding or adhesive bonding, which are particularly suitable when using LTCC substrates.
Wie zuvor bereits erwähnt wurde, können gasdichte Abdichtungen jeweils zwischen dem Trägersubstrat und den (jeweiligen) akustischen Messwertaufnehmern ausgebildet werden, um die Referenzgaskammern abzuschließen. Vorzugsweise kann diese Abdichtung mittels Lötverbindungen und/oder mittels gasdichten Verklebungen erfolgen.As previously mentioned, gas-tight seals can be formed between the support substrate and the acoustic transducer(s) respectively to seal off the reference gas chambers. This sealing can preferably be effected by means of soldered connections and/or by means of gas-tight adhesive bonds.
Unter gasdichter Abdichtung kann hier insbesondere eine Abdichtung verstanden werden, die typische industrielle Anforderungen erfüllt, wie sie etwa bei hermetischen Verkapselungen oder Abdichtungen von MEMS Bolometern (insbesondere in Vakuumatmosphäre), Mikroresonatoren oder Absolutdrucksensoren gefordert sind. Solche Anforderungen werden typischerweise durch Standards klassifiziert, wie beispielsweise U.S. MIL-STD-883 Test Method 1014, der auch für die hier diskutierten Gassensoren verwendet werden kann.A gas-tight seal can be understood here in particular as a seal that meets typical industrial requirements, such as those required for hermetic encapsulations or seals of MEMS bolometers (in particular in a vacuum atmosphere), microresonators or absolute pressure sensors. Such requirements are typically classified by standards such as U.S. MIL-STD-883 Test Method 1014, which can also be used for the gas sensors discussed here.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der besagte Wafer-Stapel mit einem weiteren Funktionssubstrat, welches eine Funktionsschicht tragen kann, über full-wafer-bonding verbunden wird, um dadurch eine parallele Fertigung von Gasdetektoren zu ermöglichen. Hierbei kann das Funktionssubstrat, genauer die Funktionsschicht, optische IR-Lichtquellen, vorzugsweise in Form von elektrisch beheizten Mikromembranen, bereitstellen. Diese IR-Lichtquellen können dann (jeweils) der Beleuchtung einer jeweiligen der Referenzgaskammern dienen.A particularly preferred embodiment of the method provides that said wafer stack is connected to a further functional substrate, which can carry a functional layer, via full-wafer bonding, in order thereby to enable gas detectors to be manufactured in parallel. In this case, the functional substrate, more precisely the functional layer, can provide optical IR light sources, preferably in the form of electrically heated micromembranes. These IR light sources can then (respectively) serve to illuminate a respective reference gas chamber.
Ferner ist es für eine kompakte Abmessung der Gasdetektoren besonders vorteilhaft, wenn das Funktionssubstrat zudem eine Messkammer zur Aufnahme einer mit der Sensoranordnung photoakustisch zu vermessenden Gasprobe mit ausbildet.Furthermore, it is particularly advantageous for compact dimensions of the gas detectors if the functional substrate also forms a measurement chamber for receiving a gas sample to be photoacoustically measured with the sensor arrangement.
Die erwähnten Mikromembranen können bevorzugt eine Dicke von weniger als 100 µm, bevorzugt von weniger als 10 µm im Zentrum, haben, um so eine geringe thermische Trägheit und damit eine schnelle Modulation der abgegebenen IR-Strahlung zu erreichen. Solche filigranen Strukturen lassen sich besonders einfach auf Wafer-Ebene reproduzierbar herstellen, was weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Ansatzes zur parallelen Fertigung von Gasdetektoren zeigt.The micromembranes mentioned can preferably have a thickness of less than 100 μm, preferably less than 10 μm in the center, in order to achieve low thermal inertia and thus rapid modulation of the emitted IR radiation. Filigree structures of this type can be produced particularly easily and reproducibly at the wafer level, which shows further advantages of the approach according to the invention for the parallel production of gas detectors.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.The invention will now be described in more detail using an exemplary embodiment, but is not limited to this exemplary embodiment.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels.Further exemplary embodiments result from combining the features of individual or multiple claims with one another and/or with individual or multiple features of the respective exemplary embodiment.
Insbesondere können somit Ausbildungen der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.In particular, developments of the invention can thus be obtained from the following description of a preferred exemplary embodiment in conjunction with the general description, the claims and the drawings.
Es zeigt:
-
1 Komponenten einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, noch vor dem Zusammenbau, -
2 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung nach dem Wafer-Bonden und Verschließen der Referenzgaskammer, -
3 weitere Komponenten eines erfindungsgemäßen Gasdetektors auf Basis der Sensoranordnung, -
4 die obere Hälfte eines Wafer-Stapels zur Ausbildung von Gasdetektoren vor Verbindung mit einem weiteren Wafer-Stapel, welcher Sensoranordnungen aufweist, -
5 das Ergebnis eines full-wafer-bonds zwischen zwei Wafer-Stapeln zur Ausbildung von Gasdetektoren, -
6 einen erfindungsgemäßen Gasdetektor mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung nach dem Vereinzeln aus dem in5 gezeigten Wafer-Stapel.
-
1 Components of a sensor arrangement according to the invention, before assembly, -
2 a cross-sectional view through a sensor arrangement according to the invention after wafer bonding and sealing of the reference gas chamber, -
3 further components of a gas detector according to the invention based on the sensor arrangement, -
4 the upper half of a wafer stack for the formation of gas detectors prior to connection to a further wafer stack which has sensor arrangements, -
5 the result of a full wafer bond between two wafer stacks to form gas detectors, -
6 a gas detector according to the invention with a sensor arrangement according to the invention after separation from the in5 wafer stack shown.
Die
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen photoakustischen Sensoranordnung 2 (Vgl.
Der Messwertaufnehmer 6 weist hierzu passende eigene Metallisierungen 10 auf. Das SMT-Löten geschieht dabei in einer Referenzgas-Atmosphäre, sodass die in
Alternativ hierzu können auch Gaszuführkanäle, etwa mittels einer Mikrostrukturierung der Oberseite des Trägersubstrats 7, ausgebildet werden, um erst nach dem SMT-Löten das Referenzgas durch diese Gaszuführkanäle in die Referenzgaskammer 3 einzubringen. Anschließend können dann die Gaszuführkanäle (nicht gezeigt in
Die zwischen dem Trägersubstrat 7 und dem Messwertaufnehmer 6 ausgebildete Lötverbindung 11a schließt dabei die Referenzgaskammer 3 gasdicht ab. Nach oben hin sorgt der zwischen dem IR-transparenten Substrat 8 und dem Trägersubstrat 7 ausgebildete Wafer-bond für die notwendige Kapselung der Referenzgaskammer 3.The soldered connection 11a formed between the
Somit werden im Verlaufe des Herstellungsprozesses gasdichte Abdichtungen 12 (Vgl.
In einem abschließenden Vereinzelungsschritt, der mit Bezug auf
Bei dem in den Figuren gezeigten beispielhaften Fertigungsprozess wird der Wafer-Stapel 13 dabei vorab mit einem weiteren Funktionssubstrat 17, genauer mit einem zweiten Wafer-Stapel 13 (Vgl.
Das Funktionssubstrat 17 des weiteren Wafer-Stapels 13 (Vgl.
Entscheidend für die kompakte Bauweise der in
Der akustische Messwertaufnehmer 6, der mittels surface-mount-Technologie (SMT) auf das erste Trägersubstrat 7 aufgesetzt, genauer außenseitig aufgelötet, ist, bildet somit die Referenzgaskammer 3 mit aus, da er ihren Boden ausbildet (Vgl.
Der Messwertaufnehmer 6 selbst ist als elektronisches SMD-Bauteil ausgestaltet. Genauer handelt es sich um eine hybride Baugruppe, die neben einem MEMS-Mikrofon ein zugehöriges ASIC auf einer separaten Platine aufweist sowie weitere passive elektrische Komponenten. Die Baugruppe selbst ist mittels eines metallischen Gehäuses hermetisch gekapselt, weist jedoch an ihrer Unterseite eine Schallöffnung 22 auf, die in die Referenzgaskammer 3 mündet. Dadurch kann das MEMS-Mikrofon hoch sensitiv die akustischen Schwingungen detektieren, die mittels der in
Die Ausbildung des akustischen Messwertaufnehmers 6 als SMD-Bauteil hat nicht nur den Vorteil, dass mittels der Lötverbindung 11 die Referenzgaskammer 3 hermetisch abgedichtet ist. Vielmehr kann mittels des SMT-Prozesses auch die elektrische Kontaktierung des akustischen Messwertaufnehmers 6 sehr einfach zu dem Trägersubstrat 7 hergestellt werden, welches die hierfür notwendigen metallischen Kontaktierungspads bietet. Aufwändiges Draht-Bonden zum Kontaktieren des Messwertaufnehmers 6 kann somit vollständig entfallen. Mit anderen Worten ist der akustische Messwertaufnehmer 6 somit ausschließlich durch zusätzliche Lötverbindungen 28 (Vgl. in
In den
Wie die
Zusammenfassend wird zur Vereinfachung der Fertigung von photoakustischen Sensoranordnungen 2 für die Verwendung in Gasdetektoren 1 vorgeschlagen, dass eine mit Referenzgas 3 zu befüllende Referenzgaskammer 3 als Via 9 in einem Trägersubstrat 7 ausgestaltet ist und oberseitig mittels eines optischen Fensters 5 sowie unterseitig mittels eines akustischen Messwertaufnehmers 6, der insbesondere als eine Baugruppe ausgestaltet sein kann, abgeschlossen ist. Dieser Ansatz ermöglicht die parallele Fertigung solcher Sensoranordnungen 2 auf Basis eines Wafer-Stapels 13, der durch einen Full-wafer-bond des besagten Trägersubstrats 7 mit einem IR-transparenten Substrat 8, erzeugt wird. Im Ergebnis können die einzelnen Sensoranordnungen 2 somit nach dem Vereinzeln als kompakte Stapel 20 erhalten werden und so kostengünstig gefertigt werden, insbesondere gemeinsam mit den Gasdetektoren 1 (vgl.
Mit den zuvor erläuterten Sensoranordnungen 2 lassen sich auch vollständige photoakustische Gasdetektoren 1 (Vgl.
Wie anhand der schematisch dargestellten Gasmoleküle 16 in
Der in
In
Wie in
Wie die
Ein Vergleich der
Wie anhand der
Aufgrund dieser Fertigung ergibt sich der in
Anhand der
Nach oben ist die Referenzgaskammer 3 durch das Substrat 8 abgeschlossen, welches seinerseits gasdicht mit dem Trägersubstrat 7 gebondet ist (Vgl.
In den
Anhand der Figuren lässt sich auch eine erfindungsgemäße Batch-Herstellung von photoakustischen Gasdetektoren 1 wie dem der
Bei diesem Verfahren teilen sich beispielsweise alle Gasdetektoren 1 eines jeweiligen Batch die vier gezeigten Substrate 17, 7 (zwei Trägersubstrate) und 8, können aber mit unterschiedlichen Messwertaufnehmern 6 bestückt werden, oder beispielsweise können auch die jeweiligen Referenzgaskammern 3 mit unterschiedlichem Referenzgas 4 befüllt werden. Für eine effiziente Fertigung ist es jedoch vorzuziehen, wenn alle Referenzgaskammern 3 eines Wafer-Stapels 13 gleichzeitig mit demselben Referenzgas 4 befüllt werden.In this method, for example, all
Ausgehend von dem in
Als nächstes wird eine Vielzahl an Lichtquellen 15 in dem Funktionssubstrat 17 ausgebildet. Dies geschieht zunächst durch Aufbringen und photolithographisches Strukturieren der in
Anschließend erfolgt eine erneute Photolithographie auf der Oberseite des Funktionssubstrats 17, gefolgt von einem Trockenätzschritt von der Vorderseite her. Durch den Trockenätzschritt werden die freitragenden Aufhängungen der Mikromembrane 21 definiert, wobei - wie in
Um die Absorptionslänge der Messkammer 14 zu erhöhen, wird das so fertig gestellte Funktionssubstrat 17 mit dem weiteren Trägersubstrat 7 zu dem in
Als nächstes wird separat der in
Anschließend können bereits jetzt die Referenzgaskammern 3 mit dem Referenzgas 4 befüllt und durch Auflöten eines jeweiligen Messwertaufnehmers 6 (auf hierfür an der Unterseite des Trägersubstrats 7 angelegte Metallisierungen 10) gasdicht abgeschlossen werden. Dieser Schritt kann jedoch bevorzugt auch erst nach dem Bonden des in
Durch den dritten Full-wafer-bond wird somit das IR-transparente Substrat 8 auf die Unterseite des in
Schließlich wird der in
Wie bereits erwähnt wurde kann, bevorzugt noch vor dem Vereinzeln des in
Somit wird ergänzendzur kostengünstigen und reproduzierbaren Fertigung miniaturisierter photoakustischer Gasdetektoren 1 vorgeschlagen, einen Wafer-Stapel 13 aus einem Funktionssubstrat 17, welches eine Lichtquelle 15 zum Abgeben von Strahlung ausbildet, einem für die Strahlung der Lichtquelle 15 transparenten Substrat 8 und mindestens einem Trägersubstrat 7, durch jeweiliges Waferbonding, zu bilden. In dem so erzeugten Wafer-Stapel 13 (Vgl.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Photoakustischer GasdetektorPhotoacoustic gas detector
- 22
- Photoakustische SensoranordnungPhotoacoustic sensor array
- 33
- Referenzgaskammerreference gas chamber
- 44
- Referenzgasreference gas
- 55
- optisches Fensteroptical window
- 66
- akustischer Messwertaufnehmeracoustic transducer
- 77
- Trägersubstratcarrier substrate
- 88th
- IR-transparentes SubstratIR transparent substrate
- 99
- ViaVia
- 1010
- Metallisierungmetallization
- 1111
- Lötverbindungsolder connection
- 1212
- Abdichtungseal
- 1313
- Wafer-Stapelwafer stack
- 1414
- Messkammermeasuring chamber
- 1515
- Lichtquellelight source
- 1616
- Gasprobe (zu vermessen)gas sample (to be measured)
- 1717
- Funktionssubstratfunctional substrate
- 1818
- Funktionsschicht (z.B. Siliziumnitrid)Functional layer (e.g. silicon nitride)
- 1919
- elektrisch leitfähige Dünnschicht (z.B. Pt)electrically conductive thin film (e.g. Pt)
- 2020
- Stapelstack
- 2121
- Mikromembranmicromembrane
- 2222
- Schallöffnungsound port
- 2323
- Abdeckungcover
- 2424
- Reflektorschichtreflector layer
- 2525
- Gaszuführunggas supply
- 2626
- IR-StrahlungIR radiation
- 2727
- Kavitätcavity
- 2828
- Zusätzliche LötverbindungAdditional solder connection
Claims (13)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102020123199.7A DE102020123199A1 (en) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | Photoacoustic sensor array |
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---|---|---|---|
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Publications (1)
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ID=80266631
Family Applications (1)
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-
2020
- 2020-09-04 DE DE102020123199.7A patent/DE102020123199A1/en not_active Ceased
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